美国军事卫星通信的分解+多样化

摘要

现有军事卫星通信系统的全部或部分分解和多样化可以带来显着的好处，包括提高成本和进度确定性、降低执行风险、提高安全性、提高弹性和响应能力，以及更快地集成和演示新技术以避免过时的能力。挑战包括提供有效的任务规划和更多资源的系统管理以及在全球范围内协调其运作。虽然一些关键任务总是需要一定数量的更精致的卫星，但更加多样化、分解的混合架构，其突出特点是不太复杂的卫星和托管有效载荷，似乎对美国政府有重大好处。

美国军事卫星通信的历史是一段时间以来任务能力聚合的历史。其结果是，如今大型卫星的数量有限，但复杂性却不断增加。到 2020 年，美国核心军事卫星通信将仅覆盖 14 颗卫星 [高级 EHF (AEHF)：4，宽带全球卫星通信 (WGS)：6，移动用户目标系统 (MUOS)：4]。尽管新能力已经部署并被证明是有价值的，但这种方法的后果是深远的，导致资产减少、成本和进度不确定性增加，以及支持作战人员的新能力部署的延迟增加。最近的预算限制加上项目绩效问题迫使我们重新评估未来的需求、采购方法和技术路线图。

波音简介此外，这些系统没有分层，唯一的增强是用于受保护通信的极地 EHF 有效载荷，以及租赁的商业卫星通信转发器。虽然聚合方法有很多好处，但其明显的缺点也很明显，表现为程序超支和新功能部署延迟。周期时间长会延迟技术更新和现代化，随着时间的推移，这可能会导致漏洞的出现。分解方法通过使用更短、更有针对性的任务来创建成本更加确定和增量部署的架构来满足任务需求，从而避免了许多这些缺点。

复杂系统的兴起

早期的军事卫星通信计划本质上主要是单一任务，提供一些特定的服务。这些计划的示例包括Marisat和IDSCP（DSCS 第 1 阶段）。任务通常是围绕最适合这些特定服务的频段创建的：用于窄带服务的 UHF、用于宽带集群的 X 频段等等。单个卫星既不是特别复杂，也不是特别昂贵。

下一波军事卫星通信包括更大、更复杂和更昂贵的卫星： DSCS（第二、第三）、 UHF 后续卫星（UFO）和Milstar。能力大大扩展。例如，DSCS 提供了相控阵天线以实现稳健性，Milstar 添加了机载处理、灵活波束天线和调零天线等。随着卫星的增多，所需的运载火箭尺寸和发射成本也随之增加。虽然早期的卫星可以在小型或中型运载火箭上发射，但像 Milstar 这样的高度聚合的卫星需要泰坦四号。由于卫星质量是参数成本估算关系（CER）

波音Fig1中经常使用的常用指标）[1]，研究美国军事卫星通信卫星质量随时间的演变是有用的。图 1展示了美国核心军事卫星通信系统 [2] 自诞生以来的大规模增长：窄带、宽带和受保护的 EHF 系统。值得注意的是主要项目块之间的流动显着增加，例如 20 世纪 80 年代末和 90 年代初的项目，这一趋势一直延续到今天。除了提高现有任务的性能和增加功能之外，质量增加的系统通常还会增加任务。WGS聚合了传统宽带 X 波段任务和 Ka 波段全球广播系统( GBS )。MUOS在传统 UHF有效负载中加入了新的宽带码分多址 ( WCDMA ) 有效负载，从而创建了混合 UHF/Ka 频段系统。

最新一波的军事卫星通信项目在开发初期就开始出现严重的延误和成本超支。图 2和图 3显示了 15 年来美国太空计划（包括军事卫星通信计划）的成本增长和进度延迟的比较。结论是，随着任务要求和由此产生的能力的汇总而带来的复杂性的增加，由于低估了按计划实现所需里程碑所需的技术和计划工作水平，因此难以充分评估成本和进度风险。在兰德公司2008 年向美国空军提交的一份报告中，这种对太空计划复杂性的依赖被认为是国防部太空计划成本和进度超支的驱动

