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军事卫星通信的未来

来源:搜狐军事 作者:知远

  目录

  执行概要

  简介

  第一章:空间系统面临的威胁

  第二章:资金约束

  第三章:未来架构选择

  第四章:战斗部队支持

  第五章:太空的战略选择

  执行概要

  对于冷战的大多数情况,太空是美国军方的圣地。美国的太空系统主要侧重于支持战略任务,比如导弹预警、情报和核指挥与控制,以及美国与苏联之间的战略威慑。然而,自从冷战结束之后,太空领域变得更加拥挤和竞争。当前超过40个国家拥有或操作卫星,并且事实上所有国家都依靠基于太空的能力进行民事应用,比如天气预报和航海。1991年的海湾战争也标志着美军使用太空系统方式的重大转变。这次冲突证明了融合基于太空的能力——比如精确导航和定时以及卫星通信——与常规武器系统创造一些被称为“太空服能的侦查打击复合体”的价值。

  自从冷战结束之后,一个对太空领域的隐含假设是威慑使得太空系统不会再常规冲突中受到攻击。这种假设所带来的一种后果就是美国的太空系统,特别是军事卫星通信系统在常规战争中具有严重的缺陷。军事卫星通信系统容易受到物理攻击(动能和非动能)、电子攻击(干扰)和网络攻击。潜在的敌人并不依赖于基于太空的能力并且没有相对称的漏洞,使得太空中传统威慑能成为一件困难的事情。此外,美国军队严重依赖基于太空的关键能力进行全球兵力投射意味着反太空能力将可能成为敌人的反介入/区域封锁作战中的主要特点。从其他国家的角度来看,美国军事太空系统是武器系统,并且太空将成为兵家必争之地。

  尽管适应一个更局竞争性的环境应该是下一代军事卫星通信架构的优先事项,但是可支付能力也同样重要。军事卫星通信系统因为容易产生成本超支、资金不稳定以及其他计划性因素而受到诟病,因为卫星容易受到物理、电子和网络攻击这些因素也阻止卫星的发射。军事卫星通信采购在技术上更加复杂,开发期和生产计划长以及采购数量相对较小。这些因素更强化另一种被称作“太空采购恶性循环”的观点,较高的成本导致较小的卫星星座和更长的生产周期;较小的卫星星座需要更多的能力能够嵌入每个卫星中;并且嵌入更多的能力将提高复杂性,导致更加高额的成本和更加长的生产周期。

  在军事卫星通信中跨项目的同步协调也同样很重要,因为系统操作需要所有三个部分(太空,终端和控制)。为这些部分相互之间工作进行定时非常重要,因为卫星在轨道上的寿命是有限的——轨道控制消耗着燃料、严酷的太空环境部件会降解以及技术也会随着时间慢慢老化。当整个系统中某一部分因为资金短缺或开发问题而落后于原定计划时,其他部分可能被迫做出改变。更加复杂是,资助军事卫星通信三部分的计划和相关的预算遍布各军种之间,这使得协调控制这些相互依赖的项目更加困难。

  国防部在下一代军事卫星通信架构方面有多种选择来解决太空环境竞争更加激烈和预算环境更加紧张的双重挑战。选择之一是改进被动防御,能够使系统在不同形式的攻击中仍能生存和工作。核硬化、数据加密、交叉存取、跳扩频技术以及卫星的交叉连接是被动防御的所有形式。相反,积极防御尝试在攻击能够影响通信之前进行拦截和干扰,并且主要对物理威胁做出响应。主动防御的例子包括给卫星增加反击能力、部署护卫卫星或使用地面部队来锁定地球攻击的源头。然而,反击或者护送卫星的方法在进行成功拦截后都产生轨道碎片的风险,长此以往这可能会对其他太空系统产生威胁。

  无论是主动防御还是被动防御都会增加成本和复杂度。例如,与实施数据加密和跳扩频技术有关的成本同整个系统成本相比相对较小,因为它们大部分能够在软件或有效载荷中执行,不需要对卫星设计做出根本上的改变。例如反击能力这样的主动防御将很可能大幅度增加军事卫星通信系统的开支,因为他们通过需要更大的卫星总线或更小的载荷结合来弥补主动防御所需要的额外的尺寸、重量和功率。特别是对于反击和护送卫星防御,因为建造更多的反卫星武器的成本很可能大大低于部署额外的反击或护送卫星系统的成本,所以攻击者将具有内在的成本优势。

  加强对军事卫星通信系统保护的另一种方法是通过分解、分散或者扩散能力让系统不容易被锁定。在分解或分散架构中,每个卫星或载荷是微小的、低性能的并且廉价的,尽管因为更高的发射费用和附加的卫星总线的额外成本,总的卫星星座成本可能不会减少。根据定义扩散卫星星座成本更高,因为要采购更多相同的卫星。这三种方法都使得单个卫星丢失时系统更加有弹性,因为每个卫星代表着整体功能中的较小部分。这样可以使得敌人的计划变得更加复杂,迫使敌人瞄准更多的卫星来达到同样的效果,但是对拥有强大反卫星武器的对手来说,这也可能不会对敌人构成真正的挑战。随着竞争规模的扩大,攻击者可能将具有成本优势,因为反卫星武器将很有可能远远比它们要攻击的卫星更加廉价。然后,尽管攻击者在这种情况下具有成本优势,但是从长期角度考虑,以及摧毁多个卫星后带来的全球太空碎片问题,敌人可能并不愿意升级进行大规模的太空攻击。

  一种分散和/或分解空间部分的一种方法是采用以有效载荷为中心的采购模式,这种模式着重将规定有效载荷能力放在首位,然后找寻来承载有效载荷的卫星总线。作为其亚洲/太平洋地区再平衡战略的一部分,美国会同日本、韩国和澳大利亚合作,在一个或更多卫星上装载受保护的先进极高频卫星的有效载荷,以换取全球先进极高频卫星星座的有限使用权。从同盟国的角度来看,这将提升同美国军方之间的互通性,并且使得他们能够以远远低于自己装备相同的能力所需要的成本来访问全球卫星星座。从敌人的角度来看,这将很大程度上加大了计划的复杂性,因为一次对承载载荷的攻击(无论是物理攻击、电子攻击还是网络攻击)将要攻击网络中的所有伙伴国家,这将增加危机横向升级的风险。

  第三种接军军事卫星通信系统漏洞的选择是让系统在攻击之后更加容易替换。军方可以准备额外的有效载荷或卫星替换攻击后丢失载荷或卫星,并且移动电信港和卫星控制设施能够用于快速地替换损坏的或损毁的地面站。让卫星能容易替换可能对于在小规模、有限时间的攻击后进行能力重建是一个可行的方法,尽管即便有卫星存储,也将要花费数周到数月的时间将其与运载火箭整合、发射以及运到到所需的轨道上。在更加持久的冲突中,敌人有能力多次攻击美国卫星,不断替换这些卫星将花费非常高额的成本。如果敌人每次攻击的边际成本远远低于每次替换卫星或有效载荷成本的话,美国将再一次地发现其站在了增加成本战略的错误的一面。此外,在战争开始前的备用卫星或有效载荷的库存将很快在持久冲突中消耗殆尽。即使有一条高效的生产线,它也很可能要花费数月至数年的时间才能生产出额外的卫星或有效载荷。

  减少军事卫星通信漏洞的第四种选择是寻找另外的通信方式。租赁商业卫星通信具有几种优势,包括根据需要扩大或减少容量的灵活性,但是这些系统实际上不能提供应对物理攻击、电子和网络攻击的防护,并且可能被国外实体拥有或操作。空中通信层也可以用来提供高容量的通信来补充或替代某个区域内的军事卫星通信。如果配备了使用上述的某些被动保护功能的有效载荷,像跳频扩频技术、机载处理技术、交织技术和加密技术,那么空中层就能够抵抗电子和网络攻击。 然而用来提供有空中通信层的飞机只能在自由空间进行操作。他们被定义为发射器,可能成为防空系统锁定目标。

  地面射频通信是一种为用户在相对较短的距离内进行通信的可行选择。尽管地面通信可以使用很多相同的防护特点来抵抗干扰和网络攻击,但是这些系统需求一个相对自由的地面环境给军队进行装备和操作。用户必须能物理进入某个区域,在某个地面站或另一个用户的视距范围内。军事卫星通信的另一个替代方案是改变系统的操作方法减少他们的通信需求。比如,无人机能够使用更大的机载能力自动地分析传感器数据,并且只传输地面分析师最感兴趣的数据。当通信受到干扰或平台想要避免被侦测时,一种存储并转发的方法也能用于在竞争的通信环境中在本地进行数据存储,一旦通信恢复,就继续传输数据。然而,这种存储并转发的方法对于时间敏感的作战行动来说不是具有吸引力的替代方案。总的来说,对于在A2/AD环境中操作的远距离移动平台,军事卫星通信基本上还没有可行的替代方案。

  以上四种能减少军事卫星通信系统漏洞而避免受到攻击以及避免成为敌人垂涎目标的选择方案都不是全面的或相互排斥的。军事卫星通信的用户不同,那么相应的每个选择的价值和优先性也各不一样,对于特定的一组用户,这些选择孰好孰坏取决于各自的作战需求。在资源紧张的环境下,不同种类的军事卫星通信用户之间的风险平衡可能需要进行调整。下一代军事卫星通信架构需要考虑的三个关键用户组是全球监视和打击(GSS)、特种作战部队(SOF)以及战略部队。尽管这些任务范围并不包含美国全部的军事能力,但是随着军方意图将重点从过去十年在伊拉克和阿富汗主要的稳定行动上转到太平洋地区的A2/AD威胁上,它们成为最高级别的优先任务。

  改进卫星的被动防御对于这三种任务区域保护系统免受电子和网络攻击是一项非常好的选择。分散、分解或扩散架构对于全球监视和打击以及战略部队任务区域保护系统免受物理攻击是一个非常好的选择,尽管这些方法在每个卫星的成本明显下降之前还并不可行。让系统更加容易替换对于任何任务区域而言都不是可行的选择,因为准备和发射替代系统的需要时间对于短时间冲突来说显得太长,而持久冲突中替换品的库存也会耗尽。像商业卫星通信、空中层、地面射频通信和存储转发等这些军事卫星通信的替代选择也并不可行,因为全球监视和打击、特种作战部队和战略部队需要在全球范围内竞争激烈的环境下遂行时敏性作战行动。

  未来架构上难点就是平衡成本和风险,这样所有军事卫星通信的用户才能拥有足够的保护级别——即,不留下任何没有防御的前线。基于军事卫星通信系统很有可能面对的威胁、很有可能实施的预算限制以及可选择项,我们提出六项特别的建议来满足作战部队的需求:

  1)本文提出的首要建议是军事卫星通信从两层架构(受保护的和非保护的)向三重架构过渡。在三重架构中,最高保护层将保留给战略用户并且将大体与现有的为受保护的系统项目没有多少改变。新的中间保护层将被建立并将较低级别保护延伸给更多的战术用户。资金将从未受保护的卫星通信项目的资源抽取,潜在地使用受托管保护的有效载荷从而以较低的成本扩大容量。架构的最底层将留给所有其他非必要通信并且会被作为服务而不是系统来采购。

  2)第二个建议是以太平洋的空间为轴心,邀请太平洋地区的重要盟友成为架构的中间层的一部分,比如日本、澳大利亚和韩国。伙伴国家可以分担额外的受保护的有效载荷的成本,并且作为回报将获得与付出相称的全球卫星星座的共享权利。尽管还有各种政策和作战问题需要解决,包括在架构中间层的亚洲/太平洋伙伴要加强美国和其伙伴之间的互通性以及加强伙伴能够在竞争更加激烈的环境下独立作战的能力。此外,它还将使潜在敌人的计划复杂化,因为任何一个针对受保护的卫星或受托管保护的有效载荷的攻击将是对网络中所有伙伴国的攻击,从而要冒导致冲突横向升级的风险。

  3)美国也应该注意避免下一代架构中的战略成本陷阱。举个例子,如果美国追求反击或护卫卫星能力,那么敌人会通过简单地建造更多的反卫星武器来强加成本以,驱使美国军队不成比例地在反击能力上花费更多资金。同样地,如果美国采购额外的卫星在遭受攻击时能进行快速替换,那敌人会建造更多的反卫星武器并迫使军方购买更多的替换卫星。国防部可以避免掉入战略成本陷阱,将竞争转向一个更加有利的方向。国防部可以提升其攻击地面上反卫星武器威胁的来源,而不是开发反击能力或替换系统。美国也能够通过将更多的伙伴拉入军事太空项目以及托将有效载荷托管到伙伴国的卫星上来提高攻击太空系统的后果。

  4)转型卫星通信系统项目终止的一个教训是新的项目具有的固有风险。空军应该利用现有的项目,也就是先进极高频卫星来建造和发展新能力,而不是尝试开始新的项目来填补转型卫星通信系统留下的空白。随着签署每个合同重开需求文档和开始指定新功能具有相当强的诱惑力。为了减少这种诱惑,现存的项目办公室的工作人员数量应该削减。员工的缩减也将允许承包商建造系统从而减少他们的间接成本,因为他们将不需要分配那么多人来与项目办公室人员进行接触。

  5) 减少成本和风险的另一种重要方法是更合理的利用竞争。在军事卫星通信中,当不再需要新的开发并且有多个承包商已经在生产像运载火箭和卫星总线这种国防部需要的产品时,竞争可以成为压低成本、提高性能以及激发产品创新的有效工具。然而,对于目前只有一个承包商为国防部提供产品的情况,唯一来源合同——虽然并不理想——却可能总体上让政府花费比支付次级承包商执行冗余开发工作或操作冗余生产线更少的成本。最后,通过自然市场的力量不能够自我维持的竞争对于行业是不健康的,对政府也是不具成本效益都。

  6)最后的建议是将军事卫星通信计划、预算和操作合并到一个军种。空军将最有可能承担这一责任的候选者,因为空军已经管理着大多数的军事卫星通信体系。其他军种可以向空军转交军事卫星通信计划、操作单位和他们的相关预算费用。合并将为军事卫星通信建立更好的职权和预算整合,减少各个军种的冗余和间接成本,并且保证空军更好地控制军事卫星通信计划的同步。

