우주, 안보를 위한 새로운 도전
인류가 우주 시대를 연 것은 불과 65년 정도이다. 인류 전체 역사의 아주 일부분이지만, 이 작은 시간을 통해 우리 문명은 오늘날 우주에 크게 의존하고 있다. 통신에서 내비게이션, 일기 예보에 이르기까지 그 의존은 매우 다양하다. 더 중요한 것은 우주 개발 비용이 대폭 줄어들고 그 역량은 폭발적으로 늘면서, 우주에 대한 인류의 의존은 더 크게 확대될 것이란 점이다. 당연히 한 국가의 힘과 취약성은 이 기술에 대한 통제력과 해당 자원에 대한 의존도에 크게 영향을 받게 될 것이다. 전략적으로 중요한 자원과 관련된 위협은 무엇일까? 그리고 이러한 위협에 어떻게 대처할 것인가?
상업과 국가 안보 측면에서, 지난 65~70년 동안 우주 개척보다 더 많은 변화가 일어난 곳은 거의 없을 것이다. 컴퓨팅 기술과 네트워크는 분명히 절대적 측면에서 상업과 안보 측면에 큰 영향력을 미쳤지만 이들은 초기 메인프레임 컴퓨터와 트랜지스터 기술 덕분에 구축된 것이다. 이와 대조적으로 인류에게 우주는 가장 기초적인 것부터 완전히 새로운 도전이었다. 인공위성은 1957년까지 지구 궤도를 돈 적도 없다.
하지만 2021년 말 기준, 지구 궤도를 도는 인공위성은 4,852개에 이르고, 2022년 기준, 136번의 우주 발사가 이뤄졌다. 최근까지 대부분의 발사는 단 하나의 위성만 우주로 운반했다. 하지만 상황이 변하고 있다. 최근 스페이스 X 발사는 143개의 소형 위성을 지구 궤도에 올렸다.
대부분의 위성은 저궤도(Low-Earth Orbit, LEO)로 발사되고, 또 다른 상당한 비율의 위성들이 정지궤도(Geo-synchronous Orbit, GEO)로 발사되어 유효 수명 동안 지구 위 고정된 위치에 머물 수 있다.
인간이 쏘아 올린 이러한 위성들은 크기와 용도가 모두 다양하다. X-37B 우주비행기와 같은 초대형 위성은 그 비용만 수십억 달러에 달하고 무게가 수 톤에 달하는데, 재사용을 위해 지구로 귀환시킬 수도 있다. 스타링크(Starlink) 위성 무리와 같이 또 다른 위성들은 작고 저렴하며 소모품처럼 사용된다.
초기에 우주는 초강대국들의 배타적 영역이었다. 미국과 소련은 이 새로운 개척지에서 경쟁력을 갖추기 위해 최선의 노력을 기울였다. 초기에는 소련이 ‘집중된 중앙 계획’을 통한 군사 연구에서 파생된 놀라운 결과를 도출해낼 수 있었다. 그러나 1960년대 말에 이르러 미국이 소련을 추월하여 우주 비행사를 달에 착륙시키기까지 했다.
‘우주 경쟁’에 의해 시작된 기초 항공 우주 연구는 점점 더, 1970년대에 시작되어 기하급수적으로 성장한 정보 기술(info tech)의 폭발로 많은 것들을 보완할 수 있었다. 이로 인해 오늘날 우주를 기반으로 하는 수많은 리소스(resources)가 지구상 거의 모든 사람의 삶에 영향을 미치고 세계 경제에 필수불가결한 부분이 되게 만들고 있다.
그 결과, 러시아와 미국을 비롯하여 유럽연합, 중국, 인도, 이란, 심지어 북한까지 인공위성 발사에 동참하게 되었다. 그리고 일부 민간 기업들은 이제 단순한 정부 계약자 역할을 넘어섰다. 스페이스 X, 유나이티드 런치 얼라이언스(United Launch Alliance), 블루 오리진(Blue Origin)은 위성 사업자들에게 우주를 통해 풀 서비스 기능을 제공한다. 그리고 이들 사업자들은 다시 정부 및 다른 민간 기업에 무수한 연계 서비스를 제공한다. 우리는 점점 더 실행 가능한 ‘우주 비즈니스 생태계’의 출현을 목격하고 있는 것이다.
