美軍衛星控制網現狀與發展

張健 趙洪利 朱俊鵬

根據憂思科學家聯盟(Union of concerned scientists,UCS)的統計,截止到2016年6月30日,美國在軌運行的軍用衛星總計147顆[1].為了對在軌運行的衛星進行測控,美軍建立了多種地面測控網.美國政府問責辦公室2013年提交給國會的報告中,把美軍衛星測控網分為兩種類型——共享測控網和專用測控網[2].共享測控網支持多種衛星系統,共享其天線和軟件.此種網絡適用于多種衛星平臺的控制,衛星使用低數據率與地面站斷續連接,如國防衛星通信系統(Defense satellite communication system,DSCS)和特高頻后繼星(UHF follow-on,UFO);專用測控網測控單一衛星系統,不與其他網絡共享資源,這種網絡多為定制系統,使用同一天線對載荷和平臺進行控制,如GEO天基紅外系統(Space based infrared system geosynchronous,SBIRS)和全球定位系統(Global position system,GPS).

衛星測控的地面段是測控活動中重要的組成部分,由不同的地面控制中心、地面站組成.目前存在兩種類型的地面站:控制站和跟蹤站.衛星控制地面站執行跟蹤、遙測和指令功能,確保衛星在正確的軌道運行.跟蹤站則通過通信上行和下行鏈路與衛星保持聯系.

1 共享測控網

美軍的共享測控網包括空軍衛星控制網(Air Force satellite control network,AFSCN)、陸軍衛星控制網和海軍衛星控制網.

1.1 空軍衛星控制網

空軍衛星控制網是美軍最大的共享測控網,由第50網絡運行大隊負責.該大隊隸屬于空軍航天司令部第14航空隊第50空間聯隊,負責國家、國防部、盟友和民用領域的150多顆衛星的測控任務[3].

AFSCN由2個控制中心、7個遠程跟蹤站和天地互聯網絡組成.

主控制中心位于施里弗空軍基地,由第22太空操作中隊負責.備份控制中心位于范登堡空軍基地,由第21太空操作中隊負責.備份控制中心為AFSCN提供故障監測,通過監測、維護、更新AFSCN為150多顆衛星提供通信.

7個全球遠程跟蹤地面站分別是迪戈加西亞島跟蹤站(代號REEF)、關島跟蹤站(代號GUAN)、夏威夷跟蹤站(代號HULA)、新罕布什爾跟蹤站(代號BOSS)、皇家空軍遙測/指令站(代號LION)、圖勒跟蹤站(代號POGO)、范登堡跟蹤站(代號COOK)[4].表1列出了各跟蹤站位置及功能.圖1所示為7個跟蹤站的分布圖.

表1 AFSCN 7個遠程跟蹤站

AFSCN由第50網絡運行大隊負責運行,該大隊由4個中隊(第50太空通信中隊、第21、22、23太空操作中隊)、4個分遣隊(第21太空操作中隊第1、2、3分遣隊和第23太空操作中隊第1分遣隊)和14個不同位置的操作站組成.下屬4個中隊具體負責運行AFSCN,以下是4個中隊的具體情況.

第21太空操作中隊(21st Space operation squadron,21st SPOS),位于范登堡空軍基地,通過AFSCN備份中心監測、維護和更新AFSCN,操作4個遠程跟蹤站:范登堡跟蹤站、迪戈加西亞跟蹤站(由21st SOPS第1分遣隊操作)、關島跟蹤站(由21st SOPS第2分遣隊操作)、夏威夷跟蹤站(由21st SOPS第3分遣隊操作).主要任務是跟蹤、遙測、指令、任務數據取回、發射前衛星檢測,負責操作和維護位于迪戈加西亞跟蹤站、夏威夷跟蹤站和馬紹爾群島共和國夸賈林環礁的GPS地面天線和監測站.負責操作和維護2個國防信息系統局的衛星通信天線.范登堡跟蹤站還支持西發射場的發射操作.第21太空操作中隊還承擔GPS備用主控站、第3和第4太空操作中隊的聯合備份衛星操作中心,以及部分Milstar衛星指控節點[5].

