发射“星链”低轨星座50颗卫星的场景
回顾2020年的美国航天，只有SpaceX公司一枝独秀，其余乏善可陈。特别是SpaceX的“星链”低轨星座计划，进展神速， 一扫许多人的怀疑。另一方面，美国成立太空军后，美国对太空的战略定位发生了重大变化。因此，“星链”计划否有军方背景，成为网络上的热点。本文将对这个问题，展开分析和讨论。
2020年6月17日，美国国防部召开新闻发布会，向公众公开《美国国防太空战略概要》（以下简称《国防太空战略》）。这份文件是美国国防部首次发布的有关太空的战略。 美国《国防太空战略》分析了美军实现预期状态面临的威胁、挑战与机遇。文件称，对手研发、测试、部署太空对抗能力并发展相关军事条令，将冲突扩展至太空，对美国构成了最大的战略威胁。美国盟友与伙伴在太空中愈发活跃，商业太空活动激增，使太空运行环境更加复杂化，对美军构成了诸多挑战，但同时也创造了前所未有的合作机遇。在美国成立太空军的形势下，该战略将紧紧围绕提升美国太空综合军事优势，对加快形成太空作战能力提供战略指导。美国《国防太空战略》在与2018年《美国国家太空战略》关于确保美国太空领导地位的总体目标保持一致的同时，进一步明确《国防太空战略》的目标是：保持太空优势；为国家、联合、联盟三个层面上的作战行动提供太空支持；确保太空稳定。 《国防太空战略》明确了美军实现预期环境的四方面战略举措：一是在太空中建立全面的军事优势。二是将军事航天力量整合到国家、联合和联盟行动中。三是塑造战略环境。四是与盟友、伙伴、工业界及其他美国政府部门和机构合作。从发展低轨星座的角度，我们从这份《国防太空战略》以及特朗普政府此前发布的4份《航天政策令》和相继发布的《国家太空战略》、《国防战略》等，我们可以看到下列几个关注点：
美国《国防太空战略概要》
一是美军对太空的战略定位发生了重大变化。过去美国在军事上将太空定位为战略支援领域，但成立太空军后，其定位有了改变。《国防太空战略》一开始就指出：“美国国防部正着手进行美国国家安全领域太空战略上最重大的变革。太空将是独特的作战领域，需要统筹考虑，对新战略环境的政策、战略、运营、投资、能力和专业知识进行改革。该战略确定了国防部将如何推进太空力量，使美国能够在大国竞争中形成威慑、击败对手。太空对美国国家的安全、繁荣和科学成就至关重要。天基能力是美国和世界各国不可或缺的，也是美国军事力量的重要组成部分。确保这些能力的可用性，对于建立和保持所有领域的军事优势，促进美国和全球安全和经济繁荣至关重要。” 二是要建立太空弹性架构，构建综合性的太空军事优势。在《国防太空战略》中，国防部继续强调通过改革组织机构来改变国防部太空体系，包括组建美国太空军；部署有保障的、弹性的架构；提高情报、指挥与控制，以及对抗恶意利用太空的能力；发展与威胁匹配的太空力量的文化、专业知识、条令和作战概念。实际上，有关通过建立弹性结构来转变美军太空体系的主张，早在2013年美国空军航天司令部发布的《弹性与分散太空体系》白皮书中就指出，对现有的太空体系进行改造和重新设计，采用分散式太空体系架构等方式，以增强太空系统弹性。但在这份文件发表后的7年中，由于这种变革将触动到美国军方某些部门的利益，从而让美军在这方面的努力基本上落空。作为卫星分散化概念的先行者，美国国防部DAPRA精心规划的未来、快速、灵活、分块、自由飞行(F6，Future, Fast, Flexible, Fractionated, Free-Flying)的卫星系统，也因技术、经费和得不到军方有关部门的支持等原因，中途夭折。在现今美国太空军事力量重塑之际，《国防太空战略》继续强调将形成弹性结构作为建立综合太空军事优势的重要一环，可见发展以低轨星座为特征的弹性结构，将是美国国防部，特别是目前是国防部直属的航天发展局（SDA）未来重点考虑和关注的问题。三是发展商业航天为提升美国太空军事能力带来机会。美国认为，商业太空活动在数量和多样性方面都大大增加，从而产生了军方可以利用商业化的创新技术和新形式的商业能力和服务的机会。美国《国家太空战略》指出，要重视国家安全航天、商业航天和民用航天之间充满活力的、合作性的互动。《国防太空战略》更进一步指出：“利用商业的先进技术和先进采办流程；对国防部与太空有关的各项流程进行现代化改革。”根据上述讨论，我们就不难理解美军为何会十分看重航天创业公司SpaceX的“星链”计划。
