美国转型通信体系研究

朱贵伟 张照炎

(北京空间科技信息研究所,北京 100086)

1 引言

在现代信息化作战背景下,天基信息系统的应用已经成为高技术战争的基本特征。现代高技术战争将围绕信息的采集、处理、分发而展开,各种天基和空基信息采集和分发系统是实现战场制信息权的关键。在此背景下,美国军方进行军事转型,实施网络中心化作战,实现战场通信装备互连。2001年美军提出军事转型计划,将充分利用信息技术、确保信息系统安全、增强空间能力并列为提高能力的三项作战目标。各个军种根据国防部的国防计划指南提出了各自的军事转型路线图,而作为美国国防部空间项目代理机构的空军在其转型计划中提出了转型通信体系(TCA)的概念[1-2]。

另一方面,由于美国传统卫星通信系统多为条块分割式体系,面向不同用户提供不同类型的服务,系统间缺乏互操作能力,不利于信息快速有效地传输。例如在阿富汗战场上,由多兵种组成的联合作战部队往往需要携带多个不同终端,才能实现与各自上级指挥官的通信,为士兵带来了极大的不便。同时,随着无人机等战场情报、监视和侦察(ISR)平台的大量部署,战场通信需求不断增加,也要求美国开发高性能卫星通信体系来支持作战通信环境。而且9·11 事件之后,美国政府人员也认为,大量有用信息无法快速有效传递到相关用户手中是美国政府空间通信中存在的问题。借此机会可将军用、民用、情报等各界空间资源进行整合,构建统一的、可互操作的网络化空间通信系统,为美国国防部(DoD)、情报界(IC)和美国国家航空航天局(NASA)的用户使用。

这样,在政府和产业界的共同努力下,转型通信体系应运而生[3]。通过对DoD、IC 和NASA 的资源整合、未来空间系统的统一开发和部署,从而实现空间系统、地面网络、终端系统互连互通,建立兼容、可互操作的“系统的系统”。

转型通信体系可满足国防部对信息网络防护、联合作战、国土安全协调、空间能力防护等多方面的需求,是美国政府未来通信能力开发的基础和指南。这对美国军用卫星通信来说是革命性的变革,利用新一代高性能的通信卫星、中继卫星和先进的地面网络将美国军用、民用和商用空间资源整合在一起,提供通信、导航、遥感、侦察、气象等各方面的信息,从而极大地提升美军作战效能。

2 转型通信体系的定义及组成

2.1 转型通信体系的定义

转型通信体系是一个系统的、技术的、操作的框架,可为DoD、IC 和NASA 提供空间系统内部“纵向的”分层连接,以及各个有关利益团体之间“横向的”同级连接,在一定策略条件下允许共享资源和共享业务传输[4]。转型通信体系制定了一系列文件,包含众多接口和标准文件,它是确保美国政府未来20年兼容、互操作通信能力协调、有效地开发和部署的技术基础,并提供全局监管职能。从更大的范围来看,转型通信体系是全球信息栅格(GIG,为美军提供数据保密及非保密计算机网络连接的全球性信息网络)的组成部分,是GIG 的空间传输层(见图1 红色框图部分)。

转型通信体系的覆盖范围广泛,涉及国防部、情报界和民用航天领域众多机构。转型通信体系最终的目标是消除通信限制,其具体目标包括:

1)借助和共享先进技术。具体技术包括:激光通信、现代化RF 波形、卫星IP 路由器、调零天线、移动地面动中通天线、加密技术、软件驱动终端,等等;

2)支持通信传输。支持美国政府及其联军之间的横向信息共享;

3)建立体系框架原则。指导未来20年可互操作的军事卫星通信、IC、NASA 和商业卫星通信的开发;

4)扩展GIG。将GIG 扩展到空间,减少带宽限制,过渡到更大范围的连接,覆盖空间、空中和地面;

5)实现空间通信系统同步发展,包括终端、地面网络、地面基础设施和网络管理的同步发展,分段系统组合起来可实现阶段性效能;

6)支持窄带、宽带和保密通信。支持下一代持久的天基和空基监视、民用航天设想和移动战场;

