中国指挥与控制学会会刊 
星链英文名称Starlink,是SpaceX公司于2015年推出的低轨卫星互联网星座,旨在提供高效的全球卫星通信服务。在俄乌冲突中,SpaceX公司向乌军提供了2万个终端,有效提升了乌军在信息拒止条件下的通信能力。2022年12月,美军与SpaceX公司签署“星盾”计划,SpaceX公司将以3万颗卫星为美军提供传感、通信、导航服务。
目前,星链的相关研究主要集中在技术领域,可以概括为七个方面,即星座构型、发射情况、星间链路、星座管理、路由机制、安全策略以及组网运行。与作战相关的研究成果主要分三类,一类是集中研究俄乌冲突中星链的作战运用[1⇓-3],突出城市作战;另一类是以星链的特点为基础,研究星链对作战可能产生的影响[4-5];还有一类是利用仿真手段分析星链对地面的覆盖情况[6],但作战问题研究仅限于技术层面。当前,星链作战运用研究的主要问题在于基本情况认知不全,主体服务对象不作代入,作战理论分析不成体系。
因此,本文基于对星链基本情况研究现状的总结,从作战理论的四个层次对美军在大国高端战争中使用星链的可能情况进行了分析,最后结合仿真实验,对星链的中期能力进行了评估。
1 星链基本情况
星链计划在2019—2024年间完成由1.2万颗卫星构成的第一星座,之后再发射3万颗卫星构成第二星座。后调整为在2024年完成第一星座的一半,2026年前后完成第一星座。本文面向第一星座展开研究。
1.1 星座构型
第一星座分两个阶段部署,其中第一阶段由5个壳层的4 000多颗卫星构成,以高度540 km左右、倾斜53°左右的壳层1与壳层2为主;第二阶段由3个壳层的7 000多颗卫星组成,高度340 km左右,倾角分别为42°、48°、53°。一阶段壳层的主要构型是72轨道面,每个轨道面有22颗卫星。二阶段卫星分布更为密集,72轨道面的情况下,每个轨道面将有35颗卫星。星座构型如图1 所示。
1.2 发射情况
星链发射使用美天军的发射基地,运载器为可以做到10次以上重复使用的猎鹰火箭,主要发射加装了星间链路的1.5版本星链卫星,卫星重295 kg,目前单次发射最大运载56颗,年发射数量在2000~3000颗。2.0版本卫星设计通信能力达到1.5版本的4倍,但重量达到1 250 kg。因此,要利用星舰进行运载,星舰首次发射失败使计划相应后延,是否使用2.0代替1.5尚且没有声明。目前,2.0 mini版本已经利用猎鹰火箭发射2 248颗,单次运载20颗左右。
1.3 星间链路
星链的星间链路包括同轨道、异轨道卫星之间的永久链,以及大量临时的交叉链[7],其数量与通信距离的关系如表1 。
表1 有效星间通信距离与星间链路数量的关系表Tab.1 The relationship between effective inter-satellite communication distance and the number of inter-satellite links |
| 链路距 离/km | 永久星间链路数量 | 临时星间链路数量 | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 同轨 | 临轨 | 近轨 | 总计 | 临轨 | 近轨 | 交轨 | 总计 | |
| 659 | 2 | 0 | 0 | 2 | 4 | 21 | 37 | 62 |
| 1 319 | 4 | 0 | 0 | 4 | 8 | 41 | 67 | 116 |
| 1 500 | 4 | 2 | 0 | 6 | 8 | 43 | 85 | 136 |
| 1 700 | 4 | 6 | 0 | 10 | 4 | 53 | 87 | 144 |
| 5 016 | 14 | 30 | 44 | 88 | 2 | 113 | 281 | 396 |
研究者认为目前单个星链卫星所具备的建立4个星间通信链路的能力远远不能够支持大规模的星间通信,必须将大量临时星间链路利用起来。从表1 来看,星链目前可靠星间通信距离应该在1 000 km~2 000 km。
星间链路还存在网络拓扑更新的问题,周期太长将导致大量可用链接丧失,周期太短会导致频繁切换,增加管理难度。中国空间技术研究院[8]利用整数线性规划给出了优异的拓扑更新策略。
1.4 控制策略
星链本质上提供了一种接入服务,在全球拥有150个信关站,对卫星的管控包括测控和运控,预报过顶时间及进行任务分配。李宁[9]等人提出了一种域管控策略,将星座网络拓扑划分为若干域,每个域中选择一个簇首,进行初始化并动态维护,使地面参与管理的卫星节点数量降至14%。
