美太空軍傳輸層衛(wèi)星發(fā)展策略分析

傳輸層衛(wèi)星是美國太空發(fā)展局正在為美軍開發(fā)的“國防太空架構(gòu)”（NDSA）的重要組成。“國防太空架構(gòu)”由傳輸層、戰(zhàn)斗管理層、跟蹤層、監(jiān)管層、導航層、威懾層及支撐層7層組成，目的是構(gòu)建由海量衛(wèi)星組成、遍布全球、實現(xiàn)對戰(zhàn)場態(tài)勢的有效感知和通信。2023年，“國防太空架構(gòu)”發(fā)展為“擴散作戰(zhàn)人員空間架構(gòu)”（PWSA）。美國太空發(fā)展局認為，“國防太空架構(gòu)”和其發(fā)展“擴散作戰(zhàn)人員空間架構(gòu)”是統(tǒng)一整合美軍下一代太空能力，實現(xiàn)聯(lián)合全域指揮控制（JADC2）的天基基礎，而作為通信骨干的傳輸層衛(wèi)星，其重要性不言而喻。

與以往美軍用衛(wèi)星研發(fā)所不同的是，傳輸層衛(wèi)星具有需求數(shù)量大、迭代速度快的特點，對于傳統(tǒng)的衛(wèi)星研發(fā)和采辦流程提出巨大挑戰(zhàn)。美太空發(fā)展局在DARPA等美軍內(nèi)部科研機構(gòu)研發(fā)成果的基礎上，通過運用商業(yè)化策略、借鑒SpaceX等公司發(fā)展經(jīng)驗、基于成熟商用平臺研發(fā)等，初步實現(xiàn)了“控制成本、追趕進度”的目標。

傳輸層衛(wèi)星情況簡介

美太空發(fā)展局為美太空軍打造的“擴散作戰(zhàn)人員空間架構(gòu)”的傳輸層，由遍布全球的數(shù)百顆小型衛(wèi)星組成。數(shù)百顆傳輸層衛(wèi)星組成的衛(wèi)星網(wǎng)絡將成為美軍聯(lián)合全域指揮控制的天基骨干通信網(wǎng)絡，負責將遍布全域的傳感器和效應器進行有效連接，以實現(xiàn)聯(lián)合全域指揮控制目標中所期望實現(xiàn)的各作戰(zhàn)單元之間的實時、低延遲、大容量通信。

傳輸層衛(wèi)星主要依靠綜合廣播服務（IBS）、Link 16數(shù)據(jù)鏈、光學星間鏈路及組網(wǎng)協(xié)議4種手段實現(xiàn)其與傳輸層衛(wèi)星星座外各節(jié)點的溝通，在4種手段外還兼容了多種通信波段。傳輸層衛(wèi)星在整個聯(lián)合全域指揮控制中起到提供可靠、高韌性、低延遲通信的能力，同時負責“擴散作戰(zhàn)人員空間架構(gòu)”中其他六層的連通與實時通信。傳輸層衛(wèi)星的數(shù)量之多、分布范圍之廣，體現(xiàn)了強大的通信能力是美軍遂行聯(lián)合全域作戰(zhàn)的基礎。

除以上提到的4種手段外，傳輸層衛(wèi)星還針對頻譜管理等進行一定優(yōu)化，使其滿足多頻段傳輸需求。針對不同傳輸手段進行網(wǎng)絡安全優(yōu)化，通過引入零信任策略等滿足網(wǎng)絡安全需求。傳輸層衛(wèi)星從設計伊始便考慮到全球定位和授時能力建設，快速定位以實現(xiàn)捕獲和交鏈功能。傳輸層衛(wèi)星的設計還考慮到正在研發(fā)的“戰(zhàn)斗管理指揮控制和通信（BMC3）”兼容與對接，當前傳輸層衛(wèi)星僅滿足于實現(xiàn)鏈路暢通，未來還將以實現(xiàn)資源的管理、協(xié)調(diào)和分配為重要目標。

