SpaceX“星盾”系統(tǒng)建設(shè)及應(yīng)用淺析

郭凱，崔瀟瀟，鐘江山，苑方磊，曲艷華

（1.北京跟蹤與通信技術(shù)研究所，北京 100094； 2.航天系統(tǒng)部裝備部，北京 100094）

0 引言

為滿足美國(guó)國(guó)防和情報(bào)機(jī)構(gòu)日益增長(zhǎng)的需求，美國(guó)太空探索技術(shù)公司（SpaceX）于2022年12月2日發(fā)布了“星盾（Starshield）”計(jì)劃，該計(jì)劃平行于“星鏈（Starlink）”項(xiàng)目，旨在為美提供全球部署的衛(wèi)星遙感、加密通信、其他軍用平臺(tái)模塊化托管能力?！靶嵌堋蔽磥砜蓪?shí)現(xiàn)與“星鏈”組網(wǎng)，通過“星鏈”太空鏈路快速傳輸各類軍用偵察和指揮控制數(shù)據(jù)。其他軍用衛(wèi)星平臺(tái)搭載“星鏈”通信模塊后，也可無縫連接至“星鏈”和“星盾”中，構(gòu)成互聯(lián)、互通和互操作的“網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)”。該項(xiàng)目標(biāo)志著“星鏈”計(jì)劃向軍事化發(fā)展邁出關(guān)鍵一步，將從根本上提升美軍通信偵察、空間態(tài)勢(shì)感知及天基攻防能力，且將對(duì)未來戰(zhàn)爭(zhēng)形態(tài)和裝備發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

1 “星盾”計(jì)劃情況簡(jiǎn)述

1.1 “星盾”計(jì)劃概況

“星盾”計(jì)劃的提出意味著SpaceX公司直接以軍用級(jí)別的“星盾”業(yè)務(wù)成為美國(guó)國(guó)防承包商。從衛(wèi)星角度來講，“星盾”與“星鏈”使用的衛(wèi)星一脈相承。不過，“星盾”計(jì)劃使用的2代“星鏈”尺寸更大，噸位也在1噸以上，用以搭載尺寸更大、質(zhì)量更重的軍用級(jí)別載荷。從通信服務(wù)能力來講，抗干擾能力極強(qiáng)的“星盾”與“星鏈”無本質(zhì)區(qū)別，僅在傳輸帶寬上進(jìn)行了增容。

“星盾”的用途是軍事偵察，作為一種低軌衛(wèi)星系統(tǒng)，該系統(tǒng)與軍用衛(wèi)星相比，觀測(cè)范圍并不大，優(yōu)勢(shì)在于數(shù)量多、覆蓋觀測(cè)范圍廣。同時(shí)，相較性能單一的軍用衛(wèi)星，“星盾”的模塊化設(shè)計(jì)可根據(jù)不同軍事用途搭載相應(yīng)偵察模塊隨調(diào)隨用。

“星盾”衛(wèi)星系統(tǒng)不僅有基本的紅外成像能力，還具有電磁信號(hào)偵測(cè)模塊、天基相控陣?yán)走_(dá)、海洋監(jiān)測(cè)模塊、導(dǎo)彈預(yù)警模塊甚至天基武器系統(tǒng)等設(shè)置。

綜上，為滿足高性能的數(shù)據(jù)傳輸需要，“星盾”衛(wèi)星系統(tǒng)完全采用激光衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)傳遞更為高效、安全。

1.2 衛(wèi)星特點(diǎn)

最新授權(quán)的2代“星鏈”，SpaceX將以更快的速度提供給更多的用戶。這項(xiàng)新的授權(quán)使SpaceX能夠發(fā)射更多的、更大改進(jìn)型的火箭，以及比1代“星鏈”更高吞吐量的航天器。這意味著，2代“星鏈”能夠提供更多帶寬和更高可靠性。根據(jù)SpaceX公司官網(wǎng)公布的信息，可分析出“星盾”以下特點(diǎn)：

