摘要：卫星系统作为现代社会关键基础设施，广泛应用于通信、导航、遥感、军事和科学研究等领域，其安全性至关重要。本文系统分析了卫星系统在空间段、链路段和地面段面临的安全威胁，包括物理攻击、轨道碰撞、信号干扰、数据窃取、指令注入等多种风险。针对这些威胁，提出了包括加密通信、抗干扰技术、身份认证、人工智能监测和国际合作等多层次的防范策略。文章还展望了卫星系统安全的未来发展趋势，强调量子通信、AI 驱动安全和国际规则制定在提升卫星系统韧性中的重要作用。

关键词：卫星系统；安全威胁；防范策略

中图分类号：TN975 文献标识码：A

   

 

一、卫星系统介绍

卫星系统作为现代社会的关键基础设施，其应用已渗透到经济、军事、民生、科技等各个领域，成为全球化时代不可或缺的技术支撑。

1 卫星系统的概念和组成

卫星系统的概念和组成部分是理解其安全威胁的基础。卫星系统是由空间段、地面段及通信链路组成的综合性技术体系，通过人造卫星与地面设施的协同工作，实现特定功能（如通信、导航、遥感、气象监测等）。其核心目标是通过在轨卫星与地面网络的交互，提供全球或区域覆盖的服务。

卫星系统的特点有以下几方面：

1）广域覆盖。卫星轨道高度决定了卫星系统的服务范围，比如，低轨卫星覆盖区域小但因为离地面较低所以通信延迟低；同理，静止轨道卫星轨道较高可以覆盖全球，但离地较远所以通信延迟高。

2）复杂互联。卫星系统的互联较复杂，依赖天地协同来实现空间段与地面段实时通信。

3）多任务性。卫星系统根据其不同功能的载荷实现通信、遥感等多种功能。卫星系统通常分为三个核心部分：空间段（卫星本体）、地面段（地面基础设施）和链路段（天地间数据传输通道）。

图1 常见卫星系统构成图

空间段由在轨运行的卫星及其星载设备构成，是系统的核心执行单元。卫星主要由卫星平台和有效载荷组成。

1）卫星平台（Platform）：

·结构与动力：包括卫星本体结构、太阳能电池板、推进系统（用于轨道调整）。

·姿态控制：陀螺仪、反作用轮等设备确保卫星稳定指向目标区域。

·热控系统：维持星载设备在极端温度环境下的正常运行。

2）有效载荷（Payload）：

·任务专用设备：如通信卫星的转发器、导航卫星的原子钟、遥感卫星的光学/ 雷达传感器、。

·数据处理单元：对采集的数据进行初步处理或加密。

地面段负责卫星的操控、数据接收与分发，是系统的“大脑”和“神经中枢”。主要由测控站、用户终端、数据处理中心等组成。测控站的主要功能是监控卫星状态（如姿态、轨道、电量、温度）、上传指令（如调整轨道和姿态、切换工作模式）；用户终端根据卫星功能表现形式不一样，可以分为卫星电话（通信卫星）、GPS 接收机（导航卫星）、遥感数据接收站（遥感卫星）等形式；数据处理中心负责对卫星传回的数据进行存储、处理和分析。

链路段是连接空间段与地面段的数据传输通道，分为上行链路（地面→卫星）和下行链路（卫星→地面）。通信链路易受干扰、欺骗和窃听，比如，GPS卫星信号就存在被干扰情况。

2 卫星系统的重要性

卫星系统是国家安全的“太空防线”，主要体现在卫星系统是“第五战场”（前四分别为陆、海、空、网络，太空为第五战场）的核心资产，失去卫星控制权将导致导航失灵、导弹失效；

卫星系统是经济发展的“隐形引擎”，主要体现在：直接经济价值，全球卫星产业规模超过 3000 亿美元，涵盖制造、发射、服务全产业链；间接产业促进效应，物流、农业、金融等行业依赖卫星技术提升效率，贡献数万亿美元GDP。

卫星系统是技术创新的“试验田”，推动材料科学（抗辐射芯片）、人工智能（星上数据处理）、能源技术（高效太阳能板）的进步。

由此可见，卫星系统不仅是现代社会运行的“神经脉络”，更是国家综合实力的象征。其重要性体现在国家安全命脉、经济转型支柱、科技竞争高地三大维度。未来需在技术创新与风险防控间寻求平衡，以保障这一战略性资源的可持续发展。

