美国“下一代太空体系架构”分析

胡旖旎 钟江山 魏晨曦 王莹 韦荻山

(北京跟踪与通信技术研究所，北京 100094)

美国自2016年开始重视太空建设，从重建太空司令部、建立天军到新建国防部太空发展局(SDA)，美太空政令、军令体制和太空装备研发体系正在进行重大调整变革。在此背景下，美国正在加快谋划设计“下一代太空体系架构”，即“国防太空架构”，旨在构建一种“扩散型低地球轨道”(PLEO)太空架构，统一整合美国国防部未来的太空能力，实现韧性太空感知和数据传输[1]。在美国目前的太空架构中，每个星座都由少量大型精密卫星组成，现役卫星虽然功能强大，但生存能力不足，任意一颗卫星被摧毁或失效都可能对战场产生重大影响，需要探索新的平台。因此，美国太空发展局(SDA)致力于创建一个“扩大数量、增加弹性”的架构，由数百颗承载多种有效载荷的小型卫星组成。在目前的军事系统中，一两颗卫星的损失可能是毁灭性的，但由数百颗卫星组成的卫星星座可以忽略一两颗卫星的损失。美国曾多次强调保持太空优势以赢得长期战略竞争的重要性，为此SDA希望开发“下一代太空体系架构”以更好地支持美国国家安全太空战略和国防战略。尽管SDA未来的太空架构由小型卫星构成，但不影响美国继续使用和建造大型精密卫星。以目前小卫星的发展状况来看，未来小卫星将会为美国军用卫星架构带来如下好处：一是显著提高效费比。相比于大卫星，小卫星发射成本在全寿命周期成本中占比高。未来卫星发射成本大幅下降后，小卫星、大星座的军用卫星架构具有更好的成本效益；二是战时具有更好的生存力。许多国家已经拥有并且正在发展反卫星能力，对美国卫星能力构成严重威胁，而利用小卫星构成大星座，增加反卫星方必须应对的卫星数量，使得攻击卫星的任务更加复杂，有助于应对反卫星威胁，提高卫星系统的生存力；三是具有最为经济有效的战时补充能力。大卫星成本高昂，难以大量采购作为战时储备，其发射设施战时生存能力较弱。采购小卫星作为战时储备，具有成本和发射等方面的优势，也具有更好的星座重构能力[2]。

随着当今世界太空竞争加剧，长期以来美国独霸太空的格局正在发生变化，与此相适应，美国太空发展理念与思路也在调整转型。美国改变以往以大型复杂单星为主的模式，建立以组网分布式小卫星为主的太空系统，由多颗小卫星及相应的基础设施和应用系统构成一个闭环系统，以实现数据获取、信息处理、应用分析，并向不同用户分发，完成特定功能。美国国防部先进研究计划局(DARPA)一直在思考完成太空任务更好的方法与途径，当今日益发展的商业航天吸引了DARPA的视线，DARPA陆续立项支持了包括“黑杰克”(Blackjack)等在内的多个航天创新项目。通过“黑杰克”项目，DARPA将建立一个可扩展的低地球轨道(LEO)卫星星座，把传感器连在一起，为全世界选定的用户提供持续的全球覆盖能力。

本文分析了基于小卫星技术、快速发射技术和人工智能等技术发展的美国下一代太空体系架构的设计、建设情况，借鉴DARPA“黑杰克”项目的演示验证，构建更加灵活、弹性、敏捷的美国“下一代太空体系架构”，并针对我国探索利用日益发展的商业卫星星座服务于国家太空能力建设，提出了启示与建议。

1 美国“下一代太空体系架构”的设计

为保持美国在太空领域的绝对优势，赢得未来太空竞争，发展灵活、弹性、敏捷的军用卫星星座已成为其必然的战略选择。2019年3月，美国正式成立SDA，主要职责是加速发展和部署新的军事航天能力，确保美军在太空的技术和军事优势。2019年7月1日，SDA发布了第一份信息征询书，将下一代太空体系建设的军事需求明确指向了导弹防御和太空对抗。美国的战略重心正转向大国竞争，现有的太空架构和装备无法保持其在太空绝对的优势，尤其是在一些国家反卫星武器、网络攻击和共轨航天器不断发展的情况下，以大型航天器为主的太空体系一旦被摧毁，难以短时间内补充，也就是弹性上存在不足。另外美军现有的太空架构和装备无法应对新兴威胁，尤其是高超声速武器，现役的导弹预警卫星无法有效提供及时预警和跟踪[3]。美国下一代太空体系将更多地利用基于小卫星的星座，代替现有的少量的、大型高价值卫星，以提高天基系统的灵活性、抗毁伤能力。SDA当前的任务是迅速开发和部署基于威胁驱动的“下一代太空体系架构”，以对抗对手的太空系统能力。为实现这一目标，SDA采用了一种灵活的方法来快速开发一个多功能的小卫星星座，以应对当前和新出现的威胁，并加速推进商用低轨卫星资源在军事领域的融合和应用。尽管SDA的“下一代太空体系架构”由小卫星构成，但不影响美军继续使用和建造大型精密卫星。短期内，SDA的目标是扩大美军现有的项目，或为在这些卫星系统无法使用时提供备用系统。太空威胁变化的速度极快，因此开发时间超过10～15年的太空系统届时将失去意义。SDA希望新系统能够更快地进入太空，然后通过软件更新或发射新的小卫星进行定期升级。SDA发布的第一份信息征询书中阐述了到2024年运行上百颗卫星的“下一代太空体系架构”具有以下8项能力[3]。

