美军利用商业低轨通信星座的新动向分析

近年来，全球低轨宽带通信星座建设热潮兴起，其批量研制、快速部署、大容量、低延时、全球覆盖等特点，为军事作战通信保障应用提供了新思路、新方案。自2018年以来，包括美国国防高级研究计划局（DARPA）、空军、航天发展局（SDA）等在内的美国军方机构发起多项研究，旨在探索利用商业星座发展成果服务军事能力建设，“黑杰克”（BlackJack）、空间传输层（STL）等新概念、新设想集中涌现，一定程度上透露出美军未来战术宽带通信的新需求，也进一步丰富和充实了目前其正在开展的军用卫星通信体系弹性转型工作内容，值得持续关注和分析。

1 发展现状与特点分析

商业通信卫星服务在美军通信体系中地位不容忽视

美军一直以来都将商业系统作为其军用卫星能力的重要补充，在国会、美国参谋长联席会议（JCS，简称参联会）等发布的多项指令和指导意见中，都曾对商业通信卫星服务采购工作进行了充分强调。21世纪初，美国国防部（DoD）正式授权国防信息系统局（DISA）开始以合同方式采购商业服务，历经近20年的发展，目前已经形成了较为成熟和稳定的供应商渠道和市场规模，美国国防部也已成为商业卫星通信市场中最大的单一用户。由于保密程度较高，可追溯的信息表明，租用的商业卫星容量占国防部总容量的比例在2010财年曾达到了80%，在伊拉克战场上则一度超过90%。2003－2012年，美国国防部在商业固定通信卫星容量租用上的总投入超过50亿美元，约相当于“宽带全球卫星通信”（WGS）星座10颗卫星的总造价。到2018年底，仅国防信息系统局辖下就有91个正在执行的、有效的商业卫星通信服务采购合同，价值高达45亿美元。

主流商业星座获美军支持快速发展并有效反哺作战

美军现行的军用通信体系中，以“铱”（Iridium）卫星为代表的低轨星座获得了极大的发展支持。21世纪初，美军通过3600万美元每年固定价合同（包括2万个军事用户的不限时通信）使铱星公司（IRIDIUM）渡过破产危机。此后不断扩大合作范围，2018年，国防部仍与该公司执行一项为期5年价值4亿美元的合同，成为后者最大的业务收入来源；在获取星座使用权的同时，美军还完全掌握了该系统夏威夷关口站的运行和控制权。直至今日，该关口站仍为美军专用并得到多次升级改造。此外，美军内部还先后启动了“铱星增强卫星移动服务”（EMSS）、“分布式战术通信系统”（DTCS）等多个项目，开发相关终端设备，包括“铱”卫星电话、寻呼机以及有源或无源的SIM卡等，加速部署应用。在此推动下，“铱”卫星系统已充分融入美军作战。伊拉克战争中，统计显示，美军对该星座容量的使用激增300%，阿富汗战争中，“铱”卫星终端因能克服地形特殊的不便得到了更广泛应用。

2 新形势、新环境分析

美军通信卫星能力发展正面临“大变局”，新兴低轨星座适应其体系转型新思路

自耗资巨大、技术复杂的“转型通信计划”2009年取消以来，未来的军用通信卫星能力建成什么样、如何建设，成为军方关注和探索的焦点，并深嵌其军用航天“弹性”转型战略实施进程。而布局商业系统、实现能力分散化和快速集成是“弹性”的应有之义：低轨星座卫星数量多、敌对攻击目标锁定困难，因此不存在“单点”遭破坏而影响整个系统能力运用的风险，而批量化、生产线式研制模式与传统星座存在着质的区别，快速研发、快速使用也正符合美军多年以来推行的作战用天理念。另一方面，美军通信卫星带宽缺口在不断拉大，单纯依靠WGS系统力有未逮。但宽带系统下一步的发展具体路线一直悬而未决，多种方案成为备选。新兴商业低轨宽带星座因具备低延时、大容量、能够真正实现全球覆盖等特点，成为不可或缺的重要选择。事实上，美军近年来已采购使用了中轨星座“另外三十亿人”（O3b）的宽带通信服务，因此并不存在采购和使用宽带星座方面的客观障碍。

