從美國國防太空戰略看“星鏈”的軍事應用

文/黃志澄

▲ 美國《國防太空戰略概要》

近年來，美國在軍事航天領域一直為未來的大國競爭積極備戰，不僅成立了太空軍，還發布了新的《國防太空戰略概要》和“下一代太空體系架構”；在商業航天領域，太空探索技術公司可重復使用的航天運載系統和星鏈低軌星座計劃進展神速，而“星鏈”計劃是否有軍方背景，也成為網絡上的熱點。本文將對這個問題展開分析和討論。

美國國防太空戰略的變化

2019 年12 月20 日，美國正式通過國防授權法案建立了太空軍，成為繼陸軍、海軍、海軍陸戰隊、海岸警衛隊、空軍之后的第六支獨立武裝力量。

2020 年6 月17 日，美國國防部向公眾公開《國防太空戰略概要》。這份文件分析了美軍實現預期狀態面臨的威脅、挑戰與機遇。文件稱，對手研發、測試、部署太空對抗能力并發展相關軍事條令，將沖突擴展至太空，對美國構成了最大的戰略威脅。美國盟友與伙伴在太空中愈發活躍，商業太空活動激增，使太空運行環境更加復雜化，對美軍構成了諸多挑戰，但同時也創造了前所未有的合作機遇。在美國成立太空軍的形勢下，該戰略將緊緊圍繞提升美國太空綜合軍事優勢，對加快形成太空作戰能力提供戰略指導。其目標是：保持太空優勢；為國家、聯合、聯盟三個層面上的作戰行動提供太空支持；確保太空穩定。

▲ 美國太空軍司令約翰·雷蒙德（中）介紹美國太空軍的新制服

這份文件明確了美軍實現預期環境的四方面戰略舉措：一是在太空中建立全面的軍事優勢；二是將軍事航天力量整合到國家、聯合和聯盟行動中；三是塑造戰略環境；四是與盟友、伙伴、工業界及其他美國政府部門和機構合作。

從發展低軌星座的角度，我們從這份文件中可以看到幾個關注點：

一是美軍對太空的戰略定位發生了重大變化。過去美國將太空定位為戰略支援領域，但成立太空軍后，其定位有了改變。這份文件指出：“美國國防部正著手進行美國國家安全領域太空戰略上最重大的變革。太空將是獨特的作戰領域，需要統籌考慮，對新戰略環境的政策、戰略、運營、投資、能力和專業知識進行改革。該戰略確定了國防部將如何推進太空力量，使美國能夠在大國競爭中形成威懾，擊敗對手。太空對美國國家的安全、繁榮和科學成就至關重要。天基能力是美國和世界各國不可或缺的，也是美國軍事力量的重要組成部分。確保這些能力的可用性，對于建立和保持所有領域的軍事優勢，促進美國及全球安全和經濟繁榮至關重要。”

二是要建立太空彈性架構，構建綜合性的太空軍事優勢。文件強調，通過改革組織機構來改變國防部太空體系，包括組建太空軍；部署有保障的、彈性的架構；提高情報、指揮與控制，以及對抗惡意利用太空的能力；發展與威脅匹配的太空力量的文化、專業知識、條令和作戰概念。實際上，有關通過建立彈性結構來轉變美軍太空體系的主張，早在2013 年美國空軍航天司令部發布的《彈性與分散太空體系》白皮書中就指出，對現有的太空體系進行改造和重新設計，采用分散式太空體系架構等方式，以增強太空系統彈性。但在之后的7 年中，由于這種變革觸動到美國軍方某些部門的利益，從而讓美軍在這方面的努力基本上落空。作為衛星分散化概念的先行者，美國國防高級研究計劃局（DAPRA）精心規劃的未來、快速、靈活、分塊、自由飛行（F6，Future, Fast,Flexible, Fractionated, Free-Flying）的衛星系統，也因技術、經費和得不到軍方有關部門的支持等原因而中途夭折。在現今美國太空軍事力量重塑之際，《國防太空戰略概要》繼續強調將形成彈性結構作為建立綜合太空軍事優勢的重要一環，可見發展以低軌星座為特征的彈性結構，將是美國國防部，特別是于2019 年3 月成立的國防部直屬的太空發展局未來重點關注的問題。

三是發展商業航天為提升美國太空軍事能力帶來機會。美國認為，商業太空活動在數量和多樣性方面都大大增加，從而產生了軍方可以利用商業化的創新技術和新形式的商業能力和服務的機會。這份文件指出，要重視國家安全航天、商業航天和民用航天之間充滿活力的、合作性的互動。文件指出：“利用商業的先進技術和先進采辦流程，對國防部與太空有關的各項流程進行現代化改革。”