二、卫星系统的安全威胁分析

随着卫星互联网在近几年受到国家和行业前所未有的重视，遥感应用、卫星制造、商业航天等一系列产业迎来较大关注。太空中的卫星数量迎来快速增长的整体局面。然而，卫星系统的安全性缺不容忽视，与传统网络系统不同，卫星系统的平稳运行以及其军事作战属性都离不开安全的保障，一旦产生安全问题，轻则导致系统数据泄露或错误，重则导致资产和作战能力的损失。

卫星系统的组成复杂性导致了卫星系统安全的复杂性，卫星系统安全根据威胁面划分包括：空间段、链路段、地面段、终端用户几个重要的组成部分。笔者以下针对不同组成部分，进行了具体的安全威胁和防范策略分析。

1 空间段威胁分析

卫星系统空间段的威胁分为了物理安全、轨道安全、系统与软件安全等几方面。

表1 空间段威胁分析汇总表

1.1 物理安全威胁分析

卫星系统的物理安全威胁，主要分为宇宙辐射、激光武器、动能武器、捕获与吸附等方面。宇宙辐射是所有卫星都会面临的最大的物理安全威胁，辐射损伤会导致电子器件失效，单粒子效应可能引起微电子器件状态改变，表面充电效应可能导致设备击穿放电，它的主要防范措施有如下几方面：

·硬件和软件加固：采用抗辐射芯片（如 SOI 工艺）、软硬件冗余设计及屏蔽材料等措施。

·动态防护：通过 AI 实时监测辐射环境并切换至安全模式（如关闭敏感设备）。

·轨道优化：避开高辐射区域（如南大西洋异常区），或采用低倾角轨道减少暴露时间。

1.2 轨道安全威胁分析：

太空碎片的形势仍然越来越严峻，且呈现较大的增长。根据 ESA 欧空局统计数据，截止 2024 年9 月20 日，自1957 年太空时代开始以来的火箭发射次数约 6740 次（不包括失败），这些火箭发射已送入地球轨道的卫星数量约 19590颗，其中仍在太空中的数量约 13230 颗，其中仍在运行的数量约 10200 颗，太空监视网络定期跟踪并维护在其目录中的太空物体数量约 36860 颗，估计的破裂、爆炸、碰撞或导致碎裂的异常事件数量超过 650 颗，地球轨道上所有太空物体的总质量超过 13000 吨，并非所有物体都得到跟踪和编目。根据统计模型估计的在轨空间碎片物体数量（MASTER-8，未来数量 2024），40500 个大于10 厘米的空间碎片物体，110 万个 1 厘米至 10 厘米的空间碎片物体，1.3 亿个1 毫米至1 厘米 的空间碎片物体。

根据上述情况分析，目前轨道安全主要体现在以下几方面：

1. 失效卫星、火箭残骸、解体碎片等长期滞留轨道，形成高速（约 7-8 公里 / 秒）碰撞威胁。根据“凯斯勒现象”假说，碎片碰撞可能引发级联反应，导致近地轨道不可用；

2. 如SpaceX 等巨性星座计划部署数万颗卫星，导致低轨卫星密度激增，碰撞概率显著上升。由此带来的卫星变轨策略不透明或故障可能引发连锁反应，如星链卫星频繁机动导致其他航天器难以预测轨道，发生碰撞。