傳輸層衛(wèi)星供應商、衛(wèi)星數(shù)量及單價表

目前，傳輸層衛(wèi)星的開發(fā)和部署主要分為第0期、第1期和第2期3個部分組成，3期總共計劃將355顆衛(wèi)星送入太空。

第0期由19顆衛(wèi)星組成，其中，洛克希德·馬丁公司研制10顆衛(wèi)星，約克航天系統(tǒng)公司研制9顆。按照美方有關資料披露，第0期傳輸層衛(wèi)星以測試任務為主，主要檢驗光學星間鏈路性能、綜合廣播服務對于不同地區(qū)的傳輸能力及信息交互至BMC3系統(tǒng)能力、衛(wèi)星利用Link 16鏈路向地面用戶傳輸數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)的能力以及在不依賴全球定位系統(tǒng)下的定位、導航、授時（PNT）能力。第0期傳輸層衛(wèi)星分為A、B兩組，其中A組衛(wèi)星作為整個星座的網(wǎng)絡基礎設施，B組衛(wèi)星通過綜合廣播系統(tǒng)（IBS）和Link 16進行通信。A組衛(wèi)星均勻分布作為基礎，B組衛(wèi)星則支持在特定時間內(nèi)對特定區(qū)域的覆蓋。傳輸層衛(wèi)星第0期雖然已經(jīng)具備了傳輸層衛(wèi)星的諸多特征，其目標聚焦于實現(xiàn)特定區(qū)域低延遲數(shù)據(jù)連接及與地面設施的全球鏈接能力。

第1期由126顆衛(wèi)星組成，洛克希德·馬丁公司、諾斯羅普·格魯曼公司和約克航天系統(tǒng)公司分別負責42顆衛(wèi)星的研制工作。第1期126顆衛(wèi)星分別部署于6個軌道面，衛(wèi)星之間可依靠光學星間鏈路進行信息交互。相較于第0期，第1期傳輸層衛(wèi)星將采用以任務為中心的載荷配置，為美軍提供全球性通信接入、持久的區(qū)域加密、低延遲的連接。第1期傳輸層衛(wèi)星在功能上是第0期的強化，整體設計和功能趨于成熟，實際作戰(zhàn)效能更強。第1期傳輸層衛(wèi)星將于2024年9月展開部署。

第2期由210顆衛(wèi)星組成，總共分為Alpha、Beta及Gamma3個部分。Alpha衛(wèi)星總計100顆，其中諾斯羅普·格魯曼公司負責38顆，約克航天系統(tǒng)公司負責62顆。Alpha衛(wèi)星分為低軌和高軌兩部分，其中低軌由4個低傾斜軌道面組成，每個軌道面19顆衛(wèi)星；高軌由6個高傾斜軌道面組成，每個軌道面4顆衛(wèi)星。單個Alpha衛(wèi)星搭載Ka波段任務載荷、網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)路由子系統(tǒng)、導航子系統(tǒng)、S波段備份遙測、跟蹤和控制子系統(tǒng)、4個光通信終端、BMC3模塊，具備使用Link 16數(shù)據(jù)鏈及導航子系統(tǒng)內(nèi)的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）態(tài)勢感知能力。首批Alpha衛(wèi)星計劃于2026年開始交付。Beta衛(wèi)星均在較低軌道運行，總計90顆，諾斯羅普·格魯曼公司公司負責36顆，洛克希德·馬丁公司負責36顆，火箭實驗室公司負責18顆。Gamma衛(wèi)星的具體細節(jié)仍待完善，根據(jù)美太空發(fā)展局發(fā)布的招標草案，計劃采購20顆Gamma衛(wèi)星。從功能上看，第2期傳輸層衛(wèi)星是第1期的優(yōu)化，在技術指標和細節(jié)上有一定改進。第2期傳輸層衛(wèi)星內(nèi)三個部分之間也有區(qū)別，其中，Alpha衛(wèi)星載荷數(shù)量更多、功能更齊全，比Beta和Gamma衛(wèi)星多出1個光通信終端及BMC3接入能力；Beta衛(wèi)星主要用于增強整個系統(tǒng)的魯棒性，確保其順利運行；Gamma衛(wèi)星則著眼于傳輸層外衛(wèi)星的兼容性，強化跨軌道通信等能力。

