浅析美国国防空间体系架构“传输层”——数百颗卫星组成的网络

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导读

“我们将试图把数据从华盛顿以光速发送到丹佛。这就是我们在未来几年里要带给战士们的东西。”美国太空发展局(SDA)国防空间体系架构(NDSA)的数百颗卫星组成的网络将为地面和海上时敏目标提供超视距目标，同时也为已经发射的敌方导弹提供监测。

该系统将提供探测这些目标的能力、跟踪他们、计算火控解决方案，然后将该解决方案交付到武器平台以便美军能够近实时地获取态势感知信息并摧毁目标。国防空间体系架构(NDSA)“传输层”是一组广泛分布的低轨卫星，可以通过卫星间的光学链路在全球传输数据。这种由数百颗可相互链接的卫星组成的天基网状网络将构成美军联合全域指挥和控制(JADC2)的骨干部分，是美国国防部连接在轨传感器和地面武器系统的关键。国防空间体系架构1期传输层预计将于2024财年进行部署。

一、国防空间体系架构1期传输层招标

(2021年8月)

2021年8月26日，美国太空发展局(SDA)举办线上工业日活动，此次工业日的重点是国防空间体系架构1期传输层(SDA Tranche 1 Transport Layer，T1TL)能力的预征集;8月30日，SDA发布国防空间体系架构1期传输层建议征询书。该项目可支持美国参与高端地区冲突。

根据美政府招标网站说明，太空发展局(SDA)发布此次招标是为国防空间体系架构(NDSA)的1期(T1)——亦即初始作战能力阶段——奠定基础。国防空间体系架构(NDSA)的运行效用，取决于“低地球轨道上尺寸相对较小但可大规模生产的空间飞行器群所提供的‘无处不在的数据和通信传输层’”的可用性。1期传输层(T1TL)的空间飞行器群(SVs)将类似于目前正在开发的0期传输层，具备更有针对性的技术增强点、以任务为中心的有效载荷配置、更高的集成度和更高的生产效率。T1TL将提供全球性通信接入，并提供持久的区域加密连接，通过充当“基于低延迟数据传输的、连接从传感器到射手、乃至直接到武器的通用联合全域指挥控制系统(CJADC2)”的主干，来支持全球作战人员的任务。

SDA预计1期传输层(T1TL)将由大约150个航天器组成，由多个供应商开发和制造，将于2024年9月开始发射。T1TL将由全面的解决方案组成，包括开放的架构(例如，支持多个有效载荷和软件应用程序的总线，以及能够集成在多个总线或飞行处理器上的有效载荷/软件)，并利用商业航天工业能力(首选现有的或计划中的)。其他能力层的额外招标将基于已确定的要求和资金可用性。

而在1期卫星之前，太空发展局(SDA)计划于2023年3月发射30颗0期卫星以展示其能力，其中包括20颗传输层卫星用于将数据传输到用户，以及10颗跟踪层卫星用于导弹预警和跟踪。SDA已经授予洛克希德·马丁公司和约克航天系统公司(York Space Systems)每个合同建造传输层的0期的10颗数据中继卫星，这些卫星将于2023年绕轨道运行。洛克希德·马丁公司的合同价值1.875亿美元;约克公司的合同价值9400万美元。

二、国防空间体系架构1期

传输层基本规划

根据2021年4月11日美国太空发展局(SDA)发布的国防空间体系架构1期传输层空间飞行器意见征询书(RFI，SDA-SN-21-0003)，SDA预计T1TL星座将拥有6个近极圆形平面，每个平面上有数十颗卫星，高度为1000公里。SDA倾向于部署同构星座设计，所有航天器都配备基线任务有效载荷，并正在寻求有关设计和开发这些集成航天器的工业能力的反馈。理想的设计将基于可大规模生产的改进型消耗性运载火箭(EELV)二级有效载荷适配器(ESPA)类或类似的航天器。

国防空间体系架构传输层1期空间飞行器意见征询书(RFI)

SDA预计“1期传输层(T1TL)”将由约150颗由多家供应商开发制造的卫星组成，计划于2024财年晚些时候发射。SDA在2021年夏发布“T1TL”项目的征求建议书(RFP)草案，包括开放架构的全面解决方案(例如支持多种有效载荷的卫星平台、软件应用程序，以及能够集成在多种平台或者处理器上的有效载荷/软件)，并且首选利用现有或者规划中的商业能力。

T1TL航天器预计将分别配备以下基线任务有效载荷和性能规格：

01

星间光链路(OISL)有效载荷(T1)

按照SDA RFI(SDA-SN-21-0003)文件中的计划，每颗T1TL卫星都将配备光通信有效载荷，部分主要技术参数包括：

①每个星间光链路(OISL)有效载荷都至少能够同时建立并维护：3条光学链路(目标为5个或更多);平面内首尾连接;跨平面连接;

②在1000千米至7500千米的空间范围内，数据速率至少为1Gbps-目标至少为10Gbps;