1）雙太陽翼。相較于“星鏈”衛(wèi)星，其雙太陽翼尤為注目。它們通過一個(gè)轉(zhuǎn)接器集成，使“星盾”衛(wèi)星繼承了“星鏈”單太陽翼鴨式飛行的能力；SpaceX的“鴨式”機(jī)動(dòng)與最壞情況下的方向相比，將潛在碰撞方向的面積最小化，碰撞概率將降低4～10倍。

2）高能源供給。“星盾”衛(wèi)星通過雙太陽翼配置極大提升了供電能力，從而可使該衛(wèi)星有能力承載更多或功耗更大的載荷。

3）自動(dòng)防撞組件。保留了與“星鏈”衛(wèi)星一樣的自動(dòng)避撞組件（如圖1所示）。

可以預(yù)見，“星鏈”的黑漆圖層、星間激光通信鏈路天線、對(duì)地天線等將全部進(jìn)行繼承。然而，由于加密技術(shù)的全面升級(jí)，應(yīng)用“星盾”需要采用全新的“星盾”地面終端。

“星盾”衛(wèi)星提供了模塊化集成載荷的能力，這包括SpaceX自有載荷模塊，及用戶方載荷的集成。根據(jù)“星盾”初期提供的服務(wù)類型，SpaceX自有載荷將可能包括：可見光、射頻、合成孔徑雷達(dá)等多種遙感載荷模塊，通信模塊的功能與“星鏈”一致，但在加密安全上將提高一個(gè)量級(jí)。

值得注意的是，前面所述的“星盾”就是2代“星鏈”星座，但這并不意味著“星盾”衛(wèi)星就是2代“星鏈”衛(wèi)星。當(dāng)然，也不排除SpaceX通過模塊化設(shè)計(jì)方式，將2代“星鏈”衛(wèi)星的載荷設(shè)計(jì)為通用模塊，從而可以直接集成到“星盾”衛(wèi)星上（2代“星鏈”衛(wèi)星在軌效果圖如圖2所示）。

圖2 2代“星鏈”衛(wèi)星在軌效果圖

1.3 星座特點(diǎn)

“星盾”星座的推出，進(jìn)一步顯示出美國(guó)在低軌衛(wèi)星能力建設(shè)方面的能力，同時(shí)也展現(xiàn)出SpaceX等商業(yè)公司在美國(guó)防安全等領(lǐng)域發(fā)揮的巨大作用。“星盾”基于2代“星鏈”衛(wèi)星，聚焦安全通信、載荷托管及地球觀測(cè)3大模塊，將實(shí)現(xiàn)更先進(jìn)的功能，并整合到國(guó)防部的混合體系架構(gòu)中?？偟膩碚f，“星盾”系統(tǒng)，既可強(qiáng)化美軍的態(tài)勢(shì)感知能力，又可為美軍方提供專用加密網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，成為美軍戰(zhàn)力倍增器。具體來說，具有以下特點(diǎn)：

1）安全性和抗干擾能力?！靶擎湣毙亲商峁┩晟频摹岸说蕉恕庇脩魯?shù)據(jù)加密能力，而“星盾”將使用保障性更高的加密功能，可托管加密載荷并安全處理數(shù)據(jù)，從而滿足政府最苛刻的要求。

2）模塊化設(shè)計(jì)?！靶嵌堋毙l(wèi)星旨在滿足不同的任務(wù)要求，能夠集成各種有效載荷，為用戶提供多種功能選擇。

3）互操作性?！靶擎湣毙l(wèi)星的星間激光通信終端是當(dāng)今軌道上最大規(guī)模運(yùn)行的通信激光器，可集成到合作衛(wèi)星上，從而并入“星盾”網(wǎng)絡(luò)。

4）快速開發(fā)和部署。憑借SpaceX公司的快速迭代能力，在開發(fā)“端到端”系統(tǒng)（運(yùn)載火箭—用戶終端）方面采用了獨(dú)特的一體化方法，能使“星盾”以最快的速度進(jìn)行規(guī)?；渴?。

