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从美国《2022空间威胁评估》看太空安全

2022-04-22 20:41

战略和国际研究中心(CSIS)2022年4月发布了《2022空间威胁评估》,它使用了开源信息来持续跟踪威胁美国国家空间安全利益的反空间武器的发展。根据5年来的持续跟踪,形成了这份《空间威胁评估》报告,它对于了解空间领域不断变化的性质以及监测空间和反空间武器的趋势至关重要。

一、报告发布背景

一直以来,太空争夺的主体主要是在美国和俄罗斯之间展开,其他国家参与程度比较低,也没有多大影响力,但2021年这种局面发生了巨大变化,预示着一个新时代的开启--就像在网络上看到的那样—各个领域、各个方面都深受影响。

根据第五次也是最近一次的空间威胁评估,十分令人吃惊,因为它清晰地记录下了空间的增长和伴随而来的空间威胁,中国一度是太空竞赛中的后发者,2021年发射了世界上最多的卫星,它展示了通过增加在轨军事支援能力来展示了硬和软实力,并以其从高超音速导弹发射到与其他卫星共轨会合的反空间演示吸引了全世界的注意力。而俄罗斯这个最早的太空创新者,则通过它的直接反卫星测试、制造威胁碎片场,以及在乌克兰通过干扰GPS来展示如何将反空间纳入联合作战,展示了自己的实力。

由于太空空间已不再是过去传统认为的一个很小、很局部的领域,反空间能力也不可能是一次性一蹴而就的事件,而是未来作战意图的预兆。对太空空间的依赖与日俱增的今天,以至于对来自从动力打击到其他造成物理损害的行动、到电子、再到网络等都促使美国与其合作伙伴应该及时采取应对行动。

二、报告主要内容简介

这个版本的《空间威胁评估》与过去几年的结构不同,报告围绕不同类型反空间武器的技术细节展开讨论,并对正在跟踪的主要国家--中国、俄罗斯、伊朗、朝鲜、印度和其他国家--进行了重点介绍。包括军事空间组织概况以及卫星发射和反空间能力,在这个版本中重点是策划分析,通过详细分析2021年的四个关键反空间事件,得出包括对未来一年值得注意的趋势和关键问题的分析结论。

1、反空间武器类型

由于空间的战略重要性,一些国家建立了反空间武器武库,破坏、降级或摧毁空间系统,并危及其他国家的空间能力。反空间武器分为四大类:动力物理、非动力物理、电子和网络。

动力学物理

动力物理攻击的三种主要形式是直接发射反卫星武器、同轨道反卫星武器和地面起降攻击。

动力物理攻击往往会对受影响的系统造成不可逆性的损害,并显示出强大的力量。在空间中成功的动能物理攻击将产生轨道碎片,这可能不加区别地影响到处于类似轨道上的其他卫星。这类攻击如果针对的是载人卫星或空间站(如国际空间站),则有可能造成人命伤害。目前,美国、俄罗斯、中国和印度四个国家成功地试验了直接发射的反卫星武器。

非动力物理

武器对卫星或地面系统产生物理影响,而不产生实际接触。比如激光可用于暂时使卫星上的传感器眩目或永久失明,或导致部件过热;高功率微波(HPM)武器可以破坏卫星的电子设备,或者对卫星上的电路和处理器造成永久性的破坏;在太空引爆核装置可产生高辐射环境和电磁脉冲(EMP),这将对受影响轨道上的卫星产生不可避免的影响。

电子

目标是向空间系统发射电磁频谱。干扰装置通过在同一射频(RF)波段产生噪声来干扰卫星与卫星之间的通信。上行干扰器干扰从地球到卫星的信号,例如命令和控制上行链路;下行干扰器的目标是干扰来自卫星的信号,因为它向地球上的用户传播;欺骗也是一种电子攻击形式,攻击者欺骗接收机,使其相信攻击者产生的假信号是它试图接收的真正信号。

网络

网络攻击的目标是数据本身以及使用、传输和数据流控制系统。对卫星的网络攻击可用于监视数据通信模式、拦截数据或在系统中插入虚假或损坏的数据。这些攻击可以针对地面站、终端用户设备或卫星本身。虽然网络攻击需要对系统有高度的理解有针对性地开展,但这些活动不一定需要大量资源,门槛相对较低。

