美軍“國(guó)防太空架構(gòu)”傳輸層建設(shè)運(yùn)用研究

陳亞飛（航天工程大學(xué)）

美國(guó)國(guó)防部太空發(fā)展局（SDA）2019 年7 月提出建設(shè)由“傳輸層、跟蹤層、監(jiān)管層、戰(zhàn)斗管理層、導(dǎo)航層、威懾層、支持層”組成的“國(guó)防太空架構(gòu)”（NDSA），強(qiáng)調(diào)基于威脅驅(qū)動(dòng)更多地利用微小衛(wèi)星星座，代替現(xiàn)有的少量、大型、高價(jià)值衛(wèi)星，以提高天基系統(tǒng)的靈活性、抗毀傷能力。此外，美國(guó)還在大力加強(qiáng)與盟國(guó)和商業(yè)公司的太空合作，意圖構(gòu)建“混合太空架構(gòu)”，進(jìn)一步提升太空體系彈性，應(yīng)對(duì)未來(lái)可能的太空高端戰(zhàn)爭(zhēng)。傳輸層作為美國(guó)下一代七層太空架構(gòu)，乃至“混合太空架構(gòu)”的核心和骨干，將以數(shù)百顆搭載光學(xué)星間鏈路、Link－16 數(shù)據(jù)鏈、綜合廣播服務(wù)（IBS）、Ka 通信、戰(zhàn)斗管理指揮控制與通信（BMC3）模塊等載荷的微小型衛(wèi)星構(gòu)成的擴(kuò)散性星座為主，正在大力建設(shè)之中，具備重大作戰(zhàn)價(jià)值。

1 建設(shè)發(fā)展概況

SDA 認(rèn)為，“國(guó)防太空架構(gòu)”的作戰(zhàn)效用主要取決于近地軌道上相對(duì)較小的、可大規(guī)模生產(chǎn)的衛(wèi)星組成的擴(kuò)散星座所提供的無(wú)處不在的數(shù)據(jù)和通信傳輸層的可用性，因此極其重視傳輸層的建設(shè)，并將其分為風(fēng)險(xiǎn)降低、0 期、1 期、2 期、3 期等階段，以2 年為周期滾動(dòng)實(shí)施。其中，每個(gè)階段大致按照“發(fā)布信息/方案征詢書、簽訂合同、發(fā)射入軌、測(cè)試入役”等程序組織實(shí)施。

建設(shè)進(jìn)展

2020 年，SDA 發(fā)布多個(gè)風(fēng)險(xiǎn)降低信息征詢書，并簽訂演示合同；發(fā)布傳輸層0 期衛(wèi)星方案征詢書，并簽訂合同，由洛·馬公司（LM）和約克太空系統(tǒng)公司（York Space Systems）分別建造10 顆衛(wèi)星，每批10 顆衛(wèi)星分成A、B 兩種類型，2022 年交付。

2021 年，SDA 的“激光互連和組網(wǎng)通信系統(tǒng)”（LINCS）衛(wèi)星和美國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）的曼德拉克－2（Mandrake－2）衛(wèi)星均搭載太空探索技術(shù)公司（SpaceX）的運(yùn)輸者－2（Transporter－2）任務(wù)發(fā)射，進(jìn)行6 個(gè)月在軌演示驗(yàn)證；啟動(dòng)傳輸層1期建設(shè)，發(fā)布招標(biāo)方案征詢書。

2022 年，SDA 簽訂傳輸層1 期合同，由洛·馬公司、諾·格公司和約克太空系統(tǒng)公司生產(chǎn)42 顆衛(wèi)星，2024 年交付。

建設(shè)規(guī)劃

2022 年，傳輸層0 期衛(wèi)星將全部發(fā)射入軌，根

SDA 期望光通信的中心波長(zhǎng)為1550nm、頻率為193.1﹢n×0.1THz（n 的取值范圍：﹣18 到28），通信距離達(dá)到5000km。風(fēng)險(xiǎn)降低階段，SDA 主要通過(guò)通用原子公司開發(fā)“激光互聯(lián)與通信系統(tǒng)”（LINCS）衛(wèi)星進(jìn)行演示驗(yàn)證。此外，DARPA 也通過(guò)“黑杰克”（Blackjack）項(xiàng)目資助曼德拉克－2 實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星進(jìn)行演示驗(yàn)證。

