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“黑杰克”项目是美国国防高级研究计划局（DARPA）于2018年启动的研发项目，旨在利用现代商业卫星技术构建一个小型、安全、低成本的近地轨道（LEO）军事卫星星座网络小项目低成本，提供与目前在地球同步轨道运行的军事通信卫星类似的功能。“黑杰克”解决方案的特点是由商业供应商提供小型卫星，再搭载通信、导航、侦察、预警等多类军用传感器有效载荷，从而构建出低成本且具备高度韧性的军用低轨星座。目前，“黑杰克”已发射6颗卫星并开展了相关演示工作，将为美太空发展局的国防太空架构（NDSA）项目提供低地轨道卫星星座的相关技术及经验。

发展动因

美军认为，只有太空才能为大国竞争提供所需的作战速度及规模，太空领域的发展已受到前所未有的重视。同时，随着商业航天技术的发展，低轨通信卫星的批量研制、快速部署为军事领域带来了规模经济效应的新机会。在此背景下，“黑杰克”项目应运而生了，其主要发展动因可归结为以下两点：

（1）应对军用卫星系统研制周期长、费用高的问题，实现迅速部署、升级卫星能力的目标

从冷战时期以来，美国国防部卫星均是定制设计，设计和升级周期长且成本高昂，同时也抑制了太空的创新优势。这些卫星数量很少，当今的核心军用卫星通信仅包括36颗卫星，少数几个平台的损失就可能导致整个太空域的严重故障。卫星的成本十分高昂，当前移动用户目标系统（MUOS）、先进极高频（AEHF）和宽带全球卫星通信（WGS）星座中的每颗卫星的平均购置成本均超过10亿美元。这些卫星落后于不断变化的威胁环境，甚至已经沦为低成本武器的靶子。一旦这些卫星遭到干扰或破坏，需要花费数年时间才能补充更换。

而基于开放式架构和网状网络接口控制的商业太空技术能够以较低成本让数十种或数百种不同类型的军用卫星有效载荷在低地球轨道上运行，有效解决卫星系统研制周期长、费用高的问题，实现迅速部署、升级卫星能力的目标。

（2）解决卫星集中部署在地球静止轨道导致的弹性不足问题，实现分布式卫星架构

为了持久不间断地覆盖地球特定地区，美国重要军用预警、通信、中继、电子侦察等卫星基本上都部署在地球静止轨道。这种集中式卫星架构在设计上无法满足信息时代、全域作战所需的速度、规模和复杂性，也不具备足够的弹性来抵御现代的反太空威胁。

为此，美军试图通过部署非地球静止轨道卫星星座，特别是近地轨道卫星，来增加、分散、解聚和扩展其现有卫星通信系统。在多个轨道上部署较多数量的卫星将提供更大的容量和覆盖范围、减少路由延迟、增加任务的可选择性，并增强抵御反太空攻击的弹性。

目标、架构与功能

“黑杰克”项目启动之初计划于2022年前发射20颗卫星，最终目标是构建由60至200颗卫星组成的卫星星座，运行在高度为500至1300千米的低地球轨道上。整个系统包括有效载荷、通用平台、自主和集成、发射、运控５个独立部分。

但是由于太空发展局2019年启动了类似项目——国防太空架构（NDSA），再加上供应链等相关问题，“黑杰克”项目截至2023年6月仅发射了6颗卫星，并宣布不再增加新的卫星。虽然卫星规模大幅缩小，但其探索的技术及经验将为国防太空架构的发展提供重要借鉴。

图1 “黑杰克”构想图

“黑杰克”星座运行概念如图2所示，数据传输层由商业卫星平台（总线）提供，功能层由平台上搭载的美国防部军用载荷组成。

图2 “黑杰克”星座运行概念图

2.1研制目标

“黑杰克”项目主要有以下三个研究目标：

（1）研发有效载荷和任务级自主软件，采用分布式在轨决策处理器，载荷能够在轨处理数据、自主运行并执行任务；

（2）为军用载荷配备先进的商业制造能力如商业现货零部件，减少筛选和验收测试单个卫星的流程；

（3）演示验证低地轨道卫星有效载荷，目标是验证低轨卫星能力与当前地球同步轨道卫星的能力相当，且单颗低轨卫星的成本低于600万美元。

2.2项目架构与功能

每个黑杰克卫星将包括一个能够与其他节点进行宽带全球通信的商业卫星通用平台、一个或多个可以自主运行超过24小时的军用有效载荷以及一个名为“赌场老板”（Pit Boss）的控制单元。

图3 “黑杰克”架构图

（1）商业通用卫星平台

“黑杰克”卫星平台的电气、软件、网络等接口采用开放式、标准化架构，而不是为通信、导航或者遥感等军事卫星专门设计的专用平台。因此，卫星平台能够同时搭载多种类型的军用有效载荷，支持任务载荷的即插即用。当需要搭载新型载荷时，无需重新设计平台，真正实现了对新载荷的快速集成。

（2）有效载荷

“黑杰克”卫星的有效载荷成本低且可替换，设计周期短，尺寸、质量、功率需求有严格的限制。“黑杰克”卫星的有效载荷实现的主要功能包括导弹预警、定位、导航及授时（PNT）服务、加密通信、光电及红外成像等。

（3）“赌场老板”控制单元

“赌场老板”是一套智能化自动任务管理系统，内含高速处理器和加密装置，可快速、持续完成在轨数据处理、数据加密、数据传输等任务，具备卫星目标跟踪、定位、导航与授时能力，以及覆盖全球的快速通信能力，支持星座的自主运行。“赌场老板”将每一颗“黑杰克”卫星的星上控制单元连接起来，构成一个智能网络系统，对来自各个卫星的信息进行在轨融合处理后再将相关信息发送给地面的最终用户。

