美军天基信息支援空中进攻作战研究

2021-08-07张占月吴俊娴

火力与指挥控制 2021年7期

刘欣，张占月，吴俊娴，沈亮

（1.航天工程大学，北京 101416；2.解放军93221 部队，北京 100085；3.空装驻北京地区第一军事代表室，北京 100039；4.航空工业洪都650 飞机设计研究所，南昌 330024）

0 引言

空中进攻作战是以空中力量为主，在其他军兵种力量配合下，为达成一定作战目的，按统一企图和计划实施的以空袭为主的作战行动，是进攻型空军的主要作战样式［1］。信息支援是空中进攻作战任务目标达成的重要支撑，通过获得对敌信息优势是克敌制胜的重要手段。20 世纪90 年代以来的多次高科技局部战争表明，以预警、侦察、通信、导航以及战场监视等为代表的信息支援，已成为现场战场不可或缺的部分，为获得战争主动权发挥了重要作用。

近年来，天基信息系统发展迅速，以其独特的全时、全天候优势，逐步成为空军作战信息支援的主要力量。天基信息系统是由不同轨道、类型及载荷能力的卫星、星座，以及其相应地面部分组成的网络化空间体系，可为空中作战部队提供各种作战保障信息，包括：情报侦察信息、指挥控制信息、导航定位信息和效果评估信息等。

一直以来，美军对天基信息系统建设极为重视、投入巨大，无论从网络规模还是技术先进性都远远超过世界上其他国家。因此，本文主要对美军天基信息发展状态和趋势进行概述，对天基信息支援空中作战的典型案例，对相关项目的应用需求、系统组成、信息支援的类型、流程与活动等进行了分析和阐述，同时对未来发展趋势进行了总结和探讨，最后得出了天基信息系统未来发展的启示。

1 美军天基信息系统发展分析

美军天基信息网络已覆盖全球每一个角落，为美军获取全方位信息优势提供了重要支撑，其天基信息支援系统发展的途径和手段可以总结为以下3个方面：

1）系统建设统筹发展。美军非常重视从国家层面进行统筹规划太空系统建设。2019 年12 月，美国太空司令部正式成立。同年3 月，太空发展局就已经率先成立，旨在通过太空发展局来统一负责国防部未来太空能力的规划和发展。美国防部快速响应办公室前技术总监查克芬利曾表示：利用天基系统来提升对地观测、态势感知、导航定位授时等能力，是未来美军作战指挥官最为关心的事［2］。

2）体系结构调整。近年美军逐渐推进体系整体规划、分散部署，从体系结构的角度解决美军天基信息系统发展不平衡的问题。例如“终端和网络敏捷性”概念的引入，就是为发展满足战役战术需求的天基通信终端，推动军事卫星系统互相兼容、通用而建立［3］。

3）体系“弹性”获得重视。近年来，美国越发重视“太空体系弹性”概念。美国军事气象卫星在“国防气象计划”即将退役之际，开始探索分散式气象卫星体系以提升体系可重构性和弹性能力［4］。美国国家侦察局局长布鲁斯·卡尔森在接受采访时表示：“国家侦察局将继续发射多种类型卫星，多样化、分散性的体系结构是必需的，这样的体系结构能够增加重访时间、减少不必要的延迟，提升体系弹性和实现快速响应”［5］。《太空危机稳定性：中国及其他挑战》报告认为：“分布式的架构使得太空资产及地面C4ISR 组建具备持续弹性”，从而大幅度降低体系被摧毁并失去作战能力的风险［2］。不依赖于网络节点的、分布式运用的可重组、高弹性的作战体系，是未来天基信息支援体系的主要发展方向。

美军天基信息获取系统、天基信息传输系统等方面的建设与发展情况如下。

1.1 美军天基信息获取系统发展概况

目前，美军已建成由图像情报侦察、信号情报侦察、海洋目标监视、导弹预警和高分辨率商业遥感卫星等组成的、世界上最为完善的天基情报侦察监视体系。

1.1.1 成像侦察

近年来，美国一直维持3 颗“锁眼-12”（KH-12）光学成像卫星和3 颗“长曲棍球”（Lacrosse）雷达成像侦察卫星在轨，另外，还有一颗“KH-13 实验型”高轨成像侦察卫星（也称8X 卫星）。

