美国下一代空间架构体系发展及运用策略研究

温聚英 施卫科 李成祥

（北京宇航系统工程研究所）

2019年7月，美国航天发展局（SDA）征询下一代空间军事体系，提出构建集战术天基信息支援与攻防于一体的“七层”空间体系，包括空间传输层、跟踪层、监视层、威慑层、导航层、战斗管理层、支持层。本文梳理了美弹性发展脉络，多角度分析下一代空间架构体系的总体设想、发展步骤、技术方案、作战构想及能力特征，深入剖析了美下一代空间架构体系的军事意义和使命任务。

1 引言

围绕保持大国竞争优势，美国政府和国防部（DoD）提出一系列改革发展举措。2019年7月，美国航天发展局征询下一代空间体系，提出构建集战术天基信息支援与攻防于一体的“七层”空间体系。美航天体系架构正由集中式向易扩展、可升级、抗毁能力强的分布式弹性体系架构转变，弥补航天装备脆弱性带来的攻防劣势，增强美军用卫星作战行动中的抗毁性。

2 美弹性发展历程

提出背景

2010年来，美国先后在《国防太空战略》《太空作战条令》中明确弹性太空架构，以及分解、多样化、分散部署、欺骗、防护、扩散式部署等弹性方法。

2011年，美国出台《国家安全空间战略》，针对空间对抗问题，提出将弹性作为评估军事空间体系的重要指标，以确保美国空间能力安全。

2013年5月出台的美军《空间作战》联合条令，提出发展商业和多国合作的空间能力可提升空间体系弹性，增强对敌威慑力；美国空军航天司令部（AFSPC）于2013年8月发布《弹性与分散空间体系》白皮书，“弹性”被定义为：“一个系统体系在面对系统故障、环境挑战或敌对行动时能够继续提供所需能力的本领”。“弹性”围绕威胁慑止、体系强健、系统重构、能力恢复等途径展开，以制度化的形式融入体系研究、需求论证、规划计划、采办和运行管理等各项军事航天活动中。此外，太空力量重构也是“弹性”的另一种表现形式，是指在遭受严重降级后将功能恢复到可接受水平的能力，包括发射额外卫星，运用额外地面站、新型信号和频谱等。

发展历程

美国对于弹性太空的研究始于21世纪，截至目前，共经历了三个发展阶段，分别为：2010－2014年的早期雏形阶段；2015－2018年的技术探索阶段；2019年至今的增强与加速阶段。

2010年提出弹性概念，属于早期雏形阶段，美智库评估空间安全环境呈现对抗（Contested）、空间环境拥挤（Congested）、国际竞争（Competitive）的“3C”局面，面对潜在的太空威胁，美国提出太空弹性概念。通过F6计划[未来（Futre）、快速（Fast）、灵活（Flexible）、分散（Fractionated）、自由飞行（Free-Flying）]探索太空弹性的雏形“太空分散”方法，即将天基任务、功能或传感器分散到一个或多个轨道平面、平台、载具或多域多个系统之中。在“施里弗军演2014”（Schriever Wargame 2014）评估未来空间体系架构在受限环境下的弹性，验证“规避、加固、重构和恢复”等作战概念。

2015年，研究进入技术探索阶段，美国提出“有限太空战”，采用基于微小卫星的分布式架构、增强在轨卫星机动性、发展卫星在轨检测与维修能力、改进太空发射能力等，建设新的分散化弹性太空体系。通过实施“下一代铱星”（Iridium NEXT）星座、“地球同步轨道卫星机器人服务”（RSGS）项目、“黑杰克”（BlackJack）项目、第三代“全球定位系统”（GPS III）、“鸽群”（Flock）计划等，解决空间系统体系复杂、造价昂贵、研制周期长、作战响应能力差等问题。

2019年，美国天军（USSF）成立后，弹性太空架构体系呈现增强与加速阶段。以弹性思想为核心，加速构建下一代“七层”空间架构体系、“下一代过顶持续红外”系统（Next-Gen OPIR）、“星链”（Starlink）星座、“一网”（Oneweb）星座、空间弹性快速响应发射火箭等弹性装备，使天基资产具有弹性抗毁能力和防御能力。

3 技术方案分析

下一代空间架构体系设想

下一代空间架构体系是一个大规模多功能层构成的系统，采取一体化体系结构理念设计思路，利用大规模和分布式方式提升应对现实威胁的弹性和应对新兴威胁的快速演进更新能力，包括空间传输层、跟踪层、监视层、威慑层、导航层、战斗管理层、支持层等七层，在距地1000～1500km部署约1500颗50～500kg的小卫星，建立以低轨通信卫星星座为基础，覆盖通信、导弹预警、侦察监视、对抗、定位授时、作战管理、地面支持等七类功能的大规模、多功能航天装备系统。

