美軍利用商業低軌通信星座的新動向分析

近年來，全球低軌寬帶通信星座建設熱潮興起，其批量研制、快速部署、大容量、低延時、全球覆蓋等特點，為軍事作戰通信保障應用提供了新思路、新方案。自2018年以來，包括美國國防高級研究計劃局（DARPA）、空軍、航天發展局（SDA）等在內的美國軍方機構發起多項研究，旨在探索利用商業星座發展成果服務軍事能力建設，“黑杰克”（BlackJack）、空間傳輸層（STL）等新概念、新設想集中涌現，一定程度上透露出美軍未來戰術寬帶通信的新需求，也進一步豐富和充實了目前其正在開展的軍用衛星通信體系彈性轉型工作內容，值得持續關注和分析。

1 發展現狀與特點分析

商業通信衛星服務在美軍通信體系中地位不容忽視

美軍一直以來都將商業系統作為其軍用衛星能力的重要補充，在國會、美國參謀長聯席會議（JCS，簡稱參聯會）等發布的多項指令和指導意見中，都曾對商業通信衛星服務采購工作進行了充分強調。21世紀初，美國國防部（DoD）正式授權國防信息系統局（DISA）開始以合同方式采購商業服務，歷經近20年的發展，目前已經形成了較為成熟和穩定的供應商渠道和市場規模，美國國防部也已成為商業衛星通信市場中最大的單一用戶。由于保密程度較高，可追溯的信息表明，租用的商業衛星容量占國防部總容量的比例在2010財年曾達到了80%，在伊拉克戰場上則一度超過90%。2003－2012年，美國國防部在商業固定通信衛星容量租用上的總投入超過50億美元，約相當于“寬帶全球衛星通信”（WGS）星座10顆衛星的總造價。到2018年底，僅國防信息系統局轄下就有91個正在執行的、有效的商業衛星通信服務采購合同，價值高達45億美元。

主流商業星座獲美軍支持快速發展并有效反哺作戰

美軍現行的軍用通信體系中，以“銥”（Iridium）衛星為代表的低軌星座獲得了極大的發展支持。21世紀初，美軍通過3600萬美元每年固定價合同（包括2萬個軍事用戶的不限時通信）使銥星公司（IRIDIUM）渡過破產危機。此后不斷擴大合作范圍，2018年，國防部仍與該公司執行一項為期5年價值4億美元的合同，成為后者最大的業務收入來源；在獲取星座使用權的同時，美軍還完全掌握了該系統夏威夷關口站的運行和控制權。直至今日，該關口站仍為美軍專用并得到多次升級改造。此外，美軍內部還先后啟動了“銥星增強衛星移動服務”（EMSS）、“分布式戰術通信系統”（DTCS）等多個項目，開發相關終端設備，包括“銥”衛星電話、尋呼機以及有源或無源的SIM卡等，加速部署應用。在此推動下，“銥”衛星系統已充分融入美軍作戰。伊拉克戰爭中，統計顯示，美軍對該星座容量的使用激增300%，阿富汗戰爭中，“銥”衛星終端因能克服地形特殊的不便得到了更廣泛應用。

2 新形勢、新環境分析

美軍通信衛星能力發展正面臨“大變局”，新興低軌星座適應其體系轉型新思路

自耗資巨大、技術復雜的“轉型通信計劃”2009年取消以來，未來的軍用通信衛星能力建成什么樣、如何建設，成為軍方關注和探索的焦點，并深嵌其軍用航天“彈性”轉型戰略實施進程。而布局商業系統、實現能力分散化和快速集成是“彈性”的應有之義：低軌星座衛星數量多、敵對攻擊目標鎖定困難，因此不存在“單點”遭破壞而影響整個系統能力運用的風險，而批量化、生產線式研制模式與傳統星座存在著質的區別，快速研發、快速使用也正符合美軍多年以來推行的作戰用天理念。另一方面，美軍通信衛星帶寬缺口在不斷拉大，單純依靠WGS系統力有未逮。但寬帶系統下一步的發展具體路線一直懸而未決，多種方案成為備選。新興商業低軌寬帶星座因具備低延時、大容量、能夠真正實現全球覆蓋等特點，成為不可或缺的重要選擇。事實上，美軍近年來已采購使用了中軌星座“另外三十億人”（O3b）的寬帶通信服務，因此并不存在采購和使用寬帶星座方面的客觀障礙。

