美军卫星控制网现状与发展

张健 赵洪利 朱俊鹏

根据忧思科学家联盟(Union of concerned scientists,UCS)的统计,截止到2016年6月30日,美国在轨运行的军用卫星总计147颗[1].为了对在轨运行的卫星进行测控,美军建立了多种地面测控网.美国政府问责办公室2013年提交给国会的报告中,把美军卫星测控网分为两种类型——共享测控网和专用测控网[2].共享测控网支持多种卫星系统,共享其天线和软件.此种网络适用于多种卫星平台的控制,卫星使用低数据率与地面站断续连接,如国防卫星通信系统(Defense satellite communication system,DSCS)和特高频后继星(UHF follow-on,UFO);专用测控网测控单一卫星系统,不与其他网络共享资源,这种网络多为定制系统,使用同一天线对载荷和平台进行控制,如GEO天基红外系统(Space based infrared system geosynchronous,SBIRS)和全球定位系统(Global position system,GPS).

卫星测控的地面段是测控活动中重要的组成部分,由不同的地面控制中心、地面站组成.目前存在两种类型的地面站:控制站和跟踪站.卫星控制地面站执行跟踪、遥测和指令功能,确保卫星在正确的轨道运行.跟踪站则通过通信上行和下行链路与卫星保持联系.

1 共享测控网

美军的共享测控网包括空军卫星控制网(Air Force satellite control network,AFSCN)、陆军卫星控制网和海军卫星控制网.

1.1 空军卫星控制网

空军卫星控制网是美军最大的共享测控网,由第50网络运行大队负责.该大队隶属于空军航天司令部第14航空队第50空间联队,负责国家、国防部、盟友和民用领域的150多颗卫星的测控任务[3].

AFSCN由2个控制中心、7个远程跟踪站和天地互联网络组成.

主控制中心位于施里弗空军基地,由第22太空操作中队负责.备份控制中心位于范登堡空军基地,由第21太空操作中队负责.备份控制中心为AFSCN提供故障监测,通过监测、维护、更新AFSCN为150多颗卫星提供通信.

7个全球远程跟踪地面站分别是迪戈加西亚岛跟踪站(代号REEF)、关岛跟踪站(代号GUAN)、夏威夷跟踪站(代号HULA)、新罕布什尔跟踪站(代号BOSS)、皇家空军遥测/指令站(代号LION)、图勒跟踪站(代号POGO)、范登堡跟踪站(代号COOK)[4].表1列出了各跟踪站位置及功能.图1所示为7个跟踪站的分布图.

表1 AFSCN 7个远程跟踪站

AFSCN由第50网络运行大队负责运行,该大队由4个中队(第50太空通信中队、第21、22、23太空操作中队)、4个分遣队(第21太空操作中队第1、2、3分遣队和第23太空操作中队第1分遣队)和14个不同位置的操作站组成.下属4个中队具体负责运行AFSCN,以下是4个中队的具体情况.

第21太空操作中队(21st Space operation squadron,21st SPOS),位于范登堡空军基地,通过AFSCN备份中心监测、维护和更新AFSCN,操作4个远程跟踪站:范登堡跟踪站、迪戈加西亚跟踪站(由21st SOPS第1分遣队操作)、关岛跟踪站(由21st SOPS第2分遣队操作)、夏威夷跟踪站(由21st SOPS第3分遣队操作).主要任务是跟踪、遥测、指令、任务数据取回、发射前卫星检测,负责操作和维护位于迪戈加西亚跟踪站、夏威夷跟踪站和马绍尔群岛共和国夸贾林环礁的GPS地面天线和监测站.负责操作和维护2个国防信息系统局的卫星通信天线.范登堡跟踪站还支持西发射场的发射操作.第21太空操作中队还承担GPS备用主控站、第3和第4太空操作中队的联合备份卫星操作中心,以及部分Milstar卫星指控节点[5].

第22太空操作中队(22nd Space operation squadron,22nd SPOS),位于施里弗空军基地,运行AFSCN主控制中心,通过开发、执行、增强网络操作任务顺序和提供太空安全分析来实施卫星操作.协调150多颗卫星的发射和在轨操作.其网络运行中心执行和监测AFSCN的所有操作,也实施防御的反空间行动,并负责协调星历数据、发射和早期轨道分析的任务.

