美国战术星发展研究

陈 亮

(中国电子科技集团公司第三十六研究所，浙江嘉兴314033)

0 引言

2003年5月，美国国防部长办公室(OSD)下属的部队转型办公室(OFT)启动了作战响应空间(ORS)试验计划。战术星(TacSat)是作战响应空间试验计划的主要技术验证项目，旨在满足美军对于灵活、经济和快速响应卫星系统的不断增长的需求。2006 年，TacSat－1，2，3，4 试验卫星的研制工作相继展开。每年的战术星试验项目都是由美国各协同司令部(COCOMs)、各军种以及国防部的科研部门共同选定的。美国国防部各科研部门资助战术星的试验，部队转型办公室负责提供卫星平台标准开发的指南。在进行项目采购之前，每次战术星试验都要测试作战系统所需的关键要素，通过螺旋式开发的方式形成所需的能力，并接受运行反馈。

TacSat－4卫星代表了整个战术星试验项目的最新进展。该卫星是采用基于业已成熟的卫星平台标准的原型平台而设计的，运行在高椭圆轨道(HEO)，具有实现作战响应空间任务(如通信)所需的空中停留时间。

作战响应空间项目的核心是作战响应试验，随着战术星的发射及其相关资产的增加，试验的数量也会增加，然而战术星给作战响应空间试验计划带来显著成果的同时，还需要面对军事效能评估和商业策略的挑战。

1 战术星的发展历程

自2006年以来，美国国防部按计划共研制了TacSat－1，2，3，4 一共 4 颗试验卫星。由于发射意外、载荷失灵、超期服役等因素，目前在轨运行的只有 TacSat－4 卫星。

1．1 TacSat－1 卫星

TacSat－1卫星是由美国国防部部队转型办公室资助下，美国海军试验室(NRL)主导的试验卫星项目。TacSat－1卫星由“轨道通信卫星”(OrbComm)改装而来，其目标是演示验证补充型商业模型的效能，并在作战响应空间领域促进美国国防部和工业界的合作。

TacSat－1卫星包含了作战响应系统的三个要素:小型卫星，低成本的运载火箭和保密因特网协议路由器网络(SIPRNet)，它们通过虚拟任务作战中心(VMOC)来实现任务分配、数据接入和信息收集等功能。TacSat－1卫星上搭载有主射频载荷、低分辨率的可见光和红外成像装置，用于EP－3和“联合铆钉”的直接战术链路，以及实现跨平台任务的飞机接入。

TacSat－1卫星原计划在2005年由“猎鹰”(Falcon)－1火箭从美国范登堡空军基地发射，但在经历了2006年初“猎鹰”－1火箭的首次发射失败和2007年的验证发射再次失败后，美国有关方面宣布废弃 TacSat－1 卫星，并取消了发射计划［1］。

1．2 TacSat－2 卫星

TacSat－2卫星源于美国空军研究试验室(ARL)的代号为“槲鹳”(RoadRunner)的试验卫星项目，由美国空军研究实验室主导，美国空军航天司令部(AFSPC)、空间测试项目(STP)组、美国海军和美国陆军的 TacSat－2卫星高级概念技术验证(ACTD)共同资助的。

TacSat－2卫星在多个方面采用了螺旋开发模式。TacSat－2载荷具有大约1米的成像精度，并显著提高了TacSat－1卫星射频载荷的能力。TacSat－2卫星首次在空间采用战术通用数据链(TCDL)以扩展其战术通信能力，并为作战响应空间系统提供高速战术数据传输能力。该卫星上携带了11个成像和技术演示验证有效载荷，主有效载荷为地球表面成像仪(ESI)。

TacSat－2卫星于2006年12月由“米诺陶”(Minotaur)－1火箭发射，成为首颗发射入轨的战术星。美国官方认为TacSat－2任务是成功的，但由于美国海军和国家侦察办公室(NRO)之间存在争议，因而阻碍了星上部分传感器执行试验任务，这些传感器是否开启至今尚不得而知。TacSat－2卫星于2008年1月停止运行，2011年2月5日脱离轨道。

1．3 TacSat－3 卫星

TacSat－3卫星是首个由联合部门选定的试验卫星项目。这项工作是由美国空军航天司令部主导的，各协同司令部负责拟定白皮书，各军种提出现有的需求、载荷概念的开发和任务分级。