③斜距3000千米内的机载和地面光学终端，数据速率至少为1Gbps-目标至少为10Gbps;

④能够以100%的占空比连续运行所有链路-仅有限条件例外，如相对几何形状和速度造成连接障碍;

⑤平台偏移校准后捕获时间不超过100秒-目标为不超过10秒;

⑥ 4π球面度的所有终端的综合视野，除了有限的机体阻塞。

美太空发展局(SDA)提出的国防空间体系架构中的传输层旨在形成通信/数据中继卫星的“网状网络”，链接所有国防部命令和控制网络，以实现JADC2。运输层还将链接到所有领域的新旧武器系统，从而使JADC2的“传感器到射手”概念成为可能。

SDA希望利用激光通信技术改善其下一代空间架构中数据中继卫星的星间激光通信能力。这些数据中继卫星正在开发中，以支持联合全域指挥与控制(JADC2)。与使用光纤电缆相比，将激光链路置于卫星上在技术上是完全不同的挑战，这是由于低轨卫星移动速度非常快，这使激光束与接收器的对准变得非常困难。

光学星间链路(OISL)是传输层，亦即联合全域指挥控制(JADC2)通信骨干网的关键使能力量。光学链路将为SDA的星座提供卫星间通信，并且将来还将提供从单个卫星到地面接收器的通信。1期(Tranche 1)将只包括计划于2024年下半年进入轨道的“传输层”卫星。这150颗卫星的配置将与0期中的卫星不同，目标是展示其真实能力。

太空发展局主任德里克·图尼尔(Derek Tournear)表示，SDA希望为1期传输层的每颗卫星配备“大约三到五个光学交叉链路的设备”。他还说：“我们希望这些交叉链接不仅是卫星到卫星，而且还应该是卫星到空中、卫星到地面以及卫星到所有海上资产。”图尼尔指出，新的光通信有效载荷还需要能够反向链接到卫星，而后者将配备原型光交叉链路。

02

Link 16发送/接收有效载荷(T1)

①两个或多个独立可控波束，每个波束的目标点源直径为300纳米或更大;

②足够的发射功率和天线增益，能够在地平线以上10°到90°之间的任何地面仰角的波束覆盖区内，使用手持式地面Link 16终端(如AN/PRC161)进行链路闭合和网络操作;

③能够在一个主运行区连续运行Link 16有效载荷20分钟，并支持至少25%的总体运行占空比。

Link 16集成

03

Ka波段发射/接收有效载荷

①至少一个具有足够发射功率和天线增益的单波束，以实现全天候链路闭合，5.5米地面进入点天线，在地平线以上10°至90°之间的任何地面仰角上具有3dB链路余量;

②能够连续运行有效载荷12分钟，并支持至少20%的运行占空比。

04

超高频发射/接收终端有效载荷

①至少一个单波束，具有足够的发射功率和天线增益，能够全天候关闭地面或空中终端的链路，如JTT-NG、IBR-Mini、JTT-Mini或ENTR(V4)，在地平线以上10至90°的任何地面仰角链路余量为3dB;

②能够在一个主运行区内连续运行有效载荷20分钟，并支持至少25%的总运行占空比。

05

BMC3路由器和加密负载

①BMC3处理器，估计最大功率为500瓦，轨道平均功率为325瓦;

②加密和路由器/交换机以100%占空比运行。

上述任务有效载荷不需要表现为1期传输层空间飞行器(T1TL SVs)的完全可分离的子系统。SDA对涉及射频有效载荷组件的解决方案的行业反馈持开放态度，如服务于多个频段的软件定义无线电和天线系统。

三、SDA当前工作重点

太空发展局(SDA)2021年和2022年的工作将集中在0期卫星的能力演示上，主要包括传输层、跟踪层以及部分地面系统。

SDA：迈向产品发布

近期SDA日程包括五项在轨演示，具体包括：

• “红外载荷样机”(PIRPL)。与导弹防御局合作，由诺斯罗普·格鲁曼公司负责，旨在开发中视场、用于“下一代过顶持续红外”(OPIR)的多光谱成像仪，以证明其可行性。

红外载荷样机(PIRPL)

• Mandrake-Ⅱ。这是SDA与DARPA和空军研究实验室(AFRL)共同建造的两颗实验卫星，以展示两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。光学星间链路是要求国防太空架构“传输层0期”(Tranche 0)项目进行演示的最关键技术之一。由Astro Digital和SA Photonics制造的两颗Mandrake-Ⅱ卫星也是DARPA“黑杰克”项目(Blackjack)的一部分。2021年6月30日，随着SpaceX Transporter 2的发射，DARPA成功部署了两颗Mandrake-Ⅱ卫星——“艾伯号”和“贝克号”(Able和Baker)。这些OISL(卫星间光链路)终端是SA Photonics的CrossBeam™系统的早期版本，该系统正在开发中，以支持DARPA Blackjack和SDA Tranche 0应用。Mandrake-Ⅱ任务的目标就是展示OISL交联能力以及空对地联系。Mandrake-Ⅱ终端将提供高达5000公里链路距离的100 Mbps数据速率，SA Photonics希望在以后的版本中将这一速度提高到2.5Gbps。

