中國太空捕捉技術發展與反衛星能力
2019.03.29
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壹、新聞重點
《美國之音》2019年3月17日報導引述《國家利益》（The National Interest）同日刊登之文章，指出在地球軌道的1,957枚衛星當中，美國擁有或參與的共849枚，只有2018年發射的一枚衛星（GPS Block IIIA）可以抗干擾。自2007年來，中國視衛星為美軍主要弱點之一，戮力發展反衛星作戰能力。中國對太空垃圾進行監控和主動處理的「空間碎片行動計畫」可能會被用於軍事目的，例如2016年發射的「遨龍一號」即裝載了一支機器手臂，能精準捕捉在太空中高速飛行的碎片，此類技術被認為具有捕捉他國衛星的潛在應用價值。[1]
貳、安全意涵
一、處理太空碎片威脅已成國際共識
高軌道衛星運行高度多在35,000公里，且位於赤道上方。繞行地球一圈需24小時，因為相對地表靜止，因而又被稱為地球同步軌道（GEO）衛星。中軌道（MEO）衛星的高度約在2,000到20,000公里，繞行一圈約12小時，多數導航與定位衛星多半屬於此類。繞行速度最快的低軌道（LEO）衛星運行離地表約300到2,000公里，環繞地球只需100分鐘，國際太空站（International Space Station, ISS）與62%的衛星皆分布於低軌道。低軌道因重力牽引緣故，為太空碎片累積最多之地帶。
根據美國太空總署（NASA）統計，散落於衛星軌道的太空碎片（space debris）數量在2013年即超過50萬，多數為彈珠大小，其中約2萬個質量較大、壘球大小的碎片，其時速最高可達到28,000公里，約音速23倍，對衛星與國際太空站造成極大威脅。一旦密度達到足以引發「凱斯勒效應」（Kessler Syndrome）的水準，複雜的連鎖撞擊效應將使衛星軌道無法使用，導致全球太空活動停滯幾十年。2012年10月31日與2014年3月16日國際太空站即兩次被迫移動，進行「太空站碎片避碰操作」（Station Debris Avoidance Maneuver）。[2] 截至目前為止，對付太空碎片的手段大多仍在實驗階段，包括發射網、魚叉、雷射墜毀、黏著墜毀、機器手臂夾取等，而遙控老舊衛星自毀是目前國際上普遍採取的減量方法。
由於太空碎片牽涉賠償責任與技術發展等議題，影響甚廣，主要國際合作平台為13個官方太空管理當局所組成的跨政府組織「太空碎片協調委員會」（Inter-Agency Space Debris Coordination Committee, IADC），成員包括中華人民共和國國家航天局。中國將該委員會視為能夠藉非傳統安全議題擴大國際太空合作之平台，並於第32屆太空碎片協調委員會會議表示，中國已完成太空碎片監測預警工程初步建設。
二、中國擬藉太空捕捉技術發展殺手衛星
為在2023年籌建大型太空站，《2016中國的航天》白皮書將太空碎片對策列為重點項目；《中國製造2025》的「在軌維護與服務系統」項目，則強調發展軌道救援、損毀修復、在軌裝配與加工能力。屬於太空站關鍵技術的太空機器手臂，主要用於衛星軌道上的輔助對接、搬運以及攝影。中國在太空艙精密對接技術上至今落後美國與俄羅斯，主因就在於快速對接所仰賴的太空機器手臂技術仍不及先發的美俄。[3]
然而，中國的太空機器手臂，近年卻開始出現在擁有移動能力的衛星上，據稱將用於「清除太空碎片」。這類涉及太空捕捉的衛星軌道技術，以衛星「機動變軌」為基礎，具軍民兩用特性，用來發展殺手衛星的軍用價值，明顯高於夾取太空碎片之效益，儼然成為中國反衛星（ASAT）能力的重要手段（附表一）。
2013年7月20日，中國同時部署「實踐15號」衛星、「試驗7號」衛星和「創新3號」衛星。配備噴氣推進和機器手臂的「試驗7號」，被美方觀測到進入軌道後不久，隨即機動變軌靠近某枚中國衛星，兩者距離遠小於一般衛星之間120公里之間距，「試驗7號」疑似以機器手臂抓捕目標，最終使其偏離軌道。2016年發射的「遨龍1號」具備更先進的機器手臂，遭外界質疑具俘虜衛星潛力。太空捕捉技術顯然已是中國發展「軌道精準打擊」能力的核心技術，且預示著盜取他國衛星技術的可能性。
參、趨勢研判
一、「軌道精準打擊」將成美中戰略準備重點
美國前國防部長倫斯斐（Donald Rumsfeld）曾於2001年警告過「太空珍珠港事變」的可能性。不過直到今日，美軍仰賴的太空基礎建設，大部分還是處於「不設防」狀態，遂成為中國不對稱打擊、實踐反介入/區域拒止（A2/AD）戰略的薄弱環節。位於地球同步軌道上的飛彈早期預警系統偵查衛星，只要兩枚遭受攻擊，就可能導致美軍在特定區域全盲。而能夠抗信號干擾的新一代GPS Block IIIA衛星系統，預估也得等到2023年第2季才能部署完成，在此之前全球每天30億人口賴以定位、定時的衛星系統等於暴露於風險之中。
