【深度】美國低軌衛(wèi)星星座所面臨的灰色地帶競爭危機

01 引言

低地球軌道衛(wèi)星使更廣泛的太空和太空服務(wù)的用戶能夠超越地球的地面限制接受服務(wù)。但這個以前由政府和軍方主導(dǎo)部分的商業(yè)化既給政府和國防機構(gòu)帶來了機遇，也帶來了相關(guān)風(fēng)險。近年來，每年發(fā)射衛(wèi)星入軌的企業(yè)和組織數(shù)量在不斷增加。太空觀察家預(yù)測，未來幾年，低地球軌道衛(wèi)星領(lǐng)域?qū)霈F(xiàn)許多有大量資金支持和國家投資的新競爭者。美國防部認為，他將需要更加努力維持和保護灰色地帶競爭對手瞄準的國家資產(chǎn)。灰色地帶活動是一種非動能行動，通常是經(jīng)濟性質(zhì)的，用于挑戰(zhàn)或破壞美國或其他國家實體的競爭力。

幾十年來，太空在支持美國防部通信和作戰(zhàn)方面發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。美國陸軍尤其依賴天基服務(wù)。美國陸軍部長最近指出，“美陸軍是國防部太空系統(tǒng)的最大用戶”。美國陸軍表示，他們對如何利用低地球軌道為作戰(zhàn)人員創(chuàng)造優(yōu)勢很感興趣，但不一定投資自己的星座。而商業(yè)提供商可以為國防部提供服務(wù)，為世界各地的部隊提供高速連接。美國防部認為，與商業(yè)提供商合作可以提供增強的戰(zhàn)場連通能力，而無需支付自行建立大型低軌星座所需的高額費用。然而，依賴商業(yè)提供商也意味著要接受他們對國防部通信流量和定位數(shù)據(jù)采取的安全措施。此外，傳統(tǒng)風(fēng)險依然存在，如自然發(fā)生的太陽耀斑、與其他航天器或空間碎片的碰撞以及敵方網(wǎng)絡(luò)攻擊。這些風(fēng)險還必須與快速商業(yè)化、不斷變化的全球監(jiān)管動態(tài)、降低的進入成本以及持續(xù)市場變動相權(quán)衡，因為這些都可能為對手提供破壞美國主導(dǎo)地位的機會。

美國國防分析研究所針對此現(xiàn)狀于2021年6月發(fā)布了一份報告，對新興低地球軌道市場和美國在低地球軌道衛(wèi)星領(lǐng)域的優(yōu)勢進行了研究，提出了可能影響低地球軌道價值鏈的灰色地帶競爭活動實例，分析了美國防部和陸軍發(fā)展低地球軌道技術(shù)的相關(guān)舉措，最后針對未來發(fā)展重點提出了建議。本文對該報告主要內(nèi)容進行了編譯和整理。

02 新興低地球軌道衛(wèi)星市場

以前，使用低地球軌道（LEO）衛(wèi)星有兩個主要限制：（1）天線和支持技術(shù)不能有效跟蹤衛(wèi)星并處理數(shù)據(jù)，（2）需要開發(fā)和發(fā)射大量衛(wèi)星才能形成有用的星座。正因如此，距離更遠、更容易跟蹤的地球同步軌道（GEO）衛(wèi)星幾十年來一直主導(dǎo)著衛(wèi)星通信領(lǐng)域，軍方主要承擔(dān)衛(wèi)星平臺發(fā)射費用和風(fēng)險。如今，技術(shù)的進步以及開放市場和支持商業(yè)企業(yè)的政府決策，使得LEO衛(wèi)星越來越多地被商業(yè)企業(yè)所接受。LEO衛(wèi)星性能優(yōu)于地球同步軌道和中地球軌道（MEO），特別是在延遲方面。正是LEO性能的提高使LEO領(lǐng)域投資成為許多國家的高價值商業(yè)投資和戰(zhàn)略。

雖然衛(wèi)星通信以前是主要面向政府、農(nóng)村和海洋客戶的，但由于帶寬的增加和延遲的進一步改善，新的LEO星座預(yù)計不僅會挑戰(zhàn)其他衛(wèi)星平臺的主導(dǎo)地位，還會挑戰(zhàn)地面光纖的主導(dǎo)地位。據(jù)試點用戶稱，SpaceX的Starlink星座目前提供80Mbps至150Mbps的下載速度，約30Mbps的上傳速度，延遲約為30毫秒。帶寬和延遲指標都與地面互聯(lián)網(wǎng)相當(dāng)。

有了政府的支持和法規(guī)的更新，商業(yè)企業(yè)可以更容易進入低地球軌道市場。2016年后低地球軌道衛(wèi)星發(fā)射明顯增加。低地球軌道現(xiàn)在被視為商業(yè)實體的一項有價值投資。LEO市場包括一些較小企業(yè)正在開發(fā)低地軌道價值鏈上的新技術(shù)，并試圖從各種來源為其項目吸引資金。隨著整個市場兼并和收購的增加，成功的項目會導(dǎo)致合作伙伴和合資企業(yè)的增加。這些可能會吸引敵對國家開展灰色地帶活動，這些國家會利用經(jīng)濟手段，在美國公司投產(chǎn)前就從它們那里獲取有價值技術(shù)。

03 美國在LEO上的優(yōu)勢及發(fā)展策略

盡管美國在空間技術(shù)和許多低地球軌道價值鏈組成環(huán)節(jié)處于領(lǐng)先地位，但其他國家也在大力投LEO領(lǐng)域，并努力建立自己的商業(yè)部門來參與競爭。

