美國戰術星發展研究

陳 亮

(中國電子科技集團公司第三十六研究所，浙江嘉興314033)

0 引言

2003年5月，美國國防部長辦公室(OSD)下屬的部隊轉型辦公室(OFT)啟動了作戰響應空間(ORS)試驗計劃。戰術星(TacSat)是作戰響應空間試驗計劃的主要技術驗證項目，旨在滿足美軍對于靈活、經濟和快速響應衛星系統的不斷增長的需求。2006 年，TacSat－1，2，3，4 試驗衛星的研制工作相繼展開。每年的戰術星試驗項目都是由美國各協同司令部(COCOMs)、各軍種以及國防部的科研部門共同選定的。美國國防部各科研部門資助戰術星的試驗，部隊轉型辦公室負責提供衛星平臺標準開發的指南。在進行項目采購之前，每次戰術星試驗都要測試作戰系統所需的關鍵要素，通過螺旋式開發的方式形成所需的能力，并接受運行反饋。

TacSat－4衛星代表了整個戰術星試驗項目的最新進展。該衛星是采用基于業已成熟的衛星平臺標準的原型平臺而設計的，運行在高橢圓軌道(HEO)，具有實現作戰響應空間任務(如通信)所需的空中停留時間。

作戰響應空間項目的核心是作戰響應試驗，隨著戰術星的發射及其相關資產的增加，試驗的數量也會增加，然而戰術星給作戰響應空間試驗計劃帶來顯著成果的同時，還需要面對軍事效能評估和商業策略的挑戰。

1 戰術星的發展歷程

自2006年以來，美國國防部按計劃共研制了TacSat－1，2，3，4 一共 4 顆試驗衛星。由于發射意外、載荷失靈、超期服役等因素，目前在軌運行的只有 TacSat－4 衛星。

1．1 TacSat－1 衛星

TacSat－1衛星是由美國國防部部隊轉型辦公室資助下，美國海軍試驗室(NRL)主導的試驗衛星項目。TacSat－1衛星由“軌道通信衛星”(OrbComm)改裝而來，其目標是演示驗證補充型商業模型的效能，并在作戰響應空間領域促進美國國防部和工業界的合作。

TacSat－1衛星包含了作戰響應系統的三個要素:小型衛星，低成本的運載火箭和保密因特網協議路由器網絡(SIPRNet)，它們通過虛擬任務作戰中心(VMOC)來實現任務分配、數據接入和信息收集等功能。TacSat－1衛星上搭載有主射頻載荷、低分辨率的可見光和紅外成像裝置，用于EP－3和“聯合鉚釘”的直接戰術鏈路，以及實現跨平臺任務的飛機接入。

TacSat－1衛星原計劃在2005年由“獵鷹”(Falcon)－1火箭從美國范登堡空軍基地發射，但在經歷了2006年初“獵鷹”－1火箭的首次發射失敗和2007年的驗證發射再次失敗后，美國有關方面宣布廢棄 TacSat－1 衛星，并取消了發射計劃［1］。

1．2 TacSat－2 衛星

TacSat－2衛星源于美國空軍研究試驗室(ARL)的代號為“槲鸛”(RoadRunner)的試驗衛星項目，由美國空軍研究實驗室主導，美國空軍航天司令部(AFSPC)、空間測試項目(STP)組、美國海軍和美國陸軍的 TacSat－2衛星高級概念技術驗證(ACTD)共同資助的。

TacSat－2衛星在多個方面采用了螺旋開發模式。TacSat－2載荷具有大約1米的成像精度，并顯著提高了TacSat－1衛星射頻載荷的能力。TacSat－2衛星首次在空間采用戰術通用數據鏈(TCDL)以擴展其戰術通信能力，并為作戰響應空間系統提供高速戰術數據傳輸能力。該衛星上攜帶了11個成像和技術演示驗證有效載荷，主有效載荷為地球表面成像儀(ESI)。

TacSat－2衛星于2006年12月由“米諾陶”(Minotaur)－1火箭發射，成為首顆發射入軌的戰術星。美國官方認為TacSat－2任務是成功的，但由于美國海軍和國家偵察辦公室(NRO)之間存在爭議，因而阻礙了星上部分傳感器執行試驗任務，這些傳感器是否開啟至今尚不得而知。TacSat－2衛星于2008年1月停止運行，2011年2月5日脫離軌道。

1．3 TacSat－3 衛星

TacSat－3衛星是首個由聯合部門選定的試驗衛星項目。這項工作是由美國空軍航天司令部主導的，各協同司令部負責擬定白皮書，各軍種提出現有的需求、載荷概念的開發和任務分級。