●光学成像侦察。美国现役的最具代表的光学成像侦察卫星——“高级锁眼”KH-12 采用大型光学系统和自适应光学技术，全色分辨力达0.1 m，红外分辨力1 m，光学口径约3 m，具有非常高的机动变轨能力，目前有3～4 颗在轨运行。

●雷达成像侦察。美国现役的最具代表的“长曲棍球”SAR 成像卫星，可实现全天时全天候信息获取能力，可侦察地下或水面一定深度的目标，其分辨力最高可达0.3 m，X、L 双频段，目前有3 颗在轨运行。

1.1.2 电子侦察

美国信号电子侦察卫星至今已发展到第五代。目前，主要使用第四代和第五代侦察卫星，如“水星”、“高级猎户座”、“小号”等。美国电子侦察卫星经历了从低轨向中高轨以及静止轨道的发展道路。其中，低轨道卫星主要用于对地面辐射源进行普查，产生战略目标情报、战争征候情报及战场动态情报。同步轨道卫星主要用于对地面辐射源进行实时连续侦察监视；椭圆轨道卫星主要用于侦察监视俄罗斯和亚洲北部地区的无线电通信信号、反导雷达及空间跟踪雷达等信号。

1.1.3 海洋监视

目前，美军的海洋监视卫星系统主要为“联合天基广域监视系统”（SBWASS－Consolidated），也被称为第三代海洋监视卫星系统（SBWASS-3）。每组SBWASS-3 有两颗子卫星组成，子卫星在相距约10 km的轨道上一前一后飞行，星体相距约40 km，主要采用信号侦测和时差定位技术手段，同时也包括红外传感探测手段。系统在设计上强化了卫星侦察监视的总体功能、综合利用和发挥地面站系统的能力，并能兼顾空军的战略防空和海军海洋监视的需求。

1.2 美军天基信息传输系统发展概况

为加快作战信息在战场上的传输速度，美军正在构建由高轨、低轨卫星组成的多层次、高带宽、互联互通的全球通信网络。

1.2.1 WGS 宽带通信卫星

WGS 是美军重要的全球宽带卫星通信系统，原计划发射10 颗卫星，2018 年又增购2 颗，预计2023 年组网完毕。从2007 年10 月到现在，一共发射了10 颗卫星，形成了全球覆盖能力，可在南北纬65°之间提供高速宽带通信服务。终端站型包括机载、舰载、车载和便携终端，已为驻阿富汗、伊拉克和西南亚地区的美军提供作战通信支持。

图1 WGS 卫星系统覆盖示意图

1.2.2 MUOS 窄带通信卫星

MUOS 卫星包括4 颗业务星和1 颗在轨备份星，现已发射完毕。卫星与用户终端之间使用UHF频段链路，卫星与地面站之间使用Ka 频段链路，所有用户之间的通信都通过地面网络来传输，如图2和图3 所示。MUOS 卫星用户包括军舰、潜艇、飞机、坦克、单兵等，终端站型包括机载、舰载、人工背负式、手持式移动和固定终端。

图2 MUOS 卫星系覆盖示意图

图3 MUOS 卫星应用场景

1.2.3 AEHF 卫星

EHF 频段波束窄，容量大，可用频带宽，易于实现星上处理，可采用扩频和跳频技术提高其抗干扰能力，因而被作为抗干扰卫通系统发展的重点频段。

AEHF 卫星包括6 颗卫星，其中5 颗为工作星，1 颗为备用星，可覆盖地球表面北纬65°到南纬65°的区域，如图4 和图5 所示。AEHF 卫星支持星间链路，星间链速率可达60 Mb/s，卫星可以通过星间链路互连形成卫星网络。相比于20 世纪90 年代的Milstar II 星座，AEHF 将提供10～12 倍的总体通信能力和6 倍的数据率，吞吐量达到430 Mb/s。AEHF 卫星终端站型包括固定和移动地面终端、机载终端、舰载和潜艇载终端。