除了星座整体的控制策略,还需要考虑单星的机动控制策略。余舜京[10]等人通过公开的运行信息绘制其高度变化情况,发现星链的控制策略不同于传统的化学推进使用的集中式边界控制方法,而是针对电推进特点使用频繁的分布控制,这种控制具有较高的精度。
1.5 路由策略
1.6 安全策略
星链的安全策略包括两方面,即规避碰撞与规避干扰。仿真实验[10]中,两颗星链卫星之间的距离最小可以达到4.9 km,小于最小的安全距离10 km,避碰既要考虑太空碎片,也要考虑两星之间的碰撞。对于地面可观测的碎片,可以将预测碰撞风险上传至星链卫星之后,星链卫星进行自主规避。
1.7 组网运行
星链目前已有大量地面信关站,为部分地面移动通信不发达的地区的民众提供了卫星通信服务。低轨卫星互联网星座经济效益模型的研究[15]指出,综合考虑数据容量与投资成本,星链只有在用户密度较低的地区才能维持有竞争力的通信。但人口主要集中在城市,而星链有限的通信容量对城市服务来说太小,无法与5G或6G竞争。因此,其网络服务未来主要还是面向政府与军队,独立组网运行以提高其安全性的可能较大。
整体来看,以上7个方面都已经有比较成熟的方案或技术手段,星舰发射与2.0入轨将进一步提升其网络建设速度及能力增长速度。俄乌冲突中星链的表现只是冰山一角,深入研究星链的作战运用十分紧要。
2 星链作战运用框架分析
从美军近年来的作战概念看,“穿透性制空”“分布式杀伤”“远征前进基地”都面向区域据止环境,以打赢濒海高端战争为目的。因此,有必要研究美军在区域据止环境中如何运用星链实现区域介入。
美军的军事理论包括作战构想、作战概念、作战条令三个层次,其中,作战条令包含具体的战术、行动、程序,但星链在条令中的具体运用尚未可见。因此,需要围绕美军区域介入的目的,在其作战概念所包含的具体行动中进行星链作战运用研究。
在近海,美军设想利用大量的无人系统以及小型编队进行“分布式杀伤”;在近海岛屿,美军设想利用远程火力进行“远征前进基地”作战;在远海,美军设想利用航母起飞的舰载机进行“穿透性制空”。
其中,“分布式杀伤”包含无人机蜂群作战、有人/无人协同反潜、有人舰艇防区外打击、无人舰艇自主反舰等作战行动;“远征前进基地”主要是精确智能远程火力打击行动;“穿透性制空”主要是进行高强度多轮穿刺打击濒海目标、“忠诚僚机”编队多轮穿刺进行空中格斗。星链支撑上述行动要在多个杀伤环节中发挥不同技术能力,因此,需要首先分析星链的技术能力边界。
综上所述,分析星链作战运用应该从技术能力、杀伤环、作战行动、作战样式、作战目的5个层次考虑。其中作战目的与作战样式已经明确,由于杀伤环节、作战行动随着星链的技术能力更新会不断变化,因此,以数个行动的杀伤链分析进行举例说明。整体框架如图2 所示。
3 星链作战运用技术能力分析
美军提出了7层国防太空架构,包括一个地面支持层,以及太空的传输层、战斗管理层、跟踪层、监控层、导航层、威慑层。星链的技术能力主要体现在传输层、监控层、导航层。
3.1 高质量信号传输
星链1.5版本单星下行通信容量在20 G左右,“星盾计划”1.5万颗卫星若全部携带通信载荷,考虑2.0版本通信能力为1.0版本的4倍,则星座总带宽在1 200 T。
美军现在最先进的AEHF通信卫星,即“先进极高频”,单星430 M带宽、重达4吨,星间传输速率60 M/s,目前总共发射了6颗卫星。相比较而言,星链的单星带宽大,重量小,但其规模庞大带来的通信能力与AEHF相比已不在一个量级。
另一个低轨卫星互联网星座“铱星”,单星700 kg,最大下行速率200 M,共66颗卫星覆盖全球,相比之下,星链的单星带宽提升了100倍,数量提升了200倍以上,具体参数对比如表2 。
表2 星链2.0与其他通信卫星参数对比Tab.2 Comparison of parameters between Starlink 2.0 and other communication satellites |
| 重量 | 数量 | 单星带宽 | 星间传输速率 | |
|---|---|---|---|---|
| 星链2.0 | 1 250 kg | 15 000 | 80 Gbps | 10 Gbps |
| AEHF | 4 000 kg | 6 | 430 Mbps | 60 M/s |
| 铱星 | 700 kg | 66 | 200 Mbps | 25 M/s |
另外,星链的低轨道,成熟的星间链路建设规划与路由策略带来了较低的时延,测试时延在25 ms左右,远低于同步轨道通信卫星。星链广域分布的低时延大容量军事通信可以支持前线情报目指回传、远程指令下达、远程目指下达、无人系统远程控制、无人系统广域自组网等环节。
