美軍通信衛(wèi)星概況

　　在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，安全高效的軍事通信能夠為獲取戰(zhàn)爭主動權提供重要的保障，而衛(wèi)星通信是最重要的軍事通信手段之一。美軍運用通信衛(wèi)星的歷史較長，目前在通信衛(wèi)星領域在軌衛(wèi)星數(shù)量最多、技術性能最優(yōu)、實戰(zhàn)應用最豐富。根據(jù)UCS在2019年1月9日更新的全球在軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)庫，目前全球在軌的軍事用途通信衛(wèi)星共有132顆（總體分布情況如下圖所示），其中美國49顆。

　　美軍的通信衛(wèi)星體系主要包括寬帶、窄帶和防護三大系統(tǒng)。20世紀90年代以來，為了滿足在新形勢下作戰(zhàn)對通信衛(wèi)星容量和性能的更高要求，這三大系統(tǒng)分別經(jīng)歷了一次升級換代。但是，軍事通信需求的增長遠遠超過美軍自有通信衛(wèi)星系統(tǒng)的建設速度，因而美軍通過大量租用商業(yè)衛(wèi)星來應對這一狀況。

　　美國目前在軌的49顆軍事通信衛(wèi)星中，絕大多數(shù)都是在地球同步軌道運行的5噸以上的大型衛(wèi)星（包括上文提到的三大通信衛(wèi)星系統(tǒng)），NGEO衛(wèi)星僅有6顆。

　　隨著各國反衛(wèi)星技術的發(fā)展，美軍傳統(tǒng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的脆弱性日益突出，普通軍用通信衛(wèi)星的反攻擊能力較差，一旦遭受降級或破壞需要數(shù)年才能更新；防護衛(wèi)星系統(tǒng)的成本高昂且容量有限，以AEHF衛(wèi)星系統(tǒng)為例，AEHF 單星造價高達22億美元，但容量卻不及WGS單星的1/10。為了應對這些新的狀況，當前美軍通信衛(wèi)星體系正處在新一輪的轉型中，已經(jīng)有相關項目取得重要進展，諸如FPSS項目、DFARR項目、PTSFD項目、PTES項目等。

　　近年來，低軌寬帶通信衛(wèi)星技術逐漸發(fā)展成熟，全球有幾十個LEO通信衛(wèi)星星座計劃出爐，正處在大規(guī)模商用的前夜。這一動向早已引起美軍關注。在通信衛(wèi)星體系的建設中，美軍已經(jīng)越來越重視LEO星座的建設和運用，以替代和備份以往使用單顆昂貴GEO衛(wèi)星的做法。

　　美軍低軌衛(wèi)星系統(tǒng)的布局已經(jīng)上升到越來越高的層面。2019年7月1日，美國航天發(fā)展局（SDA）發(fā)布了下一代空間架構信息征詢書。根據(jù)該文件，美國國防部（DOD）的下一代空間架構將由幾層基于小型通信衛(wèi)星網(wǎng)絡的結構組成。

　　美軍已有低軌通信衛(wèi)星資源

　　Figure 5  TacSat-4衛(wèi)星

　　圖片來源：space.skyrocket.de

　　美軍對低軌通信衛(wèi)星的研究和應用相對較早。美國國防部（DOD）在2005年提出了“響應型太空計劃”（ORS），并倡議發(fā)展戰(zhàn)術衛(wèi)星（TacSat）。其中TacSat-4衛(wèi)星屬于通信試驗衛(wèi)星，于2011年發(fā)射，主要用于驗證超視距通信以及數(shù)據(jù)中繼服務。該衛(wèi)星針對美軍高緯度地區(qū)通信能力不足的問題，采用大橢圓軌道設計，近地點高度748 km，遠地點高度12000 km，可提供包括高緯度地區(qū)在內(nèi)的近似全球的、非連續(xù)的覆蓋。2013年，ORS辦公室又發(fā)射了TacSat-6衛(wèi)星，發(fā)展基于3U立方體的超視距通信能力，該星運行在462 km × 889 km的近地軌道。

