從“黑杰克”項(xiàng)目看美國(guó)低軌衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)展

蔡亞梅，陳利玲，張?zhí)鞁?/p>

（1.中國(guó)航天科工集團(tuán)8511研究所，江蘇 南京 210007；2.上海航天電子通訊設(shè)備研究所，上海 201109）

0 引言

軍事衛(wèi)星是美軍作戰(zhàn)能力的關(guān)鍵，但在對(duì)抗日益激烈的太空，這些昂貴且龐大的系統(tǒng)很容易成為攻擊目標(biāo)，如果遭到干擾或破壞，可能需要花費(fèi)數(shù)年時(shí)間才能補(bǔ)換。且這些系統(tǒng)研發(fā)時(shí)間長(zhǎng)，很難甚至無法快速應(yīng)對(duì)新的威脅。隨著商業(yè)航天的發(fā)展，低軌寬帶互聯(lián)網(wǎng)通信衛(wèi)星成為可能，而且在成本上還具有規(guī)模效應(yīng)。近年來，美國(guó)的“星鏈”和“黑杰克”項(xiàng)目作為典型代表，充分體現(xiàn)了低軌衛(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)展方向。本文以DARPA的“黑杰克”項(xiàng)目為例，梳理美國(guó)低軌衛(wèi)星系統(tǒng)以及太空體系建設(shè)的發(fā)展思路。“黑杰克”項(xiàng)目的設(shè)立體現(xiàn)了DARPA利用先進(jìn)商業(yè)衛(wèi)星平臺(tái)技術(shù)研發(fā)低成本微小衛(wèi)星星座的思路。

1 “黑杰克”項(xiàng)目簡(jiǎn)介

1.1 項(xiàng)目目標(biāo)

“黑杰克”項(xiàng)目尋求研發(fā)具有較低“尺寸、質(zhì)量、功耗及成本”（SWaP-C）特征的低軌軍事通信與監(jiān)視衛(wèi)星，包括低成本衛(wèi)星有效載荷和商業(yè)化衛(wèi)星平臺(tái)。雖然在低軌運(yùn)行（見圖1），但能力上與目前在地球同步軌道上運(yùn)行的軍事通信系統(tǒng)相似，而成本只有后者的一小部分。“黑杰克”衛(wèi)星是一種即插即用型的衛(wèi)星，主要功能是提供寬度通信，同時(shí)會(huì)安裝其他有效載荷用于導(dǎo)彈防御、PNT（定時(shí)、導(dǎo)航、定位）以及ISR（情報(bào)、監(jiān)視和偵察），不需要進(jìn)行重新設(shè)計(jì)就可以添加新的有效載荷，與傳統(tǒng)的衛(wèi)星相比，能夠極大實(shí)現(xiàn)快速生產(chǎn)和成本降低。

圖1 “黑杰克”系統(tǒng)運(yùn)行示意圖

項(xiàng)目將研發(fā)并驗(yàn)證一些關(guān)鍵的支撐技術(shù)，以便在低軌構(gòu)建一種全球性的高速主干網(wǎng)絡(luò)。這種網(wǎng)絡(luò)能夠搭載高度聯(lián)網(wǎng)、有彈性和持久性的軍方有效載荷，提供無限的傳感、信號(hào)和通信能力。“黑杰克”項(xiàng)目的主要任務(wù)[1]如表1所示。

表1 “黑杰克”項(xiàng)目的任務(wù)內(nèi)容

1.2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

每顆“黑杰克”衛(wèi)星由一個(gè)商業(yè)化衛(wèi)星平臺(tái)、一個(gè)Pit Boss控制單元以及一個(gè)或多個(gè)能夠自主運(yùn)行超過24 h的軍用有效載荷組成。

商業(yè)化衛(wèi)星平臺(tái)采用基于開放架構(gòu)的電氣、軟件和網(wǎng)狀網(wǎng)接口控制，將為在低軌運(yùn)行數(shù)十種或數(shù)百種不同類型的軍用衛(wèi)星有效載荷創(chuàng)造條件，要求較短的設(shè)計(jì)周期并能夠進(jìn)行頻繁技術(shù)升級(jí)。DARPA選擇了空客、藍(lán)峽谷技術(shù)和Telesat公司提供總線。

Pit Boss控制單元[2]內(nèi)含高速處理器和加密裝置，可用作通用的網(wǎng)絡(luò)和電氣接口，并提供任務(wù)層面的自主功能、在軌計(jì)算、衛(wèi)星與地面用戶之間的通信管理、指揮與遙測(cè)鏈路以及數(shù)據(jù)加密等能力。Pit Boss旨在利用先進(jìn)的體系結(jié)構(gòu)、處理器和加密功能來自動(dòng)收集和處理整個(gè)星座中的數(shù)據(jù)，并融合高級(jí)算法，包括人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)，它連接每顆衛(wèi)星的“大腦”，將其整合進(jìn)一個(gè)智能網(wǎng)絡(luò)，不是將數(shù)據(jù)發(fā)送到地面站進(jìn)行處理，而是及時(shí)從太空直接發(fā)送給特定的操作人員。天基自主任務(wù)計(jì)劃的下一步是自我感知衛(wèi)星，且功能不僅限于導(dǎo)彈預(yù)警和防御，未來的星座管理系統(tǒng)將采用這種方法論。DARPA選擇了科學(xué)系統(tǒng)公司、SAEKER工程公司和BAE系統(tǒng)公司開發(fā)Pit Boss概念。

