美軍分散空間體系的最新發展

分散式空間體系是近年來美軍對于空間系統未來發展新思路的探索。一方面，美國空軍航天司令部在2013年發布《彈性與分散空間體系》白皮書，闡述了未來空間系統建設的發展思路；另一方面，美國國防部啟動多項備選方案分析（AOA），以及技術驗證項目，以評估“分散”方案的影響。美國政府問責署（GAO）在調研國防部、民用機構、承包商、第三方研究機構的基礎上，認為“分散”方案對于幫助國防部降低采辦成本并提高衛星系統彈性的程度仍有待研究，并建議國防部全面評估所有影響，制定通用的“彈性”評估標準，以及評估操作可行性。

《彈性與分散空間體系》白皮書

1 “分散”體系發展概況

2013年8月，美國空軍航天司令部發布《彈性與分散空間體系》白皮書，借助結構分散、功能分散、搭載載荷、多軌道分布、多領域備份等方式，將天基任務、功能或傳感器分散到跨一個或多個軌道平面、平臺、宿主或陸海空其他領域的多個系統之上。采用“分散”方案的目的是使某個系統體系在面臨系統故障、環境挑戰或對手活動時，能夠繼續提供所需能力，即所謂“彈性”。白皮書認為，“分散”是保持領先對手的新機遇，這將增加對手鎖定目標的難度，降低對空間設施實施全面攻擊的效果。“彈性”形成的威懾能力，或許是保護我們免受攻擊的最好方法。

而對于空間系統的未來發展，美國國防部已啟動多項研究和技術驗證項目，其中的重點是對安全（或稱受保護）衛星通信服務、天基紅外后繼系統、天基環境監測能力的備選方案分析研究。其中，天基環境監測能力研究已在2013年完成，其他兩個備選方案分析研究在2015年完成。此外，國防部還計劃啟動下一代寬帶衛星通信系統的備選方案分析研究。

2014年夏，美國國防部聯合多個情報機構對美國面臨的空間環境進行深入評估，并形成《空間戰略投資組合評估》（SSPR）報告。據美國航天新聞網2015年5月7日報道，這份評估報告認為，由于中國、俄羅斯對衛星系統威脅的緊迫性，“彈性”已成為任何新空間體系結構的首要需求。因此國防部將“彈性”作為備選方案分析研究的主要考量。

2014年10月，美國政府問責署發布《國防部空間系統：需要更多知識才能更好地支持分散大型衛星的決策》報告，認為實施“分散”方案有利有弊，且該方案對于幫助國防部降低采辦成本并提高衛星系統彈性的程度仍有待研究。報告建議國防部在實施“分散”方案之前，應當全面評估可能帶來的所有影響，制定通用的“彈性”評估標準，以及拓展驗證工作，評估“分散”方案的操作可行性。該報告也指出，國防部官員強調“分散”僅是未來空間系統設計的方案之一，除此之外，國防部也在考慮其他提高空間系統生存能力的方法，如增強衛星機動性，增強衛星自身防御功能等，以及改進或者增加國防部在建大型多功能衛星的能力。

美國國防部“分散”方案的備選方案分析

2 美國國防部開展分析研究和技術驗證，評估“分散”方案影響

對于“分散”方案，美國國防部開展了多種類型的研究，包括備選方案分析、技術驗證項目和備選方案采購試驗等。其中，備選方案分析研究提供對于分散式空間體系的初步認識，如采用“分散”方案的粗略系統成本，但仍缺少評估關鍵因數如彈性的通用標準；技術驗證項目是獲取經驗的額外方式，但目前已開展的驗證項目過多關注技術可行性，而對操作可行性關注不足。

“分散”方案缺少關鍵的評估標準

美國國防部評估“分散”方案的主要措施是開展備選方案分析研究，其內容包括技術可行性評估和成本估計。已開展的研究重點關注下一代安全衛星通信、過頂持續紅外（OPIR）感知、氣象監測等任務領域。其中的氣象監測領域研究已在2013年10月完成，并在2014年9月獲得批準，該項研究建議空軍放棄發射傳統衛星，直接采用新的方法，包括建造較小衛星并依靠其他空間設施（包括非美國政府的衛星）獲取數據。美國空軍啟動對下一代寬帶衛星通信系統的備選方案分析研究，計劃在2017財年預算中取代現役“寬帶全球衛星通信”（WGS）衛星。