通信衛星采辦/服務采購機制正在調整，軍商系統一體化融合發展創造新契機

美軍衛星通信能力的發展與其采辦體制和組織模式不可分割：軍用通信衛星主要由美國航天與導彈系統中心（SMC）負責采辦，而商業通信服務則由國防信息系統局采購，但由于管理體制分散、需求難以統一，導致軍用和商業系統之間服務不兼容、作戰部隊切換應用不便等諸多問題。2018年，根據最新出臺的一版《國家防御授權法案》（NDAA）規定，軍用通信衛星系統采辦和商業服務采購職能將統一劃歸至航天與導彈系統中心，從而打破原有分頭管理的格局，集中力量發展優勢能力。目前，國防信息系統局相關職能已完成移交，相關人員也將在2019年10月前融入航天與導彈系統中心。另一方面，2019年初，航天發展局正式成立，該機構將接管美軍下一代航天系統的開發，但同航天與導彈系統中心權責劃分尚不明朗，未來可能實現對后者職能的囊括和后向兼容，從而進一步推動軍、商系統在空間、任務、地面和終端等部分的融合，為低軌星座服務軍方創造更有利的環境和機遇。

3 新概念、新設想分析

國防高級研究計劃局“黑杰克”項目

項目概況：“黑杰克”項目是美國國防高級研究計劃局2018年發起的研究和開發項目，旨在探索利用新興商業低軌寬帶星座發展經驗和成果，在低軌演示驗證一個提供全球持續覆蓋、低成本的星座，該星座將通過多個通用的衛星平臺搭載軍用通信、導航、偵察、預警等多類任務載荷，同時具備自主智能運行能力。項目包括5個獨立部分：有效載荷、通用平臺、自主和集成、發射、運控，將分為3個階段執行。2018年4月公布的招標文件主要面向平臺或有效載荷承包商，總金額達1.175億美元，后續還將面向自主控制軟硬件、發射服務、地面系統、星座運行控制等發布額外的招標文件。

方案設想：“黑杰克”項目核心在于開發和研制驗證構建全球低軌高速骨干衛星網絡的關鍵技術，在演示驗證階段預計發展一個20顆衛星的星座，衛星部署在2個軌道平面，每顆衛星作為1個軌道節點，均由1個能夠與其他節點高速通信的通用平臺、1個或多個能夠自主運行超過24h的戰術任務載荷和1個控制單元組成。

通用衛星平臺方面，重點考慮已有生產線或正處于開發之中的商業平臺，能夠承載各種類型的軍用有效載荷的研制生產，而無需對生產線進行重新設計；平臺的結構機構、電子、軟件、網絡通信（星間和星地）接口控制將實現標準化，為運行幾十種甚至上百種不同類型的軍用有效載荷創造條件。

有效載荷方面，將作為模塊安裝在某一尺寸或某一類通用平臺上，大幅簡化機械、電子和網絡結構，盡可能的減小尺寸、質量、功率需求和降低成本。光學有效載荷需要能夠容忍比一般定制的光學遙感衛星更低的指向精度和穩定度。無線電有效載荷需要能夠容忍比一般定制衛星更復雜的電子兼容問題。

“黑杰克”衛星概念框圖

“黑杰克”項目通用平臺關鍵指標

為實現星座自主運行能力，同時降低平臺和載荷集成風險，項目將開發一個名為“皮特博斯”（PitBoss）的星上控制單元，該單元安裝在每顆衛星上，作為計算節點提供任務級自主的運行能力，為每個載荷提供與平臺的電氣接口和網絡接口，提供數據包路由，作為星座組網以及與其他星座連接的信息節點。PitBoss上安裝的任務自主軟件使衛星與星座中的其他節點協同，保證整個星座不需人員干預長期自主運行。