美國在LEO領(lǐng)域的一個關(guān)鍵優(yōu)勢是可利用可重復(fù)使用的火箭發(fā)射衛(wèi)星。根據(jù)美國宇航局2018年的一項研究，航天飛機的發(fā)射成本約為每公斤54500美元，而SpaceX公司的“獵鷹”9號火箭每公斤發(fā)射成本僅為2720美元。根據(jù)美國政府問責(zé)局的數(shù)據(jù)，大多數(shù)其他國家的LEO衛(wèi)星發(fā)射成本遠高于美國。

美國一直在作為一個整體將其空間政策特別是在LEO層面轉(zhuǎn)向商業(yè)化。據(jù)美國家太空委員會稱，LEO商業(yè)化是美國未來太空戰(zhàn)略的一個重要組成部分。美國防部的“國防太空戰(zhàn)略”（DSS）稱需要利用空間商業(yè)化“保持太空優(yōu)勢”，并保護商業(yè)太空能力免受對手攻擊。美國防部正在這一領(lǐng)域積極行動，正在制定“太空商業(yè)保護、支持和利用計劃”，同時還建立了新的合作伙伴關(guān)系。這些政策決定導(dǎo)致了美國防部空間結(jié)構(gòu)的重大變化，并創(chuàng)建了新的組織和監(jiān)督小組來幫助實現(xiàn)這一目標。

美國防部目前正通過使用“黑杰克”（Blackjack）、超高音速彈道跟蹤太空傳感器以及傳輸層0期項目，轉(zhuǎn)向使用LEO衛(wèi)星作為主要技術(shù)資產(chǎn)。推動這一進程的主要動力是美太空發(fā)展局（SDA）的國防太空架構(gòu)（NSDA）。該架構(gòu)描述了SDA的分階段方法，該方法從其“0期”的系統(tǒng)初始測試開始。與此同時，美國防高級研究計劃局（DARPA）通過其Blackjack計劃，實地測試商業(yè)LEO星座所需的幾項關(guān)鍵技術(shù)來支持以上工作。美導(dǎo)彈防御局（MDA）正在使用LEO開發(fā)一種新的超高音速彈道跟蹤太空傳感器，該傳感器將被集成到新的NDSA中。NDSA的核心、項目和技術(shù)仍處于早期開發(fā)階段。一些商業(yè)合作伙伴正在競爭美國防部的項目，同時也在發(fā)展業(yè)務(wù)并擴大其的全球市場份額。這為競爭對手的灰色地帶活動提供了機會，因此美國將繼續(xù)關(guān)注在關(guān)鍵項目中保護國防部的利益。

美國軍方和政府一直專注于設(shè)置防護政策，保護太空的關(guān)鍵部分。例如，2017年12月，美國政府通過立法，禁止美國國防部長采購由使用俄羅斯或其他國家運載火箭發(fā)射的衛(wèi)星提供的衛(wèi)星服務(wù)。任何在2022年后使用外國運載火箭的公司都不允許與美國防部合作。總部位于加拿大的Telesat公司與DARPA合作進行Blackjack計劃，該公司承認這存在風(fēng)險，因為該公司過去曾使用俄羅斯火箭進行發(fā)射，它正在調(diào)整戰(zhàn)略。美國將通過使用美國發(fā)射設(shè)施和具有商業(yè)競爭力的美國造火箭來保護其領(lǐng)先的商業(yè)星座。

04 低地球軌道價值鏈和灰色地帶競爭實例

近年來，LEO領(lǐng)域的發(fā)展得益于多項技術(shù)進步。更經(jīng)濟的發(fā)射成本、數(shù)字信號處理的改進和制造效率都發(fā)揮了重要作用，特別是在實現(xiàn)大型LEO星座部署方面。目前，大量小衛(wèi)星（成本更低）可以滿足網(wǎng)絡(luò)普遍性需求。此外，計算技術(shù)、云資源應(yīng)用和人工智能方面的進步大大降低了控制和管理大型星座所需開銷。從低地球軌道服務(wù)受益最大的行業(yè)是通信（包括互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)提供商）和對地觀測（包括光學(xué)和合成孔徑雷達成像），還有一些提供各種在軌服務(wù)如空間態(tài)勢感知的企業(yè)。低地球軌道企業(yè)還包括一系列地面服務(wù)提供商，包括制造、零部件供應(yīng)商、發(fā)射、地面站接入、跟蹤和碰撞規(guī)避以及數(shù)據(jù)處理和分析等服務(wù)提供商。圖1為LEO價值鏈中的主要部分。

圖1 LEO價值鏈細分

太空架構(gòu)通常分為三部分：空間段（即衛(wèi)星）、地面段（即地面站、發(fā)射設(shè)施）和用戶段（即用戶終端）。2019年，美國防部認識到太空市場的不斷變化和對強大架構(gòu)的需求，制定了國防太空架構(gòu)（NDSA）。NDSA確定了七個層面：

· 傳輸層：為全球所有作戰(zhàn)平臺提供有保證、有韌性、低延遲的軍事數(shù)據(jù)和通信連接；

· 戰(zhàn)斗管理層：提供架構(gòu)任務(wù)分配、任務(wù)指揮控制以及數(shù)據(jù)分發(fā)，用于戰(zhàn)役規(guī)模的時間敏感殺傷鏈；