그렇다면 지구 궤도 상의 모든 위성들은 어떤 일을 수행할까? 그리고 이 위성들이 이제는 없어서는 안 되는 이유는 무엇일까?
위성은 과학 연구, 통신, 날씨, 내비게이션, 광범위한 정찰 및 감지 등 5가지 주요 유형으로 그 역할이 나뉜다.
첫째, 과학 연구 위성에는 허블 우주 망원경, 행성 탐사선에서 국제 우주 정거장, 빅뱅 연구용 설계 장비에 이르기까지 모든 것이 포함된다. 이들은 수많은 언론들의 주목을 받지만 가까운 미래에 경제적 보상을 제공하지는 않을 것이다. 달과 화성 탐사도 이 범주에 속한다. 하지만 이들은 장기적인 전략적 옵션을 창출하는 부가적인 혜택을 제공할 것이다.
둘째, 통신 위성은 오늘날 우주 경제의 진정한 일꾼이다. 이 분야는 현재 우주 경제의 주요 산업으로 안정성을 유지하는 것이 그 핵심이다. 지난 30년 동안 통신의 상당 부분은 고품질 광섬유 네트워크를 통해 이뤄졌고, 위성을 통한 통신은 제한적이었다. 그러나 오늘날 위성은 지구 위 곳곳에서 이러한 통신 서비스를 제공하는 열쇠가 되었다. 우크라이나 침공에서 목도한 바와 같이, 스타링크와 같은 저궤도 통신 위성은 지상 네트워크가 위험에 처했을 때 실질적이고 절대적인 경쟁 우위를 갖는다. 앞으로 이러한 능력을 교란시키거나 파괴하면 전쟁 능력은 물론 경제에도 큰 피해를 입힐 수 있을 것이다.
셋째, 일기 예보는 아마도 위성이 ‘비용 대비 최대 효과’를 거둔 분야 중 하나일 것이다. 위성에 의해 우리는 1960년대 이전에 비해 획기적으로 개선된 기상예보 체계를 갖추게 되었다. 이는 컴퓨터 모델과 결합된 위성 이미징 기능으로 가능했다. 일반 시민, 소비자, 농부, 항공사, 보험 회사, 정부기관 등 모든 사람들과 기관들이 변화하는 날씨 활동 추적을 통해 막대한 이익을 얻는다. 이에 예보와 관련된 위성의 손실은 상업 활동에 심각한 문제를 일으킬 것이다.
넷째, 상업용 GPS는 1990년대 초반에 등장했다. 하지만 오래지 않아 우리 사회에 필수불가결한 부분이 되었다. 내비게이션 위성 없이 사는 세상을 이제는 상상하기 조차 어렵다. GPS에 있어 현재 미국 시스템이 가장 오래되고 널리 사용되고 있지만, 유럽연합, 러시아, 중국도 자체 내비게이션 네트워크를 이미 구축했다. 통신 위성과 마찬가지로 상업용 GPS 자원은 앞으로 그 중요성이 더욱 커질 것이다.
다섯째, 정찰 및 감지 위성은 지구 표면과 그 위의 이미지를 생성하기 위해 전자기 복사를 이용한다. 이러한 이미지에는 농장, 도시, 숲, 바다가 포함된다. 이 위성들은 주차장에 있는 자동차와 트럭에서 지상의 비행기, 탱크, 해상 선박에 이르기까지 거의 모든 것의 세부적인 부분들을 추적한다.
마지막 범주의 위성은 공격용 군사 위성 또는 ‘킬러 위성’으로 불린다. 이 위성은 다른 위성이나 지상에 위치한 표적의 성능을 방해한다. 국제 협약이 이 기술의 배치와 사용을 심각하게 제한하고 있지만 미국, 중국, 러시아는 모두 이 기술에 대한 연구를 공개적으로 때로는 비밀리에 진행해오고 있다. 공격용 군사 위성은 지상에 위치한 공격용 자산을 포함해 우주로부터의 위협에 대응하는 전투의 중심에 서 있다.
우리가 주목하는 것은 여섯 번째 범주의 위성이다. 오늘날 각 국가들이 다른 국가의 우주 자원을 위협하기 위해 고안된 이른바 ‘대우주 군사 능력’에 전례 없는 투자를 단행하고 있기 때문이다. 이들은 대우주 능력에 대한 군사 조직, 교리 및 전략을 재조정하고 있다.
