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美军:规划军事卫星通信的未来

发布时间:2019-06-28 | 浏览次数:

来源 | 电科小氙

编译 | 王煜

卫星通信由于覆盖广、通信距离远,一直以来就倍受军方青睐,是最重要的远程超视距军事通信手段之一。在军事卫星通信方面,无论是在轨卫星的数量、质量还是性能,美军无疑处于绝对领先地位,是其实现信息优势的重要保障。美国空军可为美军提供全球卫星通信能力,可为美军联合作战人员的各种军事行动提供保障。卫星通信对于信息需求日益增高的未来战场则更为重要。

也正因如此,美国空军认为,美国的军事卫星一定会成为对手重点针对的目标,美国的潜在对手会不断尝试拒止、降级和破坏美国在太空中的不对称优势,因此美国空军正在加大力度,为美军作战人员及其战略盟友进一步发展卫星通信能力。

美国近期在装备现代卫星通信系统方面不断取得新进展:2018年10月发射了第四颗“先进极高频”(AEHF-4)卫星,2019年3月又发射了第十颗“宽带全球卫星通信”卫星(WGS-10),其整个卫星通信企业(军事卫星、商用卫星和国际伙伴卫星)也正在向一种能够在对抗、降级、以及运行受限环境中具备更强鲁棒性、弹性、灵活性以及作战能力的综合体系中迁移。

1、采用分散体系,实现更强弹性和灵活性

美军实现这种综合卫星通信新体系的重要一步就是在军事卫星通信空间层实现分散策略,在继续保持后向兼容能力的同时提升系统弹性。

目前的受保护抗干扰AEHF卫星星座与其前任“军事星(Milstar)”系统一样,既提供受保护战术通信,也为美国总统和其他决策者提供战略核加固通信。而美军规划的新一代受保护卫星空间系统则把AEHF的战略和战术卫星通信任务分别分解到了“演进的战略卫星通信”(ESS)和“受保护战术卫星通信”(PTS)两个项目中。

采取这种分散方式能够减轻多任务卫星固有的单点故障问题,从而提升弹性,同时还可利用搭载有效载荷(用商用卫星搭载军用载荷)提升体系灵活性。

采用专用“自由飞行”卫星也可减少为了适应多种任务而在卫星设计时进行的技术折中,而实现这些技术上的折中和妥协往往会以牺牲某些具体任务能力为代价。

(1)战略卫星通信与核指挥控制与通信(NC3)

未来美军将利用“演进的战略卫星通信”(ESS)计划提供新一代核指挥控制和通信任务能力,替代中纬度AEHF系统的战略通信能力,并将抗毁通信能力扩展到北极地区。这一计划也将满足增强弹性的新需求,以应对未来挑战

(2)受保护战术卫星通信(PTS)

“受保护战术卫星通信”(PTS)项目是美军“受保护抗干扰战术卫星通信”(PATS)体系的天基段,其目标是为遍布全球的美军作战人员实现更强的卫星通信能力和通信保护能力,并可提升卫星系统的经济性(利用搭载式载荷)。PTS将是一个由分布式搭载有效载荷和自由飞行的独立卫星组成的星座,相比当前系统,其抗干扰保护能力更强,容量更大。

PTS有效载荷可在星上处理受保护战术波形(PTW)(一种政府专用波形,可实现增强型受保护通信),为处于反介入/区域拒止环境中的作战人员提供抗干扰卫星通信能力。

受保护战术企业服务(PTES)则是PATS的地面段,负责各网络构件的控制管理。根据美军近期签署的合同透露,PTES目前正在实现一种创新的原型设计方法,预计2022年将在WGS卫星上为太平洋责任区提供PTW波形服务。

随着美国及其盟国在北极地区活动的不断增加,美国及其盟国对这一地区的战术通信能力需求也日益增长,美军的“增强型极地——资产重组”(EPS-R)计划就是为处于北纬65度以上地区的战术用户提供有保障抗干扰LPD/LPI卫星通信。EPS-R的容量将是原有“过渡性极地系统”(IPS)的26倍。