TacSat－3卫星的任务是演示验证美军需要的超球面成像能力。它第一次向美国战略司令部提供在轨情报、监视与侦察(ISR)能力，为其向遍布全球的指战人员提供直接图像支持。TacSat－3卫星上搭载了美国空军研究实验室和美国陆军资助的遥感超谱(HSI)成像系统，能帮助识别金属与混凝土，以及区分人造与自然材料。这将使得作战人员更好地了解作战区域，包括敌方活动、意图，以及作战存在的风险。美国海军研究办公室还提供了一个小型的数据暗渡(Dada－X)载荷。美国国防部部队转型办公室资助了卫星平台的开发。TacSat－3卫星还首次采用了航空标准优先级的卫星平台标准。

TacSat－3卫星在2009年5月由“米诺陶”－1火箭发射。TacSat－3卫星试验任务阶段结束后，将会移交给美国航天司令部并为其提供服务。TacSat－3卫星设计工作寿命为6个月，目标是1年，但实际上该卫星在轨部分的时间不但超过了设计寿命，而且超过了预计的作为一颗试验卫星的任务要求和目标。2012年4月30日美国空军宣布终止了TacSat－3 卫星的任务［2］。

1．4 TacSat－4 卫星

TacSat－4卫星也是由联合部门指定的试验卫星项目。美国海军研究试验室主管的TacSat－4卫星是一种用于测试先进卫星通信技术的试验卫星。该卫星能够为不具备高优先级别和没有可用通信卫星的用户和区域提供通信服务。

TacSat－4卫星上的载荷包括了动中通(COTM)、蓝军跟踪(BFT)和数据暗渡。动中通通信提供了对特高频频段的传统电台的支持，以及类似移动用户目标系统(MUOS)的能力。蓝军跟踪能够收集未覆盖区域中现有特高频设备的信息，并为之分配优先权。数据暗渡收集来自通常位于海上和沿海地区的美国海军浮标上的数据。TacSat－4卫星的高椭圆轨道实现了以最小卫星数目和发射次数覆盖现有的战场，并支持低成本的作战任务。TacSat－4卫星采用了美国国防部部队转型办公室开发的阶段3平台标准，它精简了卫星设计和测试过程。

TacSat－4卫星于2011年9月27日搭载了“米诺陶”－4运载火箭在阿拉斯加州的科迪亚克(Kodiak)基地发射升空［3］。2012 年 1 月 24 日，TacSat－4卫星成功实现了从阿拉斯加州西海岸的白令海峡到加利福尼亚州的极地通信试验。这颗独特的卫星运行在远地点12 050千米高空的高椭圆轨道上，是对现有地球同步轨道卫星通信在高纬度区域的通信覆盖的一种补充和增强［4］。

TacSat－4卫星的任务载荷“COMMx”是2005年10月由美国陆军、空军、海军IT和计算机通信网络作战部(N6)、海军陆战队，以及战略司令部通过军官投票决定的。TacSat－4卫星上的任务载荷“COMMx”，如图1 所示。

图1 TacSat－4 卫星上的“COMMx”载荷［5］Fig．1 COMMx Payload on TacSat－4

TacSat－4卫星的任务载荷“COMMx”是一个大约3英尺立方体的主体。12英尺的碟形反射天线安装在高6英尺特高频馈电的顶部，可实现在轨配置。除了原型样机的工作，在载荷的开发过程中，NRL还取得了许多重要的技术成果，包括碟形天线反射器的开发、无源互调(PIM)测试装置、高速微波功率开关测试装置和先进热量管理系统。

2 战术星的先进能力

作为目前唯一一颗在轨运行的TacSat－4卫星，是美国海军主导的采用相对廉价的、小卫星技术和发射技术共同开发项目，它为实现作战响应空间提供相关的先进能力。

2．1 “动中通信”能力

在TacSat－4卫星任务载荷的选择过程中，美国战略司令部(STRATCOM)、海军陆战队、陆军都对战术通信都给予较大的支持。“COMMx”是TacSat－4卫星上主要的载荷，具有类似于移动用户目标系统的通信能力。载荷上直径为12英尺的天线和低于地球同步轨道2/3的距离使得TacSat－4卫星具有较高的链路余量。用户可通过常规的全向天线利用传统电台就能实现“动中通”通信能力。