第23太空操作中队(23rd Space operation squadron,23rd SPOS),位于新罕布什尔州的新波士顿空军场站,操作7个AFSCN远程跟踪站中最大的一个,为美国战略司令部提供卫星指挥和控制能力.操作和维护DSCS增强地面终端和国家海洋大气管理局的国防气象卫星计划增强系统.2010年,该中队开始支持其他2个AFSCN地面站,分别是位于格陵兰岛的图勒跟踪站(由第23太空操作中队第1分遣队操作,是7个跟踪站中最靠北的一个)、位于英格兰Oakhanger空军场站的遥测/指令站(由23rd SOPS OL-A操作).支持位于佛罗里达州卡纳维拉尔角的东部运载火箭监测设施,该设施用于发射前和发射初始阶段确保AFSCN对卫星的操作能力.2011年,开始支持2个位于卡纳维拉尔角和南大西洋阿森松岛的GPS地面天线和监测站.

第50太空通信中队(50th Space communication squadron,50th SPCS),操作和维护通信计算机系统以确保150多颗卫星的全球接入.操作和维护基带通信系统、基带电话交换系统、国防信息系统局多功能交换机、国防红交换网络交换机、安全控制系统、视频会议系统、非安全IP路由网络、安全IP路由网络和地面移动无线电等设施,提供指挥、控制、计算、通信和信息服务,支持地理上分布的14个场站的18个单位.指挥控制70个国防信息系统局的节点以提供安全/非安全的声音和数据通信,管理着国防部的全球广播服务.

1.2 陆军卫星控制网

陆军卫星控制网主要是针对DSCS和宽带全球卫星通信系统(Wideband global satellite communication,WGS),负责有效载荷控制和通信网络.DSCS III已发射14颗,目前仅剩6颗,大部分卫星都超出了10年的设计寿命.替代DSCS卫星的WGS卫星拥有非常强大的通信能力,1颗WGS卫星的带宽和整个DSCS卫星星座相媲美.WGS可以提供10倍于DSCS卫星的通信能力.

DSCS和WGS卫星的平台由第50空间联队第50操作大队下属第3太空操作中队负责.载荷由陆军战略司令部的4个区域卫星通信支援中心(Regional satellite communications support center,RSSC)和1个全球卫星通信支援中心(Global satellite communications support center,GSSC)负责,对卫星通信资源进行管理,对需求进行评估并制作计划.5个卫星通信支援中心情况如下[6]:

RSSC East,位于佛罗里达州MacDill空军基地,支援美国特种作战司令部、美国南方司令部和美国战略司令部联合卫星通信作战分部.RSSC West,位于科罗拉多州彼得森空军基地,支援美国北方司令部、美国战略司令部、美国运输司令部、白宫通信局和加拿大.RSSC Europe,位于德国帕奇军营,支援美国中央司令部、美国欧洲司令部、美国非洲司令部、荷兰、丹麦和卢森堡.RSSC Paci fi c,位于夏威夷Wheeler陆军航空基地,支援美国太平洋司令部、澳大利亚和新西兰.GSSC,位于科罗拉多州彼得森空军基地,满足面向全球部队的卫星通信需求.

全球和区域卫星通信支援中心制作的计划发送到5个宽带卫星通信作战中心执行.作战中心由陆军战略司令部第53信号营下属的5个连队负责,分别位于马里兰州Fort Detrick基地(A连)、马里兰州Fort Meade基地(B连)、德国Landstuhl(C连)、夏威夷Wahiawa(D连)、日本冲绳Fort Buckner基地(E连).

1.3 海军卫星控制网

海军卫星控制网,通过1个操作控制中心和4个远程地面站操作、管理和维护海军的通信卫星.卫星系统包括舰队卫星通信系统(Fleet satellite communication,FLTSATCOM)、移动用户目标系统(Mobile user objective system,MUOS)和特高频后继星.海军卫星操作中心总部位于加利福尼亚州Point Mugu,其中3个测控站分别位于缅因州Prospect Harbor、关岛Finegayan、加利福尼亚州Laguna Peak,第4个测控站的位置不同文献有不同的记载.文献[7]描述第4个测控站位于科罗拉多州Springs,而文献[8]记录位于夏威夷Wahiawa.