이러한 위협은 상상이 아니다. 2021년 11월, 우주 작전부 부국장 데이비드 톰슨 장군은 미국의 우주 시스템이 대우주 무기 형태에 의해 매일 공격을 받고 있다고 보고했다. 또한 지난 3년 동안 2건의 파괴적인 동적 형태의 물리적 위성(antisatellite) 공격 테스트가 발생했다. 이는 우려할 만한 흐름이다.
또한 우려스럽게도, 재밍(jamming)과 스푸핑(spoofing)을 사용하여 우주 시스템에 대한 접근을 거부하거나 저하시키는 전자전 시도가 증가하고 있다.
미 국제전략문제연구소(The Center for Strategic and International Studies)는 여러 자원과 자료를 활용하여 13가지의 대우주 무기를 식별했는데, 이를 통해 대우주 무기를 크게 네 가지 유형으로 분류했다. 운동 물리 무기, 비운동 물리 무기, 전자 무기, 사이버 무기가 그것이다.
첫째, ‘운동 물리’ 무기는 직접 타격을 시도하거나 위성 또는 지상국 근처에서 탄두를 폭발시키려는 시도이다. 운동 물리 공격의 세 가지 주요 형태는 직접적으로 발사하는 위성 공격 무기, 공궤도(co-orbital) 위성 공격 무기, 지상국 공격 무기이다.
직접적으로 발사하는 위성 공격 무기는 궤도 상의 위성을 공격하기 위해 준궤도 궤적으로 지구에서 발사된다. 공궤도 위성 공격 무기는 먼저 궤도에 배치된 후, 의도한 목표 근처에서 기동된다. 이러한 기동은 일반적으로 ‘랑데뷰 근접 활동(Rendezvous and Proximity Operations, RPO)’으로 알려져 있다. 지상국에 대한 공격은 위성의 지휘 및 통제 또는 사용자에게 위성 미션 데이터의 중계를 담당하는 지상 사이트를 공격 대상으로 한다.
‘운동 물리’ 공격은 영향을 받는 시스템에 돌이킬 수 없는 손상을 입히는 것이다. 또한 우주에서 ‘운동 물리’ 공격의 성공은 유사 궤도에 있는 다른 위성에 무차별적 영향을 끼칠 수 있는 궤도 상 파괴 잔해를 남긴다.
이러한 공격 형태는 국제 우주 정거장과 같이 인간이 상주하는 궤도에 있는 인공위성이나 유인 지상 기지를 목표로 하는 경우 인명 손실 가능성이 있는 형태의 공격이다. 지금까지 어떤 국가도 다른 국가의 위성에 대해 운동 물리 공격을 가한 적은 없다. 하지만 미국, 러시아, 중국, 인도 4개국은 자체적으로 직접적으로 발사하는 형태의 위성 공격 무기를 성공적으로 테스트했다. 구소련도 이미 1960년대에 공궤도 운동 위성 공격 무기를 테스트했다.
둘째, 비운동 물리 무기는 물리적 접촉 없이 인공위성 또는 지상 시스템에 물리적 영향을 미치는 것이다. 레이저를 사용하여 위성의 센서를 일시적으로 마비시키거나 영구적인 손상을 일으킬 수 있고, 고출력 극초단파(high powered microwave, HPM) 무기를 통해 위성의 전자 장치를 방해하거나 전기 회로 및 프로세서에 영구적 손상을 가할 수 있다.
우주에서 폭발하는 핵무기는 높은 방사능 환경을 조성하고, 목표한 궤도에 있는 위성에 무차별적 영향을 미칠 전자기 펄스를 생성할 수도 있다. 비운동 물리 공격은 빛의 속도로 작동하며 경우에 따라 관찰자에게 잘 보이지 않고 원인을 파악하기도 어려운 공격이다. 위성은 지상이나 선박에 위치한 무기, 공중 플랫폼 또는 기타 위성에서 발사되는 레이저 및 고출력 극초단파 무기로 공격 목표가 될 수 있다.
