美軍通信衛(wèi)星概況

　　在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，安全高效的軍事通信能夠?yàn)楂@取戰(zhàn)爭主動(dòng)權(quán)提供重要的保障，而衛(wèi)星通信是最重要的軍事通信手段之一。美軍運(yùn)用通信衛(wèi)星的歷史較長，目前在通信衛(wèi)星領(lǐng)域在軌衛(wèi)星數(shù)量最多、技術(shù)性能最優(yōu)、實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用最豐富。根據(jù)UCS在2019年1月9日更新的全球在軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)庫，目前全球在軌的軍事用途通信衛(wèi)星共有132顆（總體分布情況如下圖所示），其中美國49顆。

　　美軍的通信衛(wèi)星體系主要包括寬帶、窄帶和防護(hù)三大系統(tǒng)。20世紀(jì)90年代以來，為了滿足在新形勢(shì)下作戰(zhàn)對(duì)通信衛(wèi)星容量和性能的更高要求，這三大系統(tǒng)分別經(jīng)歷了一次升級(jí)換代。但是，軍事通信需求的增長遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過美軍自有通信衛(wèi)星系統(tǒng)的建設(shè)速度，因而美軍通過大量租用商業(yè)衛(wèi)星來應(yīng)對(duì)這一狀況。

　　美國目前在軌的49顆軍事通信衛(wèi)星中，絕大多數(shù)都是在地球同步軌道運(yùn)行的5噸以上的大型衛(wèi)星（包括上文提到的三大通信衛(wèi)星系統(tǒng)），NGEO衛(wèi)星僅有6顆。

　　隨著各國反衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，美軍傳統(tǒng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的脆弱性日益突出，普通軍用通信衛(wèi)星的反攻擊能力較差，一旦遭受降級(jí)或破壞需要數(shù)年才能更新；防護(hù)衛(wèi)星系統(tǒng)的成本高昂且容量有限，以AEHF衛(wèi)星系統(tǒng)為例，AEHF 單星造價(jià)高達(dá)22億美元，但容量卻不及WGS單星的1/10。為了應(yīng)對(duì)這些新的狀況，當(dāng)前美軍通信衛(wèi)星體系正處在新一輪的轉(zhuǎn)型中，已經(jīng)有相關(guān)項(xiàng)目取得重要進(jìn)展，諸如FPSS項(xiàng)目、DFARR項(xiàng)目、PTSFD項(xiàng)目、PTES項(xiàng)目等。

　　近年來，低軌寬帶通信衛(wèi)星技術(shù)逐漸發(fā)展成熟，全球有幾十個(gè)LEO通信衛(wèi)星星座計(jì)劃出爐，正處在大規(guī)模商用的前夜。這一動(dòng)向早已引起美軍關(guān)注。在通信衛(wèi)星體系的建設(shè)中，美軍已經(jīng)越來越重視LEO星座的建設(shè)和運(yùn)用，以替代和備份以往使用單顆昂貴GEO衛(wèi)星的做法。

　　美軍低軌衛(wèi)星系統(tǒng)的布局已經(jīng)上升到越來越高的層面。2019年7月1日，美國航天發(fā)展局（SDA）發(fā)布了下一代空間架構(gòu)信息征詢書。根據(jù)該文件，美國國防部（DOD）的下一代空間架構(gòu)將由幾層基于小型通信衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)組成。

