商業(yè)低軌通信衛(wèi)星星座的發(fā)展態(tài)勢(shì)及軍事應(yīng)用分析

劉 秀 彭振忠 劉 達(dá)

隨著商業(yè)低軌衛(wèi)星星座井噴式發(fā)展，在可以預(yù)見的將來，巨型衛(wèi)星星座將為大眾帶來更加廉價(jià)、方便、快捷、穩(wěn)定的寬帶服務(wù)。以太空探索公司（SpaceX）、一網(wǎng)公司（OneWeb）、電信衛(wèi)星公司（Telesat）為代表的典型商業(yè)航天企業(yè)陸續(xù)公布了各自的中低軌衛(wèi)星星座計(jì)劃，并快速推進(jìn)星座部署進(jìn)程。全球低軌衛(wèi)星星座具有可批量研制、快速部署、大容量、低延時(shí)、全球覆蓋等特點(diǎn)，使得其在軍事應(yīng)用中的占比日益提高。美軍在通信衛(wèi)星體系的建設(shè)中，越來越重視低軌衛(wèi)星星座的建設(shè)和利用，以滿足信息化作戰(zhàn)需求。低軌衛(wèi)星星座的發(fā)展促使全球衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)進(jìn)入一個(gè)全新時(shí)期，將對(duì)軍事作戰(zhàn)領(lǐng)域帶來深遠(yuǎn)影響。

未來的軍事作戰(zhàn)將以前所未有的速度在多域間展開，這對(duì)域內(nèi)/域間信息共享與互聯(lián)、能力協(xié)同提出了新的要求，以多域戰(zhàn)、馬賽克戰(zhàn)、分布式作戰(zhàn)等新型作戰(zhàn)概念為核心的作戰(zhàn)理念在美軍各軍種逐步走向深入。在這種作戰(zhàn)場(chǎng)景想定下，美軍認(rèn)為，建立和保持優(yōu)勢(shì)需要能夠在所有域內(nèi)、域間實(shí)現(xiàn)高效信息分發(fā)，并以對(duì)手無法匹敵的速度做出具體決策。

為滿足未來作戰(zhàn)需求，并應(yīng)對(duì)未來商業(yè)中低軌衛(wèi)星星座的快速發(fā)展，美國國防部開展對(duì)商用太空互聯(lián)網(wǎng)資源的利用研究，加速推進(jìn)商業(yè)低軌衛(wèi)星資源在軍事領(lǐng)域的融合和應(yīng)用。

典型商業(yè)低軌互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星發(fā)展現(xiàn)狀

“星鏈”星座SpaceX在2015年公布“星鏈”星座計(jì)劃，致力于為個(gè)人用戶提供低時(shí)延的低地球軌道衛(wèi)星寬帶互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。建設(shè)思路是先實(shí)現(xiàn)美國本土全境覆蓋，后完成全球覆蓋，分三個(gè)階段進(jìn)行建設(shè)。第一階段，用部署于550千米，傾角53°的24個(gè)軌道面上的1584顆Ka/Ku頻段衛(wèi)星完成初步覆蓋，每個(gè)軌道面66顆衛(wèi)星，星座容量30太比特/秒、延時(shí)15毫秒，預(yù)計(jì)部署400顆衛(wèi)星后開始出售初期服務(wù)，2020年—2021年部署完800顆后可滿足美國、加拿大和波多黎各等國天基互聯(lián)網(wǎng)需求。第二階段，由部署于1110千米、1130千米、1275千米和1325千米的4種不同軌道高度的2825顆Ka/Ku頻段衛(wèi)星完成全球組網(wǎng)，軌道面?zhèn)€數(shù)分別為32個(gè)、8個(gè)、5個(gè)和6個(gè)，各軌道面分別部署50～75顆衛(wèi)星，預(yù)計(jì)2024年完成部署。第三階段，由部署在335～345千米軌道高度的7518顆V頻段衛(wèi)星組成軌道更低的低軌星座，增加星座容量。2019年底，SpaceX對(duì)“星鏈”星座計(jì)劃進(jìn)行調(diào)整，擬在12000顆衛(wèi)星的基礎(chǔ)上，再增加30000顆衛(wèi)星，一旦預(yù)期按計(jì)劃推行，將形成由4.2萬顆衛(wèi)星組成的龐大系統(tǒng)。

