美国长期以来一直依赖大量复杂的传感和通信基础设施,以便在发生核攻击时接收警告并执行核指挥。这个指挥和控制网络高度依赖天基资产来运作,并在发生核危机时向决策者提供可靠的信息。本文旨在全面概述卫星在美国核指挥和控制网络中的贡献,分析核现代化进程中的太空资产,探讨随着太空环境变得更加有争议,它们所面临的脆弱性和风险,并提出政策解决方案以加强和保护这一重要的基础设施。这些信息应作为学者、从业人员和决策者的资源,以更好地理解这一复杂的系统和它在今天的太空环境中所面临的独特挑战。
美国的核指挥、控制和通信(NC3)网络是一个由许多关键部分组成的复杂系统,旨在支持美国的核威慑力量。国防部将NC3定义为使总统能够行使核权力的设施、设备、通信、程序和人员。下面的图形显示了这个网络的组成部分的简化效果,包括核平台本身、传感器、通信基础设施和决策人员。
图 1:天基核指挥与控制。
《核态势评估》(NPR)是美国每届政府核政策的指导性文件。最新的《核态势评估报告》发表于2022年,概述了核指挥和控制系统的五个关键功能:探测、警告和攻击特征;适应性核计划;决策会议;接收和执行总统命令;以及促成部队的管理和指挥。这些功能是通过一个相互连接的系统来实现的,其中包括预警卫星和雷达、通信卫星、飞机和地面站、固定和移动指挥所以及核系统的控制中心。目前的系统通常被称为有两层:"粗线",包括标准的操作和危机架构,以及 "细线",为总统、国防部长和作战指挥官提供可生存、安全和持久的连接。NC3是核力量和总统权力之间的联系。
核指挥和控制网络需要高度的生存能力,即使在最坏的核战争情况下也能继续发挥作用。它被设计成可在各种极端条件下生存,并纳入了加固、移动、冗余和隐蔽措施。
NC3的天基部分是美国国防的组成部分,因为它是 "传递总统使用核武器命令的首选手段,并将为即将到来的核攻击提供第一个警告"。卫星提供安全通信;情报、监视和侦察(ISR);导弹发射预警;定位、导航和定时(PNT)功能,以及NC3系统和网络的同步。这些系统包括一颗卫星或由许多卫星组成的星座、地面站、传感器和用于发射和接收数据的上行/下行链路,以及最终用户的终端。 此外,地球观测、电子情报和气象预报也是有助于NC3的天基功能。根据空军负责战略威慑和核整合的副参谋长杰克-温斯坦中将的说法,"我们需要一只不眨眼的眼睛来发现正在发生的事情。这只不眨眼的眼睛是由太空提供的......[NC3网络]完全依赖于太空。"
主要的NC3卫星通信(SATCOM)基础设施是由六颗卫星组成的地球同步高级极高频(AEHF)星座,它是1990年代MILSTAR计划的后续。AEHF由极地轨道上额外的受保护的SATCOM单元支持,目前包括两个增强型极地系统(EPS)托管有效载荷和支持系统,提供65度以上纬度的覆盖。AEHF是一个多服务的通信星座,旨在保护其免受某些形式的反太空攻击。AEHF为NC3网络以及其他陆地、海洋和空中资产提供抗干扰通信。
值得注意的是,AEHF为位于北纬65度和南纬65度以内的纬度提供服务,这涵盖了从北极圈底部到南极洲北部的所有地区。AEHF的通信也与选定的盟友和合作伙伴共享。AEHF在整个核战争期间为总统、国家安全高级领导人以及军事战术和战略部队提供可靠的通信。 AEHF是少数几个公开承认的可以传送行政授权命令的途径之一。AEHF星座为陆战、空战和海战;特种作战;战略核作战;战略防御;战区导弹防御;以及太空作战和情报提供支持。六颗老化的MILSTAR卫星,其中第一颗于1994年发射,此后被较新的AEHF星座所补充,现在已经退役并远离了地球静止轨道。最后一个AEHF有效载荷于2020年3月作为第一个太空部队任务发射,六颗卫星的计划总成本为150亿美元。