图4 AEHF 卫星覆盖示意图

图5 AEHF 卫星系统应用场景

1.2.4 铱星及铱星二代星座系统

铱星一代系统是世界上首个采用大规模星间链路的L 频段窄带移动通信星座系统，主要为海陆空用户提供移动话音和数据通信服务。由于技术过于超前、定价过高等多方面原因，铱星公司最终破产，被美国军方以较低价格收购。

2007 年2 月，第二代铱星系统（即Iridium Next）计划启动。作为铱星系统的“复兴计划”铱星二代，将以全球100 %覆盖的移动通信与数据服务为目标，保持原有的星座构型进行改进扩充。

第二代铱星系统星座由81 颗卫星组成，66 颗运行的低地球轨道卫星，6 颗在轨备用卫星，9 颗地面备用卫星。系统提供L 频段1.5 Mb/s 和Ka 频段8 Mb/s 的高速服务，极地轨道高度780 km。铱星二代具有以下特点：无缝替换现有星座，以确保业务的连续性；具备星间链路和星上交换功能，保持铱星系统服务的全球覆盖、安全、可用和通信的低延时特性；能在速度、带宽和灵活性方面提供新的增强能力；星上设有标准载荷舱，搭载通信、导航增强，以及多光谱、ADS-B 等多样化遥感载荷。

1.2.5 StarLink 星座系统

StarLink 计划始于2015 年，旨在开发低成本、高性能的卫星平台及用户所需要的地面终端，实现新的天基互联网通信，用于无线宽带通信、高速无线互联网接入、电信网关服务，以及适合卫星通信网络的其他许多领域。建设思路是先实现美国本土全境覆盖，后完成全球覆盖，分3 个阶段进行建设。

第1 阶段由部署于550 km，倾角53°的24 个轨道面上的1 584 颗Ka/Ku 频段卫星完成初步覆盖，星座容量30 TB/s、延时15 us，计划2021 年完成部署。第2 阶段由部署于1 110 km、1 130 km、1 275 km 和1 325 km 的4 种不同轨道高度的2 825颗Ka/Ku 频段卫星完成全球组网，预计2024 年完成部署。第3 阶段由部署在335 km～345 km 轨道高度的7 518 颗V 频段卫星组成轨道更低的低轨星座，增加星座容量。

2019 年底，SpaceX 对“星链”星座计划进行调整，拟在12 000 颗卫星的基础上，再增加30 000 颗卫星，一旦预期按计划推行，将形成4.2 万颗卫星组成的庞大系统。

1.3 美军天基信息系统后续发展计划

未来的军事作战将以前所未有的速度在多域间展开，这对域内/域间信息共享与互联、能力协同提出了新要求，以多域战、马赛克战、分布式作战等新型作战概念为核心的作战理念，在美军各军种逐步走向深入。在这种作战场景想定下，美军将作战重心聚焦于OODA 作战环（观察-判断-决策-行动）的“判断-决策”环节，在所有域内、域间实现高效信息分发，并以对手无法匹敌的速度作出决策；使对手陷入决策困境，降低其决策质量和行动效能。

图6 Starlink 卫星在轨分布

为满足未来作战需求，并应对未来商业中低轨卫星星座的快速发展，美国开展对商用太空互联网资源的利用研究，加速推进商业低轨卫星资源在军事领域的融合和应用。

●快速响应空间系统（ORS）。为了满足未来作战需要，美军正在谋求建立快速反应的天基ISR 系统，使战场指挥官可以直接获取有用的信息。如美军正在实施“作战响应空间（ORS）”计划，该计划的最终目标是在危机或战争前夕，按战场指挥官的实战需求，在几周或几个月内，快速组装、发射一颗能够直接向战场用户传送侦察图像的卫星，使空间资产成为美军联合特遣部队装备的重要组成部分。其特点是充分利用高度自主的微小卫星平台、模块化的有效载荷、共同的接口界面，以及通过国防部保密IP 路由网（SIPRNET），直接向卫星发送指令和分发卫星图像等创新概念与技术，构建快速响应的航天科研生产管理机制与发射模式，获得战术应用的实战响应能力。