(1)对先进导弹目标的持续全球监视。

(2)针对先进导弹威胁的预警、跟踪、指示。

(3)GPS拒止环境下的定位、导航和授时(PNT)能力。

(4)全球近实时空间态势感知。

(5)发展太空威慑能力。

(6)快速响应、弹性的通用地面基础设施。

(7)跨域、网络化、与节点无关的指挥控制与通信能力，包括核指挥、控制与通信。

(8)基于人工智能的大规模、低延迟、持续性全球监控能力。

建议的太空体系架构由7层组成[4]。

(1)跟踪层，提供防御先进导弹(包括高超声速武器)威胁的天基目标探测、预警、跟踪与指示。

(2)导航层，提供GPS拒止环境下的定位、导航与授时(PNT)能力，增强太空对抗条件下的联合作战保障能力。

(3)威慑层，提供地月空间范围的目标态势感知与快速进出与机动，以应对太空攻防提出的挑战。

(4)作战管理层，提供基于分布式人工智能的战场管理、指挥、控制与通信，包括星上智能自主任务规划、数据处理、加密分发等，为战术用户直接提供太空信息支援。作战管理层向太空智能化发展，进一步增强天基信息支援联合作战的时效性和便捷性。

(5)传输层，提供全球范围全天候、全天时不间断、低延迟的数据传输与通信，提供天地之间、不同功能层卫星之间、同一功能层不同卫星之间的互联互通，构成下一代太空体系的技术基础与共性支撑。

(6)监管层，全天候、全天时监控时敏目标，为射前攻击敌导弹发射架、雷达站、指挥节点提供关键保障。

(7)支持层，提供大规模小卫星星座快速机动发射测控的运载系统与地面设施，部署便携式、系列化、智能化卫星应用终端，为灵活、弹性、敏捷的在轨系统提供配套的地面系统支持，确保对抗条件下小卫星星座的快速补充与更新，提高卫星大规模地面应用效能。

“下一代太空体系架构”将整合国防部及航天工业的下一代太空能力。由数百颗小卫星组成的星座由于部署分散、成本低、补充快捷，具有很强的抗毁和抗打击能力，可以显著提高系统的安全稳定运行能力，以应对当前及新出现的威胁，对抗对手的挑战或实现太空系统拒止。表1为美国“下一代太空体系架构”分层与可提供的能力对应表[4]。

1)跟踪层

威胁：跟踪跨域对手的先进导弹及其他攻击载体(包括高超声速滑翔飞行器)。

能力需求：拥有高灵敏度以探测并跟踪重要目标；良好的时空分辨率及视线；星载处理，能够向作战人员发送低延迟信息；全球覆盖；立体跟踪；拥有多种轨道和平面，实现星座级弹性；与高空持久红外系统和导弹防御火控系统互操作；卫星可搭载多种有效载荷。

架构：基于DARPA“黑杰克”项目开展，是一种可以随时扩展或补充的网状网络，可以提供7×24 h的全球数据和通信服务。实现对先进导弹威胁及其他攻击载体(包括高超声速滑翔飞行器)的探测、预警、跟踪、瞄准和指示。将采用类似美国导弹防御局(MDA)“高超声速与弹道跟踪天基传感器”(HBTSS)系统的设计，以检测并跟踪高超声速威胁，同时还将增加跟踪弹道导弹战斗部的能力，增强美国空军下一代“过顶持续红外”导弹预警星座的能力。

关键挑战：光学元件、焦平面阵列、高性能处理器及制冷器的大批量生产，在近地实现先进任务数据处理等。

表1 美国“下一代太空体系架构”分层与可提供的能力对应表Table 1 Layered structure and afforded capability of US next generation space architecture

2)导航层

任务：综合卫星PNT算法，寻求替代性GPS解决方案，弥补现有GPS的能力。

能力需求：利用星间光学链路(OISL)在星座所有卫星之间交换高速数据并进行测距和授时。SDA还计划使用射频交链作为备用。这两种交链技术都有望产生高质量的单向/双向星间距离/时间测量。