2019年5月，太空探索公司利用獵鷹-9火箭發(fā)射60顆“星鏈”低軌互聯(lián)網(wǎng)通信衛(wèi)星，與2018年2月發(fā)射的2顆試驗(yàn)衛(wèi)星配合，進(jìn)一步測(cè)試星載天線和推進(jìn)系統(tǒng)。截至2020年6月，包括試驗(yàn)衛(wèi)星在內(nèi)，SpaceX已發(fā)射8批次“星鏈”衛(wèi)星，共發(fā)射衛(wèi)星482顆，并計(jì)劃在2020年內(nèi)每個(gè)月執(zhí)行兩次發(fā)射任務(wù)，推進(jìn)十分迅猛。按照馬斯克的計(jì)劃—希望僅2020年就能以每?jī)芍?0顆的速度，發(fā)射1400顆衛(wèi)星。

“一網(wǎng)”星座美國聯(lián)邦通信委員會(huì)批準(zhǔn)的“一網(wǎng)”星座初期計(jì)劃于2017年在美國落地。在衛(wèi)星設(shè)計(jì)方面，用戶側(cè)采用有別于傳統(tǒng)圓形點(diǎn)波束的多個(gè)條帶狀波束，形成長(zhǎng)方形對(duì)地覆蓋，饋線天線使用雙反射面伺服機(jī)構(gòu)，采用衛(wèi)星姿態(tài)俯仰機(jī)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)與GEO頻率兼容。2019年2月，一網(wǎng)公司的首批6顆試驗(yàn)衛(wèi)星（質(zhì)量147.7千克，設(shè)計(jì)壽命7年，造價(jià)不超過100萬美元）搭乘聯(lián)盟火箭進(jìn)入預(yù)定軌道，開啟了超大規(guī)模低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座的部署任務(wù)。經(jīng)過4個(gè)多月的在軌測(cè)試與軌道爬升，6顆衛(wèi)星均達(dá)到預(yù)定位置。在7月份的測(cè)試中，地面終端連接速度達(dá)到450兆比特/秒，時(shí)延小于30毫秒。2020年2月6日、3月21日，一網(wǎng)公司分2批次將68顆衛(wèi)星送入450千米的軌道，使得在軌衛(wèi)星數(shù)量達(dá)到74顆，標(biāo)志著正式進(jìn)入系統(tǒng)大規(guī)模部署階段。

SpaceX“星鏈”衛(wèi)星群成功進(jìn)入太空

One Web公司積極開展與世界各主要國家的落地權(quán)談判，截至2020年1月，One Web公司獲得美、英、澳、加等19個(gè)國家的初步落地權(quán)意向或市場(chǎng)準(zhǔn)入授權(quán)頻率落地許可。同時(shí)，通過多輪融資，于2018年獲歐洲航天局“一網(wǎng)日出”計(jì)劃支持，該計(jì)劃參與國包括英國、法國、意大利、荷蘭、西班牙、瑞士和加拿大。2019年2月，在首批衛(wèi)星發(fā)射的前9天，英國率先正式宣布投資2330萬美元，隨后歐空局及其多個(gè)成員國、加拿大等都開始表示出投資意向。2019年3月18日，首批衛(wèi)星發(fā)射后近1個(gè)月內(nèi)，One Web公司獲得了軟銀領(lǐng)投的總額12.5億美元的巨額投資，其他三方分別來自墨西哥、美國、盧旺達(dá)。據(jù)媒體報(bào)道，One Web公司已完成4輪共計(jì)33億美元的融資，足夠支持其首期衛(wèi)星的制造和發(fā)射。然而就在2020年3月28日，One Web公司與其最大投資商日本軟銀公司的20億美元投資談判失敗，正式宣布破產(chǎn)。

