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美军未来军事卫星通信系统

2017-01-18 卫星界 学术plus

卫星界

美国智库“战略和预算评估中心”（CSBA）近期刊登了资深研究员托德•哈里森的研究文章《美军未来军事卫星通信系统》，对未来美军军事卫星通信系统可能面临的威胁、挑战、结构、作用和选择进行了分析并提出六条建议。

文章认为，军事卫星通信系统是所有其它武器系统的基础设施，但美军面临着需求与资金短缺之间的挑战，军方在发展未来卫星通信系统时要充分权衡利弊并做取舍。

以下为文章摘要：

在冷战期间的大部分时间里，太空就是美军的避难所。

当时美国的太空系统主要用来支援战略任务，如导弹预警、情报、核指挥与控制以及美国和苏联之间的战略平衡。

但自从冷战结束以后，太空开始变得拥挤和充满竞争。如今有40多个国家拥有或在使用卫星，而几乎所有国家都在使用太空民用技术，如气象预报和导航。

1991年的海湾战争标志着美军太空系统使用的重大转变。这场战争还证实了太空能力的价值，如精确制导、授时和卫星通信，使常规武器系统变成了所谓的“由太空支撑的侦察打击综合体” 。

自从冷战结束以来，我们一直以为太空域不会受到传统冲突的攻击。

这种想法的后果之一就是美国的太空系统、尤其是军事卫星通信(MILSATCOM)系统，在传统战争中很容易受到攻击。

军事卫星通信系统容易受到物理攻击（动能和非动能攻击）、电子攻击（干扰）和网络攻击。潜在对手并不像美国那样过分依赖太空，因而也没有相应的弱点，从而使传统威胁成为太空中的一个难题。

此外，美军过分依赖基于太空的能力来实施全球兵力投送还意味着，反太空能力或许将在敌手的反介入和区域拒止（A2/AD）作战中占据突出位置。在其它国家看来，美军的太空系统就是武器系统，太空就是或将是充满竞争的战场。

图为地球同步转移轨道的发射成本。

图为国防预算周期。

下代军事卫星通信结构应优先考虑如何适应竞争日趋激烈的环境，同时也要考虑可承受性。

就像容易受到物理、电磁和网络攻击一样，军事卫星通信系统也容易受到成本超支、资金难以保障以及其它可能妨碍卫星上天的程序因素的影响。

军事卫星通信的采办有着技术上的复杂性，其研制和生产时间较长并且采购数量相对较少。这些因素相互影响并形成了所谓的“太空采办恶性循环”。

高成本导致了小型星座和较长的生产时间；小型星座则要求每颗卫星需要压缩进更多的性能；将更多性能压缩进每颗卫星则要求更高的技术复杂性，从而导致了更高的成本和更长的生产周期。

军事卫星通信所有项目的同步发展也十分重要，因为所有三个部分（太空、终端和控制）对于系统的运行都是必要的。

这些部分相互之间完成的时机也很重要，因为卫星的在轨寿命是有限的——地面站的运行需要耗费燃料，卫星零部件在太空严酷的环境中会不断磨损，技术也会随着时间的推移而过时。

当整个系统中的某个部分因为资金短缺或研制问题而未能如期完成，那么其它部分就可能会被迫修改时间表。更为复杂的是，这些项目以及军事卫星通信系统所需之相关预算是分布于各军种之中的，从而使得这些相互依赖的项目变得十分棘手。

图为交织电文范例。

美国国防部对于下代军事卫星通信构架制定了多个方案以应对竞争越来越激烈的太空环境和预算紧缺这两大挑战。

其中一个方案是改进被动防御能力，使系统能在受到不同形式的攻击时仍然能够存活和运行。抗核加固、数据加密、交叉存取、跳频扩频(FHSS)和卫星交联等都是被动防御形式。相反，主动防御就是在攻击影响到通信之前对其进行拦截和干扰，并主要对物理威胁做出反应。主动防御的例子包括在卫星上增添反击能力、部署护航卫星或通过地面部队寻找和消除攻击源等。不过，采取反击或护航卫星方式在成功拦截后将产生轨道碎片，从而对其它太空系统构成长期威胁。

主动和被动两种防御形式都会增加成本和复杂性。同整个系统的成本的相比，与数据加密和跳频相关的成本相对较小，因为所涉及的多半是软件或有效载荷，对于卫星的设计没什么改变。主动防御，如反击能力，将对军事卫星通信系统的成本有较大增加，因为这需要对较大卫星平台进行整合，或通过较小有效载荷来弥补主动防御所需之更大的体积、重量和功率。尤其是在反击和护航卫星防御方面，攻击方将在成本方面占据优势，因为制造反卫星（ASAT）武器的成本要比部署反击或护送卫星的成本低得多。

另一种保护军事卫星通信系统的方法是通过分离、分散和扩散来让攻击方难以定位系统。在分离或分散式结构中，每颗卫星或有效载荷的体积较小，能力也更小，而且（在理论上）也更便宜，尽管由于发射成本高和更多卫星平台的发射而使整个星座的成本有所增加。星座扩散的成本肯定会更高，因为需要部署更多相同的卫星。