重点领域：导航层的“轨道和时钟确定应用程序”(OCDA)可处理来自各种PNT源的输入，如GPS、惯性导航系统、星跟踪器、时钟，以及最关键的卫星交链测距和授时测量。在GPS测量不可用或不可信时，OCDA也能够运行。根据有效载荷的需要，每个平台有效载荷系统可以使用不同预测间隔(从分钟到天)的OCDA数据。这些数据还将提供给地面卫星星座管理，并支持特殊分析。

3)威慑层

任务：提供太空态势感知，探测和跟踪太空物体，威慑对手从而保护自己的卫星不受攻击。作战范围从低轨道、地球静止轨道扩大延伸到更高更远的地月空间。

能力需求： 针对航天国家在地月空间的探索和利用活动越来越频繁，探索范围不断拓展的情况，构建覆盖地月空间的态势感知能力，同时通过大规模、无中心节点的分散部署形式，提升太空态势感知体系的弹性，增强对敌方攻击的威慑能力。

架构：2条大偏心率、高倾角(HE/HI)轨道面(部署2～4颗卫星)；140条作为节点的扩散近地轨道；地月系统拉格朗日点L1/L4(部署太空指挥控制系统)；地月拉格朗日点L2及月球星座(待定)， 此外还包括3个先进地月空间机动飞行器[5]。

关键挑战：目标/背景特征；先进地月空间机动飞行器的轨道基地和轨道动力学；星上处理；大数据技术；人工智能和云计算；与传输层通信；与作战部队集成。

后续计划：2022财年，部署2～4颗大偏心率、高倾角轨道；2023财年，部署L1节点系统；2025财年，部署多颗近地轨道卫星；2026财年，部署L4节点系统；2027财年，部署月球星座。

4)作战管理层

任务：提供硬件和软件框架，以支持各种跨层的任务处理、算法和应用，支持包括天基指挥控制、任务分配和任务处理。处理后的数据将通过交链和下行链路及时分发给作战人员和其他系统。飞行软件可以在轨更新以适应威胁和任务需求的不断变化。

能力需求：将通过基于人工智能的指挥、控制和通信网络，提供分布式作战管理和通信(BMC3)能力，包括自主任务规划，对采集数据的自主优先级排序，星载数据处理、分发，向战术用户提供太空传感器数据等，提升星座自主水平，同时减少对地面系统的依赖，为作战计划任务提供更多支持并实现更高程度的自动化。

重点领域：低延迟在轨网状网络；分布式指挥控制；用于战斗管理和信息分发的先进人机接口；自动化调度优化和传感器任务分配；星载处理算法；支持任务迁移和在轨升级的软件架构；自主能力和人工智能；性能增强的星载处理硬件，将尺寸、质量和功耗降至最低；增强战斗管理功能模块化程度和互操作性；作战支援的训练概念和方法；情报产品的任务分配和利用；管理多个异构计算架构；改进在轨和地面处理平台之间的数据存留和任务迁移策略。

架构：具有能够快速适应威胁不断变化的开放架构，具备模块化、可扩展(多任务和多有效载荷)、自构建、自修复、持续学习等特性。

后续计划：2021财年开发相关的软硬件测试平台(HITL/SITL)，2022～2023财年开始向弹道导弹防御系统的指挥控制战斗管理与通信(C2BMC)系统提供指挥控制信息，通过战术数据链提供超视距瞄准支持；2024～2025财年通过传统战术数据链向90%列装的武器系统提供数据。

5)传输层

任务：传输层是SDA正在开发的美国“下一代太空体系架构”的骨干，旨在为全球范围内的作战人员应用提供可靠、灵活、低延迟的军事数据和连接。

关键领域：SDA确认了传输层开发的一些关键领域，包括综合服务广播(IBS)、Link16(16号数据链)、星间光链路(OISL)及组网等。

后续计划： 2022财年开始部署20颗卫星，2023财年，部署星间光链路(OISL)系统，形成射频链路与光学链路共存的格局，2024财年卫星数量将超过150颗，直到2026财年运行近1000颗卫星，将为地面、海上与空中平台提供卫星通信能力。低轨星座中，每颗卫星将有4条光学链路，分别与同轨道的两颗卫星和异轨道的两颗卫星进行通信。

6)监管层

任务：对所有已识别时间关键目标的全天候监管。

能力需求：将合作伙伴传感器任务的海量目标数据从地面终端传递数据，完成地面处理和融合，创建火力解决方案并通过Link16分发到战术边缘。

架构：监管层将依靠传输层在全球范围内为作战人员平台提供低延迟连接。监管层将在太空和地面运行。地面融合涉及更多计算密集型应用，而星载应用将得到简化并提供自动化操作。SDA将部署超过200颗卫星与传感器，对关键时敏目标进行实时跟踪。