7)促进IP 融合。支持话音、视频、数据流和指挥控制的网络中心互操作。

图1 转型通信体系(TCA)的范围Fig.1 TCA Scope

2.2 转型通信体系的构成

转型通信体系包括空间段、用户终端段地面基础设施和网络段以及网络操作与管理段[5],支持美国大陆(CONUS)和政府网络间的通信。相互连接以后,以前区域性的网络可连接到天基网络实现全球互联,支持用户、处理中心和存档中心间的信息交换。转型通信体系提供通信传输、网络管理和信息保障功能,不负责信息管理和数据内容处理,但是负责对影响网络和安全的管理。图2 为TCA 最初设想的作战视图。

图2 转型通信体系(TCA)最初的作战视图Fig.2 Original TCA operational vision

2.2.1 空间段

转型通信系统最初设计的空间段包含:跟踪与数据中继卫星系统-后续(TDRSS-C)、转型通信军事卫星系统(TCM)和军事卫星通信系统(M ILSA TCOM),以及光中继通信体系(ORCA),共同构成覆盖各个领域的天基通信骨干链路。构建空间段的基本原则是“独立且可互操作”,在统一的进度和标准下,分别由DoD、IC 和NASA 构建各自的空间系统。通过地面连接和星上交叉链路,使NASA、DoD 和IC 的空间系统具备阶段性整体效能,并且完全支持各自领域的任务,而又不依赖于其它项目是否成功、及时部署。其中,TCM 包括转型通信卫星(TSAT)、先进极区系统(APS)、宽带、窄带、保密和部分商用卫星通信系统。TSAT 和O RCA 系统可通过光学交叉链路连接,支持信息共享。

2.2.2 用户终端段

用户终端段覆盖DoD、IC 和NASA 所有天基、空基、海基和陆基用户终端。用户终端段主要负责RF 和光通信处理、波形处理、流量整形、动态带宽管理和网络/安全协议。转型通信系统支持国防部的传统终端以及具备IP 能力的新型终端。此外,还可通过动态带宽资源分配(DBRA)显著提升系统性能。终端可在具体环境条件下选择最佳的通信链路,从而显著提升系统信息吞吐量。DBRA 还支持强健的编码和调制技术,在恶劣天气条件下也能维持通信链路。IC 传统终端和光终端将为IC 平台提供连接。同样,NASA 用户卫星的传统终端,也将继续为科学和空间探索用户提供连接。

2.2.3 地面基础设施和网络段

地面基础设施和网络段主要负责转型通信体系与DoD、IC 和NASA 网络以及其它地面网络间的连接,支持空间段与美国大陆网络间的互连,甚至包含商用系统的接口。它使用RF 通信地面站来进行卫星上行和下行传输。IC 和DoD 的信关站终端,将分别从中继卫星和DoD 防护卫星接收高容量下行链路。在美国本土,信关站将通过标准接口和地面光纤线路连接到地面IC 的高速网(HSN)、DoD的GIG 框架以及其它地面网络。DoD 电信港为无交叉链路的M ILSA TCOM 卫星提供互连;并提供商用卫星系统连接。

2.2.4 网络操作与管理段

网络操作与管理段支持转型通信体系与DoD、IC 和NASA 地面网络的连接,负责网络资源的统一运行和管理。它支持独立采购的封闭系统之间的直连,支持资源共享和容错。网络操作与管理可提供对信关站终端、远程端口和通信有效载荷等网络资源的监测和控制。

网络操作与管理段可对网关终端、电信港,以及作为网络资源工作的通信载荷(例如TSA T 上的IP路由器)进行管理。网络管理的职责和操作分散在DoD、IC 和NASA 高级部门中,由每个部门的支持中心执行本部门范围内卫星的控制和网络管理。网络操作与各部门相关的地面网络相连接,通过网关终端及带内控制终端传输跟踪、遥测和遥控信息。网络安全构架使用高确信度因特网协议加密(HA IPE)设备、防火墙、网络服务、宽带光纤和射频网络(地面和空间),允许在统一管理的同时分别管理DoD、IC 和NASA 的任务。

3 转型通信体系的发展监管

3.1 文件管理

开发和部署转型通信体系需要TCA 基线文件指导, 并且根据其提供的标准和协议进行规范。TCA 基线文件的管理有专门的机构来执行,参与各方的高层领导也会参与文件制定和更新,从而确保相关机构对转型通信体系的承诺,各方的需求能在体系中达成一致意见。