●“黑杰克”（Blackjack）项目。随着国际空间安全环境的对抗性逐步升级，美国一直在探索使用小型、廉价、低轨、分布式卫星星座替代传统的大型高价值卫星。2018 年4 月，美国国防高级研究计划局（DARPA）发布“黑杰克”（Blackjack）项目跨部门公告，借助现代商用卫星技术和低成本载荷技术，研发小型、安全、经济的军用监视和通信卫星群，构建分布式低地球轨道星座，提供多种军事能力。目前，“黑杰克”项目已列出的任务领域包括：导弹探测、定位导航授时、军事通信、雷达、用于战术情报侦察监视的光电和红外成像，以及射频采集。由此推断，未来“黑杰克”可能会搭载高空持续红外（OPIR）、导弹探测预警、雷达、光电成像系统等有效载荷，提供持久的全球军事通信和空间态势感知能力。

●国防空间架构系统。2020 年1 月，美国航天发展局发布“国防空间架构系统、技术与新兴能力”广泛机构公告（BAA），征集低轨卫星星座的技术支持方案，将首先建设下一代空间架构中的传输层，包括通信卫星和侦察监视卫星，以监视地面和海上的目标和导弹。通信卫星将兼容Link16 战术数据链，侦察监视卫星将搭载红外探测器，并与通信卫星实现数据共享，两种卫星均将设激光链路。计划2020 年底前部署数十颗卫星，2024 年部署上百颗卫星，实现区域覆盖，2026 年实现全球覆盖。此前表示“星链”“一网”等多个巨型星座均在其考虑合作范围之中。

航天发展局构想的空间传输层包括约650 余颗小卫星，将极大程度上利用“黑杰克”项目以及商业低轨宽带互联网星座成果，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。航天发展局还计划在传输层中开发“嵌入的子系统”，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、控制和通信能力的进一步升级。

2 天基信息支援典型样式

天基信息系统在空中进攻作战中的典型样式包括：远程指挥控制、广域情报传输分发、跨域战术协同等。具体样式分析如下。

2.1 远程指挥控制

远程指挥控制应用模式主要利用天基信息系统指挥覆盖范围广、用户容量大的特点，在空中进攻作战中，实现各军兵种固定指挥所/机动/空海平台指挥所与空基、天基、陆基、海基作战单元间的泛在接入，形成空天一体的指挥控制网络，支持各参与平台间态势分发与共享，形成广域统一战场态势，支持超视距指挥控制、跨域指挥协同和广域态势共享等应用。

其中，超视距指挥控制是指挥控制单元通过天基信息系统，将指挥控制指令传送至视距外作战单元，用于任务分配、指挥引导、兵力重组控制等，实现对作战平台的远程、高效、可靠指挥控制；跨域指挥协同应用是在空中进攻作战中，通过天基信息系统交互，用于跨域平台间作战的联合任务分配、战术行动决策等指挥控制指令，协调跨域平台的联合战术行动，提升联合作战效能；广域态势共享是指利用天基信息系统广域分发多源传感器获取的点迹、航迹等态势信息，统一生成广域战场态势，并分发至卫星波束范围内的所有作战平台。

远程指挥控制应用场景如图7 所示。

图7 远程指挥控制应用场景

2.2 广域情报传输分发

广域情报传输分发应用模式，主要利用天基信息系统全天候工作、情报信息获取全面、情报侦察范围广等特点，在空中进攻作战中，依托情报侦察监视卫星构建战区空情、海情、陆情中心与各类情报用户之间的情报广域分发网络，形成集“情报源-数据搜集-情报信息处理-情报产品分发-平台集成应用”于一体的情报综合应用体系，支撑广域情报分发、超视距情报回传、跨区域大容量情报共享等应用。

其中，广域情报分发是指利用天基信息系统构建星载情报实时分发网络，直接将传感器原始数据、战术级情报产品分发至作战平台，实现空中进攻作战中情报与战区内各类作战平台交联，为战斗管理规划、战斗决策提供支持；超视距情报回传是利用天基信息系统，构建无人机地面控制站与无人侦察机之间的无人机超视距测控和情报传输网络，实现空中进攻作战中无人机远程情报的快速落地；跨战区大容量情报共享是指多个战区同时遂行作战行动中，通过天基信息系统将区域内采集的重要目标、态势、环境等战场情报信息，按需分发到其他战区作战单元，扩大情报信息保障范围。