对空间系统的网络攻击可能导致卫星提供的数据或服务丢失,如对全球定位系统等系统进行网络攻击,则可能产生广泛的系统影响。再如,对手通过指挥和控制系统夺取了对卫星的控制权,那么网络攻击就会产生持久的影响。攻击者可以通过发出提高发射功率或可能损坏其电子和传感器的命令,切断所有通信,并永久损坏卫星。

2、世界主要国家空间和反空间能力情况

(1)中国

2021年,中国进行了52次成功的太空发射和一次高超声速滑翔机发射试验,并成功地在火星上着陆了竹龙号火星车。

中国持续投资并计划在未来十年扩大进入太空的机会,执行2016年空间计划白皮书的愿景声明:“探索广阔的宇宙,发展航天产业,把中国建设成为太空强国是我们永恒的梦想。”

与美国类似,中国有不同的组织管理其民用和军事太空空间活动,但民用和军用航天能力的大部分技术都是由同一国有企业--中国航天科技公司拥有。该公司拥有多个研发太空运载火箭、航天器、导弹系统(包括洲际弹道导弹)和辅助地面设备的部门。

战略支援部队成立于2015年,负责管理正在发展的军事领域,以及空间发射和卫星的运营。在其内部,空间系统部负责空间和反空间能力,网络系统部负责网络、电子和心理战争。

中国拥有强大的空间发射能力,长征-2(系列C、D和F)、-3B、-4C、-5、-5B、-6、-7和-11火箭为低地轨道和地球静止轨道提供了轻、中型和重升力。

卫星方面,中国拥有越来越强大的空间能力,包括先进的定位、导航和定时、卫星通信、情报、监视和侦察(ISR)和导弹预警、空间后勤和空间态势感知。

反空间领域,中国拥有强大的太空和反太空能力。2007年的二次反卫星测试和随后的非拦截试验表明,中国进一步发展了这一能力。非动能反空间武器,如激光或高能微波,目前仍然是机密武器或没有经过测试。

中国已经证明它有越来越多的干扰和欺骗电子战能力,可以用来对抗太空信号和非空间信号。对中国的网络对抗空间能力知之甚少,但中国在其他领域的网络能力也为潜在的网络对抗能力奠定了坚实的基础。

(2)俄罗斯

俄罗斯一直在努力保持苏联在太空领域的实力,并取得了越来越大的成功。俄罗斯在军事太空领域的重点放在收集信息的技术领域,以及适用于灰色地带和非对称战争的技术方面,如干扰和欺骗技术,以及能够进行RPO和密切检查其他卫星的共轨系统。

与美国和中国相似,俄罗斯的国家空间计划被分为民用和军事组织。民用航天局是支持国际空间站以及美国、日本、加拿大和欧洲民用机构的五个主要合作伙伴之一。此外,它还负责联盟空间站和全球导航卫星系统(GLONASS)。军事空间活动是在俄罗斯航空航天部队内组织的,该部队于2015年重组,包括空中、空间和导弹防御部队。它们负责所有空间资产的运营、军事发射和应对空间系统的潜在威胁。

俄罗斯在太空发射方面,已向国际空间站发射了53名外国宇航员,在2021年进行了25次轨道发射,其中24次成功。

俄罗斯有一批自苏联太空计划以来成功的单反式运载火箭。目前,俄罗斯正在继续试验一种名为Angara的新型运载火箭。

卫星方面,俄罗斯拥有先进的太空能力,它拥有自己的卫星导航系统,此外,俄罗斯还在轨道上寻求新的能力。它已证明有能力使卫星相互“筑巢”,然后在空间中分离。

反空间方面,俄罗斯拥有四大类反空间武器:动力物理武器、非动能武器、电子武器和网络武器。俄罗斯经常展示它的动力能力,包括2021年11月的直接发射反卫星武器试验和成功的同轨道反卫星飞行任务。俄罗斯通过佩雷斯韦高功率激光等系统显示了非动能的物理反空间武器。