因素 ：系统的系统给空间获取和成本估算界带来了许多新的挑战。所谓的 Young 报告 [5] 是 2003 年发表的一项具有广泛影响力的空军/国防部联合研究，内容涉及太空采办过程中日益增长的挑战，该报告指出，涉及多个用户和广泛用户需求的系统系统概念是一个主要的解决方案。导致军事空间系统成本增长的原因之一。它指出，用户和需求的激增导致系统日益复杂，这大大增加了管理成本、进度和风险的难度。与此同时，随着传感器和其他有效载荷在技术上变得更加复杂，以及更复杂的处理和软件任务迁移到航天器，各个系统、子系统和技术的复杂性也在增加。” [6]分解

替代解决方案和架构应该能够应对迄今为止复杂性的增长。它还应该具有允许更好地管理增长的特征。实现这一目标的方法之一是发展更加高度分类的架构，在此过程中为政府引入更大的多样性和灵活性。图 4显示了此类分解架构的示例，该架构既是分布式的又是分层的，具有清晰的多样化层次结构，包括核心资产和增强资产。

波音Fig3有两种主要的分解或多样化方法。第一个是将大型聚合系统分解为更小的组件。第二是通过添加更小的组件来增强核心系统，以创建更加多样化和增殖的资产系统。在空间方面，全球商业卫星通信服务提供商铱星等系统代表了前者，而SBIRS等系统可能是迈向后者的第一步（HEO有效载荷增强了大型GEO卫星）。在这里，我们研究两者，并分别举例：WGS 系统的分层增强和 AEHF 系统的分解。第一种情况如图 5

所示，并显示添加较小的卫星和/或托管有效载荷以补充核心系统的功能。在此概念性示例中，新资产是针对特定军事 Ka 频段任务量身定制的，例如战术（或战区内）AISR、长轨 AISR和移动通信( COTM )。具体轨道位置根据 COCOM 的直接需求进行选择，并确保不干扰 WGS 星座。新资产包括托管有效载荷和免费飞行器。 第二种情况如图 6所示，显示了通过将现有 AEHF 卫星分解为单独的卫星或有效载荷来进行分解，以分别支持战略和战术任务。在这种情况下，最终产生的卫星比原来的卫星要小得多，复杂性也低得多。分布式、分解架构弹性的优点 可以采用许多方法来提高系统的弹性。Milstar系统在单个卫星中加入了自主恢复功能，以确保战略链路在受到攻击后的某个最短时间内恢复。卫星通信服务提供商利用其商业卫星的在轨热备来从在轨故障中恢复。第三种选择是将有效载荷或卫星保留在地面存储中，以便根据需要快速调用以替换失去的能力。

使用分解将任务能力分散到更多的卫星中，从而通过系统级冗余来限制任何一颗卫星丢失的影响，这提供了一种实现弹性的方法。卫星之间的相似程度是一种交易。如果所有卫星都具有相同的基本能力，那么系统冗余可能会最大化，并且对手瞄准系统中任何特定卫星的动机就会减少。例如，如果目标是按地理区域定制功能，那么这种好处可能会超过对严格通用性和相关成本节省的渴望。

成本

分布式架构应该具有与现有系统相比的成本竞争力，才具有吸引力。考虑效益时，必须考虑成本；尽管最终这可能不是选择最佳分解程度的最引人注目的因素。此外，提高成本确定性对于预算目的以及总体成本也具有价值。

波音Fig5航天领域的总成本主要由三个主要成本组成部分：开发（非经常性）成本、生产（经常性）成本和发射成本。这些成本中的每一个都与卫星的大小和复杂性高度相关。这些成本还受到大型复杂项目较长时间的影响，这些项目对大型组织具有某些所需的固定成本，例如项目办公室、合同、安全和其他不直接影响最终产品的功能。随着计划时间的延长，这些固定成本也会成比例增加。因此，在尽可能短的时间内执行总是有益的。

开发成本：开发阶段的非经常性工程（NR）成本通常远高于第一颗卫星（T1）的经常性成本。历史上，太空计划的典型 NR/T1 比率大于 2:1。最近的许多研究表明软件和硬件的开发成本与复杂性之间存在相关性[7]。一般来说，这种成本关系不是线性的，而是在一定程度的复杂性下变得呈指数关系。较小的、分散的有效载荷和卫星有可能将复杂性水平维持在曲线拐点以下。为了降低开发成本，我们需要降低复杂性及其对系统开发的附带影响。

生产成本：经常性工程 (RE) 成本与卫星尺寸和复杂性呈更线性关系。由于个别卫星的建造存在一定的基本成本，包括项目管理和系统工程，因此考虑到类似的技术，这一成本要素可能有利于较大的卫星。另一方面，大量的小型卫星和有效载荷将加快学习曲线并提高批量购买成本效率。