2002年9月,美国国防部成立了转型通信办公室(TCO),负责同步发展、协调和指导转型通信体系的开发。2004年4月,为加强美国在空间系统方面的开发和部署,TCO 合并到新成立的国家安全空间办公室(NSSO)中,其职责移交至NSSO 下属的通信功能集成办公室(Comm-FIO),由其负责领导TCA 基线文件的管理和更新。到目前为止, TCA文件已经发展了3 个版本[6],具体情况见表1。

TCA v1.0 文件从采办的角度注重现有系统和未来计划,以及如何通过公共的基于策略的网络管理将各种项目联系在一起。在此基础之上, TCA v2.0 文件从功能能力和任务导向的角度面向“近期”和“远期”体系。TCA v3.0 文件在原有基础上增加了通信线程小组,对TCA 端到端通信方案及项目进行开发和指导[7]。

3.2 体系发展与监管

转型通信体系的最终目标是部署一个基于IPv6 协议的“黑核”传输网络,支持全球任意地点固定或移动系统用户之间的互连互通。要实现这个目标,必须有强有力的管理手段来指导和监督体系的发展,最终过渡到运行阶段(见图3)。各参与机构必须同心协力,同步部署陆地基础设施、电信港、空间系统、网络和终端,从而实现全面的网络中心化能力[8]。在体系发展管理方面,主要有两个工具:即路线图和有效性手册。

表1 TCA 文件的演化Table 1 Evolution of TCA documents

图3 转型通信体系(TCA)有效性时间线Fig.3 TCA effectiveness

TCO 保留了一份关于体系单元开发和部署进度的主进度表。使用工作分解结构(WBS)工具,将整个体系分解为天基/空基系统、天基/空基/指挥控制(C2)系统、信息保障、网络管理、发射系统、终端、地面通信和先进网络等8 个部分,建立综合的主路线图,实时监控和指导各个阶段能力、系统的发展,并降低项目风险。

另一个监管工具是有效性手册,它描述了向“远期”体系过渡的过程。如图3 所示,它将转型通信体系的实施分成了3 个阶段(“当前”、“近期”和“远期”),规定了各节点关键系统和能力实施的时间、独立性、及其对各个任务线的影响。它可支持不同部门、机构和军种的项目开发进度保持同步,通过预算评估反馈,支持TCA 的发展。

3.2.1 “当前”体系

“当前”体系描绘了转型通信体系当前的发展状态,仅包含有效性节点0.0。该体系包含多个独立开发的系统,各系统都在条块分割的状态,相互之间没有互操作能力,其数据传输接口多为受限或严格定义的。空间单元主要包括IC 和NASA 的跟踪与数据中继卫星(TDRS)、DoD 的特高频后继星(UFO)、军事星(Milstar)、国防卫星通信系统(DSCS)和商用通信卫星。

此时地面网络没有公共标准,不支持网络资源统计、控制和分配等功能。Milstar 星座是有限的空间骨干网,并且无空基情报、监视和侦察(AISR)返向链路,ASIR 数据要传回美国大陆,需经过卫星多跳传输。各个网络都有其自己的管理系统,相互之间很少交互。出现故障时,数据传输需人工完成。

3.2.2 “近期”体系

“近期”体系描绘了未来一段时间内将要部署的系统及应当实现的能力,主要包括有效性1.0,1.1,2.0,2.1,3.0 和3.1 等6 个节点。

有效性节点1 的目标是实现“有限网络中心”,其空间段要求全球宽带系统(WGS)实现初始作战能力(IOC),提供Ka 频段通信服务。地面段主要通过第二代电信港来实现网络互连,提供边缘网络的上下行连接以及GIG 核心网IP 接口。此时,地面网络管理主要由人工进行操作,而不是基于策略的。

有效性节点2 要求实现“网络中心核心”,它标志着GIG 与TCA 地面网络的融合。除了发射先进极高频卫星(AEHF)和移动用户目标系统(M UOS)卫星以外,要求地面网络过渡到IPv6,GIG 核心网可实施自主网络管理,实现网络中心互操作能力。