3. 地磁暴等空间天气事件可能改变大气密度，导致卫星轨道异常。同时，高能粒子辐射可能加速卫星器件老化，影响姿态控制与通信。

4. 人为原因导致的卫星设计失效（如卫星推进策略不当）或者操作失误（动防撞系统关闭或失效）导致的轨道失控风险；

5. 现行《外空条约》缺乏具体执行标准，轨道资源“先到先得”模式加剧竞争。美方曾单方面否认星链卫星威胁中国空间站，拒绝履行避碰沟通义务；

1.3 系统与软件安全分析：

经过对卫星相关漏洞信息的梳理，我们发现已曝光的漏洞中，与卫星网络、系统与软件相关的漏洞数量呈现上升趋势，代表着卫星系统和网络逐渐受到研究人员的关注。

图2 历年卫星相关漏洞数量统计图

在已曝光的漏洞数据中，主要涉及 Linux 系统漏洞为主，GPS 接收设备相关漏洞 15 个，Hughes 修斯卫星基带系统漏洞多达 10 个，其余漏洞涉及了各种系统组件，可见目前卫星系统相关漏洞集中在地面设备为主，而卫星系统由于其自身的封闭性，曝光的漏洞数量较少。不断变化的太空环境将给卫星网络安全带来新的挑战。随着越来越多的国家和私营公司投资卫星系统，潜在漏洞的复杂性和数量将会增加。为了应对这些风险，需要在卫星基础设施与安全之间取得平衡，政府、企业和国际机构可能需要加强在网络安全标准方面的合作。

2 链路段威胁分析

卫星系统链路段的威胁分为了星间链路安全、业务链路安全、测控链路安全。

表2 链路段威胁分析汇总表

2.1 星间链路安全威胁分析

卫星系统的星间链路安全威胁，主要分为了通信窃取、通信阻塞与干扰、光通信捕获等方面。

1）通信窃取：卫星星间链路传输距离远、信道开放，信号容易被截获。攻击者通过专业设备接收信号，进而解析传输内容，甚至破解整个系统的通信编码体制，使得通信窃取成为了常见的安全威胁。其威胁主要体现在如下几点。

·被动窃听：攻击者静默监控通信链路，记录和解析传输的数据而不改变其内容。

·主动窃听：攻击者更主动地介入通信过程，通过注入信号或操纵信道特性来获取更多信息或为后续攻击铺路。

·信号参数分析：窃听方通过分析截获的信号，可以掌握其调制方式、编码规律、通信频段、时序等关键参数。这不仅可能直接泄露信息，还为实施更加复杂的欺骗或精准干扰提供了条件。

2）通信阻塞与干扰：攻击旨在破坏星间链路的可用性（Availability） 和完整性（Integrity），使合法通信无法正常进行或接收到错误信息。主要有以下几方面：

·压制式干扰（Jamming）：通过发射强干扰信号，淹没合法的卫星信号，使接收端无法正确解析。例如，俄罗斯的电子战系统曾在乌克兰冲突中有效干扰了 Starlink 通信。

·分布式拒绝服务（DDoS）攻击：攻击者控制大量设备向目标卫星链路或相关地面基础设施发送海量恶意请求，耗尽网络带宽或数据处理资源，导致正常通信无法进行。

·欺骗攻击（Spoofing）：通过模仿合法信号的特性，向接收端注入伪造的数据或控制指令。常见的欺骗攻击有：

a）导航信号欺骗：可误导定位信息。

b）指令注入：针对卫星控制链路，注入错误轨道指令或参数，可能改变卫星轨道或使其失效

业务链路安全和测控链路安全同常见的网络安全威胁类型，只是作用的范围由普通网络变为星间的通信链路。

2.2 链路段安全防范策略分析应对上述威胁，常见的防范策略如下：

1）强化加密与安全传输：采用强加密算法并对控制指令进行加密认证，防止窃听和指令注入。研究物理层安全传输技术，如利用无线信道特征生成密钥、使用安全编码（如删余 Polar 码） 以及新型调制加密（如 OTFS 调制结合相位旋转加密），使得即使信号被截获也难以解密。

2）提升抗干扰能力：应用智能抗干扰技术，如通过强化学习算法进行动态频谱接入和中继选择，在干扰环境中智能选择最优通信路径和信道；发展跳频、扩频等技术，降低信号被跟踪和干扰的风险。

3）保障身份认证与系统完整性：引入物理层身份认证，利用设备射频指纹、无线信道状态信息等硬件特征来验证通信对象身份，防止非法接入和伪装攻击。

4）增强激光通信安全性：开发高精度、抗干扰的 APT 系统，并具备对强激光的防护能力。探索量子密钥分发（QKD）在星间链路的运用，从物理原理上实现无条件安全的密钥交换。

3 地面段和终端用户威胁分析

表3 地面段和终端用户威胁分析汇总表

3.1 测运控系统安全分析：

测运控系统（Telemetry, Tracking, and Command, TT&C）是卫星系统的“神经中枢”和“生命线”。它负责对卫星进行状态监测（遥测）、轨道测定与跟踪（跟踪） 和控制指令发送（遥控）。其安全性直接关系到卫星的生存能力和任务成败。对测运控系统的攻击是最高级别的威胁，其后果远比破坏星间或星地通信链路更为严重。攻击者的核心目标是夺取卫星的控制权或使其永久失效。针对测运控系统的威胁主要分为了以下几个主要方面：