美軍主要軍用通信衛(wèi)星表

傳輸層衛(wèi)星研發(fā)的最終目標，是構(gòu)建一個由數(shù)百顆衛(wèi)星組成的衛(wèi)星星座，其將作為“骨干”通信網(wǎng)絡，接入美軍各軍種所有指揮控制系統(tǒng)，以實現(xiàn)聯(lián)合全域指揮控制能力。并作為美軍現(xiàn)有衛(wèi)星通信網(wǎng)絡的備份，實現(xiàn)與地面用戶之間的高帶寬低延遲通信，利用Link 16數(shù)據(jù)鏈實現(xiàn)軍種及盟國信息共享能力。傳輸層衛(wèi)星的本質(zhì)是一種魯棒性強、數(shù)量多、具備多種通信手段、連接戰(zhàn)場各傳感器及效應器的天基中繼節(jié)點網(wǎng)絡，具備較強的兼容性。

傳輸層衛(wèi)星開發(fā)流程及特點分析

作為美太空發(fā)展局正在開發(fā)的7層“擴散作戰(zhàn)人員空間架構(gòu)”中的重要一層，傳輸層衛(wèi)星數(shù)量多、批次多，其研發(fā)、采購流程已不同于以往。結(jié)合2024年2月11日美國國防部發(fā)布的首份《國防工業(yè)戰(zhàn)略》可推測，傳輸層衛(wèi)星的研發(fā)過程體現(xiàn)“任務導向、循序漸進、成本控制”，較為符合《2020年太空軍愿景》文件中提到的“衛(wèi)星通信應該采用軍事和商業(yè)系統(tǒng)的綜合架構(gòu)”原則。開發(fā)過程始于美太空發(fā)展局向各大公司發(fā)出的信息征詢建議書和信息征詢請求書，研制過程中引入商業(yè)化策略控制成本，通過諸如SpaceX等企業(yè)合作發(fā)射進一步降低成本，實現(xiàn)批量制造及廣泛部署。

衛(wèi)星研制 與以往的衛(wèi)星研制過程相比，傳輸層衛(wèi)星的研制過程有一定變化。從整體設計上看，傳輸層衛(wèi)星體現(xiàn)“任務牽引”“標準統(tǒng)一化”兩個要素。美太空發(fā)展局將諸多滿足條件的科技公司引入競爭，而多元化的供應商需要遵守美太空發(fā)展局在衛(wèi)星研發(fā)過程中定下的各類標準以實現(xiàn)互操作性，美太空發(fā)展局還為相關供應商設置獎勵條件，促進整體循環(huán)。

任務牽引要素，主要包括本階段衛(wèi)星具備的具體功能和搭載的有效載荷類型和數(shù)量，這一要素需要具備較為完善的頂層設計和明確的分階段需求提供。頂層設計提供整體方向，諸如傳輸層衛(wèi)星的工作原理和一般特征。分階段需求則明確技術細節(jié)和任務。分階段需求可以根據(jù)上一階段反饋結(jié)果修正本階段需求，實現(xiàn)有效載荷定制的差異化。這一過程類似F-35戰(zhàn)機研發(fā)過程中的“技術刷新”（TechRefresh）過程——在整個研發(fā)過程伊始，先利用市場上部分成熟平臺及任務載荷實現(xiàn)功能，再分階段實現(xiàn)對軟硬件的升級工作。標準統(tǒng)一化是傳輸層衛(wèi)星能否實現(xiàn)互操作性的關鍵?？v觀7層“擴散作戰(zhàn)人員空間架構(gòu)”涉及到的衛(wèi)星研發(fā)流程，均體現(xiàn)標準統(tǒng)一化要素。標準統(tǒng)一化是在各成熟衛(wèi)星平臺的基礎上，統(tǒng)一各生產(chǎn)廠商的設備標準實現(xiàn)兼容性，此舉有利于整合市場上的商業(yè)太空資源，避免各自為戰(zhàn)。

