0 引言
SpaceX公司首席执行官马斯克在2015年初提出“星链(STARLINK)”计划,到2024年9月,星链计划卫星升空总数已经达到7 000颗以上,仅2024年一年就升空1 417颗卫星,在轨提供服务的卫星数量呈爆发增长态势。星链计划服务的国家和地区也达到了100个,且随着其升空卫星数量的增加,服务覆盖的范围也在不断扩大[1]。作为迄今为止规模最大的巨型低轨星座卫星项目,星链使得国内外学者以及公众认识到了巨型低轨星座在通信、测控、遥感以及军事领域的巨大潜力。本文梳理巨型低轨星座发展与特点,总结其军事应用进展,基于杀伤链、杀伤网概念进行计算分析,研究其在精确制导领域的应用前景,并给出我国相关项目的发展建议。
1 国内外低轨星座项目巨型化发展及其特点
1.1 国外低轨星座项目
从20世纪80年代开始,第一代低轨星座计划开使逐步实施并提供商业服务,其中以铱星系统以及全球性系统为代表,其主要特点有规模不大,在轨卫星数量基本不超过百颗,主要提供窄带语音通讯服务,但是在实际商业运营中均因为当时的卫星制造成本、火箭发射成本高昂使得其使用价格昂贵,客户数量少并产生恶性循环,在2000年左右纷纷破产重组停止运营[2]。
这些巨型低轨星座项目的快速发展,不仅改变了商业通信领域,也逐渐显现出其在军事应用方面的巨大潜力。
1.2 国内低轨星座项目
2016年后,中国航天科技集团、中国航天科工集团、银河航天、国电高科等国有企业及民营航天公司均提出了各自的低轨卫星星座计划,这些计划均在2018年-2020年左右发射了相应的首星或者试验验证星。其中国电高科的天启物联网星座提供窄带通讯服务,其余项目均主要以提供宽带接入服务为主。
现阶段我国低轨星座项目还处在起步阶段,有如下特点:规模偏小、项目分散,同时起步但进展相对较慢。我国该类项目规模基本在千颗卫星以内,与国外现阶段主流的千颗甚至万颗级别项目相比规模偏小。另外近年来在星链项目成功的带动下,国内各个企业及资本均上马相应的低轨星座项目,具体见图2,根据现有资料显示,至少有7-10个不同的低轨星座项目。2018年底我国的鸿雁星座项目发射首颗试验验证星入轨,同年SpaceX公司发射StarLink计划的首期两颗试验卫星,但随后StarLink计划2019年入轨120颗卫星、2020年入轨超300颗,到2024年已经拥有超过7 000颗卫星在轨提供服务。截止2024年,根据公开信息显示我国的“千帆星座”计划在轨卫星数量为36颗[7]。
针对上述问题,我国相关单位也在积极追赶国际同行业的进展,最新公布的由中国卫星网络集团有限公司负责的星网工程计划发射近13 000颗卫星在轨,由上海桓信卫星科技有限公司主导的千帆星座计划部署1.5万颗卫星在轨。另外针对现阶段各个项目分头发展未形成合力的现状,2019年,由国内管理部门以及行业内多家企业提出的低轨通信卫星星座计划,将按功能和用途、不同计划分为多期多批建设,为政府、军事、商业用户提供互联网接入、专网接入、导航增强、遥感及数据采集与实时传输服务。
另外,中国“北斗+高分”专项成果显著,在测绘、农业、环境监测等众多领域发挥着重要作用。“北斗” 卫星导航系统作为我国自主建设、独立运行的卫星导航系统,为用户提供高精度的定位、导航和授时服务。“高分”专项则拥有高分辨率的光学、雷达等遥感卫星,能够获取高清晰度的地球表面图像,实现对目标区域的详细观测。
巨型低轨星座与“北斗+高分”等既有卫星系统具备良好的兼容性。从功能互补角度来看,“北斗” 侧重于定位导航,“高分”专注于高分辨率遥感观测,而巨型低轨星座凭借其数量众多、轨道低的特点,可实现全球高频次的实时监测与通信。在灾害应急监测场景中,“高分”卫星能提供受灾区域的详细图像,展示受灾范围、基础设施损毁等情况;“北斗” 系统为救援队伍和设备提供精准定位导航,确保救援行动高效开展;巨型低轨星座则利用其低延迟通信能力,实时传输现场数据和图像,实现救援指挥中心与现场的高效信息交互,可以弥补“北斗”和“高分”在通信实时性方面的不足,三者协同工作,可极大提升灾害应急处理能力。在数据融合方面,巨型低轨星座与“北斗+高分”系统也能深度结合。通过数据处理技术,可以将巨型低轨星座获取的实时动态信息,与“北斗”的定位数据、“高分” 的静态遥感图像数据进行融合分析。
2 巨型低轨星座在军事领域的应用现状
2.1 美国巨型低轨星座在军事领域的应用进展
