小卫星对美国家安全的影响及美国防相关机构对小卫星的利用

小卫星对国家安全的影响

目前，太空发射领域的商业创新、技术的小型化和计算机处理能力的提高推动了小型卫星的革命性发展。小卫星的革命性发展，对包括国家安全在内的各个行业都有巨大影响，既有正面影响，也有负面影响。

2.1 正面影响

作为一种积极的影响因素，小型卫星使政府能够以明显更低的成本部署多种能力，如通信和遥感。小型卫星的平均生产和发射成本比大型卫星低90%。由于小型卫星的生产和单位发射成本大大低于大型卫星，随着更先进技术的出现，多种在轨系统会被取代。利用这种技术更新速度（快至24个月，相比之下，传统卫星需要10年）可以最低成本和风险部署更多能力。

小卫星另一正面影响是可提高天基资产的韧性。数百颗卫星组成的星座改变了美国和其他国家反太空能力的目标瞄准动态特性。反卫星（ASAT）能力攻击一个大目标比攻击数百个小目标更容易。这种作战环境的变化可以应对俄罗斯等国家动能反卫星系统的发展。一个低轨星座可以承受一颗卫星甚至多颗卫星损失，仍能保持降级能力。此外，由于这些卫星的生产和发射成本低廉，它们可以很快被替换。

廉价小卫星数量的增加可提高天基资产韧性，降低其他国家直升式反卫星和共轨卫星能力的效能。这种韧性能有效应对敌方反太空系统的阻挡、动能攻击以及天基通信下行链路干扰。如果在小卫星星座中采用激光通信，韧性将会更强，其优势是既可消除无意射频干扰，又可消除其他国家干扰和通信信号截获。小型卫星的使用可能会迫使敌方将战术策略转向网络攻击和地基或天基定向能攻击。考虑到小型卫星的数量众多，即使是定向能反太空系统，其效果也有限。

商业小卫星也可为美国国家安全机构提供经济有效的能力，包括通信和遥感。美国防部已经使用了大量商业通信，大多数军事遥感需求可以通过商业能力满足。其他可提供的商业服务包括定位、导航和授时（使用商业空间通信）以及在轨服务。小型卫星上的无处不在传感器和通信能力将降低政府的成本。

对美国防部来说，小型卫星的另一正面影响是可能为美国或盟国的商业航天器增加次级有效载荷。次级有效载荷可能提供出乎意料的传感器，挫败其他国家的卫星预警程序，并表征航天器。通过增加额外传感器和/或将朝向改变至地球以外方向，小型商业遥感卫星甚至可以用来进行空间态势感知。

2.2 负面影响

商用小型卫星、新的小型化技术以及发射成本的下降为美国国家安全做出了重大积极贡献。然而，也会产生一些负面影响。随着其他国家采用和开发商业小卫星能力，美国太空安全将面临重大挑战。小型卫星可以用作未被注意的武器或侦察平台。

鉴于小卫星任务的扩大，太空技术已经具有双用属性。任何卫星都可能被用作武器，因为卫星必须达到每小时17500英里的最低速度才能保持轨道。在这种速度下，如果两者相撞，即使是一个小物体，如螺栓，也可能摧毁一部航天器。

没有任何一家国内或国际实体能够在全球范围内监管商业小型卫星技术。只有在轨活动才能受到监管，这对于国际社会来说已经证明极其困难。这种情况给美国和盟国太空系统安全带来了巨大的挑战，尤其是探测、跟踪和表征不受控的或敌对的小型卫星和其他物体。

随着更多立方体卫星的发射，以及发射集群中立方体卫星数量的增加，也有更多立方体卫星将未使用即以故障。由于存在数千种可能轨道摄动，无法识别的立方体卫星几乎不可能被追踪其轨道插入点。无法识别的航天器将增加轨道上不受控空间碎片的数量。

即使立方体卫星处于正确轨道，它们也可能对美国太空系统构成威胁。立方体卫星可以作为一个其他国家的秘密收集平台，或者可能干扰太空系统。因为这些卫星非常小，几乎是不可能表征其星载能力并独立确定其任务。人们可以根据观察到的卫星寿命模式（中长期行为）来设想一些能力和任务，但面对成千上万的潜在威胁来做这件事将是一项艰巨的任务。