有效性节点3 要求实现“空间网络中心”,此时TSA T 可实现初始作战能力(IOC),网络中心化可扩展至空间,新型空间系统具备IP 能力,提供可变速率服务(XDR+)。地面网络管理在整个GIG 范围内都是完全自主的,具备自主健康管理能力,可很快确认攻击,并以最少的人为干预降低损失。

3.2.3 “远期”体系

它是TCA 最终状态,即有效性节点n.0,可满足作战人员和其他转型通信用户的网络中心和战场感知需求。该体系的目标就是随时随地直接向作战人员提供情报,可在收集战略或特殊情报数据的同时传输战术情报。地面用户可灵活监控和指挥其上方的平台遥感器。此外,用户可直接向平台管理员提供反馈信息,调整任务规划。

4 转型通信体系的发展现状与前景

目前, 转型通信体系尚处在有效性节点1。DoD 已经发射了3 颗WGS 卫星(均已开始服役),标志着Block I 已经完成,WGS 星座实现了初始作战能力(IOC)。在地面段,DoD 也在积极部署第二代电信港。然而,这是转型通信体系中少数几个进展较为顺利的项目之一。在空间段, IC 的ORCA计划、NASA 的TDRSS-C 计划和DoD 的转型通信卫星(TSA T)计划相继取消,集众多先进技术、高级能力于一身的能力集中型发展路线受到了极大的挑战。

此外,转型通信体系在各阶段项目同步发展方面也问题重重。2009年10月,美国政府问责总署(GAO)发布了一份关于航天系统开发进度同步情况的研究报告[9],称DoD 开发的多个大型空间项目均存在空间段与地面段或终端不同步发展的现象。其中,DoD 的下一代三大通信卫星系统不但项目延迟,而且其地面控制系统和终端的部署更是滞后数年。虽然卫星具备先进通信能力,但是地面用户却无法充分利用, 造成了严重的资源浪费, 影响了TCA 阶段效能的实现。

转型通信体系覆盖美国几乎所有政府卫星通信领域,集成众多的先进技术,项目资金总投入巨大,希望一次性实现最终的通信系统。但由于项目开发及各项目同步发展极其复杂,难以实现有效的掌控和管理,而且在当前的技术条件下,实现预期的先进系统能力具有较高难度。因此,项目成本不断增加,研发进度不断推迟,最终导致关键项目下马,整个体系的构建濒临终止。

TSA T 计划取消以后, 美国军方积极抢救TSA T 的研究成果,并且努力将其转化到其他通信卫星产品线中。TSAT 计划的取消使得美军有机会重新审视自己的计划,对整个体系进行评估,重新考虑各种新技术, 以及商用卫星在整个体系中的作用[10]。目前,许多关键技术也已经取得突破,空间路由技术相对较为成熟。美国战略司令部切尔顿将军曾于2009年11月表示, 虽然TSAT 计划取消了,但是未来美国必定将部署类似TSA T 能力的空间通信系统。而Comm-FIO 的主任Patrick Rayermann 也表示,军方正在努力构建新的空间通信体系。未来,美军的卫星通信战略将发生重大变化。一方面,整个空间通信体系中将加入新的元素,例如作战响应空间(O RS),加强国际军事空间系统合作等;另一方面,美军未来仍将不可避免地依赖商用卫星通信。此外,澳大利亚国防军UHF 频段有效载荷搭载在国际通信卫星-22(IS-22)上, 也为美军未来军事通信卫星发展提供了一条新的途径。

5 分析与启示

转型通信体系是美国军事转型的产物,它通过空间段的高性能卫星将美国本土及海外战场的用户与各类资源和能力连接起来,实现类似陆地互联网的整个大型的互联互通的网络,为不同的用户提供所需能力。虽然美国转型通信体系目前遇到了重大挫折,但使我们看到了未来军事卫星通信的发展方向和趋势,乃至全球卫星通信的前景。总结其发展过程,我们可以发现:

1)转型通信体系抓住了发展机遇

它是在美国军事转型背景下提出的,而且当时军用通信卫星体系处在新老系统交替的时期。在小布什政府和需求的推动下,借助新兴的激光通信、星上路由和星上处理技术,对未来空间通信体系进行规划,一方面资金较为充足,另一方面开发体系的阻力较小。

