浅析美国太空作战力量建设(五)

导读：传输层(Transport Layer)是美国太空发展局(SDA)正在开发的美国未来“国防空间体系架构”的骨干，将为美军全球作战平台提供一种有保证的、韧性、低延迟的军事数据和连通能力。0期传输层或称“作战人员沉浸期”的设计、建造、发射和测试将在2022财年第四季度交付。

一、国防空间体系架构0期传输层基本情况

2020年5月，美国太空发展局(SDA)发布了“0期传输层征询草案修正案”(SDA-SN-20-0008)。传输层由太空段和地面段(主要由政府提供)组成。太空段包括一个由20颗卫星组成的异构星座。这些卫星，加上地面通信，再加上地面段对星座的任务操作，共同构成了SDA在2022财年后期将要推出的0期或称“作战人员沉浸期”(Tranche 0/Warfighter Immersion Tranche)，并在2023财年中期至后期提供了与作战人员相关的最终成果演示(Capstone demonstration)。美国海军研究实验室的BPTF卫星运行中心(NRL’s Blossom Point Tracking Facility)将提供Tranche 0早期阶段的地面段部分和操作。

国防空间体系架构0期传输层征询草案修正案

“0期传输层”星座包含两个近极圆形轨平面，轨道面高度为1000千米，倾角在80度到100度之间(注意，由于星座构建关系，90度倾角不可取)。每个平面的卫星分为两组：A组卫星提供连接整个星座的完整网络基础设施，B组卫星通过综合广播系统(IBS)和Link 16支持平面交链和任务通信。A组卫星在平面上均匀分布，可以支持与地面的连续联络和的双向交链。B组卫星被聚集在一处，在平面上和跟踪层卫星分居相对两侧，以支持在对某一战区的覆盖，并进行连续的测试和实验。

0期传输层星座形成连续的网络，支持定期访问，以演示战术数据链接

0期星座平面分布情况

美国太空发展局(SDA)于2020年8月31日宣布选择洛克希德·马丁公司和约克空间系统公司为其“0期传输层”建造卫星。这两家公司分别获得价值1.875亿美元和9400万美元的合同，为SDA提供通信卫星星座。该卫星网络将相互通信，并向地面、舰船或飞机上的军事人员传送数据。这两家公司各自负责提供10颗卫星，所有20颗卫星将在2022年10月前发射。每批10颗卫星分成两种类型。10颗中的7颗配备4条光交叉链路，另外3颗配备2条交叉链路和2条下行链路。

卫星间光交叉链路是支持传输层的关键技术，在卫星之间提供大约1 Gbps的连接。大部分传输层卫星将有四个这样的交叉链路——前、后、右和左——这样可以让它们将数据传递给在同一轨道平面上运行的最近或次最近的传输层卫星。

带有4条光交叉链路的卫星在飞行过程中能与相同轨道面的其他卫星通信，还能与不同轨道面或完全不同轨道上的卫星通信。拥有2条光交叉链路的卫星还必须有两个发射器连接到Link 16网络，美军将能使用Link 16网络在数百个武器系统之间共享数据。

光交叉链路(OISL)之间的互操作性至关重要。在0期中，确定了确保OISL多个制造厂商之间互操作性的要求。虽然每一批都设计为更优化的设计和技术，但每一个后续的卫星都要设计为与前一批中的前一批的卫星保持互操作性。此外，SDA也希望射频交叉链路作为光交叉链路的备份。

这些链路还必须具有适当的视野，以便连接到地面或备用轨道平面。这些卫星能够跨平面交叉链接，这意味着它们将能够连接到在其上方或下方运行的其他平面内的非传输层卫星。假设它们也有光学卫星间交叉链路，这些非传输层卫星将能够通过传输层的网状网络将数据传递给另一颗卫星，甚至地面射手端。例如，它可以这样工作：一个天基传感器收集图像，如果它想传递给一个地基系统，但它不在任何地面站的范围内，那么传感器将通过跨平面光学交叉链路将图像传递给传输层卫星。然后，数据将从传输层卫星之间传递，直到到达目的地上方，然后通过Link 16战术数据链下载到光学地面终端或分发到适当的武器系统。理论上，这将使射手端能够近乎实时地接收天基传感器数据。传输层卫星将通过光学地面终端(OGT)和Ka波段射频下行链路与地面连接。