美國在拜登政府上臺后，延續了前任的太空安全政策，繼續推進太空軍的建設，特別是在數字化建設方面，美國的太空軍將成為美國首個全數字化部隊。今年8 月，美國太空軍宣布已具備了初始作戰能力。

美軍的“下一代太空體系架構”

太空發展局的主要職責是加速發展和部署新的軍事航天能力，確保美軍在太空的技術和軍事優勢，其當前的任務是迅速開發和部署基于威脅驅動的“下一代太空體系架構”（媒體常稱之為“國防太空體系架構”），以對抗對手的太空系統的能力。為此，太空發展局采用了靈活的方法來開發一個多功能的小型衛星星座，以應對當前和新出現的威脅，并打算利用私營公司的現有資源，以便在短時間內提供解決方案。

2019 年7 月1 日，太 空 發 展 局發布第一份項目征求通知，借鑒了DARPA“黑杰克”衛星項目的理念，轉向蓬勃發展的商業航天技術尋求支持，試圖基于微小衛星技術、快速發射技術和人工智能技術，開發與下一代靈活、彈性、敏捷的太空體系相關的概念、方法、技術與系統。美軍新一代太空體系明確指向導彈防御與太空對抗，標志著美軍太空裝備體系發展思路與途徑正醞釀著重大轉變。

太空發展局提出的“下一代太空體系架構”概念，基于普遍存在的數據和通信傳輸層的可用性，并假設使用小型、大規模生產的衛星（50～500千克）以及相關的有效載荷硬件和軟件。架構包括7 層，每層為整體架構提供了完整的集成功能。這7 層分別為：①傳輸層：提供全球范圍7×24 小時不間斷、低延遲的數據傳輸與通信，太空發展局正在考慮使用傳輸層航天器作為其他層的基板，允許根據每層的需要集成適當的有效載荷；②跟蹤層：提供防御先進導彈（包括高超聲速武器）威脅的天基目標探測、預警、跟蹤和指示；③監控層：全天候、全天時監控時敏目標，為射前攻擊敵導彈發射架、雷達站、指控節點提供關鍵保障；④威懾層：提供地月空間范圍的目標態勢感知與快速進出與機動，應對太空攻防提出的挑戰；⑤導航層：提供GPS 拒止環境下的定位、導航與授時能力，增強太空對抗條件下的聯合作戰保障能力；⑥戰場管理層：提供基于分布式人工智能的戰場管理、指揮、控制與通信，包括星上智能自主任務規劃、數據處理、加密分發等，為戰術用戶直接提供太空信息支援；⑦地面支持層：提供大規模小衛星星座快速機動發射測控的運載系統與地面設施，部署便攜式、系列化、智能化衛星應用終端，為靈活、彈性、敏捷的在軌系統提供配套地面系統支持，構成天地一體、經濟實用的下一代太空體系。

2020 年8 月，太空發展局宣布已授予洛·馬公司1.875 億美元和約克空間系統公司9400 萬美元合同，分別為其“傳輸層0 期”建造10 顆衛星，所有20 顆衛星將在2022 年9 月前發射。每批10 顆衛星分成兩種類型：7 顆配備4 條星間鏈路，另外3 顆配備2 條星間鏈路和2 條下行鏈路。2020年10 月，太空發展局宣布授予太空探索技術公司1.49 億美元和L3Harris 公司1.94 億美元合同，分別為“跟蹤層0 期”制造4 顆衛星，衛星將使用寬視場紅外傳感器監視彈道導彈、巡航導彈和高超聲速導彈，提供導彈預警和跟蹤信息。這8 顆衛星計劃在2022 年發射。

▲ 整齊堆疊在整流罩中的“星鏈”衛星

太空發展局在2021 年夏天發布需求書，計劃生產150 顆傳輸層與跟蹤層衛星以提供作戰通信和導彈跟蹤能力，這些衛星將于2024 年9 月發射，是“下一代太空體系架構”的第一批衛星。在此之前，太空發展局將于2023年發射“國防太空體系架構第0 批衛星（30 顆），包括20 顆傳輸層衛星和10 顆跟蹤層衛星。2021 年6 月30 日，太空發展局利用太空探索技術公司獵鷹9 號火箭將通用原子電磁系統公司研制的激光互聯網絡通信系統的5 顆衛星發射到指定軌道，這是太空發展局成立以來首次發射衛星，目的在于提高太空通信的速度、可靠性，測試衛星通信的距離差異。