此外,美国空军还在就搭载有效载荷系统方案与其相应盟国进行协调,希望大幅降低美国承担的费用,并利用搭载载荷方案填补专用卫星投入使用之前三年北极地区卫星通信的空窗期。这一协议将第一次为美国作战人员提供北极X波段卫星通信资源。


图1 2040美军卫星通信企业体系运行视图

2、实现综合卫星通信体系

美国空军太空司令部司令官的卫星通信设想是,由空军太空司令部提供有效运行、经济可负担、弹性并且安全的卫星通信体系,这一体系能够为多种优先级的全球任务提供支持,并且可适应需求、技术和威胁的迅速变化。

美军设想,未来卫星通信体系将能为美国太空司令部司令官提供企业卫星通信能力,在对抗、降级和运行受限环境中以适当的速度在各种冲突中为联合作战人员提供支持。美国空军太空司令部将这一未来卫星通信运行设想称为“作战卫星通信”(Fighting SATCOM)。

美军认为,实现Fighting SATCOM体系的关键要素是:能够协调资产/任务分配的管理控制框架;能够在多种军事平台/环境中运行的灵活终端;能够快速恢复网络连接的灵活网络;能够提供路径冗余且运行灵活的多样化太空资产池。这样,随着作战环境的变化,美军可以采用灵活终端跨多种波形、波段和其他体系要素(包括商用和国际伙伴系统)实现漫游。

为实现这一综合卫星通信体系,美军还统一了卫星通信采购职能,从机构组织架构上对实现综合卫星通信体系予以保障。美军军事卫星的采购权原本就归属美国空军太空司令部,而2018年12月12日,美军的商用卫星带宽租用职能也从国防信息系统局(DISA)移交到了美空军太空司令部,美国空军太空司令部建立了空军商用卫星办公室(AFCSCO),该办公室成为唯一负责为美国国防部采购商用卫星通信服务的机构。

这样美军整个军事相关卫星通信的采购权就都统一到了美空军太空司令部。军用卫星通信和商用卫星通信采购权的合并让美空军太空司令部能够交付符合其司令官设想的更为综合的解决方案。

美国空军太空和导弹系统中心(SMC)也向太空企业联合体(一个由顶级工业企业、学术研究机构和创新初创公司合作开发新一代太空技术的团队)多位成员授予了企业管理控制原型开发合同,进一步推动Fighting SATCOM的发展。

原型方案将演示实现卫星通信企业需要的关键属性,包括卫星通信快速、弹性、可持续和全球访问能力;终端、调制解调器和网络敏捷性;网络、链路和运行安全;与联合指挥控制系统的互操作能力。

2019年的原型设计工作主要是交付态势感知能力并提供公共作战图,帮助用户执行企业卫星通信规划、代理和编排功能。这些原型将是定义体系、降低风险并确定可迅速迁移到运行状态的早期技术和能力的关键步骤。

定义一种顶层企业架构将让未来计划和能力可迅速无缝整合既有系统,同时将各种卫星通信服务能力组合到一起。

美空军商用卫星办公室还将探索采购、交付并将动态商用卫星通信需求整合到卫星通信企业中的增强模式。以这种方式实现商用卫星通信转型将能保证商用卫星通信在全球都处于准备就绪状态,实现各种商用卫星通信能力的随时按需访问,为实现系统间漫游提供支持,并利用美国国防部的集采能力降低成本。美国空军商用卫星办公室将采购多种工具,实现业务与需求数据的近实时访问,提升任务数据规划和分发能力。


