美国军用低轨星座发展计划及关键技术分析

姚延风 缪中宇 秦兆涛

(中国空间技术研究院通信与导航卫星总体部，北京 100094)

随着战争形态的转变，太空日益成为大国战略竞争新的制高点。近年来，美国战略重心重回大国竞争，将军事斗争准备重点转向高端对手，大幅调整太空部队组织体制，改革装备采办机制，规划未来太空体系，加速新型能力建设，持续在天基体系转型方面开展研究。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，为此需要探索新的平台[1]。低轨星座以其低时延、快速响应、功能扩展性强等显著优势，日益成为体系转型的焦点。

在上述背景下，美国太空发展局(SDA)谋划设计了“下一代太空体系架构”，即国防太空架构(NDSA)。该系统由数百颗承载多种有效载荷的小卫星组成，旨在构建一种扩散型低轨(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。美国国防部先进研究计划局(DARPA)通过“黑杰克”(Blackjack)项目，旨在利用新兴商业宽带星座在低轨演示验证一个低成本、提供全球持续覆盖的星座，借助通用化卫星平台搭载军事通信、导航、侦察、预警等多类任务载荷，具备智能自主运行能力。

美国在军用低轨星座上的巨大投入，反映了其太空体系建设从“以保障性为主，不考虑或较少考虑太空军事化环境”的“能力驱动”向“以作战应用牵引，应对非对称太空作战能力”的“威胁驱动”转变，折射出其未来太空能力建设与应用的最新趋势。本文分析了美国军用低轨星座建设的顶层需求，系统阐述了美国下一代军用低轨星座发展计划，重点梳理总结了军用低轨星座未来发展的关键技术，最后对相关领域的技术储备、发展规划和策略制定提出了启示与建议。

1 美国军用低轨星座顶层需求分析

近年来，美国围绕太空作战模式、太空作战组织机构、军事航天装备体系等开展了大量研究与论证工作，形成了诸多成果，为军用低轨星座发展提供了需求方向和理论支撑。

1.1 弹性分散需求

弹性空间体系由美国空军航天司令部于2013年提出，是近十年来美军对于空间系统未来发展新思路的探索，实施目的是形成太空威慑力、强化空间体系抗毁能力，并为太空作战域构建强大的装备体系[2]。近年来，《美国天军卫星通信发展愿景》和《美国国防太空战略概要》等顶层规划文件，继续强调将形成弹性结构作为建立太空军事优势的重要一环[3-4]，“弹性”空间体系论证和研发逐渐从最初的卫星通信领域向各航天装备领域全面展开，呈现出体系化、批量化和冗余化的显著特征。低轨星座作为军用卫星系统的重要发展方向，值得重点关注。

(1)导弹预警卫星领域。为应对高超声速武器等新兴威胁，美国积极构建高轨、中轨、低轨结合的分层天基预警体系。根据最新规划，未来美军将逐步取消昂贵的高轨预警卫星项目，重点发展中轨、低轨预警卫星，依靠太空发展局推动的跟踪层卫星星座及最新规划的4颗中轨卫星提供导弹预警/跟踪能力。

(2)通信卫星领域。构建由高轨战略通信系统、高轨战区通信系统和低轨通信系统构成的“弹性”通信卫星体系。其中，低轨系统积极发展战术专用通信小卫星星座和星群，在反介入/反拒止(A2AD)环境和复杂地形条件下提供机对机(M2M)、短报文通信和数据渗透等业务。

(3)导航卫星领域。新一代导航卫星体系的发展思路是大力研发全数字、抗干扰导航卫星及军码防欺骗抗干扰终端，借助GPS星座固有的多轨分散特性使其具备较高系统弹性。另外，美国还通过与铱星等低轨系统融合服务，提供独立备份定位授时能力。

(4)侦察卫星领域。构建高轨、低轨搭配、多国合作、军民融合的天基情报侦察监视体系。除持续发展“锁眼”(KH)等大型侦察卫星系统外，还通过发展军用侦察小卫星及支持商业遥感星座的方式，为情报机构和军方提供服务。