电子方面,其电子战能力已在冲突地区展示,在这些地区,移动电子攻击系统在广大地区干扰卫星通信和全球定位系统信号。

网络方面,俄罗斯的网络黑客经常通过渗透外国政府的政府系统来获取政治利益。2022年2月,美国国家侦察办公室主任克里斯托弗·斯科利斯警告说,俄罗斯有可能对商业卫星和政府卫星实施网络攻击,敦促卫星运营商“确保你的系统安全,并密切关注它们,因为我们知道俄国人是有效的网络参与者。”

(3)印度

印度航空公司2019年的反卫星试验震惊了全球空间界,因为它使印度成为第四大具有直接上升能力的国家。

印度空间研究组织(ISRO)是印度国家空间计划的民用部门。国防航天局成立于2019年4月,负责印度在空间方面有关国家安全相关事务,隶属国防部。印度国防研究与发展组织一直在倡导“高超音速运载火箭(SIC)、小型洲际弹道导弹和具有打击低地轨道(LEO)和地球同步轨道(GEO)能力的反卫星(ASAT)能力”。此外,印度还一直在大力投资军事情报卫星,重点关注有争议的中印边境。

印度在2019年进行了自己的反卫星测试,与俄罗斯保持有长期安全合作伙伴关系。印度空间官员说,没有必要对其反卫星武器能力进行第二次测试,并指出“有能力使整个狮子座区域的目标卫星失效”。

发射能力方面,印度目前有两种实用运载火箭:极地卫星运载火箭(PSLV)和地球同步运载火箭(GSLV)。最近一次发射发生在2022年2月14日,当时它成功地将三颗卫星送入轨道,是PSLV的第54次发射。GSLV是印度开发的最大的运载火箭。自2001年第一次飞行以来,它已使用了14次,主要用于向地球同步转移轨道和地球同步轨道发射。

反空间方面,印度已经证明了一种成功的动力直接发射反卫星能力,但还没有公开报告证实非动力能力。印度已经在地面上开发了电子战系统,并展示了网络能力。

(4)伊朗

国家领导人经常援引其太空计划作为国家实力和进步的象征。两次轨道发射失败和一次在2021年次轨道发射成功。

伊朗的太空计划由其民用部门伊朗航天局(ISA)和其军事部门伊斯兰革命卫队(IRGC)航空航天部队组成。伊朗的运载火箭和弹道导弹技术受到其他国家--特别是俄罗斯和北朝鲜的严重影响或获得。

2022年1月,伊朗通讯社分享了一段关于新的固体燃料火箭成功发射的视频。分析人士指出,新的火箭发动机与伊朗的Shahab-3及其各种型号的火箭发动机直径相同。

目前正式称为伊玛目霍梅尼空间中心的Semnan航天港建成于2008年,发射了一枚Shahab火箭。该中心于2017年7月27日重新开放,成功发射了Simorgh SLV.66型火箭。

反空间领域,伊朗似乎远未研制出动能物理或非动能物理反空间武器。该国持续发展电子和网络能力,并成功地对外国政府和民用系统进行干扰和黑客攻击。

(5)朝鲜

2021年1月,金正恩宣布,该国将在“不久的将来”运营一颗军事侦察卫星。官方媒体在2021年10月还宣称,“金正恩将在不久的将来向外层空间发射一颗地球静止卫星(原文如此)是空间发展的直接目标。”

在整个2021年,平壤继续进行几次有争议的导弹试验。这些试验及其之前的试验表明,北朝鲜有足够的导弹能力来对付某些反空间武器,但它尚未显示出直接发射的反卫星武器所需的感应和高度控制能力。

发射能力方面,在2022年一鸣惊人,仅在一月就发射了七枚导弹。朝鲜1月份的导弹试验显示出一系列的发射能力,这些能力主要表现为规避导弹防御系统的先进能力。平壤宣布,1月5日发射的导弹是朝鲜第二次试射高超音速导弹。据说,就像2021年9月的超音速试验一样,它是用中程弹道导弹或助推滑翔车从移动发射器发射的。但在北朝鲜的导弹制导系统方面没有显示出任何进展,这是朝推进其反空间导弹发射能力迈出的必要一步。

