星链计划对空间环境的影响及优化方法

近十年，随着越来越多的公司开始提出低地球轨道大型星座发射计划，大型星座对未来空间碎片环境的影响也受到了广泛重视。其中，美国联邦通讯委员会（Federal Communications Commission，FCC）已经批准SpaceX在1 110～1 325 km高度部署2 825颗卫星组成的星座，在550 km高度部署1 584颗卫星，同时在335～346 km高度部署7 518颗卫星组成另一个星座，两个星座共同组成SpaceX系统。而2019年10月，SpaceX向FCC提出增加30 000颗卫星组成的星座，星座卫星总数将达到42 000颗。这些星座中涉及的大量卫星对整个空间碎片环境构成了新的挑战，因此对星座发射进行适当管理，采取合理措施限制大型星座对空间碎片环境的影响变得尤为重要。本节将以“星链”计划为例，分析大规模星座对空间环境乃至太空安全的可能性影响。

2015年1月，美国SpaceX公司首席执行官马斯克提出“星链”计划（StarLink）项目。该项目拟于2019—2024年间发射12 000颗卫星到近地轨道，构建一个巨型三层卫星网络。这三层分别位于距离地面340 km、550 km和1 150 km的轨道上，最终使所有卫星联成一个巨大“星座”，为整个地球（包括南北极）全天候提供高速低成本卫星互联网。

SpaceX的总规模预计将达到约4.2万颗。尽管SpaceX表示这些卫星将用于组建全球互联信息网络，但毫无疑问，“星链计划”在军事领域有着巨大的应用潜力。据报道，SpaceX的部分发射场租用的是美国空军范登堡空军基地，可以让部分绝密计划免于审查。而早期的星链低轨技术验证试验，就包括了卫星和美国空军战斗机的天线阵列进行直接互联的内容。由此可见，“星链计划”有着深厚的美国军方背景，而进一步的军事意图将集中在以下几个方面^[3]：

“星链计划”有助于美国抢占有限的低轨卫星空间频谱资源。一方面，相对于中、高轨卫星，低轨卫星具有更重要的军事价值。低轨道卫星一般距地面约1 000 km以内，空间传输损耗较小。卫星形成的覆盖区域在地球表面移动更快，绕地球一周仅需2 h。这就意味着采用低轨道卫星可以保证更大的通信带宽、更快的传输速度和更高的侦察效能。

另一方面，在航天领域，频段轨道资源是一种有限的自然资源，卫星公司需要采取申报的方式向相关机构申请使用资格。国际电联（International Telecommunication Union，ITU）规则规定，轨道资源主要以“先到先得”的方式分配，后申报方不能对先申报国家的卫星产生不利干扰。而低轨星座系统不仅要按照ITU的规定将卫星发射升空，还要按照规定的时间和比例向公众提供相关服务，从而使频率地位合法化、固定化。

也就是说，开发和利用低轨星座系统，不仅能够抢占有限的低轨卫星空间资源，而且有利于抢占频谱主动权，这对于战场通信的信道使用范围有着重要影响。此外，低轨卫星和地球静止轨道卫星还有一个不同点，后者以单颗存在，而前者提供通信服务需要组网。当一颗静止轨道卫星的寿命结束，会用最后能量升高200多千米，进入“坟墓轨道”完成“自我毁灭”，从而让出原来所占的轨道。而低轨卫星星座由众多小卫星组成，当一部分卫星无法工作时，原发射方可以发射新的卫星进行补网，不会将整个资源让给别家。(www.xing528.com)

所以，在低轨星座领域，资源的竞争更加激烈。目前，相对于高、中轨道的卫星网络业务发展，新兴的低轨通信卫星已经成为各个国家、不同阵营进行太空竞争的主要赛道。“星链计划”的实施，将进一步帮助美国抢占有限的低轨卫星空间频谱资源。

从太空作战层面来说，星链也将成为美军无人机集群作战的“天基大脑”。随着战争形态加速向智能化演进，无人机作战已成为现代战争的重要组成样式。2020年1月3日凌晨，美军MQ-9“死神”无人机精确猎杀了伊朗精锐特种部队“圣城旅”指挥官卡西姆·苏莱曼尼，显露出无人机在强大作战体系支撑下的杀伤威力。为了应对体系化、信息化、强对抗的未来战场环境，无人机作战样式开始从“单机”向集群（Swarm，也称为蜂群）方向发展。大、中型空中平台运载并投放大量无人机，组成无人机集群，通过自组织协同算法，实施广域分布式多点多向突击，对传统防御系统提出了极大的挑战。2012年，美国海军经过上百次无人机蜂群攻击模拟试验后发现，即便是装备有“宙斯盾”系统的驱逐舰，在应对无人机集群攻击时也显得力不从心。当由8架无人机组成的集群进行攻击时，平均有2.8架无人机能够避开拦截。即使对舰载防空系统进行升级，仍有至少1架无人机能够避开拦截。试想如果无人机数量增加到数十架甚至上百架，结果不言而喻。

虽然无人机集群作战具有诸多优势，但需要依赖集群间实时信息交互实现协同指挥控制，其“阿喀琉斯之踵”是通信链路和控制系统。如美军曾用3架F/A-18F“超级大黄蜂”战斗机投放103架“灰山鹑”微型无人机，展示了集体决策、自适应编队飞行等无人机集群协同作战能力，其核心支撑就是共享一个“战斗云”（一种分布式数据交互服务器），同时与多个地面站通信。一旦其通信链路被干扰或控制系统被入侵，无人机集群极有可能全军覆没。

也就是说，无人机集群的整体生存能力很大程度上取决于其通信控制能力。“星链计划”可有效弥补这一短板。组成“星链”的大量低轨道卫星通信带宽大、时延低、覆盖全球，不受山地、海洋、极地等任何地形及天候的影响，可帮助地面各类飞行器摆脱对陆基通信系统的依赖，成为无人机集群作战的“天基大脑”，并通过飞行控制、态势感知、信息共享、目标分配和智能决策，实现单架无人机能力扩展及集群整体作战效能的显著提升。