商业低轨通信卫星星座的发展态势及军事应用分析

2020-08-15彭振忠

军事文摘 2020年15期

刘秀彭振忠刘达

随着商业低轨卫星星座井喷式发展，在可以预见的将来，巨型卫星星座将为大众带来更加廉价、方便、快捷、稳定的宽带服务。以太空探索公司（SpaceX）、一网公司（OneWeb）、电信卫星公司（Telesat）为代表的典型商业航天企业陆续公布了各自的中低轨卫星星座计划，并快速推进星座部署进程。全球低轨卫星星座具有可批量研制、快速部署、大容量、低延时、全球覆盖等特点，使得其在军事应用中的占比日益提高。美军在通信卫星体系的建设中，越来越重视低轨卫星星座的建设和利用，以满足信息化作战需求。低轨卫星星座的发展促使全球卫星通信产业进入一个全新时期，将对军事作战领域带来深远影响。

未来的军事作战将以前所未有的速度在多域间展开，这对域内/域间信息共享与互联、能力协同提出了新的要求，以多域战、马赛克战、分布式作战等新型作战概念为核心的作战理念在美军各军种逐步走向深入。在这种作战场景想定下，美军认为，建立和保持优势需要能够在所有域内、域间实现高效信息分发，并以对手无法匹敌的速度做出具体决策。

为满足未来作战需求，并应对未来商业中低轨卫星星座的快速发展，美国国防部开展对商用太空互联网资源的利用研究，加速推进商业低轨卫星资源在军事领域的融合和应用。

典型商业低轨互联网卫星发展现状

“星链”星座SpaceX在2015年公布“星链”星座计划，致力于为个人用户提供低时延的低地球轨道卫星宽带互联网服务。建设思路是先实现美国本土全境覆盖，后完成全球覆盖，分三个阶段进行建设。第一阶段，用部署于550千米，倾角53°的24个轨道面上的1584颗Ka/Ku频段卫星完成初步覆盖，每个轨道面66颗卫星，星座容量30太比特/秒、延时15毫秒，预计部署400颗卫星后开始出售初期服务，2020年—2021年部署完800颗后可满足美国、加拿大和波多黎各等国天基互联网需求。第二阶段，由部署于1110千米、1130千米、1275千米和1325千米的4种不同轨道高度的2825颗Ka/Ku频段卫星完成全球组网，轨道面个数分别为32个、8个、5个和6个，各轨道面分别部署50～75颗卫星，预计2024年完成部署。第三阶段，由部署在335～345千米轨道高度的7518颗V频段卫星组成轨道更低的低轨星座，增加星座容量。2019年底，SpaceX对“星链”星座计划进行调整，拟在12000颗卫星的基础上，再增加30000颗卫星，一旦预期按计划推行，将形成由4.2万颗卫星组成的庞大系统。

2019年5月，太空探索公司利用猎鹰-9火箭发射60颗“星链”低轨互联网通信卫星，与2018年2月发射的2颗试验卫星配合，进一步测试星载天线和推进系统。截至2020年6月，包括试验卫星在内，SpaceX已发射8批次“星链”卫星，共发射卫星482颗，并计划在2020年内每个月执行两次发射任务，推进十分迅猛。按照马斯克的计划—希望仅2020年就能以每两周60颗的速度，发射1400颗卫星。

“一网”星座美国联邦通信委员会批准的“一网”星座初期计划于2017年在美国落地。在卫星设计方面，用户侧采用有别于传统圆形点波束的多个条带状波束，形成长方形对地覆盖，馈线天线使用双反射面伺服机构，采用卫星姿态俯仰机动方式实现与GEO频率兼容。2019年2月，一网公司的首批6颗试验卫星（质量147.7千克，设计寿命7年，造价不超过100万美元）搭乘联盟火箭进入预定轨道，开启了超大规模低轨卫星互联网星座的部署任务。经过4个多月的在轨测试与轨道爬升，6颗卫星均达到预定位置。在7月份的测试中，地面终端连接速度达到450兆比特/秒，时延小于30毫秒。2020年2月6日、3月21日，一网公司分2批次将68颗卫星送入450千米的轨道，使得在轨卫星数量达到74颗，标志着正式进入系统大规模部署阶段。

SpaceX“星链”卫星群成功进入太空

One Web公司积极开展与世界各主要国家的落地权谈判，截至2020年1月，One Web公司获得美、英、澳、加等19个国家的初步落地权意向或市场准入授权频率落地许可。同时，通过多轮融资，于2018年获欧洲航天局“一网日出”计划支持，该计划参与国包括英国、法国、意大利、荷兰、西班牙、瑞士和加拿大。2019年2月，在首批卫星发射的前9天，英国率先正式宣布投资2330万美元，随后欧空局及其多个成员国、加拿大等都开始表示出投资意向。2019年3月18日，首批卫星发射后近1个月内，One Web公司获得了软银领投的总额12.5亿美元的巨额投资，其他三方分别来自墨西哥、美国、卢旺达。据媒体报道，One Web公司已完成4轮共计33亿美元的融资，足够支持其首期卫星的制造和发射。然而就在2020年3月28日，One Web公司与其最大投资商日本软银公司的20亿美元投资谈判失败，正式宣布破产。