2019年11月,美国空军测试了SpaceX的StarLink星座的宽带互联网服务能力,测试中C-12J飞机上驾驶舱的下载速度可达610 Mb/s。美国空军还将在AC-130武装直升机和KC-135空中加油机上安装StarLink星座的用户终端,以进一步测试其服务能力。除SpaceX公司外,美国空军还在寻求与铱星公司、加拿大电信卫星公司和O3B公司等的合作,也在考虑技术方案来兼容上述星座项目的服务。
2020年1月,美国航天发展局开始征集低轨卫星星座的技术支持方案,首先建设下一代空间架构中的传输层,包括通信卫星和侦察监视卫星,用来监视地面和海上的目标和导弹。其中侦察监视卫星将搭载红外探测器、并与通信卫星实现数据共享,两种卫星均将设激光链路。计划2020年底前部署数十颗卫星,2024年部署上百颗卫星、实现区域覆盖,2026年实现全球覆盖,StarLink、OneWeb等多个巨型星座计划均在美国航天发展局考虑合作范围之中。
通过这些举措,美国军方旨在构建一个覆盖全球、功能多样的低轨卫星网络,以增强其通信、侦察监视等能力。
2020年5月,美国陆军与 SpaceX公司签订了相关合作协议,测试StarLink巨型低轨星座项目提供的宽带网与通信网络连接的可行性,并最终决定是否购买StarLink的宽带接入服务,项目预期目标是将其整合到美军现有的系统中[8]。
2.2 StarLink在俄乌冲突中的应用
在俄乌冲突期间,StarLink项目的军事领域应用首次进入公众视野,其对乌克兰政府、军队、工业以及民用提供了大量服务,深度介入了战争的进程[9]。2022年2月到5月间,对应了俄乌冲突的爆发与持续的初期。SpaceX公司,在105天内累计完成12批次、611颗卫星的发射(其中573颗运行)。就周期而言,大约8.75天就批量发射1次;就频率而言,每天平均发射5.81颗卫星。战争初期乌克兰民用及军队的大量网络基站及供电设施遭到了俄军打击而瘫痪,乌克兰政府及军队通过StarLink地面终端恢复了政府对于国家政权的掌控能力以及对于乌民众的宣传能力,军队各层级的指挥通讯能力,维持住了乌方的战斗力,致使俄军未能达成其闪电战的作战目的[10]。
随着战争的持续,StarLink的应用范围进一步扩大,从初期的恢复基本通讯能力,到在相持阶段深度融入乌军的作战体系。乌军大量利用StarLink地面终端配合其他侦察手段对于俄军的行动进行全方位侦察,掌握了俄军调动、行军以及战斗的大量信息,一度致使俄军失去了战场的制信息权。乌军还利用StarLink地面终端链接了前线观察、火力打击及指挥系统这一打击链,实现了火炮打击的精确指挥控制;StarLink地面终端还帮助乌军实现了对于无人机、无人艇等设备的图传操控,对俄军地面部队以及其黑海舰队构成了巨大的威胁。
据乌克兰数字化转型部 2023 年公开报告,2022年8月赫尔松反击战中:使用StarLink的TB-2 无人机从发现俄军装甲目标到发射导弹的平均时间为18秒,较2021年(依赖地面中继)的210秒缩短91%;
StarLink支持的 “海马斯” 火箭炮打击精度提升 35%,弹药消耗量减少40%,得益于实时更新的目标坐标(更新频率10 Hz,传统系统仅1 Hz)。
另据兰德公司《2022-2023 年俄乌冲突技术分析》报告,StarLink 将乌军战术级杀伤链闭合时间稳定在20~30 s,达到 “发现即打击” 的战术临界值。
2.3 巨星低轨星座在“马赛克战”和“决策中心战”等新兴作战概念中的应用
在现代战争形态不断演变的背景下,“马赛克战” 和 “决策中心战” 等新兴作战概念应运而生。“马赛克战” 旨在通过将作战力量分解为众多可灵活组合的小型作战单元,如同马赛克拼图一般,根据战场态势快速重组,实现作战效能的最大化。巨型低轨星座在这一作战概念中扮演着至关重要的角色。其具备的全球实时通信能力,能够确保分散在各处的小型作战单元之间实现高效、稳定的信息交互。例如,在战场上,不同类型的作战模块(如侦察、火力打击、后勤保障模块)可以借助巨型低轨星座的通信网络,迅速共享情报、协调行动,即使部分模块遭受敌方打击,其他模块也能通过星座提供的通信链路,快速调整作战计划,重新组合形成新的作战体系,极大地增强了作战体系的韧性。