美國國防部、國家研究理事會（NRC）、空軍航天司令部、國家地理空間情報局（NGA）、蘭德公司等已完成或者正在開展具有“分散”應用潛力的多項研究，如對于未來系統備選方案的聯合作戰研究、微小衛星（質量小于300kg）任務應用、衛星星座分散對于發射的影響，以及國家安全空間系統威脅評估等。

美國國防部“分散”方案的其他研究

美國政府問責署評估報告認為，備選方案分析研究和其他研究仍缺少對于“彈性”的通用標準。盡管國防部強調“彈性”是未來系統的優先要素，并且空軍航天司令部空間與導彈系統中心（SMC）已著手制定對于特定系統（如過頂持續紅外系統和衛星通信系統）的標準量化評估方法，但這些標準可能無法及時應用在備選方案分析研究之中。空軍官員表示，“彈性”評估將采用相對標準，即備選方案的相互比較。

不僅如此，美國政府問責署在2015年4月發布的《航天采購：部分項目已克服原有問題，但未來仍存在挑戰和不確定性》報告認為，美國國防部的備選方案分析研究有可能顯著改變國防部提供能力的方式，不僅將影響衛星設計，而且影響地面系統、網絡、用戶設備，以及工業基礎，但上述研究已經超出預期幾個月，而且國防部完成備選方案分析研究并就如何實施達成共識的時間愈長，其選擇范圍受限愈多。報告稱，如果不能夠及時決策，國防部可能被迫采用現有方法研發下一代系統，從而確保現有系統的有效連續性。面對參議院武裝力量戰略分委員會的質詢，美國空軍部長黛博拉·李·詹姆斯表示，這些備選方案分析的研究周期超出預期，但這種延遲也將有助于更好地考慮下一代衛星系統的體系結構。

2014年夏，美國國防部聯合多個情報機構對美國面臨的空間環境進行深入評估，并形成《空間戰略投資組合評估》。有報道指出，這份評估報告認為，由于中國、俄羅斯對衛星系統威脅的緊迫性，“彈性”已成為任何新空間體系結構的首要需求。因此國防部將“彈性”作為備選方案分析研究的主要考量。

作戰響應空間-3發射結構圖

在過去3年對下一代衛星系統備選方案的分析過程中，美國空軍逐漸得到一些其他想法，如多個聯邦部門參與的“全政府”方法，并且正在開展持續研究。在國防部完成空間投資組合評估之后，美國空軍更加傾向于采取更廣泛的“空間防護”方案，而且國防部也決定在未來5年增加50億美元用于開展秘密項目的空間防護活動。2015年4月，美國空軍負責采購的副部長助理艾倫·帕夫利克夫斯基進一步表示，“分散”目前僅是更廣泛空間防護方案中的一種。

技術驗證項目評估技術可行性，但未關注操作可行性

美國空軍航天司令部空間與導彈系統中心、國防高級研究計劃局（DARPA）已分別開展多個分散式空間體系的技術驗證項目。部分項目如“商業搭載有效載荷”（CHIRP）飛行驗證項目、“系統分離模塊航天器”（F6）計劃已在2013年中止，目前仍在開展的項目有空間與導彈系統中心“空間現代化倡議”下的多個項目，以及國防高級研究計劃局“空中發射輔助太空進入”、試驗型太空飛機－1（XS-1）等項目。此外，負責航天采購的空間與導彈系統中心也在試驗備選方案的采購方式，如“空間環境納衛星實驗”（SENSE）、“搭載載荷方案”（HoPS）計劃等。