后续计划：2021财年，关键技术验证；2023财年，建设初始星座；2024-2026财年，持续建设以完善架构。

7)支持层

任务：提供大规模的地面指挥控制设施和用户终端及快速响应的发射服务，确保地面系统的生存能力，支撑天基系统快速补网。

从美国“下一代太空体系架构”的分层结构与提供的能力可以看出，跟踪层与监管层主要服务于导弹防御作战，特别针对高超声速飞行器的全程目标探测、跟踪与指示；导航层与威慑层主要面向太空攻防对抗，作战范围从低轨道、地球静止轨道扩大延伸到更高更远的地月空间；作战管理层面向太空智能化发展，进一步增强天基信息支援联合作战的时效性和便捷性；传输层提供天地之间、不同功能层卫星之间、同一功能层不同卫星之间的互联互通，构成下一代太空体系的技术基础与共性支撑；支持层提供大规模小卫星星座的快速发射、测控与应用支持，确保对抗条件下小卫星星座的快速补充与更新，提高卫星大规模地面应用效能。

2 美国“下一代太空体系架构”的建设

2.1 传输层的建设

传输层由空间段和地面段(主要由政府提供)组成。空间段包括一个由20颗卫星组成的异构星座。地面段位于美国海军研究实验室布鲁瑟姆(Blossom)跟踪设施(BPTF)的卫星运行中心。传输层0期星座包含两个近极轨轨道面，轨道高度为1000 km，倾角在80°～100°之间。每个轨道面上的卫星分为两组：A组卫星提供连接整个星座的完整网络基础设施，B组卫星通过综合广播系统(IBS)和Link16支持平面交链和任务通信。A组卫星在轨道面上均匀分布，可以支持与地面的连续通信和双向交链。B组呈“簇”状，可支持在多个时间段内对某一战区的连续覆盖[6]。

2020年8月31日，SDA选择洛马公司和约克空间系统公司为其传输层0期建造卫星，两家公司各自负责提供10颗卫星。每批10颗卫星分成两种类型，10颗中的7颗配备4条光学交叉链路，另外3颗配备2条光学交叉链路和2条下行链路。带有4条光学交叉链路的卫星在飞行过程中能与不同轨道面或完全不同轨道上的卫星通信。拥有2条光学交叉链路的卫星还必须有两个发射器连接到Link16网络，军方使用Link16在数百个武器系统之间共享数据。这些卫星将构成SDA计划传输层的一部分。该天基网状网络将构成美国国防部联合全域指挥控制(Joint All-Domain Command and Control，JADC2)的空间部分，是美军连接在轨传感器和地面发射器计划的关键。SDA计划在2022财年第4季度将传输层0期卫星送入轨道。

根据2020年5月1日的招标合同，SDA的传输层0期有6个目标[7]。

(1)演示通过光学交叉链路网状网络向作战人员传输低延迟数据。

(2)演示通过传输层将数据从天基传感器传送到作战人员的能力。

(3)演示有限的战斗管理功能。

(4)将一体化的广播系统的数据通过新一代无线网络传送给作战人员。

(5)在网络上近实时地存储、中继和传输Link16数据链。

(6)运行一个独立于GPS的授时系统。

未来的空间传输层将包括数百颗小卫星，极大程度地利用了“黑杰克”项目以及商业低轨宽带互联网星座的成果，开展卫星批量研制工作，每颗卫星将配备星间链路和备份的星地链路。SDA还计划在传输层中开发“嵌入的子系统”，提供导弹预警等额外能力。构建的传输层将为全球任意两点之间提供超低延时的数据通信服务，支持美作战管理、指挥、控制和通信能力的进一步升级。

美国SDA计划从传输层0期开始每两年一次向联合作战部队交付传输层能力，规划如下[8]。

(1)“风险降低演示”(2020-2021财年)：完成LEO轨道星间光链路(OISL)实验；在小卫星上演示光学交链及下行链路，包括到战术用户的低延迟下行链路。

(2)“0期能力”(2022-2023财年)：实现定期区域接入低延迟数据连接；并实现与地面基础设施的全球链接。

(3)“1期能力”(2024-2025财年)：实现高纬度地区之外的持久区域接入低延迟数据连接——具备全网络化指挥控制通信(Full Networking Command,Control and Communication，FNC3)下行链路。SDA计划在2024财年第4季度再推出150颗卫星，并于2025财年向美国天军移交。

2.2 跟踪层、监管层的建设

跟踪层可实现对先进导弹威胁及其他攻击载体(包括高超声速滑翔飞行器)的探测、预警、跟踪、瞄准和指示。监管层可对已识别时间敏感目标(TCT)进行全天候、全时段的持续监视，实现对对手导弹系统、指挥控制节点、雷达站等关键资产进行发射前攻击。SDA目前正在设计其首个用于宽带通信、探测和跟踪高超声速导弹的低地球轨道卫星网络。SDA于2020年5月发布了征求建议书，设计和建造隶属于“下一代太空体系架构”跟踪层的前8颗集成红外传感器的宽视场卫星，可探测和跟踪机动的高超声速导弹。SDA计划在2022财年或2023财年前部署导弹预警天基网络的早期版本，包括约70颗宽视场卫星和可提供更详细跟踪数据的中视场卫星，使作战人员可以利用数据进行试验，并将数据纳入到作战计划中[9]。