虽然海军卫星控制网与其他国防和民用部门的卫星控制系统不能进行互操作,但在适当改造后可以通过使用AFSCN的天线对FLTSATCOM、UFO和MUOS进行完全控制.

2 专用测控网

美军除了共享测控网之外,还有大量的专用测控网,并且专用测控网的比例从1960年的30%提高到了2010年的85%.如美军的GPS、空间态势感知系统(Space situational awareness,SSA)、天基红外预警卫星系统、军事星(Milstar)、先进极高频卫星系统(Advanced extremely high frequency satellite,AEHF)和国防气象卫星系统(Defense meteorological satellite program,DMSP)等,其测控网络都属于专用系统.

2.1 GPS

GPS是美国卫星中最大的星座,提供定位、导航和授时服务.GPS包括3部分:空间段、控制段和用户段.控制段包括主控站、备用主控站、11个指令/控制天线和15个监测站.

位于施里弗空军基地的主控站,由第2太空操作中队负责.主控站从监测站接收导航信息,利用这些信息计算GPS卫星在太空中的准确位置,然后把这些数据注入到卫星.主控站监测导航信息和系统健全性,使第2太空操作中队判断和评估GPS星座的健康状态.

监测站由主控站控制,跟踪GPS卫星,收集大气数据和导航信号.15个监测站中6个来自空军,9个来自国家地理空间情报局.

地面天线负责与卫星通信以执行指令和控制任务,发送导航数据,收集遥测信号,同时负责向卫星注入指令.有4个专用地面天线,与夸贾林环礁、阿森松岛、迪戈加西亚和卡纳维拉尔角的监测站位于同一处.

另外,控制段与7个AFSCN远程跟踪站相连,以增加测控的灵活性和鲁棒性.

2.2 SSA

天基太空监视卫星(SBSS-1,SBSS-ATRR)和GEO太空态势感知卫星(Geosynchronous space situational awareness,GSSAP)由第50空间联队第50操作大队下属第1太空操作中队负责,使用专用测控网对卫星进行控制.

SBSS-1是空军航天司令部太空监视网(Space surveillance network,SSN)的天基部分,是首个天基态势感知传感器[11],向联合太空职能司令部联合太空作战中心(Joint space operations center,JSpOC)和国家航空航天情报中心(National aerospace information center,NASIC)提供LEO、HEO和GEO轨道的度量观测和空间物体认证数据.

SBSS-ATRR于2009年发射,2011年由导弹防御局移交给第1太空操作中队(当时卫星命名为STSS-ATRR),执行太空态势感知以支持太空监视网.该卫星从LEO轨道监视GEO轨道,向JSpOC提供度量观测数据.

GSSAP卫星于2014年7月发射2颗,用于监视GEO轨道的飞行器.后续2颗卫星计划于2016年发射.

2.3 天基红外预警卫星

天基红外预警卫星测控网络是专用测控网.早期的国防支援计划(Defense support program,DSP)卫星和替代DSP卫星的SBIRS卫星组成了天基预警卫星.

截止2016年6月,有4颗DSP卫星在轨运行,由位于伯克利空军基地的第2太空预警中队负责.该中队有6个全球分布的操作站,同时承载SBIRS卫星的操作和维护.

SBIRS卫星由位于GEO轨道的卫星、搭载于HEO轨道卫星的传感器及地面数据处理控制系统组成.有2颗SBIRS GEO卫星在轨运行,由第460操作大队第1分遣队测试和操作.搭载于国家侦察局喇叭4、5、6上的SBIRS HEO传感器有3个,分别是HEO-1、HEO-2、HEO-3,这3个载荷由第11太空预警中队负责.

SBIRS Low卫星项目重新命名为太空跟踪监视卫星(Space tracking and surveillance system,STSS),由导弹防御局负责,目前已发射2颗.

2.4 Milstar和AEHF

Milstar和AEHF由位于施里弗空军基地的第4太空操作中队负责,利用专用EHF天线和AFSCN控制卫星星座.

Milstar的前2颗搭载低数据率载荷,可转发数据率为75b/s～2400b/s超过192个信道的通信;后3颗搭载低数据率和中数据率载荷,中数据率载荷可转发4800b/s～1.544Mb/s超过32个信道的通信数据.Milstar包括3部分:空间、终端和地面控制系统.地面段包括固定和移动控制站,2个固定控制站分别位于施里弗空军基地和范登堡空军基地.施里弗空军基地还有2个指控节点,由第21太空操作中队操作;范登堡有1个指控节点,由第148太空操作中队的空军国民警卫队人员操作.地面段也使用增强指控系统和AFSCN以提供鲁棒的测控能力.

