美國下一代空間架構體系發(fā)展及運用策略研究

溫聚英 施衛(wèi)科 李成祥

（北京宇航系統(tǒng)工程研究所）

2019年7月，美國航天發(fā)展局（SDA）征詢下一代空間軍事體系，提出構建集戰(zhàn)術天基信息支援與攻防于一體的“七層”空間體系，包括空間傳輸層、跟蹤層、監(jiān)視層、威懾層、導航層、戰(zhàn)斗管理層、支持層。本文梳理了美彈性發(fā)展脈絡，多角度分析下一代空間架構體系的總體設想、發(fā)展步驟、技術方案、作戰(zhàn)構想及能力特征，深入剖析了美下一代空間架構體系的軍事意義和使命任務。

1 引言

圍繞保持大國競爭優(yōu)勢，美國政府和國防部（DoD）提出一系列改革發(fā)展舉措。2019年7月，美國航天發(fā)展局征詢下一代空間體系，提出構建集戰(zhàn)術天基信息支援與攻防于一體的“七層”空間體系。美航天體系架構正由集中式向易擴展、可升級、抗毀能力強的分布式彈性體系架構轉變，彌補航天裝備脆弱性帶來的攻防劣勢，增強美軍用衛(wèi)星作戰(zhàn)行動中的抗毀性。

2 美彈性發(fā)展歷程

提出背景

2010年來，美國先后在《國防太空戰(zhàn)略》《太空作戰(zhàn)條令》中明確彈性太空架構，以及分解、多樣化、分散部署、欺騙、防護、擴散式部署等彈性方法。

2011年，美國出臺《國家安全空間戰(zhàn)略》，針對空間對抗問題，提出將彈性作為評估軍事空間體系的重要指標，以確保美國空間能力安全。

2013年5月出臺的美軍《空間作戰(zhàn)》聯(lián)合條令，提出發(fā)展商業(yè)和多國合作的空間能力可提升空間體系彈性，增強對敵威懾力；美國空軍航天司令部（AFSPC）于2013年8月發(fā)布《彈性與分散空間體系》白皮書，“彈性”被定義為：“一個系統(tǒng)體系在面對系統(tǒng)故障、環(huán)境挑戰(zhàn)或敵對行動時能夠繼續(xù)提供所需能力的本領”。“彈性”圍繞威脅懾止、體系強健、系統(tǒng)重構、能力恢復等途徑展開，以制度化的形式融入體系研究、需求論證、規(guī)劃計劃、采辦和運行管理等各項軍事航天活動中。此外，太空力量重構也是“彈性”的另一種表現(xiàn)形式，是指在遭受嚴重降級后將功能恢復到可接受水平的能力，包括發(fā)射額外衛(wèi)星，運用額外地面站、新型信號和頻譜等。

發(fā)展歷程

美國對于彈性太空的研究始于21世紀，截至目前，共經歷了三個發(fā)展階段，分別為：2010－2014年的早期雛形階段；2015－2018年的技術探索階段；2019年至今的增強與加速階段。

2010年提出彈性概念，屬于早期雛形階段，美智庫評估空間安全環(huán)境呈現(xiàn)對抗（Contested）、空間環(huán)境擁擠（Congested）、國際競爭（Competitive）的“3C”局面，面對潛在的太空威脅，美國提出太空彈性概念。通過F6計劃[未來（Futre）、快速（Fast）、靈活（Flexible）、分散（Fractionated）、自由飛行（Free-Flying）]探索太空彈性的雛形“太空分散”方法，即將天基任務、功能或傳感器分散到一個或多個軌道平面、平臺、載具或多域多個系統(tǒng)之中。在“施里弗軍演2014”（Schriever Wargame 2014）評估未來空間體系架構在受限環(huán)境下的彈性，驗證“規(guī)避、加固、重構和恢復”等作戰(zhàn)概念。

2015年，研究進入技術探索階段，美國提出“有限太空戰(zhàn)”，采用基于微小衛(wèi)星的分布式架構、增強在軌衛(wèi)星機動性、發(fā)展衛(wèi)星在軌檢測與維修能力、改進太空發(fā)射能力等，建設新的分散化彈性太空體系。通過實施“下一代銥星”（Iridium NEXT）星座、“地球同步軌道衛(wèi)星機器人服務”（RSGS）項目、“黑杰克”（BlackJack）項目、第三代“全球定位系統(tǒng)”（GPS III）、“鴿群”（Flock）計劃等，解決空間系統(tǒng)體系復雜、造價昂貴、研制周期長、作戰(zhàn)響應能力差等問題。