美下一代空间架构体系强调快速生成作战能力，将借鉴企业最佳实践和商业模式，快速螺旋演进发展部署，计划2028年具备全球关键作战能力，各层的主要组成和能力如下。

1）传输层：由658颗卫星组成，提供全球覆盖的低时延、无间断数据传输与通信能力；

2）跟踪层：由200颗卫星组成，提供天基识别、预警、跟踪和瞄准，辅助形成对先进高速导弹等新型武器的拦截能力；

3）监视层：由200颗卫星组成，提供大型时敏目标全天候、全天时的战场监视，辅助实现导弹射前的“先发制人”打击能力；

4）威慑层：由200颗卫星和3架先进机动飞行器组成，实现地月空间目标感知，增强太空慑战能力；

5）导航层：由300颗卫星组成，提供GPS拒止环境下的定位、导航与授时，增强干扰、欺骗、网络攻击等对抗环境下的联合作战保障能力；

6）作战管理层：由分布式自主作战管理系统组成，提供自组织、自学习、自适应天基作战管理，形成低时延、大规模闭合时敏目标杀伤链；

7）支持层：由用户终端、中小型运载器、地面测控系统组成，提供快速补网和地面配套应用支持。

发展步骤

美国航天发展局前期将重点发展下一代空间架构体系的传输层和跟踪层，后续逐步融入其他能力，每两年实现一次阶段升级。

1）0批（2022财年）：研制最低可行性产品，形成基本作战能力。研制试验卫星，验证星间激光链路、Link-16战术数据链、“综合广播系统”（IBS）、先进导弹的探测和跟踪等能力。

2）1批（2024财年）：形成初始作战能力。计划以100～200颗卫星星座规模实现区域连续低时延传输网覆盖，集成跟踪层、监视层、“作战管理与指控通信”（BMC3）模块等初始作战能力。

3）2批（2026财年）：形成全球作战能力。

4）3批（2028财年）：作战能力进一步提升。包括更好的导弹跟踪灵敏度，更好的超视距瞄准能力，在GPS拒止环境下的定位、导航、授时能力，武器和平台的先进战术数据链路，并具有弹性。

5）4批（2030财年）：作战能力持续提升。

技术方案分析

现阶段，航天发展局完成了0期的20颗传输层卫星和8颗跟踪层卫星合同签订，先后开展了在轨试验，验证人工智能边缘计算、星间激光通信链路技术和加密通信技术，为下一代空间架构体系跟踪层和传输层星座建设提供技术基础，正着手开展1期招标与建设。弹性、分散的下一代太空体系将以机动时敏目标防御作战需求为切入点，重点打造传输层、跟踪层和监视层核心能力，探索新一代软、硬件技术，通过大体系联合演习与试验验证关键技术，加速装备能力建设步伐，平衡快速应对威胁与能力生成间矛盾。先期统一低轨小卫星平台架构，未来向高低轨大中小卫星推广。每层建设思路科学、清晰、合理，先期小步快速迭代，未来集成联试，装备呈螺旋上升演化态势,各层建设如下。

1）传输层先期单独组网建立战场低时延通信星座，未来在各物理层放置通信节点；

2）导航层先期使用GPS定轨，未来使用星地激光测距和定轨作为“无质量载荷”；

3）跟踪层先期采用低轨星座将数据传至地面处理，未来增加中轨卫星星座，实现天基处理并经由传输层节点与武器通过数据链直接铰链；

下一代空间架构体系各层间关系

4）看护层先期为APP，部署在地面，融合处理已有军民商盟卫星，未来通过机器学习简化算法后尽可能向天基迁移，还会根据威胁和需求发展专门卫星；

5）作战管理层物理形态是星上计算机模块及操作系统，提供星座运控、组网和任务APP运行，未来作为赋能模块安装在其他军民商盟卫星并网互联，还可能部署边缘计算节点星。

作战构想

下一代空间架构体系中的传输层、跟踪层、支持层、作战管理层、监视层等将共同运行以支持作战。其中，跟踪层和监视层是关键。跟踪层无需事先提示即可检测并启动对先进导弹威胁的跟踪，跟踪到的数据都通过传输网络传到地面。

