美“擴(kuò)散型作戰(zhàn)人員太空架構(gòu)”傳輸層作戰(zhàn)運用場景構(gòu)設(shè)與思考

劉強(qiáng) 魯靜 李鱺瑤

2023 年10 月30 日，太空發(fā)展局（SDA）授予諾格公司（NG）7.32 億美元合同，用于設(shè)計和建造38顆傳輸層2 期衛(wèi)星。按照前期太空發(fā)展局負(fù)責(zé)人德里克·圖尼爾（Derek Tournear）理念，傳輸層是“擴(kuò)散型作戰(zhàn)人員太空架構(gòu)”（PWSA）其他各大能力層信息流轉(zhuǎn)樞紐，是整個架構(gòu)實現(xiàn)互聯(lián)互通的基石，更是聯(lián)合全域指揮控制愿景實現(xiàn)的關(guān)鍵驅(qū)動要素。本文通過對美近年來官方發(fā)布的信息征詢書、授予的合同文件等內(nèi)容進(jìn)行深入挖掘，厘清其構(gòu)建背景、發(fā)展現(xiàn)狀、應(yīng)用與特點，并構(gòu)設(shè)其在聯(lián)合全域指揮控制中可能運用的場景，對挖掘商業(yè)低軌衛(wèi)星融入軍事應(yīng)用場景具有十分重要的意義。

1 概述

當(dāng)前，美大多數(shù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)是由冷戰(zhàn)時期的傳統(tǒng)需求和設(shè)計所驅(qū)動的，幾乎未考慮像聯(lián)合全域指揮控制這樣廣泛的概念所需的體系架構(gòu)。美國防部（DoD）意識到，現(xiàn)有信息傳輸能力既難以應(yīng)對日益增長的新興威脅，也無法滿足信息時代聯(lián)合全域作戰(zhàn)所需要的速度、規(guī)模和范圍。美認(rèn)為，需要重新審視太空新興威脅，立足未來大國高端戰(zhàn)爭，大力推進(jìn)以擴(kuò)散型作戰(zhàn)人員太空架構(gòu)為代表的低軌衛(wèi)星星座建設(shè)，以提高太空體系彈性。

擴(kuò)散型作戰(zhàn)人員太空架構(gòu)項目背景

2018 年8 月，美國防部發(fā)布《關(guān)于國防部國家安全太空部門組織和管理結(jié)構(gòu)最終報告》，提出“五大舉措”：一是將太空技術(shù)發(fā)展納入《國防戰(zhàn)略》中概述的現(xiàn)代化優(yōu)先事項；二是建立太空發(fā)展局，發(fā)展下一代空間架構(gòu)；三是建立美國天軍（USSF）；四是建立低成本、高效的天軍服務(wù)和支持機(jī)構(gòu)；五是建立新的太空司令部，改進(jìn)和發(fā)展太空作戰(zhàn)。與此同時，美國防部還配套提出“八項太空領(lǐng)域優(yōu)先需求”（圖1）：一是對先進(jìn)導(dǎo)彈目標(biāo)的持續(xù)全球監(jiān)視；二是針對先進(jìn)導(dǎo)彈威脅的預(yù)警、跟蹤、指示；三是全球定位系統(tǒng)（GPS）拒止環(huán)境下的定位、導(dǎo)航與授時（PNT）能力；四是全球近實時空間態(tài)勢感知；五是發(fā)展太空威懾能力；六是快速響應(yīng)、彈性的通用地面基礎(chǔ)支持設(shè)施；七是跨域、網(wǎng)絡(luò)化及與節(jié)點無關(guān)的指揮控制和通信能力（BMC3），包括核指揮、控制與通信（NC3）；八是基于人工智能的大規(guī)模、低延遲、持久全球監(jiān)控能力。

圖1 八項太空領(lǐng)域優(yōu)先需求

為進(jìn)一步督促上述系列舉措落地，2019 年3月12 日，美專門成立太空發(fā)展局；2019 年7 月，太空發(fā)展局發(fā)布信息征詢，提出集傳輸層、跟蹤層、導(dǎo)航層、威懾層、作戰(zhàn)管理層、監(jiān)管層、支持層為一體的新一代“國防太空架構(gòu)”；2023 年1 月23 日，為更好凸顯太空架構(gòu)“向聯(lián)合作戰(zhàn)人員提供所需的天基能力”這一職能使命，太空發(fā)展局將原新一代“國防太空架構(gòu)”正式更名為“擴(kuò)散型作戰(zhàn)人員太空架構(gòu)”（圖2），以強(qiáng)調(diào)基于微小衛(wèi)星技術(shù)、快速發(fā)射技術(shù)和人工智能技術(shù)，代替現(xiàn)有的少量、大型、高價值衛(wèi)星，進(jìn)而提高天基系統(tǒng)的彈性、抗毀能力。