傳輸層衛(wèi)星還大量利用太空商業(yè)化成果，引進成熟產(chǎn)品，實現(xiàn)從購買商業(yè)太空服務到購買產(chǎn)品的轉(zhuǎn)變。其中洛克希德·馬丁公司、諾斯羅普·格魯曼公司公司和L3Harris公司分別使用TerranOrbital、空客公司以及麥克薩技術公司的商用平臺來制造傳輸層衛(wèi)星。傳輸層衛(wèi)星憑借商業(yè)化成果，批量獲得整體架構(gòu)所需的數(shù)百顆小型衛(wèi)星。在整個衛(wèi)星研發(fā)流程中，美太空發(fā)展局提出需求和技術細節(jié)，利用多家生產(chǎn)機構(gòu)之間的相互競爭和太空商業(yè)化的成熟產(chǎn)品，實現(xiàn)自身利益的最大化，最大限度降低了自身風險。

衛(wèi)星采購策略 2022年4月5日，時任美太空發(fā)展局局長德里克·圖爾尼爾在科羅拉多州舉辦的一場研討會上指出，美國國防部的采購文化仍然很難適應美太空發(fā)展局的商業(yè)化特征采購策略。此言論折射出美太空發(fā)展局在采購策略上的重大變革。與以往相比，美太空發(fā)展局的采購周期更短、策略更靈活。正如德里克·圖爾尼爾所言，“美國防部成本核算辦公室要求美太空發(fā)展局提交未來20年的預計采購計劃。而美太空發(fā)展局則試圖在幾個月或幾年內(nèi)部署新技術，而不是大型國防項目慣用的長達數(shù)十年的時間表”。通過固定價格合同、競爭引入、定期重新組織衛(wèi)星采購等機制，美太空發(fā)展局在保證進度的基礎上，實現(xiàn)了成本控制的目標，利用相對較少的資金完成了上百顆衛(wèi)星組成星座的工作。

固定價格合同，按照定義是指“合同的價格計算是以規(guī)定、規(guī)范為基礎，工程任務和內(nèi)容明確、業(yè)主的要求和條件清楚，合同總價固定不變，不再因為環(huán)境的變化和工程量的增減而變化的一類合同”。在這類合同中，承包商承擔了全部的工作量和價格的風險。美太空發(fā)展局利用固定價格合同實施采購控制成本的起因是其經(jīng)費有限。而太空商業(yè)化所帶來的多元選擇則是美太空發(fā)展局得以順利推行固定價格合同降低風險的外部因素。競爭的引入，不僅有利于美太空發(fā)展局按照自身意圖行事，還降低了采用單一供應商的風險，推動整個市場形成“良幣驅(qū)逐劣幣”的趨勢。

傳輸層衛(wèi)星的采購策略的另一大特點，便是定期重新組織衛(wèi)星采購，一般以兩年為周期。定期采購有利于美太空發(fā)展局根據(jù)情況反饋適時在下階段采購需求上添加新技術需求，較為符合商業(yè)化的采購模式。這些策略加快了衛(wèi)星的采購進度，例如，傳輸層第2期Beta衛(wèi)星招標于2023年4月份發(fā)布，合同于同年8月份授予。一旦合同授予，衛(wèi)星便進入制造流程，等待發(fā)射。