“空間現代化倡議”旨在研發維持或者改進現有軍事能力的經濟可承受方案。針對“先進極高頻”（AHF）、“天基紅外系統”項目已開展的研究可支持分散式空間系統體系，如驗證將“先進極高頻”系統的安全戰術、安全戰略衛星通信能力進行分離，以及“天基紅外系統”的數據開發、紅外傳感器和搭載載荷等。

“空中發射輔助太空進入”、試驗型太空飛機－1等技術驗證項目旨在研發針對小衛星的低成本、快速發射技術，但各有側重。其中，“空中發射輔助太空進入”項目計劃研制一種一次性運載火箭，無需特殊的發射集成活動，且使質量約為45kg衛星的發射成本低于100萬美元（由于兩次機載系統燃料試驗失敗，近期，美國國防高級研究計劃局宣布取消“空中發射輔助太空進入”計劃）；“試驗型太空飛機”項目計劃驗證可重復使用的第一級運載火箭，使業務衛星系統的發射成本低于500萬美元。

“空間環境納衛星實驗”項目旨在驗證小衛星的經濟可承受性和快速部署能力。該項目采用商用貨架產品（COTS）電子器件，從而具備大批量衛星的快速生產能力，并利用自主運行的地面架構，實現運行控制人員的最小化。2顆“空間環境納衛星實驗”衛星已作為作戰響應空間-3（ORS－3）任務的次級載荷于2013年11月發射，但在入軌后出現多種狀況，如太陽電池翼無法展開，其中一顆衛星在2015年3月已在大氣再入過程中墜毀。這也反映出商用器件可能存在的空間環境適應性問題。

“搭載載荷方案”計劃旨在利用商業采購（周期約為2～3年）開發進入空間的經濟可承受和可重復生產的方式。空軍已向14家公司授出固定成本、不固定交付／數量的研制合同，要求開發在軌搭載載荷系統，以及向終端用戶交付政府載荷數據的綜合地面系統。

這些技術驗證項目取得了技術評估和有價值的經驗。例如“商業搭載有效載荷”項目驗證了新型紅外傳感器技術在過頂持續紅外任務的應用，以及商業衛星技術對于任務的支持能力，而美國國防部認識到，未來的搭載載荷任務需要在發射和集成之前完成載荷升級，以避免進度延遲，并節省成本。美國國防高級研究計劃局表示，“系統分離模塊航天器”計劃表明缺乏明確的任務需求導致無法直接形成業務系統，并且為“分散”方案提供經驗，如開發管理多顆衛星的數據管理路由協議等。

但美國政府問責署評估報告認為，上述技術驗證項目沒有關注到操作可行性，例如，一項潛在的技術或者設計變化對于項目管理的影響；地面終端和控制站等相關系統會產生哪些變化；分散衛星系統的數據如何集成和共享；以及如何保障商業或者外國衛星搭載載荷的信息安全性等。

“空中發射輔助太空進入”示意圖

3 實施“分散”方案利弊分析

在調研國防部、民用機構、承包商、第三方研究機構等35個部門／機構的基礎上，美國政府問責署從經濟可承受性和生命周期成本、彈性、能力、采辦流程、工業基礎等方面評估并形成了“分散”方案影響的要素清單。

經濟可承受性和生命周期成本

經濟可承受性是指在全生命周期生產和支持一個航天項目的可行性，并確保成本處于預算之內。項目的全生命周期成本包括了所有可能與項目相關的直接和間接成本，如研發、投入、運行、支持以及棄置成本。

美國政府問責署報告指出，“分散”方案在經濟可承受性和生命周期成本方面可能帶來的益處有：①衛星需求的增加可吸引新的競爭者，可降低采購成本；②小衛星復雜程度低，可縮短研發、生產時間以避免進度延遲，否則會導致成本超支；③衛星生產率更連貫可降低單位成本，并形成可更好預測的項目基線；④較小衛星可采用低成本發射方案，如利用商業運載火箭搭載發射，或者更輕、更小的有效載荷可獨立發射，也可采用寄宿載荷方案；⑤復雜程度低的衛星可降低技術研發、集成及發射風險，從而降低總成本；⑥如果“分散”方案涉及把戰略能力和戰術能力分散到不同的衛星上，國防部可更多地關注與戰略能力相關的要求多、成本高的需求（如核攻擊的生存能力），并充分利用商業市場，獲得要求少、成本低的戰術能力，因此可以降低總成本。