第22太空操作中隊(22nd Space operation squadron,22nd SPOS),位于施里弗空軍基地,運行AFSCN主控制中心,通過開發、執行、增強網絡操作任務順序和提供太空安全分析來實施衛星操作.協調150多顆衛星的發射和在軌操作.其網絡運行中心執行和監測AFSCN的所有操作,也實施防御的反空間行動,并負責協調星歷數據、發射和早期軌道分析的任務.

第23太空操作中隊(23rd Space operation squadron,23rd SPOS),位于新罕布什爾州的新波士頓空軍場站,操作7個AFSCN遠程跟蹤站中最大的一個,為美國戰略司令部提供衛星指揮和控制能力.操作和維護DSCS增強地面終端和國家海洋大氣管理局的國防氣象衛星計劃增強系統.2010年,該中隊開始支持其他2個AFSCN地面站,分別是位于格陵蘭島的圖勒跟蹤站(由第23太空操作中隊第1分遣隊操作,是7個跟蹤站中最靠北的一個)、位于英格蘭Oakhanger空軍場站的遙測/指令站(由23rd SOPS OL-A操作).支持位于佛羅里達州卡納維拉爾角的東部運載火箭監測設施,該設施用于發射前和發射初始階段確保AFSCN對衛星的操作能力.2011年,開始支持2個位于卡納維拉爾角和南大西洋阿森松島的GPS地面天線和監測站.

第50太空通信中隊(50th Space communication squadron,50th SPCS),操作和維護通信計算機系統以確保150多顆衛星的全球接入.操作和維護基帶通信系統、基帶電話交換系統、國防信息系統局多功能交換機、國防紅交換網絡交換機、安全控制系統、視頻會議系統、非安全IP路由網絡、安全IP路由網絡和地面移動無線電等設施,提供指揮、控制、計算、通信和信息服務,支持地理上分布的14個場站的18個單位.指揮控制70個國防信息系統局的節點以提供安全/非安全的聲音和數據通信,管理著國防部的全球廣播服務.

1.2 陸軍衛星控制網

陸軍衛星控制網主要是針對DSCS和寬帶全球衛星通信系統(Wideband global satellite communication,WGS),負責有效載荷控制和通信網絡.DSCS III已發射14顆,目前僅剩6顆,大部分衛星都超出了10年的設計壽命.替代DSCS衛星的WGS衛星擁有非常強大的通信能力,1顆WGS衛星的帶寬和整個DSCS衛星星座相媲美.WGS可以提供10倍于DSCS衛星的通信能力.

DSCS和WGS衛星的平臺由第50空間聯隊第50操作大隊下屬第3太空操作中隊負責.載荷由陸軍戰略司令部的4個區域衛星通信支援中心(Regional satellite communications support center,RSSC)和1個全球衛星通信支援中心(Global satellite communications support center,GSSC)負責,對衛星通信資源進行管理,對需求進行評估并制作計劃.5個衛星通信支援中心情況如下[6]:

RSSC East,位于佛羅里達州MacDill空軍基地,支援美國特種作戰司令部、美國南方司令部和美國戰略司令部聯合衛星通信作戰分部.RSSC West,位于科羅拉多州彼得森空軍基地,支援美國北方司令部、美國戰略司令部、美國運輸司令部、白宮通信局和加拿大.RSSC Europe,位于德國帕奇軍營,支援美國中央司令部、美國歐洲司令部、美國非洲司令部、荷蘭、丹麥和盧森堡.RSSC Paci fi c,位于夏威夷Wheeler陸軍航空基地,支援美國太平洋司令部、澳大利亞和新西蘭.GSSC,位于科羅拉多州彼得森空軍基地,滿足面向全球部隊的衛星通信需求.