“電信衛(wèi)星低軌”星座不同于One Web與SpaceX以消費(fèi)者寬帶為重點(diǎn)，Telesat的低軌衛(wèi)星星座業(yè)務(wù)計(jì)劃主要針對(duì)3個(gè)主要市場(chǎng)：航空、海事和固定通信（如回程蜂窩信號(hào)或銀行、礦山和其他企業(yè)客戶所需要的通信）。“電信衛(wèi)星低軌”星座采用軟件定義的有效載荷，每顆星擁有4條星間鏈路及1條ka波段地面鏈路、2個(gè)推進(jìn)器和多個(gè)相控陣?！半娦判l(wèi)星低軌”星座衛(wèi)星的運(yùn)行周期將達(dá)到至少10年，Ka頻段的總通信容量將達(dá)到8太比特/秒。

Telesat低軌衛(wèi)星星座計(jì)劃為全球商業(yè)和政府客戶提供具有變革性的光纖寬帶連接。2018年1月，“電信衛(wèi)星低軌”星座第一階段低軌衛(wèi)星成功發(fā)射，為電信衛(wèi)星公司高性能低地球軌道全球星座的開發(fā)提供在軌平臺(tái)，提供可與地面網(wǎng)絡(luò)相媲美的低延遲、高吞吐量數(shù)據(jù)服務(wù)。用戶終端能夠跟蹤低軌衛(wèi)星，在光束之間、衛(wèi)星之間進(jìn)行切換，還能在偏遠(yuǎn)地區(qū)免費(fèi)維護(hù)。2018年10月，“電信衛(wèi)星低軌”星座第一階段低軌衛(wèi)星展示了領(lǐng)先的飛機(jī)數(shù)據(jù)上傳速度，測(cè)試驗(yàn)證了第一階段低軌衛(wèi)星的天線性能，包括天線跟蹤能力、射頻性能、端到端網(wǎng)絡(luò)測(cè)試等。2019年7月，加拿大政府為“電信衛(wèi)星低軌”星座研發(fā)工作投資6470萬美元，并同意拿出多達(dá)4.57億美元來購買容量。2020年5月，Telesat高層表示，其設(shè)想的寬帶星座所需技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)足夠成熟，運(yùn)營商可以在未來幾個(gè)月內(nèi)選擇主要承包商?！半娦判l(wèi)星低軌”星座的V頻段星座衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)預(yù)計(jì)將在2021年實(shí)現(xiàn)初始部署，并將在初始部署的基礎(chǔ)上對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行評(píng)估，以確定是否進(jìn)一步擴(kuò)展系統(tǒng)。

美軍利用商業(yè)低軌通信衛(wèi)星星座新進(jìn)展

美國陸軍與SpsceX簽訂“星鏈”星座測(cè)試協(xié)議2020年5月，美國陸軍與 SpaceX簽訂了為期3年的“合作研究與開發(fā)協(xié)議”（CRADA），以測(cè)試“星鏈”低軌互聯(lián)網(wǎng)星座提供的寬帶網(wǎng)與軍事通信網(wǎng)絡(luò)連接的可行性，幫助陸軍決定是否購買“星鏈”星座服務(wù)。此類協(xié)議通常被用于在采購前評(píng)估私營企業(yè)的技術(shù)和服務(wù)。項(xiàng)目由位于馬里蘭州阿伯丁試驗(yàn)場(chǎng)的作戰(zhàn)能力發(fā)展司令部C5ISR中心監(jiān)督實(shí)施。美國陸軍將通過該協(xié)議探索以下問題：使用“星鏈”星座服務(wù)需要的地面設(shè)備、系統(tǒng)集成工作量、為士兵配置新衛(wèi)星通信終端的成本、信息傳輸是否安全可靠等。項(xiàng)目預(yù)期目標(biāo)是將其整合到美軍現(xiàn)有的軍事系統(tǒng)中。