“决策中心战” 则将快速、准确的决策视为战争胜利的关键。在瞬息万变的现代战场环境中,决策的时效性和准确性直接影响作战结果。巨型低轨星座凭借其强大的侦察监视能力,可对全球任意地点进行高频次、多波段的侦察,获取海量的战场信息。这些信息能够以极低的延迟传输至指挥决策中心,为指挥官提供全面、实时的战场态势感知,使其能够在更短的时间内做出更准确的决策。而且,当部分侦察卫星受到敌方干扰或攻击时,星座中的其他卫星可以迅速填补空缺,持续为决策提供支持,保证决策过程的稳定性,进一步强化了作战体系的韧性。
以 “分布式海上作战”(DMO)为例进行多域协同打击场景推演:
侦察域:巨型低轨星座搭载的红外 / 光学载荷实时扫描敌方舰队位置,重访周期<30 s,较传统侦察卫星(重访周期>30 min)提升 60 倍;
通信域:无人舰艇、舰载机、潜艇通过巨型低轨星座低延迟链路(时延<20 ms)实时共享目标坐标,构建动态协同网络;
火力域:当某型导弹因敌方干扰丢失目标时,巨型低轨星座立即调度邻近无人机补传数据,重构杀伤链,打击延迟从传统体系的 270 秒压缩至 45 秒;
决策域:指挥官通过巨型低轨星座提供的全域态势图,在 8 s内完成多方案智能优选,较人工决策效率提升 70%。
此场景中,巨型低轨星座通过 “节点冗余 + 动态路由” 特性,实现杀伤网在侦察 - 通信 - 火力 - 决策域的跨域重构,验证其对 “马赛克战” 灵活组合、“决策中心战” 快速决策的支撑能力。
2.4 中美低轨星座竞争中的“安全困境”
从博弈论视角来看,中美以及其他各国低轨星座竞争中存在着“安全困境”。美国凭借其在航天技术和商业航天领域的先发优势,大力发展如 StarLink 这样的巨型低轨星座项目,在军事通信、侦察监视等方面获得了显著的战略优势。这一情况促使中国为保障自身国家安全和战略利益,也加快推进低轨星座项目的建设。然而,双方这种出于自身安全考虑的发展行为,却可能引发对方的不安和警惕。中国发展低轨星座,美国可能会认为这对其军事优势和太空主导地位构成威胁;反之,美国的巨型低轨星座发展也让中国感受到潜在的军事压力。
这种 “安全困境” 对全球战略稳定产生了多方面的影响。在军事层面,可能引发太空军备竞赛,导致太空环境军事化加剧,增加了太空冲突的风险。各国为了在低轨星座领域保持竞争力,可能会投入大量资源进行技术研发和星座部署,这不仅会消耗大量的经济资源,还可能使太空安全形势更加紧张。在国际关系层面,低轨星座竞争可能加剧大国之间的战略互疑,影响国际合作氛围。原本在其他领域的合作可能会因低轨星座竞争带来的紧张关系而受到阻碍,不利于全球战略稳定的维护。因此,如何在低轨星座发展过程中,通过外交对话、国际规则制定等方式缓解 “安全困境”,成为维护全球战略稳定的关键问题。
3 巨型低轨星座在军事领域的应用潜力
3.1 网络通讯
在上文所述美国空军与SpaceX公司于2019年11月进行的后勤和供应链数据传输测试验证中,StarLink星座为美军提供的通信宽带可达600 Mbit/s,相比目前美军战区卫星通信最低5 Mbit/s的通信速率,提高了2个数量级,相比目前大多数机载通信所使用的“国际移动卫星”5~50 Mbit/s带宽的网络通信,也整整提高了一个数量级。结合StarLink的发展规划,V2.0 卫星的星间链路速率极有可能达到10 Gbps以上,且配备了先进的相位阵列天线,这将极大地提高星座内数据传输的效率和速度,确保数据能够在全球范围内快速、稳定地传输,满足不同地区用户的通信需求。
StarLink星座由于采用了低轨道卫星、减少路由站等关键设计,能够提供比目前高轨卫星通信更优的低延迟传输。StarLink星座将信息从地球向阳面传输到地球背阳面以及跨洋传输的网络时延在20 ms左右[11],相比传统运营商几百毫秒的时延来说有巨大的时间优势。
这种基于巨型低轨星座的低延迟通讯手段具有带宽大、效率高、延迟短、网络拓扑结构简单且抗打击能力强等特点[12]。其终端设备可以搭载在飞机、舰艇等移动平台上,使平台具有全球实时的通讯和网络接入能力。
3.2 赋能无人装备
巨型低轨星座可以为无人机等无人装备提供高速率、低延迟的链路支撑[13],提高无人装备的指挥和控制能力,使无人装备的全球突发危机部署响应速度和操控人员安全性得到大幅度提升,有助于强化远程精确打击优势。
无人装备部署使用成本低、抗毁伤性强,可在现代战争中发挥重要作用,随着纳卡冲突、俄乌战争的爆发,无人装备越来越多地被用于作战使用,迅速衍生出了大量新形态的无人装备作战样式。