2019年，美國天軍（USSF）成立后，彈性太空架構體系呈現(xiàn)增強與加速階段。以彈性思想為核心，加速構建下一代“七層”空間架構體系、“下一代過頂持續(xù)紅外”系統(tǒng)（Next-Gen OPIR）、“星鏈”（Starlink）星座、“一網”（Oneweb）星座、空間彈性快速響應發(fā)射火箭等彈性裝備，使天基資產具有彈性抗毀能力和防御能力。

3 技術方案分析

下一代空間架構體系設想

下一代空間架構體系是一個大規(guī)模多功能層構成的系統(tǒng)，采取一體化體系結構理念設計思路，利用大規(guī)模和分布式方式提升應對現(xiàn)實威脅的彈性和應對新興威脅的快速演進更新能力，包括空間傳輸層、跟蹤層、監(jiān)視層、威懾層、導航層、戰(zhàn)斗管理層、支持層等七層，在距地1000～1500km部署約1500顆50～500kg的小衛(wèi)星，建立以低軌通信衛(wèi)星星座為基礎，覆蓋通信、導彈預警、偵察監(jiān)視、對抗、定位授時、作戰(zhàn)管理、地面支持等七類功能的大規(guī)模、多功能航天裝備系統(tǒng)。

美下一代空間架構體系強調快速生成作戰(zhàn)能力，將借鑒企業(yè)最佳實踐和商業(yè)模式，快速螺旋演進發(fā)展部署，計劃2028年具備全球關鍵作戰(zhàn)能力，各層的主要組成和能力如下。

1）傳輸層：由658顆衛(wèi)星組成，提供全球覆蓋的低時延、無間斷數據傳輸與通信能力；

2）跟蹤層：由200顆衛(wèi)星組成，提供天基識別、預警、跟蹤和瞄準，輔助形成對先進高速導彈等新型武器的攔截能力；

3）監(jiān)視層：由200顆衛(wèi)星組成，提供大型時敏目標全天候、全天時的戰(zhàn)場監(jiān)視，輔助實現(xiàn)導彈射前的“先發(fā)制人”打擊能力；

4）威懾層：由200顆衛(wèi)星和3架先進機動飛行器組成，實現(xiàn)地月空間目標感知，增強太空懾戰(zhàn)能力；

5）導航層：由300顆衛(wèi)星組成，提供GPS拒止環(huán)境下的定位、導航與授時，增強干擾、欺騙、網絡攻擊等對抗環(huán)境下的聯(lián)合作戰(zhàn)保障能力；

6）作戰(zhàn)管理層：由分布式自主作戰(zhàn)管理系統(tǒng)組成，提供自組織、自學習、自適應天基作戰(zhàn)管理，形成低時延、大規(guī)模閉合時敏目標殺傷鏈；

7）支持層：由用戶終端、中小型運載器、地面測控系統(tǒng)組成，提供快速補網和地面配套應用支持。

發(fā)展步驟

美國航天發(fā)展局前期將重點發(fā)展下一代空間架構體系的傳輸層和跟蹤層，后續(xù)逐步融入其他能力，每兩年實現(xiàn)一次階段升級。

1）0批（2022財年）：研制最低可行性產品，形成基本作戰(zhàn)能力。研制試驗衛(wèi)星，驗證星間激光鏈路、Link-16戰(zhàn)術數據鏈、“綜合廣播系統(tǒng)”（IBS）、先進導彈的探測和跟蹤等能力。

2）1批（2024財年）：形成初始作戰(zhàn)能力。計劃以100～200顆衛(wèi)星星座規(guī)模實現(xiàn)區(qū)域連續(xù)低時延傳輸網覆蓋，集成跟蹤層、監(jiān)視層、“作戰(zhàn)管理與指控通信”（BMC3）模塊等初始作戰(zhàn)能力。

3）2批（2026財年）：形成全球作戰(zhàn)能力。

4）3批（2028財年）：作戰(zhàn)能力進一步提升。包括更好的導彈跟蹤靈敏度，更好的超視距瞄準能力，在GPS拒止環(huán)境下的定位、導航、授時能力，武器和平臺的先進戰(zhàn)術數據鏈路，并具有彈性。