传输层的开发建设使用的是一种螺旋发展方法，0期内容是测试和作战人员培训，最终成果主要有两方面：一是系统能力实验和演示，可以整合并实现与其他作战实体的互操作性，这将是作战人员第一次有机会发展必要的战术、技术和程序，向更数字化增强的作战能力迈进。二是可以作为后续阶段发展基线。一旦T0阶段启动并运行，SDA就将执行另一项风险分析，以确定应对下一批进行哪些修改。下一阶段旨在解决前一阶段的缺陷，并集成新技术，以降低开发和/或运营成本或应对新出现的威胁。新技术、工具和想法每天都在涌现。尽快整合这些技术和想法至关重要。

螺旋方法背后的理念是，通过两年周期使太空发展局(SDA)能够快速将新能力送入轨道，以应对不断变化的威胁。该机构希望尽快将目前已经准备好的技术推进到轨道上，而不是等待几年才能获得完美的卫星系统，从而在短期内提高战斗人员的能力。

传输层螺旋发展方法

二、0期传输层(T0)发展目标

根据2020年5月1日的招标合同，SDA的0期传输层有六个目标：

• 演示通过光学交叉链路网状网络向作战人员低延迟传输数据的能力;
• 演示从外部天基传感器通过传输层向作战人员发送数据的能力;
• 演示有限的战斗管理指挥控制和通信功能(BMC3)，包括上传和演示应用软件的能力;
• 演示通过网状网向作战人员传输综合广播系统(IBCS)数据，包括从不同位置传输大容量IBS数据、接收IBS数据馈送、生成IBS消息以及为特定地理区域解调IBS消息并将这些结果发送给BMC3的能力;
• 演示在网络上近实时存储、中继和传输Link 16数据，包括地面站通过卫星通信链路存储、中继、发送和接收Link 16消息的能力。演示卫星向各种用户(例如飞机、导弹防御系统、海军和地面)发送Link 16消息的能力;
• 演示在不依赖全球定位系统(GPS)的情况下运行一个通用时间基准的能力。

传输层：低延迟数据传输

传输层：综合广播系统(IBCS)数据

传输层：Link 16数据

三、0期传输层(T0)关键领域

1、综合广播服务(IBS)概况与技术目标

技术目标(Technical Objectives)

①传输层卫星应提供从美国本土(或其他地理指定区域)到联合情报运营中心(JIOCs)和/或其他指定情报中心(例如第9MI、第24thMI、分布式公共地面站(DCGS)等)的大量IBS数据传输。传输层卫星应通过Ka波段和光链路为IBS消息提供弯管传输能力。

②传输层支持向量机应能够发送一个IBS消息集(符合CMF通用消息格式MIL-STD-6018。

③传输层卫星应能够解调星上的IBS数据，并将其传递给BMC3模块。其目的是允许与接收到的其他多种情报来源进行融合实验。所有在太空飞行器上被解调的数据将只在秘密级别被处理。

概况信息

综合广播服务(IBS)向作战人员传播接近实时(NRT)的战术/作战重要情报和信息，为决策过程提供态势感知、快速威胁预警、友军跟踪、战斗搜索和救援、导弹防御和战区导弹预警以及其他重要数据。IBS是一种具有全球连接性的战术信息和情报传播体系结构，它使用标准化的通用数据格式和通用战术终端系列，可与当前和规划中的战术和战略作战系统互操作。IBS是一种交互式服务，它为情报制作者提供了根据用户生成的动态传播优先级，通过多条传输路径向作战人员传播战略、作战和战术信息的手段。使用来自战略、作战和战术传感器的数据不断完善这些信息。

IBS将集成在传输层上，以更好地支持作战人员对全球范围内联合军事行动及时威胁预警和态势感知(SA)信息的需求。传输层将提供远程信息交换系统，从而向战术作战人员和其他数据用户提供从作战信息中获得的分布式情报、监视和侦察(ISR)。作战人员和决策者通过IBS传播的ISR数据得到支持，以支持态势感知、指示和警告(I&W)、威胁警告、威胁规避、部队保护、友军跟踪、目标跟踪和瞄准/交战。