다만 위성 레이저 시스템은 고출력, 적응형 광학 장치, 정확한 빔 조정을 위한 고도의 포인팅 제어를 필요로 한다. 이 기술에는 많은 비용이 들고, 고도의 정교함 또한 필요하다. 고출력 극초단파는 위성의 전자 장치를 방해하고, 메모리에 저장된 데이터를 손상시키고, 전기 회로 및 프로세서에 영구적인 손상을 일으키는 데 사용할 수 있다. 고출력 극초단파 공격은 궤도를 통과하는 다른 위성을 포함하여 다양한 각도에서 공격이 가능하기 때문에 그 공격 속성을 지정하는 것이 매우 어려울 수 있다.
셋째, 전자 무기는 우주 시스템이 데이터를 송수신하는 전자기 스펙트럼을 그 공격 목표로 한다. 재밍은 레이더 신호를 감추기 위해 또는 변형시키기 위해 레이더의 수신 대역 내의 주파수로 송신되는 방해 신호로 전자 방해 전술(ECM)의 일종이다. 스푸핑은 위조나 변조를 통해 정상적인 시스템인 것처럼 사용자를 속여 원하는 정보를 갈취하거나 악의적인 공격에 이용하는 해킹 기법이다. 가장 최근의 예는 우크라이나 침공의 일환으로 러시아가 GPS 재밍 기능을 사용한 것이다. 수많은 GPS 수신기, 위성 전화와 같이 전방향성 안테나가 있는 단말기는 재밍 및 스푸핑에 특히 더 취약하다.
전자 무기를 통한 공격은 인식과 감지가 어렵지만, 재밍과 스푸핑으로 위성 시스템이 일시적으로 꺼지더라도 다시 가동하면 정상으로 돌아올 수 있기 때문에 되돌릴 수 있는 형태의 공격이라 할 수 있다. 다만 우려되는 점은 수많은 유형의 위성 신호를 재밍하고 스푸핑하는 데 필요한 기술이 이미 상업적으로 이용 가능하고 저렴하다는 점이다.
마지막으로, 사이버 기반의 무기가 있다. 사이버 공격은 데이터 자체와 데이터 흐름을 사용하여 전송과 제어 시스템을 공격 대상으로 한다. 위성에 대한 사이버 공격은 데이터 트래픽 패턴을 모니터링하거나, 데이터를 가로채거나, 시스템에 허위 또는 손상된 데이터를 인풋하는 데 사용될 수 있다.
이러한 공격은 지상국, 최종 사용자 장비, 또는 위성 자체를 대상으로 할 수 있는데, 표적 시스템에 대한 높은 수준의 이해를 필요로 하지만 수행하는 데 반드시 상당한 자원이 필요한 것은 아니다. 즉, 진입 장벽이 상대적으로 낮고, 민간 그룹이나 개인이 공격에 참여할 수도 있다. 우주 시스템에 대한 사이버 공격은 위성이 제공하는 데이터 또는 서비스의 손실을 초래할 수 있으며, GPS와 같은 시스템이 공격받을 경우 시스템에 광범위한 영향을 미칠 수 있다.
예를 들어, 공격자가 명령 및 제어 시스템을 통해 위성을 장악하는 경우 사이버 공격은 매우 치명적인 결과를 가져올 수 있다. 공격자는 위성의 추진제를 소진시키거나 전자 장치와 센서를 손상시키는 명령을 내려 모든 통신을 차단하고 위성을 영구적으로 손상시킬 수 있다. 더 큰 문제는 이러한 공격자를 색출하기가 쉽지 않다는 것이다.
결론은, 각 공격 형태들의 정교함이 높아지고, 우주 기술에 대한 사회적 의존도가 높아지는 오늘날의 상황을 고려할 때, 이러한 각 공격들의 위협이 커질수록 그에 대한 방어적 대응이 사전적으로 필요하다는 것이다. 이에 우리는 현재의 추세를 통해, 다음과 같은 예측을 내려 본다.
첫째, 적어도 2020년대까지는 대응 무기 기술 분야에서 미국이 선도젹 지위를 유지할 것이다.
네 가지 공격 범주 각각에 대한 연구 투자의 범위와 규모, 기존 방어 기술의 수준에서 미국보다 더 우월한 지위를 가진 국가는 현재로서는 없는 것 같다. 미국의 연구 투자 규모는 다른 국가의 투자 규모를 왜소하게 만들 수 있는 수준이다. 더군다나 긴밀하고 유기적으로 통합된 미 육해공 전력의 능력은 우주 공격 무기에 대한 전투 태세를 준비하는 데도 큰 역할을 할 것이다.