TacSat－3衛星的任務是演示驗證美軍需要的超球面成像能力。它第一次向美國戰略司令部提供在軌情報、監視與偵察(ISR)能力，為其向遍布全球的指戰人員提供直接圖像支持。TacSat－3衛星上搭載了美國空軍研究實驗室和美國陸軍資助的遙感超譜(HSI)成像系統，能幫助識別金屬與混凝土，以及區分人造與自然材料。這將使得作戰人員更好地了解作戰區域，包括敵方活動、意圖，以及作戰存在的風險。美國海軍研究辦公室還提供了一個小型的數據暗渡(Dada－X)載荷。美國國防部部隊轉型辦公室資助了衛星平臺的開發。TacSat－3衛星還首次采用了航空標準優先級的衛星平臺標準。

TacSat－3衛星在2009年5月由“米諾陶”－1火箭發射。TacSat－3衛星試驗任務階段結束后，將會移交給美國航天司令部并為其提供服務。TacSat－3衛星設計工作壽命為6個月，目標是1年，但實際上該衛星在軌部分的時間不但超過了設計壽命，而且超過了預計的作為一顆試驗衛星的任務要求和目標。2012年4月30日美國空軍宣布終止了TacSat－3 衛星的任務［2］。

1．4 TacSat－4 衛星

TacSat－4衛星也是由聯合部門指定的試驗衛星項目。美國海軍研究試驗室主管的TacSat－4衛星是一種用于測試先進衛星通信技術的試驗衛星。該衛星能夠為不具備高優先級別和沒有可用通信衛星的用戶和區域提供通信服務。

TacSat－4衛星上的載荷包括了動中通(COTM)、藍軍跟蹤(BFT)和數據暗渡。動中通通信提供了對特高頻頻段的傳統電臺的支持，以及類似移動用戶目標系統(MUOS)的能力。藍軍跟蹤能夠收集未覆蓋區域中現有特高頻設備的信息，并為之分配優先權。數據暗渡收集來自通常位于海上和沿海地區的美國海軍浮標上的數據。TacSat－4衛星的高橢圓軌道實現了以最小衛星數目和發射次數覆蓋現有的戰場，并支持低成本的作戰任務。TacSat－4衛星采用了美國國防部部隊轉型辦公室開發的階段3平臺標準，它精簡了衛星設計和測試過程。

TacSat－4衛星于2011年9月27日搭載了“米諾陶”－4運載火箭在阿拉斯加州的科迪亞克(Kodiak)基地發射升空［3］。2012 年 1 月 24 日，TacSat－4衛星成功實現了從阿拉斯加州西海岸的白令海峽到加利福尼亞州的極地通信試驗。這顆獨特的衛星運行在遠地點12 050千米高空的高橢圓軌道上，是對現有地球同步軌道衛星通信在高緯度區域的通信覆蓋的一種補充和增強［4］。

TacSat－4衛星的任務載荷“COMMx”是2005年10月由美國陸軍、空軍、海軍IT和計算機通信網絡作戰部(N6)、海軍陸戰隊，以及戰略司令部通過軍官投票決定的。TacSat－4衛星上的任務載荷“COMMx”，如圖1 所示。

圖1 TacSat－4 衛星上的“COMMx”載荷［5］Fig．1 COMMx Payload on TacSat－4

TacSat－4衛星的任務載荷“COMMx”是一個大約3英尺立方體的主體。12英尺的碟形反射天線安裝在高6英尺特高頻饋電的頂部，可實現在軌配置。除了原型樣機的工作，在載荷的開發過程中，NRL還取得了許多重要的技術成果，包括碟形天線反射器的開發、無源互調(PIM)測試裝置、高速微波功率開關測試裝置和先進熱量管理系統。

2 戰術星的先進能力

作為目前唯一一顆在軌運行的TacSat－4衛星，是美國海軍主導的采用相對廉價的、小衛星技術和發射技術共同開發項目，它為實現作戰響應空間提供相關的先進能力。

2．1 “動中通信”能力

在TacSat－4衛星任務載荷的選擇過程中，美國戰略司令部(STRATCOM)、海軍陸戰隊、陸軍都對戰術通信都給予較大的支持。“COMMx”是TacSat－4衛星上主要的載荷，具有類似于移動用戶目標系統的通信能力。載荷上直徑為12英尺的天線和低于地球同步軌道2/3的距離使得TacSat－4衛星具有較高的鏈路余量。用戶可通過常規的全向天線利用傳統電臺就能實現“動中通”通信能力。

