張健 趙洪利 朱俊鵬

根據(jù)憂思科學(xué)家聯(lián)盟(Union of concerned scientists,UCS)的統(tǒng)計,截止到2016年6月30日,美國在軌運行的軍用衛(wèi)星總計147顆[1].為了對在軌運行的衛(wèi)星進(jìn)行測控,美軍建立了多種地面測控網(wǎng).美國政府問責(zé)辦公室2013年提交給國會的報告中,把美軍衛(wèi)星測控網(wǎng)分為兩種類型——共享測控網(wǎng)和專用測控網(wǎng)[2].共享測控網(wǎng)支持多種衛(wèi)星系統(tǒng),共享其天線和軟件.此種網(wǎng)絡(luò)適用于多種衛(wèi)星平臺的控制,衛(wèi)星使用低數(shù)據(jù)率與地面站斷續(xù)連接,如國防衛(wèi)星通信系統(tǒng)(Defense satellite communication system,DSCS)和特高頻后繼星(UHF follow-on,UFO);專用測控網(wǎng)測控單一衛(wèi)星系統(tǒng),不與其他網(wǎng)絡(luò)共享資源,這種網(wǎng)絡(luò)多為定制系統(tǒng),使用同一天線對載荷和平臺進(jìn)行控制,如GEO天基紅外系統(tǒng)(Space based infrared system geosynchronous,SBIRS)和全球定位系統(tǒng)(Global position system,GPS).

衛(wèi)星測控的地面段是測控活動中重要的組成部分,由不同的地面控制中心、地面站組成.目前存在兩種類型的地面站:控制站和跟蹤站.衛(wèi)星控制地面站執(zhí)行跟蹤、遙測和指令功能,確保衛(wèi)星在正確的軌道運行.跟蹤站則通過通信上行和下行鏈路與衛(wèi)星保持聯(lián)系.

1 共享測控網(wǎng)

美軍的共享測控網(wǎng)包括空軍衛(wèi)星控制網(wǎng)(Air Force satellite control network,AFSCN)、陸軍衛(wèi)星控制網(wǎng)和海軍衛(wèi)星控制網(wǎng).

1.1 空軍衛(wèi)星控制網(wǎng)

空軍衛(wèi)星控制網(wǎng)是美軍最大的共享測控網(wǎng),由第50網(wǎng)絡(luò)運行大隊負(fù)責(zé).該大隊隸屬于空軍航天司令部第14航空隊第50空間聯(lián)隊,負(fù)責(zé)國家、國防部、盟友和民用領(lǐng)域的150多顆衛(wèi)星的測控任務(wù)[3].

AFSCN由2個控制中心、7個遠(yuǎn)程跟蹤站和天地互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)組成.

主控制中心位于施里弗空軍基地,由第22太空操作中隊負(fù)責(zé).備份控制中心位于范登堡空軍基地,由第21太空操作中隊負(fù)責(zé).備份控制中心為AFSCN提供故障監(jiān)測,通過監(jiān)測、維護(hù)、更新AFSCN為150多顆衛(wèi)星提供通信.

7個全球遠(yuǎn)程跟蹤地面站分別是迪戈加西亞島跟蹤站(代號REEF)、關(guān)島跟蹤站(代號GUAN)、夏威夷跟蹤站(代號HULA)、新罕布什爾跟蹤站(代號BOSS)、皇家空軍遙測/指令站(代號LION)、圖勒跟蹤站(代號POGO)、范登堡跟蹤站(代號COOK)[4].表1列出了各跟蹤站位置及功能.圖1所示為7個跟蹤站的分布圖.

表1 AFSCN 7個遠(yuǎn)程跟蹤站

AFSCN由第50網(wǎng)絡(luò)運行大隊負(fù)責(zé)運行,該大隊由4個中隊(第50太空通信中隊、第21、22、23太空操作中隊)、4個分遣隊(第21太空操作中隊第1、2、3分遣隊和第23太空操作中隊第1分遣隊)和14個不同位置的操作站組成.下屬4個中隊具體負(fù)責(zé)運行AFSCN,以下是4個中隊的具體情況.

