美军低轨通信卫星系统发展浅析连接件
文章来源：假肢机械网 | 2022-10-12
美军通信卫星概况
在现代战争中，安全高效的军事通信能够为获取战争主动权提供重要的保障，而卫星通信是最重要的军事通信手段之一。美军运用通信卫星的历史较长，目前在通信卫星领域在轨卫星数量最多、技术性能最优、实战应用最丰富。根据UCS在2019年1月9日更新的全球在轨卫星数据库，目前全球在轨的军事用途通信卫星共有132颗（总体分布情况如下图所示），其中美国49颗。
美军的通信卫星体系主要包括宽带、窄带和防护三大系统。20世纪90年代以来，为了满足在新形势下作战对通信卫星容量和性能的更高要求，这三大系统分别经历了一次升级换代。但是，军事通信需求的增长远远超过美军自有通信卫星系统的建设速度，因而美军通过大量租用商业卫星来应对这一状况。
美国目前在轨的49颗军事通信卫星中，绝大多数都是在地球同步轨道运行的5吨以上的大型卫星（包括上文提到的三大通信卫星系统），NGEO卫星仅有6颗。
随着各国反卫星技术的发展，美军传统卫星通信系统的脆弱性日益突出，普通军用通信卫星的反攻击能力较差，一旦遭受降级或破坏需要数年才能更新；防护卫星系统的成本高昂且容量有限，以AEHF卫星系统为例，AEHF 单星造价高达22亿美元，但容量却不及WGS单星的1/10。为了应对这些新的状况，当前美军通信卫星体系正处在新一轮的转型中，已经有相关项目取得重要进展，诸如FPSS项目、DFARR项目、PTSFD项目、PTES项目等。
近年来，低轨宽带通信卫星技术逐渐发展成熟，全球有几十个LEO通信卫星星座计划出炉，正处在大规模商用的前夜。这一动向早已引起美军关注。在通信卫星体系的建设中，美军已经越来越重视LEO星座的建设和运用，以替代和备份以往使用单颗昂贵GEO卫星的做法。
美军低轨卫星系统的布局已经上升到越来越高的层面。2019年7月1日，美国航天发展局（SDA）发布了下一代空间架构信息征询书。根据该文件，美国国防部（DOD）的下一代空间架构将由几层基于小型通信卫星网络的结构组成。
美军已有低轨通信卫星资源
Figure 5 TacSat-4卫星
图片来源：space.skyrocket.de
美军对低轨通信卫星的研究和应用相对较早。美国国防部（DOD）在2005年提出了“响应型太空计划”（ORS），并倡议发展战术卫星（TacSat）。其中TacSat-4卫星属于通信试验卫星，于2011年发射，主要用于验证超视距通信以及数据中继服务。该卫星针对美军高纬度地区通信能力不足的问题，采用大椭圆轨道设计，近地点高度748 km，远地点高度12000 km，可提供包括高纬度地区在内的近似全球的、非连续的覆盖。2013年，ORS办公室又发射了TacSat-6卫星，发展基于3U立方体的超视距通信能力，该星运行在462 km × 889 km的近地轨道。
Figure 6 Polar Scout卫星
图片来源：space.skyrocket.de
ORS计划的另一个通信卫星项目是Polar Scout卫星项目，该项目旨在评估天基传感器在支持北极搜索和救援任务方面的效能。Polar Scout卫星属于6U立方体卫星，能够发现遇险者，并迅速将信息传达给指挥中心。海岸警卫队可以派出快艇、飞机或通知附近的商船救助幸存者。Polar Scout卫星每隔90到100分钟经过北极地区一次，每天可以在北极地区提供超过3小时的搜救服务。
Figure 8 SMDC-ONE卫星
图片来源：space.skyrocket.de
美国陆军为确保偏远山区、雨林等多遮挡地区的战术通信能力，发展了“空间与导弹防御司令部－作战纳卫星效用（SMDC-ONE）”卫星。第一代SMDC-ONE卫星于2010年10月发射成功，属于立方体卫星，采用“集群”卫星平台，是美军为演示验证低成本小型通信卫星星座组网而设计，主要通过无人中继台站进行超视距数据传输。该项目有两种运行模式：一种是战场人员将数据发送到地面无人值守传感器，然后通过卫星中继至指挥部；另一种是战场人员直接发送指令或者信息到卫星，进行数据请求或者卫星任务调度。2012－2013年，美军又发射了4颗SMDC-ONE卫星。
Figure 10 SNaP卫星
图片来源：space.skyrocket.de
SNaP（航天导弹防御司令部纳卫星计划）是SMDC-ONE计划的继续。SnaP卫星是实验性3U立方星，具有三轴姿态稳定和在轨推进能力，可提供超视距通信和数据渗漏服务，数传速率是SMDC-ONE卫星的5倍。