TacSat－4衛星上的動中通載荷擁有10個特高頻信道，能夠同時支持動中通通信、數據暗渡和藍軍跟蹤。TacSat－4衛星的自然模式(2．4～16千字節/秒)能夠支持與傳統電臺的通信而不需要天線指向的要求。TacSat－4衛星的地面終端能夠把來自傳統電臺的話音和數據信息打包成IP數據包并實現組網。TacSat－4衛星的信道類似于移動用戶目標系統，具有寬帶的CDMA模式，允許幾十個用戶以64千字節/秒(甚至256千字節/秒)的速率進行通信。

2．2 “數據暗渡”能力

美國各軍種有著多種類型的數據暗渡需求，數據暗渡的主要需求來自于浮標數據。浮標主要部署在海中，通常需要空中資產的支援。TacSat－4衛星為浮標數據收集提供了額外的覆蓋區域，并測試各種海軍作戰概念(CONOPS)，包括了指向艦船應用和IP數據路由。TacSat－4衛星上的海洋數據遙感勘測微星衛星鏈路(ODTML)載荷專門用于基于IP的、互聯網數據暗渡，同時具有存儲和轉寄功能。TacSat－4衛星上的“COMMx”載荷和覆蓋區域為大范圍的數據暗渡任務，包括基于SIPRNET的應用程序提供了定制的衛星通信能力。

2．3 “藍軍跟蹤”能力

許多國家都有著藍軍跟蹤(或者跟一般的說是藍軍態勢感知)需求。美國軍方認為，藍軍跟蹤對于TacSat試驗及未來作戰來說都是一種不可或缺的能力，它可以收集那些來自未覆蓋區域中現有設備的數據。TacSat－4衛星的軌道和備用信道是專門為增強“藍軍跟蹤”的信息收集而設計的。

2．4 高緯度覆蓋能力

大多數現有的通信衛星資源都位于赤道上空傾角為0°的地球同步軌道上。這個軌道位置可覆蓋緯度±60°區域。TacSat－4衛星的軌道傾角達到63．4°，不但可以覆蓋赤道區域，還能夠將覆蓋范圍擴大到北緯地區和極地。

TacSat－4衛星每天能夠覆蓋的區域(按小時計算)如圖2所示。圖中紅色的圓圈大概地表示了典型的電臺和數據速率的瞬時視場。TacSat－4衛星地面跟蹤可以實現一天時間內對全球多個戰區的覆蓋。位于更高緯度的用戶通常可以獲得更長的覆蓋時間，通常情況下每天7小時，而赤道上空通常是3小時。在正常運行狀態下衛星能夠在24小時以內做出改變(應急運行狀態下更快)，從而對全球性突發事件做出響應。

圖2 TacSat－4衛星的覆蓋(小時/天)Fig．2 Coverage of TacSat－4(hours/day)

與之相比，對于一顆地球同步軌道(GEO)通信衛星來說其位置通常是保持相對靜止的。TacSat－4衛星能夠更好的覆蓋高、低緯度的戰場。在某些情形中，高橢圓軌道能夠更好的覆蓋山區或受遮擋的區域。這些軌道還具有相當的靈活性，實現了全球范圍內各種戰場分配任務的載荷能力，并擴大了對未覆蓋區域主戰場的覆蓋。

3 戰術星的影響

TacSat－4衛星對于作戰響應空間項目的影響主要表現在提高通信與覆蓋能力、改進衛星通信需求的能力和體系結構，以及為未來的項目采辦提供依據三個方面。

3．1 增強和改進現有特高頻衛星通信和信號覆蓋能力

TacSat－4衛星通過提供急需的10路特高頻衛星通信系統能力來增強短期的特高頻衛星通信能力。

圖3 3－4顆TacSat－4衛星組成的星座Fig．3 A Constellation of 3－4 TacSat－4

TacSat－4衛星倍受關注的幾個先進的通信能力包括，動中通通信、動態全球范圍內的戰場接入、使用寬頻譜(上行和下行)的能力、增強的藍軍跟蹤和其他數據暗渡能力、以及全球服務水平低下區域的信號覆蓋能力。一個由3－4顆TacSat－4衛星組成的星座能夠提供覆蓋全球多個戰場的24小時通信能力，如圖3所示。