根據(jù)美國國防部航天發(fā)展局2019年7月透露的未來軍用衛(wèi)星體系的規(guī)劃，美國下一代軍用衛(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”。美國陸軍還與歐洲衛(wèi)星全球公司（SES）簽訂了“合作研究與開發(fā)協(xié)議”，以評(píng)估使用商業(yè)衛(wèi)星通信服務(wù)的可行性。美國陸軍想要提高其衛(wèi)星連接能力，彌補(bǔ)現(xiàn)有系統(tǒng)使用地球同步衛(wèi)星高延遲和低容量的缺點(diǎn)。

Space X的獵鷹-9火箭升空?qǐng)雒?/p>

航天發(fā)展局發(fā)布空間架構(gòu)公告2020年1月，美國航天發(fā)展局發(fā)布“國防空間架構(gòu)系統(tǒng)、技術(shù)與新興能力”廣泛機(jī)構(gòu)公告（BAA），征集低軌衛(wèi)星星座的技術(shù)支持方案，將首先建設(shè)其于2019年7月提出的下一代空間架構(gòu)中的傳輸層，包括通信衛(wèi)星和偵察監(jiān)視衛(wèi)星，以監(jiān)視地面和海上的目標(biāo)和導(dǎo)彈。通信衛(wèi)星將兼容Link16戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈，偵察監(jiān)視衛(wèi)星將搭載紅外探測(cè)器、并與通信衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，兩種衛(wèi)星均將設(shè)激光鏈路。計(jì)劃2020年底前部署數(shù)十顆衛(wèi)星，2024年部署上百顆衛(wèi)星、實(shí)現(xiàn)區(qū)域覆蓋，2026年實(shí)現(xiàn)全球覆蓋。此前，航天發(fā)展局表示“星鏈”“一網(wǎng)”等多個(gè)巨型星座均在其考慮合作范圍之中。

航天發(fā)展局構(gòu)想的空間傳輸層包括約650余顆小衛(wèi)星，將極大程度上利用“黑杰克”項(xiàng)目以及商業(yè)低軌寬帶互聯(lián)網(wǎng)星座成果，開展衛(wèi)星批量研制工作，每顆衛(wèi)星將配備星間鏈路功能和備份的星地鏈路。航天發(fā)展局還計(jì)劃在傳輸層中開發(fā)“嵌入的子系統(tǒng)”，提供導(dǎo)彈預(yù)警等額外能力。建成后的空間傳輸層將為全球任意兩點(diǎn)之間提供超低延時(shí)的數(shù)據(jù)通信服務(wù)，支持美軍作戰(zhàn)管理、指揮、控制和通信能力的進(jìn)一步升級(jí)。

美國國防部推進(jìn)銥星增強(qiáng)衛(wèi)星移動(dòng)服務(wù)項(xiàng)目2019年9月，美國國防部通過美國空軍太空司令部與銥星通信公司簽署了一份價(jià)值7.385億美元、為期7年的合同，選用其近地軌道星座提供無限制的衛(wèi)星服務(wù)。該合同通過AFSPC的增強(qiáng)型移動(dòng)衛(wèi)星服務(wù)（EMSS）項(xiàng)目授予。據(jù)項(xiàng)目計(jì)劃，銥星公司將通過66顆近地軌道衛(wèi)星繼續(xù)提供全球安全和非密話音、廣播、網(wǎng)絡(luò)或分布式戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)（DTCS）的接入服務(wù)，并為不限數(shù)量的國防部和國防部批準(zhǔn)的相關(guān)用戶選擇其他服務(wù)。

根據(jù)目前的合同，EMSS計(jì)劃增加了對(duì)銥星服務(wù)的利用，同時(shí)提供的能力也隨著時(shí)間的推移從簡(jiǎn)單的電話語音和數(shù)據(jù)發(fā)展到廣播、組播和其他物聯(lián)網(wǎng)（IoT）服務(wù)。為支持EMSS項(xiàng)目，在過去20年里，銥星公司和美國國防部共同開發(fā)了一個(gè)操作環(huán)境，提供關(guān)鍵的網(wǎng)絡(luò)透明度和協(xié)作能力，使作戰(zhàn)人員的任務(wù)得以成功完成。該公司與美國空軍的聯(lián)合空間作戰(zhàn)中心(CSPOC)合作，在國防部繼續(xù)使用商業(yè)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的同時(shí)，努力提高信息共享和網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢(shì)感知能力。