通信卫星采办/服务采购机制正在调整，军商系统一体化融合发展创造新契机

美军卫星通信能力的发展与其采办体制和组织模式不可分割：军用通信卫星主要由美国航天与导弹系统中心（SMC）负责采办，而商业通信服务则由国防信息系统局采购，但由于管理体制分散、需求难以统一，导致军用和商业系统之间服务不兼容、作战部队切换应用不便等诸多问题。2018年，根据最新出台的一版《国家防御授权法案》（NDAA）规定，军用通信卫星系统采办和商业服务采购职能将统一划归至航天与导弹系统中心，从而打破原有分头管理的格局，集中力量发展优势能力。目前，国防信息系统局相关职能已完成移交，相关人员也将在2019年10月前融入航天与导弹系统中心。另一方面，2019年初，航天发展局正式成立，该机构将接管美军下一代航天系统的开发，但同航天与导弹系统中心权责划分尚不明朗，未来可能实现对后者职能的囊括和后向兼容，从而进一步推动军、商系统在空间、任务、地面和终端等部分的融合，为低轨星座服务军方创造更有利的环境和机遇。

3 新概念、新设想分析

国防高级研究计划局“黑杰克”项目

项目概况：“黑杰克”项目是美国国防高级研究计划局2018年发起的研究和开发项目，旨在探索利用新兴商业低轨宽带星座发展经验和成果，在低轨演示验证一个提供全球持续覆盖、低成本的星座，该星座将通过多个通用的卫星平台搭载军用通信、导航、侦察、预警等多类任务载荷，同时具备自主智能运行能力。项目包括5个独立部分：有效载荷、通用平台、自主和集成、发射、运控，将分为3个阶段执行。2018年4月公布的招标文件主要面向平台或有效载荷承包商，总金额达1.175亿美元，后续还将面向自主控制软硬件、发射服务、地面系统、星座运行控制等发布额外的招标文件。

方案设想：“黑杰克”项目核心在于开发和研制验证构建全球低轨高速骨干卫星网络的关键技术，在演示验证阶段预计发展一个20颗卫星的星座，卫星部署在2个轨道平面，每颗卫星作为1个轨道节点，均由1个能够与其他节点高速通信的通用平台、1个或多个能够自主运行超过24h的战术任务载荷和1个控制单元组成。

通用卫星平台方面，重点考虑已有生产线或正处于开发之中的商业平台，能够承载各种类型的军用有效载荷的研制生产，而无需对生产线进行重新设计；平台的结构机构、电子、软件、网络通信（星间和星地）接口控制将实现标准化，为运行几十种甚至上百种不同类型的军用有效载荷创造条件。

有效载荷方面，将作为模块安装在某一尺寸或某一类通用平台上，大幅简化机械、电子和网络结构，尽可能的减小尺寸、质量、功率需求和降低成本。光学有效载荷需要能够容忍比一般定制的光学遥感卫星更低的指向精度和稳定度。无线电有效载荷需要能够容忍比一般定制卫星更复杂的电子兼容问题。

“黑杰克”卫星概念框图

“黑杰克”项目通用平台关键指标

为实现星座自主运行能力，同时降低平台和载荷集成风险，项目将开发一个名为“皮特博斯”（PitBoss）的星上控制单元，该单元安装在每颗卫星上，作为计算节点提供任务级自主的运行能力，为每个载荷提供与平台的电气接口和网络接口，提供数据包路由，作为星座组网以及与其他星座连接的信息节点。PitBoss上安装的任务自主软件使卫星与星座中的其他节点协同，保证整个星座不需人员干预长期自主运行。