· 跟蹤層：提供對先進導(dǎo)彈威脅包括超高音速導(dǎo)彈系統(tǒng)的全球指示、告警、跟蹤和瞄準；

· 監(jiān)管層：提供對時間敏感的、發(fā)射前（left-of-launch）地面移動目標的全天候監(jiān)管（例如用于瞄準先進導(dǎo)彈）；

· 導(dǎo)航層：為全球定位系統(tǒng)（GPS）拒止環(huán)境提供備用定位、導(dǎo)航和授時（PNT）；

· 威懾層：用于阻止深空（地球同步軌道至月球距離）敵對行動；

· 支撐層：使地面和發(fā)射部分能夠支持響應(yīng)空間架構(gòu)。

許多技術(shù)為這七層提供支持，并超越了空間、地面和用戶的傳統(tǒng)架構(gòu)。通過整合傳統(tǒng)觀點和NDSA各組件，審視低地球軌道價值鏈不僅可以從現(xiàn)有組件角度，還可以擴大到包括預(yù)計在未來低地球軌道部署中發(fā)揮巨大作用的項目。

下面將列出LEO價值鏈上主要細分市場的詳細信息，包括技術(shù)發(fā)展、主要參與者和灰色地帶活動。

隨著新技術(shù)的發(fā)展，LEO衛(wèi)星對某些應(yīng)用特別有吸引力。LEO衛(wèi)星大部分是對地觀測衛(wèi)星，這些衛(wèi)星在較低軌道上以相對較低高度穿過整個地球表面。然而，對于大多數(shù)通信衛(wèi)星來說，使用LEO衛(wèi)星要求地面用戶瞄準快速移動目標并頻繁進行衛(wèi)星切換，這就需要龐大的星座和復(fù)雜的跟蹤天線（或嚴重犧牲帶寬）。此外，大氣阻力極大限制了LEO衛(wèi)星的壽命。鑒于衛(wèi)星成本和天線技術(shù)的限制，幾十年來，衛(wèi)星通信一直主要使用地球同步衛(wèi)星。

在美國，SpaceX和亞馬遜公司都在致力于開發(fā)數(shù)百至數(shù)千顆衛(wèi)星的“巨型星座”，提供全球互聯(lián)網(wǎng)連接。與以往的全球衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)不同，這些公司的目標是直接向用戶提供低延遲寬帶服務(wù)，覆蓋范圍包括連接能力不足的農(nóng)村地區(qū)（盡管政府、航空公司和海事用戶仍將是重要市場）。盡管這些網(wǎng)絡(luò)尚未完全實現(xiàn)，但其初始運行能力前景仍吸引了私營和公共部門的極大興趣和資金。

SpaceX的“星鏈”（Starlink）是一個計劃擁有12000顆（有可能擴展到42000顆）衛(wèi)星的星座。該星座已經(jīng)發(fā)射了大約1000顆Ku/Ka波段衛(wèi)星，已成功完成了第一響應(yīng)人測試，目前正在推出一個公共測試計劃。美陸軍還與SpaceX簽署了合作研發(fā)協(xié)議，開始測試該公司網(wǎng)絡(luò)。該星座計劃仍有許多工作要做，特別是在發(fā)射有星間光鏈路的衛(wèi)星方面，這將減少對大量地面站的需求（并減少可能干擾）。Starlink正在北美提供基于低地球軌道的寬帶網(wǎng)絡(luò)，一些早期測試人員稱傳輸速度高達200Mbps，延遲低至30毫秒。如果隨著用戶數(shù)量的增長，該星座仍能夠繼續(xù)達到這些結(jié)果，它的數(shù)萬顆衛(wèi)星和一個完全全球化網(wǎng)絡(luò)的目標可能很快就會實現(xiàn)。

與SpaceX一樣，亞馬遜公司也計劃在低地球軌道部署一個大型寬帶星座。2020年7月，該公司獲得了美聯(lián)邦通信委員會（FCC）對3236顆衛(wèi)星的“柯伊伯”項目衛(wèi)星星座的批準。亞馬遜公司還發(fā)布了低成本Ka波段天線高層計劃。FCC文件要求到2026年部署完成一半星座，但該公司尚未發(fā)射任何衛(wèi)星。雖然在發(fā)射和測試方面落后于SpaceX，但亞馬遜公司仍有一些顯著優(yōu)勢。最重要的是，該公司隨時準備將衛(wèi)星星座與其現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施包括亞馬遜網(wǎng)絡(luò)服務(wù)（AWS）集成。亞馬遜公司已經(jīng)在建造衛(wèi)星地面站，與AWS網(wǎng)絡(luò)直接連接。

? 灰色地帶競爭活動

美國以外國家的衛(wèi)星運營商、制造商和供應(yīng)商也在尋求擴大在低地球軌道的業(yè)務(wù)，加拿大的Telesat和英國的OneWeb公司是美國主要的星座競爭對手。

Telesat公司已簽約為DARPA的Blackjack計劃提供LEO通信能力。該計劃旨在測試軍方以混合方式使用商業(yè)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的能力，以降低成本和更頻繁進行技術(shù)更新。Telesat也希望從2023年開始部署自己名為“光速”（Lightspeed）的LEO星座，該星座將由近300顆衛(wèi)星組成，主要面向Telesat的企業(yè)客戶。對于其LEO星座，Telesat使用了俄羅斯的發(fā)射服務(wù)和俄羅斯火箭來發(fā)射其初始衛(wèi)星。俄羅斯的服務(wù)目前還沒有受到美國法律的限制。有文件證明，Telesat缺乏一個發(fā)射提供商，這使該公司業(yè)務(wù)面臨風(fēng)險。