圖2 擴(kuò)散型作戰(zhàn)人員太空架構(gòu)

傳輸層建設(shè)發(fā)展現(xiàn)狀

根據(jù)太空發(fā)展局發(fā)布的信息，傳輸層由300～500顆低軌衛(wèi)星組成，旨在為全球范圍的各類作戰(zhàn)平臺提供可靠、彈性、低時延的軍事數(shù)據(jù)和通信連接，實現(xiàn)天地之間、不同功能層衛(wèi)星之間及同一功能層不同衛(wèi)星之間的互聯(lián)互通，如圖3 所示。太空發(fā)展局以2 年為周期，采用螺旋上升的方式推進(jìn)建設(shè)進(jìn)程，截至2023 年12 月，傳輸層0 期已發(fā)射8 顆衛(wèi)星，傳輸層1 期兩家公司已完成關(guān)鍵設(shè)計審查，傳輸層2 期已發(fā)布信息征詢書，并授出部分衛(wèi)星生產(chǎn)合同。

圖3 傳輸層示意圖

傳輸層0 期由20 顆衛(wèi)星構(gòu)成，分布在軌道高度1000km、傾角80°～100°的兩個極地軌道平面，每個平面部署7 顆A 組衛(wèi)星和3 顆B 組衛(wèi)星，A 組衛(wèi)星搭載4 條星間鏈路，B 組衛(wèi)星搭載2 條星間鏈路。20 顆衛(wèi)星生產(chǎn)合同分別授予給洛馬公司（LM）和約克空間系統(tǒng)公司（York Space Systems），每家公司生產(chǎn)10 顆衛(wèi)星。2023 年4 月，約克空間系統(tǒng)公司成功發(fā)射8 顆傳輸層0 期衛(wèi)星，并成功建立通信鏈路。

傳輸層1 期由126 顆衛(wèi)星構(gòu)成，分布在6 個軌道平面上，每個平面21 顆衛(wèi)星，軌道高度為1000km，軌道傾角為81°。2022 年2 月，太空發(fā)展局宣布，分別授予洛馬、諾格公司和約克空間系統(tǒng)公司傳輸層1 期生產(chǎn)合同。按照合同內(nèi)容，每家公司需交付42 顆衛(wèi)星。2023 年4 月，諾格公司宣布完成關(guān)鍵設(shè)計審查，2023 年8 月，洛馬公司宣布完成關(guān)鍵設(shè)計審查（約克空間系統(tǒng)公司尚未公開衛(wèi)星生產(chǎn)進(jìn)度）。按照計劃，第一個軌道平面21 顆衛(wèi)星發(fā)射時間不晚于2024 年9 月30 日，然后每隔一個月發(fā)射一個軌道平面衛(wèi)星。

傳輸層2 期由72 顆衛(wèi)星構(gòu)成，分布在6 個軌道平面，每個平面12 顆衛(wèi)星，每顆衛(wèi)星配備3 個光通信終端、1 個Ka 頻段有效載荷、1 個數(shù)據(jù)路由有效載荷、1 個導(dǎo)航有效載荷、1 個S 頻段備份控制系統(tǒng)。2023 年5 月發(fā)布了100 顆“阿爾法”（Alpha）衛(wèi)星信息征詢書，每顆衛(wèi)星配備3 個光通信終端、1 個Ka 頻段有效載荷、1 個16 號數(shù)據(jù)鏈（Link-16）有效載荷。2023 年8 月，太空發(fā)展局將“貝塔”（Beta）衛(wèi)星生產(chǎn)合同分別授予洛馬公司和諾格公司。根據(jù)合同內(nèi)容，每家公司需交付36 顆衛(wèi)星，并于2026 年完成發(fā)射。