可能存在的弊端有：①從現有的衛星系統設計過渡到“分散”方案，在短期內可能會增加成本，并且同時支持原有系統與新系統之間的互操作性，可能會重復建設地面系統。在預算緊縮情況下，過渡成本可能過高。②衛星數量的增加可能需要更多、更復雜的地面系統（包括用戶終端），需要更頻繁地升級地面系統，這些增加了全生命周期成本。③衛星或者有效載荷的增加也需要相應增加發射次數，從而增加發射成本。④使用更小且不復雜的衛星可能需要足夠多的衛星才能實現相同水平的能力，如此整個系統將更加昂貴。⑤更多的衛星可能導致同時進行多個項目和合同，導致設計工程的一次性成本整體增長。⑥如果有效載荷沒有按時就緒，那么使用搭載載荷就涉及到重新選擇宿主衛星、更改發射時間的費用和罰金。

諾格公司設計的試驗型太空飛機-1示意圖

彈性

根據美國國防部的定義，彈性是指在對手采取措施或者不利條件下，空間系統具備支持任務必需功能的能力。

“分散”方案在彈性方面可能帶來的益處有：①衛星功能分布在多個平臺上，而非集中在幾顆衛星上，可能會使對手攻擊全部資產的難度增加；②相比于毀壞或者損失一顆大型的多功能衛星，損失一顆小衛星或者有效載荷，能力損失也較小；③更小且更容易建造的衛星或者有效載荷，能提高對損失衛星或者有效載荷的快速重建能力；④如果“分散”方案涉及國際伙伴關系，對手不太可能攻擊共有資產導致沖突迅速升級。

可能存在的弊端有：①對手更有可能攻擊小型戰術衛星，認為此舉升級敵對沖突的風險較低；②使用更多的衛星或者有效載荷意味著國防部需要保護更多的空間資產和地面資產免受攻擊，此外，對手攻擊多顆衛星，未必負擔不起；③衛星大量增加，空間環境將更加擁擠，空間碎片可能增加，損害其他在軌資產；④搭載載荷將使國防部面臨額外的信息安全問題，例如，國防部可能需要采取額外的措施，確保搭載在國外或者商業衛星的有效載荷提供數據的安全可靠性。

能力

能力是指執行特定行動的能力。對于“分散”方案是否能夠增強空間系統能力仍持有不同意見：美國部分專家認為，“分散”方案可提供采用新技術的機會；而反對意見則認為，缺少多載荷的綜合能力會降低衛星的整體能力。

“分散”方案在能力方面可能帶來的益處有：①更多、更小的衛星或者有效載荷可形成常規的有計劃的技術嵌入節點，減少部署增強型能力的時間；②混合星座的小規模分布式能力，以及更堅固系統的抗核攻擊和其他威脅能力，使獨立的有效載荷能更好地滿足特定需求；③制造復雜程度低的衛星能快速提供能力，更有效地應對突發需求，在按所需時間和地點提供能力方面，具有更大的靈活性；④建造更多且復雜程度低的衛星可使國防部有機會利用商業產品和系統，這些產品已經過市場測試，例如，國防部可使用商業現貨的技術，如衛星控制運行軟件系統和網絡支持國防部系統；⑤衛星和有效載荷可選擇多個供應商，有助于防止出現波及整個星座的系統故障—單個有效載荷或者設備的隱患能夠被限定在星座局部范圍內。