图4 “赌场老板”在轨演示图

发展历程

2018年4月，DARPA发布“黑杰克”项目广泛机构公告并发布了项目理论上的进度时间表。项目实施分为三个阶段：第一阶段主要开展系统架构研究与设计网络小项目低成本，在2018至2019财年最多选取2个卫星平台团队和6个载荷团队启动研究工作；第二阶段进行详细设计与集成，在2019至2021财年最多支持2个卫星平台团队和4个载荷团队研制2颗试验卫星和相应的载荷工程样机；第三阶段开展发射和在轨飞行试验，2021财年择机发射2颗试验卫星，开展为期6个月在轨试验。若在轨试验顺利，最终演示验证系统将部署18颗黑杰克卫星构成的低轨实验星座。

图5 “黑杰克”项目启动初时制定的时间表

2018年11月，DARPA与空客防务和航天公司、蓝峡谷技术公司、Telesat公司签署合同，为项目开发卫星平台总线。

2020年4月，DARPA选定洛克希德•马丁公司为“黑杰克”项目卫星集成商，为卫星平台总线、有效载荷和“赌场老板”之间的接口进行定义和管理。同年6月12日，DARPA宣布向雷神公司授予3740万美元的合同，为“黑杰克”开发天基预警传感器，主要研制过顶持续红外（OPIR）有效载荷，将于2023年4月前生产并交付能够与多型“黑杰克”卫星平台及“赌场老板”控制单元集成的产品。

2021年1月，SEAKR工程公司发射了“黑杰克”第一颗卫星——“曼德拉I”（Mandrake I）实验卫星，验证了关键的硬件和芯片级技术。“曼德拉I”采用了数字孪生技术，近实时地反馈了低轨道卫星辐射和处理器性能的信息。2021年5月，DARPA授予诺斯罗普•格鲁曼公司第二阶段合同，价值1330万美元，用于开发卫星的定位、导航和授时（PNT）有效载荷，帮助军用飞机在GPS降级和拒止的环境中导航。诺斯罗普•格鲁曼公司的软件定义PNT技术将为作战人员提供不依赖于现有卫星导航系统、来自低地轨道的灵活信号。依靠低地轨道卫星可靠的PNT能力，作战人员不仅能够完成兵力投送和联合作战等传统任务，而且还能够完成新兴的自主和分布式任务。

图6 “黑杰克”项目PNT载荷想象图

2022年9月，“曼德拉II”实验卫星成功发射，成功完成星间光链路（OISL）天基激光通信演示，在114千米范围内传输了约280 GB数据，工作总时长超过40分钟，未来还将进行天地激光通信演示。“曼德拉II”实验卫星的另一个特点是低成本，其激光通信终端重约10千克、功率50瓦，成本则下降一个数量级，约数十万美元，可确保美国防部能够大规模广泛使用。星间光链路是七层“国防太空架构”（NDSA）中传输层的关键组成部分，而传输层则是美军“联合全域指挥控制”（JADC2）网络的骨干卫星通信网络。

图7 “黑杰克”部署的两颗“曼德拉2”实验卫星

2023年6月，“黑杰克”搭载太空探索技术公司“运输车8号”（Transporter-8）发射了4颗名为“土星”的卫星，DARPA同时表示不会再发射新的卫星。每颗“土星”最多可携带200公斤的有效载荷，包括1个“赌场老板”子系统、1个“风暴国王”（Storm King）射频有效载荷以及4个激光通信终端。4颗“土星”将通过数月的调试后开始演示卫星架构的交互应用。

几点认识

（1）利用商用卫星服务是美军发展弹性太空体系的重要路径

美军正在不断探索有效利用商业卫星服务的新模式，构建军商综合天基情报体系、太空态势感知体系，“黑杰克”项目的设计理念集中体现了美军利用商业平台托管军用载荷来发展弹性太空体系的战略，通过商业航天技术为军事卫星提供成本更低、使用更灵活的能力。

（2）低地球轨道卫星能够作为地球同步轨道卫星的有力补充，构建抗毁性更强的分布式、扩散型卫星架构

“黑杰克”旨在使用数百颗在不到1300千米高空处运行并通过网状网络连接的小卫星星座来获得与同步轨道卫星同样的能力，这样的解决方案实现了太空资产的分散化部署，加大了对手的攻击难度，有效增强了太空领域的防护能力，且有望实现更快的连接，是对目前同步轨道卫星星座的有力补充。在“黑杰克”项目尚未进入演示阶段之前，美国防部就已经接受了这种分布式、扩散型低地球轨道卫星星座概念，并由美国太空发展局于2019年7月启动了国防太空架构（NDSA）项目，快速开发和部署以低地球轨道卫星为主的新型太空架构，提供弹性、灵活和敏捷的军事传感与数据传输能力。“黑杰克”项目在轨网状网络、指挥控制、数据管理、边缘数据处理、边缘高性能计算等方面的技术研究将会为太空发展局的卫星发展提供宝贵的经验教训。

（3）卫星星座自主化和智能化的运行将成为未来卫星技术的发展重点

在高度对抗的作战环境中，卫星地面站和连接它们的数据网络经常成为赛博攻击的目标，因此，“黑杰克”项目充分考虑了卫星星座自主运行的能力。每颗“黑杰克”卫星配置的“赌场老板”控制单元利用协作任务自主软件使卫星具备自主智能运行能力和与星座中的其他节点协同作战的能力，能够在无运营中心管理的情况下独立运行24小时以上，并最终期望达到自主运行30天的目标。增强卫星自主运营能力、减少卫星对地面站的依赖能够为作战人员提供所需要的灵活性和韧性，将成为未来军事卫星技术的发展重点。