探测、识别、跟踪和表征小卫星同样具有挑战性。目前还没有一个基于规则的全球系统可以确保各国相互提供有关卫星能力和意图的信息。卫星服务提供商必须向国际电信联盟（ITU）注册通信能力。然而，没有办法核实关于其他国家小卫星能力和意图的说明。由于未来十年将部署数万颗小型卫星，这种情况带来了巨大挑战。

另一个对美国太空安全构成挑战的负面影响是广泛存在的网络安全漏洞。太空系统的网络安全将给美国商业和国家安全规划者带来巨大挑战。数万颗小型卫星与全球通信和数据相连将指数级增加网络攻击面。太空系统正成为美国和全球经济以及全球网络基础设施中越来越大的一部分。攻击面的不断增加将带来两个明确挑战：确保安全使用商业能力实现国家安全，以及保护作为美国关键基础设施一部分的商用卫星系统。

美国政府在使用商用小型卫星时会考虑国家安全因素，因为它们会成为网络利用的广阔目标。首先，小卫星通信结构复杂，为恶意攻击提供了大量机会。地面站和卫星间的通信链路采用无线链路。这种链路必须进行加密，并且使用命指挥验证措施，以防止卫星被恶意接管。

地面站连接到控制中心，可能采用本地链路或通过互联网的链路。控制中心本身可能由符合行业标准的商用服务器组成，这些服务器将通过交换机相互连接。它们进入互联网的入口是一个带防火墙的路由器。防火墙本身可基于专用硬件，或者是具有路由和防火墙功能专用软件的商用现货（COTS）服务器。虽然交换机不太容易受到攻击，但COTS计算机基础设施却很容易受到攻击。针对行业标准服务器的攻击已被证明可成功，既有针对服务器及其操作系统，也有针对其基板管理控制器。对基板管理控制器的攻击可用于永久修改服务器固件，从而使攻击可持久进行，几乎无法检测。上述任何一种攻击都有可能控制服务器，这样，有可能向卫星发出恶意命令。如果地面站和控制中心之间的链路没有通过虚拟专用网（VPN）进行保护，那么攻击可能就像监测业务和注入命令一样简单。这可以通过具有端口复制功能的交换机轻松实现。通常，控制中心允许与远程控制中心连接，因此，远程控制中心及其链路也必须受到保护。

为确保安全运行，必须对以下基础设施进行防护，包括：

其次，作为商业卫星的一个问题，网络攻击防御与供应链安全密切相关。成本始终是商业航天器供应商的一个考虑因素。商业小型卫星供应链已经全球化，很容易受到网络入侵和物理破坏。这种情况不太可能改变，因为企业需要以最便宜的成本找到最好的产品，而不考虑原产地。这种模式给商业空间提供商以及依赖它们的美国政府带来了安全问题。

商业遥感小卫星星座将给美国国家安全带来诸多挑战。也许最大的挑战之一不是在太空，而是对空军、陆军和海军。随着全球透明度的增加，军事行动的风险也在增加。美军不太可能保持过去几十年来所依赖的信息优势。对手国家和其他敌对行动者将利用近实时天基遥感技术，增强自身安全，并将美军置于危险之中。近实时遥感结合全球地面传感器、个人通信设备跟踪以及国防部与物联网的集成，将为已部署的特种作战和常规部队带来极大风险。美军将需要改变作战战术，充分纳入作战安全（OPSEC）。

军民合作对于商业太空系统的防护和韧性将变得至关重要。美国土安全部和私营部门正在努力确保关键基础设施的网络安全。这些努力包括各种政府政策指令、网络安全国家行动计划、改善关键基础设施网络安全的行政命令、网络安全信息共享法案，以及许多针对关键基础设施威胁共享项目的特定部门计划等。随着小型卫星在美国经济、国防和关键基础设施中所占比例越来越大，需要更多军民合作。这种合作将确保网络和供应链安全标准是统一的（或者至少是可以理解的），并且风险管理在连锁关键基础设施系统之间能得到协调。

美国国防部对商业小卫星的利用情况

近年来，美国防机构开始利用大型星座中的小型商业卫星所提供的能力。但为了对抗大量外国商业小型卫星日益增长的威胁，需要改变美国国家政策、采购程序、操作原则和国际关系。