▲ “星鏈”衛星的結構示意圖

▲ “星鏈”衛星星座在軌示意圖

據美國防部網站8 月26 日公告，太空發展局已啟動轉移隸屬到美國太空軍的流程，該過程將在2022 年10 月全部完成。

從以上分析得知，太空發展局提出的“下一代太空體系架構”十分復雜，不是短期內能夠建成的，因此，美軍必須利用商用低軌衛星星座。在美國商業航天公司提出的軌衛星星座中，當然是“星鏈”計劃的進展最快。

“星鏈”計劃的進展

2015 年1 月，太空探索技術公司首席執行官馬斯克提出“星鏈”計劃，擬于2019 年至2024 年間發射12000顆衛星到近地軌道，構建一個巨型三層衛星網絡。這三層分別位于距離地面340 千米、550 千米和1150 千米的軌道上，最終使所有衛星聯成一個巨大“星座”，為整個地球（包括南北極）全天候提供高速低成本的衛星互聯網。

“星鏈”計劃的組建基本上分三步走：第一步用1584 顆衛星完成初步覆蓋全球；第二步用2825 顆衛星完成全球組網；第三步用7518 顆衛星組成更為完整的低軌星座。前兩步的衛星位于低地球軌道（LEO），工作在較為傳統的Ka 和Ku 波段，第三步的衛星位于甚低地球軌道（VLEO），工作在V波段。

2020 年，美國聯邦通信委員會代表太空探索技術公司又向國際電信聯盟提交了3 萬顆低軌道運行的小型衛星計劃。這意味著“星鏈”計劃最終會形成近42000顆衛星的超巨型衛星星座。“星鏈”的每顆衛星重約227 千克，采用緊湊的平板形設計，可最大限度減小體積。發射時以自堆疊的設計置于整流罩中，不需要專用的多星適配器。衛星采用單翼太陽能陣列，大大簡化了系統，標準化的太陽能電池，更容易整合到制造過程中。衛星配備了由氪驅動的高效離子推進器，使衛星能在太空中進行機動，并在其使用壽命結束時進行離軌操作。

9 月14 日，獵鷹9 號火箭將51顆加裝激光星間鏈路的“星鏈”衛星送入預定軌道，這是太空探索技術公司自2019 年5 月組網發射啟動以來的第30批“星鏈”衛星發射，至此已將1776顆“星鏈”衛星送入軌道，若加上其他小量衛星的發射，已發射“星鏈”衛星總數為1791 顆。根據哈佛-史密森天體物理學中心新近更新的數據，除去主動和被動離軌再入的衛星，截至第30批發射完畢，“星鏈”星座在軌衛星總數頂多為1685 顆，仍能工作的衛星應不超過1660 顆，而已處于“工作層”內的為1420 顆。

2020 年太空探索技術公司啟動了“星鏈”服務測試。參與者要花499美元來購買天線和路由器，并每月支付99 美元的服務費。近期，太空探索技術公司表示：“星鏈”用戶已超9 萬戶，力爭在一年后達到50 萬戶。目前各地用戶的實際速度參差不齊，平均下載速度為97.23Mbps，接近美國固定寬帶的平均下載速度。

太空探索技術公司在今年1 月底和6 月底的兩次拼單發射下被送入極軌道的13顆衛星都已配備了激光星間鏈路，使得它們無需經由地面站就能相互傳遞數據和互聯網業務。采用激光交叉鏈路除減少全球覆蓋所需地面站數量外，還能降低時延。目前“星鏈”最突出的問題是用戶終端的成本遠大于其價格。

“星鏈”計劃的軍事應用潛力

目前，全球范圍內的商業衛星，包括低軌的“銥星”星座，被用于軍事通信領域屢見不鮮。因此，“星鏈”計劃雖然是一項商業低軌衛星星座計劃，但是其軍事應用的潛力也很大！

▲ “星鏈”衛星的接收設備

1.大幅度增強美軍寬帶通信和精確導航能力。“星鏈”計劃可提供低成本、全球覆蓋的高速互聯網服務，若用于軍事，可提供全球無死角的高速衛星互聯網的波束覆蓋，這必將大幅增強美軍的作戰通信能力和GPS 精確導航能力。2019 年，美國太空發展局明確表示，將從太空探索技術公司、一網等公司實施低地軌道巨型衛星計劃的企業采購服務。“星鏈”由于采用低軌道衛星，能夠為全球用戶提供只有25 毫秒的低延遲傳輸，大大低于目前最強的高軌衛星通信的250 毫秒的延遲。因此，它可作為戰區外遠程發射不管武器的末端導航控制平臺，或者未來機器人部隊與無人作戰飛機的數據交換平臺。2019 年3 月，美國空軍向太空探索技術公司授出價值2800 萬美元合同，要求其在3 年時間內對“星鏈”開展軍事服務演示驗證。2019 年11 月，美空軍對“星鏈”進行了早期的低軌技術驗證試驗，其中包括衛星和美國空軍戰斗機的天線陣列進行直接互聯的試驗。據稱“星鏈”為美軍C-12 飛機提供了高達610Mbps 帶寬的網絡服務，大大高于目前大多數飛機聯網所購買的海事衛星的5 ～50Mbps 帶寬的上網服務。