둘째, 한때 막강했던 러시아의 우주 공격 능력은 첨단 기술 부족과 연구 투자 감소로 점점 더 구식이 될 것이다.
냉전 기간 소련의 대우주 기술은 미국과 동급이거나 그 이상이었다. 하지만 오늘날 이 분야에서 성공하려면 인공지능과 고급 신호 처리 기술을 반드시 필요로 한다. 이 분야의 리더는 현재 미국을 비롯한 서구 선진국들, 미국의 동맹국들이 선점하고 있으며, 러시아는 단순히 서구의 능력을 따라잡는 데 필요한 자원도 부족한 형편이다.
셋째, 다른 많은 분야에서와 마찬가지로 중국은 우주 대응 능력에서 미국과 주요 동맹국인 일본과 한국에도 점점 뒤쳐질 것으로 보인다.
최근까지 중국은 대우주 기술에서 미국과의 역량 격차를 빠르게 좁히고 있었다. 하지만 반도체 제재와 그동안 간과해온 기술 유출의 강력한 제한은 이 부문 연구에 있어 중국에 큰 타격을 줄 것이 확실하다. 미국의 동맹국인 일본과 한국은 이 부문 연구에 대한 원천 기술을 빠르게 확보해가고 있으며, 미국과의 협력을 통해 보다 더 선진적인 위치를 점유하게 될 것이다.
넷째, 인도는 미국이나 이전 동맹국인 러시아와의 협력에만 의존하지 않기 위해 자체적인 대우주 능력을 계속 개발할 것이다.
중국과 파키스탄은 인도에 있어 치명적인 적이다. 이에 인도는 현재 미국과 새로운 협력 관계를 적극적으로 모색하고 있으며, 필요할 때 미국의 우주 자산에 의존할 수 있다. 더불어 인도의 우주 기술 역량을 기반으로 자체적인 대우주 능력을 계속적으로 추진할 것으로 보인다.
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Resource List
1. Center for Strategic & International Studies. April 2022. Todd Harrison, Kaitlyn Johnson, Makena Young, Nicholas Wood & Alyssa Goessler. Space Threat Assessment 2022.
2. Harvard Business Review. November-December 2022. Matthew Weinzierl, Prithwiraj (Raj) Choudhury, Tarun Khanna, Alan MacCormack, and Brendan Rosseau. Your Company Needs a Space Strategy. Now.
3. American Defense News. September 9, 2022. Paul Crespo. Why Communist China is Freaking Out Over NASA’s Artemis Moon Mission.
4. American Defense News. August 10, 2021. Paul Crespo. Space Marines – Will US Need to Battle China and Russia for a Moon Base Site? (Part One).
5. American Defense News. July 5, 2022. Paul Crespo. Yes, Communist China is Planning to Take Over the Moon – And We May Need to Fight for It.
6. Harvard Business Review. February 2021. Matthew Weinzierl and Mehak Sarang. The Commercial Space Age Is Here.
7. Center for Strategic & International Studies. February 2022. Todd Harrison & Matthew Strohmeyer. Commercial Space Remote Sensing and Its Role in National Security.
The Battle for Extraterrestrial Security
From the perspective of both commerce and national security nothing has changed more over the past 65-to-70 years than our exploitation of outer space.
Obviously computing technology and networks have had a bigger impact in absolute terms, but those were built on the foundation of primitive mainframe computers and early transistor technology. In contrast no artificial satellite had ever orbited the earth, until 1957.
At the end of 2021, there were 4852 satellites in orbit around the earth, with 136 new launches, last year. Most launches carry only one satellite into space, but that’s changing; a recent Space X launch carried 143 small satellites into earth orbit.
Most are launched into low-earth orbit, or LEO. Another sizable proportion are launched into Geo-synchronous Earth Orbit, or GEO, which enables them to stay in a fixed position over the earth’s surface throughout their useful lives.
These satellites come in many sizes and serve many purposes. Mega-satellites like the X-37B space plane, cost billions, weigh tons, and even return to earth for reuse. Others, like those making up the Starlink satellite constellation are tiny, cheap and expendable.
Early-on, space was the exclusive domain of superpowers. The United States and the USSR worked feverishly to ensure that they were competitive on this new frontier. Initially, focused central planning enabled the Soviets to deliver spectacular results derived from their military research. However, by the end of the 1960s, the United States had pulled well ahead, even landing astronauts on the moon.