最新进展：至2018年底，国防高级研究计划局已经向多家公司售出第一阶段平台和有效载荷研发合同，包括空客防务与航天公司（ADS）、美国蓝色峡谷技术公司（Blue Canyon）以及加拿大电信卫星公司（Telesat）等。值得一提的是，空客防务与航天公司与一网公司（ONEWEB）联合成立的子公司，承担了生产“一网”（OneWeb）低轨宽带星座第一期数百颗卫星的研制任务，而加拿大电信卫星公司目前正在发展其低轨宽带星座，并在2018年成功部署1颗名为低轨道优势－1（LEO Vantage－1）的试验卫星。国防高级研究计划局与这两家公司合作正是看中其在低轨星座批量研制的前景，希望通过建立类似的卫星生产线和供应链，尽可能降低平台的研制成本。同时，在加拿大电信卫星公司获得的合同中也包括了评估在“黑杰克”卫星上采用星间链路以实现与其星座互联互通的能力。

空军“商业天基互联网军用试验”项目

SpaceX公司第一期4425颗卫星低轨宽带星座构型

项目概况：美国空军于2016年成立战略发展规划和实验办公室（SDPE），该办公室挂靠在美国空军研究实验室（AFRL）下，但直接向空军高层领导汇报，负责探索利用前沿的商业系统和技术为空军提供服务。2017年12月，该办公室发布名为“商业天基互联网军用试验”（DECSI）的项目招标合同，旨在探索利用多个商业低轨通信星座，为空军构建全球范围内高弹性、高可用性、高带宽、低延时的通信设施，支持空军各类典型作战平台的行动，具备无缝切换能力。

方案设想：“商业天基互联网军用试验”项目主要由两部分内容组成，一方面关注单个星座为空军作战平台提供军事服务的性能，同时也重点关注多个星座在空军作战平台上的兼容共用问题，将开展相应的硬件、软件和多接口设备的研发工作。

具体而言，在单个星座应用试验方面，将通过星座中的1颗或多颗商业卫星实现2个空军作战平台间的数据传输，包括3种测试场景：一是位于美国本土的2个空军地面站之间的传输试验；二是位于美国本土的空军地面站与一架美军军机之间的传输试验；三是在美国领空范围内的2架军机之间的传输试验。测试内容包括：数据传输速率、延时、误码率、链路余量等。此外，测试中还将对数据流和网络安全进行评估。

在多星座共用试验方面，将重点测试2种途径，一是针对军用运输机（如C－130等）、加油机（如KC－135等）以及空中预警机等作战平台，基于具体的改装条件，开发集成多个不同星座天线、调制解调器等设备的通用化终端；二是针对小型军机和机身外形要求高而难以进行天线改装的军机，基于已有的军用多功能天线和开放式无线电体系架构（ORA），为各星座开发即插即用型的兼容性终端硬件。主要测试内容除了与单星应用试验相同的通信性能外，还将重点针对不同星座之间的无缝切换服务性能开展测试。

2颗Microsat－2试验卫星

最新进展：2019年3月，空军战略发展规划和实验办公室向太空探索技术公司（SpaceX）授出价值2800万美元的合同，要求后者在3年时间内，利用其正在发展的“星链”（Starlink）星座开展相关的军事服务演示验证。根据目前掌握的情况，空军已在2018年利用“星链”星座的2颗首发试验星微星－2A和 2B（Microsat－2A和2B）开展了性能测试工作，并透露“测试结果非常令人满意”。后续该办公室极有可能向一网公司、加拿大电信卫星公司授出类似的合同，以鼓励更多的星座建设者参与到项目研究中。

航天发展局空间传输层概念

项目概况：2019年3月，美国航天发展局正式成立，根据国防部同年3月发布的2020财年预算文件，航天发展局计划在2020财年实施六大研发项目，其中之一为“传输层架构与标准项目”，是航天发展局本财年的“首要关注目标”，拨款额度为1500万美元。2019年4月，美国航天发展局局长弗雷德·肯尼迪在第35届航天研讨会上公布了未来在低轨建设包括空间传输层、监管层、跟踪层和威慑层在内的多层次、功能性卫星网络的设想，其中，空间传输层的概念得到进一步重申。

