DARPA“黑杰克”低成本军用通信/侦察卫星项目

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来源：新光电

作者：杨烁

2018年2月，DARPA启动了“黑杰克”小卫星项目，计划于2021年将20颗卫星发射入近地轨道（LEO）并进行组网。

2018年10月，DARPA授予蓝色峡谷公司价值150万美元的合同，利用现代民用卫星技术开发小型军事通信与监视卫星。

2018年11月DARPA与卫星运营商Telesat公司签订价值280万美元的合同，为“黑杰克”项目研发民用平台。

“黑杰克”项目旨在开发尺寸、重量、功耗和成本（SWaP-C）较低的空间有效载荷和民用卫星平台，与目前在地球同步轨道（GEO）上运行的军事通信卫星相比，信号强度高约1300倍，通信速度将更快。

该项目开始运行之后，将是一个能力极强，反应迅速的全球通信网络，且不易受到攻击和破坏，美军方也能轻易地通过更换部分卫星保持系统的稳定和先进性。

军事卫星对美军作战能力至关重要，这些卫星通常部署在地球同步轨道上，以实现对地面上任意一点的持久通信。这些卫星的功能非常强大，但造价也很昂贵，建造、发射和运营的成本通常超过10亿美元。随着空间环境竞争日益激烈，这些复杂的、昂贵的、庞大的系统非常容易受到攻击，如果遭到干扰或破坏，可能需要几年的时间才能替换。此外，传统军用卫星的研发周期在十年以上，很难应对新的战场环境带来的威胁。

因此，DARPA希望不再依赖于大型、复杂的地球同步轨道卫星，而转为在近地轨道建立由几十至上百个低成本小卫星组成的星座，形成高速全球网络，使有效载荷高度组网、有弹性、持久性强，以提供无限的传感及通信能力。

民用航天工业目前可大量生产小型、低成本、功能相对复杂的卫星，发射装置也更为先进和廉价。SpaceX等公司计划在近地轨道建立多达一万颗以上小卫星组成的星座，为民用通信、互联网等方面提供服务。随着民用航天的发展，低轨宽带互联网通信卫星成为可能，而且在设计制造成本上还具有规模效应。DARPA希望将更低成本的卫星星座用于军事通信，民用卫星的快速发展有望为有效载荷的制造和发射创造一个全新的生态系统。

“黑杰克”项目将研发并验证一些在低地球轨道进行卫星组网关键的支撑技术，该项目的重点是民用卫星平台和低成本、可互换、设计周期短、技术更新频繁的军用有效载荷，并对有效载荷进行优化，使其适用于多个平台。项目的主要目标有三个：

一是研发有效载荷和任务级的自主软件，采用自主在轨分布式决策处理器。有效载荷能够自主运行，在轨处进行数据处理，系统能够根据高级系统指令，在轨自主执行共同任务；

二是为军用有效载荷及航天器平台研发并实现先进的民用制造能力。“黑杰克”项目将使用商业现成部件进行高速制造，对单个航天器的验收筛选流程进行了简化，并降低对单个航天器寿命的预期。任务保障将在星座级实现，使能单个可抛弃低成本航天器节点；

三是在近地轨道演示卫星有效载荷，目标是展示近地轨道航天器的性能与目前地球同步轨道系统相当，每个轨道节点的平台、有效载荷及发射成本低于600万美元，同时，有效载荷满足民用平台的尺寸、重量及功率限制。

“黑杰克”项目的愿景是构建一个在距离地表500-1300km的高度运行的60~200颗卫星组成的星座，每颗卫星可搭载一个或多个有效载荷。所有的卫星及有效载荷由一个控制中心管理，星座能在无控制中心的情况下自主运行30天。控制中心可由两人管理，其主要工作是设定星座的级别优先度。卫星的有效载荷数据处理将在无地面数据处理协助的情况下在轨进行。

“黑杰克”项目分为三个阶段，目前处于第一阶段，重点是研究系统开发要求及初步架构设计。第一阶段分为两部分，第一部分是研发军用有效载荷，第二部分是研发民用航天器平台。2018~2019财年最多选取6个载荷团队和2个平台团队，载荷设计可不拘于平台，但需提供预设平台的接口文件；研发有通用接口的航电设备，用于自主功能、在轨数据处理、通信管理、载荷数据加密等。第二阶段是详细设计与集成阶段，主要进行用于两颗卫星在轨演示的平台、有效载荷及控制单元的设计与集成。2019~2021财年最多选取4个载荷团队和2个平台团队，完善平台及载荷概念，通过关键设计评审后，每个研发团队必须交付两颗卫星及一台工程演示装置。第三阶段是发射及在轨飞行试验阶段，本阶段将交付两颗卫星并与发射车进行集成。在2021财年发射两颗卫星并进行为期六个月的在轨飞行试验。如果试验成功，第三阶段选取的平台或载荷研发团队将再交付18颗卫星，完成双平面卫星系统演示。

民用卫星平台需提供多种载荷选项，以及星座通信服务和架构服务。为“黑杰克”项目开发的平台应与民用平台完全一致，去除民用有效载荷后替换为军用有效载荷。因此，平台将采用开放式的硬件和软件架构，兼容数十种甚至上百种不同类型的军用传感器载荷。其设计开发的关键技术包括：