第21太空操作中隊(21st Space operation squadron,21st SPOS),位于范登堡空軍基地,通過AFSCN備份中心監(jiān)測、維護(hù)和更新AFSCN,操作4個遠(yuǎn)程跟蹤站:范登堡跟蹤站、迪戈加西亞跟蹤站(由21st SOPS第1分遣隊操作)、關(guān)島跟蹤站(由21st SOPS第2分遣隊操作)、夏威夷跟蹤站(由21st SOPS第3分遣隊操作).主要任務(wù)是跟蹤、遙測、指令、任務(wù)數(shù)據(jù)取回、發(fā)射前衛(wèi)星檢測,負(fù)責(zé)操作和維護(hù)位于迪戈加西亞跟蹤站、夏威夷跟蹤站和馬紹爾群島共和國夸賈林環(huán)礁的GPS地面天線和監(jiān)測站.負(fù)責(zé)操作和維護(hù)2個國防信息系統(tǒng)局的衛(wèi)星通信天線.范登堡跟蹤站還支持西發(fā)射場的發(fā)射操作.第21太空操作中隊還承擔(dān)GPS備用主控站、第3和第4太空操作中隊的聯(lián)合備份衛(wèi)星操作中心,以及部分Milstar衛(wèi)星指控節(jié)點[5].

第22太空操作中隊(22nd Space operation squadron,22nd SPOS),位于施里弗空軍基地,運行AFSCN主控制中心,通過開發(fā)、執(zhí)行、增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)操作任務(wù)順序和提供太空安全分析來實施衛(wèi)星操作.協(xié)調(diào)150多顆衛(wèi)星的發(fā)射和在軌操作.其網(wǎng)絡(luò)運行中心執(zhí)行和監(jiān)測AFSCN的所有操作,也實施防御的反空間行動,并負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)星歷數(shù)據(jù)、發(fā)射和早期軌道分析的任務(wù).

第23太空操作中隊(23rd Space operation squadron,23rd SPOS),位于新罕布什爾州的新波士頓空軍場站,操作7個AFSCN遠(yuǎn)程跟蹤站中最大的一個,為美國戰(zhàn)略司令部提供衛(wèi)星指揮和控制能力.操作和維護(hù)DSCS增強(qiáng)地面終端和國家海洋大氣管理局的國防氣象衛(wèi)星計劃增強(qiáng)系統(tǒng).2010年,該中隊開始支持其他2個AFSCN地面站,分別是位于格陵蘭島的圖勒跟蹤站(由第23太空操作中隊第1分遣隊操作,是7個跟蹤站中最靠北的一個)、位于英格蘭Oakhanger空軍場站的遙測/指令站(由23rd SOPS OL-A操作).支持位于佛羅里達(dá)州卡納維拉爾角的東部運載火箭監(jiān)測設(shè)施,該設(shè)施用于發(fā)射前和發(fā)射初始階段確保AFSCN對衛(wèi)星的操作能力.2011年,開始支持2個位于卡納維拉爾角和南大西洋阿森松島的GPS地面天線和監(jiān)測站.

第50太空通信中隊(50th Space communication squadron,50th SPCS),操作和維護(hù)通信計算機(jī)系統(tǒng)以確保150多顆衛(wèi)星的全球接入.操作和維護(hù)基帶通信系統(tǒng)、基帶電話交換系統(tǒng)、國防信息系統(tǒng)局多功能交換機(jī)、國防紅交換網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、安全控制系統(tǒng)、視頻會議系統(tǒng)、非安全I(xiàn)P路由網(wǎng)絡(luò)、安全I(xiàn)P路由網(wǎng)絡(luò)和地面移動無線電等設(shè)施,提供指揮、控制、計算、通信和信息服務(wù),支持地理上分布的14個場站的18個單位.指揮控制70個國防信息系統(tǒng)局的節(jié)點以提供安全/非安全的聲音和數(shù)據(jù)通信,管理著國防部的全球廣播服務(wù).