傳輸層的應(yīng)用與特點

傳輸層可利用激光鏈路、Ka 數(shù)據(jù)鏈路與地面上用戶進(jìn)行高帶寬、低延遲的通信，能兼容現(xiàn)有戰(zhàn)術(shù)16 數(shù)據(jù)鏈路，以及情報部門使用的綜合廣播系統(tǒng)（IBS），實現(xiàn)信息的互聯(lián)互通傳輸，并搭載指揮、控制與通信模塊。傳輸層具有全時可用、全域賦能、全球作戰(zhàn)3 大特點：一是全時可用。傳輸層突破傳統(tǒng)通信衛(wèi)星只能在指定時間和地點，利用無縫接力來大幅拓展視距范圍，提供7×24 小時的持久通信能力。二是全域賦能。傳輸層協(xié)同高中低軌其他衛(wèi)星，共同構(gòu)成太空網(wǎng)狀網(wǎng)，向各作戰(zhàn)域提供通信中繼網(wǎng)絡(luò)，跨域連通陸、海、空、網(wǎng)絡(luò)空間與電磁頻譜作戰(zhàn)體系，消除了殺傷鏈中間隙。三是全球作戰(zhàn)。傳輸層利用太空域的全球覆蓋能力，以抗毀、頑存、彈性、分布式的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)助力美實現(xiàn)全球兵力機(jī)動、全球監(jiān)視、全球預(yù)警、全球通信、全球交戰(zhàn)與評估。

2 作戰(zhàn)運用場景構(gòu)設(shè)

美基于聯(lián)合全域指揮控制概念構(gòu)建全域作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)，提供陸、海、空、天、網(wǎng)、電各作戰(zhàn)域戰(zhàn)場態(tài)勢，允許任一軍種的作戰(zhàn)人員在任何時間、任何地點訪問、傳輸信息。傳輸層與各大功能層緊密耦合，協(xié)同高、中、低軌其他星座，構(gòu)建了一個抗毀頑存、靈活敏捷、路徑多樣的太空網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，提供跨域態(tài)勢感知、全域全維信息融合、智能輔助決策、跨軍種指揮控制能力。

作戰(zhàn)運用模式分析

傳輸層以殺傷鏈閉合為目的，以向各軍種提供殺傷鏈方案為目標(biāo)，對殺傷鏈“發(fā)現(xiàn)-定位-跟蹤-瞄準(zhǔn)-交戰(zhàn)-評估”全鏈條一體化賦能，打通聯(lián)合全域作戰(zhàn)聯(lián)通“壁壘”，提升殺傷鏈閉合成功率，其作戰(zhàn)運用模式大致可描述為：①發(fā)現(xiàn)、定位。監(jiān)管層衛(wèi)星無縫過頂對重點區(qū)域持續(xù)不間斷監(jiān)視；數(shù)據(jù)經(jīng)星上處理后通過衛(wèi)星通信鏈路傳至指揮控制系統(tǒng)，結(jié)合多域傳感器數(shù)據(jù)，經(jīng)判讀處理，生成并持續(xù)更新通用作戰(zhàn)圖，快速發(fā)現(xiàn)導(dǎo)彈發(fā)射車、水面艦艇群、空中機(jī)群等重點目標(biāo)，獲取目標(biāo)位置、速度等信息，通過傳輸層與全域作戰(zhàn)單元共享，實現(xiàn)戰(zhàn)區(qū)情報一體化獲取、處理、分發(fā)，將太空能力推送到戰(zhàn)術(shù)邊緣。②跟蹤。跟蹤層對目標(biāo)進(jìn)行接力式跟蹤，持續(xù)更新目標(biāo)信息。根據(jù)不同目標(biāo)特性，調(diào)配陸、海、空、天基傳感器或引導(dǎo)火控系統(tǒng)，瞄準(zhǔn)目標(biāo)，生成高精度目指信息。③瞄準(zhǔn)。指控系統(tǒng)融合處理多域傳感器信息，實現(xiàn)對目指信息的全面掌控，確認(rèn)打擊目標(biāo)，形成作戰(zhàn)指令。④交戰(zhàn)。傳輸層快速傳輸目指信息和全域指控系統(tǒng)生成的作戰(zhàn)指令，連通作戰(zhàn)單元，實現(xiàn)傳感器到射手的鏈接，引導(dǎo)陸、海、空等全域打擊力量高效協(xié)同，形成對時敏目標(biāo)的殺傷鏈實時閉合、全域毀傷能力。⑤評估。利用持續(xù)獲取天基情報、監(jiān)視與偵察（ISR）數(shù)據(jù)，對比打擊前后變化，判斷毀傷效果，評估作戰(zhàn)效能，規(guī)劃后續(xù)行動，實現(xiàn)殺傷鏈的快速閉合與重置。