5）彈性和擴(kuò)展能力。一方面，“星盾”衛(wèi)星的分布式低軌架構(gòu)提供了固有的彈性，可保證在軌資產(chǎn)的連續(xù)性；另一方面，SpaceX公司已驗(yàn)證的快速發(fā)射能力也為進(jìn)入太空提供了更加便捷和經(jīng)濟(jì)的途徑。

6）已驗(yàn)證的合作伙伴關(guān)系。SpaceX與國(guó)防部和其他合作伙伴正在進(jìn)行的工作表明，其有能力大規(guī)模提供太空和地面能力。

2 應(yīng)用領(lǐng)域

“星盾”計(jì)劃僅為美國(guó)政府提供服務(wù)。該計(jì)劃雖以維護(hù)美國(guó)國(guó)家安全為重點(diǎn)，但仍基于“星鏈”的技術(shù)和生產(chǎn)線，并與“星鏈”通信兼容?！靶嵌堋庇?jì)劃利用“星鏈”衛(wèi)星星座，為美國(guó)情報(bào)機(jī)構(gòu)、國(guó)防部等部門提供數(shù)據(jù)加密傳輸、戰(zhàn)場(chǎng)信息感知等多項(xiàng)服務(wù)，特別是為美軍一直欠缺的戰(zhàn)場(chǎng)高通量信息傳輸、戰(zhàn)場(chǎng)衛(wèi)星遙感信息獲取等方面提供支持，有效增強(qiáng)美軍偵察遙感、通信中繼、導(dǎo)航定位、精確打擊等作戰(zhàn)能力。目前來看，“星盾”計(jì)劃在地球觀測(cè)、安全通信和有效載荷托管等重點(diǎn)領(lǐng)域具有一定優(yōu)勢(shì)。

2.1 地球觀測(cè)：通過發(fā)射帶有遙感設(shè)備的有效載荷將處理后的數(shù)據(jù)直接提供給用戶

“星盾”具備實(shí)時(shí)觀測(cè)地理空間能力。由于“星鏈”衛(wèi)星星座數(shù)量龐大且呈分布式部署，再配合升級(jí)后的“星盾”衛(wèi)星上搭載先進(jìn)的傳感器，利用軌道低、重訪周期短且星間互連互通等特點(diǎn)，幫美軍實(shí)現(xiàn)近乎全天候不間斷的偵察和監(jiān)視，利用大數(shù)據(jù)分析來辨別目標(biāo)，識(shí)別大中型武器系統(tǒng)，進(jìn)一步強(qiáng)化美軍“非對(duì)稱”偵察監(jiān)視技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

2.2 安全通信：“端到端”的“星盾”系統(tǒng)可為政府提供可靠的全球通信

相較GPS導(dǎo)航系統(tǒng)，“星鏈”衛(wèi)星軌道高度低、信號(hào)更強(qiáng)，同時(shí)具備成熟的星載激光通信鏈路，可有效推動(dòng)軍事通信網(wǎng)絡(luò)與商業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)間的無縫切換，抵御網(wǎng)絡(luò)襲擊和電磁襲擊?！靶擎湣毕到y(tǒng)是軍民混用的，最終或?qū)⑹艿健靶擎湣蓖ㄐ咆?fù)荷的影響。美軍未來通過“星盾”系統(tǒng)，可在專用網(wǎng)絡(luò)中獨(dú)享專用帶寬、加密設(shè)備、保密線路等軍用屬性的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，并在必要時(shí)可占用民用線路擴(kuò)展其帶寬與應(yīng)對(duì)災(zāi)難性備份等。未來若以“星盾”方式進(jìn)行部署，美軍應(yīng)用范圍將會(huì)擴(kuò)展至本土及其他駐外美軍基地甚至在海上和空中部署。