波音Fig6考虑一颗经常性成本为 1B 美元的卫星。如果卫星可以分解为两颗相同的卫星，每颗成本为 5 亿美元，并且每颗卫星的建造周期为一半，我们可以比较学习曲线的效果，如图 7所示。航空航天项目通常使用 85% 至 90% 的累积平均学习曲线 [8]。本例中使用了 90% 的因子。正如我们所看到的，较小的产品可以更快地实现学习效益。

在这种情况下，较小的卫星 10 件产品的总成本为 $3.5B，而较大的 5 颗卫星的成本为 $3.9B，即高出约 11%，这仅仅是因为较小产品的较大产量可以更好地利用学习优势曲线比较短的生产运行。分解卫星的功能部署速度将比聚合卫星的部署速度更快，因为一半增量的部署速度可以提高两倍。

最终，学习曲线上的节省和生产效率会被长期生产过程中的过时成本所抵消。除非终身购买高可靠性和高价值的零件，否则报废成本将随着时间的推移增加经常性成本，并增加一些重新设计的非经常性成本。在某些时候，学习曲线的平坦化可能会导致过时成本超过未来学习曲线节省的成本。可以说，在这一点上，产品的持续扩展正在增加项目成本，除了通过非经常性工程实现产品设计现代化而立即避免成本之外，没有任何返回价值。这个交叉点的到来（如图 8所示）是产品可能超过其使用寿命并需要进行重大重新设计的一个指标。

波音Fig7随着周期时间的延长，技能组合和材料库存的维护也变得更加困难。如果能够遏制过时现象，较大的卫星更有可能在经常性成本方面享有轻微的成本优势。然而，到那时，可能会发生另一次进化块升级，从而有效地再次重置学习曲线。

发射成本：发射成本占政府计划太空段总成本的很大一部分。分解会导致更多的发布。如果发射成本与升力能力成正比，那么以一半的成本发射两倍数量的、尺寸和复杂性减半的卫星将大致等于发射一半数量的卫星。然而，运载火箭的成本并不成正比；可用容量固定的选项数量有限。美国太空政策进一步限制军用卫星通信卫星的运载火箭仅限于美国供应的物品。

图9显示了几种适合发射到地球同步轨道的中型和重型运载火箭 (MLV) 的比较。对于美国EELV运载火箭来说，发射成本是通过大量发射来摊销的，因此使用较小的运载火箭几乎没有什么好处。不过， Delta II仍然可用，但中等有效载荷的成本较低。如果可以考虑非美国运载火箭，中型运载火箭（MLV）的替代品数量就会增加（例如质子M），并且可以找到更低的价格。未来，价格为 6000 万美元的SpaceX Falcon 9等美国新进入者可能会进一步鼓励更便宜的小型资产的发射。如果较小的卫星可以允许双清单发射，那么单颗卫星的成本可能会降至 3000 万美元。

托管有效负载的引入还可以显着提高负担能力。托管有效载荷是作为次要任务托管在现有美国政府或商业卫星上的军事卫星通信有效载荷。对于较小的有效载荷，在许多情况下，托管有效载荷将被证明是一种更实惠的替代方案，因为与固定成本（例如发射和住宿成本以及托管费用）相关的成本分摊。这些与航天器巴士的免费飞行成本和运载火箭的全部成本相平衡。托管有效负载成本的降低将至少部分平衡分解架构中更多的资产。

波音Fig8图 10说明了单位容量成本与有效载荷大小以及托管有效载荷和自由飞行器的容量之间的关系。实际成本值将在很大程度上取决于具体任务以及总体有效载荷设计和容量。免费飞行者可以通过更充分地利用可用卫星和发射能力来最大限度地提高负担能力，同时降低每通信吞吐量的成本（例如，$M/Gbps），但会牺牲一些任务灵活性。

其他成本：其他成本优势可以通过分解任务来实现。对于 AEHF 等核强化任务，分解可以进一步降低成本。战略和战术任务的结合对必须满足更严格的核要求的共享硬件（包括总线）征收了生存税。分解可以释放这些需求的战术负载。