　　Figure 6  Polar Scout衛(wèi)星

　　圖片來源：space.skyrocket.de

　　ORS計劃的另一個通信衛(wèi)星項目是Polar Scout衛(wèi)星項目，該項目旨在評估天基傳感器在支持北極搜索和救援任務方面的效能。Polar Scout衛(wèi)星屬于6U立方體衛(wèi)星，能夠發(fā)現(xiàn)遇險者，并迅速將信息傳達給指揮中心。海岸警衛(wèi)隊可以派出快艇、飛機或通知附近的商船救助幸存者。Polar Scout衛(wèi)星每隔90到100分鐘經(jīng)過北極地區(qū)一次，每天可以在北極地區(qū)提供超過3小時的搜救服務。

　　Figure 8  SMDC-ONE衛(wèi)星

　　圖片來源：space.skyrocket.de

　　美國陸軍為確保偏遠山區(qū)、雨林等多遮擋地區(qū)的戰(zhàn)術通信能力，發(fā)展了“空間與導彈防御司令部－作戰(zhàn)納衛(wèi)星效用（SMDC-ONE）”衛(wèi)星。第一代SMDC-ONE衛(wèi)星于2010年10月發(fā)射成功，屬于立方體衛(wèi)星，采用“集群”衛(wèi)星平臺，是美軍為演示驗證低成本小型通信衛(wèi)星星座組網(wǎng)而設計，主要通過無人中繼臺站進行超視距數(shù)據(jù)傳輸。該項目有兩種運行模式：一種是戰(zhàn)場人員將數(shù)據(jù)發(fā)送到地面無人值守傳感器，然后通過衛(wèi)星中繼至指揮部；另一種是戰(zhàn)場人員直接發(fā)送指令或者信息到衛(wèi)星，進行數(shù)據(jù)請求或者衛(wèi)星任務調(diào)度。2012－2013年，美軍又發(fā)射了4顆SMDC-ONE衛(wèi)星。

　　Figure 10  SNaP衛(wèi)星

　　圖片來源：space.skyrocket.de

　　SNaP（航天導彈防御司令部納衛(wèi)星計劃）是SMDC-ONE計劃的繼續(xù)。SnaP衛(wèi)星是實驗性3U立方星，具有三軸姿態(tài)穩(wěn)定和在軌推進能力，可提供超視距通信和數(shù)據(jù)滲漏服務，數(shù)傳速率是SMDC-ONE衛(wèi)星的5倍。

　　建設中的低軌通信衛(wèi)星系統(tǒng)

　　“黑杰克”項目是美國國防高級研究計劃局（DARPA）于2018年發(fā)起的研發(fā)項目，旨在利用現(xiàn)代商業(yè)衛(wèi)星技術構建起一個小型、安全以及低成本、短周期的LEO軍事衛(wèi)星星座，其能力與目前在地球同步軌道運行的軍事通信衛(wèi)星類似。

　　“黑杰克”項目將采用開放式的架構標準和系統(tǒng)控制，可輕松插入第三方軟硬件，包括天基有效載荷和托管應用、通信設備以及地面用戶設備和軟件。為了降低集成風險，項目將為“黑杰克”衛(wèi)星節(jié)點開發(fā)一種稱為Pit Boss的單元，它配備有高速處理器和加密設備，功能相當于一個通用網(wǎng)絡和電氣接口。Pit Boss還將提供一種任務級自主功能，實現(xiàn)在軌邊緣計算，管理“黑杰克”衛(wèi)星和地面用戶之間的通信，提供平臺測控鏈路，并對有效載荷數(shù)據(jù)進行加密。Pit Boss在軌云網(wǎng)絡將提供星座級和節(jié)點級指揮控制、健康監(jiān)測與恢復、星間數(shù)據(jù)管理以及在軌資源調(diào)度。通俗來講，該項目的基本套路將是要將具有軍用特色的有效載荷裝到商業(yè)衛(wèi)星平臺上。

　　Figure 12  “黑杰克”星座運行概念圖

　　圖片來源：DARPA

　　2019年2月1日，DARPA戰(zhàn)術技術辦公室發(fā)布廣泛機構公告，就“黑杰克”項目之下的Pit Boss子項目向行業(yè)征求解決方案，公告中更新了項目理論上的時間表。