2.3 有效載荷托管：通過打造強(qiáng)大的衛(wèi)星總線，支持客戶訂制的有效載荷任務(wù)

“星盾”衛(wèi)星可承擔(dān)自殺式攻擊太空航天器任務(wù)，還可利用在軌機(jī)動(dòng)性，通過加裝武器化應(yīng)用，輔助陸基導(dǎo)彈防御系統(tǒng)定位、攔截來襲的洲際彈道導(dǎo)彈等目標(biāo)?！靶嵌堋蹦M圖如圖3所示。該系統(tǒng)通過提供通用化低軌衛(wèi)星平臺(tái)，采取通用化的電源和數(shù)據(jù)加密手段，依托SpaceX公司的衛(wèi)星生產(chǎn)和部署能力，模塊化載荷的形式則向美開放，衛(wèi)星可在制造后直接安裝發(fā)射。

圖3 “星盾”模擬圖

3 軍事潛力及現(xiàn)實(shí)威脅分析

誰控制了地球軌道，誰就控制了近地空間；誰控制了近地空間，誰就控制了地球。“星盾”計(jì)劃的提出，加速了低軌衛(wèi)星軍事化轉(zhuǎn)型發(fā)展，凸顯出美國(guó)急于搶占外空軌道資源，及顛覆現(xiàn)有作戰(zhàn)體系的思路。

3.1 “通導(dǎo)遙一體化”大力縮短殺傷鏈條贏取戰(zhàn)場(chǎng)先機(jī)

作戰(zhàn)中，觀察、判斷、決策及行動(dòng)（OODA）作為殺傷鏈的循環(huán)周期，費(fèi)時(shí)越短，就越容易搶占戰(zhàn)場(chǎng)先機(jī)，取得作戰(zhàn)勝利。當(dāng)前在軌衛(wèi)星系統(tǒng)在通、導(dǎo)、遙3方面功能基本為獨(dú)立運(yùn)行，尚未形成整體，信息獲取、傳輸、利用率仍處于較低水平。但當(dāng)前“星盾”已實(shí)現(xiàn)“通遙一體化”，不排除入軌測(cè)試后具備導(dǎo)航功能，成為首個(gè)“通導(dǎo)遙一體化”系統(tǒng)?！靶嵌堋北旧砜蓪?shí)現(xiàn)在軌實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理，且具備星地低時(shí)延、大容量信息傳輸功能。此外，“星鏈”作為目前唯一在軌運(yùn)行的星間激光通信系統(tǒng)，同樣具備星間激光通信功能的星盾，可利用已有的星間激光通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)全天候的數(shù)據(jù)獲取與傳輸。

綜上，“星盾”依托于自身平臺(tái)功能高度集成化和“星鏈”的龐大星間激光通信網(wǎng)絡(luò)，將縮短“發(fā)現(xiàn)—鎖定—跟蹤—瞄準(zhǔn)—交戰(zhàn)—評(píng)估”閉環(huán)時(shí)間，使OODA“環(huán)”變?yōu)椤包c(diǎn)”，壓縮作戰(zhàn)各環(huán)節(jié)執(zhí)行時(shí)間，以快打慢，致力于實(shí)現(xiàn)《美國(guó)國(guó)防戰(zhàn)略》中強(qiáng)調(diào)的“戰(zhàn)略上可以預(yù)判，戰(zhàn)術(shù)上難以捉摸”。

3.2 “寄宿載荷”成功實(shí)踐以民掩軍且顯著降低成本

“寄宿載荷”作為美國(guó)軍民融合中“以民掩軍”的典型措施，其本身目的是在保證隱蔽性和經(jīng)濟(jì)性的前提下發(fā)展軍事航天力量?！靶嵌堋北囟〞?huì)使用SpaceX公司運(yùn)載火箭發(fā)射入軌。根據(jù)官方公開的“星盾”衛(wèi)星外形，“星盾”依舊采用可折疊太陽能帆板和平板式設(shè)計(jì)，為實(shí)現(xiàn)單次大規(guī)模部署，或?qū)⒗^承“星鏈”衛(wèi)星的堆疊連接與分離技術(shù)。