3．2 考慮到未來衛星通信需求的先進能力和體系結構

對于現有電臺而言，無需用戶指向衛星天線就可以實現COTM通信能力。TacSat－4衛星提供了靈活的上行鏈路和下行鏈路的信道分配，從而提高在射頻干擾的地區的作戰能力。其動態任務分配系統和高橢圓軌道的軌道特性滿足了TacSat－4衛星實在24小時內，對任務做出及時響應的需求，這些任務包括全球衛星通信地面覆蓋的再分配，以及當發生意外或自然事件的時候，快速擴大傳統衛星通信的能力等。其虛擬任務作戰中心(VMOC)實現在軌動態分配。

3．3 推進ORS系統的長期發展并為采辦提供相關

原型

TacSat－4衛星項目的實施在衛星總線標準、長時間在軌停留、動態任務分配和網絡中心作戰等方面促進了長期的作戰響應空間系統的開發。部分這些影響的已經實現，比如作戰響應空間衛星總線標準初始設置的開發。TacSat－4衛星的開發采用了階段3總線標準的原型總線。TacSat－4衛星為測試和改進總線標準提供了真實的載荷和任務環境。

TacSat－4衛星為采辦機構提供了有價值的基本數據點。采辦的影響范圍從一顆額外的類似TacSat－4衛星到能夠增強地球同步軌道衛星的高軌軌道衛星星座。按照設計要求，TacSat－4衛星除了簡單地增加轉發器數量外，還要能增強傳統地球同步軌道衛星的通信能力。TacSat－4衛星近期可增強衛星通信能力，遠期可為通信衛星采購事項提供體系結構和未來能力方面的考慮。

4 啟示與建議

美國戰術星的發展也為我國未來衛星通信系統的建設以及衛星通信系統對抗裝備的發展帶來新的思考。

4．1 發展非地球同步軌道衛星通信系統

相對于地球同步軌道而言，非地球同步軌道衛星的好處是衛星更加接近地球，這意味著可以減少標準同步軌道鏈路中70%的傳輸延遲，進而提高了通信的質量。而組網的非地球同步軌道衛星可以實現高緯度區域的通信，提高了通信覆蓋的范圍。借鑒美國戰術星的發展，發展非地球同步軌道衛星通信系統，作為現有地球同步軌道衛星通信系的補充。

4．2 發展針對戰術星的通信對抗能力

美國國防部將采購一顆或多顆后續的戰術星，這些戰術星的技術文檔和成本信息，將為作戰響應空間項目的采購提供一個健全、成熟的基準［6］。為了應對美軍未來這種快速發射、快速部署的戰術作戰樣式，應當發展針對戰術星的通信對抗能力。

5 結語

美國的作戰響應空間試驗項目已經取得了顯著的成績，然而戰術星項目還需要面對現有的標準和程序驗證對其軍事價值評估帶來的不利影響，以及確保系統的小型化、造價和足夠的買方以支持戰術星商業運作等方面的挑戰。但是從“居安思危，未雨綢繆”的危機思維角度考慮，開展有關美國戰術星發展的研究，通過發展非地球同步軌道衛星通信系統，以及發展針對戰術星的通信對抗能力，對于我國未來衛星通信系統的建設以及衛星通信系統對抗裝備的發展具有十分重要的意義。

［1］ 肖擇．作戰及時響應型太空計劃中的戰術星項目［J］．上海航天，2011，04(28):37－37．XIAO Ze，TacSat in Operationally Responsive Space Programe［J］．Aerospace Shanghai，2011，04(28):37－37．

［2］ COX V，WOLD S．ATK Announces Retirement of TacSat－3 Satellite．［EB/OL］．(2012－01－05)［2014－02－01］． http://atk．mediaroom．com/index．php?s=25280＆item=127619．

［3］ SORAE．ミノタウロス4ロケット、タックサット4を打ち上げ．［EB/OL］．(2011－09－28)［2014－02－01］．http://news．ameba．jp/20110928－212/．

［4］ JEFFREY H．U．S．Navy NRL TacSat－4 Completes Coast Guard Communications Test．［EB/OL］．(2012－03－14)［2014－02－01］．http://www．satellitetoday．com/st/headlines/U－S－Navy－NRL－TacSat－4－Completes－Coast－Guard－Communications－Test_38486．html．

［5］ GREER J．TacSat－4 Overview．［EB/OL］．(2007－04－26) ［2013－05－28］．http://www．responsiverspace．com/papers/rs5/panels/tacsat%20status/johnson．pdf．

［6］ HURLEY M，RAYNOR W，WELDY K．TacSat－4“COMMx”Advanced SATCOM Experiment［R］．［s．l．］:Naval Research Laboratory，2009．