  如果美国军队像2012国防战略指南所述的那样,面对A2/AD能力将致力于确保进入战略,那么,国防部必须调整其太空系统在更具竞争的环境中作战。如果下一代太空系统被设计用于应对错误的威胁或采购计划因为成本超支和延误而失败,一天没有太空可能将很快变十年没有太空。军事卫星通信系统提供其他武器系统所依靠的核心基础设施服务,并且随着太空和通信领域的竞争愈发激烈,太多的战术用户继续依靠很少甚至没有保护的系统。然而在预算紧缩的情况下,通过开始新项目或者继续进行正常的业务来增加受保护的军事通信卫星能力成本过高。国防部为了缩小能力需求和可用资金之间的差距,必须从根本上重新考虑下一代军事卫星通信架构并愿意做一些困难的交易。

  引言

  太空不再是美国军队的圣地。在1960年代至1970年度年代之间,美国和前苏联支配着太空的使用权,并且在两个太空力量之间形成了战略缓和。这种缓和在后来的冷战期间一直持续着,即使是其他国家开始进行他们自己的太空计划,太空商业化使用开始兴起。然而自从冷战结束之后,太空区域已经变得更加拥挤。今天,超过40个国家拥有或操作着卫星,实际上所有国家都依靠着基于太空的能力进行民事应用,比如天气预报和精确导航。美国太空司令部追踪地球轨道上超过1000个有源卫星和21000个其他人造物体,基本上都是碎片。大约60%的有源卫星用于通信,并且大部分属于商业运营商。

  随着从事航天的国家和私人企业数量的增加,太空领域也变得更具竞争性。其他国家已经注意到了太空系统给美国军方带来的明显优势,并且开始发展能够挑战美国在太空中地位的能力。比如一个最明显的例子,在2007年中国成功地测试了一种反卫星武器,摧毁了近地轨道的一个出现故障的气象卫星。此外,电子攻击、网络攻击和针对太空系统所使用的地面基础设施的攻击都正在变得更加受到关注,这是因为进入的技术门槛较低、攻击不容易归因以及技术本身很容易扩散。

  空基能力不断演变的角色

  随着太空区域已经变得更加拥挤和更具竞争性,美国军队利用太空的方法也在演变。在冷战的大部分时间里,太空系统主要集中于支持战略任务,比如导弹预警、情报和核指挥与控制。战术任务的支持是次要的,如果不是补充的话。然而,1991年的海湾战争标志着使用空基能力支持常规作战部队的重大转变。海湾战争突出了空基能力与其他武器系统的融合,比如精确制导和定时以及通信。这种融合形成了一组新的能力,有些人称作“太空赋能侦察打击复合体。”

  美国军队现在依靠空基系统提供一系列核心赋能能力。太空系统收集图像并拦截电子信号来持续地提供情报、监视以及在全球范围内进行侦查。全球定位系统为大范围的军事和民用用户提供精确导航和定时服务。卫星也被用于导弹发射预警和天气预报。如空军太空司令部前高级官员巴特沃兹所指出的一样,“技术已经将太空深深地延伸到战争中,而潜在的敌人正在发展能够将战争延伸到太空的能力。”随着军队已经变得更加依赖空基能力并且太空领域已经变得更加拥挤和更具竞争力,军事太空系统的发展还跟不上这些变化的脚步。

  美国识别并处理军事太空系统漏洞较为缓慢的部分原因是关于太空军事化和武器化的持续争论。因为包括通信卫星在内的太空系统是美国全球力量投射能力的不可或缺组成部分,太空已经军事化——就是说,军队认识到了使用太空资产所带来的价值和益处。此外,他们产生的这些能力和效果为美国创造了一个强大的优势,即军事太空系统本身也是有效的武器系统,即便它们没有得到真正武装。对军事太空系统不是武器的争论就如同对M-16步枪不是武器但只是弹药的赋能能力的争论一样。这一争论模糊了太空的军事用途和它给潜在敌人展示的一系列有吸引力的目标。从其他国家的角度来看,美国军事太空系统是武器系统,并且太空领域也将成为激烈竞争的战场。

  然而,太空系统却与其他许多武器系统截然不同,因为太空系统不好与敌人相媲美的系统进行匹配来确定哪些国家更具优势。举个例子,更多的或更好的坦克可以建立地面优势。但是这一逻辑不一定适用于太空区域。军事太空系统是全球基础设施的一部分,它可以确保如精确打击和全球力量投射这些核心作战能力。虽然美国可以比敌人拥有更多卫星或能力更强的卫星,但是这并不意味着美国具有足够的空间能力保障其作战部队。军事太空系统的价值最终体现在对战斗的贡献和为国家赢得战争上。美国不需要比潜在的敌人拥有更多的太空能力。相反,国家需要能够保证其他武器系统比敌人的更优越的可靠的、弹性的太空能力。如同巴特沃兹指出的那样:“太空力量所需要做的事情取决于美国军队对战争的规划,而不是取决于其他国家可能建造和发射的东西。”因此对卫星数目和种类的直接比较对于太空军备竞赛来说并不是一个有用的衡量标准。真正有关系的是卫星保障其他领域作战部队的能力以及这些系统所要面对的威胁。

  尽管越来越拥挤并且竞争日益激烈的太空领域所带来的挑战是所有军事太空系统的问题,但是本研究主要讲述军事卫星通信,重点是变化的威胁环境对下一代架构所需能力的影响和能力。如其他军事太空系统一样,军事卫星通信提供了其他武器系统所依靠的核心基础设施服务。各级作战部队都依赖军事卫星通信进行空中、海洋和陆上领域的可靠的全球通信。此外,军队对军事卫星通信的使用正在以指数方式增长。例如,在1991年的海湾战争中,50万的部署部队对军事卫星通信的最高需求大概有100兆比特每秒。在八年后的联合特遣部队Noble Anvil行动中,在塞尔维亚北约盟军作战行动中的美军部队消耗了大约250兆比特每秒的卫星带宽。随着2003年伊拉克自由行动的开始,一支部署部队军事卫星通信需求增长至 2400兆比特每秒,而这支部队的规模是第一次海湾战争部队部队的一半不到。

  目前军事卫星通信的架构

  目前军事卫星通信的架构由军队操作的三种类型的系统构成:宽带、窄带和受保护的系统。宽带系统为数据和视频提供高数据率通信链接(能够达到甚至超过274Mbps)。军队目前操作两种主要的宽带卫星星座:工作在X波段的传统的防御卫星通信系统(DSCS)和工作在X波段和Ka波段的新型宽带全球军事卫星通信系统(WGS)。军队还租用了像国际通信卫星这样的商用宽带卫星转发器,用于超出传统防御卫星通信系统和宽带全球军事卫星系统容量之外的额外带宽能力。据估计,国防部多达百分之八十的卫星通信需求已经通过使用商业系统获得满足。

  窄带系统超高频频段的移动用户提供语音和低速率(最高384Kbps)通信。目前用于窄带通信的主要军事系统是传统的特高频后续卫星星座。作为下一代窄带卫星星座的第一颗卫星即,移动用户目标系统已在2012年发射。另外4颗移动用户目标系统卫星计划已经制定,包括一颗在轨备用卫星。军方还从像Iridium公司等租用商用窄带服务。

  受保护的军事卫星通信系统提供有确保的、可生存的通信,这种通信很难被探测、截获和干扰,它能够克服一些由核爆炸产生的大气影响。受保护的系统可以在发生灾难性攻击时为战略部队提供通信能力,给战术用户提供高可靠性和安全性的通信手段。目前军队在极高频波段操作两个受保护的卫星星座。传统的军事星星座提供最高1.5Mbps的速率,而最近发射的先进极高频卫星提供的传输速率达到8.2Mbps。这些卫星星座由临时极地系统进行辅助,它是在极地轨道上的双卫星星座,大约在北纬65度上空提供不间断覆盖。为减少对容易受到攻击的地面站的依赖,军事星和先进极高频卫星星座使用内部卫星链路来直接将数据从一个卫星传输至另一个卫星,无需通过地面站进行传输。

  军事卫星通信的架构还包括控制与终端部分。控制部分由地面站和配套基础设施组成,负责控制卫星总线(即维持适当的轨道)和有效载荷(即协调和分配卫星资源给不同的用户)。终端部分包括用于卫星通信的终端用户设备(即无线电)。终端可以是移动的或固定的,并且能够与其他武器系统集成。尽管每个单元的终端比较便宜,但都是大批量采购,使得终端成为整个系统成本的主要部分。比如, 目前特高频后续卫星系统具有超过67000个终端(超过50种类型的终端)在使用。

  太空中的战略选择

  军事卫星通信现在处在一个三岔路口。转型卫星通信系统旨在成为宽带和受保护系统的未来架构。随着2009年转型卫星通信系统项目的终止,还没有出现新的军事卫星通信太空项目。尽管军方在重新审核未来的计划,但当前计划是根据需要继续购买额外的宽带填隙卫星、先进极高频卫星和移动用户目标系统卫星,从而保持现有的卫星星座正常工作。虽然军方还在考虑如何做出选择,但是对于卫星通信的需求正在进一步的增长,且当前架构存在的漏洞也暴露无遗。由于开发和装备军事卫星通信系统的提前时间较长,军方在后面几年做出的决定——无论是继续购买现有的系统或是架构向新的方向演变——都将对未来几十年提供给作战部队可用能力做出定义。

  在转型卫星通信系统计划终止之后,国防部部长罗伯特•盖茨敦促军队“从百分之九十九的以军种为中心的平台转变”,去追求“百分之八十的解决方案,可以根据时间、预算来大量生产的多服务解决方案。”尽管太空系统的威胁正在增长,但是下一代军事卫星通信的架构还不能满足转型通信卫星想要达到的“百分之九十九”的细致解决方案。然而,“百分之八十”解决方案不应该被理解为当前系统提供百分之八十的可靠性或能力。准确的说,“百分之八十”解决方案应该是一种在成本、进度安排和性能中进行合理的交易的解决方案,从而为作战部队交付最佳价值。

  美国军队在太空面临着重要的战略选择:应该优先发展反制军事卫星通信系统在更加激烈的太空环境中的威胁所需要的能力吗?在预算紧张的情况下,这将必然要求其他地方做出牺牲,比如军事卫星通信的整体能力。本报告探究了国防部选择设计激烈竞争的太空环境中下一代军事卫星通信架构将面对的机遇和挑战。第一章调查军事卫星通信系统面对的物理、电子和网络威胁。第二章探究了这些系统在资金更加受限的环境中需要面对的程序性威胁。第三章定义了对解决竞争更加激烈的太空领域和资金更加受限的环境这种双重挑战下的选择(技术的、程序的和操作的)。第四章使用三个任务领域示例对这些选择进行评估:全球侦查和打击、特种作战和战略部队。本文最后通过根据美国军队面对的战略选择以及如何为未来作战进行准备,对未来军事卫星通信架构提出建议。

  第一章:太空系统的威胁

  太空中的马奇诺防线

  1930年1月,法国战争部长马其诺在众议院发言说:“无论出现什么样的新战争形式,无论采用飞机、毒气还是现代战争中不同的摧毁过程任一部分,有一个迫切的需要,就是阻止敌人的军队入侵我们的领土。”马其诺说服他的同胞们开始一项野心勃勃的冒险,沿着德法边界线建立一个防御工事网络来阻止未来的入侵。他设想建造的防御工事墙——后来众所周知的马其诺防线——在当时是一项非凡的壮举。防御工事的主要单元工程埋在群山和山脊下面约100英尺的地下,由一个地下的空中吊运车系统连接起来进行部队和物资额运输,并且根据设计,能够自我维持3个月的时间。第一次世界大战中使用了可怕的化学武器,法国为此设计了带有自动空气过滤系统和轻微的超压的工程,从而保护部队免受毒气攻击。

  马其诺防线是一项令人骄傲的资本和技术成就,并且这条防线达到了它设计的目的——阻止了德军从阿尔萨斯和诺林区域的直接入侵。尽管如此,德国军队还是在1940年相对轻松地长驱直入巴黎。德国军方意识到沿着法国边境线的防御工事很难被渗透,所以通过入侵比利时和卢森堡来避开马其诺防线。依照鲁道夫明斯基所说,马奇诺防线的“缺陷并不是来源于执行方面的失败,而是来源于其提议者没有能够预见到在仅仅20年内战争发生了非常大的变化。”马奇诺防线可以作为最后一个例子,展示了一国军方如何用难以置信的方式准备应对一个威胁,但是却发现这种方式本身会受到其他一系列威胁的攻击。

  美国现在就在冒着建造太空马其诺防线的风险。对于大部分冷战时间,太空系统主要为战略冲突设计。战争延伸到太空领域被认为是不可能的事情,或者在最坏的情况下将是美国和前苏联之间爆发全面核战争的前奏。从这个角度看,太空系统所需要的关键保护类型——特别对于军事卫星通信系统——是核生存能力。此外,不是所有军事卫星通信系统都需要核生存能力——仅针对那些用于核指挥与控制的系统。

  在传统冲突中含有一个隐含的假定,威慑力将保持并且太空系统将不会被攻击。在后冷战时期这种假设的后果之一就是美国的太空系统,特别是军事卫星通信系统在传统冲突中存在重大弱点。潜在的敌人没有这种弱点,因为其他国家的军队没有像美国军队这样依赖太空。这种不对称使得在太空中保持传统的威慑力成为一件很困难的事情。就像德国违反国际惯例穿越比利时和卢森堡入侵法国一样,未来敌人可以通过违反国际惯例以及向太空领域发动攻击来利用美国的这种漏洞。

  正因为美国军队依靠基空基能力进行全球力量投射,反太空作战的特点主要是敌人努力阻止美军自由进入战略重要地区。反介入、区域封锁作战旨在限制美军向一个地区投射力量的能力。国防部在2013年一份提交给国会的关于中国军事和安全发展的报告中指出,中国人民解放军正在发展反太空武器,这“将在确保A2/AD作战中扮演重要角色。”这份报告继续指出(没有标识出特定的来源):

  中国军方的文件强调了“摧毁、破坏、以及干扰敌人侦察和通信卫星”的重要性,表明这样的系统,以及导航和预警卫星可能也成为“让敌人变成聋子和瞎子”的攻击行动的目标。同样的中国军方对美国以及盟军军事作战的分析也声称:“摧毁或捕获卫星和其他传感器等将剥夺敌人在战场上的主动权并且[让其很难]使得他们的精确制导武器发挥其作用。”