2)转型通信体系具有巨大的体系优势

与传统通信卫星系统相比,转型通信体系可谓是“系统的系统”、“网络的网络”。系统内部单元独立、可互操作,可为各类用户提供全天时、全天候的天基、空基信息采集资源,以及安全、可靠的通信链路,支持更加持久、全球性的情报、监视和侦察(ISR)能力;同时还具备集成网络任务规划能力,可实现网络资源动态分配,极大地提高整个体系的效率。

3)实施与监管过程难度大

转型通信体系相当于美国空间通信体系的整合,涉及众多组织机构,覆盖范围非常大,实施难度非常高。具体项目开发职能分散在各个部门之中,主要通过各部门高级决策者与项目开发人员的参与和承诺来确保体系的构建。由于各机构的采办流程、技术体制和规章制度不同,单个机构总是要寻求各自的利益最大化,无法确保项目资金和流程管理。另一方面,由于技术成熟度不够,难以确保各项目遵守共同的协议和规范,保持项目同步发展。

4)转型通信体系的成功构建依赖于关键系统的发展

转型通信体系与各组成部分是相互促进、相互制约的关系,实现体系设想能力需要各个项目之间同步发展。另一方面,在转型通信体系中,承担骨干通信链路传输、提供天基路由能力的系统是极少数几个天基通信卫星系统,例如TSAT 和APS 星座。这些关键系统能否成功部署就成为转型通信体系能否成功构建的制约因素,TSA T 计划的取消在一定程度上就是对这种路线的否定。

由上述分析,可得到以下几点启示:

1)空间通信体系化和网络化是未来发展趋势

空间通信系统是充分利用天基资源的关键工具,构建网络化空间通信体系,可将所有天基资源进行整合,极大地提升信息传输效率、提高天基和地基系统的效能。合理规划和构建空间通信体系,可鉴别各种天基系统的通信需求,减少交叉和重叠领域,大大降低系统开发复杂度和成本。我们应当吸取美国转型通信体系的经验和教训,抓住当前的发展机遇,合理规划未来空间通信系统体系,按照统一的标准和规范来发展各领域的卫星系统,逐步实现1+1＞2 的组合效应。

2)慎重灵活选择发展路径

发展路径是能否成功构建体系的关键因素之一。我们要立足未来要构建的体系来制定发展路线,根据现有能力,按照体系规划发展空间系统,合理选择成熟技术,灵活选择发展路径,逐步满足各类用户的阶段性需求,最终实现空间通信体系。

3)重视项目开发与监管

在大型空间通信体系构建过程中,涉及众多项目,关系复杂,协调困难,资金、人员和资源无法合理调配。因此,必须有完整有效的管理机制和监管机构,确保各个项目按计划、按进度同步发展,同时要符合体系规定的标准和规范,保证体系能力的实现。

)

[1]邹雪飞,俞盈帆,罗小明.美军转型通信体系剖析[J].卫星应用, 2004, 12(4):45-50

[2]魏晨曦.美军转型通信研究[J].国际太空, 2005(7):25-29

[3]T ransformational Communications Office (TCO ).T ransformational Communications Architecture version 1.0, unclassified executive overview [R].TCO, 17 December, 2003

[4]Tarleton, Shively, Armstrong.Transformational Communications Architecture for the Department of Defense, intelligence community and NASA [C]//24thAIAA ICSSC, 11-14 June, 2006

[5]Global security, Transformational Communications Architecture (TCA)[EB/OL].[2010-09-13].http://w ww .globalsecurity.org/space/systems/tca.htm.

[6]Rayermann.Military SATCOM—An architectural perspective [C]//Army Commercial Satcom Users Workshop, 18 August, 2008

[7]Rayermann.Transformational Communications Architecture and future military satellite communications[C]//AFCEA MILSATCOM Symposium 2008, 23 October, 2008

[8]NSSO.Architecture definitions and TCA exemplar[EB/OL].[2010-09-13].http://ww w .acq.osd.mil/nsso/NSS/architecture.html, posed on 11 June, 2009.

[9]GAO.Defense Acquisitions:Challenges in aligning space system components[R].GAO,October 2009

[10]Butte, Nations, Grybos.Transition the transformational communication architecture using commercial satellite systems[C]//22nd AIAA ICSSC, 9-12 May,2004