全球和區域衛星通信支援中心制作的計劃發送到5個寬帶衛星通信作戰中心執行.作戰中心由陸軍戰略司令部第53信號營下屬的5個連隊負責,分別位于馬里蘭州Fort Detrick基地(A連)、馬里蘭州Fort Meade基地(B連)、德國Landstuhl(C連)、夏威夷Wahiawa(D連)、日本沖繩Fort Buckner基地(E連).

1.3 海軍衛星控制網

海軍衛星控制網,通過1個操作控制中心和4個遠程地面站操作、管理和維護海軍的通信衛星.衛星系統包括艦隊衛星通信系統(Fleet satellite communication,FLTSATCOM)、移動用戶目標系統(Mobile user objective system,MUOS)和特高頻后繼星.海軍衛星操作中心總部位于加利福尼亞州Point Mugu,其中3個測控站分別位于緬因州Prospect Harbor、關島Finegayan、加利福尼亞州Laguna Peak,第4個測控站的位置不同文獻有不同的記載.文獻[7]描述第4個測控站位于科羅拉多州Springs,而文獻[8]記錄位于夏威夷Wahiawa.

雖然海軍衛星控制網與其他國防和民用部門的衛星控制系統不能進行互操作,但在適當改造后可以通過使用AFSCN的天線對FLTSATCOM、UFO和MUOS進行完全控制.

2 專用測控網

美軍除了共享測控網之外,還有大量的專用測控網,并且專用測控網的比例從1960年的30%提高到了2010年的85%.如美軍的GPS、空間態勢感知系統(Space situational awareness,SSA)、天基紅外預警衛星系統、軍事星(Milstar)、先進極高頻衛星系統(Advanced extremely high frequency satellite,AEHF)和國防氣象衛星系統(Defense meteorological satellite program,DMSP)等,其測控網絡都屬于專用系統.

2.1 GPS

GPS是美國衛星中最大的星座,提供定位、導航和授時服務.GPS包括3部分:空間段、控制段和用戶段.控制段包括主控站、備用主控站、11個指令/控制天線和15個監測站.

位于施里弗空軍基地的主控站,由第2太空操作中隊負責.主控站從監測站接收導航信息,利用這些信息計算GPS衛星在太空中的準確位置,然后把這些數據注入到衛星.主控站監測導航信息和系統健全性,使第2太空操作中隊判斷和評估GPS星座的健康狀態.

監測站由主控站控制,跟蹤GPS衛星,收集大氣數據和導航信號.15個監測站中6個來自空軍,9個來自國家地理空間情報局.

地面天線負責與衛星通信以執行指令和控制任務,發送導航數據,收集遙測信號,同時負責向衛星注入指令.有4個專用地面天線,與夸賈林環礁、阿森松島、迪戈加西亞和卡納維拉爾角的監測站位于同一處.

另外,控制段與7個AFSCN遠程跟蹤站相連,以增加測控的靈活性和魯棒性.

2.2 SSA

天基太空監視衛星(SBSS-1,SBSS-ATRR)和GEO太空態勢感知衛星(Geosynchronous space situational awareness,GSSAP)由第50空間聯隊第50操作大隊下屬第1太空操作中隊負責,使用專用測控網對衛星進行控制.

SBSS-1是空軍航天司令部太空監視網(Space surveillance network,SSN)的天基部分,是首個天基態勢感知傳感器[11],向聯合太空職能司令部聯合太空作戰中心(Joint space operations center,JSpOC)和國家航空航天情報中心(National aerospace information center,NASIC)提供LEO、HEO和GEO軌道的度量觀測和空間物體認證數據.

SBSS-ATRR于2009年發射,2011年由導彈防御局移交給第1太空操作中隊(當時衛星命名為STSS-ATRR),執行太空態勢感知以支持太空監視網.該衛星從LEO軌道監視GEO軌道,向JSpOC提供度量觀測數據.

GSSAP衛星于2014年7月發射2顆,用于監視GEO軌道的飛行器.后續2顆衛星計劃于2016年發射.