天基红外系统(SBIRS)是主要的预警卫星群。由六颗带有核加固部件的卫星组成,SBIRS由高椭圆轨道上的两个托管传感器有效载荷和地球同步轨道上的四个专用有效载荷组成。SBIRS使用探测热信号的红外传感器来监视地球,提供用于导弹防御、战斗太空感知、导弹预警和战术情报的大量数据,通过五个独立的下行链路向地面发送未经处理的原始数据。作为国防支持计划(DSP)星座的后续项目,SBIRS被设计为满足系统生存能力和耐久性要求,并对太空中的核电磁爆炸进行加固。截至2022年8月4日,所有六颗卫星都已成功发射到地球同步轨道。 空军最初的预算计算预计SBIRS六颗卫星的费用为50亿美元--目前的数字显示SBIRS六颗卫星的费用为192亿美元。
图 2:SBIRS 导弹预警卫星
虽然预警和安全通信卫星因其在国家安全中的作用而众所周知,但其他执行更平凡任务的卫星受到的关注较少,但对国家安全行动仍然很重要。这些卫星系统和它们各自的地面站是更大的NC3系统的组成部分。
全球定位系统(GPS)、国防支持计划(DSP)和其他机密的地球同步轨道星座上的主机传感器也为NC3做出了贡献。 这些卫星承载着美国核爆炸(NUDET)探测系统(USNDS)的太空部分,根据空军的说法,该系统 "提供了一种近乎实时的全球高生存能力,以探测、定位和报告地球大气层或近太空中的任何核爆炸。" 这些传感器自1978年首次发射GPS以来一直在运行,并向国家指挥局、美国战略司令部、美国太空司令部和空军技术应用中心提供核力量管理、技术情报和条约监测,资金由空军和国家核安全局提供。太空部队在其2023财年预算中要求700万美元用于继续采购NUDET系统。
正在进行的核现代化进程始于2000年代初对下一代B2轰炸机的升级,并如奥巴马总统领导的2012年《核态势评估报告》所概述的那样更广泛地继续进行。 目前的现代化推动得到了政治妥协的支持,并与2010年批准新的《削减战略武器条约》同时进行。它是由几个因素驱动的,包括随着俄罗斯等对自己的战略武库进行现代化改造,与这两个国家的对外竞争加剧,以及需要更换老化的武库和支持性基础设施,并利用当今的数字技术升级核基础设施。美国战略司令部前指挥官理查德上将最近作证说:现在的战略安全环境是一个三方核近似的现实。今天的核力量是实现我们国家战略的最低要求。现在,我正在历史性的压力下执行我的战略威慑任务,危机级别的威慑,危机威慑的动态,在我们国家的历史上我们只见过几次,而我正在用80年代和90年代建造的潜艇来执行。我正在做的是80年代和90年代建造的潜艇,80年代建造的空射巡航导弹,70年代建造的洲际弹道导弹,60年代建造的轰炸机,我们在互联网之前的部分核指挥和控制,以及可以追溯到曼哈顿时代的核武器群。
NC3架构是为应对苏联的导弹威胁而设计的,最后一次大幅更新是在20世纪80年代。在此后的几年里,美国一直面临着新的核威胁,而没有推进NC3系统以应对这些威胁。先进的技术也使NC3的要求复杂化,对系统本身造成了新的威胁。 现代化进程也延伸到天基资产和一个日益拥挤和竞争的太空领域。国家安全太空企业已经转向调整架构和采购做法,以适应日益竞争的环境。前代理国防部长帕特里克-沙纳汉在一份特许成立太空发展局的备忘录中写道:一个国家安全太空架构,提供阻止,或在阻止失败时,击败对手行动所需的持久、有弹性、全球、低延迟的监视,是保持我们长期竞争优势的先决条件。如果我们仍然受到传统方法和文化的束缚,我们就无法实现这些目标,也无法与我们的对手设定的步伐相匹配。
现代化包括升级和更换卫星,以减少陈旧的设备和拆除老化的系统,为新的有效载荷配备更先进的传感器,扩大容量,并设计系统的生存能力和弹性。需要现代化的具体系统包括各种导弹发射预警和通信卫星,包括SBIRS和AEHF。随着开发新的星座以跟上导弹技术的步伐,更多的现代化可能包括传感器、地面站、终端以及整个网络的弹性、生存能力和硬化的升级。