1.2 陸軍衛(wèi)星控制網(wǎng)

陸軍衛(wèi)星控制網(wǎng)主要是針對DSCS和寬帶全球衛(wèi)星通信系統(tǒng)(Wideband global satellite communication,WGS),負(fù)責(zé)有效載荷控制和通信網(wǎng)絡(luò).DSCS III已發(fā)射14顆,目前僅剩6顆,大部分衛(wèi)星都超出了10年的設(shè)計壽命.替代DSCS衛(wèi)星的WGS衛(wèi)星擁有非常強(qiáng)大的通信能力,1顆WGS衛(wèi)星的帶寬和整個DSCS衛(wèi)星星座相媲美.WGS可以提供10倍于DSCS衛(wèi)星的通信能力.

DSCS和WGS衛(wèi)星的平臺由第50空間聯(lián)隊第50操作大隊下屬第3太空操作中隊負(fù)責(zé).載荷由陸軍戰(zhàn)略司令部的4個區(qū)域衛(wèi)星通信支援中心(Regional satellite communications support center,RSSC)和1個全球衛(wèi)星通信支援中心(Global satellite communications support center,GSSC)負(fù)責(zé),對衛(wèi)星通信資源進(jìn)行管理,對需求進(jìn)行評估并制作計劃.5個衛(wèi)星通信支援中心情況如下[6]:

RSSC East,位于佛羅里達(dá)州MacDill空軍基地,支援美國特種作戰(zhàn)司令部、美國南方司令部和美國戰(zhàn)略司令部聯(lián)合衛(wèi)星通信作戰(zhàn)分部.RSSC West,位于科羅拉多州彼得森空軍基地,支援美國北方司令部、美國戰(zhàn)略司令部、美國運輸司令部、白宮通信局和加拿大.RSSC Europe,位于德國帕奇軍營,支援美國中央司令部、美國歐洲司令部、美國非洲司令部、荷蘭、丹麥和盧森堡.RSSC Paci fi c,位于夏威夷Wheeler陸軍航空基地,支援美國太平洋司令部、澳大利亞和新西蘭.GSSC,位于科羅拉多州彼得森空軍基地,滿足面向全球部隊的衛(wèi)星通信需求.

全球和區(qū)域衛(wèi)星通信支援中心制作的計劃發(fā)送到5個寬帶衛(wèi)星通信作戰(zhàn)中心執(zhí)行.作戰(zhàn)中心由陸軍戰(zhàn)略司令部第53信號營下屬的5個連隊負(fù)責(zé),分別位于馬里蘭州Fort Detrick基地(A連)、馬里蘭州Fort Meade基地(B連)、德國Landstuhl(C連)、夏威夷Wahiawa(D連)、日本沖繩Fort Buckner基地(E連).

1.3 海軍衛(wèi)星控制網(wǎng)

海軍衛(wèi)星控制網(wǎng),通過1個操作控制中心和4個遠(yuǎn)程地面站操作、管理和維護(hù)海軍的通信衛(wèi)星.衛(wèi)星系統(tǒng)包括艦隊衛(wèi)星通信系統(tǒng)(Fleet satellite communication,FLTSATCOM)、移動用戶目標(biāo)系統(tǒng)(Mobile user objective system,MUOS)和特高頻后繼星.海軍衛(wèi)星操作中心總部位于加利福尼亞州Point Mugu,其中3個測控站分別位于緬因州Prospect Harbor、關(guān)島Finegayan、加利福尼亞州Laguna Peak,第4個測控站的位置不同文獻(xiàn)有不同的記載.文獻(xiàn)[7]描述第4個測控站位于科羅拉多州Springs,而文獻(xiàn)[8]記錄位于夏威夷Wahiawa.

雖然海軍衛(wèi)星控制網(wǎng)與其他國防和民用部門的衛(wèi)星控制系統(tǒng)不能進(jìn)行互操作,但在適當(dāng)改造后可以通過使用AFSCN的天線對FLTSATCOM、UFO和MUOS進(jìn)行完全控制.