2.3 天基紅外預警衛星

天基紅外預警衛星測控網絡是專用測控網.早期的國防支援計劃(Defense support program,DSP)衛星和替代DSP衛星的SBIRS衛星組成了天基預警衛星.

截止2016年6月,有4顆DSP衛星在軌運行,由位于伯克利空軍基地的第2太空預警中隊負責.該中隊有6個全球分布的操作站,同時承載SBIRS衛星的操作和維護.

SBIRS衛星由位于GEO軌道的衛星、搭載于HEO軌道衛星的傳感器及地面數據處理控制系統組成.有2顆SBIRS GEO衛星在軌運行,由第460操作大隊第1分遣隊測試和操作.搭載于國家偵察局喇叭4、5、6上的SBIRS HEO傳感器有3個,分別是HEO-1、HEO-2、HEO-3,這3個載荷由第11太空預警中隊負責.

SBIRS Low衛星項目重新命名為太空跟蹤監視衛星(Space tracking and surveillance system,STSS),由導彈防御局負責,目前已發射2顆.

2.4 Milstar和AEHF

Milstar和AEHF由位于施里弗空軍基地的第4太空操作中隊負責,利用專用EHF天線和AFSCN控制衛星星座.

Milstar的前2顆搭載低數據率載荷,可轉發數據率為75b/s～2400b/s超過192個信道的通信;后3顆搭載低數據率和中數據率載荷,中數據率載荷可轉發4800b/s～1.544Mb/s超過32個信道的通信數據.Milstar包括3部分:空間、終端和地面控制系統.地面段包括固定和移動控制站,2個固定控制站分別位于施里弗空軍基地和范登堡空軍基地.施里弗空軍基地還有2個指控節點,由第21太空操作中隊操作;范登堡有1個指控節點,由第148太空操作中隊的空軍國民警衛隊人員操作.地面段也使用增強指控系統和AFSCN以提供魯棒的測控能力.

AEHF作為Milstar的后繼衛星,計劃發射5顆,已發射3顆,第1顆已失效,可與Milstar衛星兼容.由第4太空操作中隊負責,執行指揮控制、通信資源管理、系統工程支持、任務計劃、用戶支持和異常檢測.通過計劃、執行和監測載荷分配為上到總統下到戰術用戶提供服務.

2.5 DMSP

DMSP是由美國商業部通過國家海洋氣象局(National oceanic and atmospheric administration,NOAA)衛星和產品操作辦公室操作的系統.DMSP提供可視紅外云層圖像以及監視大氣、海洋、水文、冰凍圈和近地太空環境.該計劃提供全球和戰區氣象數據,全球氣象數據通過存儲轉發方式發送給全球用戶,戰區氣象數據直接通過廣播發送給作戰人員.

DMSP的數據通過衛星下行鏈路傳送到圖勒空軍基地,然后被轉發到空軍氣象局(Air Force weather agency,AFWA,位于內布拉斯加州Omaha的奧福特空軍基地).在AFWA,數據解密之后傳送到國家環境信息中心(National centers for environment information,NCEI,前身是國家地球物理數據中心)[12].NCEI是NOAA的機構,維護一個數據檔案庫,該檔案庫保存DMSP衛星從1992年至今收集的氣象數據.NCEI在美國有4個,分別位于北卡羅來納州Asheville、科羅拉多州Boulder、馬里蘭州Silver Spring、密西西比州Stennis[13].

衛星和產品操作辦公室管理和指導NOAA的衛星和數據的獲取.負責馬里蘭州休特蘭的衛星操作控制中心、弗吉尼亞州Wallops和阿拉斯加州Fairbanks的指令和數據獲取設施.通過這些設備,對衛星進行跟蹤,并獲取、處理和分發數據[14].