  在冷战期间,将军事卫星通信系统能力集中到一个有相对较小数量系统上是有道理的,因为发射成本较高,并且由于核战争几乎不会发生,所以几乎不会受到威胁。然而,这种情况应用到当前的卫星星座发射却不能解释在反介入和区域封锁环境反卫星作战的日益重要性。本章探究了军事卫星通信系统的漏洞,将这些威胁分为三种:物理攻击、电子攻击和网络攻击。

  物理攻击

  军事卫星通信容易受到几种不同形式的物理攻击。动能物理攻击的形式是反卫星武器,通过直接打击或者在附近引爆弹头摧毁目标卫星。在2007年,中国成功进行了一项直接攻击的反卫星武器的试验,摧毁了其在近地轨道的一颗卫星。美国在2008年跟着也发射一颗SM-3导弹拦截并摧毁了一颗计划在几天内重新进入大气层的废弃的美国军事卫星。核武器也能作为反卫星的动能武器,通过在太空或者高空中引爆它们从而摧毁卫星或者破坏其电子设备。卫星也容易受到共轨卫星的威胁,即一个已经在轨道上的卫星可以被故意机动至另一颗卫星。除了美国之外,印度、俄罗斯、中国和日本都有这些必要的技术来为这一目的建立和发射小型卫星,并且其他国家也可以加入这一行列。也可以使用太空地雷悄悄地跟踪一个目标卫星并在受到指令后引爆一个小型电荷。

  动能攻击通过完全地并且永久地使要攻击的系统丧失功能,很容易对这些系统造成灾难性的影响。此外,动能攻击产生的空间碎片会影响没有直接卷入冲突中的属于国家或企业的卫星。比如,中国在2007年进行的反卫星武器测试产生的人造物体占据了目前美国太空司令部正在跟踪的22000个人造物体的百分之十四——能够追踪到的碎片大约有3000个。一次太空核攻击将产生超过卫星由于大量的辐射被锁定而带来的广泛的影响。总的来说,动能武器是可以归因的,它们的影响是不可逆的,并且有高额的附带风险。因此,在太空使用这些武器将被视为冲突事件的重大升级。

  然而,非动能形式的物理攻击能够以较小的碎片风险把一颗卫星暂时地或部分地分解。像激光和高能微波系统这样的射线武器可以更快地(几秒钟内)锁定太空系统并产生不会立刻显现的影响。举个例子,一种高能激光能够用于破坏关键的卫星部件,比如太阳能阵列和传感器。但是这需要有高光束质量以及先进的稳定性和指向性的兆瓦级别的激光器——技术上成本太高并且不能广泛使用。然而在2006年12月,有报道称中国使用基于地面的激光器照射了美国的卫星,并且明显具有想“致盲”这些卫星的意图,这表明这种技术虽然先进,但是并不是遥不可及。

  卫星不是军事卫星通信架构中唯一受到物理攻击风险的部分。敌人可以通过攻击支持卫星的地面站来达到相同的效果,而不是直接攻击在轨卫星。地面部分可能更加容易受到攻击,因为它往往目标很明显、位于某个外国,并且相对来说是一个软目标。例如,电信港(图2中所示)作为军事卫星通信用户的关键中继。对于像宽带填隙卫星这样的宽带系统,从一个前沿部署用户传来的数据往往通过卫星发送传输到电信港,再通过另一个卫星或通过光纤中继给全世界的用户。窄带移动用户目标系统的用户甚至更加依赖地面站,这是由于所有通信必须通过地面控制中心,即便所有用户都在同样的卫星覆盖区内。像军事星和先进极高频卫星这样的受保护的军事卫星通信系统对地面站的依赖较小,因为它们有卫星间链路。这些链路使它们能够在卫星之间将数据从一个卫星传送到另外一个卫星,不需要通过一个地面站作为中介。

  地面站容易受到各种方式的直接物理攻击。制导火箭、火炮、迫击炮和导弹可以从可见范围外对地面站进行攻击,而火箭弹和轻武器也能在近距离使天线失去功能。通过攻击支持地面站的电网、水线和高容量通信线也可以对地面站进行破坏。尽管对地面站的攻击切断了它们的通信链路时会有很大的意义,但是效果不是永久性的。和卫星不同,卫星需要数年进行建造并且一旦发射就不能进行维修,而地面站可以根据不同的破坏程度在几天、几周或几个月内被修复。

  电子攻击

  电子攻击就是使用电磁能干扰通信,这种方法俗称电子干扰。电子干扰必须运作在相同的频带并且在目标天线的视野范围之内。和物理攻击不同,电子干扰是可逆的——一旦电子干扰停止,通信就会恢复。一种上行干扰方法通过产生足够的卫星不能区分的噪声来干扰卫星对信号的接收。控制链路的上行干扰能够阻止 卫星从地面操作者处接收指令。上行干扰也能够通过干扰卫星的上行数据来锁定传输给卫星的用户数据,这将对传输给所有下行接收者的数据进行破坏。一次上行干扰必须与它尝试干扰的信号有大致一样的信号强度,并且必须在其目标卫星天线的覆盖范围之内。这些因素都不具有特别的挑战性,特别是考虑到一个卫星天线的覆盖范围通常从直径几百英里到一千英里以上。

  尽管一次上行干扰能够对一个卫星的很多用户产生广泛的影响,但下行干扰可以造成更多局部的影响。下行干扰通过产生与卫星传送的下行信号频率相同的噪声来干扰目标卫星的地面用户。一次下行干扰仅仅需要与地面接收强度一样的信号,但是它也必须在接收端的天线的视线范围之内,这就限制了能够被单一信号干扰所影响的终端的数量。因为许多地面终端使用指向天空的定向天线,所以如果一次下行干扰处于比要干扰的天线更高的位置,那么将更加有效。这种限制可以通过在机载平台上装载下行干扰机来克服,把干扰机安置在终端和卫星之间,并且允许干扰机一个更广泛的区域中覆盖更多的终端。小型天线(弱终端)或全方向天线组成的地面终端有着更宽的视角,因此更容易受到下行干扰。

  2006年在众议院军事委员会战略部队小组委员会作证的罗伯特•凯勒中将指出,(当时是美国战略司令部副司令):美国军方已经在其租赁的商业系统上遭到过干扰。例如,对伊拉克自由行动期间16个月以上的商业卫星通信链路分析发现50个有记录的对商业卫星通信上的军事通信干扰的实例。在这50个实例中,有29例是确定的无意的“自我干扰”,比如一个终端在错误的频段工作或终端配置错误。剩下的21个记录发生的原因尚未确定,5个明显是潜在的敌意干扰。所有5个疑似干扰实例都发生在上行信号,来源于亚洲西南部区域,并且涉及使用连续载波信号的发射机。连续载波信号的发射机的使用特别可疑,因为它不太可能是友方用户的意外传输。此外,这些实例中使用的连续载波信号使一个波段中的中心频率发生变化——这就是干扰中所谓的“扫把”信号,因为它在一片较宽的频谱上产生间歇性的中断。

  正如上面例子所示,干扰很难被察觉和与意外干扰相区分。它也很难将一个特定的干扰实例归为一种特定的干扰源。即便有可能进行归类,消除这种干扰源也面临着许多难题。比如,在2003年向伊朗广播的美国之音电视据说受到来自古巴的干扰源的干扰。古巴处于劳拉天网卫星的天线辐射区域内,因此,这是一个进行上行干扰的理想位置。干扰源被确定在哈瓦那附近。尽管干扰有可能是古巴政府实施的,但有可能古巴也不知道自己境内产生的干扰源。不管古巴政府知道什么,他们都不太可能与美国合作来消除这些干扰源。

  网络攻击

  军事卫星通信系统也容易受到网络攻击,这种攻击可以用于拦截数据、破坏数据或者控制系统进行恶意目的。与电子攻击不同,电子攻击干扰在电磁频谱上传输的数据,而网络攻击的目标是数据本身和使用这些数据的系统。系统内部的任一数据接口都是一个潜在的入侵点,包括两个卫星上的天线和终端以及连接地面站到地面网络的陆上通信线。网络攻击的目标可以是卫星、地面控制站和终端。对其中任意一部分成功的网络攻击都可以用来对其他部分进行额外的攻击。一次对军事卫星通信系统的网络攻击的影响范围可以从局部破坏(也就是让单一的终端停止工作)到大范围破坏以及可能让一个卫星永久丧失功能。找到网络攻击的来源,如果不是不可能的话,也将是非常困难的事情,因为攻击者可以使用多种方式来隐藏自己的身份,比如使用一台劫持到的电脑进行攻击。

  一次网络攻击可以用于多种目的,包括:通信侦查和监视;数据的拦截和利用;数据破坏和欺骗;以及夺取关键系统的指挥和控制。例如,敌人能够获取系统访问权来监视数据流并找出像用户位置以及哪些用户正在进行相互间的通信这样的敏感的操作细节。一次网络攻击也会用于秘密地拦截通信并将这些信息加以利用来获取作战优势。一次更加复杂的网络攻击能够有意地破坏通过通信系统的数据,使得最终用户得到错误的数据或者让所有用户都质疑该系统的真实性。一种更加具有破坏形式的网络攻击包含对一个系统进行控制。例如,如果敌人能够控制一颗卫星,那么他就能中断所有通信,将卫星移动到另外一个轨道上,甚至通过扩大其燃料供应或破坏其电子设备来摧毁这颗卫星。此外,控制人员很难知道是什么原因造成了卫星失控,因为意外故障也会不定期地发生。

  与物理攻击和电子攻击一样,在太空领域的网络攻击已经在发生。2009年在伊拉克和阿富汗境内叛乱分子的笔记本电脑拷贝的视频中发现这些叛乱分子一直在从美国捕食者无人侦察机截取了传输的视频。因为这些视频资料传输时没有进行任何的保护或加密,所以叛乱分子能够使用商业化的软件来截取数据。2011年美国美中经济和安全审查委员会在其向国会提交的报告中引用2007年和2008年发生的4个例子,这些例子都是网络攻击者对美国两颗卫星进行网络攻击,攻击意图都是这两颗卫星的指挥与控制系统。这些攻击中最成功的是对用于进行地球观测的美国国家航空航天局的卫星进行的攻击,即所知的Terra EOS卫星。委员会指出在这次攻击中:“责任方完成了所有控制卫星所需的步骤,但是没有发出指令。”

  威胁的比较

  尽管上面所列举的所有缺陷在设计下一代军事卫星通信架构时都应该被考虑进去,但是这些缺陷有不同的优先级。应该根据这些缺陷的潜在影响和发生的可能性决定其优先级,如图4中所示。对军事行动有着巨大的潜在影响,并且很容易被敌人利用(如图表上右上方象限所示)的缺陷应该被放在最高优先级。

  权衡威胁的相对影响的重要度量标准是干扰的范围和持续时间。例如,动能反卫星武器将引起广泛的并且长久的中断,因为它将摧毁一颗卫星,这将要花费数年时间进行替换,并且攻击产生的轨道上的碎片会在未来几十年影响许多其他的太空系统。上行干扰的影响相对较小,因为它能在一个广泛的区域内影响一颗卫星的所有用户,但是这种影响是暂时的并且不会对系统造成永久的损害。下行干扰也是可逆的,并且相比上行干扰能造成的影响更加有限,因为下行干扰仅仅影响干扰视线范围内的用户。

  了解正被利用的某个特定缺陷相对可能性的关键指标是发动攻击所需要的资源(即发动攻击的困难度)和归因的可能性。需要复杂或昂贵技术的攻击方式很少有敌人使用,因此比使用常用技术进行攻击的可能性要小。认为发起低报复风险的匿名攻击方法比来源会被立刻确定的攻击方法更有可能被使用是合情合理的。例如,上行和下行干扰都是相对于其他方法更有可能被使用的攻击形式,因为它们能够使用现成的技术,并且如同之前引用的例子所展示的那样,对间歇性的干扰进行侦测和归因是很困难的。然而,动能反卫星武器使用的可能性相对较小,因为它需要更多先进的技术,并且发射区会被美国导弹 卫星识别,这会产生遭到还击的潜在可能。

  图4中所展示的方法的一个重要限制是威胁的影响和威胁发生的可能性从根本上来说是一种主观的评估,需要周期性的再审查。尽管如此,这些漏洞中优先级排序相对较高的必须要了解哪些是最需要解决的。

  第二章:资金约束

  在防御计划中有一条名言:“敌人有决定权”,意思是敌人的决定能够影响你的计划。这条名言可以延伸包括国会和采购系统本身,因为军事卫星通信系统已经证明容易产生像成本超支、资金不稳定和其他程序性因素,从而阻止卫星发射,就像受到物理、电子和网络攻击一样。随着军方开始计划构建下一代军事卫星通信架构,负担能力成为一个重要的问题。本章描述了总体防御预算环境、军事卫星通信系统的关键成本动因和这些系统必须抵抗的程序性威胁。

  预算环境

  纵观美国历史,防御预算会随着经济和安全环境的变化而相应的出现非周期性的起伏。防御预算看起来好像进入了一个周期的衰退阶段,这一阶段可能还要延续整个十年。从1998财政年度到2010财政年度,国防部总体预算实质上增长了108%,或者除去伊拉克和阿富汗的战争开销增长了59%。2011年预算控制法案(BCA)作为广泛赤字削减协议的一部分,设置了到2021财政年度的防御预算上限。当所谓的超级委员会没有能够找到额外的BCA所要求的赤字削减时,这些上限在2011年11月自动减少了。根据修改之后的预算上线,2021财政年对国防部基础预算将实质上比2010财政年度的峰值减少13%——或者如果包括预期减少的战争经费,将减少33%。

  这一下降水平大约与之前的下降水平一致。在朝鲜战争结束后,国防开支实质上从峰值到谷值下降了51%(1952财政年度至1955财政年度)。国防开支在越南战争期间的1968财政年度达到顶峰,到1975财政年度下降了25%。同样地,1980年代期间国防开支开始增长,在1985财政年度达到峰值,随后下降了35%,并在1998财政年度达到最低点。关于之前的衰退周期部分值得注意的是每次军队的缩减都会带来显著的国防开支削减。例如,朝鲜战争结束后军队总兵力从360万下降到250万、越南战争结束后从350万下降到200万、在1980年代军事扩展后从220万下降到140万。