反空间方面,尽管国家官员一致宣称,太空是国家的首要任务,但没有迹象表明朝鲜在太空领域取得了任何非凡的进步。朝鲜的导弹活动并未与太空计划相关联,朝鲜也不太可能积极追求动能直接发射或同轨道反卫星武器或任何非动能物理能力。然而,该国通过展示其干扰能力展示了成功的电子战、网络攻击威胁是积极和可行的,随着该国可能是通过非法手段获得更先进的技术和经验,对空间系统和地面站的威胁可能变得更加可信。

(6)其他国家

澳大利亚

2021年5月,澳大利亚宣布,它将在2022年初在澳大利亚皇家空军内建立一个新的军事空间师,这个新的空间部门将在下一个十年投资70亿澳元用于军事空间能力。澳大利亚于2022年2月开始对军用通信卫星(多达4颗)进行招标,并打算在这些卫星上花费40亿澳元。这一新的太空部门很可能继续建立在澳大利亚和美国在国家情报、国防和太空方面的密切关系的基础上,作为一个亲密的盟友和五眼合作伙伴。

以色列

以色列继续发展其地面激光技术系统,以帮助拦截其空中的攻击。2021年4月,以色列导弹防御部部长宣布,这一激光技术将被纳入其铁穹顶导弹防御系统。这一系统的发展已经加快,以回应众议院民主党人在9月份取消了10亿美元的铁饭碗系统的资金,2021.111的报告表明,以色列的目标是到2022年中使这个系统全面运行,然而,在从地球上发射一颗卫星方面还有许多额外的技术挑战,以色列还没有证明这一点。

此外,以色列还在空间领域与其他国家结成伙伴关系。

日本

日本继续推进其民用和军事空间行动。2008年的法律允许该国开始在空间进行军事发展,政府官员已开始谈论发展防御反空间能力。

日本在2021年建立了第一个军事太空中队,即日本空军自卫队(Jasdf)内的空间域任务单位。该中队计划在2023年前全面投入运行,并计划在2026年发射第一颗用于监测空间环境的卫星。

2021年11月,日本宣布不久将建立第二支太空防御部队,专门保护其卫星免受电磁攻击。

虽然日本还没有显示出任何直接发射的反卫星系统,但日本拥有美国制造的SM-3导弹防御拦截器,这些拦截器具有攻击低地轨道空间资产的潜在能力。2022年1月,洛克希德马丁公司证实,它已成功地将增强雷达系统集成到日本的宙斯盾武器系统中,使其能够“探测、跟踪和识别弹道导弹威胁,并成功地引导相互接收者应对这些威胁”。

韩国

韩国扩大了其在空间领域的军事力量的范围,于2020年放宽了对该国导弹和运载火箭生产的限制,并采取了若干步骤,与美国航天部队更密切地合作,包括两国之间建立正式的空间安全伙伴关系。韩国于2021年10月21日测试了第一台国产运载火箭。韩国打算在2020年至2030年期间为其国内工业投资130亿美元,以发展军用卫星技术。

3、报告结论

总之,2021年是空间安全过渡、惊喜和失望的一年。虽然美国和其他许多国家将注意力转移到建立负责任的太空行为规范上,但俄罗斯在2021年11月进行的破坏性反卫星试验(ASAT)提醒世界,太空仍然是一个有争议的作战领域。

此外,2022年可能被证明是太空安全的一个关键转折点,因为乌克兰的冲突正在肆虐。如果冲突进一步延伸到空间,对空间系统进行更猛烈的攻击,例如激光武器对卫星或对卫星地面站的网络攻击,这可能成为第一次反空间武器发挥重要作用的重大冲突。即使冲突没有直接延伸到太空,地缘政治影响也可能破坏俄罗斯和美国、欧洲、日本、加拿大和所有国际空间站伙伴之间的关系和几十年的合作。尽管空间科学和探索领域的合作过去曾经历过危机,但尚不清楚这种伙伴关系是否能经受住这一最新挑战。如果与俄罗斯在国际空间站上的合作突然结束,对空间安全的影响可能是深远的。