5）4批（2030財年）：作戰(zhàn)能力持續(xù)提升。

技術方案分析

現(xiàn)階段，航天發(fā)展局完成了0期的20顆傳輸層衛(wèi)星和8顆跟蹤層衛(wèi)星合同簽訂，先后開展了在軌試驗，驗證人工智能邊緣計算、星間激光通信鏈路技術和加密通信技術，為下一代空間架構體系跟蹤層和傳輸層星座建設提供技術基礎，正著手開展1期招標與建設。彈性、分散的下一代太空體系將以機動時敏目標防御作戰(zhàn)需求為切入點，重點打造傳輸層、跟蹤層和監(jiān)視層核心能力，探索新一代軟、硬件技術，通過大體系聯(lián)合演習與試驗驗證關鍵技術，加速裝備能力建設步伐，平衡快速應對威脅與能力生成間矛盾。先期統(tǒng)一低軌小衛(wèi)星平臺架構，未來向高低軌大中小衛(wèi)星推廣。每層建設思路科學、清晰、合理，先期小步快速迭代，未來集成聯(lián)試，裝備呈螺旋上升演化態(tài)勢,各層建設如下。

1）傳輸層先期單獨組網建立戰(zhàn)場低時延通信星座，未來在各物理層放置通信節(jié)點；

2）導航層先期使用GPS定軌，未來使用星地激光測距和定軌作為“無質量載荷”；

3）跟蹤層先期采用低軌星座將數據傳至地面處理，未來增加中軌衛(wèi)星星座，實現(xiàn)天基處理并經由傳輸層節(jié)點與武器通過數據鏈直接鉸鏈；

下一代空間架構體系各層間關系

4）看護層先期為APP，部署在地面，融合處理已有軍民商盟衛(wèi)星，未來通過機器學習簡化算法后盡可能向天基遷移，還會根據威脅和需求發(fā)展專門衛(wèi)星；

5）作戰(zhàn)管理層物理形態(tài)是星上計算機模塊及操作系統(tǒng)，提供星座運控、組網和任務APP運行，未來作為賦能模塊安裝在其他軍民商盟衛(wèi)星并網互聯(lián)，還可能部署邊緣計算節(jié)點星。

作戰(zhàn)構想

下一代空間架構體系中的傳輸層、跟蹤層、支持層、作戰(zhàn)管理層、監(jiān)視層等將共同運行以支持作戰(zhàn)。其中，跟蹤層和監(jiān)視層是關鍵。跟蹤層無需事先提示即可檢測并啟動對先進導彈威脅的跟蹤，跟蹤到的數據都通過傳輸網絡傳到地面。

跟蹤層的衛(wèi)星將與地面系統(tǒng)、導彈防御系統(tǒng)的相關部分配合使用，對數據進行處理與分析，形成導彈航跡，然后將數據發(fā)送回傳輸網絡，并通過戰(zhàn)術數據鏈轉發(fā)給作戰(zhàn)平臺。此傳輸過程將在幾秒鐘內完成。

監(jiān)視層著重構建星上傳感器獲取的數據融合到應用前端的能力，未來的衛(wèi)星將搭載數據傳輸載荷，與傳輸層進行數據交互，衛(wèi)星獲取的數據將通過傳輸網絡傳輸至網絡中的作戰(zhàn)平臺，包括電子信號、SAR圖像、光學圖像。地面系統(tǒng)接收到數據后，在地面處理設施中通過應用程序進行多源數據融合處理，生成目標指示信息。

同時，地面處理設施通過人工智能算法實現(xiàn)多源數據融合和目標指示，簡化后的人工智能算法可上注衛(wèi)星，星上實時計算目標指示信息，通過傳輸層將數據分發(fā)到戰(zhàn)區(qū)。

特點及能力特征分析

美軍下一代空間架構體系將大量引入顛覆性技術，如先進的網絡技術、人工智能、大規(guī)模分布式計算技術、低成本在軌處理技術、空間加密技術等。新的體系架構具備多種能力特征。