  然而,这种衰退可能是各不相同的,因为这次军事扩张可能不同以往。过去几十年里国防开支的增长并没有涉及军队的显著扩张——兵力在145万至151万之间波动。军队的规模今天基本上与当时开始发展建设时相当,使得国防部很难通过简单削减部队规模而获得费用节省。

  军队在最近扩展中规模并没有扩大,而仅仅是增加了开销。例如,从2001财政年对到2012财政年度,每一个现役人员的补偿成本增长了56%,扣除通货膨胀因素,大概每年增长4.1%。结果是国防部预算的基础份额中专用于军方人员相关的成本从2001财政年度的30%增长到2012财政年度的34%。即便军方人员相关成本恢复到每年实质增长2.6%的历史基准水平,到2021财政年度也将消耗当前政策规定的资金水平下46%的国防部预算。和平时期的作战成本以及现役军种人员的供给费用也在增加,自2001财政年度起实质上增长了34%,或者每年2.7%。如果和平时期的作战和维护成本恢复到它们的历史基准水平,即实质上每年2.5%的增长,那么到2021财政年度它们将消耗40%的国防部预算。如果这样的话,只剩下14%的预算用于采购、科研、开发、测试和评估、军队建设以及家庭住宅的建设。目前国防部分配其预算的36% 用于这些项目。在这种预算环境中,军事卫星通信项目不仅将被迫在一个非常小的采购预算的情况下与其他项目竞争,还将与采购之外的其他优先项目竞争,比如部队结构、战备和军事补偿。

  尽管适应一个竞争更加激烈的威胁环境应该是下一代军事卫星通信架构最优先事项,但是负担能力也同样重要。当前需要面对的挑战是在不抬高成本以及军事卫星通信系统在可负担的前提下改进对最有可能的威胁的防护。重要的第一步就是理解军事卫星通信空间、控制和终端部分的关键成本驱动因素。

  关键的成本驱动因素

  空间部分

  太空部分重要的成本组成是卫星,包括卫星总线和有效载荷,以及让这些卫星进入轨道的运载火箭。不同类型的卫星的成本有很大的差别。表1显示了目前先进极高频卫星、宽带填隙卫星和移动用户目标系统卫星的平均单位成本估计,包括所有的经常性成本和一次性成本。虽然卫星尺寸很小,但是它们的成本都会受到这5个因素之一的影响。像先进极高频卫星这样的受保护的卫星价格更加昂贵,因为卫星总线和有效载荷更加复杂并且有许多独特的军事需求。例如,尽管先进极高频卫星是基于洛克希德马丁公司的商用A2100型总线,但为了满足战略用户的需求,它必须进行核硬化。相反,宽带填隙卫星使用波音公司的702HP商用卫星总线不需要进行过多的改进,使得计划能利用更多成熟的商业技术并减少一次性开发成本。对于上面的所有三种卫星,有效载荷对美军都是独特的,这都是因为美军操作的频带、使用的波形以及其他军事军事需求所致。

  表1:当代军事卫星通信系统成本

  卫星群 卫星质量 卫星总线 每颗卫星的平均成本(10亿美元为单位)

  AEHF 6168kg Lockheed A2100M $2.45

  MUOS 6740kg Lockheed A2100M $1.22

  WGS 5990kg Lockheed A2100M $0.51

  在过去十年成本超支已经成为军事卫星通信卫星的一个重要问题。目前三个在生产的系统都超过了最初的成本预算,如图6所示。特别是先进极高频卫星深受成本超支的困扰——超过其最初基线的83%——由于计划的卫星数量出现重大变化。该项目原本计划装备5颗卫星,但是在转型卫星通信系统项目开始后减少到3颗。随着转型卫星通信系统项目遭遇延期,先进极高频卫星项目回复到5颗卫星。然而,在做出这些决定花费的时间造成承包商生产的中断,这就使得第四颗卫星的成本超过第三颗卫星的两倍,违反了纳恩—麦克迪法案。由于生产中断,宽带填隙卫星通信项目也违反了纳恩—麦克迪法案,Block II(4到6颗卫星)的成本大约超过Block I(1到3颗卫星)成本的50%。并且Block III(7到8颗卫星)成本超过第二批次50%。

  对当代军事卫星通信系统来说,卫星的关键成本驱动因素似乎是项目的不稳定性(导致生产中断)和军方对卫星总线和有效载荷的特殊需求。原则上国际合作伙伴可以通过扩大一个项目中的利益相关方来帮助提高项目的稳定性。除了抵消一部分成本之外,国际合作伙伴的加入能够增加美国和伙伴国军队之间的互通性优势。加拿大、荷兰以及英国都是先进极高频卫星项目的合作伙伴,并且他们共同为项目投资了2.705亿美元。澳大利亚在2007年加入了全球宽带填隙卫星项目,为六颗卫星和相关地面设备提供了9.27亿美元的资金,作为交换,澳大利亚获得卫星星座中一颗卫星的全部带宽。全球宽带填隙卫星通信项目加入澳大利亚的值得我们注意,因为这可能可以阻止第五和第六颗卫星的生产中断。

  在军事卫星通信中,卫星的主要承包商是卫星总线制造商。卫星的有效载荷(或者部分有效载荷)一般分包给另一家公司。特别是对于宽带和窄带系统,卫星可以使用可用几乎不做改进的商业卫星总线。然而,有效载荷一般具有更多特殊的军事需求并且需要更多专门定制的开发工作,这就将合格供应商的数量限制在了仅一家或两家公司上。减少卫星成本的一种方法是将卫星总线和有效载荷的采购进行分离。这种方法能够通过允许卫星总线供应商对总线进行单独投标,从而产生更多的竞争机会,这就能够吸引那些可能没有足够能力作为整个计划的具体军事事项的主要供应商的小型的或者更商业化的公司参与到竞争中来。另一种减少成本的选择是让有效载荷承包商成为主要供应商,因为这些能力的竞争有限,并且允许卫星总线的竞争主要在分包商层次。

  发射

  尽管发射成本要小于卫星成本本身,但是也是军事卫星通信系统的一个主要考虑因素。当代军事卫星通信卫星重量基本相同,如表1所示,并且发射到相同的同步轨道上。因此,这三种卫星的发射成本都差不多,在2013财政年度大约每次发射费用为1.2亿美元到1.3亿美元之间。发射成本上,先进极高频卫星发生成本增长大概增加5%,移动用户目标系统卫星发射成本增加10%,宽带填隙卫星成本增加25%。

  军事卫星通信卫星趋向于大型和高聚合的一个原因是每个单位质量的发射成本有下降趋势而同时卫星的质量在增加,如图7所示。例如,发射一颗6吨重的卫星要比发射2颗3吨重的卫星成本更低。然而,一种新的太空发射提供商,以改变成本曲线为目的,使得较小型的任务更加经济。图中绿色显示的是太空X的猎鹰9号和猎鹰9号运载火箭的广告价格,相比较之下明显低于改进型一次性运载火箭的成本。特别是猎鹰9号大约只有阿特拉斯V401型运载火箭成本的一半。如果空军能够意识到这些可以预计到的经费节省,那么小型卫星可能成为未来架构中更具有吸引力的选择。

  控制和终端部分

  军事卫星通信的控制段包括负责控制卫星总线和有效载荷的地面系统。综合指挥与控制系统(CCS-C)用于空军军事卫星通信系统的S波段卫星总线的控制,包括宽带填隙卫星、先进极高频卫星、军事星以及国防通信卫星系统的卫星。空军的先进极高频卫星的任务控制部分负责控制先进极高频卫星的有效载荷和卫星总线的正常运作。宽带填隙卫星的有效载荷由宽带卫星作业中心控制,该中心由陆军负责操作和维护。移动用户目标系统卫星星座由海军进行开发和管理,使用独立的指挥与控制系统,包括用于控制卫星总线的卫星控制部分和用于控制有效载荷的网络管理部分。

  终端部分的开发和采购也分散在各军种中。陆海空三军各自拥有独立的先进极高频卫星和宽带填隙卫星的终端采购项目。移动用户目标系统终端的开发合并到联合战术无线电项目中,但终端分别由各军种提供资金。然而,由于不断出现的成本超支和工程延期,陆海空三军正在寻求能够替代已开发的联合战术无线电系统的移动用户目标系统终端的选择。

  因为系统有许多不同的资金来源,其中一些会与其他项目成本重叠,所以控制与终端部分的总成本很难量化。控制部分主要的资金部分是来自卫星发展项目,并且一般不分开报告。终端部分的成本计算起来更加复杂,因为成本分布在所有三个军事部门的多个终端采购项目中。此外,终端天线成本和集成成本有时候由使用这些终端的平台全部或部分地出资。根据一项估计,终端部分的成本要高于太空和控制部分的成本总和。

  成本是阻止受保护的军事卫星通信终端扩散到更多战术用户的重要因素。海军多频段终端和空军的高级超视距终端系统系列是为具有先进极高频卫星保护终端的两种主要的采购项目。这两个项目都经历了巨大的成本超支和工程延期。海军多频段终端和空军的高级超视距终端系列每个终端的全部成本现在估计分别达到平均7亿美元到18.9亿美元。陆军选择升级其库存中现有的安全移动抗干扰可靠战术终端来操作在先进极高频卫星上,而不是全部装备新型终端。一个具有先进极高频卫星能力的安全移动抗干扰可靠战术终端的估计成本为2.5亿美元/台。

  为了将受保护的军事卫星通信能力扩展给更多空中、海上和地面用户,国防部必须压低受保护终端的成本。指望终端成本超过装备它们的平台的成本是不现实的。然而,军方对减少终端成本所进行的尝试已经证明是无效的或适得其反的。例如,在2003年6月负责网络和信息集成的助理国防部长发布了一份备忘录,要求所有2MHz以上的无线电系统(包括所有军事卫星通信终端)的开发要遵循软件通信体系架构。这项新要求适用于那些已经在开发的项目,比如海军多频段终端和高级超视距终端系统系列。在接下来几年里,随着这些项目尝试修改他们的设计来确保与还没有定义完全的软件通信体系架构标准相符合,该决定将会导致额外的成本和工程延误,特别是对于高数据传输速率的军事卫星通信系统。

  然而,军方并不需要开发一种新型终端、一系列新标准或一种新的波形来减少成本。工业界认识到已经存在的军队需求和市场机遇,已经开始致力于自我开发低成本的受保护终端用于先进极高频卫星和军事星。例如,电信系统、诺斯罗普格鲁门公司以及洛克希德马丁公司已经合作开发和提供两种低成本的受保护终端:一种用于受保护的移动通信(P-COTM),另一种用于受保护的SIPR/NIPR(P-SNAP)访问。这些终端成本低至每台35万美元——只是现存的受保护终端成本的一小部分。这些低成本终端虽然没有海军多频段终端 、高级超视距终端系统系列和保密移动抗干扰可靠战术终端的全部产品特点,但是它们提供基本的保护,将允许国防部把受保护的通信功能扩展给更多的战术用户——正好可以达到盖茨部长倡议的“百分之80解决”要求。

  计划性威胁

  恶性循环

  军事卫星通信采购在技术上比较复杂,伴随着较长的开发和生产计划,并且采购数量相对较小。这些因素相互作用形成所谓的“太空采购的恶性循环”:更高的成本导致更小的卫星星座和更长的生产周期;更小的卫星星座需要在每颗卫星上嵌入更多功能;而给每颗卫星嵌入更多功能将提高复杂度,导致更高的成本和更长的生产周期。太空采购的恶性循环使得军事卫星通信系统可以说受到成本超支和工程延期的风险和受到物理、电子以及网络攻击的风险一样大。

  工作中一个引人注目的恶性循环的范例就是转型卫星通信系统,它本来目的是成为宽带填隙卫星和先进极高频卫星系统的后续。转型卫星通信系统将宽带和受保护能力聚合到小数量的卫星。在其最初的配置中,政府设想转型卫星通信系统将工作在X-波段、Ka波段以及极高频波段,并且将在特别的高容量通信链路上使用激光。当该项目在2004年被提出时,空军积极地计划了2011年的发射日期,并且为这个5颗卫星组成的卫星星座投资了总共15.5亿美元。当其中一些需要的技术被证明还没达到预期的目标时,工期延误了,成本增加了,并且一些能力被删除或者推迟放入到未来版本的卫星中。国会注意到了计划表过于紧张并且需要的技术还不够成熟,转而减少了项目资金。工程延期、成本增长、资金不稳以及能力减少的层叠效应一直持续到2009年项目终止时。当时超过30亿美元的资金已经花费在开发上;设计中许多能力被删除;项目的总计划成本增加到超过300亿美元;并且第一次发射最早也要到2019年。空军空间和导弹系统中心后来承认转型卫星通信系统是采购系统的“恶性循环的一个代表”。

  计划同步

  军事卫星通信系统的另一种计划性漏洞是整个太空部分、控制部分和终端部分的同步。同步就是相互依赖的计划之间进行适当的安排调整以高效和有效地交付能力。2001年,美国国家安全太空管理和组织评估委员会在其向国会提供的最后报告中指出:

  当卫星计划的资金由一个预算安排,而终端由另一个预算安排时,分散安排会造成计划的中断和重叠。它会导致卫星和相关终端采购的不同步。当前国家安全太空计划的预算方法缺乏发展连贯项目的可见性和必要的问责机制。

  军事卫星通信计划的同步非常重要,因为所有三个部分(太空、终端和控制)都是系统作业所必须的。这些部分彼此之间相对的部署时间非常重要,因为卫星在轨道上的工作寿命是有限的——定位需要消耗燃料,在恶劣的太空环境中会部分降解,并且随着时间的推移,技术会逐渐被淘汰。当整个系统有一个部分由于资金短缺或开发问题落后于时间表时,其他部分可能也要被迫推迟它们的时间表。更复杂的情况是,投资给军事卫星通信三个部分的项目及其相关预算的资金遍布陆海空三军。在终端部分,陆军、海军和空军各自独立地对他们自己的军事卫星通信终端的开发进行投资。举个例子,如果陆军或海军的终端项目落后于时间表,那么它可能导致空军推迟卫星的发射或面临在轨道资产得不到充分利用而产生浪费的风险。同样,卫星计划的延期会引发用于该卫星上的整个终端项目大范围的延期。最终这会导致计划所涉及的资金不稳和连续的工程延期,只会加剧太空采购的“恶性循环”。