From there, the fundamental aerospace research enabled by the “space race” increasingly complemented the explosion of info-tech technologies that began in the 1970s and grew exponentially. Today, space-based resources are an indispensable part of the global economy, touching the lives of virtually everyone on the planet.
As a result, Russia and the United States have been joined by the EU, China, India, Iran, and even North Korea in launching satellites. And several private sector firms have gone beyond merely acting as government contractors; SpaceX, United Launch Alliance and Blue Origin provide full-service capabilities to satellite operators. And those operators provide myriad services to government as well as private sectors firms.
Increasingly, we’re seeing the emergence of a viable space-based business eco-system.
What do all these satellites do? And what makes them so indispensable?
Satellites fall into five main varieties: scientific research, communications, weather, navigation, and the broad category of reconnaissance & sensing.
Scientific research satellites include everything from the Hubble Space Telescope and planetary probes to the International Space Station and instruments designed to study the Big Bang.
These get a lot of press, but they won’t offer economic payoffs in the foreseeable future. Visits to the moon and Mars fall into this category, but they have the added benefit of creating long-term “strategic options” that could be exercised down-the-road.
Communications satellites are the real workhorses of today’s space economy. This is truly a major industry and keeping it safe is key. Over the past three decades, high quality fiber networks have limited the share of backbone traffic traveling via satellite. However, satellites remain the key to providing services to much of the earth’s surface.
And as the Ukraine war has made painfully obvious, LEO-based constellations like Starlink have a real competitive advantage when terrestrial networks are jeopardized. Jamming or destroying this capability could wreak havoc on an economy, as well as its warfighting capability.
Weather forecasting is probably the area in which satellites have had the “biggest bang for the buck.” Compared to the era prior to the 1960s weather forecasting has improved dramatically.
And that’s primarily due to satellite imaging coupled with computer models. Consumers, farmers, airlines, insurance companies and government agencies benefit enormously from tracking weather activity as it evolves. The loss of these satellites would create a serious problem for commerce.
Even though commercial GPS has only been available since the early 1990s, it’s hard to imagine how a modern society would function without navigation satellites. The U.S. system is the oldest and most widely used, but the EU, Russia, China also built navigation networks.
Part of this redundancy is to avoid being denied access to foreign-based networks. Beyond these public resources each alliance possesses purely military navigation satellites, often kept dormant awaiting an emergency call-to-action. As with communication satellites, these resources have delivered trillions of dollars in value over their lives and their importance will only grow.
Reconnaissance & sensing satellites use electromagnetic radiation to create images on and above the surface of the Earth. This includes images of farms, cities, forests and oceans. And they track details ranging from the cars and trucks in parking lots to airplanes and tanks on the ground to ships at sea.
A sixth category of satellite could be termed offensive military satellites or “killer satellites.” Such satellites disrupt the performance of other satellites or ground-based targets. Even though international agreements severely limit the deployment and use of this technology, the United States, China and Russia have all investigated their use.
That sixth category of satellite, while tiny, lies at the heart of an escalating Battle for Extraterrestrial Security which also involves ground-based offensive assets.
Today countries are investing as never before in so-called counterspace military capabilities designed to threaten other countries’ space resources. To do so, these countries are realigning military organizations, doctrine, and strategy to include or better reflect space and counterspace capabilities.
This threat is not imaginary. In November 2021, the vice chief of space operations, General David Thompson, reported that U.S. space systems are attacked “every single day” by reversible forms of counterspace weapons.
Additionally, two destructive kinetic physical antisatellite (or ASAT) tests have occurred in the past three years, which is a worrisome trend. Also of concern is the increasing use of electronic warfare capabilities to deny or degrade access to space systems, using jamming and spoofing.
The most recent example of this is the use of GPS jamming capabilities by Russia as part of its invasion of Ukraine.
The Center for Strategic and International Studies has used unclassified sources to identify 13 types of counterspace weapons. (This summary appears in the printable Trends issue.) This analysis categorizes counterpace weapons into four broad types: kinetic physical weapons, non-kinetic physical weapons, electronic weapons, and cyber weapons.