1.2 战术信息支援需求

美军聚焦未来高强度对抗战争，提出“多域战”和“联合全域指挥与控制”(JADC2)等新型作战理念，推动美军由传统陆地向海、空、天、网、电磁等其他作战区域发展。近年来，美国天军大力推进太空部队由保障型向作战型转变，积极从军事视角审视太空战，寻求作战理论和作战概念的颠覆式创新。在天基信息支援下，其作战模式已经从以网络为中心的作战向以信息为中心、以决策为中心作战转变，围绕任务的执行设计作战模式。在未来联合作战构想中，美军将信息优势提到了前所未有的高度，并认为确保信息安全、高速流动是实现信息优势的基础。

从技术角度来看，巨型低轨星座高时空密度、高功能密度及超低时延的优势，将大幅增强战术级作战保障能力，提高各军种联合指挥、各军种协同作战，以及信息系统与各类感知平台和武器平台一体化的体系作战保障能力，不断带动新型作战模式的产生。

1.3 网云体系支撑需求

随着现代战争形态的变化，美军日益注重人工智能、大数据、边缘计算等技术在空间军事装备的应用，大力推动太空系统智能化发展，试图构建物理分散、智能组网、自主运行、云端服务、弹性自愈、持续进化的航天系统。2019年3月，美国国防部成立太空发展局，提出国防太空体系7层架构，期望利用低轨大规模星座和智能云网等技术构建“全域感知目指，云端智能服务”的天基信息网络体系，充分利用大规模商业低轨星座成果，全面开发软件定义、分布计算架构，加速一星多用、云端服务模式。

未来，美军低轨系统将基于开放式体系结构，向支持卫星随遇接入，激光宽带互联，天基网络节点和云计算节点转化，实现巨型星座自主运控、智能任务规划和调度、动态组网组群和重构、泛在低延时网络通信和路由功能。

2 下一代军用低轨星座计划及分析

2.1 国防太空架构项目

2.1.1 项目概况和计划安排

以高超武器为代表的新兴威胁，对美国太空系统能力提出了新的需求。2019年年中，美国太空发展局在吸纳前期“弹性”发展理念的基础上，提出了下一代太空7层体系架构[5]，即国防太空架构。该体系将借鉴企业最佳实践和商业开发模式，利用大规模和分布式提升应对现实威胁的弹性和应对新兴威胁的快速演进更新能力，以7层架构打造智能化的天基信息网络，全面提升天基信息网络多域通联、情报感知、指挥控制决策、战略评估与支援的能力，支撑未来全域作战目标。7层架构由传输层、跟踪层、看护层、威慑层、导航层、作战管理层及支持层组成，可提供能力如表1所示。

表1 国防太空架构概况

传输层作为下一代太空体系的技术基础及共性支撑，提供全球范围全天候、全天时、不同功能层间低时延的数据传输与通信服务；跟踪层具备针对高超声速滑翔弹等先进导弹威胁的识别、告警、跟踪和目标指示能力。为此，太空发展局将传输层和跟踪层作为近5年内的建设重点，预算分别为36亿美元和18亿美元。此外，太空发展局采用分阶段实施的方式降低项目技术风险，逐步实现能力升级(如图1所示)，目前已启动0期和1期系统建设工作。0期预计2022年年底开始部署，包括20颗传输层和8颗跟踪层卫星，聚焦不同供应商交付卫星的互操作性，并演示任务载荷能力；1期计划于2024-2025年开始部署，包括126传输层和28颗跟踪层卫星，目标是形成初始作战能力，实现区域不间断的战术数据链路、先进导弹探测和超视距瞄准[6]。下文重点分析传输层建设情况。

图1 传输层和跟踪层建设计划

2.1.2 星座构型

1)传输层0期

2020年5月，太空发展局发布了传输层0期项目标书[7]，最终分别授予洛马公司和约克航天公司建造传输层0期各10颗卫星研制合同。根据最新进展，由于供应链限制等原因，原计划于2022年9月完成的9～10颗首批卫星发射推迟至12月下旬进行。