軍方有效載荷要求較短的設(shè)計(jì)周期并能夠進(jìn)行頻繁技術(shù)升級(jí)，低成本、可更換。DARPA已經(jīng)選擇克林斯航空航天公司、雷聲公司、諾·格公司、Trident公司、SA光子公司、空客公司、系統(tǒng)與技術(shù)研究公司、天空量子公司和L 3哈里斯公司等提供有效載荷。

1.3 研發(fā)進(jìn)度安排

項(xiàng)目的研發(fā)進(jìn)度（見圖2）分為3個(gè)階段：確定衛(wèi)星平臺(tái)和有效載荷的需求；2顆衛(wèi)星的在軌演示驗(yàn)證研發(fā)衛(wèi)星平臺(tái)和有效載荷；在低軌對(duì)擁有2個(gè)軌道平面的系統(tǒng)進(jìn)行6個(gè)月的演示驗(yàn)證。未來用于演示驗(yàn)證的星座將包含20顆衛(wèi)星，每顆衛(wèi)星擁有一個(gè)或多個(gè)有效載荷。

圖2 “黑杰克”項(xiàng)目計(jì)劃安排

2018年4月，DARPA發(fā)布“黑杰克”項(xiàng)目跨部門公告（BAA）。11月，DARPA與空客防務(wù)和航天公司、藍(lán)峽谷技術(shù)公司、Telesat公司簽署合同，為項(xiàng)目開發(fā)衛(wèi)星總線。藍(lán)峽谷技術(shù)公司獲得了價(jià)值1 410萬美元的衛(wèi)星總線合同，SA光子公司獲得了價(jià)值1 630萬美元的光通信終端有效載荷合同。Telesat公司獲得的280萬美元合同，用于研究“黑杰克”計(jì)劃中使用其商用總線的可行性。

2019年，空客公司獲得290萬美元的合同，為“黑杰克”計(jì)劃生產(chǎn)衛(wèi)星總線，實(shí)現(xiàn)將軍事傳感器與商用總線的集成。10月，雷聲公司完成了“黑杰克”的初步設(shè)計(jì)審查。

2020年，DARPA啟動(dòng)“黑杰克”項(xiàng)目衛(wèi)星集成的第一階段，洛·馬公司獲得項(xiàng)目的衛(wèi)星集成合同，對(duì)項(xiàng)目衛(wèi)星總線、有效載荷和PitBoss太空指揮與數(shù)據(jù)處理器之間的接口進(jìn)行定義和管理。雷聲公司為“黑杰克”衛(wèi)星提供天基預(yù)警傳感器——下一代過頂持續(xù)紅外（ORIR）的演示載荷，在2023年4月之前交付數(shù)量不明的用于天基預(yù)警監(jiān)視的有效載荷，這些載荷可與“黑杰克”衛(wèi)星的總線和PitBoss系統(tǒng)集成。PitBoss系統(tǒng)是SEAKR正在開發(fā)的用于自主操作的人工智能天基星載處理器。藍(lán)峽谷技術(shù)公司獲得2021年底交付4顆衛(wèi)星平臺(tái)的合同，計(jì)劃將150 kg的X-SAT總線用于該項(xiàng)目。奧比恩太空技術(shù)公司被選擇提供電推進(jìn)系統(tǒng)。Telesat公司獲DARPA合同，為“黑杰克”系統(tǒng)生產(chǎn)2個(gè)衛(wèi)星平臺(tái)——“箭頭”（Arrow）平臺(tái)的深度改造型號(hào)，這2顆衛(wèi)星將在2021年交付，將成為“黑杰克”光學(xué)星間鏈路在軌驗(yàn)證工作的一部分[3]。

2021年2月，DARPA從藍(lán)色峽谷增購(gòu)6顆“黑杰克”計(jì)劃衛(wèi)星，新訂購(gòu)的6顆將在2022年底前交付[4]。5月，DARPA授予諾·格公司為該項(xiàng)目提供定位、導(dǎo)航和授時(shí)（PNT）有效載荷合同，該載荷將部署在低地球軌道，計(jì)劃采用軟件定義PNT技術(shù)，為用戶提供不依賴GPS的新型信號(hào)，以滿足兵力投送和聯(lián)合作戰(zhàn)等傳統(tǒng)作戰(zhàn)任務(wù)和新型自主、分布式作戰(zhàn)任務(wù)的需求[5]。