“电信卫星低轨”星座不同于One Web与SpaceX以消费者宽带为重点，Telesat的低轨卫星星座业务计划主要针对3个主要市场：航空、海事和固定通信（如回程蜂窝信号或银行、矿山和其他企业客户所需要的通信）。“电信卫星低轨”星座采用软件定义的有效载荷，每颗星拥有4条星间链路及1条ka波段地面链路、2个推进器和多个相控阵。“电信卫星低轨”星座卫星的运行周期将达到至少10年，Ka频段的总通信容量将达到8太比特/秒。

Telesat低轨卫星星座计划为全球商业和政府客户提供具有变革性的光纤宽带连接。2018年1月，“电信卫星低轨”星座第一阶段低轨卫星成功发射，为电信卫星公司高性能低地球轨道全球星座的开发提供在轨平台，提供可与地面网络相媲美的低延迟、高吞吐量数据服务。用户终端能够跟踪低轨卫星，在光束之间、卫星之间进行切换，还能在偏远地区免费维护。2018年10月，“电信卫星低轨”星座第一阶段低轨卫星展示了领先的飞机数据上传速度，测试验证了第一阶段低轨卫星的天线性能，包括天线跟踪能力、射频性能、端到端网络测试等。2019年7月，加拿大政府为“电信卫星低轨”星座研发工作投资6470万美元，并同意拿出多达4.57亿美元来购买容量。2020年5月，Telesat高层表示，其设想的宽带星座所需技术现在已经足够成熟，运营商可以在未来几个月内选择主要承包商。“电信卫星低轨”星座的V频段星座卫星网络预计将在2021年实现初始部署，并将在初始部署的基础上对系统性能进行评估，以确定是否进一步扩展系统。

美军利用商业低轨通信卫星星座新进展

美国陆军与SpsceX签订“星链”星座测试协议2020年5月，美国陆军与 SpaceX签订了为期3年的“合作研究与开发协议”（CRADA），以测试“星链”低轨互联网星座提供的宽带网与军事通信网络连接的可行性，帮助陆军决定是否购买“星链”星座服务。此类协议通常被用于在采购前评估私营企业的技术和服务。项目由位于马里兰州阿伯丁试验场的作战能力发展司令部C5ISR中心监督实施。美国陆军将通过该协议探索以下问题：使用“星链”星座服务需要的地面设备、系统集成工作量、为士兵配置新卫星通信终端的成本、信息传输是否安全可靠等。项目预期目标是将其整合到美军现有的军事系统中。

根据美国国防部航天发展局2019年7月透露的未来军用卫星体系的规划，美国下一代军用卫星将更多地利用廉价的小卫星星座，以代替现有的大型高价值卫星，增加天基系统的“弹性”。美国陆军还与欧洲卫星全球公司（SES）签订了“合作研究与开发协议”，以评估使用商业卫星通信服务的可行性。美国陆军想要提高其卫星连接能力，弥补现有系统使用地球同步卫星高延迟和低容量的缺点。

Space X的猎鹰-9火箭升空场面

航天发展局发布空间架构公告2020年1月，美国航天发展局发布“国防空间架构系统、技术与新兴能力”广泛机构公告（BAA），征集低轨卫星星座的技术支持方案，将首先建设其于2019年7月提出的下一代空间架构中的传输层，包括通信卫星和侦察监视卫星，以监视地面和海上的目标和导弹。通信卫星将兼容Link16战术数据链，侦察监视卫星将搭载红外探测器、并与通信卫星实现数据共享，两种卫星均将设激光链路。计划2020年底前部署数十颗卫星，2024年部署上百颗卫星、实现区域覆盖，2026年实现全球覆盖。此前，航天发展局表示“星链”“一网”等多个巨型星座均在其考虑合作范围之中。

航天发展局构想的空间传输层包括约650余颗小卫星，将极大程度上利用“黑杰克”项目以及商业低轨宽带互联网星座成果，开展卫星批量研制工作，每颗卫星将配备星间链路功能和备份的星地链路。航天发展局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。建成后的空间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，支持美军作战管理、指挥、控制和通信能力的进一步升级。

美国国防部推进铱星增强卫星移动服务项目2019年9月，美国国防部通过美国空军太空司令部与铱星通信公司签署了一份价值7.385亿美元、为期7年的合同，选用其近地轨道星座提供无限制的卫星服务。该合同通过AFSPC的增强型移动卫星服务（EMSS）项目授予。据项目计划，铱星公司将通过66颗近地轨道卫星继续提供全球安全和非密话音、广播、网络或分布式战术通信系统（DTCS）的接入服务，并为不限数量的国防部和国防部批准的相关用户选择其他服务。