衛(wèi)星發(fā)射 一旦承包商完成衛(wèi)星的制造工作，便進入衛(wèi)星發(fā)射的準備階段。為控制成本、實現(xiàn)大規(guī)模發(fā)射，美太空發(fā)展局一般會選擇SpaceX公司作為合作伙伴，利用可重復回收的“獵鷹”系列運載火箭進行發(fā)射。除SpaceX外，美太空發(fā)展局還將根據(jù)商業(yè)航天進展，選擇藍色起源公司等作為合作伙伴。未來，美太空發(fā)展局可能會將適用于衛(wèi)星采購流程的兩年期規(guī)劃應用于衛(wèi)星發(fā)射階段，以避免SpaceX一家獨大的局面。

啟示

與傳輸層衛(wèi)星一致，“擴散作戰(zhàn)人員空間架構(gòu)”中涉及到的跟蹤層、導航層等層級，同樣需要大量衛(wèi)星。美太空發(fā)展局背離美國國防部原有的衛(wèi)星采購路徑，將市場競爭引入衛(wèi)星研發(fā)及采購流程，在相對較短時期內(nèi)取得了一定的成果。其具體細節(jié)已超出太空這個范疇，對于聯(lián)合全域指揮控制而言意義深遠。綜合其表現(xiàn)和特征，可總結(jié)出以下幾點啟示。

首先，美太空發(fā)展局實施的“擴散作戰(zhàn)人員空間架構(gòu)”建設，是美太空軍將分布式部署應用于太空作戰(zhàn)、實現(xiàn)聯(lián)合全域指揮控制目標的實例。為滿足聯(lián)合全域指揮控制所需的實時、低延遲、大容量特性，“擴散作戰(zhàn)人員空間架構(gòu)”中的傳輸層衛(wèi)星建設將衛(wèi)星數(shù)量和分布作為重點，強化衛(wèi)星星座整體性能，保證數(shù)百顆衛(wèi)星組成的星座實現(xiàn)對全球范圍的覆蓋。從傳輸層衛(wèi)星的研發(fā)、采購流程可以看出，其進程較為符合聯(lián)合全域指揮控制建設和需求特點，能夠?qū)崿F(xiàn)聯(lián)合全域指揮控制不斷迭代的軟硬件需求。傳輸層衛(wèi)星以兩年為周期進行評估及下階段采辦，實現(xiàn)整體建設的不斷推進?？v觀美軍聯(lián)合全域指揮控制建設的整個流程，要想在較短時間內(nèi)形成初始戰(zhàn)力，大力發(fā)展由海量小型傳感器和效應器組成的分布式作戰(zhàn)網(wǎng)絡，利用與傳輸層衛(wèi)星研發(fā)和采購流程相關的機制將會是合理選擇。從這一層面來看，美太空發(fā)展局的策略為“馬賽克戰(zhàn)”中提到的海量小型分布式節(jié)點的研發(fā)、采購和升級提供了參考。

其次，美太空發(fā)展局在傳輸層衛(wèi)星研發(fā)過程中使用的商業(yè)化策略，是其從購買商業(yè)化服務到擁有商業(yè)化策略帶來的產(chǎn)品和購買服務兼顧的重大轉(zhuǎn)變。美軍往往通過購買商業(yè)化服務來達到自身目的，最直接的案例便是美國防信息系統(tǒng)局主導的“未來商業(yè)衛(wèi)星通信服務采購”（FCSA）計劃及銥衛(wèi)星“增強衛(wèi)星移動服務”（EMSS）計劃，兩者均是購買商業(yè)通信衛(wèi)星通信服務以彌補軍用通信衛(wèi)星的不足。利用商業(yè)化策略、直接在成熟產(chǎn)品基礎上研制則保證了傳輸層衛(wèi)星的研制進展和質(zhì)量，在不放棄繼續(xù)購買商用通信衛(wèi)星服務的基礎上，強化了美太空軍用通信衛(wèi)星網(wǎng)絡。商業(yè)化策略在系統(tǒng)和技術層面推動了軍事和商業(yè)系統(tǒng)之間的融合服務。

