浅析美国太空作战力量建设(四)

导读

美国太空发展局(SDA)负责定义和掌控美国未来的威胁驱动型空间能力架构,并加快发展和部署新的军事空间能力,以确保美国在太空国防领域的军事技术优势。为了完成这一使命,SDA正在建设国防空间体系架构(NDSA),以统一和整合美国的下一代空间能力。

一、国防空间体系架构(NDSA)概况

 
美国太空发展局(SDA)被公认为美国国防部太空能力获取的建设性推手。SDA的使命不是捍卫现有的“产品线”,而是扰乱它们,不受国防部现有研究、开发和采购组织的文化和流程的束缚。SDA旨在为所有军事部门提供作战能力,更确切地说,美国陆军是空间的最大用户,海军是第二大用户。
美国国防部过去在类似的模式方面取得了相当大的成功。例如,其国防高级研究计划局(DARPA)的成立并不是为了响应已有规定的要求,而是为了开发技术来解决标准流程无法解决的问题。正如今天的许多关键技术和系统——如全球定位系统、无人驾驶的航空侦察机、隐形飞机——最初被军队拒绝一样,太空发展局(SDA)负责通过尚未被所有人接受的新颖架构提供新的能力。SDA将是一个试点项目,展示如何通过快速、频繁地交付更新和升级,将新系统纳入国家安全太空事业。这种新模式将成为激活美国国防创造力的钥匙。
具体来说,SDA负责定义和监控美国国防部未来的威胁驱动型空间能力架构,并加快发展和部署新的军事空间能力,以确保美国在太空国防领域的军事技术优势。为了完成这一使命,SDA正在建设国防空间体系架构(NDSA),以统一和整合美国的下一代空间能力。SDA将其架构组织成为“能力层”,所有这些层都要基于由体形相对较小的量产卫星和战术有效载荷软硬件所构建的全球数据和通信传输的可用性。NDSA通过(主要在)低地球轨道上的扩散性空间架构,提供具有弹性的军事传感和数据传输能力。
SDA通过国防空间体系架构(NDSA)的开发、部署和运行,迅速向美军联合作战人员提供所需的天基能力以支持地面任务。SDA利用了一种独特的商业模式,该模式重视速度和成本效益,并利用商业的发展来实现激增的空间军事能力体系架构并增强其弹性。作为对时间和成本的关注的一部分,SDA希望为其计划送入轨道的卫星建立一个“市场”。SDA会采购很多这样的卫星并定期发射。该机构官员预计,这种卫星市场将导致许多供应商定期更新他们的最新技术,并且许多供应商将拥有兼容的技术。在国防空间体系架构(NDSA)建设期间,SDA将采用螺旋式开发方法,每两年按时交付一批最低限度的可行产品,并且随着威胁的发展为未来几代人不断增加能力。
SDA目前正在开发和部署“0期”或称“作战人员沉浸期”部分的初始能力套件,包括运输、跟踪、战斗管理、监管和支持多个环节。SDA还在准备NDSA“1期”亦即“初始作战能力期”,旨在为多名作战人员任务提供区域持续能力,作为通用联合全域指挥控制(CJADC2)的主干,实现:①低延迟数据传输;②传感器到射手的连接;③直接到武器的连接。

二、国防空间体系架构的发展愿景

国防空间体系架构(NDSA)的总体目标是实现对地面与海面时间敏感目标的超视距瞄准,以及对高超声速和先进导弹威胁的预警和跟踪。换句话说,国防空间体系架构(NDSA)将作为美军现有卫星网络的备份卫星网络,通过在低地球轨道(最高2000千米)部署数百颗小型卫星以提供基于军事通信的一切能力:包括定位、导航和授时(PNT);进行导弹预警和跟踪;以及对地面/海面目标进行成像。

国防空间体系架构功能层示意图

国防空间体系架构(NDSA)主要由以下功能层组成:

 

相比之下,目前的美国军事卫星星座由大型的、价格昂贵的、位于地球同步轨道(约36000千米)的卫星组成,美参联会副主席约翰·海顿将军形容它们为“对手眼中又大、又肥、又多汁的目标(big, fat, juicy targets,让人垂涎)”,是战事一起时至关重要却又难以保全的军事资产。