3.2 有限的目标监控
从杀伤链的角度,发现、定位、跟踪、瞄准都属于监控的范畴。从北美防空司令部建立的星链运行可视化网站上可以看到,上升段的星链卫星间距在100 km左右,如此高密度的星座足以形成视场重叠与长时间、连续区域监控,做到发现、定位、跟踪,但瞄准阶段是否能提供有效目指仍然存疑。
传统的低轨大型光学侦察卫星如“锁眼12”,重达17吨,雷达侦察卫星如“长曲棍球”,重达15吨,即使考虑星载一体化等卫星设计技术的进步以及侦查设备的轻量化,重量1 250 kg的星链2.0单星仍无法满足高质量的侦察载荷需求,但这并不能完全否定其提供有效目指的能力。
以“鸽群”遥感星座为例,单星重量只有5 kg,搭载的高倍望远镜却能够以3~5 m精度拍摄到我军南海演习的情况。即使星载能力有限,但考虑多星的情报合成、低精度目指条件下导弹的射击方法、纯方位目指情况下导弹的搜索策略[16],星链仍旧有可能提供有效目指。
3.3 高精度导航定位
伦敦大学学院的研究团队研究了受干扰情况下星链对地面车辆及无人机的辅助导航能力[17],在仿真环境中,对于运动中的车辆或无人机,切断其全球导航定位,利用惯性导航向预定目标运动300 s之后结束仿真并统计误差,惯性导航分为全球导航定位系统辅助(GNSS-INS)与星链星座辅助(LEO-INS)两种类型,实验结果如表3 所示。可以看到,在信号受干扰的情况下,星链的辅助导航能力优于传统的全球定位系统。
表3 星链与GPS辅助导航能力对比Tab.3 Comparison of star link and GPS assisted navigation capability |
| GNSS-INS | LEO-INS | ||
|---|---|---|---|
| 车辆 | 均方根误差/m | 118.5 | 21.6 |
| 最终误差/m | 472.7 | 53.6 | |
| 无人 机 | 均方根误差/m | 2713 | 13.75 |
| 最终误差/m | 5554 | 28.49 |
4 星链作战运用之行动杀伤链分析
4.1 智能远程火力打击
在陆战领域,以智能远程火力打击作战为例。美陆军使用低轨卫星与无人机进行探测,发现目标后迅速将信息回传至战术情报地面接入点,将信息输入“普罗米修斯”进行快速的目标分析与坐标计算,得到可靠目指之后利用人工智能“火力风暴”进行迅速的弹目匹配,形成多套方案之后由指挥官进行决策,命令下达后由远程精确火力进行打击。如图3 所示。
星链的庞大规模、高速星间通信以及分布式计算的成熟使得“普罗米修斯”与“火力风暴”存在星上运行的可能,能够提供情报回传、远程指令下达、远程目指下达、武器飞行控制等服务,在美军遭受重创,指挥机构无法遂行职能的情况下,星链可以独立发现、定位、跟踪、瞄准、评估,支撑远程精确火力完成打击,实现人不在回路的杀伤链。
4.2 有人/无人协同大洋反潜
在海战领域,以有人/无人协同大洋反潜为例。平时利用各种平台常态化搜集海洋环境信息与目标特征,战时利用大型无人潜航器、水下预置武器、敏捷反潜系统进行反潜作战,必要时与反潜机、驱逐舰等进行协同反潜。
星链作为成功的广域信息网络,描绘了一幅“军事物联网”的宏大场景,数字孪生技术的成熟使得无人系统在稳定信息支援条件下可以发挥出堪比有人平台的能力,星链能够提供前线情报、目指回传、远程指令下达服务、远程目指下达,使得有人/无人协同大洋反潜将呈现出更强烈的无人化与“物联网”特征,杀伤链闭合速度与效率得到大幅提升。如图4 所示。
4.3 无人蜂群作战
在空战领域,以无人蜂群作战为例。2017年DARPA为小精灵项目提出了分布式空中作战运用的作战构想,基本内容是由卫星发现目标并通过云网络回传至情报中心,由情报中心上传至指控节点,指控节点向C-130发送目标位置并下达攻击指令,C130在目标防区外释放侦察、攻击、干扰类型的无人机,以蜂群的形式对目标进行探测与干扰,侦察型与攻击型无人机进行通信引导打击。
星链加入前线情报目指回传、远程指令下达、无人系统广域自组网、目标跟踪、部队机动等环节,使得蜂群自主协同能力增强,蜂群与云端智能系统之间的即时交互成为可能,蜂群的智能程度以及战场适应性会得到大幅提升,杀伤链弹性升级,如图5 所示。
本节选取了分析框架中陆、海、空三个作战域的典型作战行动进行了举例说明,基于技术能力分析,分别描述了星链系统对现有作战行动杀伤链的构成、弹性、效率带来的影响。应该认识到,星链有融入几乎所有作战行动的潜力,可以说星链是美军实现“分布式杀伤”“远征前进基地作战”“联合全域指挥控制”等核心作战概念的泛在底层联通传感系统,未来必将深度嵌入美军作战体系。