美國空軍開展“商業(yè)天基互聯(lián)網(wǎng)軍用試驗(yàn)”項(xiàng)目2019年3月，空軍戰(zhàn)略發(fā)展規(guī)劃和實(shí)驗(yàn)辦公室向SpaceX授予價(jià)值2800萬美元合同，要求其在3年時(shí)間內(nèi)，利用其發(fā)展的“星鏈”（Starlink）星座開展軍事服務(wù)演示驗(yàn)證。2019年11月，美國空軍通過“利用商業(yè)天基互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行防御試驗(yàn)”（DEUCSI）項(xiàng)目，成功測(cè)試了SpaceX的“星鏈”星座的寬帶互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)能力，并對(duì)測(cè)試結(jié)果表示滿意。利用該星座傳輸數(shù)據(jù)信息，可使C-12J休倫雙引擎渦輪螺旋槳飛機(jī)上駕駛艙的下載速度達(dá)610兆比特/秒。美國空軍后續(xù)將在AC-130武裝直升機(jī)和KC-135空中加油機(jī)上安裝“星鏈”星座的用戶終端，以進(jìn)一步測(cè)試該星座的服務(wù)能力。除SpaceX公司外，美國空軍還在尋求與銥星公司、加拿大電信衛(wèi)星公司和O3B公司等的合作，也在讓L3哈里斯公司測(cè)試并修改地面設(shè)備，以兼容上述星座的服務(wù)。

One Web 公司致力于通過衛(wèi)星群為全球提供高速互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)

美國國防高級(jí)研究計(jì)劃局希望在低地球軌道上發(fā)展軍事太空能力

該項(xiàng)目關(guān)注單個(gè)星座為空軍作戰(zhàn)平臺(tái)提供軍事服務(wù)的性能，同時(shí)也重點(diǎn)關(guān)注多個(gè)星座在空軍作戰(zhàn)平臺(tái)上的兼容共用問題，并開展相應(yīng)的硬件、軟件和多接口設(shè)備的研發(fā)工作。旨在探索利用多個(gè)商業(yè)低軌通信星座，為空軍構(gòu)建全球范圍內(nèi)高彈性、高可用性、高寬帶、低延時(shí)的通信設(shè)施，支持空軍未來戰(zhàn)爭(zhēng)中各類作戰(zhàn)平臺(tái)的行動(dòng)，具備自由切換的能力。

DARPA選用Telesat低軌星座開展研究2018年11月，美國國防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）授予Telesat一份合同，研究商用總線在“黑杰克”低地球軌道試驗(yàn)星座計(jì)劃中的使用情況。合同內(nèi)容包括評(píng)估“黑杰克”衛(wèi)星與Telesat星座連接的星間鏈路的使用情況。研究美國國防部使用Telesat低軌航天器總線的優(yōu)勢(shì)，以及如何讓未來美國國防部航天器通過激光通信與Telesat的低軌衛(wèi)星星座連接。這些研究結(jié)果將可能使美國國防部更多地將商用低軌衛(wèi)星星座用于美國國防部未來天基通信。