以殺手衛星發動「軌道精準打擊」的主要過程，第一階段是機動變軌靠近目標衛星，第二階段再以機器手臂或魚叉裝置抓捕、以雷射或高能力子束攻擊、以信號干擾癱瘓目標。此外，也有在第一階段物理撞擊目標的「自殺」衛星，或是近距離靠近目標攔截通訊內容的新型間諜衛星。[4]「軌道精準打擊」難以監測攻擊源，而具有如潛艦般的戰略價值。美中雙方為避免遭到奇襲，皆競相打造能觀察衛星一舉一動的監測衛星，建立太空覺知能力。
二、發展「太空韌性」成為避險策略
為因應太空軍事化，美國及其擁有太空製造技術的友邦紛紛發展「太空韌性」（space resilience）相關技術以作為反制手段。各國按照自身條件採取不同發展策略，如資金技術較充裕的美國，持續研發監測衛星、具攻勢潛力的太空軌道飛機X-37B，以及能夠重複使用、快速部署衛星的火箭系統等等（附表二）。
為避免GPS遭受打擊，印度籌建「印度區域導航衛星系統」（Indian Regional Navigation Satellite System，簡稱NAVIC），未來將從現有9枚衛星增加至11枚。2017年成功以一枚火箭發射104枚衛星，展示了「一箭百星」的部署能力。日本採取的策略與印度相似，2018年11月啟用自製的全球定位系統「準天頂系統」，並持續推進衛星快速部署能力。
澳洲為引導產業界發展所需項目，於2018年成立澳洲太空總署（Australian Space Agency），希望兼顧國防與經濟，並瞄準2030年預料將達到3,450 億美元規模的全球太空市場。澳洲短期內聚焦可快速部署、替換的立方衛星（cube-sat），如新南斯威爾大學坎培拉分校（UNSW Canberra）與澳洲國防部的「國防科學與技術團」（Defence Science and Technology Group）共同開發的「海盜立方衛星」（Buccaneer cube-sat）。
三、太空碎片清理產業將成航太市場新藍海
1957年至今棄置軌道的老舊衛星約2,900枚，若加上太空碎片，這些漂浮於地球外太空的垃圾總重達到8,100噸，各國官方預計投入的安全預算，將持續吸引私部門發展捕捉技術。如歐洲太空總署（ESA）的「e.Deorbit 任務」（e.Deorbit Mission）將投入約4億美元預算尋求創新捕捉技術，將單片碎片清理成本降至1,000萬至5,000萬美元，並在2024年回收一枚8噸的歐洲環境衛星（Envisat spacecraft）。
全球太空碎片清理產業市場規模，2022年預計將達到29億美元。由於清理技術軍民兩用的特性，領銜民間發展的主要參與者，大多為軍工企業。目前國際主要競爭企業為美國的波音（Boeing）、洛克希德馬丁（Lockheed Martin）、諾斯普格拉曼（Northrop Grumman）、歐洲的空中巴士（Airbus）、俄國的科羅廖夫能源火箭航天集團（RSC Energia）、日本迷你衛星企業ASTROSCALE。北京零重空間技術有限公司，則是中國未來最有可能加入競爭行列的民間企業。
附表一、中國反衛星能力有關測試
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測試年份 |
科技類別 |
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直接能武器 |
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2006 |
以地基雷射致盲一枚美國偵察衛星 |
|
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動能獵殺載具 |
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2007 |
以反衛星載具SC-19擊毀「風雲-1C」氣象衛星 |
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2010 |
彈道飛彈中段殺傷攔截測試 |
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2013 |
測試以機動式陸基反衛星載具DN-2攻擊地球同步軌道衛星 |