1、传输层卫星是实现JADC2的骨干网络

根据前美国国防部长马克·埃斯珀(Mark Esper)在2020年5月发布的命令,传输层星座将由300到500颗卫星组成,旨在形成“主干”通信网络,最终所有国防部指挥和控制(C2)系统都将链接到该网络,以实现联合全域指挥和控制(JADC2)。包括:空军的“先进战斗管理系统”(ABMS)—该系统不研发新的卫星,而是研发可互联包括卫星在内的不同传感器的联网技术;陆军的TITAN移动地面站—其目的是将来自多个ISR卫星的数据融合到战场指挥官的通用作战图像;海军的“海军综合火控-防空”(NIFC-CA)系统—可将机载传感器平台与水面舰艇相连接,如E-2D预警机、F-35C战斗机等发现敌机或导弹后,可将数据传输到“宙斯盾”舰、并由舰艇发射防空导弹进行攻击。
每个军种都有自己的方式来整合JADC2,本质上,JADC2只是一种确保它们都有相同的网络基础设施来相互交谈的方式。SDA负责人德里克·图尼尔(Derek Tournear)表示,传输层就像是骨架,是实现让一切互相联系互相通信的基础。传输层卫星通过激光链路互联,可直接与地面上的最终用户进行高带宽、低延迟的通信并兼容美军现有战术数据链路如Link-16数据链以及情报部门使用的“综合广播系统”(IBS),“不需要用户购买新通信系统,传输层卫星可实现所有通信系统的互联”。一旦传输层1期卫星启动并开始工作后,可提供低延迟的数据连接、直接向武器提供数据,并将数据分发给战区。

2、跟踪层卫星可探测高超声速导弹

传输层可能是SDA计划中最关键的星座,但该机构的另一个焦点是导弹警告和跟踪。SDA的跟踪层(Tracking Layer)将使用低地球轨道卫星来补充国防部为数不多且极其昂贵的天基红外系统卫星(SBIRS)以及后续的下一代过顶持续红外系统(Next-Gen OPIR)卫星SDA正在发展一种宽视场(WFoV)红外传感器来补充导弹防御局的中等视场HBTSS空间传感器,这样它们就可以一起更好地探测和跟踪弹道导弹以及飞行中的高超声速巡航导弹,实现对大气层中机动飞行的高超声速导弹进行天基远程跟踪。
跟踪层卫星是“国防太空体系架构”中的三个传感器星座之一,其他还包括用于探测和跟踪地面目标的监管层,以及进行包括地月空间在内的太空域态势感知的威慑层。

跟踪层卫星概念图

国防空间体系架构(NDSA)1期中的导弹预警/跟踪卫星将提供:高超声速助推滑翔武器和其他先进导弹威胁的探测信息;目标瞄准数据;并直接与指挥控制交战管理与通信(C2BMC)系统进行通信。太空发展局(SDA)于2020年10月授予SpaceX公司(1.49亿美元)和L3哈里斯公司(1.94亿美元)合同,分别为跟踪层0期制造四颗卫星。美国导弹防御局(MDA)于2021年1月22日授予L3哈里斯公司(1.21亿美元)和诺斯罗普·格鲁曼公司(1.55亿美元)的合同各自开发一颗卫星,为跟踪层承载“高超声速与弹道导弹天基传感器”(HBTSS)中层视场,这些卫星也有望在2023年进入轨道。
太空发展局(SDA)官员称尚不能确定这种宽视野传感器能否形成足够高质量的跟踪数据。到2022年底,配备SDA宽视场传感器的8颗0期(Tranche 0)卫星将发射到地球低轨道;2023年,导弹防御局(MDA)计划将使用中视场传感器的2颗卫星发射到近地轨道,由20个通信中继和数据处理卫星辅助的0期星座将提供有限预警能力,并验证传感器是否按设计工作。