2.有助于美國搶占有限的低軌軌道和頻譜資源，在戰時可實行“太空封鎖”。在航天領域，軌道位置和頻譜資源是一種有限的自然資源，衛星公司需要采取申報的方式向相關機構申請使用資格。根據國際電信聯盟的規則，軌道和頻譜資源主要以“先到先得”的方式分配，后申報方不能對先申報國家的衛星產生不利干擾。而低軌星座系統不僅要按照國際電信聯盟的規定時間將衛星發射升空，還要按照規定的時間和比例向公眾提供相關服務，從而使頻率地位合法化、固定化。因此，提早建設和利用低軌星座系統，不僅能夠搶占有限的低軌軌道資源，還有利于搶占頻譜主動權，這對于戰場通信的信道使用范圍將有重要影響。目前，“星鏈”計劃在這方面占有明顯優勢。此外，若“星鏈”計劃的4 萬多顆衛星全部發射到位后，在地球低軌道就筑起一道屏障，其他國家的火箭要確定發射窗口，就要和“星鏈”協商，否則就會和它們的衛星相撞。如果在戰時，“星鏈”就可以對敵方實行“太空封鎖”。

▲ HBTSS 示意圖

3.增強太空系統的彈性，改變太空對抗的態勢。過去，每顆高軌衛星的成本都動輒十億多，由于其高價值和低發射率，使得動能反衛星武器獲得了反對稱優勢。例如，美國GPS 系統只有24 顆衛星，一旦以大量動能衛星攔截彈對它們實施攻擊，將使美國的全球導航定位和授時通信系統癱瘓，對美軍的全球兵力部署和多域聯合作戰造成致命打擊。而“星鏈”分散的幾萬顆衛星，能讓動能攔截武器的優勢不復存在。為了攻擊“星鏈”，動能反衛星武器的制造和維護成本必將難以負擔。而且，一旦硬殺傷擊毀若干衛星，就會產生大量碎片，其影響讓任何國家都難以接受。

4.增強全天候無縫對地監視偵察和太空感知能力。若“星鏈”衛星同時搭載了光學觀測載荷，結合其重訪率高的優勢，對于全球主要地區，讓每個時間段天頂方向都有幾顆衛星飛過，可實現24 小時不間斷光學監控分析，通過大數據系統自動識別、分類跟蹤和圖像識別系統，使其對真假目標識別率高，抗干擾能力強，這必將大大提升美國對地面移動物體和太空目標的監控能力。據報道，美國空軍在“銥星”星座的衛星上搭載了戰場殺傷傳感器，并在美國和同盟國家的通信衛星上搭載了太空感知傳感器。因此，美國太空軍今后極可能在“星鏈”衛星上搭載有關對地對天的遙感傳感器，從而大大提高其對地監視偵察和太空感知能力。

5.增強美軍防御導彈和防御高超聲速武器的能力。“星鏈”衛星擁有發射全向波束的能力，可以對導彈和航天器進行遙測、跟蹤和控制，進而提高對敵方運載火箭/導彈軌道的高精度預測和預警能力，為后續的攔截提供信息支撐，并提供了防御彈道導彈的一種最佳方法，即在它們發射之前將其擊毀。因此“星鏈”計劃的成功實施必將改變整個導彈攻防的格局。另外，高超聲速武器由于在大氣層內高速飛行，并有一定的機動能力，增加了目標探測和攔截的困難。為此，美國導彈防御局正在執行一項“高超音速和彈道跟蹤天基傳感器（HBTSS）”計劃。目前該計劃的主要目標是要設計一套用于監測和跟蹤高超聲速導彈系統的衛星群，從而確保能夠消除HBTSS 系統所潛在的技術風險。若導彈防御局和太空探索技術公司合作，將監測系統和“星鏈”衛星星座直接結合，則無疑將大大加快HBTSS 計劃的進度。

我們要指出，上述“星鏈”軍事應用潛力的前3 項是這個星座建成過程中或建成后就具有的，但后2 項還需要對原設計的衛星有效載荷進行適當改造，因此這些應用僅是一種可能的發展方向。

從目前“星鏈”的進度來看，明年就能夠實現從北美到全球許多地區的初步商業應用。隨著“星鏈”衛星星座的在軌衛星數目進一步增多，其性能也將進一步提高，在這基礎上軍民一體化發展的“星鏈”，其軍事應用潛力必將顯現。