国会预算办公室的最新预测估计,2021-2030年要求的核现代化预算中约有15%专门用于指挥、控制、通信和预警系统。
SBIRS将得到补充,并最终被下一代高空持久性红外(Next Gen OPIR)星座所取代。该星座的第一块将包括三颗覆盖中纬度地区的地球同步轨道卫星和两颗覆盖高纬度地区的极地高椭圆轨道卫星。洛克希德-马丁公司在2018年获得了价值29亿美元的非竞争性唯一来源合同,以开发这三颗下一代OPIR地球同步卫星,后续合同为49亿美元。第一颗地球同步轨道卫星计划于2025年首次发射,而由诺斯罗普-格鲁曼公司建造的第一颗极地卫星可能将于2028年发射。整个卫星群预计在2028年交付。另一项举措,即 "未来操作弹性地面进化"(FORGE),将使该系统的地面站部分现代化,并处理来自SBIRS和下一代OPIR的数据。2023财年该系统的预算研究和开发要求为35亿美元,包括地面、地球同步轨道和极地部分,预计项目总成本估计为144亿美元。
2017年,前参谋长联席会议副主席约翰-海滕将军称老化的SBIRS卫星为 "大的多汁目标",指其缺乏对反卫星武器的防御能力,并批评了开发下一代替代品的时间表。这促使空军加快了系统的开发,并整合了更多的先进功能,从更好的传感器到弹性措施。下一代OPIR计划对威胁有更强的弹性,这也是SBIRS星座的一个问题。据洛克希德-马丁公司的一位代表称,"如此规模的太空项目--包括开发两个全新的导弹预警有效载荷--从未进展得如此之快"。
下一代OPIR星座的开发正在由两个承包商分担,以加强敏感的国家安全有效载荷的冗余度。例如,如果其中一个承包商出现延误或其他问题,整个计划中的星座不会受到影响,可以继续按计划进行。从有效载荷要求到架构设计,开发过程中的每一步都在处理弹性问题,空军上校布莱恩-德纳罗将下一代OPIR描述为美国综合导弹预警、跟踪和战斗太空感知的基石,他说:"下一代OPIR旨在提供弹性的天基全球导弹预警能力,以应对新出现的导弹和反太空威胁。"
太空开发局也正在开发一个在低地轨道和中地轨道上的全球高超音速和弹道导弹跟踪层,作为其国防太空架构的一个关键组成部分,将与更广泛的NC3网络相结合。 首批8颗卫星将在第0阶段发射,下一波将由28颗额外的低地轨道卫星组成,在2025年发射。 最终的目标是在低地轨道和中地轨道上的整个卫星群相互无缝连接,并能进行助推阶段的导弹探测和跟踪。 SDA最近宣布,它已经授予L3Harris和Northrop Grumman总共13亿美元的合同,以开发能够跟踪飞行中的高超音速导弹的原型卫星。这个更大的太空导弹预警架构背后的主要动机是在较低的轨道上有卫星,能够为高超音速导弹和滑翔机提供增强的跟踪能力,同时也有增加冗余度的额外好处。
AEHF的现代化计划包括用新的进化战略卫星(ESS)星座来补充和取代它,这是一个空军计划。它将提供扩大的全球战略和安全通信能力,以支持NC3功能。洛克希德-马丁公司、波音公司和诺斯罗普-格鲁曼公司正在为未来几年的ESS计划开发竞争性设计。整个ESS系统的合同预计将在2025年授予。AEHF最初打算由转型卫星通信系统(TSAT)计划取代,但由于成本超支和延误,该计划在2010年被取消,取而代之的是再发射两颗AEHF卫星作为临时措施。
增强型极地系统资本化工作,被设计为增强型极地系统和即将到来的极地部分之间的权宜之计,目前正在开发中,计划于2022年发射。极地部分的4.29亿美元的合同被授予诺斯罗普-格鲁曼公司。