作戰(zhàn)運用場景構(gòu)設(shè)

場景一：對抗環(huán)境下的自組網(wǎng)通信。傳輸層衛(wèi)星利用星間光學(xué)鏈路，自動構(gòu)建“無線自組織網(wǎng)絡(luò)”，通過不斷執(zhí)行鄰域自我發(fā)現(xiàn)、自我加入和自我修復(fù)操作，即便網(wǎng)絡(luò)的一部分由于故障或?qū)剐怨舳导壔驘o法運行，傳輸層網(wǎng)絡(luò)能夠使用剩余的網(wǎng)絡(luò)元素檢測中斷、恢復(fù)和自我修復(fù)，具備強(qiáng)對抗環(huán)境下的彈性抗毀通信能力。

場景二：跨星座情報信息分發(fā)。在地球一端獲取的偵情信息可能受限于視距范圍與地面站地理位置，無法直傳地球另一面的戰(zhàn)術(shù)末端。傳輸層通過配備Ka 頻段鏈路、16 號數(shù)據(jù)鏈、綜合廣播系統(tǒng)、指揮控制與通信模塊，能夠?qū)?zhàn)術(shù)末端作戰(zhàn)單元進(jìn)行耦合。例如：地球同步軌道捕獲的信息可分發(fā)至傳輸層，傳輸層既可利用綜合廣播系統(tǒng)將信息發(fā)送至區(qū)域指控和情報中心，也可以通過激光通信鏈路進(jìn)行星間接力，將信息傳輸至所需的戰(zhàn)術(shù)用戶（航母、飛機(jī)、作戰(zhàn)人員）。這種跨星座之間的協(xié)同配合，可以實現(xiàn)跨域態(tài)勢感知、全域信息融合。

場景三：全球范圍內(nèi)的實時天基測控。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)星均可實時與另外任意軌道的衛(wèi)星進(jìn)行光速通信，能在天基測控領(lǐng)域發(fā)揮重大作用，助力美軍實現(xiàn)“一處測控、全球響應(yīng)”的星座在軌管理模式。

場景四：拒止環(huán)境下的GPS 導(dǎo)航備份。傳輸層通過光學(xué)星間鏈路可確保每顆衛(wèi)星實時知曉自己的精確位置和時間信息，再將位置和時間信息編碼到各種數(shù)據(jù)信號中進(jìn)行傳輸，可助力美軍構(gòu)建起獨立于GPS的備份導(dǎo)航網(wǎng)絡(luò)。

場景五：增強(qiáng)超高聲速武器的攔截能力。美軍將高超聲速導(dǎo)彈、洲際彈道導(dǎo)彈等先進(jìn)武器視為重大威脅。跟蹤層對先進(jìn)導(dǎo)彈跟蹤識別后，可利用傳輸層將威脅信息近實時傳輸給一體化防空和導(dǎo)彈防御網(wǎng)絡(luò)，提供實時信息支撐，提高對運載火箭、導(dǎo)彈的防御作戰(zhàn)能力。