无论哪种形态的大规模无人装备联合作战样式,都需要依赖无人装备与现有部队指控体系之间、无人装备与有人装备之间以及无人装备与无人装备之间实时信息交互实现协同指控,因此现阶段其薄弱环节是通信链路和控制系统,而StarLink这类巨型低轨星座可以赋能无人装备协同指控能力[14],其低延迟特性可以保证监测图像/数据回传的实时性,可作为无人机的操控图传或者智能协同作战链路,提高其全球部署的通讯鲁棒性。
以土耳其TB-2无人机与StarLink协同作战为例,在实战中,TB-2无人机凭借StarLink提供的高速率、低延迟链路,能够实现实时的信息交互。在侦察任务中,TB-2无人机搭载的侦察设备获取的战场图像和数据,可以通过StarLink星座快速回传至后方指挥中心,几乎不存在明显延迟,使得指挥人员能够及时掌握战场动态。同时,指挥中心发出的操控指令也能迅速传达给TB-2无人机,实现对其精准控制,引导无人机对目标进行攻击。在某实战行动中,TB-2无人机借助StarLink的通信优势,提前发现敌方装甲部队的调动情况,将相关信息实时传输回指挥中心。指挥中心随即下达攻击指令,TB-2无人机快速响应,精准打击了敌方目标,展现出了强大的作战效能。这一实战案例充分验证了巨型低轨星座赋能无人装备模型的普适性,证明其在不同类型的无人装备作战场景中,都能够有效提升无人装备的作战能力,增强作战体系的协同指控效果。
3.3 侦察监视能力
StarLink星座计划在低轨部署4万多颗卫星,可以实现对全球任意地点的极短重访周期,且其卫星平台可以搭载多种任务载荷,最终实现对全球主要地区24小时不间断的多波段遥感侦察监视能力。其公司的注册信息中就包含了卫星成像以及相应的遥感等领域。
例如美军的“黑杰克”项目[15],其主要目的便是利用商业巨型低轨卫星星座项目的卫星作为平台,搭载低成本、可互换、设计周期短、技术更新频繁的军用有效载荷,其中就包括过顶持续红外载荷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。
巨型低轨星座配合地面站、预警机或者侦察机将使得战场态势出现单向透明,结合其本身具备的通讯链路能力,可实现实时的将千里外的打击目标信息极低延迟的传输给指挥机构甚至直接分配给火力打击单元,实现近乎实时的打击链闭合。
3.4 导航定位
相比于现有的GPS卫星导航系统,巨型低轨星座项目的卫星轨道高度更低,信号传输损耗更小、延迟更低,可以提供更强更及时的导航定位信号。在复杂地形或者城市环境中,GPS信号易被遮挡,而巨型低轨星座可以作为GPS卫星信号导航中继节点,播发大功率导航增强信号,从而可以提升导航定位系统精确度、抗干扰能力以及稳定性[16]。
另外,相较于现有的GPS系统,巨型低轨星座的优势还有其巨大的卫星数量,这可以增加导航定位地面终端的搜星速度和连接数量,降低定位的模糊度;更多的卫星平台也可以给导航定位终端更高的位置信息刷新频率,提高飞机,车辆以及船舶在高速运动下的定位导航精度。
3.5 强化防御预警能力
巨型低轨星座项目理论上可以将探测预警波束覆盖全球每个角落,使其具备对各国的弹道导弹进行探测、跟踪、预警、直至拦截的硬件架构基础,既能为现有的反导系统提供预警及跟踪信息并引导反导系统摧毁来袭导弹,也直接通过现有卫星平台的机动变轨能力实施主动拦截。在反导领域其优势包括快速部署、快速补充、快速响应,一次计算机模拟演习显示,StarLink可以对洲际弹道导弹进行成功拦截,甚至对每个弹头都有5~7次拦截时机,这将会极大削弱弹道导弹的突防能力。其在低轨有大量高速运动的卫星平台,可以快速响应对于热点地区,高威胁地区预先部署大量卫星平台,提高打击响应速度以及打击成功率。巨型低轨星座项目也都具备快速补射卫星的能力可以快速恢复打击能力,保持反导预警打击的持续能力。
3.6 直接打击等其他应用潜力