星座构成方面，按照太空发展局的要求，传输层0期星座运行于2个近极轨道面，每个轨道面部署10颗卫星，轨道高度为1000 km，倾角为80°～82°。每个轨道面的卫星分为A组和B组。A组由7颗卫星组成，在轨道面内均匀分布，通过激光星间链路组网运行，提供连接整个星座的完整网络基础设施；B组由3颗卫星组成，在轨道面内呈“簇”状分布，支持在多个时间段内对某一战区的连续覆盖，并进行测试和试验，如图2所示。

2)传输层1期

2021年8月底，太空发展局发布了传输层1期的招标草案[8]，初始规划包括126颗基线卫星和18颗搭载试验卫星。卫星分布于6个轨道面，每个轨道面包括21颗基线卫星和若干颗搭载试验卫星，星座参数如表2所示。18颗搭载试验卫星自太空发展局于2021年10月发布招标草案以来，推测由于保密或取消等原因，未见相关进展报道。2022年2月底，太空发展局宣布分别授予约克航天公司、洛马公司和诺格公司价值3.82亿美元、6.92亿美元、7亿美元的合同，用于研制传输层1期126颗基线卫星，每家企业交付42颗卫星。1期126颗卫星计划从2024年9月开始发射部署。

表2 传输层1期星座参数

传输层1期卫星配备激光通信终端(OCT)，支持同轨道面和异轨道面的星间链路连接，同时能够与地面终端(地面、空中、海上)建立链路。传输层1期卫星与运营中心将构成一个通信网络，提供覆盖全球的低延迟、高吞吐量数据传输，并具备相关的地面支持、作战和维持能力。传输层1期还能够通过Link-16网络演示通信和数据传输，提供地面中心与战区内地面、海上和机载Link-16终端超视距数据通信能力。卫星配备作战管理与指控通信(BMC3)模块，支持在轨任务处理、平台自主运行和任务驱动网络管理，如图3所示。

图3 1期演示验证示意

2.1.3 卫星设计

卫星平台设计方面，针对传输层0期卫星项目，洛马公司授予商业小卫星制造商Tyvak公司Ma￣vericks小卫星平台研制合同，预计卫星质量150～200 kg。约克航天公司选择本公司开发的S-Class小卫星平台，平台质量65 kg，可集成85 kg的有效载荷。洛马公司的1期卫星将继续使用Tyvak公司提供的卫星平台，另外2家尚未披露相关信息。

在有效载荷设计方面，激光星间链路是传输层0期和1期最关键的技术之一，0期(A组、B组)和1期卫星均配置激光星间链路载荷。在传输层0期中，洛马公司选择空客子公司Tesat Spacecom提供激光通信终端；约克航天公司选择德国Mynaric公司和美国SA光子学(SA Photonics)公司作为分承包商提供产品。在传输层1期中，诺格公司宣布Mynaric公司作为其激光终端战略供应商，另外2家尚未披露相关信息。在卫星具体载荷配置方面，0期A组卫星配备激光星间链路载荷、Ka频段测控载荷、Ka频段馈电载荷。其中：激光星间链路载荷共4个，各分配2个为卫星提供同轨道面(运行轨道面内向前和向后)连接和异轨道面(不同轨道面间向右/向左或向上/向下)连接，从而实现整个星座组网。0期B组卫星配备2个激光星间链路载荷、Link-16载荷、Ka频段测控载荷、Ka频段馈电载荷。其中：激光星间链路载荷提供同轨道面卫星连接，可从A组接收数据，并通过Link-16数据链将态势感知与决策数据传递至其他作战域，起到天地多域联通作用。1期基线卫星搭载1个Ka频段转发器，4个激光通信载荷，1个Link-16载荷、1个作战管理与指挥控制通信计算模块、1个网络和数据路由及导航模块。卫星具有互操作性，可通过激光星间链路共享数据。

2.2 “黑杰克”项目

2.2.1 项目概况和计划安排

“黑杰克”项目是美国国防部先进研究计划局2018年发起的项目[9]。项目将研发并验证支撑低轨卫星组网的关键技术，重点是商业化卫星平台和低成本、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，使其适用于多个卫星平台。其最终目标是实现军方有效载荷的高度网络化并且兼具弹性和持久性，能够持续在全球范围内为军方提供超视距遥感、导航和通信功能。项目目标如表3所示。