傳輸層衛(wèi)星原理示意

2024年4月，美國防部發(fā)布《商業(yè)航天集成戰(zhàn)略》，尋求將商業(yè)航天方案融入美軍太空體系架構(gòu)中。《商業(yè)航天集成戰(zhàn)略》強調(diào)了“平衡、互操作性、韌性和負責任”4項美國防部應秉持的原則，標志著美國防部正在為軍事太空領域?qū)で笊虡I(yè)航天解決方案的努力。美太空發(fā)展局在發(fā)展傳輸層衛(wèi)星及“擴散作戰(zhàn)人員空間架構(gòu)”其他層衛(wèi)星中采用的策略，與《商業(yè)航天集成戰(zhàn)略》中強調(diào)的原則有很大相似處，均強調(diào)了在多家商業(yè)航天機構(gòu)中推行統(tǒng)一標準實現(xiàn)互操作性、避免過度依賴單一供應商、增加供應商數(shù)量實現(xiàn)韌性等要素。

從當前來看，美太空發(fā)展局利用新策略發(fā)展傳輸層衛(wèi)星及“擴散作戰(zhàn)人員空間架構(gòu)”其他層的衛(wèi)星的過程，看似“離經(jīng)叛道”，實際上從側(cè)面折射出近年來美軍在裝備研發(fā)過程中存在的研發(fā)費用不斷超支、裝備形成初始作戰(zhàn)能力遙遙無期的怪象。這其中，既有研發(fā)廠商選擇單一導致競爭能力不強的缺陷，也有美軍在研發(fā)過程中隨意修改指標導致整體進展嚴重落后的問題，更是美國防部采辦流程和計劃的僵化。三者共同作用，導致美軍期待的新裝備難以按期形成戰(zhàn)力，處在進退維谷的境地。從這一點看，美太空發(fā)展局遭到美國防部的問責也就不足為奇了。美太空發(fā)展局引入商業(yè)化策略的基礎，便是多家企業(yè)之間的競爭?？v觀其整個流程，是較為符合美國國防部《國防工業(yè)戰(zhàn)略》提出的發(fā)展方向的。在美國日益高通脹、軍費預算連年上漲的情況下，要想真正實現(xiàn)彈性供應鏈、勞動力準備、靈活采辦和經(jīng)濟威懾四項長期戰(zhàn)略優(yōu)先事項，美軍現(xiàn)有的裝備研發(fā)和采購流程還有很長的路要走。而作為新部門的美太空發(fā)展局，則為其進行了有益探索，結(jié)合已發(fā)布的《商業(yè)航天集成戰(zhàn)略》，美太空發(fā)展局能否以先行先試帶動美軍軍工企業(yè)發(fā)展朝向多供應商、韌性提升的整體變革，仍有待觀察。

結(jié)語

截至2024年3月，美太空發(fā)展局已完成第2期Alpha和Beta階段190顆傳輸層衛(wèi)星的合同授予工作，第0期19顆衛(wèi)星發(fā)射完畢，計劃于2024年9月開始發(fā)射第1期126顆衛(wèi)星。

需要注意的是，傳輸層衛(wèi)星的發(fā)展策略并非完全沒有缺陷。首先，美太空發(fā)展局在傳輸層衛(wèi)星發(fā)展過程中確定的“速度第一、成本和質(zhì)量其后”的發(fā)展原則是有待商榷的。一方面折射出美軍急迫發(fā)展天基作戰(zhàn)力量，特別是骨干通信網(wǎng)絡的急迫需求，另一方面，這種唯速度論是否會影響傳輸層衛(wèi)星的整體質(zhì)量，仍不得而知。其次，傳輸層衛(wèi)星的發(fā)展策略是否會因外部因素進行干預而受到影響，仍有待觀察。

縱觀傳輸層衛(wèi)星的研發(fā)和采購流程，更多折射出美軍急于實現(xiàn)既定目標的迫切，體現(xiàn)出其加速推進多域環(huán)境下軍事斗爭準備的最終目標。

責任編輯：張 柳