TacSat－4卫星上的动中通载荷拥有10个特高频信道，能够同时支持动中通通信、数据暗渡和蓝军跟踪。TacSat－4卫星的自然模式(2．4～16千字节/秒)能够支持与传统电台的通信而不需要天线指向的要求。TacSat－4卫星的地面终端能够把来自传统电台的话音和数据信息打包成IP数据包并实现组网。TacSat－4卫星的信道类似于移动用户目标系统，具有宽带的CDMA模式，允许几十个用户以64千字节/秒(甚至256千字节/秒)的速率进行通信。

2．2 “数据暗渡”能力

美国各军种有着多种类型的数据暗渡需求，数据暗渡的主要需求来自于浮标数据。浮标主要部署在海中，通常需要空中资产的支援。TacSat－4卫星为浮标数据收集提供了额外的覆盖区域，并测试各种海军作战概念(CONOPS)，包括了指向舰船应用和IP数据路由。TacSat－4卫星上的海洋数据遥感勘测微星卫星链路(ODTML)载荷专门用于基于IP的、互联网数据暗渡，同时具有存储和转寄功能。TacSat－4卫星上的“COMMx”载荷和覆盖区域为大范围的数据暗渡任务，包括基于SIPRNET的应用程序提供了定制的卫星通信能力。

2．3 “蓝军跟踪”能力

许多国家都有着蓝军跟踪(或者跟一般的说是蓝军态势感知)需求。美国军方认为，蓝军跟踪对于TacSat试验及未来作战来说都是一种不可或缺的能力，它可以收集那些来自未覆盖区域中现有设备的数据。TacSat－4卫星的轨道和备用信道是专门为增强“蓝军跟踪”的信息收集而设计的。

2．4 高纬度覆盖能力

大多数现有的通信卫星资源都位于赤道上空倾角为0°的地球同步轨道上。这个轨道位置可覆盖纬度±60°区域。TacSat－4卫星的轨道倾角达到63．4°，不但可以覆盖赤道区域，还能够将覆盖范围扩大到北纬地区和极地。

TacSat－4卫星每天能够覆盖的区域(按小时计算)如图2所示。图中红色的圆圈大概地表示了典型的电台和数据速率的瞬时视场。TacSat－4卫星地面跟踪可以实现一天时间内对全球多个战区的覆盖。位于更高纬度的用户通常可以获得更长的覆盖时间，通常情况下每天7小时，而赤道上空通常是3小时。在正常运行状态下卫星能够在24小时以内做出改变(应急运行状态下更快)，从而对全球性突发事件做出响应。

图2 TacSat－4卫星的覆盖(小时/天)Fig．2 Coverage of TacSat－4(hours/day)

与之相比，对于一颗地球同步轨道(GEO)通信卫星来说其位置通常是保持相对静止的。TacSat－4卫星能够更好的覆盖高、低纬度的战场。在某些情形中，高椭圆轨道能够更好的覆盖山区或受遮挡的区域。这些轨道还具有相当的灵活性，实现了全球范围内各种战场分配任务的载荷能力，并扩大了对未覆盖区域主战场的覆盖。

3 战术星的影响

TacSat－4卫星对于作战响应空间项目的影响主要表现在提高通信与覆盖能力、改进卫星通信需求的能力和体系结构，以及为未来的项目采办提供依据三个方面。

3．1 增强和改进现有特高频卫星通信和信号覆盖能力

TacSat－4卫星通过提供急需的10路特高频卫星通信系统能力来增强短期的特高频卫星通信能力。

图3 3－4颗TacSat－4卫星组成的星座Fig．3 A Constellation of 3－4 TacSat－4

TacSat－4卫星倍受关注的几个先进的通信能力包括，动中通通信、动态全球范围内的战场接入、使用宽频谱(上行和下行)的能力、增强的蓝军跟踪和其他数据暗渡能力、以及全球服务水平低下区域的信号覆盖能力。一个由3－4颗TacSat－4卫星组成的星座能够提供覆盖全球多个战场的24小时通信能力，如图3所示。