KINETIC PHYSICAL COUNTERSPACE weapons attempt to strike directly or detonate a warhead near a satellite or a ground station. The three main forms of kinetic physical attack are direct-ascent ASAT weapons, co-orbital ASAT weapons, and ground station attacks.
Direct-ascent ASAT weapons are launched from Earth on a suborbital trajectory to strike a satellite in orbit, while co-orbital ASAT weapons are first placed into orbit and then later maneuvered near their intended target.
These maneuvers are commonly known as rendezvous and proximity operations (or RPOs). Attacks on ground stations are targeted at the terrestrial sites responsible for command and control of satellites or the relay of satellite mission data to users.
Kinetic physical attacks tend to cause irreversible damage to the systems affected and demonstrate a strong show of force that would likely be attributable and publicly visible. A successful kinetic physical attack in space will produce orbital debris, which can indiscriminately affect other satellites in similar orbits.
These attacks are one of the few counterspace actions that carry the potential for the loss of human life if targeted at crewed ground stations or at satellites in orbits where humans are present, such as where the International Space Station resides.
To date, no country has conducted a kinetic physical attack against another country’s satellite; but four countries - the United States, Russia, China, and India - have successfully tested direct-ascent ASAT weapons on their own assets. The former Soviet Union also tested co-orbital kinetic ASAT weapons as early as the 1960s.
NON-KINETIC PHYSICAL COUNTERSPACE weapons have physical effects on satellites or ground systems without making physical contact. Lasers can be used to temporarily dazzle or permanently blind the sensors on satellites or cause components to overheat.
High-powered microwave (or HPM) weapons can disrupt a satellite’s electronics or cause permanent damage to electrical circuits and processors in a satellite. A nuclear device detonated in space can create a high radiation environment and an electromagnetic pulse that would have indiscriminate effects on satellites in affected orbits.
Non-kinetic attacks operate at the speed of light and, in some cases, can be less visible to third-party observers and more difficult to attribute.
Satellites can be targeted with lasers and HPM weapons from ground-based or ship-based sites, airborne platforms, or other satellites. A satellite lasing system requires high beam quality, adaptive optics (if being used through the atmosphere), and advanced pointing control to steer the laser beam precisely - technology that is costly and requires a high degree of sophistication.
A laser can be effective against a sensor on a satellite if it is within the field of view of the sensor, making it possible to attribute the attack to its approximate geographical origin. An HPM can be used to disrupt a satellite’s electronics, corrupt data stored in memory, cause processors to restart, and, at higher power levels, cause permanent damage to electrical circuits and processors.
HPM attacks can be more difficult to attribute because the attack can come from a variety of angles, including from other satellites passing by in orbit. For both laser and HPM weapons, the attacker may also have limited ability to know if the attack was successful because it is not likely to produce visible indicators.
Notably, the use of a nuclear weapon in space would have large-scale, indiscriminate effects that would be attributable and publicly visible. A nuclear detonation in space would immediately affect satellites within range of its EMP and create a high radiation environment that would accelerate the degradation of satellite components over the long term for unshielded satellites in the affected orbital regime.
The detonation of nuclear weapons in space is banned under the Partial Test Ban Treaty of 1963, which has more than 100 signatories, although China and North Korea are not included.
ELECTRONIC COUNTERSPACE weapons target the electromagnetic spectrum through which space systems transmit and receive data. Jamming devices interfere with the communications to or from satellites by generating noise in the same radio frequency band.
An uplink jammer interferes with the signal going from Earth to a satellite, such as the command-and-control uplink. Downlink jammers target the signal from a satellite as it propagates down to users on Earth.
Spoofing is a form of electronic attack where the attacker tricks a receiver into believing a fake signal, produced by the attacker, is the real signal it is trying to receive. A spoofer can be used to inject false information into a data stream or, in extremis, to issue false commands to a satellite to disrupt its operations.
User terminals with omnidirectional antennas, such as many GPS receivers and satellite phones, have a wider field of view and thus are susceptible to downlink jamming and spoofing from a wide range of angles on the ground.
Electronic forms of attack can be difficult to detect or distinguish from accidental interference, making attribution and awareness more challenging. Both jamming and spoofing are reversible forms of attack because once they are turned off, communications can return to normal.
Through a type of spoofing called “meaconing,” even the encrypted military GPS signal can be spoofed. Meaconing does not require cracking the encryption because it merely rebroadcasts a time-delayed copy of the original signal without decrypting it or altering the data.