3 幾點思考

（1）傳輸層是驅(qū)動聯(lián)合全域指揮控制愿景實現(xiàn)的關(guān)鍵要素，旨在提供一種新的能力

目前，美國各軍種都有自己的方式來整合聯(lián)合全域指揮控制，本質(zhì)上聯(lián)合全域指揮控制只是確保它們都有相同的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施來相互交換信息。太空發(fā)展局負(fù)責(zé)人德里克·圖尼爾表示，傳輸層就像是骨干，是實現(xiàn)一切互相聯(lián)系互相通信的基礎(chǔ)，主要解決集成問題，即將多個軍種工作整合到一個具有凝聚力的體系中。按照太空發(fā)展局計劃，美國防部及各軍種所有的指揮和控制（C2）系統(tǒng)都將鏈接到傳輸層，以實現(xiàn)聯(lián)合全域指揮控制，包括：空軍的“先進(jìn)戰(zhàn)斗管理系統(tǒng)”（ABMS），該系統(tǒng)研發(fā)可互聯(lián)包括衛(wèi)星在內(nèi)的不同傳感器的聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；陸軍的可擴(kuò)展的遠(yuǎn)征情報地面站（TITAN），其目的是將來自多個軍事戰(zhàn)術(shù)情報、監(jiān)視與偵察衛(wèi)星的數(shù)據(jù)融合到戰(zhàn)場指揮官的通用作戰(zhàn)圖像；海軍的“海軍綜合火控-防空”（NIFC-CA）系統(tǒng)，可將機(jī)載傳感器平臺與水面艦艇相連接（如：E-2D 預(yù)警機(jī)、F-35C 戰(zhàn)斗機(jī)），發(fā)現(xiàn)敵機(jī)或?qū)椇?，可將?shù)據(jù)傳輸?shù)健爸嫠苟芘灐保ˋegis Combat Ship），并由艦艇發(fā)射防空導(dǎo)彈進(jìn)行攻擊。

（2）傳輸層與高軌星座協(xié)同配合，助力廣域、泛在通聯(lián)

美高軌通信衛(wèi)星包括以寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)（WGS）、窄帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)（MUOS）、受保護(hù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)（Milstar）為代表的38 顆軍事通信衛(wèi)星。這些衛(wèi)星部署在地球同步軌道,具有“以天瞰地”的高位優(yōu)勢，理論上3 顆即能實現(xiàn)全球覆蓋,但對于單顆衛(wèi)星，在具體某一時刻受限于地面站地理位置分布與視距范圍，僅能實現(xiàn)區(qū)域范圍內(nèi)可見。傳輸層作為星座最底層，先天具有低時延特性，通過配備Ka 數(shù)據(jù)鏈路、16 號數(shù)據(jù)鏈、綜合廣播系統(tǒng)等通聯(lián)技術(shù)，能夠?qū)⒏摺⒅熊壭亲c戰(zhàn)術(shù)末端緊密耦合，實現(xiàn)“一點觸發(fā)，直達(dá)末端”高效通聯(lián)模式，發(fā)揮廣域、泛在通聯(lián)最后“一公里”。需要說明的是，按照美軍觀念，傳輸層等低軌星座與高軌通信衛(wèi)星并非完全取代關(guān)系，考慮到目前低軌星座采用的均為小衛(wèi)星，單星容量與抗干擾能力仍相對較弱，尤其在復(fù)雜的電磁沖突中，仍需依賴高軌衛(wèi)星作為保底通信手段。

（3）傳輸層與其他低軌星座冗余備份，提供多路徑、彈性信息通聯(lián)手段

通過商業(yè)方面成熟、新興的太空技術(shù)和新穎的系統(tǒng)架構(gòu)，快速彌補(bǔ)現(xiàn)有軍事通信衛(wèi)星在帶寬、敏捷、彈性等方面的不足，擴(kuò)展、分散、多樣化其衛(wèi)星通信路徑選擇，已成為國防部衛(wèi)星通信向彈性抗毀轉(zhuǎn)型升級的重要舉措。這些既包括以“星鏈”（Starlink）為商業(yè)性質(zhì)代表的軍事應(yīng)用開發(fā)，也涵蓋以太空發(fā)展局為代表的軍用性質(zhì)傳輸層搭建。從星座布局看，兩者均是基于商業(yè)技術(shù)部署的大規(guī)模低軌星座，采用全新的大規(guī)模多層系統(tǒng)體系設(shè)計理念，采取大規(guī)模和分布式提升應(yīng)對現(xiàn)實威脅的彈性，以及應(yīng)對新興威脅的快速演進(jìn)更新能力。這與美國天軍前期在《美國天軍衛(wèi)星通信愿景》提出的“作戰(zhàn)型”衛(wèi)星通信彈性、抗毀等概念是一脈相承的，可視為其初步探索實踐。盡管在軍商性質(zhì)上有所差異，但本質(zhì)上均提供了多路徑、彈性的信息通聯(lián)手段。一旦爆發(fā)類似俄烏沖突等事件，可互為備份，即便其中一個系統(tǒng)全部癱瘓，另一個系統(tǒng)也可為作戰(zhàn)人員持續(xù)提供通信保障，確保對抗條件下的信息通信不間斷。