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2013 |
彈道飛彈中段殺傷攔截測試 |
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2014 |
測試反衛星載具DN-1 |
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2015 |
測試反衛星載具DN-3 |
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2018 |
以反衛星載具DN-3進行彈道飛彈中段殺傷攔截測試 |
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衛星軌道技術 |
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2010 |
發射衛星「實踐12號」機動變軌撞擊2008年發射的「實踐6號」 |
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2013 |
發射「試驗7號」、「創新3號」、「實踐15號」。具機器手臂與機動變軌能力的「試驗7號」進行測試 |
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2016 |
發射具機器手臂之「遨龍1號」 |
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2016 |
發射「天源一號」試驗型軌道燃料補充衛星，進行氣態與液態「軌道加油」實驗 |
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網路攻擊 |
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2012 |
對NASA噴射推進實驗室發動攻擊 |
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2014 |
對美國國家海洋暨大氣總署發動攻擊 |
資料來源：Kevin L. Pollpeter, Michael S. Chase, Eric Heginbotham, “The Creation of the PLA Strategic Support Force and Its Implications for Chinese Military Space Operations,” RAND, 2017, p.11. 蔡榮峰自公開資訊更新與補充。
附表二、太空韌性發展項目
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選項 |
成本 |
成效 |
特色與例子 |
|
強化衛星本體 |
單枚衛星的2-5% |
非常有效 |
針對高能粒子、射線提高防護、過濾閂鎖效應、抗輻射電子元件、壓低電子元件降低額定值。 例：Milstar軍事通訊衛星。 |
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複合式節點 |
節點倍數 |
有效 |
具相同功能之多個衛星，其覆蓋範圍重疊已相互支援。 例：Iridium星系（66枚）。 |
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星載誘導物 |
單枚衛星的1-10% |
有效，效果視威脅種類而定 |
誘導物須包括雷達與光學特徵，受攻擊時自衛星發射。 例：尚無公開前例 |
|
衛星移動能力 |
單枚衛星的10-20% |
有效，效果視威脅種類而定 |
推進力視衛星軌道、預警時間、威脅種類、偵測效能而定。 例：部分軍事偵察衛星。 |
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全自動替代系統 |
單枚衛星的3-8% |
可防止地面控制站遭癱瘓 |
動力控制、自動偵錯與補位功能。 例：GPS通訊衛星。 |
|
移動式 地面控制站 |
大型地面控制站的2-3倍 |
非常有效，可增加地面控制站存活率 |
提高敵方打擊成本以降低地面控制站遭受打擊之可能性。存活率取決於位址隱蔽程度。 例：GPS通訊衛星、DPS軍事偵察衛星。 |
|
星載迎擊系統 |
單枚衛星的1-5% |
增加整個系統基礎存活率 |