建设中的低轨通信卫星系统
“黑杰克”项目是美国国防高级研究计划局（DARPA）于2018年发起的研发项目，旨在利用现代商业卫星技术构建起一个小型、安全以及低成本、短周期的LEO军事卫星星座，其能力与目前在地球同步轨道运行的军事通信卫星类似。
“黑杰克”项目将采用开放式的架构标准和系统控制，可轻松插入第三方软硬件，包括天基有效载荷和托管应用、通信设备以及地面用户设备和软件。为了降低集成风险，项目将为“黑杰克”卫星节点开发一种称为Pit Boss的单元，它配备有高速处理器和加密设备，功能相当于一个通用网络和电气接口。Pit Boss还将提供一种任务级自主功能，实现在轨边缘计算，管理“黑杰克”卫星和地面用户之间的通信，提供平台测控链路，并对有效载荷数据进行加密。Pit Boss在轨云网络将提供星座级和节点级指挥控制、健康监测与恢复、星间数据管理以及在轨资源调度。通俗来讲，该项目的基本套路将是要将具有军用特色的有效载荷装到商业卫星平台上。
Figure 12 “黑杰克”星座运行概念图
图片来源：DARPA
2019年2月1日，DARPA战术技术办公室发布广泛机构公告，就“黑杰克”项目之下的Pit Boss子项目向行业征求解决方案，公告中更新了项目理论上的时间表。
Figure 13 “黑杰克”项目时间表
图片来源：DARPA
根据SDA发布的下一代空间架构信息征询书，近期太空发展局的目标是开发由网状网络组成的传输层，用于低轨道通信和数据传输。而该传输层将严重依赖DARPA的“黑杰克”项目，太空发展局希望围绕该项目建立子星座，满足已确定的导弹防御预警、定位导航和授时替代服务等需求。
利用商业低轨通信卫星资源
2018年3月新版美国《国家太空战略》提出将推行整个政府层面的方法以实现美国在太空领域的领先地位，该方法寻求与私营部门和盟友密切合作。根据这一战略，安全利用商用卫星星座的服务、商业托管军用载荷等或成为其太空体系弹性发展的重要方式之一，这在铱星系统的运用、“黑杰克”项目的目标设计中都体现得非常明显。
在全球范围内将商业卫星用于军事通信领域的案例屡见不鲜，美军更是在不断探索有效利用商业卫星通信服务的新模式。
Figure 14 第二代铱星星座概念图
美军现役通信卫星体系中，低轨通信卫星的运用主要依靠铱星星座。1998年11月，铱星公司投入商业运营，但由于用户较少，运营后一直处于亏损状态。1999年8月，铱星公司申请破产保护。21世纪初，美国国防部通过为期5年、每年3600万美元的合同（为2万名政府雇员提供不限时的通信服务）使铱星公司渡过破产危机。美军在随后之后的伊拉克战争和阿富汗战争中广泛使用了铱星的通信服务。
之后美军与铱星公司不断扩大合作范围，2018年，国防部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，该关口站至今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，并加速部署应用。在此推动下，铱星系统已充分融入美军作战。
2017年1月，Iridium NEXT首批10颗卫星发射成功，拉开了第二代铱星系统的部署进程。2019年1月，Iridium NEXT最后10颗卫星的发射成功，这标志着第二代铱星系统组网成功。铱星二代每颗卫星都预留了一个搭载载荷的空间，有消息称至少22颗铱星搭载了SKA（天基杀伤评估）载荷，从而构成了一个天基杀伤评估系统。
Figure 15 starlink概念图
美空军于2016年成立战略发展规划和实验办公室（SDPE），负责探索利用前沿商业系统和技术为空军提供服务。2017年12月，SDPE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。该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。
SpaceX于2019年3月获得美空军价值2800万美元的“商业天基互联网军用试验”（DECSI）合同，美空军将在未来3年的时间内利用Starlink星座开展相关的军事服务演示验证。后续SDPE极有可能向Oneweb、Telesat等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。