三、几点思考

1、太空争夺日益加剧是不可逆的趋势

俗话说:“海阔凭鱼游,天高任鸟飞”,但世界各国受到疆域的限制,在陆地和海洋的扩张和发展受到极大地制约,因此不约而同势必将目标指向无尽的太空。越来越多的国家投资于空间和反空间能力,一些国家正在调整军事组织、军事理论和军事战略,以提升其空间和反空间能力。

反空间活动数量和内容均直观反映出这一趋势。2020年是反空间活动缓慢的一年,除了少数几个值得注意的如伊朗继续在波斯湾实施GPS欺骗、朝鲜对韩国的GPS实施干扰、中国将其电子对抗能力(干扰和欺骗)纳入其非正规作战力量和战术中、中国发射SJ-17地球观测卫星等外,相对比较平静,但2021年以来查实的反空间活动多达数十起,它们是:

2021年1月9日,俄罗斯通过干扰方式封锁了北约的GPS

2021年1月23日,印度窃贼企图在印度干扰GPS

2021年2月1日,美国无意中局部干扰了GPS

2021年3月12日,中国生产出了看起来像日常用品的商业干扰设备

2021年4月6日,俄罗斯军队对欧安组织驻乌克兰部队的GPS进行干扰

2021年4月20日,中国SJ-17卫星现出有一个机器人手臂

2021年5月28日,一艘悬挂塞浦路斯国旗的名为Berlina的油轮通过欺骗隐藏自己的位置

2021年6月17日,俄罗斯对两艘北约船只进行位置欺骗

2021年6月30日,俄罗斯对一艘美国军舰进行位置欺骗

2021年7月27日,中国进行了高超声速武器或fobs试验

2021年7月29日,澳大利亚宣布电子战计划

2021年9月9日,互联网上发布了GPS欺骗指令

2021年10月23日,中国发布反在轨卫星的捕获和销毁文章

2021年11月1日,中国SJ-21卫星在GEO中执行第一次RPO

2021年11月15日,俄罗斯在狮子座测试直接发射反卫星能力

2021年11月21日,中国在海南岛新建电子战设施

2021年11月29日,俄罗斯国家电视台威胁全球定位系统

2021年12月29日,俄罗斯宣布S-550导弹可用于对抗卫星

2021年12月-2022年1月,印度尼西亚使用干扰方式欺骗GPS

2022年1月7日,未知国家切断北欧地面站海底光缆

2022年2月24日,俄罗斯涉嫌袭击包括乌克兰在内的东欧的卫星地面站

反空间武器不再是新兴技术--许多已得到充分开发、测试和应用。虽然更先进的如直接发射反卫星导弹等反空间武器还只属于少数几个国家拥有的能力,但越来越多的国家通过电子和网络技术参与到了反空间行列,未来对太空的争夺必将日益激烈。

2、网络攻击是反空间最得力的手段

各种攻击方式有各自的特点,必须综合考虑动力物理、非动力物理、电子和网络四大类反空间武器的攻击方式、技术难度、破坏程度、是否可逆、攻击者暴露可能性、社会影响等等,再决定采取最适合的方式。

采用动力物理手段直接攻击地面站、发射反卫星导弹攻击卫星,均会造成不可逆的破坏,暴露攻击者自己,甚至很可能带来附带伤害(如人员死亡、太空碎片)。这种攻击,对能力水平、技术难度甚至国力要求极高,世界上目前只有极少数的几个国家具备这一能力。

采用非动力物理的高功率激光、高功率微波来破坏卫星,会造成不可逆的损害,极可能暴露攻击者自己,一定程度带来附带伤害(卫星失控后对其他卫星的威胁)。这种攻击,对能力水平、技术难度甚至国力要求极高,世界上目前只有极少数的几个国家具备这一能力。

采用电子战方式实施干扰和欺骗,造成的损害可逆,但会暴露攻击者自己,效果如何难以完全确认。这种攻击,对能力水平、技术难度有一定要求,社会影响面较大。

采用网络攻击方式获取数据、破坏和篡改数据、阻断通信、甚至操纵和损坏卫星,效果立竿见影,破坏程度根据攻击方式可能可逆也可能不可逆,不易暴露攻击者自己,附带损害通常较小。这种攻击,对能力水平、技术难度要求很低,成本远比其他手段低廉,具备这种能力水平的国家面极广。