“星盾”單星質(zhì)量約為1.25～1.35 t，SpaceX原計(jì)劃使用“星艦（StarShip）”部署“星鏈”V2.0，“星艦”在復(fù)用情況下運(yùn)載能力約為100～150 t（LEO），非復(fù)用情況下運(yùn)載能力約為250～300 t（LEO），因此“星艦”單次至少可部署 74顆“星盾”衛(wèi)星。受模塊化設(shè)計(jì)和堆疊連接技術(shù)影響，“星盾”衛(wèi)星間外觀應(yīng)無明顯差異。當(dāng)美軍在同一批“星盾”衛(wèi)星中其中一顆或數(shù)顆“星盾”衛(wèi)星中搭載軍用載荷時(shí)，他國(guó)難以研定某顆“星盾”是否搭載軍用載荷及其載荷功能類型。

此外，基于“星鏈”的規(guī)?；?、批量化降低了研發(fā)成本，單顆“星鏈”衛(wèi)星從制造到發(fā)射入軌成本約為50萬美元/顆，繼承大量“星鏈”成熟技術(shù)的“星盾”研發(fā)制造成本也必然大幅降低。

3.3 “去中心化”特性顯著增強(qiáng)體系彈性并提升生存能力

近年來，美軍極力倡導(dǎo)建立分散式、擴(kuò)散式、多樣式的彈性太空體系，以確保太空力量的生存能力。未來或?qū)⒂? 500顆“星盾”衛(wèi)星部署在525 km、530 km、535 km3個(gè)軌道殼上，巨量衛(wèi)星部署可實(shí)現(xiàn)星座功能的“去中心化”。此外，低成本載荷可將單星功能分散至多顆“星盾”上，即使某個(gè)或部分節(jié)點(diǎn)遭受攻擊，整個(gè)星座功能不會(huì)被毀，且其應(yīng)急發(fā)射、快速補(bǔ)網(wǎng)可使星座具備極強(qiáng)抗毀傷能力。

此外，目前SpaceX已經(jīng)實(shí)現(xiàn)36小時(shí)內(nèi)發(fā)射3枚“獵鷹”-9火箭，再次打破同型運(yùn)載火箭高密度發(fā)射的時(shí)間間隔紀(jì)錄，火箭密集發(fā)射的能力不斷增強(qiáng)，進(jìn)一步保證了太空體系的彈性生存能力。

4 結(jié)束語

從最初“星鏈”系統(tǒng)聚焦通信的功能“專”，到現(xiàn)在依托平臺(tái)拓展的用途“廣”，SpaceX公司著眼長(zhǎng)遠(yuǎn)、科學(xué)布局的技術(shù)發(fā)展路線具有很強(qiáng)的導(dǎo)向性。今后，在相關(guān)研究領(lǐng)域中既要重視頂層設(shè)計(jì)，也要重視垂直領(lǐng)域；既要看“專精特新”，也要統(tǒng)籌平臺(tái)建設(shè)；既要立足當(dāng)前，也要著眼未來，才能走出一條具有自身特色的發(fā)展之路。此外，相對(duì)于高、中軌道的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)發(fā)展，新興的低軌通信衛(wèi)星已經(jīng)成為各個(gè)國(guó)家、不同陣營(yíng)進(jìn)行太空競(jìng)爭(zhēng)的主要賽道。未來在近地軌道的資源競(jìng)爭(zhēng)將更加激烈。盡快開發(fā)和利用低軌星座系統(tǒng)，搶占有限的低軌衛(wèi)星空間資源，搶占頻譜主動(dòng)權(quán)，這對(duì)于構(gòu)建“透明”戰(zhàn)場(chǎng)、打贏未來戰(zhàn)爭(zhēng)具有十分重要的意義。