1）LINCS 實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星。LINCS 是由SDA 投資、通用原子公司（GA）開發(fā)的兩顆12U 光學(xué)互聯(lián)演示衛(wèi)星，每顆衛(wèi)星搭載一個(gè)C 頻段雙波長(zhǎng)全雙工光通信終端和一個(gè)紅外有效載荷，主要演示一顆衛(wèi)星發(fā)射的激光束以正確的功率水平、正確的波形、足夠的精度準(zhǔn)確指向另一個(gè)航天器上的激光接收器，預(yù)計(jì)可在2500km 范圍提供5Gbit/s 的數(shù)據(jù)速率。

2）曼德拉克－2 實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星。曼德拉克－2 是由DARPA 負(fù)責(zé)建造的2 顆“黑杰克”實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，主要用于演示2 顆衛(wèi)星之間的光學(xué)鏈路、與地面系統(tǒng)的光學(xué)鏈路以及與機(jī)載系統(tǒng)的光學(xué)鏈路通信能力，希望在5000km 鏈路距離提供100Mbit/s 的數(shù)據(jù)速率。2022 年5 月，承包商CACI 公司宣布在4 月成功進(jìn)行了星間鏈路通信試驗(yàn)，2 顆衛(wèi)星在相距超過(guò)100km 的距離，40min 傳輸了約200Gb 數(shù)據(jù)，平均速率約85Mbit/s。

主要利用空軍研究實(shí)驗(yàn)室（AFRL）投資開發(fā)的XVI 實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星進(jìn)行演示驗(yàn)證。XVI 衛(wèi)星使用了藍(lán)峽谷技術(shù)公司（Blue Canyon Technologies）12U 衛(wèi)星平臺(tái)和衛(wèi)訊公司（Viasat）開發(fā)的Link－16 有效載荷和Roccor L 頻段天線。XVI 衛(wèi)星將以95°軌道傾角運(yùn)行，在軌壽命超過(guò)6 個(gè)月，與AFRL、海軍陸戰(zhàn)隊(duì)和特種作戰(zhàn)司令部進(jìn)行多次演示驗(yàn)證。

傳輸層0 期[7]（2022－2023 財(cái)年）

衛(wèi)訊公司的XVI 衛(wèi)星及其天線示意圖

傳輸層0 期空間段將由20 顆衛(wèi)星組成，軌道高度約為1000km，傾角在80°至89.5°之間，具備至少4 年軌道保持能力。每個(gè)軌道面上的衛(wèi)星分為兩組：A 組衛(wèi)星搭載4 個(gè)光通信終端以及IBS、Ka 數(shù)傳和Ka 測(cè)控載荷各1 個(gè)，提供連接整個(gè)星座的完整網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，在軌道面上均勻分布，可以支持與地面的連續(xù)通信和雙向交鏈；B 組衛(wèi)星搭載2 個(gè)光通信終端以及Link－16、IBS、Ka 數(shù)傳和Ka 測(cè)控載荷各1 個(gè)，支持平面內(nèi)光學(xué)交鏈和任務(wù)通信，在軌道上呈“簇”狀，可支持在多個(gè)時(shí)間段內(nèi)對(duì)某一戰(zhàn)區(qū)的連續(xù)覆蓋。

傳輸層0 期全部20 顆衛(wèi)星均搭載有光學(xué)星間鏈路載荷，設(shè)計(jì)功率35W，工作占比100%，可構(gòu)建軌道面內(nèi)和跨軌道面兩種光學(xué)鏈路，既可支持傳輸層衛(wèi)星之間彼此通過(guò)光學(xué)交叉鏈路網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)脱舆t數(shù)據(jù)，也能支持跟蹤層/監(jiān)管層衛(wèi)星通過(guò)光學(xué)星間鏈路連接傳輸層0 期衛(wèi)星，再向作戰(zhàn)人員發(fā)送數(shù)據(jù)。星間光學(xué)鏈路要求鏈路夾角不大于10°，通信距離不超過(guò)4500km。傳輸層0 期星座的通信速率門檻最低為250Mbit/s，希望達(dá)到1Gbit/s。