　　美軍已有低軌通信衛(wèi)星資源

　　Figure 5  TacSat-4衛(wèi)星

　　圖片來源：space.skyrocket.de

　　美軍對(duì)低軌通信衛(wèi)星的研究和應(yīng)用相對(duì)較早。美國國防部（DOD）在2005年提出了“響應(yīng)型太空計(jì)劃”（ORS），并倡議發(fā)展戰(zhàn)術(shù)衛(wèi)星（TacSat）。其中TacSat-4衛(wèi)星屬于通信試驗(yàn)衛(wèi)星，于2011年發(fā)射，主要用于驗(yàn)證超視距通信以及數(shù)據(jù)中繼服務(wù)。該衛(wèi)星針對(duì)美軍高緯度地區(qū)通信能力不足的問題，采用大橢圓軌道設(shè)計(jì)，近地點(diǎn)高度748 km，遠(yuǎn)地點(diǎn)高度12000 km，可提供包括高緯度地區(qū)在內(nèi)的近似全球的、非連續(xù)的覆蓋。2013年，ORS辦公室又發(fā)射了TacSat-6衛(wèi)星，發(fā)展基于3U立方體的超視距通信能力，該星運(yùn)行在462 km × 889 km的近地軌道。

　　Figure 6  Polar Scout衛(wèi)星

　　圖片來源：space.skyrocket.de

　　ORS計(jì)劃的另一個(gè)通信衛(wèi)星項(xiàng)目是Polar Scout衛(wèi)星項(xiàng)目，該項(xiàng)目旨在評(píng)估天基傳感器在支持北極搜索和救援任務(wù)方面的效能。Polar Scout衛(wèi)星屬于6U立方體衛(wèi)星，能夠發(fā)現(xiàn)遇險(xiǎn)者，并迅速將信息傳達(dá)給指揮中心。海岸警衛(wèi)隊(duì)可以派出快艇、飛機(jī)或通知附近的商船救助幸存者。Polar Scout衛(wèi)星每隔90到100分鐘經(jīng)過北極地區(qū)一次，每天可以在北極地區(qū)提供超過3小時(shí)的搜救服務(wù)。

　　Figure 8  SMDC-ONE衛(wèi)星

　　圖片來源：space.skyrocket.de

　　美國陸軍為確保偏遠(yuǎn)山區(qū)、雨林等多遮擋地區(qū)的戰(zhàn)術(shù)通信能力，發(fā)展了“空間與導(dǎo)彈防御司令部－作戰(zhàn)納衛(wèi)星效用（SMDC-ONE）”衛(wèi)星。第一代SMDC-ONE衛(wèi)星于2010年10月發(fā)射成功，屬于立方體衛(wèi)星，采用“集群”衛(wèi)星平臺(tái)，是美軍為演示驗(yàn)證低成本小型通信衛(wèi)星星座組網(wǎng)而設(shè)計(jì)，主要通過無人中繼臺(tái)站進(jìn)行超視距數(shù)據(jù)傳輸。該項(xiàng)目有兩種運(yùn)行模式：一種是戰(zhàn)場(chǎng)人員將數(shù)據(jù)發(fā)送到地面無人值守傳感器，然后通過衛(wèi)星中繼至指揮部；另一種是戰(zhàn)場(chǎng)人員直接發(fā)送指令或者信息到衛(wèi)星，進(jìn)行數(shù)據(jù)請(qǐng)求或者衛(wèi)星任務(wù)調(diào)度。2012－2013年，美軍又發(fā)射了4顆SMDC-ONE衛(wèi)星。

　　Figure 10  SNaP衛(wèi)星

　　圖片來源：space.skyrocket.de

　　SNaP（航天導(dǎo)彈防御司令部納衛(wèi)星計(jì)劃）是SMDC-ONE計(jì)劃的繼續(xù)。SnaP衛(wèi)星是實(shí)驗(yàn)性3U立方星，具有三軸姿態(tài)穩(wěn)定和在軌推進(jìn)能力，可提供超視距通信和數(shù)據(jù)滲漏服務(wù)，數(shù)傳速率是SMDC-ONE衛(wèi)星的5倍。

　　建設(shè)中的低軌通信衛(wèi)星系統(tǒng)

　　“黑杰克”項(xiàng)目是美國國防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）于2018年發(fā)起的研發(fā)項(xiàng)目，旨在利用現(xiàn)代商業(yè)衛(wèi)星技術(shù)構(gòu)建起一個(gè)小型、安全以及低成本、短周期的LEO軍事衛(wèi)星星座，其能力與目前在地球同步軌道運(yùn)行的軍事通信衛(wèi)星類似。