　　Figure 13  “黑杰克”項目時間表

　　圖片來源：DARPA

　　根據(jù)SDA發(fā)布的下一代空間架構信息征詢書，近期太空發(fā)展局的目標是開發(fā)由網(wǎng)狀網(wǎng)絡組成的傳輸層，用于低軌道通信和數(shù)據(jù)傳輸。而該傳輸層將嚴重依賴DARPA的“黑杰克”項目，太空發(fā)展局希望圍繞該項目建立子星座，滿足已確定的導彈防御預警、定位導航和授時替代服務等需求。

　　利用商業(yè)低軌通信衛(wèi)星資源

　　2018年3月新版美國《國家太空戰(zhàn)略》提出將推行整個政府層面的方法以實現(xiàn)美國在太空領域的領先地位，該方法尋求與私營部門和盟友密切合作。根據(jù)這一戰(zhàn)略，安全利用商用衛(wèi)星星座的服務、商業(yè)托管軍用載荷等或成為其太空體系彈性發(fā)展的重要方式之一，這在銥星系統(tǒng)的運用、“黑杰克”項目的目標設計中都體現(xiàn)得非常明顯。

　　在全球范圍內(nèi)將商業(yè)衛(wèi)星用于軍事通信領域的案例屢見不鮮，美軍更是在不斷探索有效利用商業(yè)衛(wèi)星通信服務的新模式。

　　Figure 14  第二代銥星星座概念圖

　　美軍現(xiàn)役通信衛(wèi)星體系中，低軌通信衛(wèi)星的運用主要依靠銥星星座。1998年11月，銥星公司投入商業(yè)運營，但由于用戶較少，運營后一直處于虧損狀態(tài)。1999年8月，銥星公司申請破產(chǎn)保護。21世紀初，美國國防部通過為期5年、每年3600萬美元的合同（為2萬名政府雇員提供不限時的通信服務）使銥星公司渡過破產(chǎn)危機。美軍在隨后之后的伊拉克戰(zhàn)爭和阿富汗戰(zhàn)爭中廣泛使用了銥星的通信服務。

　　之后美軍與銥星公司不斷擴大合作范圍，2018年，國防部與該公司執(zhí)行一項為期5年價值4億美元的合同，成為后者最大的業(yè)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(tǒng)夏威夷關口站的運行和控制權，該關口站至今仍為美軍專用并得到多次升級改造。此外，美軍內(nèi)部還先后啟動了“銥星增強衛(wèi)星移動服務”（EMSS）、“分布式戰(zhàn)術通信系統(tǒng)”（DTCS）等多個項目，開發(fā)相關終端設備，包括“銥”衛(wèi)星電話、尋呼機以及有源或無源的SIM卡等，并加速部署應用。在此推動下，銥星系統(tǒng)已充分融入美軍作戰(zhàn)。

　　2017年1月，Iridium NEXT首批10顆衛(wèi)星發(fā)射成功，拉開了第二代銥星系統(tǒng)的部署進程。2019年1月，Iridium NEXT最后10顆衛(wèi)星的發(fā)射成功，這標志著第二代銥星系統(tǒng)組網(wǎng)成功。銥星二代每顆衛(wèi)星都預留了一個搭載載荷的空間，有消息稱至少22顆銥星搭載了SKA（天基殺傷評估）載荷，從而構成了一個天基殺傷評估系統(tǒng)。

　　Figure 15  starlink概念圖

　　美空軍于2016年成立戰(zhàn)略發(fā)展規(guī)劃和實驗辦公室（SDPE），負責探索利用前沿商業(yè)系統(tǒng)和技術為空軍提供服務。2017年12月，SDPE發(fā)布名為“商業(yè)天基互聯(lián)網(wǎng)軍用試驗”（DECSI）的項目招標合同，旨在探索利用多個商業(yè)低軌通信星座，為空軍構建全球范圍內(nèi)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(zhàn)平臺的行動。該項目主要由兩部分內(nèi)容組成，一方面關注單個星座為空軍作戰(zhàn)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(zhàn)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(fā)工作。

　　SpaceX于2019年3月獲得美空軍價值2800萬美元的“商業(yè)天基互聯(lián)網(wǎng)軍用試驗”（DECSI）合同，美空軍將在未來3年的時間內(nèi)利用Starlink星座開展相關的軍事服務演示驗證。后續(xù)SDPE極有可能向Oneweb、Telesat等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。