根据目前的合同，EMSS计划增加了对铱星服务的利用，同时提供的能力也随着时间的推移从简单的电话语音和数据发展到广播、组播和其他物联网（IoT）服务。为支持EMSS项目，在过去20年里，铱星公司和美国国防部共同开发了一个操作环境，提供关键的网络透明度和协作能力，使作战人员的任务得以成功完成。该公司与美国空军的联合空间作战中心(CSPOC)合作，在国防部继续使用商业卫星网络的同时，努力提高信息共享和网络态势感知能力。

美国空军开展“商业天基互联网军用试验”项目2019年3月，空军战略发展规划和实验办公室向SpaceX授予价值2800万美元合同，要求其在3年时间内，利用其发展的“星链”（Starlink）星座开展军事服务演示验证。2019年11月，美国空军通过“利用商业天基互联网进行防御试验”（DEUCSI）项目，成功测试了SpaceX的“星链”星座的宽带互联网服务能力，并对测试结果表示满意。利用该星座传输数据信息，可使C-12J休伦双引擎涡轮螺旋桨飞机上驾驶舱的下载速度达610兆比特/秒。美国空军后续将在AC-130武装直升机和KC-135空中加油机上安装“星链”星座的用户终端，以进一步测试该星座的服务能力。除SpaceX公司外，美国空军还在寻求与铱星公司、加拿大电信卫星公司和O3B公司等的合作，也在让L3哈里斯公司测试并修改地面设备，以兼容上述星座的服务。

One Web 公司致力于通过卫星群为全球提供高速互联网接入服务

美国国防高级研究计划局希望在低地球轨道上发展军事太空能力

该项目关注单个星座为空军作战平台提供军事服务的性能，同时也重点关注多个星座在空军作战平台上的兼容共用问题，并开展相应的硬件、软件和多接口设备的研发工作。旨在探索利用多个商业低轨通信星座，为空军构建全球范围内高弹性、高可用性、高宽带、低延时的通信设施，支持空军未来战争中各类作战平台的行动，具备自由切换的能力。

DARPA选用Telesat低轨星座开展研究2018年11月，美国国防高级研究计划局（DARPA）授予Telesat一份合同，研究商用总线在“黑杰克”低地球轨道试验星座计划中的使用情况。合同内容包括评估“黑杰克”卫星与Telesat星座连接的星间链路的使用情况。研究美国国防部使用Telesat低轨航天器总线的优势，以及如何让未来美国国防部航天器通过激光通信与Telesat的低轨卫星星座连接。这些研究结果将可能使美国国防部更多地将商用低轨卫星星座用于美国国防部未来天基通信。

“黑杰克”是DARPA的一项低地球轨道小卫星星座演示项目，计划部署20颗卫星，每颗卫星搭载一颗或多颗有效载荷。它能提供全球持久、低延迟通信，并能实现快速技术更新。DARPA的目标是找到比传统军事卫星成本更低的替代品，这将通过低成本利用商业空间技术，包括商品化航天器总线、地面基础设施和用户段实现。Telesat的低轨卫星星座将提供满足国防部通信需求的规模经济，以及与最先进的地面网络相当或更好的容量、速度、安全性和弹性。Telesat低轨卫星星座将服务于全球，并能满足世界上许多最具挑战性的通信需求，包括提供能够支持未来国防行动的高鲁棒性和高安全性宽带基础设施。

商业低轨卫星的军事应用

提供高质量通信服务一般在战争状态下地面通信基础设施可能被战争摧毁，低轨卫星星座具有通信带宽大、效率高、速度快、延时短的特点，可为无人机、飞机、直升机等移动装备提供高质量的通信服务，使其摆脱陆基通信系统的限制，不再受山地、海洋、极地等地形及不良天候的影响，复杂电磁环境下的抗干扰、反劫持能力也将得到大大提高。因此更适宜采用低轨星座通信的方式来确保其通信性能的稳定性。低轨星座的超低延时更可以保证监测图像更快回传，更快完成目标搜寻，保证任务顺利完成。

强化侦察监视能力低轨商业互联网卫星可搭载多种载荷，结合重仿率高的优势，对全球主要地区实现24小时不间断遥感监测分析。美军依托其侦察监视技术上的绝对优势，构建了全维全天候全时的立体侦察监视体系，战场对其具有单向透明性。2019年11月，美国国防部先进技术研究局宣布将打造“庄家”系统，利用低轨道卫星对全球范围进行监控。商业低轨卫星极有可能成为“庄家”系统的重要搭载平台。利用商业低轨卫星搭载侦察监视载荷，将进一步强化美军的侦察监视技术优势。

提升导航定位能力商业低轨卫星星座的应用，将进一步提升军用导航定位系统的精度和抗干扰能力。导航定位能力的提升，将强化多域联合作战优势。“多域战”的前提是通过强大的导航定位与信息通联能力，将坦克、步战车、自行火炮、直升机等装备联成一体，实现互联互通，将使军事作战中的“全域机动”与“跨域协同”能力得到提升，多域作战能力优势得到强化。