可能存在的弊端有：①衛星增多和頻繁的技術嵌入可能超過現有用戶設備和地面系統（提供衛星控制和數據處理）的能力，可能會阻礙最終用戶獲得增強后的能力，例如，可能更難以判定數據來源，難以為適當用戶集成和分發數據。②系統簡化可能導致衛星功能受限。例如，有些功能需要較高功耗和復雜組件，而較小的衛星無法承載。③如果有效載荷分散，系統可能會喪失大型、多功能系統提供的能力，例如，戰略載荷可能不再能夠支持多重任務，戰術載荷可能會失去戰略衛星具備的抗輻射保護能力。④在向新系統過渡期間，原有系統和新系統之間的互操作性可能受限，很可能會限制向最終用戶交付新增的能力。⑤國防部現有的主要發射基礎設施（漸進一次性運載火箭系統）可能無法適應分散式小衛星的頻繁發射，對于寄宿載荷，由于缺少部署在特定軌位的商業衛星，可能難以找到搭載機會。⑥增加更多衛星和新技術，可能會使衛星、終端，以及地面系統進度安排同步化變得復雜，這對為最終用戶供給能力造成限制。⑦當前項目使用的地面系統仍在開發中，系統能力尚未被完全開發和利用。轉移到一個新系統，可能會取代對現有系統新增功能的使用。⑧如果政府的有效載荷搭載在商業衛星上，那么政府不能控制衛星，而只能接受較低水平的能力以及信息保障，此外，傳感器和宿主衛星可能面臨兼容問題，這也將限制載荷能力。⑨增加大量的衛星，用于軍事通信的無線電頻譜的可用率將受到限制，而且協調頻率會變得更加困難，同樣，衛星間的無線電頻譜干擾，特別是通信衛星之間的干擾可能會變得更加普遍。

采辦流程

采辦流程是指從國防部購買、研發、生產國防系統到向作戰人員提供能力的途徑。

“分散”方案在采辦流程方面可能帶來的益處有：①國防部可更頻繁地使用創新型業務實踐，這可能提高整個采辦績效；②國防部可分別尋求有效載荷和衛星平臺，使采辦更加得當；③擁有穩定生產率的小項目可以實現穩定的投資組合，避免大項目特有的大投資峰值，在預算縮減環境下，后者有時會導致預算削減，調配給其他優先項目。

可能存在的弊端有：①“分散”可能需要更快速的需求開發和審核，超出當前需求流程的許可范圍；②國防部可能需要采辦多顆衛星，而不是一顆，這可能使采辦進度管理難度加大，此外，更多研發和生產合同可能使項目辦公室的管理更加復雜，需要增加對承包商的監督；③由于缺乏擔保資金，以及未來投資存在不確定性，商業供應商可能會失去信心，不再尋求與國防部簽署搭載載荷或者提供衛星服務的合同；④數量眾多的小型采辦項目可能使國防部的協調監督、防止重疊與重復的能力復雜化。

工業基礎

工業基礎是指生產和維持美國軍事服務或者裝備的能力。

“分散”方案在工業基礎方面可能帶來的益處有：①更穩定的需求，以及更高的生產率，有助于業務穩定，刺激創新，激勵新公司進入市場；②增加產量可分配給多個供應商，包括傳統的低層供應商，培養更多的競爭者；③采辦時間縮短，使工程師和項目經理能更快、更頻繁地經歷完整的項目周期，從而提高技能發展。

可能存在的弊端有：①低層供應基礎在短期內可能缺乏能力或者知識庫，無法以更高、更常規的生產率生產分散式衛星；②更多選用低層供應商可能會瓦解當前工業基礎中的傳統供應商，爭奪有限的政府資金，此外，大型主承包商（具備更多的系統建造經驗）可能會喪失技能和經驗。

4 小結

美國政府問責署評估報告表明美國國防部對于發展“分散”空間系統尚未做好充分準備，仍需要深入研究方案的具體實施以及可能產生的影響。國防部正在考慮更廣泛的“空間防護”方案也說明“分散”方案并不是美國現階段實現彈性威懾能力的惟一方案。然而，無論采用“分散”方案還是其他空間防護方案，“彈性”將是美國未來空間系統的首要考量因素，用以應對美國政府所強調的不斷加劇的空間安全環境威脅，確保國防部和情報機構可以隨時使用其空間系統，使美國繼續保持空間作戰優勢。