2、战术数据链(Link 16)概况与技术目标(T0)

技术目标

①B组传输层卫星群应(通过L波段Link 16网络)接收地面站提供的Link 16消息并将其发送给各种用户(例如，海上、地面、空中、导弹防御)。

②B组传输层卫星群应(通过L波段Link 16网络)从各种用户接收和传输Link 16消息到SDA任务操作中心(MOC)。

③B组传输层卫星群应通过SDA的Ka波段向/从地面站发送、接收、存储和中继Link 16消息至航天器本身，然后通过Link 16波形向下发送至多个用户(例如飞机、导弹防御设备、海军设备、地面设备)。

④B组传输层卫星群应与Link 16网络同步并传输(L波段)地面覆盖面积直径100海里。

⑤B组传输层卫星群应能够进入、同步和传输到Link 16网络。

⑥B组传输层卫星群应将Link 16网络从一个卫星转换到另一个卫星，以延长覆盖的最大持续时间。

⑦B组传输层卫星群应通过0期网络(通过星座中的多个航天器)传输高吞吐量/低延迟的Link 16数据。

概况信息

Link 16是美国国防部和北约的主要战术数据链。1974年，美国国防部成立跨军种“联合战术信息分发系统”办公室，专门研制Link 16数据链。Link 16数据链主要针对战时美军各军种数据链无法互通问题，实现了数据链系统三军通用的一次巨大飞跃。Link 16数据链具备保密、大容量、抗干扰、无节点等诸多特性，广泛装备于美军各类作战装备。

Link 16主要使用联合战术信息分配系统(JTIDS)、多功能信息分配系统(MIDS)低容量终端(LVT)和MIDS联合战术无线电系统(JTRS)设备。早期的Link 16终端是冰箱大小的机架，重300磅。这将系统限制为只能安装在大型指挥和控制平台上，例如AWACS飞机和军舰。但是，随着技术的进步，最新的Link 16终端体积大幅缩小，像平装书一样紧凑，重量约为2磅。由于终端如此轻巧，因此现在有更多平台可以接入Link 16网络，例如导弹系统、小型船只、直升机和单兵携带防空系统。

Link 16可为功能性任务区提供支持，包括联合战区防空和导弹防御、攻击行动、防空、拦截、压制敌人防空、近距空中支援和时间关键目标。与其他通信链路波形相比，Link 16提高了安全性、抗干扰性和态势感知能力，同时还提高了数据吞吐量和信息交换能力。此外，Link 16提供安全语音能力、相对导航能力以及精确的参与者位置和识别。

按照SDA国防空间体系架构的设想，跟踪层和监管层将提供时敏目标跟瞄解决方案，这就需要能够为战术用户提供Link 16。将Link 16搭载在卫星上，可以将从战斗信息中派生的分布式情报、监视和侦察(ISR)分发到战术作战人员和其他数据用户。作战人员和决策者可以通过Link 16分发的ISR数据支持态势感知、威胁指示、威胁警告、威胁规避、部队保护、友军跟踪、目标跟踪，以及瞄准/交战等活动。将Link 16集成到传输层，可以更好地支持作战人员在全球范围内的军事行动对及时的威胁警告和态势感知信息的需求。需要注意的是，Link 16有效载荷仅在传输层B组卫星中提供。

3、星间光链路(OISL)概况与技术目标(T0)

技术目标

①OISL应在5000千米范围内支持250 Mb/s(阈值)和1 Gb/s(目标)数据速率。终端应支持多种较低速率，以改善长距离和/或功率降低时的误码率。SDA理论上建议逐渐减半的标准，例如1 Gb/s、500 Mb/s、250 Mb/s、125 Mb/s和62.5 Mb/s。

②OISL终端应能够支持全双工能力。如果收发器内使用了多个波长，则OISL信道应支持在逐个通信会话的基础上切换发射(TX)和接收(RX)波长。发射和接收波长不应在发射时固定。