OneWeb是最早加入LEO寬帶業(yè)務(wù)競賽的公司之一。OneWeb在2020年以新所有權(quán)架構(gòu)（包括英國政府和印度企業(yè)集團Bharti Global）擺脫破產(chǎn)危機后，目前已在本輪融資中積累了超過14億美元，繼續(xù)建設(shè)其第一階段星座，但衛(wèi)星數(shù)量有所減少。總部位于美國的休斯太空公司也在OneWeb破產(chǎn)后進行了投資，并獲得了為OneWeb星座提供大部分地面段的合同。OneWeb已獲得了FCC批準，可以在美國境內(nèi)提供服務(wù)，但其目標也是提供全球服務(wù)。由于沒有自己的發(fā)射能力，OneWeb也依賴俄羅斯的火箭和發(fā)射場。其最近一次衛(wèi)星發(fā)射是由俄羅斯研制的火箭在俄羅斯航天站完成的。使用俄羅斯火箭可能會給OneWeb星座及其用戶數(shù)據(jù)帶來被利用風(fēng)險。

地面站是衛(wèi)星運營商監(jiān)測衛(wèi)星狀態(tài)以及通過地面基礎(chǔ)設(shè)施傳輸、存儲或訪問數(shù)據(jù)并分析的途徑。用戶終端是地面用戶用來接收和處理衛(wèi)星服務(wù)的設(shè)備。雖然在地面站和用戶終端中有類似基本技術(shù)，但是地面站的尺寸大、成本高和復(fù)雜性大。目前GEO衛(wèi)星的地面天線價格從100萬美元到200萬美元不等。SpaceX公司目前的評估表明，在Starlink星座中全面部署4400顆衛(wèi)星可能需要3500個天線才能實現(xiàn)最大吞吐量。地面段是LEO價值鏈中最昂貴的部分之一，正促使業(yè)界在設(shè)計、工程和商業(yè)關(guān)系中尋求實現(xiàn)最高效率的方式。

LEO衛(wèi)星星座也給傳統(tǒng)GEO拋物面地面站天線帶來了一個特有問題。LEO巨型星座由數(shù)百顆乃至數(shù)千顆衛(wèi)星組成，衛(wèi)星本身以極高速度運行，與地面的任何連接都非常短暫。由于在擁擠的頻譜環(huán)境中運行，地面站還必須能夠區(qū)分衛(wèi)星和通信波段。這些獨特要求驅(qū)動了技術(shù)進步，于是開始出現(xiàn)一些高效低成本解決方案。例如，相控陣或電控天線（也稱為電子掃描陣列）的發(fā)展大大降低了地面用戶跟蹤非對地同步衛(wèi)星的成本和難度，同時使用戶能與多顆衛(wèi)星通信，從而緩解了切換問題。

美國Atlas太空公司與美國空軍和國防創(chuàng)新部門合作，成功測試了一種新的相控陣系統(tǒng)。它采用的相干波束成形技術(shù)允許天線同時跟蹤從LEO至GEO的多顆衛(wèi)星。Atlas公司正在規(guī)劃一個由分布在世界各地的30個地面站組成的全球地面天線網(wǎng)絡(luò)，供商業(yè)和政府衛(wèi)星運營商使用。像Atlas這樣的商業(yè)天線供應(yīng)商將尋求利用全球市場，并將地面站分布到許多國家。美國防部使用商業(yè)星座時必須考慮到這一點，并評估商業(yè)提供商提供的數(shù)據(jù)保護和對策的風(fēng)險和技術(shù)參數(shù)。一些星座提供商正在尋求開發(fā)自己的地面站，而不是依賴商業(yè)伙伴。根據(jù)FCC的文件，SpaceX目前在全美50多個Ka和Ku波段活躍地面站。每個地面站被授權(quán)擁有8部天線。OneWeb計劃建造45個地面站，其中部分地面站正計劃處于在美國的對手國家中。正在他國建設(shè)或擴張的地面站提供商面臨著自己的系統(tǒng)和客戶被潛在利用的風(fēng)險。

利用星間鏈路（ISL）可以減輕地面站在外國帶來的種種問題。采用星間鏈路可減少所需地面站數(shù)量，因為單顆衛(wèi)星將不再需要一定要確保與地面站直接連通，而是可依賴星座中的其他衛(wèi)星保持與地面的連接。星間鏈路技術(shù)目前仍處于演示階段，有多家公司（如Telesat和SpaceX）正在測試其可行性，但目前該技術(shù)還沒有全面實施。

低地球軌道市場商業(yè)化的另一個關(guān)鍵領(lǐng)域是降低用戶終端成本。由于低地球軌道的性質(zhì)，大多數(shù)提供商都希望為其用戶提供相控陣天線終端，但相控陣設(shè)備傳統(tǒng)上對于商業(yè)用途來說過于昂貴，因而一般只限于軍事用途。例如，SpaceX已經(jīng)設(shè)法將其Starlink終端的生產(chǎn)成本從每臺3000美元降至1500美元，但仍將為用戶補貼成本，僅對連接到其星座所需設(shè)備收取499美元的費用。SpaceX正試圖通過公司整合降低成本，而Telesat等其他提供商已經(jīng)與相控陣天線提供商ThinKom達成長期合作，為其Lightspeed星座開發(fā)用戶終端。測試中，新終端能夠在不到100毫秒時間內(nèi)完成衛(wèi)星波束切換，并能夠在不到一秒鐘時間內(nèi)完成衛(wèi)星間切換。