　　“黑杰克”項(xiàng)目將采用開放式的架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)和系統(tǒng)控制，可輕松插入第三方軟硬件，包括天基有效載荷和托管應(yīng)用、通信設(shè)備以及地面用戶設(shè)備和軟件。為了降低集成風(fēng)險(xiǎn)，項(xiàng)目將為“黑杰克”衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)開發(fā)一種稱為Pit Boss的單元，它配備有高速處理器和加密設(shè)備，功能相當(dāng)于一個(gè)通用網(wǎng)絡(luò)和電氣接口。Pit Boss還將提供一種任務(wù)級(jí)自主功能，實(shí)現(xiàn)在軌邊緣計(jì)算，管理“黑杰克”衛(wèi)星和地面用戶之間的通信，提供平臺(tái)測(cè)控鏈路，并對(duì)有效載荷數(shù)據(jù)進(jìn)行加密。Pit Boss在軌云網(wǎng)絡(luò)將提供星座級(jí)和節(jié)點(diǎn)級(jí)指揮控制、健康監(jiān)測(cè)與恢復(fù)、星間數(shù)據(jù)管理以及在軌資源調(diào)度。通俗來講，該項(xiàng)目的基本套路將是要將具有軍用特色的有效載荷裝到商業(yè)衛(wèi)星平臺(tái)上。

　　Figure 12  “黑杰克”星座運(yùn)行概念圖

　　圖片來源：DARPA

　　2019年2月1日，DARPA戰(zhàn)術(shù)技術(shù)辦公室發(fā)布廣泛機(jī)構(gòu)公告，就“黑杰克”項(xiàng)目之下的Pit Boss子項(xiàng)目向行業(yè)征求解決方案，公告中更新了項(xiàng)目理論上的時(shí)間表。

　　Figure 13  “黑杰克”項(xiàng)目時(shí)間表

　　圖片來源：DARPA

　　根據(jù)SDA發(fā)布的下一代空間架構(gòu)信息征詢書，近期太空發(fā)展局的目標(biāo)是開發(fā)由網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)組成的傳輸層，用于低軌道通信和數(shù)據(jù)傳輸。而該傳輸層將嚴(yán)重依賴DARPA的“黑杰克”項(xiàng)目，太空發(fā)展局希望圍繞該項(xiàng)目建立子星座，滿足已確定的導(dǎo)彈防御預(yù)警、定位導(dǎo)航和授時(shí)替代服務(wù)等需求。

　　利用商業(yè)低軌通信衛(wèi)星資源

　　2018年3月新版美國《國家太空戰(zhàn)略》提出將推行整個(gè)政府層面的方法以實(shí)現(xiàn)美國在太空領(lǐng)域的領(lǐng)先地位，該方法尋求與私營部門和盟友密切合作。根據(jù)這一戰(zhàn)略，安全利用商用衛(wèi)星星座的服務(wù)、商業(yè)托管軍用載荷等或成為其太空體系彈性發(fā)展的重要方式之一，這在銥星系統(tǒng)的運(yùn)用、“黑杰克”項(xiàng)目的目標(biāo)設(shè)計(jì)中都體現(xiàn)得非常明顯。

　　在全球范圍內(nèi)將商業(yè)衛(wèi)星用于軍事通信領(lǐng)域的案例屢見不鮮，美軍更是在不斷探索有效利用商業(yè)衛(wèi)星通信服務(wù)的新模式。