广域情报传输分发应用场景如图8 所示。

图8 广域情报传输分发应用场景

2.3 跨域战术协同

跨域战术协同应用主要利用天基信息系统侦察手段多、侦察距离远的特点，在空中进攻作战中，支持在天基侦察卫星、空海侦察预警平台、地基侦察预警台站等平台之间，构建异构传感器广域协同探测与协同交战网络，为目标协同侦察预警与目标指示提供支持，主要包含探测概略引导、精确目标指示和远程接力制导。

其中，探测概略引导是指在早期预警过程中对目标进行概略侦察，为进一步实施目标精确感知提供导引信息；精确目标指示是指：利用天基信息系统获取的多类型侦察信息为空基红外、雷达、辐射等多体制制导空地武器提供精确的目标指示。远程接力制导是利用广域覆盖的天基信息系统，为空基远程进攻武器提供远程接力制导，支持空军的远程打击能力提升。

跨域战术协同应用场景如图9 所示。

图9 跨域战术协同应用场景

3 发展启示

通过对天基信息系统发展历程、典型样式的深入分析，总结并提炼天基信息系统发展中存在的主要问题，得出以下3 个方面关于天基信息系统发展的启示。

3.1 加强顶层规划与体系架构设计

早期美军天基信息系统存在缺乏顶层建设规划和体系架构设计，缺乏统一的标准指导和评测体系等问题，呈现体制多样、烟囱林立的发展态势，数据互联及信息流转的效率不高，制约联合作战能力形成。因此，外军加强了顶层规划和体系架构设计，形成完整的天基信息系统体系架构和技术发展路线图，从顶层规范和指导天基信息系统体系建设和技术发展，为未来空中进攻作战、空天一体联合作战等体系化作战赋能。同时，未来空天一体作战将越来越强调多手段、跨域装备的联合运用，天基信息系统融入联合作战体系的广度与深度都将进一步增强。

3.2 推进技术保障与基础资源建设

建立符合用户需求的天基信息支援系统，应包括整合资源、梳理关系、技术支持和试验（演练）验证等。资源整合包括对各类天基平台、现有指挥控制系统、通信保障系统进行资源的合理调整、分配、规划、调度，构建面向空中进攻作战的天基信息支援系统，融合各类分散多源情报、基于统一规划网络信息体系，形成天基信息支援体系；梳理关系包括在厘清现有作战力量的隶属、指挥关系基础上，模糊军兵种界限，对作战力量、作战平台进行面向需求的“云”调配，构建可适应动态重组的高效指挥编组模式和支援方式；技术支持包括体系构建的技术基础，目标感知与识别、数据分析与挖掘等技术问题的攻坚克难和支撑；试验（演练）检验包括在构建体系和技术应用的基础上，加快推进作战试验和演练检验理论研究的成果，同时进一步在实际应用中理顺作战支援流程和进行动态优化调整。

3.3 完善空基综合接入处理与应用设计

多类型天基信息系统信息融入空基应用体系，要求天基信息能够有效接入，与多源信息融合处理后形成丰富的态势、情报信息，支持多样化应用需求。针对上述需求，从信息接入、信息处理与集成应用开展空基综合接入处理与应用设计。针对天基信息有效接入问题，开展多体制天基信息网关设计，支持天基信息到空基平台的无感接入与使用；信息处理方面，研究分布式、网络化、协作共享的多源信息接入、处理、融合分发应用能力，支持一体化信息处理与应用；应用集成方面，研究典型指挥控制、目标感知、作战协同、目标打击等应用与底层业务数据、信息流程的耦合机制，构建战术信息服务化组件，支持各类空天一体战术应用的实现。

3.4 探索与低轨星座融合应用新模式研究

低轨星座是一类新兴发展的天基信息系统，具备低时延、高重访、全天候、广覆盖等特点，相比中高轨天基信息系统，低轨星座在要求低时延、快速响应的战术应用中具有天然优势。开展与低轨星座融合应用的新模式研究，从组织结构、运行流程、交互关系、效能评估等维度，探索低轨星座与空基平台装备的联合运用机制，提炼面向时敏目标打击、快速响应调度、持续侦察监视等多样化需求的使用场景，将有助于构建多条空天低时延杀伤网（链），促进天基信息系统的支撑领域由战略级应用向战术级应用演进。