? 灰色地帶競爭活動

美國ThinKom公司的大部分初始資金來自美國政府資金和支持美國情報界的風(fēng)險投資集團In-Q-Tel公司的投資。ThinKom公司專門研究旨在將空間資產(chǎn)連接到地面站、飛機、船只和用戶終端的相控陣技術(shù)。隨著整個市場轉(zhuǎn)向低地球軌道，ThinKom一直在開發(fā)相應(yīng)產(chǎn)品以進入該市場。ThinKom之前專注于與美國防部的業(yè)務(wù)，現(xiàn)在也與兩個其他國家的星座公司合作：加拿大的Telesat和英國的OneWeb。ThinKom有可能不再專注于為國家安全領(lǐng)域開發(fā)技術(shù)，因為商業(yè)市場可能會為他們的產(chǎn)品提供一個更大、更有利可圖的市場。美國防部將了解像ThinKom這樣的供應(yīng)商的情況，并激勵這些公司繼續(xù)進行以軍事為中心的技術(shù)創(chuàng)新。低地球軌道領(lǐng)域有些部分歷史上只屬于軍方，但隨著該市場獲得越來越多商業(yè)利益，該領(lǐng)域供應(yīng)商隊伍可能會分崩離析。

星間鏈路的改進可以為LEO星座的覆蓋范圍和韌性帶來顯著提高。如果沒有可靠的星間鏈路，星座中的每顆衛(wèi)星都必須直接將用戶數(shù)據(jù)傳送到覆蓋范圍內(nèi)的地面站，并且星座需要數(shù)百到數(shù)千個地面站和天線網(wǎng)關(guān)來保證正常運行。采用星間鏈路將大大減少實現(xiàn)全球覆蓋所需的地面站數(shù)量，這也是LEO價值鏈中最昂貴的部分之一。采用星間鏈路還可以降低基于地面路由的傳輸延遲。雖然在技術(shù)上不如射頻星間鏈路成熟，但預(yù)計激光星間鏈路（OISL）的吞吐量要高得多，抗干擾能力也更強。對于一些即將到來的LEO系統(tǒng)，OISL仍處于測試階段，但它們已經(jīng)引起了國家安全應(yīng)用研究人員的極大興趣。

美國發(fā)展實用激光通信設(shè)備的工作進展迅速。美國國內(nèi)在激光技術(shù)方面有大量專業(yè)儲備，可以用之實現(xiàn)高效低成的OISL。降低成本是大型低地球軌道星座的一個關(guān)鍵問題，因為鏈路數(shù)量，特別是與不同軌道平面衛(wèi)星連接的鏈路數(shù)量，預(yù)計將導(dǎo)致成本大幅增加。美國Space Micro公司是一家向LEO系統(tǒng)提供低成本高性能激光終端的公司，它是美國政府在太空系統(tǒng)方面的一個固定合作伙伴。該公司最近與美太空軍就其100Gbps光通信終端簽訂了一份300萬美元的合同。許多美國公司已經(jīng)完成了光衛(wèi)星鏈路的初步測試和集成，也有國外激光終端設(shè)備提供商進入了該市場。

? 灰色地帶競爭活動

在最近一次測試中，總部位于美國的通用原子公司為SDA演示激光通信，其光終端與德國Tesat-Spacecom公司制造的激光通信終端連接。激光終端領(lǐng)域的另一個領(lǐng)先者是德國的Mynaric公司。該公司正在為Telesat公司的DARPA Blackjeck衛(wèi)星提供光學(xué)終端。有其他國家似乎也對這項技術(shù)感興趣，并試圖與Mynaric建立合作伙伴關(guān)系。這些向國外銷售的初步嘗試，以及其他國家對這項技術(shù)的興趣，表明了未來激光技術(shù)發(fā)展過程中可能出現(xiàn)灰色地帶競爭活動。

云技術(shù)已經(jīng)成為LEO跟蹤、分析和數(shù)據(jù)處理的新支持技術(shù)。美國亞馬遜公司計劃推出了自己的低地球軌道星座，并正在其亞馬遜網(wǎng)絡(luò)服務(wù)（AWS）平臺中建立地面站服務(wù)。亞馬遜公司聲稱已經(jīng)在全球AWS基礎(chǔ)設(shè)施區(qū)域網(wǎng)絡(luò)附近建立了“全球地面站網(wǎng)絡(luò)”。亞馬遜希望使地面站能處理指揮控制活動，整理數(shù)據(jù)，并將來自衛(wèi)星的數(shù)據(jù)與其AWS云服務(wù)融合。這種商業(yè)模式遵循亞馬遜公司傳統(tǒng)的云服務(wù)定價模式（允許客戶按使用天線的時間（分鐘）付費），并且該公司聲稱這種云服務(wù)能夠連接到任何運行在X或S波段的LEO或中地球軌道（MEO）衛(wèi)星。微軟公司也在向“地面站即服務(wù)”模式擴展，在2020年發(fā)布了微軟Azure Orbital云服務(wù)。

亞馬遜和微軟等主要云提供商構(gòu)建基于LEO的產(chǎn)品表明了該市場的價值。空間資產(chǎn)的云集成可以增強美國防部現(xiàn)有和未來計劃，但這些云產(chǎn)品都存在潛在安全風(fēng)險。許多較小的公司也在為低地球軌道開發(fā)專門的數(shù)據(jù)處理能力，可以與云產(chǎn)品結(jié)合使用。