跟踪层的卫星将与地面系统、导弹防御系统的相关部分配合使用，对数据进行处理与分析，形成导弹航迹，然后将数据发送回传输网络，并通过战术数据链转发给作战平台。此传输过程将在几秒钟内完成。

监视层着重构建星上传感器获取的数据融合到应用前端的能力，未来的卫星将搭载数据传输载荷，与传输层进行数据交互，卫星获取的数据将通过传输网络传输至网络中的作战平台，包括电子信号、SAR图像、光学图像。地面系统接收到数据后，在地面处理设施中通过应用程序进行多源数据融合处理，生成目标指示信息。

同时，地面处理设施通过人工智能算法实现多源数据融合和目标指示，简化后的人工智能算法可上注卫星，星上实时计算目标指示信息，通过传输层将数据分发到战区。

特点及能力特征分析

美军下一代空间架构体系将大量引入颠覆性技术，如先进的网络技术、人工智能、大规模分布式计算技术、低成本在轨处理技术、空间加密技术等。新的体系架构具备多种能力特征。

1）星座规模大。从航天发展局透露的信息判断，下一代空间架构体系至少包括1500颗卫星和3架先进机动飞行器。

2）采用商业通用平台。开放式的架构可匹配不同有效载荷。开发商业化卫星平台以及低成本、可更换的有效载荷。平台采用基于开放架构的电气、软件和网状网络接口控制，可安装数十种或数百种不同类型的军用卫星有效载荷，满足不同类型的任务需求。

3）可通过更新软件实现在轨升级。每隔两三年就建造出具有开放式结构标准的新型有效载荷，通过算法对其性能进行无线更新。

4）自主运行能力强。该星座采用冗余网状网络构型，具备较强的自主运行能力，可在地面网络出现问题时独立实现数据的上传和下载，无需其他系统参与数据转换，具有很强的抗毁性和应变能力。

5）充分利用商业现有技术低成本、快速形成能力。使用商业现有技术制造卫星，将使单个卫星节点的全部成本（包括发射成本在内）降至600万美元，甚至低于先进弹药的制造成本。

6）完全融入商业星座。一方面，星座由商业公司建造，采用与其他商用卫星星座相似的体系架构与技术，并部署在商业卫星星座聚集的低地球轨道。另一方面，该星座由军方独立运控，但与商业星座保持互联互通。

4 军事意图分析

使命任务分析

下一代空间架构体系符合大国竞争时代美太空力量发展需求，更加强调灵活、弹性、敏捷。美军构想的新一代太空体系的能力，与美国防部提出未来太空力量发展愿景八大能力相呼应，即对先进导弹目标的持续全球监视；针对先进导弹威胁的预警、跟踪、指示；GPS拒止环境下的定位、导航与授时（PNT）能力；全球近实时空间态势感知；发展太空威慑能力；快速响应、弹性的通用地面基础支持设施；跨域、网络化、与节点无关的“指挥控制和通信能力”，包括核指挥、控制与通信（NC3）；基于人工智能的大规模、低延迟、持久全球监控能力。

下一代空间架构体系将显著提升美太空系统弹性，确保对抗条件下的太空任务保证能力，新架构设想在低轨构建以大规模、分布式、去中心化、可快速补充扩展为特征的新一代空间系统。

军事意义分析

下一代空间架构体系仅是美军防范太空冲突在低轨开展的探索与尝试，将与传统装备形成能力互补。下一代空间架构体系建设的网状网络，将显著增强美军低轨卫星系统的体系弹性与对抗能力，颠覆当前全球空间系统建设和发展格局。同时，美军未来大规模无中心节点系统将分散当前体系下关键节点能力，依靠智能化星间组网技术能快速、自主实现体系重构，使其不再惧怕关键节点受损或被干扰带来的能力丧失或降级，在轨抗毁能力大幅度提升，降低对手打击效果；利用商业卫星“超级工厂”与灵活发射方式还可实现快速能力补充或升级，推进科研工程项目新形态，推动空间系统智能化发展，推进装备形态快速持续演化，提供一种太空装备建设的新模式。

5 结语

下一代空间架构体系的建设将充分利用美国商业航天工业基础，军方出资招标优选技术途径和方案，逐步实现由在轨试验向批量部署的过渡升级；传统与新兴商业航天公司以满足军方需求为目标，实现军商共建互惠发展，在充分共享经验和技术的基础上，制定支持互联、互操作的平台与接口标准，发展通用卫星平台、载荷和制造流水线，降低单星制造与发射成本，全面构建良性航天生态系统，稳固美国在商业航天市场的领军地位。