巨型低轨星座为维持在轨运行的低轨卫星的轨道高度和星座构型,需要定期持续进行低推力机动,以抵消大气阻力的影响,其卫星平台都具备一定的变轨机动能力[17]。另一方面,现阶段巨型低轨星座项目部署的卫星平台都在向着更大重量级发展,例如StarLink卫星版本迭代了四次,从V0.9发展到V1.0、V1.5直至最新的V2.0版本。V0.9 为初期测试版本,当时每颗卫星约227 kg,V1.0 为正式版本,每颗卫星约260 kg,更新一代V1.5每颗卫星约295 kg,V2.0 是未来准备的卫星版本,每颗卫星约1 250 kg,尺寸也更大。因此未来其1.2 t的卫星平台可以携带各类有效载荷进行有效的变轨机动并实现多种多样的军事领域用途,其中就包括直接携带具备打击能力的战斗部,攻击敌方太空设施甚至直接作为天基平台实现对地面目标实时响应的全球打击能力。
4 巨型低轨星座在跨域杀伤网的应用
4.1 杀伤网概念
在多年来信息化实战经验的基础上,美军提出了杀伤链理论,其指的是对攻击目标从侦察到毁伤直至最终评估的循环过程。杀伤链分为六个阶段:发现(Find)、定位(Fix)、跟踪(Track)、瞄准(Target)、交战(Engage)、评估(Assess),即F2T2EA。在杀伤链理论基础上,美国国防部高级研究计划局提出了“杀伤网”概念,超越传统线性逻辑,主张跨作战域融合指挥控制、情报搜集与火力打击等要素,突破静态杀伤链限制,构建起一个众多异构节点交织而成的高维网络,使体系作战概念跨越作战域的限制最终孕育出涵括陆、海、空、天、网络等全维度空间的“全域作战”理论体系,从根本上重塑了战争的面貌[18]。
一直以来,天基侦察手段一直是发现、定位、评估环节的重要组成部分,但是传统高轨卫星受制于数量少、功能单一、补盲困难等缺陷,易受到外部攻击,从而导致杀伤链闭合周期长甚至无法完成闭合,影响整体作战效能的发挥。如图4所示,通信延迟低、载荷能力强、数量巨大、成本极低、可快速大规模部署的巨型低轨星座可以应用于不同场景杀伤链、杀伤网的多个环节。作为新战争形态及新质战斗力的代表,巨型低轨星座促使陆、海、空、天、网等多个作战域作战样式发生变化。
4.2 巨型低轨星座在精确制导武器杀伤网中的应用实例分析
精确打击领域传统制导武器杀伤网的构建主要依赖高轨卫星、地面通信网络、无人机中继网络、战术数据链等方式,而巨型低轨星座作为新兴构建方式,与上述手段形成互补与竞争。不同构建方法的优劣见表1。
表1 不同构建方法的优劣对比Table 1 Table of Advantages and Disadvantages of Different Construction Methods |
| Construction Method | Coverage | Latency Performance | Cross-domain Collaboration |
|---|---|---|---|
| High-Orbit Satellite | Wide Area | High (200-500 ms) | Limited |
| Ground Communication Network + Tactical Data Link | Regional | Low (<10ms) | Strong within Region |
| UAV Relay Network | Dynamic Area | Medium (50-100 ms) | Local Flexibility |
| Large-Scale LEO Constellation | Global | Extremely Low (<50 ms) | Seamless Global |
以精确打击领域典型的“寻歼式打击”作战场景为实例,分析巨型低轨星座的应用如何提高跨域作战杀伤链、杀伤网快速闭合性、对抗弹性以及可重构性等重要指标。
“寻歼式打击”主要运用场景是可以大致确定目标活动区域,但尚未发现目标,需要首先调配情侦资源进行目标搜索,发现、识别并定位目标后实时生成发射序列,快速执行打击任务。例如图5所示为美军典型的“寻歼式打击”范式[20],根据情报,预知作战区域内会出现敌方装甲车辆,美军即可调派侦察机等空基侦察资源在区域上空实施监控,一旦发现预定目标即对目标进行定位并将定位信息发给地面远程火力打击系统如“海马斯”火箭系统,其侦察指控车根据下发目标信息,跟踪、瞄准目标并给出发射指令,火箭击发飞行并最终命中目标,侦察机对目标毁伤情况进行评估。其杀伤链如图6所示。在现代高烈度战争环境中,该类型打击打击任务打击链闭合时间长,常常在其打击链闭合过程中面临敌方电子干扰,打击目标快速机动等因素影响,进一步造成闭合链闭合时间增加,甚至最终造成打击链无法闭合,任务失败。