基于以上特点,采用网络攻击必将成为最普遍采用的方式。2021年11月,美国负责空间行动的副处长戴维·汤普森将军说,美国的空间系统“每天都受到可逆的反空间武器的攻击”,这显然是指网络攻击。

另外,有一份名为《唤醒卫星通信安全意识》网络安全报告指出:包括美国军方卫星网络在内的卫星通信终端很有可能被黑客入侵,黑客很容易通过终端的数字后门等漏洞对卫星网络开展攻击。IOActive公司通过对电路板内和卫星通信终端芯片中的计算机代码进行了安全分析,由此已发现了多个潜在的黑客切入点。

3、太空网络安全任重道远

太空网络除具有全部普通地面通信网络的脆弱性外还具有一系列特有的脆弱性或安全隐患。太空网络涉及天基网络、地基网络、地面互联网和移动通信网,跨越天、地和海洋覆盖全球的分层结构网络,它具有:

a)网络结构多变且复杂,它是由大量异构网络组成,并且空中段的网络拓扑一直处于动态变化中,网络结构不固定,在路由选择和网络切换上的难度比常规网络要大很多,这对路由设备和接入设备的安全与性能要求要高出常规很多。同时拓扑的动态变化造成传输时延的变化较大,以及太空链路不稳定、易中断,相关设备与通信协议需要对高时延和链路中断等情况需要有适应性。

b)由于太空环境非常恶劣,充满着大量的宇宙射线、电磁波干扰、太阳风、太阳黑子甚至小型陨石碎片,而天基网络的节点和信道完全处于暴露的状态下,很容易遭到干扰和破坏,而且由于太空信道完全开放,很容易被其他敌对势力的太空和地面设备窃听。

c)星载设备受重量、体积、环境影响,处理能力无法与地面服务器相媲美,而空间链路带宽容量需要不断提高,天地间网络协议不断融合,使得星载服务器也可能遭受类似地面互联网上的网络攻击,而星载设备难以更换、不易维护和升级。一旦遭受拒绝服务攻击或植入病毒,将对星载服务器造成极大的打击,并且严重威胁到天地一体化网络的安全。

太空网络的这一系列脆弱性特点,带来的危害有

(1)对数据和指令的篡改

黑客可通过一定手段,获取控制设备的管理员权限,就可以对航天数据和指令进行篡改,将导致航天设备进行损坏或者对任务产生影响。比如修改卫星飞行参数来致使卫星脱离网络,或者控制卫星和小行星相撞等等。

(2)对地基网络设施的破坏

黑客可以通过漏洞对地基网络发动网络攻击,导致地基网络的瘫痪,或者导致数据的丢失、失去权限等,黑客甚至可以直接通过物理手段对地面设施进行破坏。

(3)数据的截获

由于太空设备上发射和接收的数据都是通过特定频率的无线电波发送的,所有分配到特定的频率的射频通信都有可能被监听。

(4)射频干扰

向航天器发送与通信频率相同的干扰射频信号,或者注入噪声,可能会使得航天器之间的通信链路中断和控制命令丢失,也可能造成延迟,导致对时间要求很高的任务被迫中断。

(5)拒绝服务攻击

拒绝服务攻击在空间段和地面段都可发生,它会阻止授权用户对资源的访问。拒绝服务攻击可以通过消耗资源、中断系统以及造成通信路径的阻塞。

(6)重放攻击

黑客对从航天器或地面系统计算机之间传输的信息进行拦截和复制,并在之后再次发送,就会导致重放攻击。对于航天任务而言,可能会导致重复的航天器操作,使得任务出现极大的偏差,造成航天飞行器脱离轨道或者遭受损坏。

(7)身份伪造

黑客可能通过截获数据从而会获得身份和密码,进而可进行身份伪造,从而访问系统,甚至可以关闭地面控制系统、向航天器发送错误的命令、终止航天任务等。

(8)软件漏洞

黑客可能可利用操作系统和软件中包含的bug来攻入系统,从外部获取系统重要数据或者控制系统。

由此可见,要弥补太空网络额外的脆弱性、避免各种攻击带来的各种危害,难度很大,任重而道远。

声明:本文来自信息安全与通信保密杂志社,版权归作者所有。


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