3．2 考虑到未来卫星通信需求的先进能力和体系结构

对于现有电台而言，无需用户指向卫星天线就可以实现COTM通信能力。TacSat－4卫星提供了灵活的上行链路和下行链路的信道分配，从而提高在射频干扰的地区的作战能力。其动态任务分配系统和高椭圆轨道的轨道特性满足了TacSat－4卫星实在24小时内，对任务做出及时响应的需求，这些任务包括全球卫星通信地面覆盖的再分配，以及当发生意外或自然事件的时候，快速扩大传统卫星通信的能力等。其虚拟任务作战中心(VMOC)实现在轨动态分配。

3．3 推进ORS系统的长期发展并为采办提供相关

原型

TacSat－4卫星项目的实施在卫星总线标准、长时间在轨停留、动态任务分配和网络中心作战等方面促进了长期的作战响应空间系统的开发。部分这些影响的已经实现，比如作战响应空间卫星总线标准初始设置的开发。TacSat－4卫星的开发采用了阶段3总线标准的原型总线。TacSat－4卫星为测试和改进总线标准提供了真实的载荷和任务环境。

TacSat－4卫星为采办机构提供了有价值的基本数据点。采办的影响范围从一颗额外的类似TacSat－4卫星到能够增强地球同步轨道卫星的高轨轨道卫星星座。按照设计要求，TacSat－4卫星除了简单地增加转发器数量外，还要能增强传统地球同步轨道卫星的通信能力。TacSat－4卫星近期可增强卫星通信能力，远期可为通信卫星采购事项提供体系结构和未来能力方面的考虑。

4 启示与建议

美国战术星的发展也为我国未来卫星通信系统的建设以及卫星通信系统对抗装备的发展带来新的思考。

4．1 发展非地球同步轨道卫星通信系统

相对于地球同步轨道而言，非地球同步轨道卫星的好处是卫星更加接近地球，这意味着可以减少标准同步轨道链路中70%的传输延迟，进而提高了通信的质量。而组网的非地球同步轨道卫星可以实现高纬度区域的通信，提高了通信覆盖的范围。借鉴美国战术星的发展，发展非地球同步轨道卫星通信系统，作为现有地球同步轨道卫星通信系的补充。

4．2 发展针对战术星的通信对抗能力

美国国防部将采购一颗或多颗后续的战术星，这些战术星的技术文档和成本信息，将为作战响应空间项目的采购提供一个健全、成熟的基准［6］。为了应对美军未来这种快速发射、快速部署的战术作战样式，应当发展针对战术星的通信对抗能力。

5 结语

美国的作战响应空间试验项目已经取得了显著的成绩，然而战术星项目还需要面对现有的标准和程序验证对其军事价值评估带来的不利影响，以及确保系统的小型化、造价和足够的买方以支持战术星商业运作等方面的挑战。但是从“居安思危，未雨绸缪”的危机思维角度考虑，开展有关美国战术星发展的研究，通过发展非地球同步轨道卫星通信系统，以及发展针对战术星的通信对抗能力，对于我国未来卫星通信系统的建设以及卫星通信系统对抗装备的发展具有十分重要的意义。

［1］ 肖择．作战及时响应型太空计划中的战术星项目［J］．上海航天，2011，04(28):37－37．XIAO Ze，TacSat in Operationally Responsive Space Programe［J］．Aerospace Shanghai，2011，04(28):37－37．

［2］ COX V，WOLD S．ATK Announces Retirement of TacSat－3 Satellite．［EB/OL］．(2012－01－05)［2014－02－01］． http://atk．mediaroom．com/index．php?s=25280＆item=127619．

［3］ SORAE．ミノタウロス4ロケット、タックサット4を打ち上げ．［EB/OL］．(2011－09－28)［2014－02－01］．http://news．ameba．jp/20110928－212/．

［4］ JEFFREY H．U．S．Navy NRL TacSat－4 Completes Coast Guard Communications Test．［EB/OL］．(2012－03－14)［2014－02－01］．http://www．satellitetoday．com/st/headlines/U－S－Navy－NRL－TacSat－4－Completes－Coast－Guard－Communications－Test_38486．html．

［5］ GREER J．TacSat－4 Overview．［EB/OL］．(2007－04－26) ［2013－05－28］．http://www．responsiverspace．com/papers/rs5/panels/tacsat%20status/johnson．pdf．

［6］ HURLEY M，RAYNOR W，WELDY K．TacSat－4“COMMx”Advanced SATCOM Experiment［R］．［s．l．］:Naval Research Laboratory，2009．