2 專用測控網(wǎng)

美軍除了共享測控網(wǎng)之外,還有大量的專用測控網(wǎng),并且專用測控網(wǎng)的比例從1960年的30%提高到了2010年的85%.如美軍的GPS、空間態(tài)勢感知系統(tǒng)(Space situational awareness,SSA)、天基紅外預(yù)警衛(wèi)星系統(tǒng)、軍事星(Milstar)、先進(jìn)極高頻衛(wèi)星系統(tǒng)(Advanced extremely high frequency satellite,AEHF)和國防氣象衛(wèi)星系統(tǒng)(Defense meteorological satellite program,DMSP)等,其測控網(wǎng)絡(luò)都屬于專用系統(tǒng).

2.1 GPS

GPS是美國衛(wèi)星中最大的星座,提供定位、導(dǎo)航和授時服務(wù).GPS包括3部分:空間段、控制段和用戶段.控制段包括主控站、備用主控站、11個指令/控制天線和15個監(jiān)測站.

位于施里弗空軍基地的主控站,由第2太空操作中隊負(fù)責(zé).主控站從監(jiān)測站接收導(dǎo)航信息,利用這些信息計算GPS衛(wèi)星在太空中的準(zhǔn)確位置,然后把這些數(shù)據(jù)注入到衛(wèi)星.主控站監(jiān)測導(dǎo)航信息和系統(tǒng)健全性,使第2太空操作中隊判斷和評估GPS星座的健康狀態(tài).

監(jiān)測站由主控站控制,跟蹤GPS衛(wèi)星,收集大氣數(shù)據(jù)和導(dǎo)航信號.15個監(jiān)測站中6個來自空軍,9個來自國家地理空間情報局.

地面天線負(fù)責(zé)與衛(wèi)星通信以執(zhí)行指令和控制任務(wù),發(fā)送導(dǎo)航數(shù)據(jù),收集遙測信號,同時負(fù)責(zé)向衛(wèi)星注入指令.有4個專用地面天線,與夸賈林環(huán)礁、阿森松島、迪戈加西亞和卡納維拉爾角的監(jiān)測站位于同一處.

另外,控制段與7個AFSCN遠(yuǎn)程跟蹤站相連,以增加測控的靈活性和魯棒性.

2.2 SSA

天基太空監(jiān)視衛(wèi)星(SBSS-1,SBSS-ATRR)和GEO太空態(tài)勢感知衛(wèi)星(Geosynchronous space situational awareness,GSSAP)由第50空間聯(lián)隊第50操作大隊下屬第1太空操作中隊負(fù)責(zé),使用專用測控網(wǎng)對衛(wèi)星進(jìn)行控制.

SBSS-1是空軍航天司令部太空監(jiān)視網(wǎng)(Space surveillance network,SSN)的天基部分,是首個天基態(tài)勢感知傳感器[11],向聯(lián)合太空職能司令部聯(lián)合太空作戰(zhàn)中心(Joint space operations center,JSpOC)和國家航空航天情報中心(National aerospace information center,NASIC)提供LEO、HEO和GEO軌道的度量觀測和空間物體認(rèn)證數(shù)據(jù).

SBSS-ATRR于2009年發(fā)射,2011年由導(dǎo)彈防御局移交給第1太空操作中隊(當(dāng)時衛(wèi)星命名為STSS-ATRR),執(zhí)行太空態(tài)勢感知以支持太空監(jiān)視網(wǎng).該衛(wèi)星從LEO軌道監(jiān)視GEO軌道,向JSpOC提供度量觀測數(shù)據(jù).

GSSAP衛(wèi)星于2014年7月發(fā)射2顆,用于監(jiān)視GEO軌道的飛行器.后續(xù)2顆衛(wèi)星計劃于2016年發(fā)射.

2.3 天基紅外預(yù)警衛(wèi)星

天基紅外預(yù)警衛(wèi)星測控網(wǎng)絡(luò)是專用測控網(wǎng).早期的國防支援計劃(Defense support program,DSP)衛(wèi)星和替代DSP衛(wèi)星的SBIRS衛(wèi)星組成了天基預(yù)警衛(wèi)星.