1）通信链路窃听与侦察

·通信链路窃听与侦察的目的是：攻击者利用无线电侦测设备，捕获测控信号，收集情报为后续攻击做准备。主要攻击手段为：

·信号分析：分析信号的频率、调制方式、编码格式等，为实施干扰和欺骗奠定基础。

·协议逆向：通过长期监听，尝试逆向工程其通信协议、指令结构和数据格式。

·情报获取：如果遥测数据未加密或加密被破解，攻击者可以获取卫星的平台状态、载荷数据、轨道位置等敏感信息，为更致命的攻击打开大门。

2）通信链路干扰与阻塞

向测控接收端（卫星或地面站）发射大功率噪声信号，压制合法信号，其目的为破坏测控链路的可用性，使地面站无法与卫星建立有效连接，从而使得卫星短期失控、任务中断、在关键时刻（如变轨、规避）无法操作，甚至导致卫星永久丢失。主要的攻击手段有：

·上行链路干扰：针对卫星的遥控接收机。使卫星无法接收正确的控制指令，造成“失联”。

·下行链路干扰：针对地面站的遥测接收机。使地面站无法获取卫星状态，变成“瞎子”。

·分布式干扰：使用多个低成本地面干扰机，对低轨卫星进行短时、区域性的“闪烁干扰”，难以定位和反制。

3）欺骗与伪造指令注入

攻击者在成功侦察和分析的基础上，生成并发射格式、加密、时序都完全仿真的虚假指令。这是最致命的威胁，攻击者伪装成合法地面站，向卫星发送恶意指令。

通过欺骗与伪造指令注入可能导致以下几方面的严重后果：

·能源剥夺：指令卫星展开太阳能板、转动天线、频繁开关机，耗尽卫星电池电量，导致其“猝死”。

·轨道劫持：注入变轨发动机点火指令，使卫星偏离预定轨道，进入无用轨道、与其它航天器相撞，甚至坠入大气层。

·功能破坏：发送指令关闭有效载荷（如相机、通信转发器）、格式化星上存储器、禁用姿控系统导致卫星翻滚失控。

·永久性损坏：对某些系统（如推进器、蓄电池）进行超出安全阈值的操作，造成物理层面不可逆的损坏。

4）地面站与测控网络攻击

与星间链接和星地链路相比，地面的测运控系统网络和信息系统的脆弱性更高，攻击地面基础设施往往事半功倍。单个地面站被控可能导致其管理的整个卫星星座沦陷，攻击者可以“合法”地操作所有卫星。主要体现在以下的攻击方式：