现在面对高超声速导弹武器等新型装备的面世，美国需要通过发展天基跟踪层来提供先进导弹目标的持续全球监视和先进导弹威胁的预警、跟踪、指示，这些卫星需要跨多个轨道平面链接，以便对所有潜在威胁进行连续的全覆盖；低轨道卫星更接近来犯武器，能生成高质量的目标轨迹；另外，低轨道卫星有足够多的数量，至少有两颗卫星可以在任何时间发现来袭武器，从而提供准确反映威胁位置与速度所必需的三维视图；绝大多数信息可在轨道上进行处理，融合来自多个航天器的信息，再将详细信息直接发送给“射手”，以便减少延迟时间，是缩短“杀伤链”的最有效方法[10]。

2.3 导航层的建设

在拒止或降级环境中，SDA将利用来自低轨卫星的定位和授时数据来验证或替代GPS。SDA希望在GPS不可用的情况下，利用大量低轨卫星进行导航。随着对手逐渐开发出能够干扰或欺骗GPS信号的工具，美国军方已优先考虑为作战人员提供定位、导航和授时(PNT)数据的备用来源。太空体系架构的数据传输层可用于从卫星向地面用户传输定位和授时数据，而无需另外专用的在轨PNT卫星系统。在卫星之间建立了交叉链路后，就可以进行授时传输，在卫星层面获得很好的授时信息。一旦拥有了面向任意系统的开放通信，就可以与多个卫星进行通信，提供了另一种获得导航的方式，即利用现有通信系统获得独立于任何其他用户设备的导航[11]。

2.4 支持层的建设

支持层能提供大规模的地面指挥控制设施和用户终端及快速响应的发射服务。在操作层面，增强太空架构的弹性包括更加注重低轨星座的建设，以替代或备份以往使用单颗高价值卫星的做法。因为当对手具备反卫星能力时，单颗卫星的侦察和通信能力再强也很难满足生存性要求，不如由大量小卫星组成星座，并准备大量休眠的备份卫星。这样即使部分卫星被反卫星武器击毁，整个星座的效能也不会受到明显影响，同时还要大力发展快速发射和快速在轨补充能力。

2.5 利用商业能力支持太空体系架构

SDA利用现有商业能力支持太空体系架构的全面解决方案，如支持多个有效载荷和软件应用程序的平台，以及能在多个平台上集成的有效载荷或软件。未来国防太空体系架构所需的卫星并不都由SDA建造，许多合作伙伴都在开发国防太空能力，SDA将把这些能力纳入自身架构中。先进的极高频系统、下一代持续过顶红外项目(OPIR)、宽带全球卫星通信系统和GPS等关键项目都不在SDA开发的架构之内。

太空探索技术(SpaceX)公司2015年提出了“星链计划”，计划在2019-2024年间发射约1.2万颗卫星，组成“星链”网络，以构建一个巨型三层卫星网络。尽管SpaceX官方宣称“星链计划”以民用为主，但其与美军方密切相连[12]。“星链计划”有着潜在的军事用途，其在作战方面具有以下特点。

(1)可以对目标进行长时间的侦察。

(2)实时传输高精度画面给指挥所及各个作战单位。

(3)实时控制导弹，精准打击目标。

美国北方司令部已经要求国会拨款1.3亿美元，以探索利用美国太空探索技术公司的“星链”和一网公司的“一网”星座，为北极地区的作战平台和人员提供通信服务的可行性，2020年底之前利用“星链”星座实现了北极地区初步的宽带通信能力。到目前为止,它已经部署了大约960颗星链卫星。“星链”网络需要通过24次发射来实现对几乎所有有人居住区域的覆盖。公司眼下正以每天6颗的速度建造“星链”卫星，拟每隔两至三周就做一次组网发射，直至建成由约1440颗卫星构成的初期网络。美国联邦通信委员会(FCC)已批准太空探索公司最终运营近1.2万颗“星链”卫星，以向全球各地提供高速、低时延上网服务。

亚马逊公司2019年向FCC审请了“柯伊伯项目”的卫星宽带项目，在590～630 km之间的98个轨道面上部署3236颗卫星，以实现全球宽带覆盖的目标。

2020年5月26日，一网公司向FCC提交了向低地球轨道发射近4.8万颗卫星的申请。同日，SpaceX公司也向FCC提交了3万颗卫星的发射申请，这些卫星将与SpaceX公司此前已获批的近1.2万颗卫星共同组成“星链”星座。