美国国防部中有两个组织在带头积极利用小型卫星革命：太空发展局（SDA）和太空军。他们均在在商业空间能力和服务的开发、集成和运行使用中发挥着重要作用。

3.1 美国防部太空发展局（SDA）

SDA正在开发一种小卫星综合分布式太空架构。这种架构概念试图整合新开发的LEO小卫星星座层，为作战人员提供作战支持。SDA正在开发小卫星星座，以形成其所谓美国国防太空架构（NDSA）。SDA将NDSA设想是一个单一的、综合的、可扩散的太空架构，共分七层：传输（通信）层、跟踪层、监管层、战斗管理层、导航层、威慑层和支撑层。

NDSA将这些新开发的LEO小卫星层整合到一起，为作战人员提供作战支持。这种支持不同于各种国家系统提供的战略级能力。SDA已经在开发小型卫星和有效载荷，希望能以两年为一个周期，尽可能利用商业可用技术。

NDSA将试图在包含七个能力层的网状网络中进行能力整合。完成高带宽低延迟星座是实现联合需求监督委员会（JROC）确定的军事行动关键优先事项所必需的。然而，JROC过程可能需要几个月，甚至几年，从而确保最直接和不断发展的作战人员需求不能得到满足。从理论上讲，如果NDSA小型卫星的更新率足够高并得到保持，将有可能每两年更新一次能力。在对美国防部航天官员、高层领导进行的多次电话采访中得知，JROC进程被认为是获得尖端小卫星能力安全保障为作战人员提供作战支援的主要阻碍。

SDA的传输层至关重要，它为作战人员提供全球连接。这一支持卫星星座的最终模型各不相同，从低地球轨道上的300颗卫星到超过500颗卫星。一个具备完全运行能力的传输层将为地球上95%的地方提供至少两颗可见卫星，为地球上99%的地方提供至少一颗可见卫星。这种支持架构将为作战人员提供随时随地连接。光星间链路（OISL）将为传输层提供显著增强的射频（RF）交链。OISL和低地球轨道卫星之间的同步通信将降低路径损耗和延迟，确保进行时间敏感目标瞄准。

图1 SDA建立的NDSA传输层1期示意图

SDA的传输层最初可能在Ka波段上运行，提供立体覆盖，并进行联网，最大限度提高带宽和容错能力。0期星座（预计在2022年）将由20颗卫星组成，这些卫星带有不同配置的RF和激光/光通信终端。SDA宣布2021年夏天进行了天对空光通信演示。

未来升级将包括Link 16和综合广播系统（IBS）升级，并将提高数据路由能力。综合IBS和Link 16将确保传输层有能力在全球范围内提供及时的威胁告警和态势感知信息。传输层星座最终将集成OISL，提供比初始RF交链更高的性能。

如果所有规划目标都能实现，到2025年，SDA的传输层将增加到超过250颗小型卫星。这些卫星将向地面、海上和空中武器系统发射通信信号。

跟踪层由SDA和美导弹防御局（MDA）的共同负责。SDA的国防太空架构最终也将包括MDA的高超音速和弹道跟踪空间传感器（HBTSS）系统。成功集成HBTSS将使跟踪层卫星网络具有中等和宽视场传感器，能够识别和跟踪超音速飞行和机动的武器。美太空军的下一代过顶红外导弹预警星座（目前正在开发中）将得到跟踪层的有力支持。SDA的目标是在2024年拥有运行卫星。美政府问责局（GAO）认为这一时间估计过于乐观，理由是尚存在“重大技术和管理挑战”。此外，美国政府问责局指出，美太空军在最近提交给美国会国防委员会的季度报告中，没有向国会国防委员会提供关于进度风险的准确见解。

跟踪地面目标的能力将由第三个星座层完成，即监管层。目前的开发工作涉及一系列由美国国家侦察办公室、海军、陆军和太空军实施的项目。SDA将监督200多颗携带混合传感器的卫星的部署。传输层和监管层将交互，这样那些在监管层能力范围内进行监控和操作的个体可以无缝将目标数据传输到战术武器系统。

战斗管理层是一种支持软件（不是另一个星座），它将集成对任务分配、任务指挥控制、数据分发和传感器到射手数据产品的升级。

导航层将为全球定位系统（GPS）补充备用授时、导航和定位数据。这项工作预计将使用传输层的通信信号，使部队能够在GPS拒止环境中行动。

威慑层将从地球同步轨道、地球和月球之间的地月空间收集信息。这些信息将为空间态势感知提供支持。当前架构获取数据，为从低地球轨道到地球上空23000英里的地球同步轨道的态势感知提供支持。在美国，美国宇航局和商业航天公司已经表示对月球旅行的兴趣，并制定了计划。俄罗斯、欧洲等也对月球开发表现出了类似的兴趣。位于地月区域的卫星可以控制对月球的访问，或者对太空系统发动未被注意的攻击。