“黑杰克”是DARPA的一項(xiàng)低地球軌道小衛(wèi)星星座演示項(xiàng)目，計(jì)劃部署20顆衛(wèi)星，每顆衛(wèi)星搭載一顆或多顆有效載荷。它能提供全球持久、低延遲通信，并能實(shí)現(xiàn)快速技術(shù)更新。DARPA的目標(biāo)是找到比傳統(tǒng)軍事衛(wèi)星成本更低的替代品，這將通過低成本利用商業(yè)空間技術(shù)，包括商品化航天器總線、地面基礎(chǔ)設(shè)施和用戶段實(shí)現(xiàn)。Telesat的低軌衛(wèi)星星座將提供滿足國防部通信需求的規(guī)模經(jīng)濟(jì)，以及與最先進(jìn)的地面網(wǎng)絡(luò)相當(dāng)或更好的容量、速度、安全性和彈性。Telesat低軌衛(wèi)星星座將服務(wù)于全球，并能滿足世界上許多最具挑戰(zhàn)性的通信需求，包括提供能夠支持未來國防行動(dòng)的高魯棒性和高安全性寬帶基礎(chǔ)設(shè)施。

商業(yè)低軌衛(wèi)星的軍事應(yīng)用

提供高質(zhì)量通信服務(wù)一般在戰(zhàn)爭(zhēng)狀態(tài)下地面通信基礎(chǔ)設(shè)施可能被戰(zhàn)爭(zhēng)摧毀，低軌衛(wèi)星星座具有通信帶寬大、效率高、速度快、延時(shí)短的特點(diǎn)，可為無人機(jī)、飛機(jī)、直升機(jī)等移動(dòng)裝備提供高質(zhì)量的通信服務(wù)，使其擺脫陸基通信系統(tǒng)的限制，不再受山地、海洋、極地等地形及不良天候的影響，復(fù)雜電磁環(huán)境下的抗干擾、反劫持能力也將得到大大提高。因此更適宜采用低軌星座通信的方式來確保其通信性能的穩(wěn)定性。低軌星座的超低延時(shí)更可以保證監(jiān)測(cè)圖像更快回傳，更快完成目標(biāo)搜尋，保證任務(wù)順利完成。

強(qiáng)化偵察監(jiān)視能力低軌商業(yè)互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星可搭載多種載荷，結(jié)合重仿率高的優(yōu)勢(shì)，對(duì)全球主要地區(qū)實(shí)現(xiàn)24小時(shí)不間斷遙感監(jiān)測(cè)分析。美軍依托其偵察監(jiān)視技術(shù)上的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，構(gòu)建了全維全天候全時(shí)的立體偵察監(jiān)視體系，戰(zhàn)場(chǎng)對(duì)其具有單向透明性。2019年11月，美國國防部先進(jìn)技術(shù)研究局宣布將打造“莊家”系統(tǒng)，利用低軌道衛(wèi)星對(duì)全球范圍進(jìn)行監(jiān)控。商業(yè)低軌衛(wèi)星極有可能成為“莊家”系統(tǒng)的重要搭載平臺(tái)。利用商業(yè)低軌衛(wèi)星搭載偵察監(jiān)視載荷，將進(jìn)一步強(qiáng)化美軍的偵察監(jiān)視技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

提升導(dǎo)航定位能力商業(yè)低軌衛(wèi)星星座的應(yīng)用，將進(jìn)一步提升軍用導(dǎo)航定位系統(tǒng)的精度和抗干擾能力。導(dǎo)航定位能力的提升，將強(qiáng)化多域聯(lián)合作戰(zhàn)優(yōu)勢(shì)?！岸嘤驊?zhàn)”的前提是通過強(qiáng)大的導(dǎo)航定位與信息通聯(lián)能力，將坦克、步戰(zhàn)車、自行火炮、直升機(jī)等裝備聯(lián)成一體，實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，將使軍事作戰(zhàn)中的“全域機(jī)動(dòng)”與“跨域協(xié)同”能力得到提升，多域作戰(zhàn)能力優(yōu)勢(shì)得到強(qiáng)化。

結(jié) 語

低軌衛(wèi)星星座是天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座的發(fā)展將促進(jìn)天地一體信息網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)通，推動(dòng)信息基礎(chǔ)設(shè)施的新變革。低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座可為軍方用戶提供更加多樣的衛(wèi)星通信服務(wù)，提升軍事衛(wèi)星通信性能彈性，滿足未來軍事領(lǐng)域信息化作戰(zhàn)的需求。