  军事卫星通信系统也依赖于其他的太空要素,比如运载火箭。运载火箭交付的延期,无论是因为资金原因还是技术问题,都会对军事卫星通信采购项目产生连锁反应。因为军事卫星通信架构长期以来依靠相对较少数量的卫星采购,即使一颗卫星发射失败都会造成严重的后果。这种依赖关系的一个近期的例子就是RL10火箭上端的异常飞行,这是发射军事卫星通信和其他关键太空系统的改进型一次性运载火箭(EELV)上所使用的唯一上段火箭。当2012年10月4日发射一颗全球卫星定位系统卫星时,RL10上段火箭出现了一次燃料泄漏。尽管卫星仍然发射到了预定轨道上,但是这次异常引起一次全面的调查并推迟了其他所有改进型一次性运载火箭的发射。美国空军太空司令部司令威廉•谢尔顿将军指出:“我们必须查明发生了什么以及发生的原因,因为没有备用计划。发射失败的成本将是惊人的。”

  第三章:未来架构选择

  本章探讨了解决上述几章所明确的双重挑战的选择:一个更具竞争的太空环境和一个更紧张的预算环境。在现在解密的美国国家侦察局1972年备忘录文件中,物理学家阿姆卡茨提出几种保护太空系统的一般方法。他承认还不是很完整,包括:1、让卫星更难以受到攻击;2、让卫星更难被侦测;3、让卫星更容易替换;4、做好击落敌人卫星的准备。

  卡茨的第二个观点——让卫星更难被侦测——在军事卫星通信中还可行,因为根据定义卫星在电磁频谱中显然有多种发射器,并且很容易被侦测到。卡茨指出第四种观点也不是有显著效果的方法,因为击落其他卫星并不能挽救失去功能的美国卫星。此外,这种威慑形式对本身不拥有重要太空资产的敌人来说效果并不好。

  本章中提出的未来架构选择是建立在卡茨的第一条和第三条建议的基础上。前两项选择涉及让系统更难受到攻击方面——卡茨的第一个观点——通过改进系统防御和分解、分散或扩散卫星星座来使卫星更难被锁定。探究的第三种选择是让系统更容易进行替换——卡茨的第三个观点——这样它们的能力可以在受到攻击后快速重建。第四种选择——卡茨没有列出——涉及到使用能提供相似的通信能力的产品来替代军事卫星通信。和卡茨列选择类似的是,本章探究的这些选择并不是为了涵盖所有或相互排斥。

  改进防御

  改进军事卫星通信系统的防御可以使其系统很难被敌人攻击、被破坏或降低通信能力。尽管太空部分容易受到很多方式的攻击,但控制和终端部分也很脆弱并且必须加以考虑。最终整个系统的保护的强度在于其最薄弱的环节,而军事卫星通信系统最薄弱的环节在某些情况下可能会是地面。

  随着受保护的军事卫星通信的许多需求集中于战略任务,当前军事卫星通信架构把系统划分为受保护型和非保护型两种。但是明显地依照这些划分通信架构有些随意,因为保护不是全部都有也不是完全没有。根据系统需要应对的威胁,保护的程度类型和类型不仅相同。例如,像军事星和先进极高频卫星这样的受保护的系统使用若干特殊设计来抵抗干扰。然而,即便使用了所有这些特性,军事星和先进极高频卫星也不能完全抗干扰。干扰仍然会降低这些系统的性能并且导致一些用户的完全失去通联。同样地,像移动用户目标系统和宽带填隙卫星这样的非保护系统也能使用一些特性,比如天线开槽和扩频波形来增加对干扰的抵抗力。

  为了确定如何最好地改进军事卫星通信防御,需要回答下面4个最基本的问题:

  1、系统需要防御哪些威胁?

  2、相对于这些威胁,系统的最薄弱环节是什么?

  3、什么级别的保护是足够的?

  4、什么级别的保护是能负担得起的?

  第一个问题需要对不同形式威胁的可能性及其影响有一个坦率的评价,如本文第一章的图4总结的那样。最优先事项是防御军事卫星通信系统抵抗具有潜在最大影响的卫星——风险坐标的右上方象限。第二个问题需要对整个军事卫星通信架构有一个全面的评估,从终端和地面站到卫星总线和有效载荷,这样才能确定相对于这些威胁来说最薄弱的系统部分。第三和第四个问题涉及到资源和风险之间的权衡。一个系统能够容忍的风险程度必须与资源的可利用性之间相平衡从而“买下”那些风险。

  所有这四个问题的答案最终都是主观性的,但是在评估改进军事卫星通信系统防御的不同方法时,它们仍然是需要回答的重要问题。下面是改进这些防御以及每个选择可以帮助应对威胁的不同方式的简单列表。列表被划分为被动防御和主动防御两部分,被动防御能够让系统在受到攻击后生存并继续工作,主动防御尝试对攻击进行拦截和破坏。

  被动防御

  跳扩频:这种保护方式包含使用发送方和接收方都知道的伪随机序列快速地改变传输频率。它能够通过使一个窄带干扰难以匹配传输频率从而抵抗上行干扰和下行干扰。通过在一个更大范围的带宽上传播信号降低传输所需要的功率,也能使信号更难被侦测。并且无需知道跳频的模式,信号就很难被拦截——随机跳跃很难从背景噪声中被区分出来。

  天线开槽/零位:军事卫星通信系统的天线可以用来改进其抗干扰能力,特别是在太空部分的抗干扰能力。天线开槽可以阻止一个频率段所有信号的接收,同时天线零位阻止某一地理位置发出的所有信号的接收。例如,一个零位能够用于阻止来自某一疑似上行干扰地区的所有信号。然而,零位也消除了干扰源周围地区的信号,也会封锁零位覆盖范围内所有授权用户。

  机载处理:军事卫星通信系统也能通过在信号中继转发给另一用户前对其进行解调和解码来提升它们的抗干扰以及其他形式的干扰的能力。这允许卫星侦测和修改来自上行数据中的错误,这样这些错误就不会传播到下行链路上去。

  交织:分开和混合非连续传输的数据比特的过程被称为交织。因为射频干扰趋向于爆发性的发生,所以传输过程中错误经常发生在一个数据的多个相邻的比特位上。如果在一个数据包内发生错误的比特要多于纠错法能够纠正的数量,那么数据将会损坏。交织通过在数据传输之前打乱其顺序以及在接收后进行重组来减少这种风险。这就最小化了干扰爆发时在一个数据包内产生多个错误的可能性。当机载处理和跳频扩频技术结合时,交织可以极大提升抗干扰和其他形式的干扰的能力。然而,交织会增加延迟——数据传输和数据接收之间间隔的时间——因为在一个交叉区中所有的数据必须在其使用前接收并按合适的顺序重组。

  卫星交叉链接:卫星可以通过使用卫星内部链路直接在卫星之间传输数据,从而减少它们对地面站的依赖。没有交叉链接的话,卫星必须路由其接收的所有数据给其覆盖范围内的地面站。对于超过卫星覆盖范围之外的通信,这就意味着数据必须路由返还给另一颗卫星然后发送到另一个地面站,这将造成传输的延时并占用更多有价值的卫星资源。如果这些地面站中的一个停止工作,无论是由于受到攻击、恶劣天气影响还是其他原因,这颗卫星可能就不能路由数据给预定的接收方。

  交叉链接允许卫星直接将数据路由给超过其覆盖范围的其他卫星和用户。并且因为卫星之间使用的天线没有指向地球,所以几乎没有有能够进行潜在的网络攻击的入口点以及对其进行侦测、拦截和干扰的机会。交叉链接也意味着整个卫星星座可以用一个单独的控制站进行控制和管理,这减少了每颗卫星覆盖范围内的主要和备用站的需求。

  电磁脉冲硬化:无论是由核爆炸或是高能微波武器产生的电磁脉冲都会损坏卫星、终端和控制系统的电路及其组件。系统可以通过屏蔽来获得更好的生存能力,但是需要进行额外的开发和测试来保证部件在增加复杂和费用的同时能受到充分的保护。尽管硬化不能保护卫星免受近距离的核爆炸,但是它能够迫使攻击者对每颗卫星都要花费一个核弹头。

  常规地面攻击硬化:地面站可以通过多种方式增强抵抗常规物理攻击的能力,比如建造大范围的周边设施,把地面站迁移到隐蔽区域,建造设计用于抵挡攻击的坚固遮盖物,以及维持坚固的电力、水和其他必要的备份系统。

  数据加密:对抗网络攻击最基本的保护之一就是对所有通过军事卫星通信系统的数据进行加密。尽管加密根据任务不同有不同的等级,但是最低级别的加密可以应用于所有通信中。

  主动防御

  与被动防御不同,被动防御是系统在攻击后能生存和运作,而主动防御旨在拦截、破坏或在攻击对通信造成影响前阻止它。

  反击:一种防御反卫星武器的方法是给予卫星反击能力。如果反卫星武器已经部署,卫星可以在其爆炸前使用一个小型动能拦截器或非动能武器来对弹头进行打击,比如高能激光束。这种方法的一个主要难题是反击能力会增加一颗成本已经很高昂的卫星的重量、功率和技术复杂度。因为卫星的质量和功率都是有限的,无论动能反击系统还是定向能反击系统面对来袭威胁时射击的数量都有限。和陆上导弹防御系统相似,卫星防御反击系统会将美国的成本增加战略推向错误的一边,因为敌人建造更多反卫星武器花费的成本要比美国建造对抗更多反卫星武器的系统的成本要低。此外,即使反击系统成功地拦截了一次威胁,被摧毁的弹头可能会产生长时间的残骸区,从而对目标卫星和其他卫星产生威胁。

  护卫卫星:另一种保护太空系统的方式是在轨道上部署拥有反击能力的护卫卫星。一个小型护卫卫星星座大体上能够部署在各轨道间,从而保护大量的卫星,并且成本相对于直接在每颗卫星上装备反击能力要低。这从本质上来说将成为一种太空的区域防护方式。然而,护卫卫星仍然面临许多和反击系统一样的问题:它们射击次数有限,他们的成本测量方式有利于攻击者,并且一次成功的拦截可能会产生危险的残骸区。

  机动:设计具有机动反卫星武器能力的卫星是冷战期间的一种开发选择。这种方式需要面临的挑战是卫星必须能够很快地加速——大约要和其需要回避的反卫星武器的速度一样快——这需要卫星大部分的质量致力于装配燃料而不是有效载荷。美国国会技术评估办公室在1985年进行的一项研究发现攻击者更倾向于使用物理攻击。“因为拦截器的有效载荷非常小,一个拦截器可能具有加速和变速能力,提供这种能力给大型任务有效载荷的卫星将需要更昂贵的成本。”

  攻击源头:也许太空系统防御物理攻击最有希望的方式就是使用基于地面的武器打击攻击卫星的来源地。例如,可以使用巡航导弹或GPS制导炸弹这样的常规武器对发射反卫星武器的设施或高能激光武器的位置进行地面攻击。像共轨卫星这样的基于太空的反卫星武器也能被从地面发射的动能或非动能反卫星武器或其他共轨卫星攻击。然而,移动反卫星武器系统和隐形共轨卫星的位置在攻击前可能不知道。

  上面所提出的所有选择都是为了改进军事卫星通信系统的防御力,无论是主动的还是被动的都会增加成本和复杂度。例如,与执行数据加密、跳扩频技术和交叉有关的成本相对于整个系统成本来说相对较小,因为它们很大程度上不需要对卫星设计做出根本性的改变就可以在软件或有效载荷中得到实现。而相反的,像反击或机动能力这样的主动防御将很容易显著地增加军事卫星通信系统的成本,并且需要一些更大的卫星总线或更小的有效载荷的联合,从而补偿主动防御所需要的额外尺寸、重量和功率。

  值得注意的是动能反卫星武器的使用和反击反卫星武器系统会威胁到全球范围内的军事、民用以及商业太空系统的生存,比如之前讨论的反击和护卫卫星能力。 反卫星武器攻击或反攻击每产生一次碎片,其他卫星随机碰撞碎片的概率就会增加。每次碰撞——无论碎片撞击一颗卫星或其他碎片——都会产生数千个新的碎片,从而未来碰撞的概率会以指数增长,这一过程被称为凯斯勒现象。在某一时刻,碎片的密度会达到“临界质量”并在随后的几个月或几年中引起一场不受控制的链式碰撞反应,任意地消灭价值几十亿美金的重要太空基础设施,这些设施是所有国家都依赖的。它将产生一片碎片云环绕着地球,使得未来卫星发射具有更大的风险——有效地毁坏了所有民用、商用和军事用户的太空领域。

  分解、分散或扩散

  另一种改进军事卫星通信系统保护的方式是让系统更难被锁定,通过下面几种方法:1、分解能力,这样多个任务不需要依靠相同的卫星星座;2、通过将有效负荷分配给更多的卫星来分散能力;3、通过发射更多相同的卫星扩张卫星星座。在分解或分散架构中,每颗卫星或总线体积较小、功能较少并且更加廉价。然而,因为更高的发射成本和额外增加的卫星总线成本卫星星座的总成本可能并不低。因为要生产更多相同的卫星,卫星星座的扩散当然会更加昂贵,尽管单颗卫星成本会下降,但是需要建造更多相同类型的卫星。

  所有三种方式都使得系统在损失单颗卫星时更加有弹性,因为每颗卫星仅代表着所有能力的一小部分。这种方式通过迫使敌人锁定更多的卫星才能达到相同的效果,从而增加了敌人计划的复杂性。正如空军太空和导弹系统中心已经注意到的那样:“通过减少单个火箭损失造成的运作影响,增加卫星星座尺寸以及进行能力分配,我们也可以改变攻击的影响并让敌人更难达到他预期的目的。”然而,这些方法并不是没有风险的。尽管分解、分散和扩散增加一次攻击的难度,但是它可能并不会对具有充足的反卫星武器弹药的敌人构成真正的挑战。如果敌人具有攻击一颗卫星的能力,那么它也能够攻击更多的卫星。对于具有反击或护卫卫星能力的情况,随着竞争规模的增加攻击者将具有成本优势,因为反卫星武器的成本远比他们要攻击的卫星的成本更加低廉。尽管防御方在这种情况下将处在不利的位置,但是考虑到产生太空碎片的潜在可能以及长期的全球影响将导致更多的卫星被摧毁,攻击者也可能不愿意升级全面的太空攻击。