具備太空覺知功能，能夠記錄敵方攻擊來源方向、種類、頻率，搭載軍事反制系統。 例：尚無公開前例。 |
資料來源：本表架構參考W. J. Larson and J. R. Wertz, eds., Space Mission Analysis and Design (Dordrecht: Kluwer Academic Publishers, 1992, 2nd edition), p. 228。蔡榮峰自公開資訊更新與補充。
附表三、全球人造衛星統計（至2018年12月31日）
|
所有權 |
地球同步軌道 GEO |
中軌道 MEO |
低軌道 LEO |
高橢圓軌道Elliptical |
總數 |
|
中國 |
56 |
24 |
199 |
1 |
280 |
|
中國/他國 |
0 |
0 |
4 |
0 |
4 |
|
俄羅斯 |
29 |
29 |
83 |
6 |
147 |
|
美國 |
184 |
32 |
594 |
21 |
830 |
|
日本 |
28 |
0 |
45 |
2 |
75 |
|
日本/美國 |
3 |
0 |
2 |
0 |
5 |
|
印度 |
28 |
0 |
26 |
0 |
54 |
|
澳洲 |
7 |
0 |
5 |
0 |
12 |
|
台灣 |
0 |
0 |
2 |
0 |
2 |
|
台灣/美國 |
0 |
0 |
5 |
0 |
5 |
|
台灣/新加坡 |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
|
其他/雙邊/ 多邊合作 |
222 |
40 |
264 |
15 |
542 |
|
總數 |
558 |
125 |
1,229 |
45 |
1,957 |
資料來源：蔡榮峰製表。2018年11月30日前已升空衛星資料整理自“UCS Satellite Database,” Union of Concerned Scientists, January 9, 2019, https://www.ucsusa.org/nuclear-weapons/space-weapons/satellite-database#.WLZauoWcFZU，該檔案未納入2018年12月23日升空的美國GPS Block IIIA，屬於MEO衛星，參見Caleb Henry, “SpaceX launches first GPS 3 satellite,” Spacenews, December 23, 2018, https://spacenews.com/spacex-launches-first-gps-3-satellite/。此表將美國與他國合作之19枚衛星另計，因此與新聞重點所述數量不同。中共與他國雙邊合作4枚衛星，合作國家分別為巴西、法國、義大利、烏克蘭。
[1]〈中國深諳美軍軟肋加緊發展反衛星技術〉，《美國之音》，2019年3月17日，https://www.voachinese.com/a/China-Knows-US-Greatest-Military-Weakness-20190317/4834889.html。
[2]“Station Debris Avoidance Maneuver Conducted,” NASA, March 16, 2014, https://www.nasa.gov/content/station-debris-avoidance-maneuver-conducted
[3]中國的太空機器人技術研究可回溯自1986年「國家高技術研究發展計畫」，又稱「863計畫」。1993年「遙科學與空間機器人專家組」成立，多年來由多個產官學單位持續進行實驗，包括哈爾濱工業大學、北京郵電大學、北京航空航太大學、隸屬於中國航天科技集團的中國空間技術研究院502研究所（即「北京控制工程研究所」）。北京研究所負責籌建中國2023年大型太空站的7自由度機器手臂，長度10公尺、舉重25噸、使用年限10年。該研究所下設有空間站機械臂工程中心、智慧控制及空間機器人研究室、國家高技術航太領域空間機器人工程研究中心。參見Kevin Pollpeter, “China’s Space Robotic Arm Programs,” SITC Bulletin Analysis, University of California, October 2013。
[4]例如俄羅斯的4枚「宇宙-2491」（Kosmos-2491）、「宇宙-2499」（Kosmos-2499）、「宇宙-2504」（Kosmos-2504）與「宇宙-2519」（Kosmos-2519）。