100%的占空比連續(xù)運(yùn)行所有鏈路；⑥平臺(tái)偏移校準(zhǔn)后捕獲時(shí)間不超過(guò)100s。

傳輸層1 期每顆“基線”衛(wèi)星均搭載有1 個(gè)Link－16 數(shù)據(jù)鏈終端，相比傳輸層0 期僅有B 組共6 顆衛(wèi)星搭載Link－16 數(shù)據(jù)鏈終端，Link－16 數(shù)據(jù)鏈通信能力將有本質(zhì)上的飛躍。主要技術(shù)參數(shù)包括：①具有2 個(gè)或多個(gè)可獨(dú)立控制的波束，每個(gè)波束的目標(biāo)光斑直徑為300nm 或更大；②具有足夠的發(fā)射功率和天線增益，可以在與地平線10°～90°之間的任何地面仰角的波束覆蓋范圍內(nèi)使用手持式地面Link－16終端實(shí)現(xiàn)鏈路閉合和網(wǎng)絡(luò)操作；③能夠在一個(gè)責(zé)任區(qū)連續(xù)工作20min，并支持至少25%的運(yùn)行占空比。

傳輸層1 期每顆“基線”衛(wèi)星均搭載有1 個(gè)專門用于發(fā)送和接受IBS 信息的UHF 載荷，其主要技術(shù)參數(shù)包括：①衛(wèi)星位置高于地平線10°即可與地基和天基的下一代聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)終端（JTT﹣NG）等平臺(tái)以至少3dB 鏈路裕度實(shí)現(xiàn)全天候鏈路閉合；②能夠連續(xù)工作12min，并支持至少20%的運(yùn)行占空比。傳輸層1期實(shí)現(xiàn)直接鏈接戰(zhàn)術(shù)平臺(tái)，將進(jìn)一步增強(qiáng)向全球作戰(zhàn)人員分發(fā)近實(shí)時(shí)戰(zhàn)術(shù)/作戰(zhàn)重要情報(bào)和信息的能力，可為態(tài)勢(shì)感知、識(shí)別和預(yù)警（I&W）、威脅告警、威脅規(guī)避、部隊(duì)保護(hù)、友軍跟蹤、目標(biāo)跟蹤以及瞄準(zhǔn)/交戰(zhàn)等決策過(guò)程中提供重要數(shù)據(jù)。

傳輸層1 期主要“基線”衛(wèi)星搭載Ka 數(shù)傳載荷，其中主要技術(shù)參數(shù)包括：①衛(wèi)星位置高于地平線10°即可與地面直徑5.5m 天線以至少3dB 的鏈路裕度實(shí)現(xiàn)全天候鏈路閉合；②能夠連續(xù)工作12min，并支持至少20%的運(yùn)行占空比。

3 作戰(zhàn)運(yùn)用分析

SDA 決心統(tǒng)一和整合下一代太空能力，提出“國(guó)防太空架構(gòu)”概念，即主要在近地軌道大量部署擴(kuò)散的、彈性的軍事傳感和數(shù)據(jù)傳輸能力，以應(yīng)對(duì)所謂的日益緊迫的太空威脅。其中，傳輸層將在未來(lái)太空智能作戰(zhàn)中發(fā)揮五大核心作用。

實(shí)現(xiàn)強(qiáng)對(duì)抗環(huán)境下的智能組網(wǎng)通信

傳輸層衛(wèi)星在太空中將利用星間光學(xué)鏈路，自動(dòng)構(gòu)建“無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)”（MANET），通過(guò)不斷執(zhí)行鄰域自我發(fā)現(xiàn)、自我加入和自我修復(fù)操作，具備強(qiáng)對(duì)抗環(huán)境下的彈性抗毀通信能力。太空發(fā)展局要求太空網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)必須能在兩種模式下運(yùn)行：一是正常模式，即網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行而且沒有任何中斷，網(wǎng)絡(luò)可以使用標(biāo)準(zhǔn)的路由協(xié)議或預(yù)先計(jì)算好的路由；二是恢復(fù)模式，即網(wǎng)絡(luò)的一部分由于故障或?qū)剐怨舳导?jí)或無(wú)法運(yùn)行，網(wǎng)絡(luò)必須能夠使用剩余的網(wǎng)絡(luò)元素檢測(cè)中斷、恢復(fù)和自我修復(fù)。