1）星座規(guī)模大。從航天發(fā)展局透露的信息判斷，下一代空間架構體系至少包括1500顆衛(wèi)星和3架先進機動飛行器。

2）采用商業(yè)通用平臺。開放式的架構可匹配不同有效載荷。開發(fā)商業(yè)化衛(wèi)星平臺以及低成本、可更換的有效載荷。平臺采用基于開放架構的電氣、軟件和網狀網絡接口控制，可安裝數十種或數百種不同類型的軍用衛(wèi)星有效載荷，滿足不同類型的任務需求。

3）可通過更新軟件實現(xiàn)在軌升級。每隔兩三年就建造出具有開放式結構標準的新型有效載荷，通過算法對其性能進行無線更新。

4）自主運行能力強。該星座采用冗余網狀網絡構型，具備較強的自主運行能力，可在地面網絡出現(xiàn)問題時獨立實現(xiàn)數據的上傳和下載，無需其他系統(tǒng)參與數據轉換，具有很強的抗毀性和應變能力。

5）充分利用商業(yè)現(xiàn)有技術低成本、快速形成能力。使用商業(yè)現(xiàn)有技術制造衛(wèi)星，將使單個衛(wèi)星節(jié)點的全部成本（包括發(fā)射成本在內）降至600萬美元，甚至低于先進彈藥的制造成本。

6）完全融入商業(yè)星座。一方面，星座由商業(yè)公司建造，采用與其他商用衛(wèi)星星座相似的體系架構與技術，并部署在商業(yè)衛(wèi)星星座聚集的低地球軌道。另一方面，該星座由軍方獨立運控，但與商業(yè)星座保持互聯(lián)互通。

4 軍事意圖分析

使命任務分析

下一代空間架構體系符合大國競爭時代美太空力量發(fā)展需求，更加強調靈活、彈性、敏捷。美軍構想的新一代太空體系的能力，與美國防部提出未來太空力量發(fā)展愿景八大能力相呼應，即對先進導彈目標的持續(xù)全球監(jiān)視；針對先進導彈威脅的預警、跟蹤、指示；GPS拒止環(huán)境下的定位、導航與授時（PNT）能力；全球近實時空間態(tài)勢感知；發(fā)展太空威懾能力；快速響應、彈性的通用地面基礎支持設施；跨域、網絡化、與節(jié)點無關的“指揮控制和通信能力”，包括核指揮、控制與通信（NC3）；基于人工智能的大規(guī)模、低延遲、持久全球監(jiān)控能力。

下一代空間架構體系將顯著提升美太空系統(tǒng)彈性，確保對抗條件下的太空任務保證能力，新架構設想在低軌構建以大規(guī)模、分布式、去中心化、可快速補充擴展為特征的新一代空間系統(tǒng)。

軍事意義分析

下一代空間架構體系僅是美軍防范太空沖突在低軌開展的探索與嘗試，將與傳統(tǒng)裝備形成能力互補。下一代空間架構體系建設的網狀網絡，將顯著增強美軍低軌衛(wèi)星系統(tǒng)的體系彈性與對抗能力，顛覆當前全球空間系統(tǒng)建設和發(fā)展格局。同時，美軍未來大規(guī)模無中心節(jié)點系統(tǒng)將分散當前體系下關鍵節(jié)點能力，依靠智能化星間組網技術能快速、自主實現(xiàn)體系重構，使其不再懼怕關鍵節(jié)點受損或被干擾帶來的能力喪失或降級，在軌抗毀能力大幅度提升，降低對手打擊效果；利用商業(yè)衛(wèi)星“超級工廠”與靈活發(fā)射方式還可實現(xiàn)快速能力補充或升級，推進科研工程項目新形態(tài)，推動空間系統(tǒng)智能化發(fā)展，推進裝備形態(tài)快速持續(xù)演化，提供一種太空裝備建設的新模式。

5 結語

下一代空間架構體系的建設將充分利用美國商業(yè)航天工業(yè)基礎，軍方出資招標優(yōu)選技術途徑和方案，逐步實現(xiàn)由在軌試驗向批量部署的過渡升級；傳統(tǒng)與新興商業(yè)航天公司以滿足軍方需求為目標，實現(xiàn)軍商共建互惠發(fā)展，在充分共享經驗和技術的基礎上，制定支持互聯(lián)、互操作的平臺與接口標準，發(fā)展通用衛(wèi)星平臺、載荷和制造流水線，降低單星制造與發(fā)射成本，全面構建良性航天生態(tài)系統(tǒng)，穩(wěn)固美國在商業(yè)航天市場的領軍地位。