表3 “黑杰克”项目目标

2020年，“黑杰克”项目演示验证计划正式启动，最初计划先期开展20颗卫星演示项目，2021年发射首批2颗卫星，2022年再发射剩余的18颗卫星。卫星轨道高度约1000 km，分为2个轨道面，每个轨道面10颗卫星。后续，根据项目进展情况扩充到90多颗低轨卫星。截至目前，美国国防部先进研究计划局仅授出了12颗卫星平台的研制合同，蓝色峡谷技术公司10颗，加拿大电信公司2颗。由于疫情和供应链问题，项目进度大幅推迟。直至2022年9月，蓝色峡谷技术公司交付了第1个“黑杰克”卫星平台，并计划于年底前交付剩余卫星平台，具体发射计划尚未确定。

2.2.2 卫星设计

“黑杰克”项目首先关注平台和有效载荷，然后是自主任务管理系统，即Pit Boss。卫星平台重点考虑批产化的成熟商业平台。有效载荷涉及预警、侦察、通信和导航等多种类型。各种功能的有效载荷将作为模块安装在通用平台上。项目开发Pit Boss星上控制单元，为平台和有效载荷提供标准化的电气和网络接口，同时作为计算节点提供任务级自主运行能力，实现在无地面控制的情况下自主运行30天。

(1)卫星平台。加拿大电信卫星公司交付2个卫星平台，平台质量约200 kg，基于空客公司与一网公司合作研发的“箭形”(Arrow)平台改造。蓝色峡谷技术公司承担10个平台研制任务，基于其150 kg的X-SAT商用平台定制开发。平台使用奥比恩空间技术公司的电推进系统，同时包括电源、指挥和数据处理、射频通信及能够承载不同军事有效载荷的标准接口。在2020年12月的关键设计审查中，蓝色峡谷公司给出了基于X-SAT平台的土星(X-SAT Saturn)系列设计方案，指标如表4所示[10]。

表4 X-SAT Saturn平台主要性能参数

(2)任务有效载荷。“黑杰克”项目的各项有效载荷都在研制当中，暂未进行在轨试验或演示验证，在研的有效载荷主要包括定位、导航和授时载荷和过顶持续红外载荷。前者由诺格公司研制，以软件定义全球导航卫星系统(GNSS)嵌入式导航和授时体系结构(SERGEANT)为特色能力。该技术将为军事用户提供不依赖于现有卫星导航系统的低轨灵活定位、导航和授时信号[11]。后者由雷声公司研制，作为天基预警系统的重要组成部分，提供导弹红外探测预警功能，并支持与Pit Boss任务管理系统和卫星平台集成。雷声公司于2021年1月通过了载荷关键设计审查，关键传感器组件(包括焦平面、制冷机、望远镜和电子设备)已经在制造中。

(3)激光星间载荷。在“黑杰克”项目中，美国国防部先进研究计划局计划部署20颗由激光链路进行星间组网的卫星，以验证使用不同厂家的激光通信终端，实现星座网络内卫星节点相互连通的能力。2020年6月，美国国防部先进研究计划局授予SA光子学公司一份价值1640万美元的合同，为“黑杰克”卫星提供激光通信终端，测试使用激光在太空传送数据的技术。SA光子学公司通过集成优化设计，为低轨星座提供星间链路和双向星地链路，最大限度地减小尺寸、质量、功率和成本[12]。

(4)Pit boss自主控制系统。“黑杰克”项目核心在于开发Pit boss星座自主控制系统。2021年3月，美国国防部先进研究计划局再次向SEAKR公司授予6040万美元的合同，进行第二阶段和第三阶段研发。该公司在第一阶段合同的基础上，继续基于其第4代星载处理器产品，利用人工智能、机器学习等技术，进一步开发星座级自主运行体系架构、研发任务自主软件、相关硬件，以及开展性能测试与演示验证等。SEAKER公司于2022年9月交付了用于“黑杰克”卫星的前两个Pit Boss任务数据处理载荷。