“黑杰克”計(jì)劃衛(wèi)星的集成合同由洛·馬公司完成，初步計(jì)劃在2021年發(fā)射2顆，在2022年發(fā)射18顆，并一直持續(xù)到2022/2023年。SEAKR工程公司將開展2次代號(hào)為“曼德拉克”的演示任務(wù)，第一個(gè)演示Mandrake 1是一個(gè)立方體衛(wèi)星，將搭載超級(jí)計(jì)算機(jī)處理芯片；第二個(gè)演示Mandrake 2是一對(duì)小型衛(wèi)星，將攜帶光學(xué)衛(wèi)星間鏈路以獲取寬帶數(shù)據(jù)。SSCI公司將開展代號(hào)為“射手座-A*”的演示任務(wù)，測(cè)試戰(zhàn)場(chǎng)管理指揮與控制（BMC3）軟件的功能，一旦用戶通過地面原型軟件提交數(shù)據(jù)服務(wù)請(qǐng)求，系統(tǒng)將自動(dòng)管理總線和有效載荷以滿足請(qǐng)求。第3個(gè)有效載荷稱為“通配符”，這是一種軟件定義的無線電，將試驗(yàn)從LEO到戰(zhàn)術(shù)無線電的鏈接。

2 美軍低軌衛(wèi)星系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)及發(fā)展動(dòng)向

近年來，美國(guó)以“黑杰克”和“星鏈”為首的低軌衛(wèi)星項(xiàng)目研發(fā)進(jìn)展迅速，其潛在軍事用途十分驚人。低軌衛(wèi)星星座在軍事應(yīng)用方面具有以下優(yōu)勢(shì)：

1）能夠?qū)﹃P(guān)注目標(biāo)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的偵察；

2）能夠?qū)崟r(shí)傳輸高精度畫面給指揮所及各個(gè)作戰(zhàn)單位；

3）能夠?qū)崟r(shí)控制導(dǎo)彈，精準(zhǔn)打擊目標(biāo)；

4）有助于搶占有限的低軌衛(wèi)星空間頻譜資源；

5）有助于提升反太空能力，扭轉(zhuǎn)反衛(wèi)領(lǐng)域的不利態(tài)勢(shì)；

6）有可能成為未來美軍實(shí)施“三非”（“非對(duì)稱性”、“非接觸性”、“非線性”）作戰(zhàn)的強(qiáng)大支撐，強(qiáng)化“非對(duì)稱”偵察監(jiān)視技術(shù)優(yōu)勢(shì)，強(qiáng)化“非接觸”遠(yuǎn)程精確打擊優(yōu)勢(shì)，強(qiáng)化“非線性”多域作戰(zhàn)優(yōu)勢(shì)；

7）有可能成為無人機(jī)集群作戰(zhàn)的“天基大腦”。無人機(jī)集群的整體生存能力很大程度上取決于其通信控制能力。大量低軌道衛(wèi)星通信帶寬大、時(shí)延低、覆蓋全球，不受山地、海洋、極地等任何地形及天候的影響，可幫助地面各類飛行器擺脫對(duì)陸基通信系統(tǒng)的依賴，通過飛行控制、態(tài)勢(shì)感知、信息共享、目標(biāo)分配和智能決策，實(shí)現(xiàn)單架無人機(jī)能力擴(kuò)展以及集群整體作戰(zhàn)效能的顯著提升。

美國(guó)已經(jīng)意識(shí)到低軌衛(wèi)星系統(tǒng)的潛在軍事優(yōu)勢(shì)，其下一代太空體系架構(gòu)——國(guó)防太空體系架構(gòu)（NDSA，見圖3）理念正在發(fā)生顛覆性變化，已經(jīng)從“大、貴、全”轉(zhuǎn)變?yōu)椤皬椥浴⒔?jīng)濟(jì)、規(guī)模化”，在目標(biāo)定位上聚焦太空攻防領(lǐng)域（導(dǎo)彈防御、目標(biāo)監(jiān)視、導(dǎo)航保障等），更加強(qiáng)調(diào)實(shí)用性、實(shí)戰(zhàn)性、一體化、高彈性、高靈活、協(xié)同化，“黑杰克”是NDSA的演示論證平臺(tái)。美國(guó)航天發(fā)展局于2019年7月透露了其未來軍用衛(wèi)星體系規(guī)劃，根據(jù)規(guī)劃，下一代軍用衛(wèi)星將更多地利用廉價(jià)的小衛(wèi)星星座，以代替現(xiàn)有的大型高價(jià)值衛(wèi)星，增加天基系統(tǒng)的彈性。同時(shí)，美軍已經(jīng)和某些天基互聯(lián)網(wǎng)強(qiáng)勢(shì)企業(yè)達(dá)成些許協(xié)議。

圖3 美航天發(fā)展局（SDA）的國(guó)防太空體系架構(gòu)

3 結(jié)束語(yǔ)

在信息化時(shí)代，未來戰(zhàn)爭(zhēng)將是陸、海、空、太空、網(wǎng)絡(luò)、電磁頻譜等域的全域作戰(zhàn)，對(duì)信息化作戰(zhàn)條件下的通信業(yè)務(wù)要求越來越高，低軌衛(wèi)星系統(tǒng)因其獨(dú)特的軍事領(lǐng)域應(yīng)用潛力而備受關(guān)注，近年來發(fā)展迅速，相關(guān)技術(shù)瓶頸問題正在逐一解決。■