两颗Mandrake-Ⅱ卫星

• “激光互联和网络通信系统”(LINCS)。这是通用原子公司(General Atomics)开发的两颗12U立方体光学互联演示卫星，每颗卫星搭载一个C波段双波长全双工光通信终端(OCT)和一个红外有效载荷。让航天器上的激光束以正确的功率水平、正确的波形等足够精确地指向另一个航天器上的激光接收器，并不是一件容易的事情，OISLs是美太空发展局(SDA)希望解决的最大风险领域之一，通用原子公司是目前与SDA在激光通信系统原型方面合作的两家公司之一。通用原子公司在其网站上宣称LINCS卫星具有演示“在2500公里范围内每秒5GB的数据速率”的能力。该公司曾于2020年6月宣布与NASA签署了一项协议，将利用该公司的激光通信终端进行一系列光学星间链路试验，这些试验将演示验证经过多种介质(从地球到多个轨道上的卫星、多个轨道上的卫星之间以及深空)实现鲁棒通信能力。2021年6月30日，激光互联和网络通信系统(LINCS)卫星搭载SpaceX商业运载火箭被发射到指定轨道。

激光互连和网络通信系统(LINCS)演示卫星

• XVI。这是一颗空军研究实验室(AFRL)和Viasat公司共同开发的实验卫星，由SDA作为“过渡伙伴”，在地面演示Link-16数据链的互联。XVI卫星由蓝峡谷技术公司(Blue Canyon Technologies)制造的12U航天器总线组成，具有Viasat Link 16有效载荷和Roccor L波段天线。XVI卫星以95度轨道倾角运行，在轨寿命至少为6个月。得益于与美国国防部已经部署的传统Link 16终端的即时互操作性，该卫星将支持AFRL、海军陆战队和特种作战司令部将要进行的多次演示。根据Viasat政府系统首席技术官克雷格·米勒(Craig Miller)的解释，AFRL的XVI计划将拓展Link 16通信协议的应用范围。除了一名地面用户与大约一百英里外的一架飞机通信之外，演示还将看到两名地面用户通过XVI卫星相互通信。其他目标包括证明XVI与各种终端用户终端合作的能力，包括Viasat的小型战术终端(STT)、AN/PRC-161和移出/跳出(MOJO)战术网关系统。演示还将证明Link16的超视距(BLoS)能力，能够从一个终端获取数据，通过XVI卫星进行中继，并将其发送回另一个终端;或者通过S波段将数据中继给地面上的另一个用户，然后进入更广泛的全球通信网络。在测试期间，AFRL将负责主要的卫星运行，而Viasat将从其位于加利福尼亚州卡尔斯巴德的航天中心提供伴随运行。

将卫星链接添加到Link 16网络支持超视距通信(BLOS)

• “轨道试验平台上的原型”POET。POET是一个新的SDA基础软件演示，是一种“在轨战斗管理能力”，将实现对SDA星座的作战管理和监管。POET是一项如何在太空中处理信息的实验，这样就不会浪费时间将信息发送到地球进行处理。POET将以DARPA“黑杰克”项目的PitBoss作战管理、指挥、控制和通信(BMC3)工作为基础，同时还包括了由科学系统公司(SSCI)开发的Sagittarius-A* Innoflight数据融合处理器和软件。该处理器搭载在美国Loft Orbital公司运营的YAM-3卫星上。POET试验卫星已于2021年6月30日与四颗光链路验证卫星同批次成功发射进入太空。

小结

除上述重点工作外，美国太空发展局(SDA)与DARPA在“黑杰克”(Blackjack)项目上紧密合作。DARPA计划从2021年开始发射18颗演示卫星，并一直持续到2023年。在2022年“黑杰克”项目完成时，DARPA的目标是证明一种基于LEO的光学网状网可以为美国军方提供全球安全通信，这与SDA的目标有很大共通之处。

目前，太空发展局(SDA)最感兴趣的是得到商业公司的帮助，以开发星上自主处理能力和实时处理能力，太空发展局需要进行大量的算法开发工作，以确保可自动进行提示和排队，以及处理和融合数据。

SDA的国防空间体系架构建设离不开其商业合作伙伴

参考资料

[1] Operational Comms, Missile Tracking Sats Up In 2024: SDA. 2021

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

[3] SDA Tranche 1 Transport Layer (T1TL) VIRTUAL Industry Day. 2021

[4] Direct From SmallSat Symposium, Dr. Derek M. Tournear, Director, Space Development Agency, Keynote Address. 2021

[5] Industry Day Slides Final. Transport Tranche 0 Overview. Timothy Boudreaux, Space Development Agency. 2020

[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

本文转载自“高端装备产业研究中心”，原标题《浅析美国太空作战力量建设（六）》，文 | 太阳谷

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