AEHF作为Milstar的后继卫星,计划发射5颗,已发射3颗,第1颗已失效,可与Milstar卫星兼容.由第4太空操作中队负责,执行指挥控制、通信资源管理、系统工程支持、任务计划、用户支持和异常检测.通过计划、执行和监测载荷分配为上到总统下到战术用户提供服务.

2.5 DMSP

DMSP是由美国商业部通过国家海洋气象局(National oceanic and atmospheric administration,NOAA)卫星和产品操作办公室操作的系统.DMSP提供可视红外云层图像以及监视大气、海洋、水文、冰冻圈和近地太空环境.该计划提供全球和战区气象数据,全球气象数据通过存储转发方式发送给全球用户,战区气象数据直接通过广播发送给作战人员.

DMSP的数据通过卫星下行链路传送到图勒空军基地,然后被转发到空军气象局(Air Force weather agency,AFWA,位于内布拉斯加州Omaha的奥福特空军基地).在AFWA,数据解密之后传送到国家环境信息中心(National centers for environment information,NCEI,前身是国家地球物理数据中心)[12].NCEI是NOAA的机构,维护一个数据档案库,该档案库保存DMSP卫星从1992年至今收集的气象数据.NCEI在美国有4个,分别位于北卡罗来纳州Asheville、科罗拉多州Boulder、马里兰州Silver Spring、密西西比州Stennis[13].

卫星和产品操作办公室管理和指导NOAA的卫星和数据的获取.负责马里兰州休特兰的卫星操作控制中心、弗吉尼亚州Wallops和阿拉斯加州Fairbanks的指令和数据获取设施.通过这些设备,对卫星进行跟踪,并获取、处理和分发数据[14].

3 美军航天测控网发展趋势

自美国发射第1颗卫星以来,美军的测控网一直在发展变化中.特别在21世纪的第1个十年里,美国发展了大量的专用卫星测控网来代替共享测控网,专用测控网的比例从1960年的30%提高到了2010年的85%,如图3所示.美国防部目前运行着超过10个专用卫星控制网络,而这些网络是封闭的,不与其他网络共享测控资源和人员.这样做的好处是,1)减少了大型项目开发所面临的风险和难度.由于不用考虑与其他网络的兼容性问题,复杂性大大降低,风险减少.2)定制化系统,增强系统的可用性和稳定性[2].

大量专用网的好处显而易见,但是也直接导致了设施重复建设和相互隔离难以互操作等问题.根据美空军官员的说法,国防部将来发展的测控网仍然是以专用网络居多,并且没有整合计划.美国最大的共享测控网AFSCN在未来5年将耗资4亿美元进行现代化,但是这些计划仅仅是替换AFSCN中老旧的设备,而没有着眼于提高AFSCN未来的测控能力.

在国防系统开发中引入商业机制可以提高效率并减少开销,但是美国防部面临着诸多困难,如国防部没有卫星测控的长期计划,对卫星运行过程中测控的开销没有准确的数据作为支撑,项目管理人员没有足够的权利促进不同测控网之间的互联互通等.

由于各卫星测控网络之间缺乏数据互通和互操作性,导致卫星支援美军作战能力下降,并且近几年开展的大多以专用测控网络为主,相互融合的难度较大.美军也在研究通过TDRSS系统作为替代系统,在空军卫星控制网等地基测控网出现故障或遭受打击时,由TDRSS承担军用卫星的测控任务.

4 结论

长期以来,美军各个卫星测控网独立发展,融合程度低,且融合意愿不强.在军用测控网中引入商业机制发展缓慢.大量的专用测控网增加了地面段的重复建设以及资源的浪费.深入研究美军航天测控网的现状,对于我军相关领域的作战提供支撑.

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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.

5 SCHRIEVER AIR FORCE BASE. 21st Space Operations Squadron[EB/OL].(2012-08-22)[2016-08-13].www.schriever.af.mil/About-Us/Fact-Sheets/Display/275813/21st-space-operations-squadron.

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.