从官方到民间合作，美国在太空领域抢先布局，部署周全，这表明了美国下一代太空体系架构的设计突出寄军于商的特点，商业托管军用载荷会成为美军太空体系弹性发展的重要方式之一[13]。

3 利用“黑杰克”项目进行演示验证

“黑杰克”项目是一个低地球轨道卫星星座项目，旨在开发并演示一种针对一系列新型威胁的能够覆盖全球的卫星星座，能同时跟踪多种威胁，为美国国家安全提供更迅速、更早期的预警。DARPA于2018年2月启动该项目，构建一个包含几十至数百颗卫星的小型军事通信与监视卫星星座，以满足指挥控制、情报监视与侦察(ISR)、战术作战等各种需要。项目将研发并验证一些关键的支撑技术，以便在低轨构建一种全球性的高速主干网络。研发重点内容是商业化卫星平台以及低成本、可更换的有效载荷，要求较短的设计周期并能够进行频繁技术升级。商业化卫星平台将采用基于开放架构的电气、软件和网状网接口控制，为低轨运行数十种或数百种不同类型的军用卫星有效载荷创造条件。

“黑杰克”项目有3个主要目标：一是研发有效载荷和任务层面的自主软件，将采用分布式的在轨决策处理器，能够在轨进行数据处理，在轨自主运行并执行共同任务；二是运用先进的商业制造能力，如使用商业现货(COTS)类零部件，减少对每个航天器的筛选和验收测试，以及降低对航天器寿命的预期；三是在低轨演示验证卫星有效载荷，其能力与当前地球同步轨道系统相当，而单颗卫星的成本低于600万美元。

项目的目标是发展由60～200颗卫星组成的星座，运行高度500～1300 km。项目将设立一个操作中心管理所有的卫星及有效载荷，但星座有能力在没有操作中心的情况下运行30天。“黑杰克”项目卫星的有效载荷数据处理将在轨完成，无需地面数据处理的支持。由两轨道平面各10颗卫星组成的20颗卫星的星座将在2021财年或2022财年飞行，展示其低成本传感器、实时在轨有效载荷处理、使用商业数据传输层的低延迟全球连接以及自主运行能力。DARPA设想将轨道上的LEO卫星数量从覆盖一个地理区域数小时的20颗增加到数百颗，组成覆盖整个地球的完整星座[14]。

3.1 “黑杰克”项目卫星的控制系统

“黑杰克”项目将采用开放式的架构标准和系统控制，可轻松插入第三方软硬件，包括天基有效载荷和托管应用、通信设备以及地面用户设备和软件。

为了降低集成风险，项目将为“黑杰克”卫星节点开发一种称为“赌场老板”(Pit Boss)的航电单元，它配备有高速处理器和加密设备，功能相当于一个通用网络和电气接口。Pit Boss还将提供一种任务级自主功能，管理“黑杰克”项目的卫星和地面用户之间的通信，提供平台测控链路，并对有效载荷数据进行加密。Pit Boss在轨云网络将提供星座级和节点级指挥控制、健康监测与恢复、星间数据管理以及在轨资源调度。每一个“黑杰克”项目卫星节点都将搭载Pit Boss硬件和软件[15]。

Pit Boss是一个自主的协同任务管理系统，将促进关键信息的收集和处理并分发给战术用户。该系统支持星座的自主功能，采用先进的体系结构和加密技术，自动收集和处理整个星座的数据，其主要的创新点在于能够在轨道上处理数据。不仅 “黑杰克”项目中的每个卫星传感器能够执行机载处理，Pit Boss还能够从每个单独的传感器获取数据，将其融合并提供给需要的用户，而不需要来自卫星操作员的命令。Pit Boss将每个卫星的控制系统连接起来，使其成为一个智能的网络系统。

Pit Boss作为承担“黑杰克”星座自主功能的网络架构，以相对低廉的研发成本，集成任务执行、数据处理与传输、加密通信等多种能力，在技术方面具有突破性意义。

3.2 “黑杰克”项目面临的挑战

数据传输层：传输层卫星是太空体系架构的支柱，“黑杰克”项目卫星星座的关键是建立一个数据传输层，不仅可以在轨道卫星之间传输信息，还可以融合多个卫星的数据，以提供目标选取解决方案，发送给作战人员或武器系统。此外，SDA正在构建的跟踪高超声速武器的跟踪层，轨道上的数据传输和融合将是高超声速武器防御中最难解决的问题[16]。SDA采用每两年螺旋式上升方式，不断增加更多具有新功能的卫星。

周期：美国即将打造的“下一代太空体系架构”，可以实现商业卫星平台与军用有效载荷的集成，缩短集成周期，从而能迅速地部署包括先进导弹威胁探测、识别以及跟踪等各项能力，提供定位、导航与授时，以及提供天基地面移动目标指示，以跟上威胁的发展变化，目标是采用含发射在内的每颗花费不到1000万美元的卫星建设起每两三年就能翻新一次的星座，“黑杰克”项目是迈向这一愿景的第一步[17]。