2015年1月，美国首席执行官马斯克提出“星链”（StarLink）计划。该计划拟于2019年至2024年间发射12000颗卫星到近地轨道，构建一个巨型三层卫星网络。这三层分别位于距离地面340千米、550千米和1150千米的轨道上，最终使所有卫星联成一个巨大“星座”，为整个地球（包括南北极）全天候提供高速低成本的卫星互联网。
“星链”计划的组建基本上分三步走，第一步是用1584颗卫星完成初步覆盖求；第二步是用2825颗卫星完成全球组网；第三步用7518颗卫星组成更为完整的低轨星座。前两步的卫星总数量为4409颗，位于低地球轨道（LEO）轨道，这些卫星工作在较为传统的Ka波段和Ku波段。第三步的7518颗卫星位于甚低地球轨道（VLEO）轨道，将工作在V波段。
“星链”计划（StarLink）
2020年，美国联邦通信委员会代表SpaceX又向国际电信联盟（ITU）提交了3万颗低轨道运行的小型卫星计划。这意味着“星链”计划最终会形成近42000颗卫星的超巨型卫星星座。星链卫星每颗卫星的重量大约227千克，采用紧凑的平板形设计，可最大限度减小体积。发射时以自堆叠的设计堆于整流罩中，不需要专用的多星适配器。卫星采用单翼太阳能陈列，大大简化了系统，标准化的太阳能电池，更容易整合到制造过程中。卫星配备了由氪驱动的高效离子推进器，使卫星能在太空中进行机动，并在其使用寿命结束时进行离轨操作。
“星链”卫星的结构
SpaceX自去年5启动月组网发射以来，该公司迄今已通过16次发射将953颗“星链”组网卫星送入轨道。加上2018年初发射的2颗原型卫星，已发射“星链”卫星总数为955颗。不过，截至10月24日，其中55颗已因被动轨道衰减或是通过主动离轨而再入大气层烧毁。SpaceX已针对美国北方用户启动了名为“聊胜于无”（Better Than Nothing）的“星链”服务的测试。参与者要花499美元来购买天线和路由器，并每月支付99美元的服务费。近日，SpaceX表示：测试反馈情况“超好”，“人们在享受很快的速度和很短的时延”。该公司正在把测试扩展到加拿大。在测试前，“星链”团队表示，预计网络数据传输速度在50Mbps至150Mbps之间，网络延迟控制在20ms至40ms。据报道，美国网速测试统计公司Ookla最新数据显示，“星链”卫星互联网服务的试用速度已突破160Mbps，超过美国95%的其它宽带用户。
目前，全球范围内的商业卫星，包括低轨的“铱星”星座，被用于军事通信领域屡见不鲜。因此，“星链”计划虽然是SpaceX的一项商业低轨卫星星座计划，但是其军事应用的潜力也十分巨大！1、大幅度增强美军宽带通信和精确导航能力。“星链”计划可提供低成本、全球覆盖的高速互联网服务，若用于军事，可提供全球无死角的高速卫星互联网的波束覆盖，这必将大幅增强美军的作战通信能力和GPS精确导航能力。2019年，美国航天发展局明确表示，将从SpaceX、OneWeb等公司实施低地轨道巨型卫星计划的企业采购服务。“星链”由于采用低轨道卫星、减少路由站等关键设计，其宽带能够为全球用户提供只有25毫秒的低延迟传输，比目前最强的高轨卫星通信的250毫秒的延迟传输，提升了一个数量级。因此，它可作为战区外远程发射不管武器的末端导航控制平台，或者未来机器人部队与无人作战飞机的数据交换平台。2019年3月，美国空军战略发展规划和实验办公室向SpaceX授出价值2800万美元合同，要求其在3年时间内，对“星链”开展军事服务演示验证。2019年11月，美空军对“星链”进行了早期的低轨技术验证试验，其中包括卫星和美国空军战斗机的天线阵列进行直接互联的试验。据称“星链”为美军C-12飞机提供了高达610Mbps带宽的网络服务，相比目前大多数飞机联网所购买的海事卫星的5-50Mbps带宽的上网服务，也整整提高了一个数量级，将使得未来远程无人机的使用成本大幅下降，促使无人机的运用数量将大幅上升。