航天发展局提出的多层次卫星网络的体系架构设想

方案设想：所谓空间传输层，即在低轨部署一个骨干性的军用通信卫星网络，具备新型、快速响应的体系架构，以此为基础将面向陆海空天多域节点提供基础的数据传输服务。

空间传输层包括约658颗小卫星，将极大程度地利用“黑杰克”项目以及商业低轨宽带互联网星座成果，采用生产线模式开展卫星批量研制工作，每颗卫星将配备星间链路功能和备份的星地链路，预计最早于2022年利用商业火箭发射首颗卫星。航天发展局还计划在传输层中开发“嵌入的子系统”（对应于“黑杰克”项目的多任务载荷概念），提供导弹预警等额外能力。建成后的空间传输层将为全球任意两点之间提供超低延时的数据通信服务，支持美军作战管理、指挥、控制和通信（BMC3）能力。

最新进展：目前掌握的最新情况来看，航天发展局预计将在未来几个月内发布招标信息征询书，“一网”、“星链”等多个巨型星座均在其考虑范围之中，如何使商业星座发展与军方需求相匹配，将成为招标论证研究的核心。

4 几点研判

新构想对美军已在转型的弹性体系冲击性不大，是对原有框架的补充性延伸

事实上，美军在卫星通信领域的弹性体系转型工作已开展了近10年，以提升防护能力为核心，打造“防护抗干扰战术系统”（PATS）和“演进的战略通信系统”（ESS）的基本思路已成为广泛共识，而且在PATS架构下，也特别提出对商业系统的运用以及发展低轨星座的方案，只是并未针对商业低轨星座进行具体设定。如前所述，当前的新构想聚焦低轨领域，强调商业技术、系统的运用，突出对多类其他任务载荷的数据传输支持能力，从本质上来讲符合弹性发展理念，而且从当前技术水平判断，受卫星大小和载荷空间限制，其性能很难取代现役高价值、高复杂度和高性能的军用通信卫星，因此可视作对原有体系的补充和细化。

预计完成试验系统建设可能性较大，但要真正进入实际部署仍面临较多挑战

目前来看，几家军方机构的重点都放在演示验证上，从新兴商业低轨星座的部署节奏和技术能力来看，发展试验系统存在较大的可能性。但要真正满足军方远期目标，部署多任务融合式大系统，则面临很多亟待解决的问题，如小卫星能否达到多任务性能要求、能否研发出合适的低成本相控阵天线以满足大规模终端应用需求、星座运行管理复杂可能引发地面运管人员激增等。此外，低轨卫星面对物理、电子和定向能攻击时更加脆弱，但强调其防护能力势必在无形中进一步增加星座的成本。从上述角度分析，利用潜在建成的商业低轨宽带星座提供军事服务，是军方目前提出的所有构想中最具有现实意义也最可行的方案。

面向政府和军方提供通信服务，将成为商业低轨星座市场开拓的重要切入点

无论是20世纪末第一轮低轨星座建设热潮中“铱”卫星的起死回生，还是当前军方机构主动开展研究的牵引性作用，都可以看出，政府和军事应用已成为未来低轨星座发展中不可忽视的市场细分，加拿大电信卫星公司低轨星座计划的背后就离不开加拿大国防部的支持。但是军事应用对于卫星性能的要求与传统商业系统不同，如支持战场地理区域的灵活机动、部队组网方式的动态调整等，需要载荷具备一定的波束机动、处理交换能力，而目前绝大多数的商业通信卫星仍只能作为容量供给通道，为军方提供基本的保障性、福利性任务支持，商业低轨星座想要真正融入作战应用，获取更大的市场利益，也必须解决这些技术层面的关键问题。