有效载荷：“黑杰克”项目使用民用平台搭载军用有效载荷，民用平台能承载的有效载荷尺寸、质量、功耗都受到限制，而在功能上又需要与现有的军用通信网络基本一致。项目的远期愿景是发射几百至上千颗卫星，需要开发大量的有效载荷。因此，“黑杰克”项目要先建立一个有效载荷生态系统，可匹配多种民用平台。为构建该生态系统，有效载荷开发人员必须进行一般化的初始设计，以涵盖多种类型的商品化平台，在深入设计阶段，再将有效载荷与平台相匹配，以开发大量有效载荷。“黑杰克”项目的技术更新周期很短，每两至三年就需要对有效载荷进行更新，因此有效载荷还应具有开放式架构，可在太空中进行算法更新。如何设计尺寸、质量、功耗和成本，同时具有相对完整功能，且能适配民用平台的有效载荷，将是本项目的技术重点。

3.3 “黑杰克”项目演示验证

“黑杰克”项目研究将多个卫星层和有效载荷整合成统一的数据收集和分发体系，这些卫星层和有效载荷包括过顶持续红外(OPIR)传感器、PNT、GPS增强、射频(RF)和光战术通信，战术情报、监视与侦察有效载荷，全天候多域定位、识别、表征以及跟踪等。根据SDA发布的“下一代太空体系架构”信息征询书，近期SDA的目标是开发由网状网络组成的传输层，用于低轨道通信和数据传输，而该传输层将严重依赖DARPA的“黑杰克”项目。SDA希望围绕该项目建立子星座，满足已确定的导弹防御预警、导航定位和授时替代服务等需求。DARPA的“黑杰克”项目主要验证先进的卫星星座自主运行和太空网络技术。演示任务将与其他任务一起发射，包括搭载超级计算机处理芯片的立方体卫星曼陀罗-1(Mandrake-1)，以及携带光学星间链路的小型卫星曼陀罗-2(Mandrake-2)，这些卫星会构成后续低轨光学网状网络的基础。拟发射的第3个有效载荷是一台名为“通配符”(Wildcard)的软件定义的无线电装置，将试验从低地轨道到战术电台的链路，但发射日期和发射用的火箭尚未确定。DARPA预计在2021年下半年通过共享发射整合部分军用有效载荷，余下18颗将在2022财年发射[17]。

根据第一批发射和第二批发射卫星的演示验证情况，DARPA后续再进行多次发射，以扩展“黑杰克”项目卫星星座。

3.4 “黑杰克”项目阶段划分

“黑杰克”项目分为3个阶段[18]。

(1)确定民用航天器平台和军用有效载荷研发。

(2)详细设计与集成阶段，主要进行用于2颗卫星在轨演示的平台、有效载荷及控制单元的设计与集成。

(3)发射及在轨飞行试验阶段，本阶段将交付2颗卫星并与运载火箭进行集成。在2021财年发射两颗卫星并进行为期6个月的在轨飞行试验。如果试验成功，第3阶段选取的平台或载荷研发团队将再交付18颗卫星，完成双平面卫星系统演示。

3.5 “黑杰克”项目的主要目标

“黑杰克”项目将研发并验证一些在低地球轨道进行卫星组网的关键支撑技术，重点是民用卫星平台和低成本、可互换、设计周期短、技术更新频繁的军用有效载荷，并对有效载荷进行优化，使其适用于多个平台。项目的主要目标如下[19]。

(1)研发有效载荷和任务级的自主软件，采用自主在轨分布式决策处理器。有效载荷能够自主运行，在轨进行数据处理，系统能够根据高级系统指令，在轨自主执行任务。

(2)为军用有效载荷及航天器平台研发并实现先进的民用制造能力。“黑杰克”项目将使用商业成品部件进行高速制造，对单个航天器的验收筛选流程进行了简化，并降低对单个航天器寿命的预期。

(3)在近地轨道演示卫星有效载荷，目标是展示近地轨道航天器的性能与目前地球同步轨道系统相当，每个轨道节点的平台、有效载荷及发射成本低于600万美元，同时有效载荷满足民用平台的尺寸、质量及功率限制。

3.6 “黑杰克”项目的远景

“黑杰克”项目的远景是构建一个在距离地表500～1300 km的高度运行60～200颗卫星组成的星座，每颗卫星可搭载一个或多个有效载荷。所有的卫星及有效载荷由一个控制中心管理，星座能在无控制中心的情况下自主运行30天。控制中心可由2人管理，其主要工作是设定星座的优先级。卫星的有效载荷数据处理将在无地面数据处理协助的情况下在轨进行。

2021年末，将拥有全部卫星的演示验证能力，期望在2022年可以进行战区级自主运行。“黑杰克”项目将演示由数百颗小卫星组成的LEO星座来完成从导弹防御到提供PNT数据等众多任务。