  一种分散和/或分解太空部分的方法是采用有效载荷中心采购模式。中心有效载荷方式将着眼于优先指定载荷的能力并随后寻找主机载荷的卫星总线。使用这种方法,有效载荷能够被设计为从一开始就由多种卫星总线进行托管。它也将卫星总线的采购从卫星的有效载荷上分离,并创造更多可能在非国防部卫星上托管国防部有效载荷。举个例子,如果一颗商业卫星具有额外的可用载荷能力,那么国防部可以向其付款来获得一颗军事卫星通信有效载荷的托管权。因为接口的不同以及卫星总线功能的差异,使用中心有效载荷方式会面临系统集成方面的难题。它也会带来操作上的挑战,比如被迫与其他有效载荷共享卫星资源或为不同总线的卫星使用不同的系统控制软件。

  将军事卫星通信有效载荷托管在其他国家卫星上——另一种分散形式——可以用来复杂敌人的算盘。例如,作为亚洲/太平洋地区再平衡的一部分,美国可以同区域内的同盟国合作,比如日本、韩国和澳大利亚,在他们其中一颗卫星上托管受保护的先进极高频卫星有效载荷。作为交换,这些国家可以获得全球先进极高频卫星星座的有限使用权。尽管这样的安排将需要克服各种政策和操作上的难题,但是潜在的操作和财务的收益会让这种探索富有价值。从同盟国的角度来看,这种方式将提升他们与美军之间的互通性并给予访问全球卫星星座的能力,花费的成本比他们自己装备相同能力的成本要小得多。从敌人的角度来看,这将极大地复杂他们的计划,因为一次针对受托管有效载荷的攻击(无论是物理攻击、电子攻击还是网络攻击)都将要同时攻击美国和其托管的国家,这会导致危机横向升级的风险。

  另一种扩散卫星星座的选择是使用在轨备件—— 功能齐全的卫星在太空中保持休眠状态,直到需要它们时再启动。这种方法有效地扩大卫星星座的规模,使得卫星星座在损失一颗或更多卫星时仍然能继续工作。与在运行的卫星相似,存储在太空中的卫星会受到所有恶劣太空环境中的常见损坏并且会耗尽消耗品,比如用于轨道控制的燃料。此外,一次破坏或摧毁运行卫星的动能攻击可能会留下垃圾,影响附近轨道上的存储的备用卫星,并且备用卫星本身会被锁定为目标。将卫星存储在地面,并在需要进行替换时发射它们可能更有意义,后面会对这种使系统更容易进行替换的选择进行讨论。

  在控制与终端部分也存在使用分解、分散和扩散的机会。例如,空军卫星控制网络使用全球的八处远程跟踪设施为所有军事卫星提供指挥与控制。国防部也运作全球六个地方的核心电信港设施,这些设施是整个军事卫星通信系统路由数据以及将军事通信系统连接到地面网络的关键。军方可以把这些能力散布到大量的地理上分散的站点,而不是将如此多的能力集中到一个相对小数量的地面站。

  使系统更容易替换

  解决军事卫星通信系统漏洞的第三种选择是让系统在受到攻击之后更容易替换。当前的太空部分架构很难重建,因为卫星体积大、构造复杂、成本昂贵并且在低生产率的情况下需要很长的采购时间。一个更加容易重建的架构在理想情况下将是体积更小、成本更低并且稳定生产率情况下的大采购数量的卫星组成。

  使得系统更容易替换的选择与分散和分解架构的选择有许多地方重叠。例如,中心有效载荷方法也能使系统更容易替换。军方可以给要发射的主机上准备额外的有效载荷,在受到攻击后替换掉损坏的太空设备。另一种选择是存储备用卫星并做好发射准备。然而,这种方法有成本和进度两个关键限制。备用卫星(或备用有效载荷)必须足够廉价从而允许进行采购储备,并且他们将需要在短时间内做好发射准备。即使储备卫星做好了准备,它也需要花费数周到数月来与运载火箭整合、发射并将它们运送到预定的轨道。这种发射-替换方法也将暴露另一个缺陷——美国可用的发射场地的数量限制,主要在佛罗里达州的卡拉维拉尔角和加利福尼亚州的范登堡空军基地。

  移动电信港和卫星控制设施可以用于快速替换被损坏或摧毁的地面站。移动地面系统可以通过运输飞机在全球范围内部署或存储在战区受保护的设施内。快速可部署移动地面系统能够用来打乱潜在敌人的计划,因为敌人将无法提前知道移动站会在何时何地进行部署。

  让卫星更容易替换可能是小规模有限时间的攻击后重建能力的一种可行选择。然而,在一场旷日持久的冲突中,敌人能够不断地攻击美国的卫星,那么进行卫星替换很快就会成本过高。如果敌人进行一次攻击的边缘成本明显比美国每次替换卫星或有效载荷的边缘成本要低,那么美国会再一次发现自己处在成本实施战略的错误一边。此外,在冲突开始时准备好的卫星和有效载荷的库存会在旷日持久冲突中很快消耗殆尽。即使拥有一条生产线,它也很可能需要花费数月到数年的时间建造额外的卫星或有效载荷——远远比作战部队在一场冲突中能够承受的时间要长。一个更加有效的方法可能是在发射替代卫星前攻击敌人的反卫星武器能力的地面来源地。然而,这种方法需要假设这些能力的位置(发射场、雷达等)能够可靠地定位并且他们的摧毁可以被证实——如果美国太空能力已经被一次初始攻击削弱,那么这种假设可能就会出现问题。

  其他通信方式的使用

  减少军事卫星通信缺陷的第四种选择是寻找其他通信方式。其中应用最广泛的替代方式就是商业卫星通信。军方能够从商业供应商处租赁卫星通信服务,而不是设计、建造和发射自己独有的卫星。商业卫星通信具有许多优点,包括无开发成本以及可以根据需要灵活地扩大或减少容量。商业卫星通信已经在过去十年的伊拉克和阿富汗作战中彰显了极大的价值,这些战场上作战人员对高带宽的应用的需要呈指数级增长,比如无人机的实时视频。据估计,当前多达80%的国防部卫星通信需求依靠使用商业卫星通信系统来满足。

  然而,商业卫星通信系统并不是为竞争激烈的通信环境而设计的。事实上他们对物理、电子和网络攻击几乎没有防御能力。对于商业卫星来说安全性需要受到特别地关注,因为它们可以被国外的实体拥有或操作、可能会连接到其他国家的地面站或者可能被外国政府或外资控制的实体同时使用。例如,负责太空政策的国防部副助理部长道格•罗维罗最近在国会作证称国防部租用的支持紧急作战需求的商业卫星通信服务来自中国的一家公司。这一特别的租赁可能具有一定的意义,因为中国的公司是唯一可以在战场中根据需要提供可用带宽的供应商。但是有时商业卫星带宽可能不能随时随地的租赁——不管是什么公司或国家控制着卫星。由于这些原因,商业卫星通信对至关重要的通信并且竞争激烈的情况下并不是可行的替代方案。

  根据使用的飞机的高度和数量,一个空中通信层可以提供高容量通信来补充或替代某一区域内的军事卫星通信。如果装备的有效载荷使用上述的被动防御功能,比如跳扩频技术、机载处理技术、交叉技术以及加密技术,那么空中通信层可以抵抗干扰和网络攻击。然而,使用空中通信层来提供全球覆盖可能成本过高并且逻辑上并不可行,因为对飞机数量的要求无法满足。此外,使用飞行器提供空中通信层仅能运作在许可的空域。他们显然是高辐射器并且会被防空系统锁定。因此空中通信层在空中区域竞争激烈的情况下也不是一种可行的替代方案。

  地面射频通信(即无线电塔)是一种在相对较短的距离内满足用户通信需求的可替代方案。尽管地面通信可以使用许多相同的防护功能来抵抗干扰和网络攻击,但是为了军方能够装备并操作它们,这些系统需要一个相对自由的地面环境。用户必须对一个区域进行物理访问并处在地面站或另一用户的视距范围内。因此地面射频通信在用户需要超出视线范围进行通信或地域非许可时就不是一种可行的替代方案。

  第四种替代选择是改变系统操作方式减少其通信需求。例如,无人机可以使用更大机载能力来自主分析传感数据,仅传输地面分析师有可能感兴趣的数据。一种较低自主性的方式是仅仅将数据存储在本地,而不是实时处理或传输数据。例如,空军为捕食者和收割机无人机设计的“戈尔贡之眼”宽域成像吊舱产生远远比其传输给现存的地面和卫星通信系统更多的数据。反之一个低分辨率的视频会进行实时传输,而剩余数据存储在舱内并在飞行器着陆之后再进行下载。一种存储并转发方式也可以使用在激烈的通信环境中。当通信受到干扰或平台想要避免被侦测时数据可以存储在本地,通信一旦恢复数据就立刻进行传输。然而,这种存储并转发方式对于时敏性作战行动来说并不是理想的替代选择。

  总结

  阿米龙•卡茨在他1972年的备忘录中指出,美国的太空资产:“假设已经受到保护——相信没人会干扰他们的运作。”他继续写道:

  即使在缺乏证据的情况下,假设的前提也是可疑的,应该很清楚我们所追求的发展路线——美国风格的可预测的表现形式——可能本身会很大地影响或改变其他人的行为。简答说吧,我们正在用比我们之前更诱人的目标来引诱他们。

  本章展示的四种避免军事卫星通信系统受到攻击的方式,从而让系统不容易引起敌人的诱人目标。然而,在预算紧张的环境中并不是所有这些选择都能同时实现。此外,军事卫星通信用户中有不同的优先级,对于一组特定的用户根据他们需求不同,这些选择的效果也不同。

  像军事星和先进极高频卫星这样的受保护的军事卫星通信系统通过使用许多之前介绍过的被动防御能力为一组有限的用户(主要是战略部队)提供最大化的保护等级。然而,这种高等级的保护伴随着高昂的成本。例如,一颗先进极高频卫星的成本大约是宽带填隙卫星的四倍。未来军事卫星通信架构的一个重要难题是当国家受到一系列来自太空领域的威胁时,一定程度的保护应该延伸到所有军事卫星通信的用户吗?此外,是不是所有受保护的军事卫星通信系统用户都需要受到最高级别的保护?在资源紧张的环境中,不同军事卫星通信用户之间的风险平衡可能需要进行调节。在某些情况下,提供较低级别的保护给更大数量的用户可能是更好的选择,而不是提供高度的保护给较少数量的用户。

  现有的受保护的军事卫星通信架构将相同系统上的战术和战略受保护用户整合在一起。但是战术和战略用户在太空中面对的威胁有很大的不同。例如,战术用户更容易受到下行干扰,因为他们有时候与敌人近距离作战,而战略用户会更关心对美国本土的核威胁。下面的章节对所展示的任务需求背景下改进军事卫星通信系统的保护的选择进行评估,从而说明在一个竞争更加激烈的环境中满足作战部队的军事卫星通信需求所涉及到的权衡。

  第四章:作战部队支持

  美军未来需要面对的威胁环境很可能在所有领域都愈加激烈。随着更加棘手的敌人寻求非对称的手段来反抗美军在常规军事行动中压倒性的优势,美军在空中、海洋、陆地和太空领域的竞争需要的技术会扩散到较不发达的国家和非国家行为体手中。2012防御战略指南为军队将对抗这些威胁作为优先事项,特别地强调了努力保护空基系统的重要性:

  为了可靠地防止潜在的敌人并阻止他们达到其目的,美国必须保持进入和自由作战受到挑战的地区投射兵力的能力...因此,美国军方将根据要求进行投资来保证其在反介入和区域封锁环境中高效的作战能力。这将包括贯彻联合作战访问概念,维持我们的水下能力,发展一种新型隐形轰炸机,提升导弹防御系统能力并继续努力平衡关键的基于太空的能力的可靠性和效率。

  当前的军事卫星通信架构已经为一些军事卫星通信用户提供了令人满意的良好保护。先进极高频卫星和军事星上的战略用户和某些战术用户享受到高度的电子和网络攻击防护。然而,广大的国防部卫星通信的主要用户——那些使用宽带填隙卫星、国防卫星通信系统、移动用户目标系统、后续特高频卫星通信系统以及商业系统的用户——在很少或几乎没有保护的条件下作战。在当前的计划架构下,受保护的系统仅提供整个美国军事卫星通信系统7%的功能。

  正如法国没有尝试在其整个边界线建立马其诺防线一样,美国也不应该尝试让所有军事卫星通信系统提升到先进极高频卫星的保护级别。未来架构的挑战就是平衡成本与风险,这样所有军事卫星通信用户都能有足够的保护水平——即任何方面都进行防御。本章通过探讨作战部队的作战需求来评估保护军事卫星通信的选择。探讨了三个关键的任务领域:全球侦查和打击、特种作战和战略部队。尽管很多重要的军事卫星通信用户超出了这些领域范围,但是这三个领域用来突出一些困难的挑战以及设计下一代军事卫星通信架构需要进行的权衡。

  全球侦查和打击

  全球侦查和打击的任务领域包括宽泛的常规能力(非核),旨在精确并持久地进行全球范围的力量投射。它包括机载平台,比如远程轰炸机、战术战斗机、有人侦察机以及可用于侦查和打击的无人机。它也包括海军平台,比如潜艇、驱逐舰和航母,作为移动作战基地,利用航母飞机或战斧式巡航导弹这样的防区外武器实施侦察或实施打击。随着反介入/区域封锁能力变得更加复杂并且在世界范围内扩散,远程打击能力变得更加重要。反介入/区域封锁能力旨在挑战在某一区域内美国部队投射兵力的能力,限制某个作战区域内美军的行动自由或阻止部队的部署。为了应对这种威胁,美国将需要能够使用敌人难以侦查和定位的平台让军队进行远程作战。