3、监管层卫星SDA将与NRO合作发展

SDA不一定要开发和部署NDSA的所有能力,而是要在国防部内协调这些努力,并在提供集成架构的同时填补能力空白对于监控地面目标的监管层,太空发展局(SDA)并没有计划研发新的卫星,只是涉及到如何将现有的卫星(包括商业成像卫星和由美国国家侦察局运营的间谍卫星)链接到该机构的传输层卫星,实现对时间敏感目标的探测与跟踪,为作战人员提供近实时的地面目标跟踪和目标瞄准信息。
目前,美国太空发展局(SDA)和国家侦察局(NRO)正在讨论如何将图像从间谍卫星更快地转移到作战人员手中,两家机构正在制定共同路线图以实现间谍卫星与传输层卫星的集成。SDA的计划是将来自NRO成像卫星的数据与从商业卫星成像服务提供商收集的数据结合起来,再通过被SDA称之为其国防空间体系架构的“监管层”(Custody Layer),为作战人员提供近实时地面目标跟踪和瞄准信息。一种选择是开发星间光学链路,将NRO间谍卫星直接与SDA的数据传输层星座进行连接;另一种则是较为复杂的“弯路”解决方案,将NRO图像下行到地面控制中心,将其与商业卫星的图像进行集成,然后将合并的数据上传到SDA的传输层,然后再下行到用户。
监管层背后的基本原理是需要速度,以及将目标数据直接传输到陆基、海基和空基武器系统的能力。鉴于NRO是一个情报组织,其主要客户是美国国家安全局(NSA)和国家地理空间情报局(NGA),其工作是回答情报界的问题,即国家做出决策所需的战略规划。那才是NRO的任务。因此,NRO会收集大量数据,包括来自商业卫星和他们自己卫星的大量数据。而SDA是一个军事组织,其任务是试图回答战术性问题:“如何获得武器平台的实际火力控制或瞄准解决方案?”所以,这意味着NRO将专注于获取“最多”的(数量最多、质量最高)的数据,这样他们就可以把这些数据提供给人们进行分析;而SDA更注重及时性,专注于如何尽快将数据传输到武器平台。
对于监管层,太空发展局(SDA)将依靠美国陆军、空军和其他任务伙伴机构来建造ISR卫星以提供超视距瞄准能力。在0期,太空发展局(SDA)正在努力证明,它可以将数据从任务合作伙伴转移到地面:将合作伙伴的数据直接发送回SDA的传输层卫星,然后通过网状网络将数据发送到其他感兴趣的地区。“例如,如果陆军有一个TITAN地面站,并且位于德国,他们可以将数据下载到德国的该系统,将其发送回传输层,然后卫星将在运输系统中使用它,通过Link 16数据链传给印太战区的一架F-35。这就是我们在0期要验证的内容。”SDA主管德里克·图尼尔(Derek Tournear)称。

三、国防空间体系架构的阶段目标

0期(2022财年~2023财年)目标是使用最低可行产品展示该架构在成本、进度和扩展能力等方面的可行性,实现超视距瞄准和先进导弹探测跟踪等。
1期(2024财年)目标是形成初始作战能力,实现区域性的不间断的战术数据链路、先进导弹探测和超视距瞄准。
2期(2026财年)目标是实现1期中所有能力的全球性不间断,其中包含从0期运营中吸取的经验。
3期(2028财年)目标是对2期能力进行升级,包括提高导弹跟踪灵敏度、超视距瞄准能力、定位导航授时能力、蓝/绿激光通信能力和受保护射频通信能力。
4期(2030财年)目标是对某些层的能力进行持续升级

国防空间体系架构的阶段目标

国防空间体系架构的能力发展路线图

小结

美国太空发展局(SDA)支持美国国家安全空间战略和国防战略。这些战略确定了美国天基力量向更具弹性的太空体系结构转变的要求,同时加强了太空中的威慑和作战选择。SDA的目标是帮助美国国防部培育一个新的发展环境,使国防部的空间力量发展过程能够更好地响应未来国家安全空间架构的需求。这一目标的核心是生产和运营一个激增的通信卫星组织,该种组织能够满足新空间架构重点,即通过提高弹性和任务响应能力来增加空间作战支持。
新美国国家安全空间战略和国防战略都是为了应对不断演变的威胁。这一想法是通过更具弹性(可激增)和更加分离(分布广)的架构来实现的。空间架构的分类则是通过增加目标的数量和多样性来提高执行任务期间的生存能力。空间架构的分解通过平衡成本、进度和性能来提高弹性,从而提高美国太空资产的灵活性和生存能力。此外,它旨在避免威胁,确保生存率,并在需要时加快重建。
美国国防部已经判定,在整个空间架构中扩展各种任务功能是发展未来国防空间体系架构(NDSA)的最具成本效益的手段。这些商用航天器在各种功能方面的竞争对于达到国防部预期的成本效益水平至关重要。太空发展局(SDA)所面临的挑战是建设和验证发展进程,以及如何在一个比之前大型国防空间系统采办快得多的时间框架内迅速部署新能力。这一过程需要商业能力的开发应用和配合,成功完成这一挑战需要各个供应商的空间飞行器和传感器之间具有比以前更高程度的互操作性。
国防空间体系架构(NDSA)将是美国太空作战能力建设的一项重大事项,完成这一架构绝非易事。但是SDA跟NDSA的优先任务就是保持进度并尽快向作战人员交付能力。SDA的观念就是,无论一个项目或平台有多好,有多实惠,如果在需要的时候它没有出现,那么它就毫无价值。因此SDA必定会全力执行时间表,确保按时获得这些能力。

参考资料

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