　　Figure 14  第二代銥星星座概念圖

　　美軍現(xiàn)役通信衛(wèi)星體系中，低軌通信衛(wèi)星的運(yùn)用主要依靠銥星星座。1998年11月，銥星公司投入商業(yè)運(yùn)營，但由于用戶較少，運(yùn)營后一直處于虧損狀態(tài)。1999年8月，銥星公司申請(qǐng)破產(chǎn)保護(hù)。21世紀(jì)初，美國國防部通過為期5年、每年3600萬美元的合同（為2萬名政府雇員提供不限時(shí)的通信服務(wù)）使銥星公司渡過破產(chǎn)危機(jī)。美軍在隨后之后的伊拉克戰(zhàn)爭和阿富汗戰(zhàn)爭中廣泛使用了銥星的通信服務(wù)。

　　之后美軍與銥星公司不斷擴(kuò)大合作范圍，2018年，國防部與該公司執(zhí)行一項(xiàng)為期5年價(jià)值4億美元的合同，成為后者最大的業(yè)務(wù)收入來源；在獲取星座使用權(quán)的同時(shí)，美軍還完全掌握了該系統(tǒng)夏威夷關(guān)口站的運(yùn)行和控制權(quán)，該關(guān)口站至今仍為美軍專用并得到多次升級(jí)改造。此外，美軍內(nèi)部還先后啟動(dòng)了“銥星增強(qiáng)衛(wèi)星移動(dòng)服務(wù)”（EMSS）、“分布式戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)”（DTCS）等多個(gè)項(xiàng)目，開發(fā)相關(guān)終端設(shè)備，包括“銥”衛(wèi)星電話、尋呼機(jī)以及有源或無源的SIM卡等，并加速部署應(yīng)用。在此推動(dòng)下，銥星系統(tǒng)已充分融入美軍作戰(zhàn)。

　　2017年1月，Iridium NEXT首批10顆衛(wèi)星發(fā)射成功，拉開了第二代銥星系統(tǒng)的部署進(jìn)程。2019年1月，Iridium NEXT最后10顆衛(wèi)星的發(fā)射成功，這標(biāo)志著第二代銥星系統(tǒng)組網(wǎng)成功。銥星二代每顆衛(wèi)星都預(yù)留了一個(gè)搭載載荷的空間，有消息稱至少22顆銥星搭載了SKA（天基殺傷評(píng)估）載荷，從而構(gòu)成了一個(gè)天基殺傷評(píng)估系統(tǒng)。

　　Figure 15  starlink概念圖

　　美空軍于2016年成立戰(zhàn)略發(fā)展規(guī)劃和實(shí)驗(yàn)辦公室（SDPE），負(fù)責(zé)探索利用前沿商業(yè)系統(tǒng)和技術(shù)為空軍提供服務(wù)。2017年12月，SDPE發(fā)布名為“商業(yè)天基互聯(lián)網(wǎng)軍用試驗(yàn)”（DECSI）的項(xiàng)目招標(biāo)合同，旨在探索利用多個(gè)商業(yè)低軌通信星座，為空軍構(gòu)建全球范圍內(nèi)高彈性、高可用性、高帶寬、低延時(shí)的通信設(shè)施，支持空軍各類典型作戰(zhàn)平臺(tái)的行動(dòng)。該項(xiàng)目主要由兩部分內(nèi)容組成，一方面關(guān)注單個(gè)星座為空軍作戰(zhàn)平臺(tái)提供軍事服務(wù)的性能，同時(shí)也重點(diǎn)關(guān)注多個(gè)星座在空軍作戰(zhàn)平臺(tái)上的兼容共用問題，將開展相應(yīng)的硬件、軟件和多接口設(shè)備的研發(fā)工作。

　　SpaceX于2019年3月獲得美空軍價(jià)值2800萬美元的“商業(yè)天基互聯(lián)網(wǎng)軍用試驗(yàn)”（DECSI）合同，美空軍將在未來3年的時(shí)間內(nèi)利用Starlink星座開展相關(guān)的軍事服務(wù)演示驗(yàn)證。后續(xù)SDPE極有可能向Oneweb、Telesat等公司授出類似的合同，以鼓勵(lì)更多的星座建設(shè)者參與到項(xiàng)目研究中。