从空间传感器层到下一代空间架构！美国下一个太空计划？

前言

2018年美导弹防御局希望增加新的空间传感器层，以探测和跟踪高超音速武器。探测和跟踪高超音速导弹是五角大楼试图解决的难题。地面雷达、卫星和拦截器防御系统保护美国和盟国免受的弹道导弹的攻击。但该系统对于非弹道武器如以数倍音速飞行并在不可预测方向进行机动的高超音速飞行器完全无效。2019年新成立的美太空发展局则提出了下一个空间架构，这个“层”和“架构”有什么关系呢？我们一起来看看。

当前美弹道导弹防御系统

美目前的弹道导弹防御系统是一种分层结构，旨在导弹导弹飞行的不同阶段提供多种机会，在导弹及其弹头到达目标之前将其摧毁。该系统包括基于空间和地面的传感器，以及用于目标探测和跟踪的海基雷达。通过战斗管理网络连接的地基和海基拦截器位于全球各地的关键位置，以对抗来袭导弹。

华盛顿智库战略与国际研究中心的防务分析师汤姆卡拉科说，高超音速武器将瞄准美国导弹防御的“缝隙和接缝”。高超音速武器可以在洲际弹道导弹上发射，使得当前的美国卫星，例如在地球静止和高椭圆轨道上运行的天基红外预警系统可以检测并跟踪其助推段。但随后高超音速武器可能会与其助推器分离并在地球大气层顶部滑行，不规则地飞向其指定目标。它可以通过绕飞雷达探测区域以及大气层的上空穿越美国的导弹防御系统，而部署在关键地域的爱国者以及萨德导弹拦截系统实现对来袭目标的拦截。

美导弹防御局目前的方案是部署中低轨导弹跟踪卫星星座，它将为现有防御系统提供新的传感器。这组中地轨传感器可以实现对高超音速飞行器的全程跟踪。由于地面雷达只有在在地平线时以上才会发现目标，相比地面雷达这种中地轨导弹跟踪卫星星座具有很大优势。

美国战略司令部司令约翰·海滕将军坚持认为，新的太空传感器是探测高超音速武器并跟踪它们的最有效选择，因此它们可以在击中预定目标之前被截获。但五角大楼还没有明确所谓的空间传感器层的细节（光学传感器还是雷达传感器 ），或者是否可以负担得起这样的系统。美国国会敦促五角大楼尽快解决这个问题，它为五角大楼2019年的预算投入了7300万美元，以启动一项计划，仍在研究空间传感器层的预计总成本。相对于可能部署的传感器层所需要资金，7300万美元的预算杯水车薪。虽然五角大楼加强了关于高超音速导弹威胁的言论，但似乎并不急于部署新的防御系统。与此同时，五角大楼正在等到2020年的预算，至少在一年内不会由国会最终确定 是否启动高超音速防御计划。五角大楼发言人中校MichelleBaldanza表示，该部门“正在审查“空间传感器层”的资金。”Baldanza在给SpaceNews的一份声明中表示，导弹防御局正在分析9月27日获得合同的公司提出的建议，以设计基于空间的传感器层的概念。目前的正在进行的九个公司所承担项目的目标是进行空间传感器层的原型概念设计，目前导弹防御局正在审查这些研究，以便支持完善技术开发阶段的要求，最终的技术架构将在技术开发阶段后选出来。

2018年夏天，导弹防御机构通过空军领导的太空企业联盟，向洛克希德·马丁公司、雷神公司、诺思罗普·格鲁曼公司、通用原子公司、马克萨尔公司公司、德雷珀实验室公司、雷迪欧公司、千禧太空公司和波音公司等九家公司签订了100万美元的研究合同。研究用于高超音速导弹防御的空间传感器层的概念设计。该联盟最初将项目命名为导弹跟踪系统，但导弹防御局最近更名为“空间传感器层”，项目的研究工作将在将于2019年2月完成。

尽管对未来的资金存在不确定性，国防和航空航天承包商仍然非常关注空间传感器层项目。这项努力放缓的一个原因是，五角大楼花了比计划更长的时间来完成制定未来计划的高级别导弹防御计划。业内消息人士称，在如何处理高超音速防御方面存在内部分歧，其中一个争论是美国在计划新系统时应该如何与盟友合作，另一个有争议的话题是五角大楼是否有能力在预算有限的情况下开始进行代价高昂的采购。