通常情况下,虽然这些卫星系统的大部分技术规格都是高度机密的,但在先进极高频(AEHF)星座上有各种公开的信息。作为MILSTAR通信星座的后继者,该计划始于1999年,于2001年开发,于2018年达到初始运行能力,目前由太空部队运营和维护。六颗卫星中的第一颗于2010年发射,最后一个单元于2020年发射。其运行时间表面临一些挫折,包括AEHF-1的技术问题导致其在轨搁浅,后来被回收,以及AEHF-4的进一步延迟。AEHF提供极高频(EHF)上行链路和交叉链路能力以及超高频(SHF)通信。它的容量是MILSTAR的10倍,其特点是增加了覆盖区域。它的抗干扰有效载荷包括机载信号处理、无线电频率设备、跨频段的EHF/SHF通信天线,发射时质量为6,168公斤。它的加固和可生存的任务控制和终端部分由固定和移动的地面、空中和海上终端组成,有利于数据传输率从75 bps到8 Mbps。空军最初对整个AEHF系统的成本估计为60亿美元,而总成本则为150亿美元。
随着现代化进程的继续,随着美国在太空领域面临越来越多的威胁,维持和发展强大的天基NC3能力有几个挑战。围绕网络安全、部队设计和扩散、升级和威慑以及防御的问题正在推动当前的政策讨论。
2022年国防战略的特点是 "综合威慑 "的概念--按照负责政策的国防部副部长萨沙-贝克的说法,这是 "一个与所有国家力量工具以及美国盟友和我们的伙伴合作,跨作战领域、战区和冲突范围的框架"。天基资产将是美国在常规和战略任务中继续整合部队和网络能力的一个关键部分。"国防部长劳埃德-奥斯汀说:"综合威慑是关于使用技术、作战概念和能力的正确组合--所有这些都以一种网络化的方式交织在一起,它是如此可信、灵活和强大,将使任何对手暂停。综合威慑不是依靠纯粹的军事力量来威慑对手,而是设想拉动每一个可用的影响杠杆,以达到预期的外交政策和军事效果。
由于太空系统的数字性质,网络干扰和攻击仍然是国家安全空间企业的首要关切,事实上,"NC3复原力的许多最艰巨的挑战在于网络空间和外空领域的交汇处,网络攻击是针对基于太空的NC3资产。供应链上的漏洞和通过承包商的漏洞也可能为坏人或其他失败者破坏复杂的网络提供了机会。根据太空信息共享和分析中心(ISAC)执行主任艾琳-米勒的说法,"由于企业和政府内部使用不同的法规和要求,很难确保来自供应链各个层面的组件具有相同质量的网络保护。" 一份2019年DOT&E网络评估报告强调了这种担忧,对NC3能力的评估结果 "向国防部最高领导层进行了通报,并导致对这一重要领域的关注度大幅提高"。
在采购方面,2021年SpaceNews的一篇专栏文章解释了为什么网络安全和供应链管理必须齐头并进。"鉴于目前的资源限制,新的美国太空部队的精简,以及对敏捷性和快速采购的推动,对商业的依赖可能会增加。在这种环境下,提供数据、软件、硬件和服务的供应商激增,给对手带来了一系列的机会和连带影响,这突出了立即提升网络卫生和供应链风险管理(SCRM)的重要性。"
太空部队也站在认识这些风险的最前沿,并更加注重准备应对这些风险,组建了太空三角洲6号网络安全中队,以及新的太空部队基础设施资产预评估计划(IA-PRE),旨在 "为国防部推进当前和未来商业卫星通信采购的安全态势"。
为了减轻这些挑战,政府和行业应继续关注弹性设计,在流程的每一步都关注网络安全,并防范从研发到发射的供应链拦截。由于网络反卫星行动是专家们最担心的反太空威胁之一,在现代化进程和类似工作中为卫星有效载荷和地面站建立强大的网络安全措施应该是一个优先事项。承包商和商业公司应确保在该过程的每一步进行网络安全加固,以帮助减轻系统的弱点和漏洞。此外,正如2022年俄罗斯对乌克兰商业卫星运营商Viasat的黑客攻击所显示的那样,卫星地面站通常是这个系统的一个薄弱环节,在冲突中可能成为相对容易的目标。 2020年网络空间Solarium委员会报告的一项重要建议指出:更令人担忧的是,面对全方位的网络威胁,美国的核威慑力以及NC3系统和NLCC项目的生存能力和复原力受到了潜在的网络威胁。这些威胁特别令人震惊,因为它们可以破坏核威慑的稳定性,并为无意中的核战争创造条件。最大的风险是,正因为网络互动发生在武装冲突的门槛之下,网络风险和NC3系统的结合实际上可以降低这个门槛。考虑到这一点,国会应指示国防部对NC3和NLCC企业的每一个部分进行例行评估,以确定是否遵守网络安全的最佳做法、脆弱性和妥协的证据。