图2 美国空军上尉与加拿大联络官设置美国空军的地面多波段终端(GMT)天线

美空军商用卫星办公室还将提供商用卫星可管理服务功能试验,详细评估技术和运营风险与机遇。

由于美军目前运行的卫星通信终端类型非常之多(约135个终端项目采购了17000多部终端),终端问题特别麻烦。美国空军空间和导弹系统中心的卫星通信试验项目阶段2工作成功对终端灵活性进行了原型设计和演示。这些演示通过在既有终端中插入预装配置文件,对其进行了改造,实现了在不同卫星通信服务间的漫游。此项工作还开发了政府企业管理控制功能、卫星服务提供商以及灵活终端接口和标准。

此外,美国空军还进行了广泛研讨,继续获得各类用户、业界和国防部其他利益相关人的积极参与,实现未来接口标准。

3、探索颠覆性技术

颠覆性技术也将在未来卫星通信中发挥重要作用。

目前全世界有多家商用提供商在积极探索由大量低轨(LEO)小卫星组成的卫星通信解决方案。采用低轨卫星可实现带宽容量的大幅增长,但其发展可能会受到缺少可用相控阵终端天线的制约。与传统碟形天线不同,相控阵天线不需要机械指向卫星就能实现快速运动卫星信号的跟踪和接收。

相应地,移动用户相控阵天线的成熟度也会对LEO卫星星座的发展有重大影响。此外,激光星间链路也是重要探索方向。采用激光星间链路可在天基资产间实现大量数据的快速传递,进一步增强卫星通信系统弹性。

对卫星通信有重大影响的其他技术进步还包括网状网以及利用新频谱体制。网状网是一种每个节点都能转发数据并有效用作独立路由器的网络拓扑结构,综合卫星通信体系中可能会广泛利用这一概念。美国空军目前正在进行各种频率应用实验,有可能实现卫星通信应用带宽容量的大幅增长。

4、加速交付

美国空军太空司令部除合并了军事卫星通信和民用卫星通信采购权外,还在积极探索提高效率并利用新的法定权限缩短交付时间。

美国空军空间和导弹系统中心花了几乎6个月的时间实现“SMC 2.0”,对其结构和过程进行了彻底检查,通过创建面向行动的决策框架,推动创新,培养伙伴关系,纳入企业思维,建立不断进取提高的文化氛围,加速交付过程。

为加速采办过程,美国2016财年国防授权法案的804条款新建了中间采购层权限,实现快速原型设计和装备。这些权限为原型开发(使用创新技术快速开发可装备原型,从而演示新能力并满足新兴军事需求)和装备(使用已证明技术装备达到生产数量的新系统或升级系统)提供了快速决策途径。ESS、PTS和PTES均已采纳新的快速804条款采购权限。

美国空军除遵从美国国会的指导时,还在采购WGS星座第11颗卫星(WGS-11)时利用了商用技术和实践。WGS-11容量比近几颗WGS卫星都要高,容量和带宽增长2倍,采用更多波束提高卫星弹性,增强了覆盖能力,具备更好抗干扰性能,提高了灵活性和性能,可更好地为作战人员提供服务。

此外,美国空军空间和导弹系统中心还在继续推动WGS和AEHF项目与10个国际伙伴国家的合作协议。这些合作以及就EPS-R项目与挪威的合作代表了美军要实现更大规模国际合作的发展方向。

美国空军通过开发广泛的盟国、跨机构和商业合作伙伴网,可在实现互操作能力更强、弹性更好、成本效益更高的Fighting SATCOM时,共同分担成本,并更快推动和交付未来卫星通信体系。

5、结语

综合卫星通信企业可向联合作战人员提供前所未有的选择,为其成功执行任务提供保障。与当前的烟囱式卫星通信系统集合相比,综合卫星通信企业将能提供应对21世纪对抗性空间域所需的性能和弹性。美国空军正在加速交付这一企业体系,保证作战人员能够在对抗、降级、以及运行受限环境中享有卫星通信带来的种种优势,并纳入更快采购过程和更快指控结构,在任何冲突中维护美军的优势。

向作战人员交付Fighting SATCOM体系将是美军未来维持其战场卫星通信优势的重大举措。

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