·网络入侵：利用地面站 IT 系统（操作系统、数据库、服务器）的漏洞，渗透进入测控网络，获取高级控制权限。

内部人员威胁：恶意内部人员或“间谍”直接操作系统，注入恶意指令。

供应链攻击：在硬件、软件供应链中植入后门，为未来攻击预留通道。

·拒绝服务（D/DoS）攻击：洪水攻击测控中心的网络，使其无法正常处理数据和发送指令。

3.2 地面段和终端用户安全防范策略分析应对上述威胁，需构建“端到端”的多层纵深防御体系：

1）强化身份认证与访问控制：

·采用多因子认证和基于公钥基础设施（PKI） 的数字证书，确保只有授权实体（地面站）才能与卫星通信。

·实施最小权限原则，严格划分操作人员权限。

2）全链路加密与完整性保护：

·上行遥控指令和下行遥测数据必须进行强加密（如 AES-256） 和数字签名，防止窃听和篡改。

·使用抗捕获的扩频通信技术，如跳频、直接序列扩频，增加干扰和侦察难度。

3）物理层安全技术：

·研究利用无线信道特征的物理层密钥生成技术。

·采用新型信号调制样式（如时 - 频域联合调制），降低信号被检测和识别的概率。

4）增强地面基础设施安全：

对测控网络进行严格的物理和逻辑隔离（ air-gapped ），与互联网断开。

·对地面站系统进行持续的安全监控、漏洞扫描和渗透测试。

·建立安全的供应链管理体系。

5）建立异常检测与响应制度和措施：

·利用人工智能（AI）和机器学习（ML） 建立正常操作的行为基线，实时监测并告警异常指令、异常遥测参数。

·制定完善的应急响应预案，在发现攻击时能快速切断非法连接，切换备用地面站。

三、卫星系统安全的现状和未来展望

1 卫星系统安全的现状及其局限性

从防御角度上讲，我国传统卫星系统设计上通常以功能设计、稳定运行作为重点，并没有将安全作为首要考虑的因素之一，这导致了当前运行的卫星系统存在一定的安全风险。虽然卫星系统当前做为情报支撑和通信保障为主要应用的背景下，部分风险未被充分暴露出来，但随着卫星系统承担的任务越来越多、责任越来越大，传统的安全设计已经无法满足未来场景需求。

在传统卫星系统设计中，采用的安全技术往往为以下几种：

1）通信加密：卫星通信常常采用无线通信技术，通信暴露引入了一系列安全问题，具体攻击技术包括信号的阻塞与干扰、信号重放、数据窃取、数据伪造等。通信加密作为大型卫星和重要军事卫星采用的主要技术手段之一，也是目前为止在卫星安全方向最为有效的防护手段。通信加密通常包括测控指令通信加密、业务数据加密两种，可以有效防止数据窃取、信号重放、数据伪造等攻击手段，但无法有效应对信号的阻塞与干扰的场景。这里的阻塞不仅仅包括大功率信号阻塞，也包括通过伪造合法请求和伪造通信协议导致的通信阻塞。经过研究发现，卫星通信的加密通常限于数据载荷加密，而链路层的帧结构、帧头、同步码等通信字段通常没有应用加密，攻击者可进行网络状态情报获取、对通信进行灵巧干扰、对组网进行破坏的攻击场景。

2）控制信号辐射范围：通过对卫星通信位置与时间窗口的限制，可控制卫星信号的辐射范围，减少信号暴露的风险，还可以通过波束辐射角度与范围控制，控制信号覆盖范围。该技术有效降低了由于信号暴露所引发的一系列风险，将暴露范围最小化，但不足以将风险进行完全限制。

3）网络安全技术：采用传统网络安全技术如防火墙、网络威胁情报、入侵检测系统、漏洞扫描系统等对网络进行安全加固和防护，但因卫星系统存在着一些非传统的计算机设备，因此网络安全系统可能无法完全保障整个卫星系统安全。

2 卫星系统安全的未来展望

据笔者预计，未来卫星系统安全的发展可能会呈现以下特点：

1）技术架构革新：未来系统将向分布式自主管理（降低对地面中心的依赖）和混合式架构（平衡集中与分布优势）演进，并追求多轨道层协同（GEO/MEO/LEO 互补增强韧性）。

2）新的防御技术突破：

·量子技术集成：量子密钥分发（QKD）有望实现理论上绝对安全的星地、星间通信。

·AI 驱动安全：AI 将在威胁预测、智能态势感知、自主响应决策方面发挥核心作用，实现从“被动防护”到“主动免疫”的转变。

3）威胁形态演进：太空军事化趋势难以避免，“轨道战”（碰撞、电子攻击、网络入侵）和“频谱战”（干扰与抗干扰）可能成为新型冲突维度。

4）国际规则重构：围绕太空交通管理（STM）、轨道/ 频谱资源分配（公平性与可持续性）、太空行为准则（防止误判和冲突）的博弈与合作将更加紧密。中国主导制定如 ISO 21740（发射窗口与碰撞规避） 等国际标准，体现了积极参与外空治理的努力。

四、结语

卫星系统安全与日常生活息息相关。导航、通信、金融等许多服务都依赖它。虽然面临挑战，但技术进步和国际合作也在持续加强其安全性。作为研制方和用户方，关注可靠服务提供商、对敏感数据采用端到端加密是基本常识。从国家层面，持续投资太空基础设施、掌握自主技术、参与规则制定至关重要。卫星系统安全是一场“攻防”永续的动态博弈。当前挑战严峻，但技术发展也为构建更具韧性、智能和安全的“太空信息高速公路”提供了可能。未来的安全，必将依赖于技术突破、架构创新和国际合作三者的共同推动。

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