? 灰色地帶競爭活動

美國的Kubos公司是一家軟件公司，提供基于云的衛(wèi)星基礎(chǔ)設(shè)施和星座飛行管理能力。它的主要軟件產(chǎn)品是開源的，但是可以根據(jù)安全特性和集成支持進行定制。2020年，Kubos與微軟合作，希望整合到新的Azure Orbital平臺中。從2018年到2020年，美國空軍授予Kubos公司三份價值約11.5萬美元的合同，研究將Kubos軟件集成到空軍系統(tǒng)中，以跟蹤太空中的軌道物體。

Kubos還從其他國家相關(guān)實體那里獲得了幾筆投資。其他國家的投資有些跟該國的軍事實體或技術(shù)相關(guān)，因此美國將對與軍事相關(guān)投資情況與提供美國軍事服務(wù)的公司之間的任何關(guān)聯(lián)進行額外研究。

05 美國政府和國防部在LEO領(lǐng)域的工作

美國的太空政策特別是低地球軌道層面工作一直在向商業(yè)化轉(zhuǎn)變。據(jù)美國家太空委員會稱，低地球軌道商業(yè)化是美國未來太空戰(zhàn)略的一個重要組成部分。美國防部的國防太空戰(zhàn)略（DSS）反映了這一轉(zhuǎn)變，提出繼續(xù)“保持太空優(yōu)勢”并利用太空商業(yè)化，保護商業(yè)太空能力以對抗對手。美國防部正在這一領(lǐng)域積極行動，正在制定“商業(yè)太空能力保護、支持和利用計劃”，同時還建立了新的合作伙伴關(guān)系。這些政策和決策使得美國防部在太空關(guān)系中的組織方式發(fā)生了重大變化，使其創(chuàng)建了新的組織和監(jiān)督小組來幫助實現(xiàn)這一目標。

在過去的三年里，美國防部一直在將重點轉(zhuǎn)向太空，更加強調(diào)太空資產(chǎn)和競爭。2019年，美國成立太空軍（USSF），旨在“保護美國和盟國在太空的利益，并為聯(lián)合部隊提供太空能力”。美國防部和國家安全空間天基資產(chǎn)的采辦被認為是一個至關(guān)重要的領(lǐng)域。美國防授權(quán)法案（NDAA）2020除了為新太空軍提供資金外，還成立了一個新的太空軍采辦委員會，負責(zé)在國家安全太空企業(yè)中“監(jiān)督、指導(dǎo)和管理采辦”。

美太空發(fā)展局（SDA）新的國防太空架構(gòu)（NDSA）的一個關(guān)鍵組成部分是部署一個低地球軌道衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)將采用一種多層架構(gòu)運行。目前，SDA正在通過啟動一系列階段來實施這種分層方法，這些階段將在每次迭代中解決整個計劃的不同需求。“0期”將是第一階段，旨在設(shè)計一個測試平臺，以演示技術(shù)能力，并在出現(xiàn)任何問題時有機會在后續(xù)階段進行改進。第一階段只包括傳輸層和跟蹤層的一小部分，其中將包括28顆衛(wèi)星。初始衛(wèi)星的開發(fā)和發(fā)射預(yù)計在2020~2023年進行，之后將于2024年開始“1期”，“1期”將包括由幾個不同供應(yīng)商制造的100至150顆衛(wèi)星。這些層的重要特性是該項目的模塊化性質(zhì)，允許不同有效載荷根據(jù)任務(wù)需要進行集成。SDA“1期”信息征詢書（RFI）列出了星座中對可大規(guī)模生產(chǎn)的衛(wèi)星部件的需求。NDSA正試圖利用低地球軌道的商業(yè)化，將商業(yè)產(chǎn)品集成到軍用專用模塊中。

SDA已確定了初始“0期”星座的組織方式，如圖2所示。傳輸層“在低地球軌道上建立網(wǎng)狀通信網(wǎng)絡(luò)，作為所有其他系統(tǒng)的骨干。SDA已經(jīng)向洛克希德?馬丁公司和約克航天系統(tǒng)公司授予了價值2.815億美元的傳輸層“0期”合同；同時，Telesat公司美國服務(wù)分公司與洛?馬公司合作，實際為該層生產(chǎn)20顆衛(wèi)星。SDA還授予L3Harris技術(shù)公司和SpaceX公司價值3.428億美元的合同，要求兩家公司為跟蹤層“0期”生產(chǎn)四顆過頂持續(xù)紅外（OPIR）成像衛(wèi)星。這兩個項目將在初始跟蹤層的寬視場（WFOV）項目和中視場（MFOV）項目上合作。SDA還授出了一份價值1.2億美元關(guān)于地基衛(wèi)星跟蹤能力的合同，該能力將位于美海軍研究實驗室的Blossom Point跟蹤設(shè)施。SpaceX公司則獲得了價值1.563億美元的28顆衛(wèi)星發(fā)射服務(wù)合同。

圖2 “0期”星座

DARPA的“黑杰克”（Blackjack）計劃和美導(dǎo)彈防御局（MDA）的高超音速和彈道跟蹤空間傳感器（HBTSS）項目與“0期”一起測試大型低地球軌道星座的可行性，并滿足新的任務(wù)要求。DARPA的Blackjack計劃希望利用太空商業(yè)化來降低成本，并開發(fā)一種可以快速適應(yīng)新任務(wù)需求的模塊化架構(gòu)。MDA的HBTSS項目旨在利用低地球軌道能力，使其更容易跟蹤超高音速導(dǎo)彈。這兩個項目都將直接用于發(fā)展美陸軍項目，并將成為美陸軍的關(guān)鍵要素。