最新進展：至2018年底，國防高級研究計劃局已經向多家公司售出第一階段平臺和有效載荷研發合同，包括空客防務與航天公司（ADS）、美國藍色峽谷技術公司（Blue Canyon）以及加拿大電信衛星公司（Telesat）等。值得一提的是，空客防務與航天公司與一網公司（ONEWEB）聯合成立的子公司，承擔了生產“一網”（OneWeb）低軌寬帶星座第一期數百顆衛星的研制任務，而加拿大電信衛星公司目前正在發展其低軌寬帶星座，并在2018年成功部署1顆名為低軌道優勢－1（LEO Vantage－1）的試驗衛星。國防高級研究計劃局與這兩家公司合作正是看中其在低軌星座批量研制的前景，希望通過建立類似的衛星生產線和供應鏈，盡可能降低平臺的研制成本。同時，在加拿大電信衛星公司獲得的合同中也包括了評估在“黑杰克”衛星上采用星間鏈路以實現與其星座互聯互通的能力。

空軍“商業天基互聯網軍用試驗”項目

SpaceX公司第一期4425顆衛星低軌寬帶星座構型

項目概況：美國空軍于2016年成立戰略發展規劃和實驗辦公室（SDPE），該辦公室掛靠在美國空軍研究實驗室（AFRL）下，但直接向空軍高層領導匯報，負責探索利用前沿的商業系統和技術為空軍提供服務。2017年12月，該辦公室發布名為“商業天基互聯網軍用試驗”（DECSI）的項目招標合同，旨在探索利用多個商業低軌通信星座，為空軍構建全球范圍內高彈性、高可用性、高帶寬、低延時的通信設施，支持空軍各類典型作戰平臺的行動，具備無縫切換能力。

方案設想：“商業天基互聯網軍用試驗”項目主要由兩部分內容組成，一方面關注單個星座為空軍作戰平臺提供軍事服務的性能，同時也重點關注多個星座在空軍作戰平臺上的兼容共用問題，將開展相應的硬件、軟件和多接口設備的研發工作。

具體而言，在單個星座應用試驗方面，將通過星座中的1顆或多顆商業衛星實現2個空軍作戰平臺間的數據傳輸，包括3種測試場景：一是位于美國本土的2個空軍地面站之間的傳輸試驗；二是位于美國本土的空軍地面站與一架美軍軍機之間的傳輸試驗；三是在美國領空范圍內的2架軍機之間的傳輸試驗。測試內容包括：數據傳輸速率、延時、誤碼率、鏈路余量等。此外，測試中還將對數據流和網絡安全進行評估。

在多星座共用試驗方面，將重點測試2種途徑，一是針對軍用運輸機（如C－130等）、加油機（如KC－135等）以及空中預警機等作戰平臺，基于具體的改裝條件，開發集成多個不同星座天線、調制解調器等設備的通用化終端；二是針對小型軍機和機身外形要求高而難以進行天線改裝的軍機，基于已有的軍用多功能天線和開放式無線電體系架構（ORA），為各星座開發即插即用型的兼容性終端硬件。主要測試內容除了與單星應用試驗相同的通信性能外，還將重點針對不同星座之間的無縫切換服務性能開展測試。

2顆Microsat－2試驗衛星

最新進展：2019年3月，空軍戰略發展規劃和實驗辦公室向太空探索技術公司（SpaceX）授出價值2800萬美元的合同，要求后者在3年時間內，利用其正在發展的“星鏈”（Starlink）星座開展相關的軍事服務演示驗證。根據目前掌握的情況，空軍已在2018年利用“星鏈”星座的2顆首發試驗星微星－2A和 2B（Microsat－2A和2B）開展了性能測試工作，并透露“測試結果非常令人滿意”。后續該辦公室極有可能向一網公司、加拿大電信衛星公司授出類似的合同，以鼓勵更多的星座建設者參與到項目研究中。

航天發展局空間傳輸層概念

項目概況：2019年3月，美國航天發展局正式成立，根據國防部同年3月發布的2020財年預算文件，航天發展局計劃在2020財年實施六大研發項目，其中之一為“傳輸層架構與標準項目”，是航天發展局本財年的“首要關注目標”，撥款額度為1500萬美元。2019年4月，美國航天發展局局長弗雷德·肯尼迪在第35屆航天研討會上公布了未來在低軌建設包括空間傳輸層、監管層、跟蹤層和威懾層在內的多層次、功能性衛星網絡的設想，其中，空間傳輸層的概念得到進一步重申。