2、有助于美国抢占有限的低轨轨道和频谱资源，在战时可实行“太空封锁”。在航天领域，轨道位置和频谱资源是一种有限的自然资源，卫星公司需要采取申报的方式向相关机构申请使用资格。根据国际电信联盟（ITU）的规则规定，轨道和频谱资源主要以“先到先得”的方式分配，后申报方不能对先申报国家的卫星产生不利干扰。而低轨星座系统不仅要按照ITU的规定将卫星发射升空，还要按照规定的时间和比例，向公众提供相关服务，从而使频率地位合法化、固定化。因此，提早建设和利用低轨星座系统，不仅能够抢占有限的低轨轨道资源，而且有利于抢占频谱主动权，这对于战场通信的信道使用范围将有重要影响。目前，“星链”计划在这方面占有明显优势。 此外，若“星链”计划的4 万多颗卫星全部发射到位后，在地球低轨道就筑起一道屏障，其它国家的火箭要确定发射窗口，就要和“星链”商量和协调，否则就会和它们的卫星相撞。这在战时，“星链”就可以对敌方实行“太空封锁”3.增强太空系统的弹性，改变太空对抗的态势。过去，高轨卫星作为太空资产的主要组成部分，每颗卫星成本都动辄十亿多。由于其高价值和低发射率，使得动能反卫星武器获得了反对称优势。例如，美国GPS系统只有24颗卫星，一旦以大量动能卫星拦截弹对它们实施攻击，将瘫痪美国的全球导航定位和授时通信系统，对美军的全球兵力部署和多域联合作战造成致命打击。而“星链”的分散的12000颗卫星，能让动能拦截武器的优势不复存在。为了攻击“星链”，动能反卫星武器的制造和维护成本，必将难于负担。而且，一旦硬杀伤击毁若干卫星，就会产生大量碎片，其影响让任何国家都难于接受。4．增强全天候无缝对地监视侦察和太空感知能力。若“星链”卫星同时搭载了光学观测载荷，结合其重访率高的优势，对于全球主要地区，让每个时间段天顶方向都有几颗卫星飞过，可实现24小时不间断光学监控分析，通过大数据系统自动识别、分类跟踪和图像识别系统，使其对真假目标识别率高，抗干扰能力强，这必将大大提升美国对地面移动物体和太空目标的监控能力。据报道，美国空军在“铱星”星座的卫星上搭载了战场杀伤传感器，并在美国和同盟国家的通信卫星上搭载了太空感知传感器。因此，美国 太空军今后极可能在“星链”卫星搭载有关的对地对天的遥感传感器，从而大大提高其对地监视侦察和太空感知能力。
5．增强美军防御导弹和防御高超声速武器的能力。“星链”卫星拥有发射全向波束的能力，可以对导弹和航天器进行遥测、跟踪和控制，进而提高对敌方运载火箭/导弹轨道的高精度预测和预警能力，为后续的拦截提供信息支撑，并提供了防御弹道导弹的一种最佳方法，即在它们发射之前将其击毁。因此“星链”计划的成功实施必将改变整个导弹攻防的格局。另外，高超声速武器由于在大气层内高速飞行，并有一定的机动能力，增加了目标探测和拦截的困难。为此，美国导弹防御局（MDA）正在执行一项“高超音速和弹道跟踪天基传感器（HBTSS；Hypersonic and Ballistic Tracking Space Sensor）计划。日前该计划正在进行为期12 个月的阶段Ⅱa。该阶段的主要目标是要设计一套用于监测和跟踪高超声速导弹系统的卫星群，从而确保能够消除HBTSS系统所潜在的技术风险。若MDA和SpaceX合作，将监测系统和“星链”卫星星座直接结合，则无疑将大大加快HBTSS计划的进度。这里我们要指出，上述“星链”军事应用潜力的前3项是这个星座建成过程中或建成后就具有的。但后2 项军事应用潜力还需要对原设计的卫星有效载荷进行适当改造，因此这些应用仅是一种可能的发展方向。