此外,将太空架构设计从少数需要长时间建造、发射和定位的昂贵卫星,转向由较小、较便宜的卫星组成的更大的星座,可以帮助提高弹性,并防止当一颗卫星受到干扰而导致整个星座被削弱的共同模式故障。这种新的基础设施还可以包括一个精简的发射计划,以迅速更换损坏的卫星,并投资于空中或地面的冗余系统。由于星座的建造、发射和就位需要很长时间,许多系统在数年内都不会满负荷运行,因此建立额外的空中、地面通信或导弹预警支持是一个重要的考虑因素。太空发展局处于这一努力的前沿,将扩散和螺旋式架构发展模式作为其国防太空架构的两大支柱方法,允许更高的弹性,更多的灵活性,以及 "快速转向以应对甚至先发制人地应对威胁的进展 "的能力。 此外,高级官员已经强调了扩散性部队设计的必要性,包括前太空部队空间作战主管雷蒙德将军。"我们必须转变我们的空间架构,如果你愿意的话,从少数难以防御的精致能力转变为一个更强大、更有弹性的架构。"
太空资产的破坏可能通过影响导弹预警和安全通信能力以及破坏关键的太空基础设施而对美国的核态势和一般部队准备状态产生严重影响。这些影响在美军受到攻击的冲突情况下可能被放大。如果一个对手想要破坏美国的核安全,这些特性将使天基NC3部分成为一个有吸引力的目标。
军事卫星可以是纠缠的系统,这意味着一些卫星同时履行战略和战术任务。虽然纠缠的好处包括降低成本和操作上的好处,但一个令人关切的问题是,如果这些系统成为目标,可能存在意外升级的可能性。如果战略天基NC3能力作为附带损害受到影响,对手瞄准美国常规太空能力,试图在常规冲突中获得优势,可能对美国对其核力量的信心产生不稳定的影响。 太空中可能的进攻行动的多样性也可能影响到对某些资产的某些攻击模式将造成升级的关切的程度。在常规冲突期间干扰两用卫星通信可能引起不同的反应,而干扰导弹探测卫星或探测影射这些系统之一的同轨飞行器。攻击方式和目标,以及可能发生的冲突的背景,都可能影响某些攻击引起战略关切的程度。然而,一些学者认为,NC3卫星的战略和战术功能的纠缠是对侵略行动的一种威慑,而不是一种潜在的绊脚石。敌人可能不想为战术目的而冒险瞄准这些资产,因为有可能出现意外的升级。因此,解除纠缠可能会对威慑努力产生反作用。因此,解除纠缠可能与威慑努力背道而驰。纠缠战略可能因此而更加可取,如果是这样的话,也有可能减少太空中这种类型的意外升级的可能性。
此外,由于这些太空系统是核指挥和控制网络的一部分,一些专家提议,最依赖其卫星的国家在彼此的高空卫星周围谈判 "禁止进入 "区。这种类型的国际规范或条约的建立有希望减轻威胁,尽管像美国、俄罗斯等这样的主要核大国是否愿意加入这样的协议是值得怀疑的。一个潜在的挑战是,签署该协议的国家必须愿意披露其哪些卫星执行此类操作以及它们在轨道上的位置,因为人们担心这种信息共享会增加这些资产的脆弱性。
根据专家Ankit Panda的说法,"在2018年NPR扩大了核使用的条件之后,天基NC3资产值得特别考虑"。 在2018年的NPR中,美国 "只有在极端情况下才会考虑使用核武器,以捍卫美国、其盟友和合作伙伴的重要利益。极端情况可能包括重大的非核战略攻击。重大的非核战略攻击包括但不限于对美国、盟国或合作伙伴的平民人口或基础设施的攻击,以及对美国或盟国的核力量、其指挥和控制、或预警和攻击评估能力的攻击。" 通过将对NC3的 "非核战略攻击 "列入美国可能考虑使用核武器的情况清单,这发出了干扰NC3可能越界的信息。它还提出了一个问题,即哪些类型的侵略活动可以被称为 "非核战略攻击"--特朗普政府从未对这一术语进行充分定义。在2022年的《国家行动计划》中,拜登政府又恢复了奥巴马时代更模糊的语言,只是说 "美国只有在极端情况下才会考虑使用核武器来捍卫美国或其盟国和合作伙伴的重要利益"。 长期以来的理解是,针对这些系统可能是高度升级和破坏稳定的,因此保持强大的NC3能力并保护它们不受干扰是至关重要的。