航天發展局提出的多層次衛星網絡的體系架構設想

方案設想：所謂空間傳輸層，即在低軌部署一個骨干性的軍用通信衛星網絡，具備新型、快速響應的體系架構，以此為基礎將面向陸海空天多域節點提供基礎的數據傳輸服務。

空間傳輸層包括約658顆小衛星，將極大程度地利用“黑杰克”項目以及商業低軌寬帶互聯網星座成果，采用生產線模式開展衛星批量研制工作，每顆衛星將配備星間鏈路功能和備份的星地鏈路，預計最早于2022年利用商業火箭發射首顆衛星。航天發展局還計劃在傳輸層中開發“嵌入的子系統”（對應于“黑杰克”項目的多任務載荷概念），提供導彈預警等額外能力。建成后的空間傳輸層將為全球任意兩點之間提供超低延時的數據通信服務，支持美軍作戰管理、指揮、控制和通信（BMC3）能力。

最新進展：目前掌握的最新情況來看，航天發展局預計將在未來幾個月內發布招標信息征詢書，“一網”、“星鏈”等多個巨型星座均在其考慮范圍之中，如何使商業星座發展與軍方需求相匹配，將成為招標論證研究的核心。

4 幾點研判

新構想對美軍已在轉型的彈性體系沖擊性不大，是對原有框架的補充性延伸

事實上，美軍在衛星通信領域的彈性體系轉型工作已開展了近10年，以提升防護能力為核心，打造“防護抗干擾戰術系統”（PATS）和“演進的戰略通信系統”（ESS）的基本思路已成為廣泛共識，而且在PATS架構下，也特別提出對商業系統的運用以及發展低軌星座的方案，只是并未針對商業低軌星座進行具體設定。如前所述，當前的新構想聚焦低軌領域，強調商業技術、系統的運用，突出對多類其他任務載荷的數據傳輸支持能力，從本質上來講符合彈性發展理念，而且從當前技術水平判斷，受衛星大小和載荷空間限制，其性能很難取代現役高價值、高復雜度和高性能的軍用通信衛星，因此可視作對原有體系的補充和細化。

預計完成試驗系統建設可能性較大，但要真正進入實際部署仍面臨較多挑戰

目前來看，幾家軍方機構的重點都放在演示驗證上，從新興商業低軌星座的部署節奏和技術能力來看，發展試驗系統存在較大的可能性。但要真正滿足軍方遠期目標，部署多任務融合式大系統，則面臨很多亟待解決的問題，如小衛星能否達到多任務性能要求、能否研發出合適的低成本相控陣天線以滿足大規模終端應用需求、星座運行管理復雜可能引發地面運管人員激增等。此外，低軌衛星面對物理、電子和定向能攻擊時更加脆弱，但強調其防護能力勢必在無形中進一步增加星座的成本。從上述角度分析，利用潛在建成的商業低軌寬帶星座提供軍事服務，是軍方目前提出的所有構想中最具有現實意義也最可行的方案。

面向政府和軍方提供通信服務，將成為商業低軌星座市場開拓的重要切入點

無論是20世紀末第一輪低軌星座建設熱潮中“銥”衛星的起死回生，還是當前軍方機構主動開展研究的牽引性作用，都可以看出，政府和軍事應用已成為未來低軌星座發展中不可忽視的市場細分，加拿大電信衛星公司低軌星座計劃的背后就離不開加拿大國防部的支持。但是軍事應用對于衛星性能的要求與傳統商業系統不同，如支持戰場地理區域的靈活機動、部隊組網方式的動態調整等，需要載荷具備一定的波束機動、處理交換能力，而目前絕大多數的商業通信衛星仍只能作為容量供給通道，為軍方提供基本的保障性、福利性任務支持，商業低軌星座想要真正融入作戰應用，獲取更大的市場利益，也必須解決這些技術層面的關鍵問題。