  全球侦查和打击任务领域也被称为“太空赋能的侦查打击复合体”,因为它极其依赖于空基能力,比如军事卫星通信系统。全球侦查和打击平台需要全球范围覆盖以及远距离通信能力。侦查平台需要以高速率传输信息来支持先进的传感器,比如多光谱高分辨率视频。打击平台需要实时接收目标数据以便在非许可的环境中更加有效。例如,在竞争的空域中,隐形战机(无论载人还是无人的)使用有源传感器来侦测目标会让自身处在一定的风险下,因为有源传感器发出的电磁波会被隐蔽地侦察到。而其他在安全距离上操作的平台可以使用有源传感器来进行侦测、识别以及跟踪移动目标,然后将信息中继给打击平台——一个被称作场外排队的概念。这一概念的意思是当载人和无人飞机在竞争激烈的空域中追赶移动目标时,它们都极其依赖通信链路。

  全球侦查和打击的通信容易受到上行链路干扰、侦测和拦截。一个更加高级的敌人可能会尝试使用网络攻击来夺取一颗卫星的控制或使用定向能武器破坏卫星的功能。对于这种任务领域针对地面站的攻击影响较小,因为它需要敌人不仅发射精确制导导弹进行远程攻击(即他们将需要具有自己的全球侦查和打击能力),或对地面站进行特种作战或类似恐怖袭击的攻击。对于常规的全球侦查和打击任务,敌人一般不愿意使用动能反卫星武器攻击卫星——如果他们有这一能力——因为这会迅速地造成冲突的扩大和升级。同样地,针对太空系统的核攻击也将从根本上彻底地把冲突从常规层面升级到战略层面。

  考虑到全球侦查和打击任务领域最重要的威胁,被动防御对解决军事卫星通信系统的缺陷是一个不错的选择。例如,使用加密、跳扩频技术、天线零位、机载处理、拦截以及卫星交叉链路技术将使得系统难以被干扰、侦测和拦截。通过卫星核硬化和地面站硬化来防御常规攻击应该作为次要优先事项,因为这些威胁对于全球侦查和打击任务领域来说关系不大。

  分散和分解军事卫星通信系统使其难以被锁定也是保护全球侦查和打击通信的一种可行方法。特别是,这一选择增加了卫星架构在损失一颗卫星时的弹性,无论是敌人是通过网络攻击夺取一颗卫星的控制还是使用定向能武器破坏了卫星的功能。一个分散的军事卫星通信星座也能使用在近地轨道上的卫星。因为这些卫星距离地球只有22,000英里,传输功率的要求以及来自卫星的功率要求都比较低,这使得从终端传出的信号更难以被侦测。近地轨道上的卫星相对于地球也是运动着的,这使得他们更加难以被上行链路干扰锁定,因为干扰方的天线必须能够跟踪着横越天空的卫星。因为全球侦查和打击平台固有的移动性,他们使用的许多军事卫星通信终端都采用了能够适用于跟踪近地轨道上的卫星的追踪天线,尽管从一颗卫星到另一颗卫星的链路切换会有一定困难。

  让军事卫星通信系统更容易进行替换并不是一个有吸引力的选择,因为不会有充足的时间在轨道上进行卫星替换并且在几天或几周的短期冲突内无法运作,在这一期间内全球侦查和打击行动将会降级。在持久战中(数月至数年)敌人能够持续地锁定军事卫星通信系统进行攻击,可用的替代产品的库存会被耗尽并且制造新的可替代产品需要的时间会超出冲突的持续时间。此外,敌人可以将其作为一种成本实施战略使用,即迫使美国花费比摧毁它们更高的成本来重建太空资产(或者在一场冲突前准备重建它们)。

  军事卫星通信的其他方法对全球侦查和打击任务领域也不是有吸引力的选择。例如,商业卫星通信实际上不能提供对干扰、侦测和拦截的防护。空中层和地面射频通信都需要一个自由的作业环境,鉴于反介入/区域封锁能力的扩散,这是无法保证的(特别是冲突的早期)。而改变操作建设军事卫星通信的需求,像使用存储和转发概念,对全球侦查和打击也不可行,因为移动的、短暂的和新兴的目标需要近乎实时的进行识别和分析。

  特种作战部队

  特种作战部队是小型化、迅速部署的单元,可以秘密地进行侦查活动、反恐行动、反大规模杀伤性武器行动和非常规战争。特种部队也能用于民事任务、训练以及对外国政府的内部防御。特种部队一般在较远区域进行远距离作战,并且几乎没有设施或其他支持。他们可以被要求在非许可环境下作战,这种环境内避免被侦测是最重要的一点。特种部队通信的关键属性是大范围的覆盖以及低侦测和拦截概率。特种部队用户也需要使用相对较小的手持或便携式终端进行移动通信。

  对于特种部队通信来说针对卫星和地面站的物理攻击风险相对较低,因为特种部队分队一般进行秘密行动。在不知道是否有针对他们的特种部队的情况下,敌人不太可能发起针对卫星或地面站的物理攻击。如果敌人这样做了,那么冲突将很可能扩大到超过使用特种部队的水平而涉及到全球侦查和打击部队。因为针对太空部分和地面站的物理攻击成为次要考虑因素,所以针对这些威胁的保护选择对于特种部队用户来说重要性也不那么高。

  特种部队通信的主要缺陷是容易被侦测和拦截。使用加密、跳扩频技术以及机载处理技术来加强特种部队通信对电子和网络攻击的抵抗能力从而提升对侦测和拦截的保护是一种可行的选择。对于特种部队用户来说干扰是次要考虑因素,因为敌人必须在干扰通信前首先要能够侦测到他们的存在。尽管特种部队用户不一定需要一个分散或分解的军事卫星通信卫星星座来防御反卫星武器,但是在近地轨道的庞大的卫星星座能在其他方面显示出优势。在近地轨道与卫星通信允许信号以较低功率从终端发出,使得信号更难被侦测。或者终端可以使用更小的卫星,使其更容易进行传输。

  对于特种部队通信来说让军事卫星通信系统更容易进行替换并寻找军事卫星通信的替代方案并不是一种可行的选择。在典型的特种部队行动时间表内完成一颗卫星或地面站的替换是无法实现的。同样地,商业卫星通信、空中通信层以及陆上通信也不是可行的替代选择,因为特种部队必须能够在激烈竞争的环境中作战。

  战略部队

  战略部队包括国家的核武器库、发射这些核武器的平台以及用于侦测敌对核武器攻击的资产。战略部队的关键通信需求是保持核部队积极的指挥和控制以及核武器攻击前、攻击中和攻击后的预警。保持这种全球的连通性是威慑的关键要素——知道美国具有发动毁灭性反击的确保能力可以阻止敌人先发动这种打击。因为他们指挥的武器的性质,战略部队的通信必须面对几乎所有的威胁,包括干扰、网络攻击、反卫星武器和地面站攻击。

  受保护的军事卫星通信系统最初设计时考虑到战略用户的需要,因此已经实现了许多可以让系统更难被攻击的特性。例如,军事星和先进极高频卫星包括:防御太空核武器爆炸所产生的影响的核硬化;交叉链路来减少对地面站的依赖;跳扩频技术、零位天线、机载处理和拦截来防御干扰和核闪烁。然而,这些系统容易受到动能和定向能反卫星武器的攻击。即便损失一颗或两颗受保护的军事卫星通信卫星就会中断卫星中交叉链路的“环”并减少卫星星座对战略部队的支持能力。

  解决这种缺陷的一个方法是分散或扩散卫星星座来让其不易受到单点故障的影响。简单地在不同的轨道上给卫星星座增加更多的卫星会加大敌人锁定卫星的难度并让卫星在面对攻击时有相对较高的可靠性。这种做法的缺点就是上面所有描述的保护功能都会明显地增加卫星的成本。例如,每颗先进极高频卫星的边缘成本达15.5亿美元。增加更多的卫星给卫星星座可能不是一种能够负担得起的选择,除非这些卫星的成本能够明显降低。通过把大量卫星上的相同水平的能力分开来分解卫星星座将能够提升卫星星座承受一颗或更多卫星损失的能力。但是分散卫星星座的等效容量和功能的成本也将很可能高于现存的卫星星座,很大程度上是由于小型有效载荷的单位质量的发射成本升高。

  购买替代卫星以防一颗卫星失去功能或被摧毁时进行替换也不是一个合适的选择,因为建造和发射另一颗卫星所需要的前置期相对较长。核武器的相互攻击会在几小时或几天内完成,远远早于替换卫星发射的时间,即使这颗卫星已经在仓库中做好了发射准备。此外,在一场战略冲突中,美国本土的目标会有受到攻击的风险,包括佛罗里达州的卡拉维拉尔角和加利福尼亚州的范登堡空军基地的发射台。军事卫星通信的替代选择也不适用于战略部队,因为他们既缺少有效的保护(商业卫星通信),也不能够提供持久的全球覆盖,并且不能在非许可的环境中运作。

  总结

  尽管这里强调的全球侦查和打击、特种作战部队和战略部队三个任务领域并不包含美国全部的军事能力或任务集,但他们是美国军方的三个最优先任务并且很可能在未来很长一段时间内仍是这样。随着美军力图将其重心从过去十年在伊拉克和阿富汗的稳定行动转移到太平洋地区新出现的反介入/区域封锁威胁上,军事卫星通信系统必须同时进行重心转移。在伊拉克和阿富汗战争中对地面部队极其重要的不受保护的宽带和窄带系统已经不适合通信竞争激烈的环境。正如MQ-1捕食者无人机因为没有隐形功能不适合深层防御的空域一样,捕食者无人机使用的不受保护的通信链路也不适用于对抗具有电子攻击能力的敌人。

  表2对第三章中改进军事卫星通信防护的选择以及本章所探讨的每个任务领域的适用性进行了总结。改进防御,特别是被动防御,对于所有三个任务区领域的保护系统免受电子和网络攻击的威胁是一个不错的选择。对于全球侦查和打击以及战略部队任务区域,分散、分解或扩散架构是保护系统免受物理攻击的有效选择,尽管这些方式在单位卫星成本没有明显降低的情况下可能还负担不起。使系统更容易进行替换对于任何任务领域都不是一个合适的选择,因为准备和发射一个替换系统所需要的时间对于短期冲突来说太长,而在持久冲突中替换卫星的库存会被消耗殆尽。军事卫星通信的替代选择,比如空中层或商业卫星通信也同样不适用,因为全球侦查和打击、特种作战部队和战略部队需要在激烈竞争的环境中进行全球范围内的作战。

  第五章:太空中的战略选择

  军事卫星通信与其他太空军事系统一样面临着一个竞争更加激烈的太空领域和更加紧张的财政环境的双重挑战。虽然美军的规划者和战略家很大程度上认识到空中、海洋和陆地很有可能在未来竞争日趋激烈,但是太空领域正在增长的威胁很少被认识到和进行讨论。太空是现代战争竞争激烈的领域,并且随着对太空系统威胁的增长和扩散,将不断影响太空系统确保空中、海洋和陆地领域其他武器系统发挥作用的能力。正如国会议员爱德华•马基所指出的那样:“美国的卫星是我们国家安全的软肋。”

  未来太空系统的下一代架构为国防规划者展示了一个重要的战略选择。美国军方应该对太空竞争及维持确保的空基能力获取所需的能力进行投资吗?国防部和独立研究小组的许多研究试图突出失去太空提供的赋能能力后所造成的影响。正如前几章所证明的,太空系统的替代选择对于空基能力的重要用户并不是具有吸引力的选择,比如全球侦查和打击、特种作战和战略部队用户。此外,由于发开和装备太空系统需要较长的研究周期,如果下一代太空系统的设计没有针对正确的威胁或者采购项目因为成本超支和延期而失败,那么失去太空的一天会很快地变成失去太空十年。

  基于军事卫星通信系统面对的威胁,财政预算很可能就继续紧缩,以及提供的选择,现提出六条特别的建议来满足作战部队的需要。

  建议1:向三层军事卫星通信架构转变

  本研究的主要建议是军事卫星通信系统架构从双层(受保护的和不受保护的)转变为三层架构。在三层架构中,最高保护层将留给战略用户并且大部分将沿用当前的计划的受保护系统项目。将建立一个新的中间保护层延伸较低层次的保护给更多的战术用户。它将通过不受保护的军事卫星通信项目提供资金。最低层的架构将被留给所有其他非必要通信并且会作为一种服务而不是一个系统来采购。

  最高保护层:战略用户

  最高程度保护应该提供给战略用户,因为这是战略冲突威胁本身的范围和严重程度决定的。战略用户包括导弹预警、核指挥与控制、总统的语音通信以及其他的国家关键任务。战略用户需要被防护免受干扰、侦测、拦截、动能和定向能反卫星能量武器和针对地面站的攻击等。

  战略用户由当前的军事星、先进极高频卫星和中期极地系统提供服务。这些系统使用第三章列出的所有的被动防御来保护系统免受干扰、侦测、拦截和对地面站的攻击。然而,它们大部分无法防御动能武器以及针对太空部分的定向能量武器的攻击。而为挫败物理攻击而设计的主动防御,比如给卫星装备反击系统,将很可能在财政紧缩的环境中出现成本过高。一种更加有效的反物理攻击的方式可能是采用常规武器和/或战术来攻击地面上的反卫星武器的源头。

  在向三层架构过渡的过程中,最高保护层将大部分沿用当前有资金安排的计划。当前唯一正在生产中的保护系统——先进极高频卫星系统已经足以满足战略用户的需求。美国核武库大小的改变对先进极高频卫星星座的大小影响相对较小,因为最少需要4颗卫星工作在轨道上来组成“环”并提供全球的、交叉链路的覆盖。当现有的中极地系统达到工作寿命时,将需要额外的极地系统,但是替代的极地系统可能还是极地轨道卫星上的改进型先进极高频有效载荷。

  中间保护层:战术用户

  在当前架构中,受保护的系统和非保护系统都服务于战术用户。例如,先进极高频卫星和军事通星上的战术用户享受高度的保护来免受干扰、侦测和拦截。然而,在宽带填隙卫星、移动用户目标系统和商业租用卫星上的战术用户很少受到保护——其中一个漏洞已经被伊拉克和阿富汗的叛乱者所利用。当前架构的功能中仅有7%是受到保护的,这意味着更多的战术用户正使用不受保护的系统进行重要的任务通信。

  在下一代架构中建立一个中间层的目的就是延伸较低层次的保护给更多的战术用户。中间保护层将集中于反制战术用户在反介入/区域封锁环境中很可能要面对的威胁。例如,中间层系统可以使用像跳扩频技术、交叉技术、机载处理、交叉链路以及数据加密这样的被动防御来保护战术用户免受干扰、侦测和拦截。中间层使用的卫星、终端和地面设施将不需要其他保护措施,比如核硬化保护。