截止2016年6月,有4顆DSP衛(wèi)星在軌運行,由位于伯克利空軍基地的第2太空預(yù)警中隊負(fù)責(zé).該中隊有6個全球分布的操作站,同時承載SBIRS衛(wèi)星的操作和維護(hù).

SBIRS衛(wèi)星由位于GEO軌道的衛(wèi)星、搭載于HEO軌道衛(wèi)星的傳感器及地面數(shù)據(jù)處理控制系統(tǒng)組成.有2顆SBIRS GEO衛(wèi)星在軌運行,由第460操作大隊第1分遣隊測試和操作.搭載于國家偵察局喇叭4、5、6上的SBIRS HEO傳感器有3個,分別是HEO-1、HEO-2、HEO-3,這3個載荷由第11太空預(yù)警中隊負(fù)責(zé).

SBIRS Low衛(wèi)星項目重新命名為太空跟蹤監(jiān)視衛(wèi)星(Space tracking and surveillance system,STSS),由導(dǎo)彈防御局負(fù)責(zé),目前已發(fā)射2顆.

2.4 Milstar和AEHF

Milstar和AEHF由位于施里弗空軍基地的第4太空操作中隊負(fù)責(zé),利用專用EHF天線和AFSCN控制衛(wèi)星星座.

Milstar的前2顆搭載低數(shù)據(jù)率載荷,可轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)率為75b/s～2400b/s超過192個信道的通信;后3顆搭載低數(shù)據(jù)率和中數(shù)據(jù)率載荷,中數(shù)據(jù)率載荷可轉(zhuǎn)發(fā)4800b/s～1.544Mb/s超過32個信道的通信數(shù)據(jù).Milstar包括3部分:空間、終端和地面控制系統(tǒng).地面段包括固定和移動控制站,2個固定控制站分別位于施里弗空軍基地和范登堡空軍基地.施里弗空軍基地還有2個指控節(jié)點,由第21太空操作中隊操作;范登堡有1個指控節(jié)點,由第148太空操作中隊的空軍國民警衛(wèi)隊人員操作.地面段也使用增強(qiáng)指控系統(tǒng)和AFSCN以提供魯棒的測控能力.

AEHF作為Milstar的后繼衛(wèi)星,計劃發(fā)射5顆,已發(fā)射3顆,第1顆已失效,可與Milstar衛(wèi)星兼容.由第4太空操作中隊負(fù)責(zé),執(zhí)行指揮控制、通信資源管理、系統(tǒng)工程支持、任務(wù)計劃、用戶支持和異常檢測.通過計劃、執(zhí)行和監(jiān)測載荷分配為上到總統(tǒng)下到戰(zhàn)術(shù)用戶提供服務(wù).

2.5 DMSP

DMSP是由美國商業(yè)部通過國家海洋氣象局(National oceanic and atmospheric administration,NOAA)衛(wèi)星和產(chǎn)品操作辦公室操作的系統(tǒng).DMSP提供可視紅外云層圖像以及監(jiān)視大氣、海洋、水文、冰凍圈和近地太空環(huán)境.該計劃提供全球和戰(zhàn)區(qū)氣象數(shù)據(jù),全球氣象數(shù)據(jù)通過存儲轉(zhuǎn)發(fā)方式發(fā)送給全球用戶,戰(zhàn)區(qū)氣象數(shù)據(jù)直接通過廣播發(fā)送給作戰(zhàn)人員.

DMSP的數(shù)據(jù)通過衛(wèi)星下行鏈路傳送到圖勒空軍基地,然后被轉(zhuǎn)發(fā)到空軍氣象局(Air Force weather agency,AFWA,位于內(nèi)布拉斯加州Omaha的奧福特空軍基地).在AFWA,數(shù)據(jù)解密之后傳送到國家環(huán)境信息中心(National centers for environment information,NCEI,前身是國家地球物理數(shù)據(jù)中心)[12].NCEI是NOAA的機(jī)構(gòu),維護(hù)一個數(shù)據(jù)檔案庫,該檔案庫保存DMSP衛(wèi)星從1992年至今收集的氣象數(shù)據(jù).NCEI在美國有4個,分別位于北卡羅來納州Asheville、科羅拉多州Boulder、馬里蘭州Silver Spring、密西西比州Stennis[13].