美國國防高級研究計劃局（DARPA）啟動了“黑杰克”（Blackjack）計劃，測試低地球軌道衛(wèi)星能力是否匹配當(dāng)前太空需求，同時大幅降低成本并將商業(yè)元素納入該計劃。DARPA確定了該計劃要實現(xiàn)的三個關(guān)鍵目標：

· 開發(fā)有效載荷和任務(wù)級自主軟件，演示自主軌道運行，包括在軌分布式?jīng)Q策處理器；

· 利用先進商業(yè)制造方法開發(fā)和實現(xiàn)軍用有效載荷和航天器平臺；

· 演示LEO衛(wèi)星上的有效載荷，展示與當(dāng)前GEO系統(tǒng)相當(dāng)?shù)腖EO系統(tǒng)性能，并且航天器平臺、有效載荷和發(fā)射組合成本低于每個軌道節(jié)點600萬美元，同時有效載荷滿足商業(yè)平臺的尺寸、重量和功率限制。

該計劃的第一個目標要通過“Pit Boss”子項目實現(xiàn)的。Pit Boss是一個自主任務(wù)管理系統(tǒng)，將包括添加到每個LEO衛(wèi)星上的計算和加密軟件。硬件單元需要一個高速處理器，雖然無法從公開信息中獲知它將使用什么樣的處理器，但它說明美國防部需要一個安全的領(lǐng)先集成電路芯片制造商，而目前美國國內(nèi)還沒有領(lǐng)先生產(chǎn)商。美國國內(nèi)能力的缺乏可能會迫使該計劃使用較老芯片或從國外采購芯片，這兩種情況都會給該計劃增加額外風(fēng)險。總的來說，Pit Boss是一種架構(gòu)，通過這種架構(gòu)，可將低地球軌道星座的不同元素連接在一起，并協(xié)調(diào)星座中衛(wèi)星的不同能力。

Blackjack項目的第二和第三個目標正在通過開發(fā)20個衛(wèi)星平臺實現(xiàn)。衛(wèi)星平臺是一種可實現(xiàn)多種產(chǎn)品生產(chǎn)的標準衛(wèi)星模型，它帶有可支持多種衛(wèi)星有效載荷的基礎(chǔ)設(shè)施。這些平臺將是由當(dāng)前商業(yè)衛(wèi)星提供商制造的標準商業(yè)平臺，能夠添加模塊化軍事有效載荷。目前，該計劃已經(jīng)選擇了兩家提供商來構(gòu)建測試平臺。這些平臺將裝載具有不同任務(wù)參數(shù)的各種有效載荷，以測試LEO能力是否能夠匹配現(xiàn)有空間資產(chǎn)的當(dāng)前能力。這些平臺還將包括光星間鏈路，以確定激光技術(shù)對于LEO星座的可行性。

Blackjack計劃將徹底改變軍方利用太空的方式，并可能為美國提供巨大優(yōu)勢，但也增加了新的攻擊風(fēng)險。Blackjack計劃的關(guān)鍵方面是利用商業(yè)元素，這對美國來說既是一個巨大優(yōu)勢，也存在潛在風(fēng)險。由于使用商業(yè)衛(wèi)星平臺來降低每個軌道平臺的成本，并且使用商業(yè)提供商大幅降低發(fā)射服務(wù)成本，美國將擁有比對手更大的競爭優(yōu)勢。使用數(shù)百顆更小、更便宜的衛(wèi)星來提供與現(xiàn)有資產(chǎn)相似或更好的性能，將極大提高太空項目的魯棒性。新系統(tǒng)的模塊化特性可以快速適應(yīng)未來需求。然而，商業(yè)因素也為空間資產(chǎn)方面帶來了美國國防部之前不一定要處理的新風(fēng)險。

美國防部越來越多將商業(yè)實體引入太空領(lǐng)域可能有助于降低價格，但同時也將美國防部暴露在使用經(jīng)濟戰(zhàn)爭的對手面前。對手可以利用這些商業(yè)實體將自己的硬件送入太空，竊取技術(shù)，通過收購與兼并活動獲得領(lǐng)先的技術(shù)。將空間資產(chǎn)轉(zhuǎn)移到更小、更強大的平臺，將改變敵方的攻擊方式。敵方將非常有可能使用網(wǎng)絡(luò)空間等手段來利用商業(yè)提供商，瞄準地面站等技術(shù)，攻擊商業(yè)提供商網(wǎng)絡(luò)，甚至通過供應(yīng)鏈插入惡意元素。

超高音速彈道跟蹤太空傳感器（HBTSS）由MDA在SDA出資開發(fā)，并將與NDSA整合。HBTSS基于DARPA Blackjack計劃的經(jīng)驗，旨在成為追蹤和應(yīng)對機動高超音速威脅所需的復(fù)雜殺傷鏈的一部分。HBTSS與SDA的跟蹤層不同但與其協(xié)同工作。該項目重點是向陸基攔截器提供低延遲目標瞄準信息。HBTSS將擁有寬視場和中視場傳感器，這些傳感器將成為跟蹤導(dǎo)彈并為美陸軍THAAD和“愛國者”系統(tǒng)等攔截器）提供高質(zhì)量火控數(shù)據(jù)的綜合系統(tǒng)的一部分，。HBTSS最終將并入NDSA的跟蹤和傳輸層。最近，MDA宣布，該計劃的發(fā)射和早期軌道測試的階段II-b合同授予了L3Harris和諾斯羅普?格魯曼公司。