  在战略用户需要的阈值之下建立一层保护可以使得许多新的选择能够有效的减少成本并扩大受保护的军事卫星通信功能。例如,中间层的太空部分可以成为搭载在其他卫星上的交叉链路的先进极高频卫星有效载荷的星座。搭载的有效载荷可以形成一个分离的受保护卫星的“战术”环,这种环在需要的情况下可以进行重新配置,加入或支持现有的先进极高频卫星战略环。搭载卫星将不需要像先进极高频卫星那样进行核硬化,因为战术用户不需要这种形式的保护。搭载卫星可以是其它的军事卫星、商业卫星或属于国际合作伙伴的卫星。因为所使用的受保护的有效载荷是当前先进极高频卫星有效载荷的衍生物,所以它将需要最少的开发和测试,它可以与先进极高频卫星共享相同的地面设施,并且现有的先进极高频卫星终端将同它共同协作。这种方式中的一个重要的组成部分是把更多低成本的受保护终端扩散给更多的战术用户。

  搭载的先进极高频卫星的有效载荷将为需要数据链的战术用户提供低于8.2Mbps的服务。对于更高速率的需求,比如来自无人机的视频流,将需要一个更高带宽的有效载荷来在高威胁的环境中保护这些重要的任务通信。作为权宜之计,高数据传输速率用户可以在现有的宽带填隙卫星的终端中使用直接扩频调制解调器。使用扩频调制解调器相对于非扩频调制解调器可以提供增强的保护层来抵抗干扰、侦测和拦截。扩频调制解调器在市场上可以采购并且已经被某些Ka波段的军事用户采用。而为高速率用户提供更高程度的保护的长久之计将需要发展先进极高频卫星的极速数据波形来容纳更高的数据速率。然而,考虑到改变波形所涉及到的附加成本以及额外的时间,像这样的发展工作应该被推迟到向三层架构的过渡开始之后。

  最低保护层:非必要通信

  未来架构也应该明确包括留给其他所有非必要通信的最低保护层,比如为已部署部队提供的电视广播和互联网接入。尽管这些通信的某些部分当前正使用搭载在不同卫星上的系统,像宽带填隙卫星和全球广播服务中心,但是在未来架构中最低保护层应该从军方拥有并运作的卫星上转移出来。军方不需要为开发以及采购独特的军事通信系统而支付的额外费,商业军事卫星通信系统服务提供商已经能够提供足够的服务。这将允许军方把开发工作重点放在真正特殊的军事通信需求上,特别是在高层和中间层中受保护的军事卫星通信系统。

  架构中的最低层可以作为服务而不是系统来采购。所有竞争的选择都应该进行开发,包括签署长期租赁合同、选择购买用于峰值能力的商业转发器以及根据民用后背空中机队模式发展民用太空后备队。目标应该是利用商业军事卫星通信市场来减少非必要通信的成本。鉴于未来的威胁环境——尤其是网络威胁——即便非必要通信仍然应该受到最低层的保护,也就是数据加密。

  建议2:太空中以太平洋轴心

  第二条建议是通过邀请亚太地区的主要盟友成为中间层架构的合作伙伴,比如日本,澳大利亚和韩国,从而将太空的重心转移到太平洋地区。伙伴国可以共同承担扩大中间层架构的成本并且作为回报可以按比例地享有全球卫星星座的使用权。如果搭载有效载荷的方案得到采用,那么伙伴国家可以允许美国以把受保护的有效载荷搭载到他们的卫星上。

  亚洲/太平洋地区的合作伙伴加入中间层架构将通过几种方式相互获益,它们是:

   帮助抵消为美国装备更多受保护的有效载荷而产生的成本并且伙伴国家的花费要比其自己开发相同功能低很多。

   提升美国和其伙伴之间的互通性,以及伙伴国家之间的互通性。

   提升伙伴国家在竞争激烈的通信环境中独自作战的能力。

   复杂化潜在敌人的计划,因为针对任何受保护卫星或搭载的受保护有效载荷的攻击将是对整个网络中所有伙伴国家的攻击,因此要承担冲突横向升级的风险。

  这样的安排将需要克服各种政策和操作上的挑战,但是它并不是没有先例:加拿大、英国和荷兰已经成为先进极高频卫星的合作伙伴,并且澳大利亚共享宽带填隙卫星星座的使用权。在2012防御战略指南中已经要求为受保护的军事卫星通信系统增加额外的伙伴将成为亚太地区战略轴心的核心部分。

  建议3:避免战略成本陷阱

  与动能导弹防御系统类似,卫星上的反击能力(或具有反击能力的护卫卫星)将很可能花费比设计其用于拦截的反卫星武器高数倍的成本。尽管定向能反击系统每次发射的成本将会下降,但是它仍然会随着受攻击卫星的大小、重量以及功率或其他用于任务有效载荷的改变而进一步增加成本。如果美国一味地追求反击或护卫卫星能力,敌人可以通过简单地建造更多反卫星武器以及驱使美国不成比例地花费更多成本在反击能力上来迫使成本的增加。同样地,如果美国选择不在太空中采用主动防御反而选择采购替代卫星来在发生攻击时快速地进行卫星替换,那么敌人可以建造更多反卫星武器并迫使国防部购买更多的替代卫星。

  美国可以通过引导竞争朝着更加有利的方向发展来避免掉入这种战略成本陷阱。动能反卫星武器威胁——特别是定向上升系统——相比其他攻击形式,趋向于更高的可归因性。如果攻击能够找到归属地,那么就具有了潜在的威慑力——敌人攻击就会面临极大的风险以及潜在的后果。例如,国防部可以投资提升其攻击反卫星武器威胁的地面来源的能力,而不是提升其太空中的反击能力。如前文所建议那样,美国也可以通过带领更多伙伴国家加入军事太空项目和搭载有效载荷在其他伙伴国家的卫星上来提升敌人对太空系统的攻击而产生的后果。这些措施的目的就是将敌人的投资引导到其他形式的攻击上,比如电子和网络攻击,这样美国军方能够处在更加有利的竞争条件中。

  建议4:避免开始新的项目

  转型卫星通信系统的终止带给我们的一个教训就是新的项目本身存在风险。这些风险包括:新的、不成熟的或未经检验的技术合并带来的技术上的不确定性;评估以前从来没有建造过的系统所需要的发展计划具有的成本和时间表上的不确定性;以及竞争性授予开发和生产合同存在的采购不确定性,授予决定可能会被提出申诉或推翻,这会导致昂贵的延期和再竞争。在当前的战略和预算环境中,军方再也负担不起另外的失败的军事卫星通信项目。

  空军应该利用当前的项目来建立和发展新的能力,也就是先进极高频卫星,而不是尝试开始一个或更多新的项目来填补转型卫星通信系统留下的空缺。例如,空军可以利用现有的先进极高频卫星通信有效载荷,包括波形、天线、调制解调器和其他组件,从而为战术用户建立托管的受保护的有效载荷。这种方式通过限制需要的工程的数量以及飞行验证技术的使用同时降低成本和风险。空军也可以保持购买先进极高频卫星来补充卫星星座的需求以及避免生产中断带来的高额成本。

  使这种方法可行的关键是对政府购买系统的方式进行改革,特别是需求管理方面。重开需求文档以及随着每个新合同而开始指定新的功能将具有很强的诱惑力。为了抵制这种诱惑并进一步降低成本,空军应该减少现存的项目办公室的职员,包括政府文职人员、系统工程承包商的支持和联邦政府资助研究和发展中心的人员。减少项目办公室人员好处有三点:1、它将直接减少项目办公室的开销;2、它将减少想方设法改变需求的人的数量;3、反过来,建造系统的承包商可以减少他们的间接成本,因为他们将不需要相同数量的人来同项目办公室人员进行配合。

  建议5:在竞争存在的地方使用竞争机制

  另一种减少成本和风险的重要方法是更合理的利用竞争。在自由市场为导向的社会中,竞争往往是先进的降低成本的通用解决方案。但是军事工业基地的太空部分并不是传统的有着许多买家和卖家以及有限规定的自由市场。军事太空部分可以更精确地表现为买主垄断,美国政府作为独家的客户和监管机构。此外,对具有提供独特系统、子系统和国防部需要的组件的供应商有数量有限——某些情况下仅只有一到两个供应商——导致买主垄断/双头垄断(一个买家,两个卖主)或双边垄断(一个买家,一个卖家)。在这些例子中,像竞争这样的自由市场导向解决方案如果使用不当会产生意想不到的后果。

  作为唯一的独特军事卫星通信系统客户,国防部通过成本补偿开发合同或比合同标价更高的费用来支付这些系统的所有开发成本。为了给竞争创造机会,国防部经常付钱给两个或两个以上的承包商来开发同一种系统。这种冗余的开发工作增加了项目的总成本。即使国防部只支付一次开发费用并且把相同的设计规格给予两家或两家以上的公司,它也仍然必须为不止一条生产线的开发付钱。一旦开发工作完成,国防部一般通过竞争过程来择优选择一家卖主的产品。这种方式有效地结束了竞争并且给予了赢家对未来相同系统采购的垄断权,给后来开始新的项目允许进行更多的竞争带来压力。为此,国防部可以将竞争承包商之间的授予权分离,从而维持持续的竞争,但是如果只有一家公司获得了整个合同,那么承包商会都只接收到一份较小的订单,并且都不能获取到较大的进展曲线。

  竞争的支持者辩称来自冗余开发工作的额外成本以及减少的学习时间可以通过承包商之间的竞争压力而抵消,从而压低商品的价格。然而,对这种论断的对策论分析揭示,项目削减中有效的竞争依靠着竞争本身的方式要具有结构化和特定规划的因素,比如开发成本和商品总数量的采购。在某些情况下,竞争实质上会刺激承包商随着时间的推移而抬高价格。

  在军事卫星通信中,竞争在没有新的开发要求以及不止一家承包商生产国防部需要的产品时可以有效的降低成本、提升绩效以及刺激产品的创新,比如运载火箭和卫星总线。然而,对于当前只有一家承包商供货给国防部的情况,订单来源单一——尽管不理想——可能政府花费的总成本要比人为竞争少,这种情况下政府支付给次级承包商进行冗余开发工作或运作冗余生产线。最终,这种通过自然市场力量无法自我维持的竞争对于工业是有害的,对政府也是不具成本效益的。

  国防部现在拥有更加有效地在下一代军事卫星通信系统采购中利用竞争的机会。空军已经在向新的竞争者打开军事发射市场方面取得进步,太空探索技术公司(SpaceX)在没有国防部资助的情况下独自地开发了一系列运载火箭。对卫星采用中心有效载荷采购方式将确保军方能够把卫星总线从有效载荷中分离出来。如果有效载荷的采购从总线中分离,那些为商用或其他军事应用建造卫星总线但不具备建造军事通信有效载荷的专业特长的公司可能更有意向进行投标。它也将确保军方能够成为有效载荷和总线的唯一供应商(当合适的时候),从而避免了人为竞争。

  国防部可以在终端采购方面更有效地利用竞争——这里市场准入壁垒比卫星或运载火箭要低——通过追求工业开发的低成本受保护终端。国防部可以购买通过了基本互通性测试标准的工业开发终端,而不是编写要求、开始新的终端项目以及向工厂支付资金以开发新的终端设计来满足这些要求。通过编写测试标准来代替要求,国防部能够让行业创新并随后购买行业中出现的最好的产品。

  建议6:合并军事卫星通信的预算和管理机构

  最后的建议是重新审查军事卫星通信体系的组织架构。如第二章所提到的那样,军事卫星通信的关键计划性问题是整个太空、控制和终端部分计划的同步。对于军事卫星通信系统,同步需要进行特别的关注,因为架构上所有三个部分必须按次序进行装备,这样系统才能功能齐全。例如,当一颗卫星发射后没有终端,那么它的功能将完全不能使用,这就等于轨道上的资产浪费。军事卫星通信同步问题的根本原因是各军种独立的资金支持并管理他们自己的军事卫星通信项目。

  解决方案之一是将军事卫星通信的计划、预算和操作合并到一个军种。空军将最有可能成为承担这一责任的候选者,因为它已经管理着最大份额的军事卫星通信企业。其他军种可以将军事卫星通信计划、操作单元和他们的相关预算移交给空军。例如,海军和空军不是各自设立军事卫星的采购办公室,而是合二为一。海军位于圣地亚哥的海军移动用户目标系统项目办公室管理着窄带军事卫星通信系统的开发和采购,可以转给位于洛杉矶的为宽带和受保护的军事卫星通信系统执行相同的采购功能的空军军事卫星通信系统联队。同样地,海军和陆军的移动用户目标系统和宽带填隙卫星的操作分队可以分别合并到空军第十四航空队。除了能够为军事卫星通信进行更好的管理机构和预算调整,确保空军能够更好地控制军事卫星通信的同步之外,这些合并也可以减少间接成本并排除各军种中重叠的职能和任务。

  结束语

  如果美军致力于反介入/区域封锁能力下的确保介入战略,如2012防御战略指南所陈述的那样,那么国防部必须对其太空系统进行调整,从而能够在一个竞争更加激烈的环境中作战。军事卫星通信系统提供了其他武器系统所依赖的核心基础设施服务。各级作战部队都依靠军事卫星通信系统进行空中、海洋和陆地的可靠的全球通信,并且军方对军事卫星通信的使用正在以指数方式增长。一个关键的问题是太空和通信领域的竞争正在越来越激烈,并且太多战术用户依赖着很少或不受保护的系统。然而,在一个预算更加紧张的环境中,通过开始新的项目或继续和平常来增加受保护的军事卫星通信功能是无法实现的。国防部想要缩小能力需求和可用资金之间的差距,那么就必须从根本上重新考虑下一代军事卫星通信系统架构并愿意做出艰难的权衡。 知远/严美

mil.sohu.com true 搜狐军事 http://mil.sohu.com/20140505/n399158086.shtml report 45732 目录执行概要简介第一章:空间系统面临的威胁第二章:资金约束第三章:未来架构选择第四章:战斗部队支持第五章:太空的战略选择执行概要对于冷战的大多数情况,太空是美国
(责任编辑:黄添翼)

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