尽管这里的重点是太空部分，但伴随的地面部分和任务规划成本也可能随着更加分散的架构而增加。然而，地面资产通常更具可扩展性，并且通常可以在许多航天器之间共享。此外，当今高度网络化的地面系统提供了广泛的互连性，以允许系统管理活动的协调。

显然，许多因素都会影响系统生命周期成本，有些是积极的，有些是消极的。面临的挑战是开发一种解决方案，利用分布式架构的更实惠的方面。

安全

分解还可以通过更快速地部署新功能来响应不断变化的威胁和环境，从而满足更加敏捷的需求。如果出现新的漏洞，周期时间长的程序会有效地消除快速做出更改以对抗对手行动的选择。

针对这一问题的一种回应是增加军事卫星通信有效载荷的灵活性，以便它们可以从地面重新配置。具体示例包括包含更多板载数字处理和软件，以及相控阵天线等可配置组件。虽然这些都提供了灵活性，但它们不一定会增加功能，并且都代表了项目的成本和进度驱动因素，从而进一步延长了周期时间。尽管太空中的软件内容不断增加，但大量功能是由专用集成电路( ASIC ) 和固件决定的，两者在发射后都无法修改。在分布式世界中，可以发射更小的响应有效载荷，以在更短的时间内增强核心任务的非常具体的功能，以时间紧迫的方式解决新的漏洞，从而提高安全性。借用软件世界的术语，这实际上是系统级别的“安全补丁”。

波音Fig9技术更新+现代化

分解还提供了更多的技术插入机会，并降低了任何单一机会的风险。由于卫星数量相对较少，增强产品的机会有限。事实上，随着资产数量的减少，保守主义越来越多，导致升级仅在重大区块变化时发生，这可能需要十年的时间才能实施。对于较小的卫星，为每颗卫星插入新技术（包括演示）的风险降低了。在技术的可行性得到证明后，较大的核心项目可以减少干扰，按计划的时间间隔集成新功能。这使得技术开发和演示能够有效地与更大的、正在进行的运营项目脱钩。

适用于空间有效载荷的技术演进的例子包括微处理器速度和密度的提高、各种半导体的功率效率的提高以及固态存储器的更高容量。逐步改进这些参数的周期时间通常在 12 至 24 个月之间。图 11总结了集成电路的增长率（1965 年至 2005 年期间，IC ）复杂性和处理器能力。这些进步是在航天器数字处理器、数字存储单元、加密器、传感器和其他功能块等的设计中实现的。

分解的架构还可以提供使用更聚合的架构难以实现的功能和能力。特别是，现代网络，包括地面和蜂窝系统以及互联网，依赖于分布式架构。这些架构允许高水平的冗余，从而产生极高的可用性。这些网络的一个特点是节点数量众多。此类网络中的网络效用与节点数量成正比[14]。如果未来将全球信息网格（GIG）的天基网络扩展纳入简单转发服务之外，那么增加节点数量将是非常可取的。

挑战

系统管理

任务规划部分需要扩展，以适应分布式世界中更多的有效载荷和卫星，包括核心资产、托管有效载荷和较小的自由飞行器。协调响应仍然需要集中的任务规划元素，但可能需要更多的接口。功能可能是分布式的，因此命令和控制系统必须更加智能，才能了解每个资产相对于整个系统的固有功能。可能还需要新的或扩展的规划工具。但在某些情况下，单任务有效载荷可以独立运行，无需与其他现有系统进行实质性协调。

波音Fig10可能需要额外的系统工程来为分散的军事卫星通信系统开发更详细的概念。这包括在分布式资产（例如核心资产和增强资产）之间分配任务功能所需的工作，以便为每个资产生成需求集，并支持分层架构概念。虽然不是绝对必需的，但这一过程更有可能通过减少各个系统要素之间的功能重复来确保为政府带来更高的价值。

频谱管理

在全球许多军事和商业频段中，频谱管理已经面临挑战。现代技术和工艺继续允许卫星在地球静止轨道带中彼此放置得越来越近，但仍然需要更紧密的频率协调来限制干扰。分解将继续使频谱使用变得复杂，运行中的有效载荷将比以往任何时候都多。分散系统的好处之一是，由于 GEO 地带的空间隔离，可以在较小的影院中实现更大的容量，因此它们本质上会提供更大频率重用的机会。在单个轨道位置规划和操作单频系统也比多频段系统更容易。

原文始发于微信公众号（太空安全）：美国军事卫星通信的分解+多样化