2.3 下一代军用低轨星座对商业能力的利用

在研制分包情况方面，太空发展局和国防部先进研究计划局密集发布多项项目征询书，就系统架构、卫星设计、有效载荷等方面广泛征求业内意见，并授出多项相关合同，全面推动项目进展。此外，它们还积极寻求利用搭载发射提前验证关键技术，为星座大规模组网奠定基础。2021年6月30日，太空探索技术(SpaceX)公司在运输者-2(Transporter-2)发射任务中为其搭载了5个演示验证有效载荷[13]。

(1)曼陀罗-2A,2B(Mandrake-2A,2B)卫星,搭载SA光子学公司研制的激光星间链路有效载荷。卫星主要任务是为“黑杰克”项目演示验证激光星间链路宽带数据传输技术。

(2)激光互连与组网通信系统(LINCS)，采用2颗12U立方星评估高数据速率激光通信终端的性能。系统工作波长为1550 nm，采用开关键控(OOK)技术，支持高达5 Gbit/s的数据传输速率。此外，卫星还开展与MQ-9无人机搭载激光终端的连接测试。

(3)原型在轨试验测试台(POET)，是太空发展局的一种新型基础性软件系统演示任务，其主要功能是对太空发展局星座进行作战管理和监管。它以“黑杰克”项目的Pit Boss作战管理、指挥、控制和通信系统为基础，同时还包括由科学系统公司开发的Innoflight数据融合处理器和软件。该处理器搭载在美国轨道阁楼(Loft Orbital)公司运行的任务-3(YAM-3)卫星上。

此外，美国军方还积极寻求将商业遥感卫星纳入到其未来太空网络内，通过Link-16数据链将图像数据发送给士兵。2021年11月，太空发展局宣布与合成孔径雷达(SAR)供应商Capella航天公司合作，将其卫星连接到传输层；2021年12月，美国太空系统司令部授予PredaSAR公司一份价值2000万美元的合同，演示其卫星通过激光星间链路与“黑杰克”星座连接的能力。

2.4 下一代军用低轨星座实现途径与应用设想

当前，美国军方认为尽早为作战部队提供“够用”的能力要好于迟迟才交付“大而全”的系统，其主导的下一代国防太空架构项目及“黑杰克”项目都有着明确的阶段目标和长远愿景，星座采取“威胁驱动”的快速敏捷开发模式，通过低成本规模化实现快速响应和体系弹性，及时演进更新，甚至超前布局。为快速形成作战能力，其采用如下实现途径。

(1)坚持“多层部署、弹性智能”的顶层思路，提升太空领域体系优势。建设分布式、可扩展的低轨卫星星座，成为美军未来部署太空资产的重要发展趋势，大力推动太空系统智能化发展，试图构建物理分散、智能组网、自主运行、弹性自愈、持续进化的航天系统。国防太空架构项目基于微小卫星、快速发射和人工智能技术，开发与下一代灵活、弹性、敏捷的太空体系相关的概念、方法、技术与系统。“黑杰克”项目期望Pit Boss支持人工智能软件、大规模分布式计算，提供星座任务级自主运行能力。

(2)采取“开放发展、军民融合”的技术路线，实现技术水平螺旋上升。美国国家太空委员会称，低轨商业化是美国未来太空战略的一个重要组成部分。国防太空架构和“黑杰克”项目目前已向多家商业公司授予采购合同，优选具备成熟供应链及配套技术的供应商，降低系统开发及运行维护成本；美军还积极寻求利用商业低轨系统实现军事应用的途径，通过采购服务、搭载军用载荷、合作研发等方式快速验证关键技术，研究成果可以直接为军队所用或应用于未来军用低轨系统的建设中。

(3)探索“威胁驱动、面向实战”的建设模式，快速形成太空作战优势。采办绿色通道与前沿技术进步为美国太空系统高速建设提供了支持。国防太空架构是美国推行原型开发和敏捷采办的新产物，反应了美国军事航天装备建设由单个系统论证、成体系论证发展到概念和统一架构指导下“威胁驱动”研制模式的转变，强调试装一体、快速能力生成、分阶段演进、未来持续进化，适应科技加速进步及装备体系化、信息化、软件化程度不断增长的要求。