特朗普政府的五年防务计划预计2019年至2023年期间的防务增长率仅为1.2％。战略与国际中心的防务分析师Todd Harrison，认为一个新的星座“可能包括一个较低的轨道空间层，用于跟踪和目标识别。”

格里芬对五角大楼无力承担太空传感器层的说法嗤之以鼻，并且认为该技术已经存在于公开市场。他说，五角大楼不必花费数百亿美元从头开发系统，这一点得到了Baldanza的回应。“我们推荐的“空间传感器层”方法将利用成熟的商业技术，并与非传统承包商合作，以最大限度地降低成本和进度，”她说。“由于行业研究中的商业技术，我们已经看到了潜在的成本节约。例如，团队建议使用商业卫星总线来制作原型概念，并使用技术成熟的组件设计传感器有效载荷。“

行业观点

航天工业顾问Mike Tierney表示，高超音速导弹防御“被视为商业市场中大好机会。每个公司都想要争夺一块。这是一项新的能力，并且拥有强大的国会支持。前导弹防御局官员，现任诺斯罗普·格鲁曼公司导弹防御解决方案副总裁肯尼思·托多罗夫表示，与传统导弹相比，挫败高超音速飞行器要困难得多。这种高超音速飞行器的飞行轨迹无法预算，能够避开雷达的探测，并且可以用于多个战争领域，包括攻击航母或者携带核战斗部。这次高超音速飞行器向弹道导弹一样发射，但是再入飞行阶段以数个马赫的速度进行机动飞行。目前美国的弹道导弹防御传感器和指控系统无法应对这种威胁。导弹防御局要求提交概念的每家公司也提供粗略的成本估算。

导弹防御空间层的基础将是卫星和传感器，但它也需要人工智能和其他先进技术来处理数据并为指挥官提供实时更新，新传感器层收集的数据将与现有导弹预警卫星和其他情报来源的数据进行融合处理。未来的导弹防御常感器不会依赖于单一传感器，而是来自多源传感器网络，并且实现信息处理过程的智能化和自动化。通过开发星载实时数据处理的“智能”卫星。

空间传感器层肯尼将在未来几年内从概念变为现实。这个项目受到国会非常有利的支持，现阶段研究的成果可以持续的支持下一个阶段的研究，其中人工智能将在数据处理环节中发挥重要作用。在高超音速导弹防御系统中，会有“互补的架构”，未来空间传感器层将可能是一个混合的轨道，对于不同轨道的相对成本和收益各个公司的设计不同，需要考虑整个端到端架构，包括空间部分以及地面部分的集成。除非五角大楼很快开始开发和测试原型，否则该计划有可能会陷入研究困境。从目前的发展来看，该计划于美新成立的太空发展局（SDA)所发布的项目指南所涉及的概念极其相似 ，虽然SDA被很多美方高层诟病，指其职能与现有的机构重合，该新的任务是迅速开发和部署基于威胁驱动的下一代空间体系架构，以对抗敌拒止其太空系统的能力。该机构负责快速开发并部署下一代太空能力，以威慑、削弱、拒止、干扰、破坏或操控对手，保护美国的利益。

太空发展局的项目

美太空发展局（SDA）向业界发布相关项目指南信息，这些信息可以促成敏捷、响应迅速的下一代空间架构，这个下一代空间架构极有可能是在前期美国九个公司研究成果的基础上所提出的 。如图所示，SDA已经开发了一系列功能，包括解决上面列出的八个优先级的多个星座（或“层”）。每层为整体架构提供了完整的集成功能。SDA的概念架构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。根据“国防部太空愿景”提出的八项关键太空能力，太空发展局提出由7大功能层构成美军下一代太空体系。

一是传输层： 提供全球范围7×24小时不间断、低延迟的数据传输与通信；

二是跟踪层：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 ；

三是监控层： 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；

四是威慑层： 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；

五是导航层： 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；

六是战场管理层： 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；

七是地面支持层： 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。

从上述7层体系结构可以看出，跟踪层与监控层主要服务于导弹防御，主要针对高超声速飞行器等先进天基目标的全程目标探测、跟踪与指示；威慑层与导航层主要面向太空攻防对抗，作战范围从低轨道、地球静止轨道扩大延伸到更高更远的地月空间；战场管理层面向太空智能化发展，进一步增强天基信息支援联合作战的时效性和便捷性；地面支持层提供大规模小卫星星座的快速发射、测控与应用支持，确保对抗条件下小卫星星座的快速补充与更新，提高卫星大规模地面应用效能；传输层提供天地之间、不同功能层卫星之间、同一功能层不同卫星之间的互联互通，构成下一代太空体系的技术基础与共性支撑。

