美军“国防太空架构”传输层建设运用研究

陈亚飞（航天工程大学）

美国国防部太空发展局（SDA）2019 年7 月提出建设由“传输层、跟踪层、监管层、战斗管理层、导航层、威慑层、支持层”组成的“国防太空架构”（NDSA），强调基于威胁驱动更多地利用微小卫星星座，代替现有的少量、大型、高价值卫星，以提高天基系统的灵活性、抗毁伤能力。此外，美国还在大力加强与盟国和商业公司的太空合作，意图构建“混合太空架构”，进一步提升太空体系弹性，应对未来可能的太空高端战争。传输层作为美国下一代七层太空架构，乃至“混合太空架构”的核心和骨干，将以数百颗搭载光学星间链路、Link－16 数据链、综合广播服务（IBS）、Ka 通信、战斗管理指挥控制与通信（BMC3）模块等载荷的微小型卫星构成的扩散性星座为主，正在大力建设之中，具备重大作战价值。

1 建设发展概况

SDA 认为，“国防太空架构”的作战效用主要取决于近地轨道上相对较小的、可大规模生产的卫星组成的扩散星座所提供的无处不在的数据和通信传输层的可用性，因此极其重视传输层的建设，并将其分为风险降低、0 期、1 期、2 期、3 期等阶段，以2 年为周期滚动实施。其中，每个阶段大致按照“发布信息/方案征询书、签订合同、发射入轨、测试入役”等程序组织实施。

建设进展

2020 年，SDA 发布多个风险降低信息征询书，并签订演示合同；发布传输层0 期卫星方案征询书，并签订合同，由洛·马公司（LM）和约克太空系统公司（York Space Systems）分别建造10 颗卫星，每批10 颗卫星分成A、B 两种类型，2022 年交付。

2021 年，SDA 的“激光互连和组网通信系统”（LINCS）卫星和美国防高级研究计划局（DARPA）的曼德拉克－2（Mandrake－2）卫星均搭载太空探索技术公司（SpaceX）的运输者－2（Transporter－2）任务发射，进行6 个月在轨演示验证；启动传输层1期建设，发布招标方案征询书。

2022 年，SDA 签订传输层1 期合同，由洛·马公司、诺·格公司和约克太空系统公司生产42 颗卫星，2024 年交付。

建设规划

2022 年，传输层0 期卫星将全部发射入轨，根

SDA 期望光通信的中心波长为1550nm、频率为193.1﹢n×0.1THz（n 的取值范围：﹣18 到28），通信距离达到5000km。风险降低阶段，SDA 主要通过通用原子公司开发“激光互联与通信系统”（LINCS）卫星进行演示验证。此外，DARPA 也通过“黑杰克”（Blackjack）项目资助曼德拉克－2 实验卫星进行演示验证。

1）LINCS 实验卫星。LINCS 是由SDA 投资、通用原子公司（GA）开发的两颗12U 光学互联演示卫星，每颗卫星搭载一个C 频段双波长全双工光通信终端和一个红外有效载荷，主要演示一颗卫星发射的激光束以正确的功率水平、正确的波形、足够的精度准确指向另一个航天器上的激光接收器，预计可在2500km 范围提供5Gbit/s 的数据速率。

2）曼德拉克－2 实验卫星。曼德拉克－2 是由DARPA 负责建造的2 颗“黑杰克”实验卫星，主要用于演示2 颗卫星之间的光学链路、与地面系统的光学链路以及与机载系统的光学链路通信能力，希望在5000km 链路距离提供100Mbit/s 的数据速率。2022 年5 月，承包商CACI 公司宣布在4 月成功进行了星间链路通信试验，2 颗卫星在相距超过100km 的距离，40min 传输了约200Gb 数据，平均速率约85Mbit/s。

主要利用空军研究实验室（AFRL）投资开发的XVI 实验卫星进行演示验证。XVI 卫星使用了蓝峡谷技术公司（Blue Canyon Technologies）12U 卫星平台和卫讯公司（Viasat）开发的Link－16 有效载荷和Roccor L 频段天线。XVI 卫星将以95°轨道倾角运行，在轨寿命超过6 个月，与AFRL、海军陆战队和特种作战司令部进行多次演示验证。

传输层0 期[7]（2022－2023 财年）

卫讯公司的XVI 卫星及其天线示意图

传输层0 期空间段将由20 颗卫星组成，轨道高度约为1000km，倾角在80°至89.5°之间，具备至少4 年轨道保持能力。每个轨道面上的卫星分为两组：A 组卫星搭载4 个光通信终端以及IBS、Ka 数传和Ka 测控载荷各1 个，提供连接整个星座的完整网络基础设施，在轨道面上均匀分布，可以支持与地面的连续通信和双向交链；B 组卫星搭载2 个光通信终端以及Link－16、IBS、Ka 数传和Ka 测控载荷各1 个，支持平面内光学交链和任务通信，在轨道上呈“簇”状，可支持在多个时间段内对某一战区的连续覆盖。

传输层0 期全部20 颗卫星均搭载有光学星间链路载荷，设计功率35W，工作占比100%，可构建轨道面内和跨轨道面两种光学链路，既可支持传输层卫星之间彼此通过光学交叉链路网状网络传输低延迟数据，也能支持跟踪层/监管层卫星通过光学星间链路连接传输层0 期卫星，再向作战人员发送数据。星间光学链路要求链路夹角不大于10°，通信距离不超过4500km。传输层0 期星座的通信速率门槛最低为250Mbit/s，希望达到1Gbit/s。