(4)实践“关注成本、验证先行”的发展策略，规避系统建设风险。“黑杰克”项目的重点是研发可批产卫星平台及低成本、可更换有效载荷，单个卫星网络节点的成本低于600万美元。太空发展局最初预算中公布的每个传输层卫星价格为1500万～2500万美元，实际上传输层0期和1期卫星平均价格约为1400万美元。此外，为规避项目的进度和技术风险，美国十分重视星座大规模部署前的在轨演示验证工作。太空发展局和国防部先进研究计划局利用运输者-2发射任务搭载演示验证载荷，开展激光通信及星上多传感器数据融合在轨验证。

以国防太空架构和“黑杰克”为代表的美国下一代军用低轨星座计划，设想在低轨构建以大规模、分布式、去中心化、可快速补充扩展为特征的新一代智能太空信息系统。在体系结构设计方面，采取开放式的架构，利用激光星间链路实现卫星动态组网和重构，借助高性能星载计算机与操作系统构建天基网络节点和云计算节点，以天基云平台方式实现高效星上分布式处理，缩短星地协同数据时延；利用智能任务规划和调度、泛在低延时通信网络技术，实现大规模星座自主运行控制，开发先进算法实现星上数据融合与处理。系统建设先期目标是构建战区天基智能通信网络，以高超声速武器跟踪和目标指示为先导建立整体能力，最终将集成与整合美军现有的各种太空信息网络建设能力与项目，全方位打造空间智能信息系统。

未来，美国下一代太空系统将进一步融入未来主战场，通过集成到美国主战装备作战链条之中，支持未来多域作战发展。对于改变现有天基信息系统自主性不强，数据整合能力弱，通信、导航、遥感各成体系，无法智能实现情报态势的采集、分发、处理、决策的现状，具有重要意义。

3 下一代军用低轨星座关键技术分析

3.1 接入与传输技术

接入与传输，一方面要保障星地信息通信的通畅，支持星上通信资源的灵活自主配置，保障天基信息与陆、海、空域的各域联通；另一方面，要确保星间链路信息通畅，为态势数据与指控信息的大时空传输、星间协作的控制交互提供基础。

(1)星载多波束天线技术。卫星实现多波束覆盖是提高空间频谱利用率的关键技术，星载多波束天线已成为通信卫星系统的核心设备，星链和光速(Lightspeed)等新兴低轨星座均搭载了高性能多波束相控阵天线，太空发展局也将相控阵天线作为支撑传输层的关键技术。星载多波束天线通过缩小单波束能够增加卫星发射时的等效全向辐射功率(EIRP)和接收时接收系统品质因数(G/T)值，支持地面终端采用较小口径的天线实现高速率数据传输；可以进行有效的极化隔离和空间隔离，实现频谱复用，从而使通信容量成倍增加；还可以根据系统需要进行波束扫描、波束重构，提高系统的灵活性。

(2)智能感知与自主接入技术。传输层1期包括126颗基线卫星及作战管理和地面支持部分，作为低延迟数据传输、多国联合全域指挥与控制(CJADC2)的骨干网，提供全球通信接入及持续区域加密连通性能力。为满足天基组网、天地互联、信息综合高效利用的目标，需要重点突破天基智能感知与自主接入技术，构建信息网络系统架构与协议体系，使得任何满足特性要求的单颗或多颗卫星都可自主接入网络。网络应具备良好的扩展性及易接入性，使卫星更加快速、便捷的加入已部署的各类天基网络中，不断更新和增强网络的服务能力，满足实时多变的空间任务。

(3)软件定义卫星载荷技术。软件定义卫星载荷技术以天基软件化计算平台为核心，结合灵活射频前端，采用开放系统架构，实现功能按需加载重新定义，能够适应多种任务需求。目前，软件定义载荷可在轨调整卫星的覆盖范围、工作频率、功率和带宽等，主动定义卫星的性能，使之满足用户需求。近年来，洛马公司致力于开发其新一代软件定义卫星技术架构SmartSat。SmartSat技术旨在利用软件定义无线电技术搭建太空云计算平台，实现卫星在轨任务重构能力，与太空发展局的7层体系建设理念高度契合，其技术成果有望为传输层星座提供更高层次技术能力。