5 星链作战运用仿真分析
公开发表的星链仿真分析多以专业的卫星仿真工具STK进行。受限于STK的运行速度,多以一个壳层1 584颗卫星为仿真对象,因此规模受限。
考虑Matlab优异的计算能力,本文主要依赖Matlab的卫星工具箱,以星链第一星座1.2万颗卫星为对象,对其在智能远程火力打击行动中的武器飞行控制能力进行分析。
5.1 星链星座仿真
星座仿真流程如图6 所示。
1.2万颗星链卫星的TLE文件一部分来源于北美防空司令部网站,包括现有的4 000多颗卫星,剩余7 000多颗卫星的TLE根据星链建设规划由STK生成。
其中,Matlab星座仿真主程序对星链卫星仿真回放如图7 所示。
星座对地面点覆盖时域变化情况如图8 所示,其中横轴为时间,纵轴为地面点被覆盖情况,可与卫星连接则覆盖性为1,否则为0。
5.2 星链作战运用仿真框架
除星座仿真主程序之外,交战仿真还包括导弹仿真、目标仿真、星弹铰链原理仿真、导弹命中解算4个子程序。由于本文主要关注星链的作战运用,因此对导弹仿真、目标仿真、星弹铰链原理仿真、导弹命中解算基于主要原理建立了轻量级程序模型。
导弹仿真主要实现基于星弹通信的目指更新,目标仿真主要是点目标的路径设计,星弹铰链仿真主要是导弹可见的卫星连接选择,导弹命中解算主要考虑导弹落点与目标之间的距离。程序逻辑如图9 所示。
5.3 仿真实验设计与实验分析
基于以上仿真框架,以火力单元数量、单星数据容量、制导弹药比例为自变量,以摧毁的目标数量为因变量。实验设计如表4 所示,单星数据容量20 G为1.5版本卫星,80 G为2.0版本,考虑星链建设情况与美军导弹星弹铰链能力,以2水平的单星数据容量与2水平的制导弹药比例交叉组成4个基本情况,再分别在4水平的火力单元数量下进行实验,其中每个火力单元有16枚导弹。
表4 实验设计Tab.4 Experimental design |
| 实验 编号 | 火力单元 数量 | 单星数据 容量 | 制导弹药 比例 | |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 1 | 20 G | 50% | 情况1 |
| 2 | 1 | 80 G | 50% | 情况2 |
| 3 | 1 | 20 G | 100% | 情况3 |
| 4 | 1 | 80 G | 100% | 情况4 |
| 5 | 4 | 20 G | 50% | 情况1 |
| 6 | 4 | 80 G | 50% | 情况2 |
| 7 | 4 | 20 G | 100% | 情况3 |
| 8 | 4 | 80 G | 100% | 情况4 |
| 9 | 6 | 20 G | 50% | 情况1 |
| 10 | 6 | 80 G | 50% | 情况2 |
| 11 | 6 | 20 G | 100% | 情况3 |
| 12 | 6 | 80 G | 100% | 情况4 |
| 13 | 15 | 20 G | 50% | 情况1 |
| 14 | 15 | 80 G | 50% | 情况2 |
| 15 | 15 | 20 G | 100% | 情况3 |
| 16 | 15 | 80 G | 100% | 情况4 |
统计16组实验下命中目标数量,结果如图10 。
纵向看,从情况1到情况4命中目标越来越多,说明卫星数据容量与制导弹药比例都与打击能力正相关;对比情况2与情况3,制导弹药比例下降的情况下,提升卫星数据容量命中目标数量增加,说明卫星数据容量是更重要的制约因素。横向看,四种情况都显示火力单元数量增加引起命中目标数量上升,但在高带宽卫星通信网络保障下,打击能力提升更为迅速。
以上实验结论说明,星链作为高带宽低轨卫星通信星座,能够有力保证大规模远程精确武器作战效能,支撑美军实施分布式作战。
6 结束语
本文首先从星链系统7个方面的基本情况出发,研判了其建设情况,得到星链系统技术成熟、作战运用潜力大的初步结论。其次,给出了星链作战,运用分析的基本框架,在此框架内,重点从技术能力支撑杀伤环和杀伤环支撑行动杀伤链两部分对星链作战运用进行了理论解析。最后,以星链在智能远程火力打击行动中的作战,运用仿真实验定量分析了星链系统对于该杀伤链效能所起到的倍增器的作用。星链系统仍在迅速扩大规模,星链的作战运用研究是解析美军未来作战的重要途径,运用更系统的理论分析框架、更完备的作战仿真平台将进一步提升星链作战运用分析的可信性。