巨型低轨星座的应用不仅可以大幅加快精确制导武器杀伤链闭合速度,还增强了杀伤链的对抗弹性与可重构性。如图9所示,在常规“寻歼式打击”打击场景下,联合指挥部、侦察机与地面远程火力打击系统组成的是单向、线性的闭合杀伤链,一定程度上实现了跨域作战力量的整合。其主要问题除了闭合速度慢以外,其单向、线性的特征也使得其抗打击弹性弱,可重构性低,杀伤链中任意节点被打击或干扰均会影响杀伤链的闭合速度,甚至造成杀伤链最终无法闭合。
如图10所示,巨型低轨星座的应用可以整合多个作战域的资源,利用其侦察、预警、通讯、定位、导航甚至直接打击等军事应用潜力,将跨作战域的众多异构作战力量进行串联,实现高维度的跨域作战杀伤网,使其具有良好的对抗弹性与可重构性。这种杀伤网中任意节点的失效与延迟均不会影响最终杀伤链的闭环速度,联合指挥部可以基于此构建智能的精确打击体系,实时采集多作战域的异构传感器信息,并进行分析决策,快速构建最合理、最高效的杀伤链,并在杀伤链闭合过程中实时调整,根据瞬息万变的战场情况,重构杀伤链,最终实现作战目的。
4.3 巨型低轨星座在精确制导武器领域的效能评估
基于军事决策理论中的OODA循环框架,构建效能评估模型[21],通过量化分析巨型低轨星座对各作战环节的赋能作用,揭示其对杀伤网效能的提升机制。
传统线性杀伤链的 OODA 环闭合时间由各阶段时间累加构成[22]:
${T}_{\mathrm{O}\mathrm{O}\mathrm{D}\mathrm{A}}=\stackrel{4}{\sum _{i=1}}{\beta }_{i}·{t}_{i}$
其中,ti为 OODA 环各阶段时间,${\beta }_{i}$为阶段权重系数($\sum {\beta }_{i}=1$)。引入巨型低轨星座效能因子γ(0<γ<1)后,修正后的 OODA环闭合时间为:
${T}_{\mathrm{n}\mathrm{e}\mathrm{w}}={T}_{\mathrm{o}\mathrm{r}\mathrm{i}\mathrm{g}\mathrm{i}\mathrm{n}\mathrm{a}\mathrm{l}}·\stackrel{4}{\prod _{i=1}}(1-{\alpha }_{i}·\gamma )$
式中,αi为各阶段对巨型低轨星座能力的敏感度系数,γ通过以下公式计算:
$\gamma =\frac{{N}_{\mathrm{a}\mathrm{c}\mathrm{t}\mathrm{i}\mathrm{v}\mathrm{e}}·{P}_{\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{v}}}{{N}_{\mathrm{t}\mathrm{o}\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{l}}}·(1-\frac{{\Delta }_{\tau }}{{T}_{\mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{v}\mathrm{i}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{t}}})$
式中,${N}_{\mathrm{a}\mathrm{c}\mathrm{t}\mathrm{i}\mathrm{v}\mathrm{e}}$为有效卫星数,${P}_{\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{v}}$为覆盖概率,${\Delta }_{\tau }$为数据处理延迟。
上文所述典型“寻歼式打击”场景中,假设传统 OODA 环闭合时间${T}_{\mathrm{o}\mathrm{r}\mathrm{i}\mathrm{g}\mathrm{i}\mathrm{n}\mathrm{a}\mathrm{l}}=180\mathrm{s}$,各阶段参数如下:
表2 效能增益计算各阶段参数设置Table 2 Parameter configuration for each phase of effectiveness gain calculation |