衛(wèi)星和產(chǎn)品操作辦公室管理和指導(dǎo)NOAA的衛(wèi)星和數(shù)據(jù)的獲取.負(fù)責(zé)馬里蘭州休特蘭的衛(wèi)星操作控制中心、弗吉尼亞州Wallops和阿拉斯加州Fairbanks的指令和數(shù)據(jù)獲取設(shè)施.通過這些設(shè)備,對衛(wèi)星進(jìn)行跟蹤,并獲取、處理和分發(fā)數(shù)據(jù)[14].

3 美軍航天測控網(wǎng)發(fā)展趨勢

自美國發(fā)射第1顆衛(wèi)星以來,美軍的測控網(wǎng)一直在發(fā)展變化中.特別在21世紀(jì)的第1個十年里,美國發(fā)展了大量的專用衛(wèi)星測控網(wǎng)來代替共享測控網(wǎng),專用測控網(wǎng)的比例從1960年的30%提高到了2010年的85%,如圖3所示.美國防部目前運行著超過10個專用衛(wèi)星控制網(wǎng)絡(luò),而這些網(wǎng)絡(luò)是封閉的,不與其他網(wǎng)絡(luò)共享測控資源和人員.這樣做的好處是,1)減少了大型項目開發(fā)所面臨的風(fēng)險和難度.由于不用考慮與其他網(wǎng)絡(luò)的兼容性問題,復(fù)雜性大大降低,風(fēng)險減少.2)定制化系統(tǒng),增強(qiáng)系統(tǒng)的可用性和穩(wěn)定性[2].

大量專用網(wǎng)的好處顯而易見,但是也直接導(dǎo)致了設(shè)施重復(fù)建設(shè)和相互隔離難以互操作等問題.根據(jù)美空軍官員的說法,國防部將來發(fā)展的測控網(wǎng)仍然是以專用網(wǎng)絡(luò)居多,并且沒有整合計劃.美國最大的共享測控網(wǎng)AFSCN在未來5年將耗資4億美元進(jìn)行現(xiàn)代化,但是這些計劃僅僅是替換AFSCN中老舊的設(shè)備,而沒有著眼于提高AFSCN未來的測控能力.

在國防系統(tǒng)開發(fā)中引入商業(yè)機(jī)制可以提高效率并減少開銷,但是美國防部面臨著諸多困難,如國防部沒有衛(wèi)星測控的長期計劃,對衛(wèi)星運行過程中測控的開銷沒有準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)作為支撐,項目管理人員沒有足夠的權(quán)利促進(jìn)不同測控網(wǎng)之間的互聯(lián)互通等.

由于各衛(wèi)星測控網(wǎng)絡(luò)之間缺乏數(shù)據(jù)互通和互操作性,導(dǎo)致衛(wèi)星支援美軍作戰(zhàn)能力下降,并且近幾年開展的大多以專用測控網(wǎng)絡(luò)為主,相互融合的難度較大.美軍也在研究通過TDRSS系統(tǒng)作為替代系統(tǒng),在空軍衛(wèi)星控制網(wǎng)等地基測控網(wǎng)出現(xiàn)故障或遭受打擊時,由TDRSS承擔(dān)軍用衛(wèi)星的測控任務(wù).

4 結(jié)論

長期以來,美軍各個衛(wèi)星測控網(wǎng)獨立發(fā)展,融合程度低,且融合意愿不強(qiáng).在軍用測控網(wǎng)中引入商業(yè)機(jī)制發(fā)展緩慢.大量的專用測控網(wǎng)增加了地面段的重復(fù)建設(shè)以及資源的浪費.深入研究美軍航天測控網(wǎng)的現(xiàn)狀,對于我軍相關(guān)領(lǐng)域的作戰(zhàn)提供支撐.

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