NC3卫星也可以从被动和主动保护措施中受益。被动措施包括分解、分布和扩散的星座,创建更大的小型卫星群,执行关键功能。分解战略可以帮助减轻两用基础设施的纠缠问题--例如,"进化的战略SATCOM(ESS)系统将支持战略用户的任务,如核指挥和控制,而受保护的战术服务(PTS)系统将支持需要高度抗干扰的战术SATCOM用户。这可以通过迫使对手明确它在攻击中所针对的能力来减少无意升级的可能性"。然而,对于某些太空系统来说,分解战略可能并不可行,也不是最佳选择,这取决于技术或预算限制或战略关切。当然,"对手可能无法区分用于不同任务的卫星,而且即使这种差异被披露,对手可能不相信这种区分,无论如何都会攻击这两个卫星。"
其他被动措施包括冗余、移动和加固的地面站,在这种情况下,卫星运行不依赖于单一的、固定的和脆弱的地面站来接收和传输关键数据,而是可以得到其他地面站或空中接收机的支持。像先进的太空态势感知、电磁屏蔽、快速部署和重组卫星有效载荷,以及使用加密和空中封锁系统等防御措施,是NC3太空系统保护自己免受事故或干扰的额外方式。主动的卫星防御措施可以采取干扰和欺骗、激光、以网络攻击为目标的反太空系统、或发射弹丸或实际扣押威胁物体的形式。虽然这些防御方案中的一些会增加卫星有效载荷的成本或重量,但这些方案的组合有可能为重要的核指挥和控制卫星提供强有力的防御。
也存在减少拥挤和有争议的轨道环境的影响的国际选择。创建一个强大的全球太空交通管理系统将有助于所有国家获得强大的太空态势感知能力,并减少意外碰撞所带来的风险。最近的倡议也促进了围绕负责任的太空行为建立国际规范,其最终目标是指导行为并创造一个安全和可持续的太空环境。2022年5月联合国减少太空威胁不限成员名额工作组的第一次会议讨论了这些规范,而未来的会议显示有希望围绕太空安全开始讨论。以美国为首的暂停破坏性动能反卫星试验最近以154比8的投票结果被采纳为联合国决议。九个国家承诺单方面暂停试验,而中国和俄罗斯投票反对该决议,印度弃权。美国、俄罗斯、中国和印度是唯一试验过反卫星武器的国家。这项决议可能预示着在政策选择方面出现了一定程度的势头,可以努力减少太空中的风险。未来的一种可能性是,在太空中有强烈国家安全利益的国家开始谈判,以谈判一项禁止有目的地干扰或瞄准关键卫星的条约条款,包括那些参与彼此战略力量的卫星。然而,任何这样的外交努力必须努力实现所有国家都能同意的解决方案,并引导太空资产所固有的敏感的国家安全关切,这一点迄今已被证明具有挑战性。
美国核指挥和控制网络的太空部分是一个高度复杂的系统,轨道环境的性质给其安全带来了独特的挑战。这个项目的开源性质自然限制了它能回答高度敏感的国家安全基础设施的内容,但它有望为研究人员、分析人员和政策制定者提供关于这一重要议题的资源。关于这一主题的下一阶段研究应该包括以下问题:国家侦察局和其他情报界架构在NC3系统中的作用,鉴于快速变化的太空威胁环境,军方如何在未来10-20年内改变能力和生存能力要求,如何在生存能力需求增加和由此导致的有效载荷复杂性和成本增加之间决定权衡,以及随着其他核国家投资于他们自己的先进太空核指挥和控制资产对国际安全的潜在影响。总之,发展NC3太空项目的强大后继者和适应新系统对于跟上快速变化和日益危险的太空环境至关重要。