| Phase | Original Time | Weight Coefficient βi | Sensitivity Coefficient αi |
|---|---|---|---|
| Observe | 60 | 0.35 | 0.85 |
| Modify | 45 | 0.25 | 0.72 |
| Determine | 30 | 0.20 | 0.60 |
| Execute | 45 | 0.20 | 0.55 |
当部署巨型低轨星座(Nactive=4 000、Pcov=0.95、Δτ=15 ms、Trevisit=120 s),计算得γ=0.316 7。代入时间压缩公式:Tnew=68.2 s。
效能增益指数E定义为[23]:
$E=\left(\frac{{T}_{\mathrm{o}\mathrm{r}\mathrm{i}\mathrm{g}\mathrm{i}\mathrm{n}\mathrm{a}\mathrm{l}}}{{T}_{\mathrm{n}\mathrm{e}\mathrm{w}}}\right)\sum {\beta }_{i}·{\alpha }_{i}$
代入数据计算得E≈1.85,表明在该实例中巨型低轨星座的赋能使OODA环效率提升 85%。这一增益主要源于巨型低轨星座的实时侦察能力[24](缩短观察阶段时间 47%)和低时延通信(压缩调整与决策阶段时间 39%)。
计算结果表明,巨型低轨星座可使传统 180 秒的 OODA 环闭合时间缩短至 68 s,效能增益达 85%。
通过 MATLAB/Simulink 搭建包含传统高轨卫星、地面通信网与巨型低轨星座的混合仿真环境,模拟 100 次 “寻歼式打击” 任务。结果显示:传统杀伤链平均闭合时间为 178.6±12.3 s,符合理论计算值;引入低轨星座后,平均闭合时间缩短至 67.9±8.5 s,与计算结果(68.2 秒)误差<1%,验证模型可靠性。
巨型低轨星座除了增加OODA 环闭合速度提升杀伤网作战效能外,也能提高杀伤网的抗毁伤性。杀伤网的抗毁伤性是衡量杀伤网在敌方干扰或物理打击下保持功能的能力,由卫星冗余度、链路重构速度、任务中断概率等参数构成。
设星座总卫星数为 ${S}_{\mathrm{t}\mathrm{o}\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{l}}$,单任务所需最小有效卫星数为${S}_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}$,失效卫星数为${S}_{\mathrm{f}\mathrm{a}\mathrm{i}\mathrm{l}}$,定义抗毁伤系数 K为:
$K=\frac{{S}_{\mathrm{t}\mathrm{o}\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{l}}-{S}_{\mathrm{f}\mathrm{a}\mathrm{i}\mathrm{l}}}{{S}_{\mathrm{t}\mathrm{o}\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{l}}-{S}_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}}({S}_{\mathrm{f}\mathrm{a}\mathrm{i}\mathrm{l}}<{S}_{\mathrm{t}\mathrm{o}\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{l}}-{S}_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}})$
当K=1时,网络无节点失效;K越小,抗毁伤能力越弱。以StarLink为例,部署4 000颗卫星时${S}_{\mathrm{t}\mathrm{o}\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{l}}=4\mathrm{ }000$,假设全球覆盖需至少3 000颗有效卫星${S}_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}=3\mathrm{ }000$,若失效卫星数 ${S}_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}=500$,则:
$K=\frac{{S}_{\mathrm{t}\mathrm{o}\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{l}}-{S}_{\mathrm{f}\mathrm{a}\mathrm{i}\mathrm{l}}}{{S}_{\mathrm{t}\mathrm{o}\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{l}}-{S}_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}}=$3.5
表明网络仍具备 3.5 倍于最低需求的冗余度,抗毁伤能力显著。
在 OODA 环闭合时间模型中引入抗毁伤修正因子$\delta (0<\delta <1)$,反映节点失效对各阶段时间的影响:
Tfail=Toriginal·$\stackrel{4}{\prod _{i=1}}$(1-αi·γ)·(1-β·(1-K-1) )
其中,$\beta $为抗毁伤敏感系数(取 0.6,代表抗毁伤性对通信与决策阶段的主要影响)。传统 OODA 时间${T}_{\mathrm{o}\mathrm{r}\mathrm{i}\mathrm{g}\mathrm{i}\mathrm{n}\mathrm{a}\mathrm{l}}=180\mathrm{s}$,加入抗毁伤修正后:
$\delta =1-\beta ·\left(1-K-1\right)\approx 0.829$
修正后OODA 时间:
${T}_{\mathrm{f}\mathrm{a}\mathrm{i}\mathrm{l}}={T}_{\mathrm{o}\mathrm{r}\mathrm{i}\mathrm{g}\mathrm{i}\mathrm{n}\mathrm{a}\mathrm{l}}·\stackrel{4}{\prod _{i=1}}\left(1-{\alpha }_{i}·\gamma \right)·0.829\approx 56.5\mathrm{ }s$
效能增益指数更新为:
${E}_{\mathrm{f}\mathrm{a}\mathrm{i}\mathrm{l}}=\left(\frac{{T}_{\mathrm{o}\mathrm{r}\mathrm{i}\mathrm{g}\mathrm{i}\mathrm{n}\mathrm{a}\mathrm{l}}}{{T}_{\mathrm{f}\mathrm{a}\mathrm{i}\mathrm{l}}}\right)\sum {\beta }_{i}·{\alpha }_{i}\approx 2.17$
表明抗毁伤性使效能增益从 1.85 提升至 2.17,增幅达 17.3%。
5 结束语
随着“星链(STARLINK)”为代表的一批巨型低轨星座项目迅猛发展,在商业上不断取得成功,其在军事领域的应用潜力也在以俄乌战争为代表的一系列近期的地区军事冲突中被广泛关注。同时,我国低轨星座项目也在逐步起步,经过市场淘汰和资源整改,在未来也必将形成一到两个“星链(STARLINK)”级别的巨型低轨星座项目。
我国应借鉴美军 “联合全域指挥控制”(JADC2)理念,构建以巨型低轨星座为核心节点的 “北斗赋能型杀伤网”,重点突破跨域协同算法与弹性组网协议,实现对 “反介入 / 区域拒止”(A2/AD)战略的空天基信息支撑。
本文介绍了巨型低轨星座的发展情况,分析了其在军事领域应用方向,以及其将如何改变未来的作战样式。鉴于巨型低轨星座在侦察预警、军事通讯、导航定位甚至直接的军事打击等多个维度均有着军事应用潜力,本文从杀伤链以及杀伤网的角度,以典型的作战场景为实例分析了巨型低轨星座如何影响精确打击领域杀伤网的构建和杀伤链的闭合。未来战场上,巨型低轨星座将作为重要节点,深度参与到全域作战杀伤网的构建和无人装备发展中。因此,必须加快巨型低轨星座的发展,并提早研究和部署其在军事领域的应用。