空间体系结构的最后一个组成部分是支持层，设想将提供大约40次发射和所需的地面基础设施，包括系统和用户终端。

SDA小卫星发展所需的关键技术

一些关键技术对SDA实现NDSA计划至关重要。这些技术还将为美国国防部和私营部门未来部署小型卫星奠定基础。这些技术包括激光通信、中视场传感器、加密技术和地面系统。

（1）激光通信

要NDSA中取得成功，SDA将需要发展激光通信（空对空、空对天和空对地）。激光通信是充分利用传输层并满足其他架构组成部分和作战人员的时间延迟需求所必需的。此外，激光通信（天对空和天对地）是作战部队挫败以射频通信为目标的反介入/区域拒止（A2/AD）战略所必需的。通信干扰、截获或探测能力会产生深远影响，但激光通信可以缓解这一问题，因为激光通信可以在地面、空中和太空域以高数据速率提供相对安全的通信。

射频系统不能提供完全支持作战人员所需的低延迟高吞吐量能力，尤其是弹道导弹和高超音速导弹防御需求。与传统射频链路相比，光链路的数据速率约为每秒1千兆比特，并且在空间、空中和地面资产之间提供更低延迟，这使其成为向作战人员提供实时数据的可行途径。

天基激光通信是一项非常有挑战性的技术，需要实现高稳定姿态控制和精确指向和跟踪。卫星激光通信的理念并不新奇，但它们在小型卫星上的应用还很新。一些企业和政府正处于开发这种能力的不同阶段。2008年，美国和德国首次在两颗LEO运行卫星（德国雷达卫星TerraSAR-X和美国导弹防御局NFIRE卫星）之间成功建立了稳定的轨道激光链路。

SDA与美国防高级研究计划局（DARPA）和美空军研究实验室（AFRL）一起，开始了一项名为Mandrake II的激光通信实验。该实验于2021年6月启动，将在不断扩展的范围内测试光链路，根据轨道限制，预计最大距离为2400公里。

图2 发射前的Mandrake II卫星

SDA还发起了激光互连和组网通信系统（LINCS）实验。该系统包括两颗12U立方体卫星，两颗星有激光通信终端。这两颗LINCS卫星于2021年6月发射，用于测试天对天、天对空和天对地光通信终端。但截至2021年9月下旬，这两颗卫星正处于翻滚姿态，对地面控制器无响应。

（2）中视场传感器技术

实现NDSA所需的另一项关键技术是中视场传感器技术。MDA的HBTSS将跟踪从LEO飞来的弹道导弹。部署在小型卫星上的HBTSS中视场传感器将实现威胁探测、跟踪和区分能力。这种能力将与宽视场系统交换数据，范围覆盖全球，能够探测和跟踪相当模糊的目标，特别是高超音速滑翔系统。宽视野系统把信息发送给HBTSS，HBTSS向作战人员提供火控信息。MDA还与业界合作，开发和测试额外的中视场多谱红外成像仪，以提高成像和处理能力。这些能力对天气预报和气候监测也有重要作用。

（3）加密技术

随着小型卫星网络攻击面的扩大，实现加密能力的需求也将增加。2020年9月发布的总统指令《太空政策指令-05》确立了太空系统的以下关键网络安全原则：

这些建议的行动过程是通用原则，这可能是美国土安全部的网络安全和基础设施安全局所能采取的全部措施。

目前需要采取安全加密措施，但未来十年这一能力的需求还将增长。量子计算的发展速度表明，未来十年对太空系统量子加密的需求将会增长。

（4）地面存储、组网和处理技术

如果要实现SDA使用小型卫星的设想，美国防部将需要扩展数据处理能力，纳入先进分析、人工智能、机器学习和全球分发。对于SDA LEO体系结构将产生的数据流，到目前为止，美国防部还无法在与作战相关时间内移动和处理。在应对弹道导弹或高超音速导弹时，这个时间范围可能是几秒钟。人工智能、数据管理和分析将是美国防部通过NDSA支持作战人员决策能力的关键组成部分。