由于具有抗干擾、高帶寬通信特性，整個國家安全部門對光星間鏈路的興趣越來越大。通過使用激光而不是無線電波，光星間鏈路還可以節(jié)省寶貴的頻譜資源。HBTSS和SDA的傳輸層都可能使用光星間鏈路在網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)上進行高性能通信。然而，仍然存在一些明顯障礙，因為還不完全清楚發(fā)射和空間環(huán)境對激光通信所需敏感電子設(shè)備的影響，來自敵方的風(fēng)險也不完全清楚。美國宇航局在利用光學(xué)技術(shù)進行深空通信方面已取得了一些成功，但代價很高。在激增的LEO網(wǎng)絡(luò)中，低成本和跨系統(tǒng)互操作性是關(guān)鍵考慮因素，美國將對光星間鏈路的相關(guān)方面進行進一步研究。

美陸軍是美國防部衛(wèi)星資源的最大消費者之一，也將是SDA新LEO星座的最大用戶之一。美陸軍的戰(zhàn)術(shù)情報目標訪問節(jié)點（TITAN）項目已經(jīng)有幾份合同與LEO連通能力開發(fā)相關(guān)。TITAN系統(tǒng)將從多個域獲取數(shù)據(jù)，并成為“傳感器到射手鏈中的關(guān)鍵一環(huán)”。美陸軍到2025年的戰(zhàn)術(shù)電子監(jiān)視系統(tǒng)預(yù)算書將LEO戰(zhàn)術(shù)空間層確定為TITAN系統(tǒng)將使用的關(guān)鍵部分之一。連接到LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的TITAN系統(tǒng)正在進行演示和原型開發(fā)。戰(zhàn)術(shù)空間層應(yīng)該與SDA的分期系統(tǒng)和SDA傳輸、跟蹤和戰(zhàn)斗管理層保持一致。美國陸軍還將“LEO衛(wèi)星能力”列為預(yù)算項目，并授出了關(guān)于TITAN地面終端和原型地面站的兩份合同。

美陸軍的下一代藍軍追蹤器——車載任務(wù)指揮傳輸系統(tǒng)（MMC-T），也在設(shè)計中考慮了利用LEO系統(tǒng)。2019年，該項目的預(yù)招標文件大綱確定了新系統(tǒng)的要求之一為連接LEO衛(wèi)星的能力。盡管MMC-T仍處于早期開發(fā)階段，但因為它旨在處理任務(wù)指揮控制，很可能可與SDA新LEO網(wǎng)絡(luò)的戰(zhàn)斗管理層連接。通過這種方式，未來指揮控制將有可能通過SDA的新LEO星座實現(xiàn)，顯示了LEO衛(wèi)星對軍隊的重要性。

美陸軍的關(guān)鍵任務(wù)之一是導(dǎo)彈防御，主要通過THAAD和“愛國者”導(dǎo)彈防御系統(tǒng)完成。而超高音速滑翔飛行器（HGV）由于其機動和變向能力以及低空和缺乏彈道軌跡特點，可能對現(xiàn)有探測系統(tǒng)提出挑戰(zhàn)。美國防官員曾表示，“現(xiàn)有陸基和天基傳感器架構(gòu)不足以探測和跟蹤超高音速武器”，美國目前正在開發(fā)SDA的跟蹤層，以便與HBTSS一起跟蹤超高音速武器。DARPA還與諾斯羅普?格魯曼公司合作開發(fā)了一個名為Glide Breaker的反超高音速武器計劃，該計劃很可能與諾?格公司正在為美陸軍開發(fā)的一體化防空反導(dǎo)作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)相連接。通過SDA的跟蹤層，LEO網(wǎng)絡(luò)與MDA的HBTSS將在提供超高音速飛行器跟蹤能力方面發(fā)揮關(guān)鍵作用，跟蹤數(shù)據(jù)將提供給美陸軍可能部署的任何導(dǎo)彈防御系統(tǒng)。

06 美國未來工作重點

由于政府和商業(yè)活動越來越依賴太空資產(chǎn)，美國已將太空將視為其關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的一部分。美聯(lián)邦政府將采取額外的措施來確保太空系統(tǒng)的可靠性和安全性，因為它的許多方面是由私人實體管理的。

美國已經(jīng)采取了一些措施來保護航天工業(yè)的重要方面，要求運營商在考慮供應(yīng)鏈風(fēng)險的同時，將網(wǎng)絡(luò)防御納入其系統(tǒng)。美太空采辦委員會也在監(jiān)督、指導(dǎo)和管理各部門太空系統(tǒng)和計劃的采辦和整合，并采取措施確保該行業(yè)能夠抵御當(dāng)前威脅。

美國正在引領(lǐng)當(dāng)前航天領(lǐng)域的新企業(yè)和技術(shù)創(chuàng)新浪潮。為了與國家目標相協(xié)調(diào)，促進這一行業(yè)的長期穩(wěn)定發(fā)展，美國政府正在將其角色從太空產(chǎn)品和服務(wù)的主要開發(fā)者調(diào)整為重要消費者，美政府將提供穩(wěn)定指導(dǎo)和預(yù)計需求。為了促進航天工業(yè)的競爭和創(chuàng)新，美國政府機構(gòu)和部門將在以往經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，制定維護其利益的具體戰(zhàn)略，關(guān)鍵焦點包括區(qū)分空間用戶頻譜可用性的優(yōu)先順序，努力資助下一代技術(shù)研究，以及提供關(guān)于未來需求的明確方向。

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