所有这三种方式可让星座提高损失单颗卫星的承受能力，因为每颗卫星只占整体能力的一小部分。这会使敌人的攻击计划变得更为复杂，迫使他们瞄准和攻击更多卫星才能取得同样的效果，但这种方法对于具备大量反卫星弹药的敌人来说可能不是太大的问题。攻击方将占有成本优势，因为反卫星武器的成本大大低于部署卫星的成本。然而，虽然攻击方占有成本优势，但鉴于攻击多颗卫星会造成长期的、全球性太空碎片，他们并不一定愿意发动大规模的太空攻击。

其中一个分散或分离太空系统的办法是采取以有效载荷为中心的采办模式，即根据有效载荷的能力来配置卫星平台。作为向亚太地区再平衡战略的一部分，美国可以与日本、韩国和澳大利亚合作，在他们的卫星上搭载受保护的“先进极高频”（AEHF）载荷，作为交换他们可有限使用全球“先进极高频”星座。对于盟国而言，这将提高他们与美国的互通能力，以较低成本使用全球星座而不是自己去发展相同的能力。对于对手而言，这将极大增加攻击的难度，因为攻击一个搭载载荷（无论是物理、电磁或网络攻击）就意味着攻击所有合作国的网络，从而面临着危机横向升级的风险。

图为军事卫星通信系统风险矩阵。

第三种解决军事卫星通信系统弱点的办法是让系统在受到攻击后更容易替换。

军方可以额外准备一些有效载荷或卫星，在太空资产受到攻击时马上替换，在地面站受到损坏或摧毁时用移动式通信站和卫星控制设施来快速替换。在受到小规模、短时间的攻击后尽快替换卫星或许是一个可行的选择，尽管可能需要几周或几个月的时间来将备用卫星安装到运载火箭上、发射升空并将其送入预定轨道。在敌方对美国卫星频频发动攻击的较为持久的冲突中，要持续不断地替换卫星恐怕成本太高。如果敌方每次攻击的边际成本大大低于美国替换卫星或载荷的边际成本的话，那么美国在这种成本战略中就站在了错误的一边。此外，所储存的卫星或载荷在持久的冲突中也会很快用完。即便有生产线维持生产，制造卫星或载荷也需要数月甚至数年的时间。

图为上行和下行干扰示例。

第四种缓解军事卫星通信系统弱点的办法是找到备用通信手段。

租用商用卫星通信系统具有很多优点，如方便灵活，可根据需要来扩大或减少容量，但这些系统基本上没有抵御物理、电子和网络攻击的能力，而且可以被国外实体所拥有或运营。也可通过空中通信层来提供高容量通信，从而在一地区内对卫星通信系统形成补充甚至代替卫星通信系统。如果使载荷具备一些上述被动防护能力，如跳频扩频（FHSS）、星上处理、交叉和加密等技术，那么空中通信层也能对抗电子和网络攻击。但是，用来提供空中通信层的飞机只能在安全的空域内飞行。这种飞机属于高发射源，很容易受到敌防空系统的攻击。

地面无线电通信系统（如无线电发射塔）对于通信距离相对较近的用户来说是一种可行的选择。虽然地面通信系统也可使用同样的防护手段来对抗干扰和网络攻击，但这些系统也需要一个相对安全的地面环境来部署和使用。用户必须要能进入某个区域并位于地面站或另一个用户的视线之内。

替代军事卫星通信系统的另一个选择是改变系统运行方式，减少它们的通信需求。例如，无人机可通过较强大的机载能力来自动分析传感器数据，只是将极为重要的数据传输到地面进行分析。当通信系统会受到干扰、或平台想避开探测而停止工作、之后在通信系统恢复工作后再传输数据时，保存并转发方式在对抗性环境中也是可行的。总体上，对于在反介入/区域拒止环境中实施远程作战的机动平台而言，能替代军事卫星通信系统的可行性手段并不多。

为减少军事卫星通信系统受到敌攻击的弱点而提出的这四种备用方案并非全部或相互排斥。这些方案的价值和优先排序也因军事卫星通信系统用户的不同而各异，这些方案对于某些用户群是有用还是无用，这将取决于他们的作战需求。

在资源紧缺的形势下，需要对不同的军事卫星通信系统用户的风险平衡加以调整。需要考虑下一代军事通信卫星系统的三大用户群是全球监视与打击（GSS）部队、特种作战部队（SOF）和战略部队。虽然这些任务领域并未囊括美军的全部作战能力，但它们是最优先的任务，因为美军正寻求从过去十年来的伊拉克和阿富汗维稳作战行动向应对太平洋的反介入/区域拒止威胁转变。