空间及地面组网拓扑（空间对空间、空间对地面、地面对地面）、数据路由实现/控制、加密架构及网络安全、数据优先级、空对地通信网络（协议、外部接口、数据ROM成本）、星座设计（高度、倾斜率、离心率、 平面数、每个平面卫星数、星座扩展计划）、两个以上卫星的信息共享和协同操作、卫星内部通信链路、载荷数据/功率接口、载荷机械/电子/热接口、指向控制（抖动、回转速率、定位信息）、位置控制、自动组装/校准/测试、故障解决方法、发射载重/环境等。

民用平台的主要设计参数如表1所示。

表1  民用平台设计参数

“黑杰克”项目寻求的卫星有效载荷是低成本可替换的有效载荷，其设计周期短，能在近地轨道的分布式星座中提供军事用途。有效载荷可通过硬件或软件更新实现次级任务，例如在通信载荷上加入一个时序波形，就能提供类似GPS的功能；或者，使用恰当的GPS空间导航子系统，就能实现GPS无线电掩星功能。有效载荷的尺寸、重量级功率（SWap）限制严格，且需针对多种平台进行优化。有效载荷需实现的主要功能包括导弹探测/告警、定位、导航及定时（PNT）服务、军用加密通信、雷达、用于战术情报、监视和侦察（ISR）的光电及红外成像等。其设计开发的关键技术包括：

在轨数据处理、多载荷协同操作（一个或多个卫星上）、载荷次级任务（通过更新硬件或软件实现次级用途）、自主运行、测试方法（地面测试、在轨测试）、多个卫星/载荷的相干/非相干信号处理、双向数据链、雷达处理技术、分布式阵列处理、载荷灵活性、自动数据重发、震动隔离等。

有效载荷主要设计参数如表2所示。

表2  有效载荷设计参数

Pit Boss是一个安装在“黑杰克”卫星上航电设备和计算节点，配备有高速处理器和加密设备，可用作通用网络和电气接口，提供任务层面的自主能力，实现在轨边缘计算。Pit Boss适应有效载荷及航天器平台，为每个有效载荷提供电子和网络连接。Pit Boss在有效载荷、“黑杰克”航天器组网的星座节点及更广阔的商用航天器星座节点之间提供包传送路由，也能在网络节点间提供安全通信的数据加密和解密。Pit Boss使“黑杰克”的星座节点能够在不需要人为操作的情况下长期协同运作。其设计开发的关键技术包括：

人工智能控制的自主运行软件、动态分布式计算、大规模分布式计算、高精度定时、高可信度网络方案、低成本在轨处理硬件、空间加密方法、网络节点安全通信的数据加密和解密、系统任务集成、卫星资源管理、星座管理等。

目前，地面用户可能需要在太空中查找两到三个不同的节点来进行通信，“黑杰克”将项目利用商业公司建立的新网状卫星网络，一旦链接并加密，地球上任意一点的用户就可查找到数百个潜在的网络节点，这些网络节点具有多个点对点兆比特数据链，通信能力可达每秒千兆比特级，延迟很短，约为100-200毫秒。

如果地面网络系统出现问题，“黑杰克”的网状网络将提供自主运行的空间网络通信能力，在数据传输的过程中也不需要其他系统。现有的铱星网络也能提供备用的通信方式，但其带宽较低，而“黑杰克”项目将通过几十甚至上百颗卫星增加通信网络带宽，这将彻底改变美国国防通信方式。

一些商用巨型星座包括数百颗卫星，有的可多达1万余颗，对部署大型星座来说，近地轨道是非常拥挤的。目前，“黑杰克”项目利用商业公司进行卫星平台建设及组网，没有建造平台的指导方法，也没有指导如何将这些星座组合在一起，这就为部署大型星座带来了风险。但鉴于在太空中管理大量航天器的技术是可行的，“黑杰克”项目面临的技术风险是可控的。

“黑杰克”项目使用民用平台搭载军用有效载荷。民用平台能承载的有效载荷的尺寸、重量、功耗都受到限制，而在功能上又需要与现有的军用通信网络基本一致。项目的远期愿景是发射几百至上千颗卫星，需要开发大量的有效载荷。因此，“黑杰克”项目试图建立一个有效载荷生态系统，可匹配多种民用平台。为构建该生态系统，就不能只是设计一种能够完美匹配的有效载荷，然后再研发下一种。有效载荷开发人员必须进行一般化的初始设计，以涵盖多种类型的商品化平台，而在深入设计阶段，再将有效载荷与平台相匹配，这样就可以开发大量有效载荷。

“黑杰克”项目的技术更新周期很短，每两至三年就需要对有效载荷进行更新，因此，有效载荷还应具有开放式架构，可在太空中进行算法更新。综上，如何设计尺寸、重量、功耗和成本较低，同时具有相对完整功能，且能适配民用平台的有效载荷，将是本项目的技术重点。

“黑杰克”项目的航天器成本为三百万至四百万美元，发射成本为两百万至三百万美元，因此，单个网络节点的成本低于六百万美元，低于一颗高端弹药的成本。这种低成本网络节点是可消耗的，不需要像传统的十亿美元级的航天器一样，对其进行高级别的保护。这就使得整个卫星星座成为了弹性元素，可在星座级而不是节点级提供高可用性、可靠性和任务保证。如果一颗卫星被击落，可在十至十五分钟内从地面发射替换卫星，因此很多直升式攻击方法的意义都不大，但仍需保护星座免受非动能和赛博领域等其他类型的威胁。卫星星座抵抗动能武器方面的帮助最大，在很多领域具有较高的弹性。确保了卫星通信免受一些空间对抗因素的威胁。