尽管“星链”计划的进展很快，但它毕竟是一家公司从商业目的设计的计划，和美军的总体设想还有一定的距离。因此，美军正在设想由军方进行顶层设计并利用商业公司新技术的计划。2019年3月12日美国正式宣布成立航天发展局（SDAP）。SDA的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。在美国组建太空军后，SDA将移交给美国太空军。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”，以对抗敌拒止对手的太空系统的能力。为了实现这一目标，SDA采用了一种灵活的方法来快速开发一个多功能的小型卫星星座，以应对当前和新出现的威胁。SDA打算利用私营公司的资源（例如硬件和软件的共用、服务租赁）以及行业最佳实践（例如航天器总线，传感器和用户终端的大规模生产技术）。使用螺旋式开发模型，，以便在短时间内提供解决方案。2019年7月1日，SDA发布第一份项目征求通知，借鉴了DARPA“黑杰克”卫星项目的理念，转向蓬勃发展的商业航天技术寻求支持。试图基于微小卫星技术、快速发射技术和人工智能技术，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。将美军新一代太空体系建设的军事需求明确指向导弹防御与太空对抗，标志着美军太空装备体系发展思路与途径正酝酿着重大转变。SDA提出 的“下一代太空体系架构”，包括7个星座（或“层”）。 每层为整体架构提供了完整的集成功能。SDA提出的架构概念，基于普遍存在的数据和通信传输层的可用性，并假设使用小型，大规模生产的卫星（50-500千克）以及相关的有效载荷硬件和软件。SDA正在考虑使用传输层航天器作为其他层的基板，允许根据每个层的需要集成适当的有效载荷。这7层分别为;1.传输层：提供全球范围7×24小时不间断、低延迟的数据传输与通信；2.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、跟踪和指示；3.监控层：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、指控节点提供关键保障；4.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，应对太空攻防提出的挑战；5.导航层：提供GPS拒止环境下的定位、导航与授时能力，增强太空对抗条件下的联合作战保障能力；6.战场管理层：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；7.地面支持层：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地面系统支持，构成天地一体、经济实用的下一代太空体系。
美军的“下一代太空体系架构”
2020年8 月SDA宣布，已授予洛克希德·马丁公司1.875亿美元和约克空间系统公司9400万美元美元同，分别为其“传输层0期”建造10颗卫星，所有20颗卫星将在2022年9月前发射。每批10颗卫星分成两种类型。10颗中的7颗配备4条星间链路，另外3颗配备2条星间链路和2条下行链路。“传输层”是SDA正在开发的 “下一代太空架构”的骨干，将为美军全球作战平台提供一种有保证、弹性、低延迟的军事数据和连通能力。
2020年10 月SDA宣布，已授予SpaceX公司 1.49亿美元和L3Harris公司 1.94亿美元，分别为“跟踪层0期”制造4颗卫星，卫星将使用宽视场红外传感器监视弹道导弹、巡航导弹和高超声速导弹，提供导弹预警和跟踪信息。该计划将在2022年发射这8颗卫星，并展示其能力。
SDA的“下一代太空体系架构”的总经费仍不明确，在美国新总统上台后，是否有所变化 ，尚待观察。
美国的一系列有关太空战略的文件表明：美国已将太空视为独特的作战领域，当前要建立太空弹性架构，构建综合性的太空军事优势，而发展商业航天必将为提升美国太空军事能力带来机会。从美军的太空战略的高度，不难理解美国军方对SpaceX的“星链”计划的支持。从目前的“星链”的进度来看，明年就能够实现从北美到全球许多地区的初步商业应用。随着星链卫星星座的在轨卫星数目进一步增多，其性能也将进一步提高，在这基础上军民一体化发展的“星链”，其军事应用潜力必将显现。对此，我们一方面要保持髙度警惕；另一方面要加快我国卫星互联网的建设。为此，我们要做好顶层设计，并在新型举国体制的框架下，既要充分发挥航天国企的主力军作用，又要发挥航天民企的生力军作用。