如果DARPA的“黑杰克”项目取得成功，很可能改变目前太空易攻难守的现实，颠覆太空攻防的成本收益关系，并对太空威慑战略产生重大影响。

4 启示与建议

美国“下一代太空体系架构”致力于打造一种基于小卫星星座，提高天基系统的抗毁伤能力，面向美国未来太空能力和需求的全新多层架构，以有效应对当前太空潜在的威胁。随着美国战略重心转向大国竞争，其传统太空作战能力难以在大国竞争中取得优势，一方面是“弹性”不足，现有太空资产易损性难以解决，一旦被攻击受损，难以及时恢复能力；另一方面，对于“黑杰克”项目的实施是对以美国为代表的航天强国构建新型太空能力架构的实质性支撑，从各领域推动其太空能力的换代提升，为其太空威慑的持续有效提供有力地保障。“黑杰克”项目代表着太空应用低成本、分布式的新方向，迈出了人类大规模利用太空新的一步。一旦美国下一代太空体系实现并投入实战，将对导弹防御和太空攻防作战带来颠覆性影响[20]，改变目前人们对太空战场的既有认识，同时也为我国航天领域的发展带来如下启示。

(1)大规模采用分布式、可扩展的小型卫星星座，加强太空资产及卫星系统的弹性，成为美军未来部署太空资产的重要发展趋势之一。

(2)充分利用商业航天公司的力量和资源，注重军民融合，探索有效利用商业卫星通信服务的新模式。利用商用卫星星座的服务，商业托管军用载荷或成为其太空体系弹性发展的重要方式之一，这在“黑杰克”项目的目标设计中体现得非常明显。SDA充分利用私营企业的投资及相关成熟配套技术，采用灵活、螺旋式发展的模式，大大降低了系统开发及运行维护成本和效率。对于我国航天领域而言，也应加大军民融合力度，形成与商业航天企业相互配合、相得益彰的发展格局。

(3)积极构建全方位、多层次的太空架构，形成全天候、全覆盖的太空态势感知能力体系。美国太空体系架构是一个全方位、多层次的太空架构，基于人工智能、无人自主等多项前沿技术，具备全面完整的侦察监视、预警、跟踪、近实时通信、导航、指挥控制，甚至威慑能力，建成后将大幅提升美国的太空态势感知能力。我国也应借鉴国外经验，不断增强我国太空态势感知能力。

5 结束语

太空已成为美国赢得未来大国竞争胜利的关键领域，为保持美国在太空领域的绝对优势，发展灵活、弹性、敏捷的军用卫星星座已成为其必然的战略选择。当前的新构想聚焦低轨领域，强调商业技术、突出对多类任务载荷的数据传输支持能力，从本质上来讲符合弹性发展理念，而且从当前技术水平判断，受卫星大小和载荷空间限制，其性能很难取代现役高价值、高复杂度和高性能的军用通信卫星，因此可视作对原有体系的补充和细化。美国“下一代太空体系架构”的设计突出了军民融合的特点，或将成为其太空体系弹性发展的重要方式之一，其设计基于威慑驱动，突出风险意识、危机意识、忧患意识，更具针对性、时效性[21]。在新的安全态势下考虑将来不会受到干扰或攻击，保证美军的太空作战能力；在目标定位上更加聚焦导弹防御与太空攻防，更加强调实战化、一体化功能和灵活、弹性与敏捷特征；目前，SDA发布的招标信息征询书，“一网”、“星链”等多个巨型星座均在其考虑范围之中，如何使商业星座发展与军方需求相匹配，将成为招标论证研究的核心；在设计上选用包括开放式架构的综合性解决方案，卫星平时及战时要能支持多个有效载荷和软件应用，并利用商品化的卫星技术，组成可靠且能快速部署的大型星座；在采购方式上，由更廉价的量产卫星组网的星座是国防部航天技术采购方式上的一次根本性转型，建设花钱更少，在功能上能提供全球持久、低延迟通信并能实现快速技术更新，为军方用户提供更加多样的卫星通信服务，提升军事卫星通信性能弹性和威慑能力，满足未来军事领域信息化作战的需求，进而增加了敌方潜在目标的数量和种类。另外，新技术可以通过低轨卫星的迭代，不断被纳入空间系统。此外，低轨卫星面对物理、电子和定向能攻击时更加脆弱，强调其防护能力势必在无形中进一步增加了星座的成本。一旦美国下一代太空体系实现并投入实战，将对导弹防御和太空攻防作战带来颠覆性影响，并改变目前人们对太空战场的既有认识，值得密切关注。通过研究美国“下一代太空体系架构”的设计理念，对我国探索利用蓬勃发展的商业卫星星座服务于国家太空能力建设，在全球新一轮军事革命和科技产业革命中构筑战略竞争优势，具有重要的现实意义。