支持對(duì)先進(jìn)導(dǎo)彈的智能防御作戰(zhàn)

美軍將高超聲速導(dǎo)彈、洲際彈道導(dǎo)彈等先進(jìn)導(dǎo)彈視為重大威脅，正在“天基紅外系統(tǒng)”等高軌導(dǎo)彈預(yù)警架構(gòu)的基礎(chǔ)上建設(shè)中低軌的導(dǎo)彈跟蹤架構(gòu)——跟蹤層，然而跟蹤層對(duì)先進(jìn)導(dǎo)彈的跟蹤識(shí)別后，必須利用傳輸層提供的Link－16 等能力，將威脅信息近實(shí)時(shí)傳輸給一體化防空和導(dǎo)彈防御（IAMD）網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)智能多層攔截，最大程度提升反導(dǎo)防御作戰(zhàn)成功率。

實(shí)現(xiàn)對(duì)天基情報(bào)的智能處理分發(fā)

美軍“國(guó)防太空架構(gòu)”所有建設(shè)的天基資產(chǎn)均將搭載BMC3 模塊，組成戰(zhàn)斗管理層，其中傳輸層星座是信息智能處理和分發(fā)的核心。未來(lái)美軍乃至盟國(guó)、商業(yè)建設(shè)的低軌星座，均可通過(guò)光學(xué)星間鏈路直接將遙感、預(yù)警、氣象等天基情報(bào)數(shù)據(jù)發(fā)送至傳輸層利用BMC3 進(jìn)行智能處理后，再通過(guò)IBS 等能力分發(fā)至對(duì)應(yīng)的情報(bào)處理中心或戰(zhàn)術(shù)部隊(duì)，不必再經(jīng)過(guò)傳統(tǒng)的情報(bào)傳輸網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)多源情報(bào)融合下的智能作戰(zhàn)。

實(shí)現(xiàn)強(qiáng)拒止環(huán)境下的GPS 備份導(dǎo)航

美軍全球機(jī)動(dòng)和精確作戰(zhàn)極其依賴于GPS，GPS信號(hào)頻率在1～2GHz 范圍，雖然可以定向增加信號(hào)強(qiáng)度，但仍難以應(yīng)對(duì)強(qiáng)電磁拒止環(huán)境。傳輸層通過(guò)光學(xué)星間鏈路可確保每顆衛(wèi)星實(shí)時(shí)“知道”自己的精確位置和時(shí)間信息，再將位置和時(shí)間信息編碼到各種數(shù)據(jù)信號(hào)中進(jìn)行傳輸，理論上即可幫助美軍構(gòu)建起獨(dú)立于GPS 的備份導(dǎo)航網(wǎng)絡(luò)。

支持對(duì)未來(lái)星座的智能天基測(cè)控

美軍要實(shí)現(xiàn)對(duì)“國(guó)防太空架構(gòu)”等未來(lái)龐大衛(wèi)星星座的測(cè)量控制，即便擁有全球布站的測(cè)控系統(tǒng)也將捉襟見肘。傳輸層衛(wèi)星由于其強(qiáng)大的光學(xué)星間鏈路通信中繼能力，任何1 顆衛(wèi)星均可實(shí)時(shí)與另外任意軌道的衛(wèi)星進(jìn)行光速通信，這將在智能天基測(cè)控領(lǐng)域發(fā)揮重大作用，能助力美軍實(shí)現(xiàn)“一處測(cè)控、全球響應(yīng)”的星座在軌管理模式。

4 結(jié)束語(yǔ)

美軍“國(guó)防太空架構(gòu)”傳輸層衛(wèi)星的建設(shè)雖然仍處在初級(jí)階段，但以2 年為周期進(jìn)行技術(shù)更新迭代，將使不斷革新的太空能力第一時(shí)間提供給一線部隊(duì)并獲得關(guān)鍵反饋，從而使星座能力得到螺旋提升。同時(shí)，作為美軍下一代彈性抗毀太空體系的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，傳輸層也必將體現(xiàn)出巨大的作戰(zhàn)能力，本文雖歸納了其五大核心運(yùn)用，未來(lái)還需要繼續(xù)結(jié)合具體場(chǎng)景進(jìn)行深入分析和仿真驗(yàn)證，量化其體系貢獻(xiàn)率。