为了开发所需的地面基础设施，美国防创新单元与Ball Aerospace和微软公司签订了合同，演示云处理如何处理SDA的分布式小卫星星座产生的越来越多的数据。2021年5月，商业增强空间互联网络作战计划办公室成功演示了初步数据处理能力。这一测试是通过将模拟数据注入云中来完成的。在云中对数据进行处理。然后，处理后的数据被分发到多个端点。

3.2 美国太空军

美国太空军正试图整合商业航天公司的速度和能力。

美国太空军成立了一个创新中心SpaceWERX，将有前景的太空技术从实验室推向市场。SpaceWERX作为美空军指导计划AFWERX的组成部分，将为太空运营商、实验室工程师和采购专业人员提供平台，与学术界、工业界建立联系，以加速新兴技术解决方案的研发。2021年8月19日，美正式启动SpaceWERX。SpaceWERX提供的第一阶段开发主题将聚焦太空技术，面向小型企业开展技术转让招标，以促进小型企业与专注太空的大学研究人员合作，开发前沿太空技术。通过开放主题活动，初创企业和研究人员可以推荐有利于空军或太空部门的技术。

美国防部还有其他的原型开发项目可以用于小型卫星的开发。其他交易权限（OTA）是一种简化的合同机制，允许国防部组织避免某些合同要求。因此，各组织能够在更短的时间内征求、评估和授予合同。SDA在Maxar技术公司对最初的征询书选择提出抗议后，利用OTA权限开发传输层1期。SDA还利用OTA签订合同，生产8颗0期导弹跟踪卫星。自2015年以来，OTA采购流程就被用于商业空间原型和技术开发。美国防部授予SpaceX公司一份价值1.5亿美元的合同，授予Blue Origin公司2.2亿美元的合同，其中都使用了OTA采购流程。

快速采购成熟小型卫星技术的另一个选择是根据2016财年国防授权法案第804节进行的“中间层”（Middle Tier）采购。该授权法允许美国防部在不同于传统采购系统的新途径下实现快速原型化和/或快速现场部署能力。“中间层”采购是一种快速采购的过渡方法，侧重于在两到五年的时间内交付能力，通过成熟的技术实现快速原型和快速部署。“中间层”允许快速原型制作（最多五年）和快速部署（最多五年）。而小卫星能力的技术更新率大约为24个月。

美情报界对小卫星的利用

美情报界已利用了小型卫星产生的商业图像。2017年，美国家地理空间情报局（NGA）将商业图像采购的责任交给了国家侦察局（NRO）。2021年，NRO宣布了旨在利用商业空间服务的新举措，包括小型卫星运营商提供的服务。NRO宣布了在两个项目中加入商业图像的计划。

（1）2021年10月，NRO宣布了一项新的采办战略，以获得商业遥感能力。此项战略商业增强框架的广泛机构公告（BAA）关注新的和新兴技术，例如商业雷达、超光谱图像、射频感知以及新兴和演进光电能力。

（2）2021年11月，NRO发布了光电商用层（EOCL）商业采购的信息征询书（RFP）。EOCL将交付下一代商业图像，以满足情报、国防和联邦民事机构用户群体的任务需求。此份RFP表明，NRO计划从目前的单一来源图像提供商转变为多供应商协议形式。最近的NRO研究计划包括两个小卫星星座运营商。

NRO采购的商业图像目前每年价值3亿美元。商业图像预算可能会有所增加，以满足军事、环境、灾难响应和其他不太敏感的政府图像需求。采用多家图像供应商的形式将刺激商业创新，促进小卫星遥感产业的发展。

除了NRO的采购，美国国家地理空间情报局（NGA）授予BlackSky公司一份为期五年、价值3000万美元的合同，提供实时地理空间情报和全球监控。BlackSky将使用先进的人工智能和多传感器分析来检测和理解具有重大经济利益的物体。该项目将采用自动化方法，为分析师和决策者提供有关全球经济指标的洞察。

结语

全球商业小卫星产业的增长正在迅速改变美国及其盟友确保太空安全的行动方式。如果美国要保证太空安全，实现公私合作和利用商业小卫星能力必须成为国家太空安全的基础。

商业航天工业发展迅速，未来十年，将进一步加速其技术开发和制造过程。传统国防部技术开发和采购流程根本无法与商业行业相提并论，因为商业行业在几周内就能开发出先进软件，几个月内就能开发出卫星。如果美国要维持其太空安全和全球优势地位，美国政府必须适应新的环境，对其与商业太空工业的多维关系进行实质性改变，采取适当方法积极利用商业航天技术。

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