3.2 组网交换技术

星间高速组网是未来军用低轨星座发展的必然趋势。星间传输技术保障了卫星间的连通性，但为了实现信息的正确接收、解析，快速完成信息的寻址与分发，智能组网交换技术是其中不可或缺的一环。

(1)低时延预测性组网路由及抗毁重构技术。在星座规模不断扩大的背景下，仅靠地面站进行星座管理已不现实，需要充分利用星上资源实现网络管理。在此背景下，太空发展局认为需要建立一种灵活、动态分布、低时延的体系结构，使星座多个节点(传输、跟踪、看护、战斗管理)利用星间链路连接并保持通信，支持各种应用场景。该节点被太空发展局描述为“星座接入口”(Constellation Entry Vehicle)，其可发送、接收、存储、中继来自各轨道面卫星、地面站与终端用户的信息，确保星座的最佳路由。另外，数量激增的卫星群将需要以正常和快速恢复2种模式运行。正常模式是指体系完整状态，可预测其拓扑结构的最佳路由；而快速恢复模式是指星座部分节点失效的状态，需要具备动态组网组群和重构能力。

(2)低成本、高可靠激光星间建链技术。激光星间链路相对于射频方式，具有功耗低、容量大、抗干扰能力等显著优势，从7层架构及其他各项目卫星搭载试验来看，激光星间链路载荷已成为未来军用低轨卫星的标配，不论哪一层面、何种功能的卫星，都需要将自身收集或处理的数据最终下发到各个作战域的作战单元中。此外，星间信息交互也是实现星座智能协同、分布式计算的基础。因此，不论是以预警跟踪能力为主的跟踪层卫星，还是以中继或通信为主的传输层卫星都将搭载激光星间通信载荷，传输层1期也明确将激光通信终端作为重点采购对象，重点突破低成本、小型化激光终端设计及高可靠星间建链技术。

(3)星间组网协议及互操作技术。联合全域作战的前提之一就是信息通联能力。未来太空体系架构若要实现整体协同工作、快速响应，必须贯通各个功能层之间的卫星网络，大规模互联、互通、互操作是必要条件，网络协议的设计与部署是实现大规模组网的关键问题。从美军对未来卫星平台、载荷及地面系统的要求来看，平台及系统通用化，系统间具备互操作性已成为美军的重要关注点之一。太空发展局已经明确定义了激光星间链路与光通信终端的标准，各厂商需严格依据标准研制软硬件设备，实现不同厂家的终端互联互通。在系统建设层面，传输层0期和1期及“黑杰克”项目均针对互操作性开展在轨演示验证。

3.3 智能运控及数据处理技术

星座智能运控的目的是最大程度减少人为干预，提高星座战场生存能力；智能数据处理实现星座网络中的原始数据向可理解、可应用信息方向的转化，辅助指挥官进行快速有效决策。

(1)星座智能运控技术。为减轻地面人员大规模星座运控压力，提高战场生存能力，对星座自主运控、智能任务规划和调度提出了更高的要求。“黑杰克”项目设立伊始，就将“开发带有在轨分布式决策处理器的有效载荷和任务级自主软件”作为首要目标。Pit Boss作为“黑杰克”项目构建的自主任务管理系统，提供硬件方面(电子和网络连接)、软件方面(在轨边缘计算等)，以及星座节点数据路由和加解密服务。其设计开发的关键技术包括自主运行技术、多种配置联合技术、网络保护和数据加解密技术、有效载荷管理和功率切换技术、任务分配和调度技术、卫星资源管理技术及星座管理技术等。

(2)天基云计算及人工智能技术。近年来，美军日益注重人工智能、云服务、边缘计算等技术在军事装备的应用，大力推动太空系统智能化发展。当前国防太空架构将传输层和跟踪层作为先期建设的重点，通过数据链融入指挥和火控系统，提供多军种装备低时延机对机物联网连接。全网络化人工智能和云辅助是处理海量数据，提高机器决策能力的最主流解决方案。美国下一代军用低轨星座采用开放式架构，将数据从传感器(跟踪层或看护层卫星)无缝传输(传输层)至武器系统和云计算环境中，实现对信息深度利用。通过软件或其他虚拟化技术向最终用户提供战术级信息支援能力。