100%的占空比连续运行所有链路；⑥平台偏移校准后捕获时间不超过100s。

传输层1 期每颗“基线”卫星均搭载有1 个Link－16 数据链终端，相比传输层0 期仅有B 组共6 颗卫星搭载Link－16 数据链终端，Link－16 数据链通信能力将有本质上的飞跃。主要技术参数包括：①具有2 个或多个可独立控制的波束，每个波束的目标光斑直径为300nm 或更大；②具有足够的发射功率和天线增益，可以在与地平线10°～90°之间的任何地面仰角的波束覆盖范围内使用手持式地面Link－16终端实现链路闭合和网络操作；③能够在一个责任区连续工作20min，并支持至少25%的运行占空比。

传输层1 期每颗“基线”卫星均搭载有1 个专门用于发送和接受IBS 信息的UHF 载荷，其主要技术参数包括：①卫星位置高于地平线10°即可与地基和天基的下一代联合战术终端（JTT﹣NG）等平台以至少3dB 链路裕度实现全天候链路闭合；②能够连续工作12min，并支持至少20%的运行占空比。传输层1期实现直接链接战术平台，将进一步增强向全球作战人员分发近实时战术/作战重要情报和信息的能力，可为态势感知、识别和预警（I&W）、威胁告警、威胁规避、部队保护、友军跟踪、目标跟踪以及瞄准/交战等决策过程中提供重要数据。

传输层1 期主要“基线”卫星搭载Ka 数传载荷，其中主要技术参数包括：①卫星位置高于地平线10°即可与地面直径5.5m 天线以至少3dB 的链路裕度实现全天候链路闭合；②能够连续工作12min，并支持至少20%的运行占空比。

3 作战运用分析

SDA 决心统一和整合下一代太空能力，提出“国防太空架构”概念，即主要在近地轨道大量部署扩散的、弹性的军事传感和数据传输能力，以应对所谓的日益紧迫的太空威胁。其中，传输层将在未来太空智能作战中发挥五大核心作用。

实现强对抗环境下的智能组网通信

传输层卫星在太空中将利用星间光学链路，自动构建“无线自组织网络”（MANET），通过不断执行邻域自我发现、自我加入和自我修复操作，具备强对抗环境下的弹性抗毁通信能力。太空发展局要求太空网状网络必须能在两种模式下运行：一是正常模式，即网络正常运行而且没有任何中断，网络可以使用标准的路由协议或预先计算好的路由；二是恢复模式，即网络的一部分由于故障或对抗性攻击而降级或无法运行，网络必须能够使用剩余的网络元素检测中断、恢复和自我修复。

支持对先进导弹的智能防御作战

美军将高超声速导弹、洲际弹道导弹等先进导弹视为重大威胁，正在“天基红外系统”等高轨导弹预警架构的基础上建设中低轨的导弹跟踪架构——跟踪层，然而跟踪层对先进导弹的跟踪识别后，必须利用传输层提供的Link－16 等能力，将威胁信息近实时传输给一体化防空和导弹防御（IAMD）网络，实现智能多层拦截，最大程度提升反导防御作战成功率。

实现对天基情报的智能处理分发

美军“国防太空架构”所有建设的天基资产均将搭载BMC3 模块，组成战斗管理层，其中传输层星座是信息智能处理和分发的核心。未来美军乃至盟国、商业建设的低轨星座，均可通过光学星间链路直接将遥感、预警、气象等天基情报数据发送至传输层利用BMC3 进行智能处理后，再通过IBS 等能力分发至对应的情报处理中心或战术部队，不必再经过传统的情报传输网络，从而实现多源情报融合下的智能作战。

实现强拒止环境下的GPS 备份导航

美军全球机动和精确作战极其依赖于GPS，GPS信号频率在1～2GHz 范围，虽然可以定向增加信号强度，但仍难以应对强电磁拒止环境。传输层通过光学星间链路可确保每颗卫星实时“知道”自己的精确位置和时间信息，再将位置和时间信息编码到各种数据信号中进行传输，理论上即可帮助美军构建起独立于GPS 的备份导航网络。

支持对未来星座的智能天基测控

美军要实现对“国防太空架构”等未来庞大卫星星座的测量控制，即便拥有全球布站的测控系统也将捉襟见肘。传输层卫星由于其强大的光学星间链路通信中继能力，任何1 颗卫星均可实时与另外任意轨道的卫星进行光速通信，这将在智能天基测控领域发挥重大作用，能助力美军实现“一处测控、全球响应”的星座在轨管理模式。

4 结束语

美军“国防太空架构”传输层卫星的建设虽然仍处在初级阶段，但以2 年为周期进行技术更新迭代，将使不断革新的太空能力第一时间提供给一线部队并获得关键反馈，从而使星座能力得到螺旋提升。同时，作为美军下一代弹性抗毁太空体系的基础和关键，传输层也必将体现出巨大的作战能力，本文虽归纳了其五大核心运用，未来还需要继续结合具体场景进行深入分析和仿真验证，量化其体系贡献率。