The technology needed to jam and spoof many types of satellite signals is commercially available and inexpensive, making it relatively easy to proliferate among state and non-state actors.
Finally, there are also purely Cyber-based Counterspace weapons. WHILE ELECTRONIC FORMS OF ATTACK just discussed attempt to interfere with the transmission of RF signals, cyberattacks target the data itself and the systems that use, transmit, and control the flow of data.
Cyberattacks on satellites can be used to monitor data traffic patterns, intercept data, or insert false or corrupted data in a system. These attacks can target ground stations, end-user equipment, or the satellites themselves. While cyberattacks require a high degree of understanding of the systems being targeted, they do not necessarily require significant resources to conduct.
The barrier to entry is relatively low and cyberattacks can be contracted out to private groups or individuals. So, even if a state or non-state actor lacks internal cyber capabilities, it may still pose a cyber threat.
A cyberattack on space systems can result in the loss of data or services being provided by a satellite, which could have widespread systemic effects if used against a system such as GPS. Cyberattacks could have permanent effects if, for example, an adversary seizes control of a satellite through its command-and-control system.
An attacker could shut down all communications and permanently damage the satellite by expending its propellant supply or issuing commands that would damage its electronics and sensors.
Accurate and timely attribution of a cyberattack can be difficult because attackers can use a variety of methods to conceal their identity, such as using hijacked servers to launch an attack.
Given the growing sophistication of the parties involved, their increased dependence on space technology and the turbulent geopolitical context, its certain that each of these threats will grow. And that means a growing defensive response is required.
Given this trend, we offer the following forecasts for your consideration.
First, the United States will remain the world’s leader in counterpace weapons technology throughout the 2020s.
Its research investments in each of the four categories, dwarfs that of any other nation as does its access to state-of-the-art components. Furthermore, America’s tightly integrated land, sea, and air approach to warfare relies more on space than Russian and Chinese approaches, so maintaining battle-ready space capabilities is more important to the U.S. and its allies.
Second, Russia’s once-formidable capabilities will become increasingly obsolete due to a lack of state-of-the-art technology.
During the Cold War, Soviet counterspace technologies were best-ofbreed. However, AI and advanced signal processing are key to leadership in this field. Russia simply lacks the resources needed to keep up with Western capabilities.
Third, as in so many other areas, China will increasingly fall behind the United States and its key allies Japan and South Korea in counterspace capabilities.
Until recently, China was rapidly closing the capabilities gaps with the United States in counterspace technology. However, semiconductor sanctions are certain to take a toll in this area. Furthermore, as China relies more on satellites for commercial and military applications, it will become increasingly hesitant to “fire the first shot” in a counterpace war of attrition. And,
Fourth, India will continue to develop its own counterspace capabilities so it is not forced to rely solely on the cooperation of the United States or its former ally, Russia.
China and Pakistan are India’s mortal enemies. The United States is a new friend. And Russia is an old friend. In such a shifting world, China wants to have a domestic back up. However, Russia’s increasing reliance on China implies that India will be able to count on U.S. space assets when necessary.
Resource List
1. Center for Strategic & International Studies. April 2022. Todd Harrison, Kaitlyn Johnson, Makena Young, Nicholas Wood & Alyssa Goessler. Space Threat Assessment 2022.
2. Harvard Business Review. November-December 2022. Matthew Weinzierl, Prithwiraj (Raj) Choudhury, Tarun Khanna, Alan MacCormack, and Brendan Rosseau. Your Company Needs a Space Strategy. Now.
3. American Defense News. September 9, 2022. Paul Crespo. Why Communist China is Freaking Out Over NASA’s Artemis Moon Mission.
4. American Defense News. August 10, 2021. Paul Crespo. Space Marines – Will US Need to Battle China and Russia for a Moon Base Site? (Part One).
5. American Defense News. July 5, 2022. Paul Crespo. Yes, Communist China is Planning to Take Over the Moon – And We May Need to Fight for It.
6. Harvard Business Review. February 2021. Matthew Weinzierl and Mehak Sarang. The Commercial Space Age Is Here.
7. Center for Strategic & International Studies. February 2022. Todd Harrison & Matthew Strohmeyer. Commercial Space Remote Sensing and Its Role in National Security.