(3)基于大数据的态势评估与理解技术。在下一代太空体系构成的空间网络支撑下，通过天基信息云支援，汇聚各源各类传感器信息，实现目标区域自主组网、智能感知。2020年3月，太空发展局发布项目征询文件，明确把“多源情报融合软件”技术视为看护层发展的核心。通过构建天地一体分布式计算与处理体系，走“先软后硬，先地后天”的发展路线，先期利用地面处理设施开展试验和验证，发展大数据挖掘和机器学习技术，后续计划向天基处理迁移。天基处理能力以应用软件形式安装在新体系卫星的作战管理与指控通信模块上实现。未来，将根据需求发展时敏目标专用探测星座，无缝集成到7层太空体系中，实现天基实时处理和融合，利用数据链直接将目指信息发送给各战术单元。

4 启示与建议

进入21世纪以来，美国日益将太空视作关乎国家利益的战略制高点。在此背景下，美国军方机构在太空战略谋划、太空系统构建及商业航天利用等领域全面发力，推动国防太空架构和“黑杰克”等新型军用低轨星座项目研究，以维护其太空领域绝对优势。其发展理念对相关领域具有如下启示。

(1)强化星座顶层设计，制定阶段性发展规划。美军在拥有世界上最强大的太空作战能力的基础上，力图通过国防太空架构和“黑杰克”等下一代军用低轨星座项目，大幅提升航天军事装备的体系弹性与对抗能力。在发展思路上，以构建弹性空间系统、敏捷快速研发、面向作战应用为主，分阶段有序推动关键技术攻关、在轨演示验证、星座批量部署，实现空间装备能力的快速迭代和螺旋式上升，目前处于演示验证初期，即将开展星座小规模部署。面对低轨星座领域的激烈竞争，既是机遇也是挑战。建议抓住当前的发展机遇期，强化系统顶层设计与规划，广泛吸纳先进系统的发展思想与设计理念，制定好阶段性发展目标。

(2)推进标准化定义，建立低轨星座规范体系。未来低轨星座功能日益复杂，需要制定统一的卫星平台、有效载荷、体制协议标准规范，打破不同供应商卫星无法互联互通、各自为战的局面，实现太空资源的高度整合。国防太空架构和“黑杰克”项目均高度重视卫星的互操作性设计。建议集中国内优势力量，联合系统用户、卫星平台、有效载荷等各参研单位，大力推进星座系统、卫星平台、有效载荷、体制协议的标准化定义，加速可批产的卫星平台研制、激光终端等关键载荷攻关，体制协议及接口规范的制定，逐步建立起低轨星座的“生态圈”和“产业链”，为未来低轨天基信息系统建设做好标准规范储备。

(3)加强集智攻关，突破低轨星座通用关键技术。从国外低轨星座发展趋势来看，日益注重激光通信、人工智能、大数据、边缘计算等前沿技术在航天装备应用，推动太空系统智能化发展，实现技术水平演进升级，大幅提升太空领域体系优势。面对激烈的竞争形势，建议大力探寻人工智能、云计算、边缘计算、数字孪生等前沿技术在空间段与地面段的应用，突破星座大规模组网、智能运控、自主运行、激光建链等低轨星座通用关键技术。此外，应加大在轨飞行验证投入，充分利用搭载或试验星等方式，系统谋划在轨验证工作，提前验证关键技术，快速提升技术和产品成熟度，为后续系统建设打好基础。

(4)挖掘低轨星座建设模式，探索多领域应用。低轨星座具有项目投资巨大、技术复杂等显著特点，对系统研制建设提出了更高要求。从国外建成、在建及规划的低轨星座系统来看，大都选择成熟卫星制造商作为主承包商、卫星平台基于成熟高可靠平台，目的在于充分利用承包商现有的成熟技术和供应链体系，尽可能降低系统的技术和进度风险，实现系统性能与成本的综合最优。此外，低轨星座提供的通信、导航、遥感等能力将大大提升天基信息支援联合作战的能力，催生新的作战模式。深入研究低轨星座的多领域应用价值，将以更低的成本、更快的节奏扩充太空基础设施，实现覆盖面广、低延迟、可持续的全球服务。