③OISL终端应可与其他供应商提供的OISL终端互操作。采集功能是终端设计和操作概念的一个组成部分。虽然专有的指向和跟踪硬件肯定有空间，但至少有一个采集序列将是受控接口的一部分，以确保所有可互操作的终端能够相互采集。主机航天器状态知识将在每个链接会话之前和期间提供给终端。在每个链路会话之前，还将向终端提供预测的远程终端状态估计。

④0期的OISL应演示终端到终端的测距、方位和时间传递测量。对于频率/波长测量，将给予额外的考虑。作为一个目标，0期的OISL应支持30 cm级别的测距和1纳秒级别的双向同步消息时间戳。还应考虑定义一条进化路径，以实现<10 cm级别的测距和<300 ps级别的同步消息时间戳。在不依赖于全球定位系统的条件下，这种水平的测距和同步对于支持未来的A-PNT任务要求是理想的。

⑤OISL应为点对点链路，旨在实现本质上可被描述为确定性的数据传输。OISL不负责网络管理或路由，只负责在一对终端之间传输消息，每一对终端都由它们的主机分别指导执行相互获取序列。

⑥除了天基OISL终端之外，OISL还应能够与光学地面终端通信。

⑦OISL应提供有序的信息传输。实际的终端到终端互操作性协议允许包括消息交织，但是接收终端被期望提供消息缓冲和解交织，使得消息以它们被提供给发送终端的相同顺序离开接收终端。基于现有商业网络标准和协议的解决方案将具有重要价值。

⑧OISL应使用以太网接口作为OISL至通信有效载荷接口。通用成帧协议将在未来阶段提供更通用的总线接口能力。OISL应使用千兆以太网或更快。也就是说，终端应接受来自主机的消息进行传输，并通过以太网接口将接收到的消息传递给主机。

⑨OISL应不知道数据消息安全协议。OISL应原封不动地传输加密信息。加密是在OISL终端和光调制解调器之外完成的。

⑩每个OISL应支持SDA OISL开放接口标准。

⑪如果适用，OISL的所有技术目标也应适用于射频交联。

概况信息

截至0期传输层招标书发布之日，除了40000公里以上(即大于地球同步轨道范围)的链路之外，美国没有公认的工业标准来建造/制造用于空间应用的光学卫星间链路。空间数据系统协商委员会于2019年8月批准了光通信物理层(CCSDS 141.0-B-1)和光通信编码和同步(CCSDS 142.0-B-1)标准。这两个标准共同定义了“通过大气通道的空对地和空对地光子匮乏链路”的物理层和链路层。[光通信物理层(CCSDS 141.0-B-1)]具体来说，它们“描述了遥测、信标和伴随信标的可选数据传输所需的物理层特性”，以及指定的“脉冲和非脉冲时隙序列”所需的编码和同步子层以使用脉冲位置调制(PPM)完成传输。

虽然新的蓝皮书编纂了光通信层之间的光链路特性和关系，但响应0期传输层招标的各供应商之间的互操作性将需要额外的测试、协作和非常紧密的协调。利用CCSDS是开发的基线，但是SDA已经确定了附加的规范、参数和信息，这些必须与不同供应商选择的OISL能够互操作。SDA寻求建立光发射器(源)和接收器(检测器)，其包括光束质量、OISL光束获取和跟踪、电气和机械要求(上升时间、频率响应、操作温度等)和物理接口参数(例如标准化的电气/机械连接器)的最佳实践。

最后，为了实现和支持SDA导航任务的稳定性，OISL必须提供SDA SVs之间相对距离的精确测距/定时信息。OISL应该能够以米级或更高的精度进行卫星间距离测量，这意味着相对于星载时钟相对时间估计在几纳秒内。这些测量将包括卫星间和卫星对地测量。

可以预期，地面光学终端将与美国国防部的世界协调时(UTC)标准同步，根据世界大地测量系统-1984(WGS-84)定义的坐标系，绝对位置将会被预先测量到几厘米，为星座位置、速度和时间(PVT)提供绝对参考。这些原始距离测量值将与其他传感器数据相结合，以计算卫星的绝对位置和时间。PVT处理可以在OISL内部完成，也可以通过使用其他星载处理资源来完成。这个PVT过程必须能够独立于星载全球定位系统接收器运行。