为对付高超音速武器，五角大楼欲建造超级太空传感器层

福布斯网近日披露，特朗普政府正在进行一系列秘密军事太空项目，这些项目总耗资将达数百亿美元。其中有一个项目由于其规模太大而无法隐藏：该项目计划建立一个太空传感器层，可将数百颗卫星分布于低地轨道上，用于跟踪敌方的高超音速导弹及其他弹道导弹。

几十年来，五角大楼一直在研究如何拦截针对美国前沿部署部队、海外盟国和美国本土的弹道导弹的方法。远程导弹通常比近程导弹更难拦截，因为它们的飞行速度更快，且洲际导弹通常配备有突防辅助装置（如诱饵）以躲避拦截。

然而，所有弹道导弹都有一个共同点，它们的弹道相对稳定，从而可以较为容易地估算其大致的目标位置。然而现在出现了一个新的危机——高超音速导弹，它甚至可能使华盛顿在导弹防御方面的巨大投资付诸东流：该导弹可在大气层以内以每秒1英里或更快的速度滑翔，且运动轨迹不可预测。

由于高超音速导弹的飞行速度通常要比远程弹道导弹要慢，五角大楼已经建立的拦截系统具备一定的防御能力。但该系统缺少一个传感器网络，用于跟踪敌方导弹并将拦截导弹引导至其附近，对其进行摧毁。

这就是为什么太空传感器层至关重要的原因。目前跟踪弹道导弹的方法是在采用地球同步轨道上的天基红外卫星探测到导弹发射，然后提示地面雷达系统跟踪它们的轨迹。但这在应对高超音速武器方面是行不通的，因为它们的飞行高度比较低，通常在大气层以内。受地球曲率的影响，地面雷达通常只能在它们还有几秒钟就到达目标的时候才能发现它们。

克服这一难题唯一切实可行的办法是从高空俯视这些低空飞行的高超音速飞行器，换句话说就是需要从太空进行俯视。现有地球同步传感卫星距离地球太远，无法精确感知到大气层中的高超音速导弹或在太空中滑行的弹道导弹，因此五角大楼需要一个位于较低轨道的卫星群来完成这项任务。

其实这并不是一个新构想，前五届美国政府就曾提过要发展天基传感器层。不过由于敌方弹道导弹的路径是可预测的，所以规划人员认为并非一定要用低地轨道传感器网络来作为同步轨道上预警卫星的补充。然而，随着高超音速武器的出现，美国对更多天基传感器的需求开始迫切起来。虽然高超音速武器基本还属于未来时，但各大国对这方面的投资力度很大，给美国的防御能力带来了压力。美国导弹防御局和航天发展局认为，低地轨道（高度1200英里或更低）是跟踪高超音速导弹威胁及许多其他弹道导弹威胁的最佳位置。

但美国国防部的决策者们仍未就如何协调各方资源、明确统一行动架构等达成一致。参谋长联席会议副主席约翰·海顿最近就抱怨道，在确定谁该做什么以及如何做等方面已经浪费了太多时间。国会的拨款者们也注意到五角大楼内部对如何开展行动缺乏共识，并对有可能出现的重复工作表示担忧。

建设太空传感器层极具挑战性，因为在低地轨道上，卫星并不像地面上看起来是固定在一个点上的，它们的对地相对速度可达每小时数千英里。这也就是说，哪怕只持续覆盖某一特定区域，一个轨道平面上可能需要安置数十颗卫星，以确保当其他卫星位于地平线以下时，至少有一颗卫星可以看到正在发生的情况。若要覆盖整个地球，那么就需要数百颗低轨卫星分布在多个轨道平面上，同时还需要建立传输网络，以确保整个星座的互联互通，并能够实时向地面决策者报告战术信息，该项目的总成本可想而知。

美国空军上将约翰·海滕呼吁，五角大楼应尽快着手启动该目的建设并形成星座。但有分析者认为，太空传感器层需要与五角大楼现有的太空红外传感器系统进行整合，也要与当前进行中的其他军事太空活动统筹，其中的涉密项目很多，所以会很复杂，最快也要到2025年左右才能初步运行。

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