提高卫星的被动防御能力对于这三个任务领域来说是保护系统免受电子和网络攻击的很好选择。分散、分离或扩散卫星通信系统对于全球监视与打击和战略任务领域来说是保护系统不受物理攻击的最好办法，尽管这些办法可能成本太高，除非能大大降低每颗卫星的成本。对于这些任务领域来说，使卫星系统更容易替换并非是一种可行选择，因为如果是短暂的冲突，那么发射替换卫星所需准备时间太长，若是一场持久的冲突，那么储备的卫星将会用尽。诸如商用卫星、空中通信层、地面无线电和星上储存和转送等替代手段也不可行，因为全球监视与打击、特种作战和战略部队都必须在对抗性环境中实施全球性时效作战。

图为四星星座之间的交联示例。

未来卫星系统的挑战是平衡成本与风险，使所有军事卫星通信系统用户都得到相当程度的保护——即：不留下任何防御死角。根据军事卫星通信系统可能面临的威胁、可能出现的预算削减和可行性选择，我们提出了六条建议来满足作战部队需求：

1）本研究力荐将两层军事卫星通信结构（保密和非保密）向三层结构模式转变。在三层结构模式中，最高保密级专门为战略用户服务，而且目前的保密系统的项目记录不会发生什么变化。可以建立一个新的中级保密层来将低保密层扩大到更多战术用户。资金来源可从非保密卫星通信项目中匀出，用较低成本通过搭载受保护载荷来扩大容量。低保密结构可留给所有其它非重要通信业务使用，将其当作一种服务而不是系统来使用。

2）第二条建议是在太空方领域向太平洋转移重心，邀请诸如日本、澳大利亚和韩国等主要盟国来加入中层结构。这些合作国家可以分担载荷保密的额外成本，作为回报可分得一定比率的全球星座份额。尽管有着各种政治和军事问题需要解决，但将亚太盟国纳入中层结构可极大提高美国与盟国之间的互通性，提高盟国在竞争更激烈的环境中的独立作战能力。此外，这样还能打乱潜在敌人的攻击计划，因为攻击这些受保护卫星或搭载载荷就相当于攻击所有参与这一网络的合作国，具有横向扩大冲突的风险。

3）在发展下代卫星通信系统方面美国应避免陷入战略成本陷阱。例如，如果美国寻求发展反击或卫星护送能力，那么敌人可以仅仅通过发展更多反卫星武器来增加美国的成本，迫使美军在反击能力方面进行更多投入。同样，如果美国卫星在受到攻击时用新的卫星快速替换，那么敌人可以发展更多反卫星武器，从而迫使美军购买更多替换卫星。美国国防部可以通过操纵更有利的竞争方向来避免掉入战略陷阱。国防部可以提高攻击反卫星威胁的能力而不是发展反击能力或替换系统。美国还可以通过将更多盟国纳入军事太空计划和在盟国的卫星上搭载有效载荷的方式来增加敌攻击这些太空系统的后果。

4）“转型性卫星通信系统”（TSAT）失败的教训之一就是新项目中固有的风险。美国空军应利用目前的项目，即：“先进极高频”（AEHF）系统，来建立新的能力，而不是发起新的项目来填补因“转型性卫星通信系统”失败而留下的空缺。重新开启要求文件和通过签订新合同来开始发展新能力的诱惑是强烈的。为减少这种诱惑，应裁减现有项目办公室人员以限制那些想要改变要求的人数。裁员也能让承包商降低间接成本，因为他们不需要指派太多人员来与项目办公室人员洽谈了。

5）另一个降低成本和风险的方法是适当利用竞争。对于那些不需要新的发展、有多家承包商参与生产国防部所需产品（如运载火箭和卫星平台）的项目，引进竞争机制是降低成本、改进性能和刺激革新最有效的手段。但对于只有一个承包商在为国防部产生的产品，那就让一家承包商来生产，这样尽管不够理想，但也总比出钱来让第二个承包商建立多余的生产线这种人为的竞争机制要省钱。毕竟，不是自然地出自市场力量的竞争是不健康的，政府也得不到成本效益。

6）最后一条建议是由一个军种来统一负责军事卫星通信计划、预算和运作。空军是担任此责的最佳人选，因为空军已经管理着大部分军事卫星通信事业。其它军种可将军事卫星通信项目计划、操作单位及其相关预算转移到空军。这种合并可以理顺军事卫星通信系统的管理权和预算分配，减少各军种间的重复建设和间接成本，使空军能更好控制军事卫星通信计划的协调性。

图为位于夏威夷的瓦希阿瓦通信站。

如果美军要像《2012年国防战略指针》所阐述的那样，在反介入/区域拒止能力面前仍能实施介入战略，那么国防部就必须要让其太空系统能在竞争更激烈的环境中运行。如果下代太空系统针对的是错误的威胁，或是采办计划因成本过高和延期而失败，那么失去太空的一天很快就会转变成无太空优势的十年。军事卫星通信系统是核心基础设施，在此基础上其它武器系统才能发挥作用。太空和通信领域的竞争越来越激烈，但很多战术用户还在使用受到很少保护或根本没有保护的系统。然而，在预算紧缩的形势下，出于成本原因不可能通过启动新项目或维持现状来提高军事卫星通信的保护能力。国防部要想弥补所需能力与资金短缺之间的差距，就必须对发展下代军事卫星通信系统再仔细斟酌并作出某些艰难的让步。