3 美軍航天測控網發展趨勢

自美國發射第1顆衛星以來,美軍的測控網一直在發展變化中.特別在21世紀的第1個十年里,美國發展了大量的專用衛星測控網來代替共享測控網,專用測控網的比例從1960年的30%提高到了2010年的85%,如圖3所示.美國防部目前運行著超過10個專用衛星控制網絡,而這些網絡是封閉的,不與其他網絡共享測控資源和人員.這樣做的好處是,1)減少了大型項目開發所面臨的風險和難度.由于不用考慮與其他網絡的兼容性問題,復雜性大大降低,風險減少.2)定制化系統,增強系統的可用性和穩定性[2].

大量專用網的好處顯而易見,但是也直接導致了設施重復建設和相互隔離難以互操作等問題.根據美空軍官員的說法,國防部將來發展的測控網仍然是以專用網絡居多,并且沒有整合計劃.美國最大的共享測控網AFSCN在未來5年將耗資4億美元進行現代化,但是這些計劃僅僅是替換AFSCN中老舊的設備,而沒有著眼于提高AFSCN未來的測控能力.

在國防系統開發中引入商業機制可以提高效率并減少開銷,但是美國防部面臨著諸多困難,如國防部沒有衛星測控的長期計劃,對衛星運行過程中測控的開銷沒有準確的數據作為支撐,項目管理人員沒有足夠的權利促進不同測控網之間的互聯互通等.

由于各衛星測控網絡之間缺乏數據互通和互操作性,導致衛星支援美軍作戰能力下降,并且近幾年開展的大多以專用測控網絡為主,相互融合的難度較大.美軍也在研究通過TDRSS系統作為替代系統,在空軍衛星控制網等地基測控網出現故障或遭受打擊時,由TDRSS承擔軍用衛星的測控任務.

4 結論

長期以來,美軍各個衛星測控網獨立發展,融合程度低,且融合意愿不強.在軍用測控網中引入商業機制發展緩慢.大量的專用測控網增加了地面段的重復建設以及資源的浪費.深入研究美軍航天測控網的現狀,對于我軍相關領域的作戰提供支撐.

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2 U.S.Government Accountability Office.SATELLITE CONTROL:Long-Term Planning and Adoption of Commercial Practices Could Improve DOD’s Operations[EB/OL].(2013-04-18)[2016-09-10].www.gao.gov/products/GAO-13-315.

3 SCHRIEVER AIR FORCE BASE.50th Network Operations Group[EB/OL].(2012-08-22)[2016-07-22].www.schriever.af.mil/About-Us/Fact-Sheets/Display/Article/275810/50th-network-operations-gourp.

4 SCHRIEVER AIR FORCE BASE.50th Space Wing[EB/OL].(2012-08-22)[2016-07-10].www.schriever.af.mil/Units.

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6 STAND-TO.RSSC Regional Satellite Communications Support Centers[EB/OL].(2016-06-28)[2016-08-03].www.army.mil/standto/2016-06-28

7 PAR Government Satellite telemetry monitoring,tracking support and commanding[EB/OL].(2015-10-09)[2016-7-25].www.pargovernment.com/topic-details.asp?key=113.

8 AIR UNIVERSITY.Space operations and tactical application-U.S.NAVY [EB/OL].(2003-07-14)[2016-07-11].https://space.au.af.mil/primer/navy-space.pdf.

9 GPS.GOV.Control Segment[EB/OL].(2016-04-01)[2016-07-15].www.gps.gov/systems/gps/control.

10 GUNTER’SSPACEPAGE.SBSS-1[EB/OL].(2016-04-17)[2016-07-27].space.skyrocket.de/doc-sdat/sbss-1.html.

11 NOAA.DMSP Archive Description[EB/OL].(2015-09-18)[2016-07-15].https://ngdc.noaa.gov/eog.archive.html.

12 NOAA.About the National Centers for Environmental Information[EB/OL].(2015-04-22)[2016-07-22].www.ncei.noaa.gov/about.

13 NOAA.Satellite Operations [EB/OL].(2015-10-19)[2016-07-22].www.ospo.noaa.gov/Operations/satellite-operations.html OSPO.