由于OISL系统必须与其他制造商的OISL系统互操作，交换测距和定时数据的通用标准非常重要。关于星载PVT的知识对于OISL层的正常运行至关重要，并且将被用于启动SDA的备用定位、导航和授时(A-PNT)任务。这些数据至少应包括综合的卫星间距离/时间测量，以及每个卫星的最终PVT解决方案。其他数据将包括备用全球定位系统接收器的状态及其PVT估计值。

对于0期，SDA将为星间链路(OILS)建立一个开放接口控制描述，称为“0期配置”(Tranche 0 Profile)，旨在迭代地帮助行业合作，以确保多个供应商的OILS之间的互操作性。虽然这个开放接口控制描述定义了物理层和链路层之间光通信的许多参数，但是CCSDS标准和SDA文档都不足以确保互操作性。美国制造行业合作伙伴之间发展强大的互动、沟通和协作是至关重要的。

4、战斗管理指挥控制和通信(BMC3)概况与技术目标(T0)

技术目标

①BMC3模块应符合以下SWaP约束：<30×15×15 cm<10 kg<15 W(生存功耗)<250 W(最大处理时的峰值)

②BMC3模块应具有2年的设计寿命阈值和4年的设计寿命目标。

③发送到地面的所有航天器托管有效载荷(全球定位系统、OISL、Link16、IBS)通信也应能够发送到BMC3模块。

④BMC3模块不得运行核心航天器功能，只能用作托管有效载荷或无质量有效载荷的备用数据着陆区。

概况信息

战斗管理指挥、控制和通信(BMC3)层负责几项对SDA最终星座的成功至关重要的功能，包括但不限于管理、协调和分配NDSA所需的资源。BMC3模块预计将驻留在运输、跟踪和未来托管节点上，不仅提供星座管理、任务管理和指挥控制功能，还作为开放的硬件和软件平台，满足任务数据处理和开发需求。尽管0期星座没有将BMC3作为主要目标，但它可能会为后续阶段提供关键的风险降低举措，特别是在机载处理、网络和自主等领域。

0期BMC3仅仅作为一个展示基本连通能力和基本功能的运行概念，例如确保传输层能支持从地面指挥站到BMC3的上行链路和从BMC3到地面指挥站的下行链路。

小结

从小型星座发展到到大型的国防空间体系架构“扩散型低地球轨道”(Proliferated LEO，pLEO)星座还有一些属性有待定义：比如物理拓扑、传输(多或单个网络)、路由协议、完全或部分网状网络(例如大型星座内的集群)。SDA认识到，随着其星座规模的增加，需要一个灵活和动态分布的架构，以便在一个综合信息系统中协同工作，来支持传输/跟踪/监管场景。SDA设想其不断增长的星座将需要在两种模式下运行：正常模式，其拓扑对于最佳路由是完全可预测的;快速恢复模式，其中可能中断，无论是否是无意的，都将是有弹性的，并且可能需要适合空间网络的临时方案。此外，为了适应预期的空间飞行器密度、轨道动力学、交通工程参数、服务和网络，都还需要进行大量的开发工作。

0期采购将形成一个轨道面限于二到三个平面内的星座，具有明确的(预先规划的)地面和交叉链接入口点。工业的发展将为未来的星座提供实质性的好处，许多通过进一步开发可用于SDA 1期传输层。在展示其星座核心能力后，SDA可能有机会在0期工程上测试一些更成熟的技术。此外，由于SDA的pLEO星座组件将依赖于众多供应商，因此必须以一定的保真度定义网络标准，以确保星座间的互操作性。（北京太阳谷咨询有限公司 研究员 李雷）

参考资料

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[2] Esper Orders SDA To Link C2 Networks For All-Domain Ops. 2020

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[6] EXCLUSIVE – SDA, NRO Mull Direct Satellite Links to Speed Imagery To Warfighters. 2021

[7] Viasat readies a small satellite that promises to be a game-changer in military communications. 2020

[8] AFRL conducts 1,300 experiments on record-breaking satellite. 2021

[9] U.S. Hypersonic Defense Plan Emerges, But Not Cash. 2021