美太空军传输层卫星发展策略分析

传输层卫星是美国太空发展局正在为美军开发的“国防太空架构”（NDSA）的重要组成。“国防太空架构”由传输层、战斗管理层、跟踪层、监管层、导航层、威慑层及支撑层7层组成，目的是构建由海量卫星组成、遍布全球、实现对战场态势的有效感知和通信。2023年，“国防太空架构”发展为“扩散作战人员空间架构”（PWSA）。美国太空发展局认为，“国防太空架构”和其发展“扩散作战人员空间架构”是统一整合美军下一代太空能力，实现联合全域指挥控制（JADC2）的天基基础，而作为通信骨干的传输层卫星，其重要性不言而喻。

与以往美军用卫星研发所不同的是，传输层卫星具有需求数量大、迭代速度快的特点，对于传统的卫星研发和采办流程提出巨大挑战。美太空发展局在DARPA等美军内部科研机构研发成果的基础上，通过运用商业化策略、借鉴SpaceX等公司发展经验、基于成熟商用平台研发等，初步实现了“控制成本、追赶进度”的目标。

传输层卫星情况简介

美太空发展局为美太空军打造的“扩散作战人员空间架构”的传输层，由遍布全球的数百颗小型卫星组成。数百颗传输层卫星组成的卫星网络将成为美军联合全域指挥控制的天基骨干通信网络，负责将遍布全域的传感器和效应器进行有效连接，以实现联合全域指挥控制目标中所期望实现的各作战单元之间的实时、低延迟、大容量通信。

传输层卫星主要依靠综合广播服务（IBS）、Link 16数据链、光学星间链路及组网协议4种手段实现其与传输层卫星星座外各节点的沟通，在4种手段外还兼容了多种通信波段。传输层卫星在整个联合全域指挥控制中起到提供可靠、高韧性、低延迟通信的能力，同时负责“扩散作战人员空间架构”中其他六层的连通与实时通信。传输层卫星的数量之多、分布范围之广，体现了强大的通信能力是美军遂行联合全域作战的基础。

除以上提到的4种手段外，传输层卫星还针对频谱管理等进行一定优化，使其满足多频段传输需求。针对不同传输手段进行网络安全优化，通过引入零信任策略等满足网络安全需求。传输层卫星从设计伊始便考虑到全球定位和授时能力建设，快速定位以实现捕获和交链功能。传输层卫星的设计还考虑到正在研发的“战斗管理指挥控制和通信（BMC3）”兼容与对接，当前传输层卫星仅满足于实现链路畅通，未来还将以实现资源的管理、协调和分配为重要目标。

传输层卫星供应商、卫星数量及单价表

目前，传输层卫星的开发和部署主要分为第0期、第1期和第2期3个部分组成，3期总共计划将355颗卫星送入太空。

第0期由19颗卫星组成，其中，洛克希德·马丁公司研制10颗卫星，约克航天系统公司研制9颗。按照美方有关资料披露，第0期传输层卫星以测试任务为主，主要检验光学星间链路性能、综合广播服务对于不同地区的传输能力及信息交互至BMC3系统能力、卫星利用Link 16链路向地面用户传输数据和接收数据的能力以及在不依赖全球定位系统下的定位、导航、授时（PNT）能力。第0期传输层卫星分为A、B两组，其中A组卫星作为整个星座的网络基础设施，B组卫星通过综合广播系统（IBS）和Link 16进行通信。A组卫星均匀分布作为基础，B组卫星则支持在特定时间内对特定区域的覆盖。传输层卫星第0期虽然已经具备了传输层卫星的诸多特征，其目标聚焦于实现特定区域低延迟数据连接及与地面设施的全球链接能力。

第1期由126颗卫星组成，洛克希德·马丁公司、诺斯罗普·格鲁曼公司和约克航天系统公司分别负责42颗卫星的研制工作。第1期126颗卫星分别部署于6个轨道面，卫星之间可依靠光学星间链路进行信息交互。相较于第0期，第1期传输层卫星将采用以任务为中心的载荷配置，为美军提供全球性通信接入、持久的区域加密、低延迟的连接。第1期传输层卫星在功能上是第0期的强化，整体设计和功能趋于成熟，实际作战效能更强。第1期传输层卫星将于2024年9月展开部署。

第2期由210颗卫星组成，总共分为Alpha、Beta及Gamma3个部分。Alpha卫星总计100颗，其中诺斯罗普·格鲁曼公司负责38颗，约克航天系统公司负责62颗。Alpha卫星分为低轨和高轨两部分，其中低轨由4个低倾斜轨道面组成，每个轨道面19颗卫星；高轨由6个高倾斜轨道面组成，每个轨道面4颗卫星。单个Alpha卫星搭载Ka波段任务载荷、网络和数据路由子系统、导航子系统、S波段备份遥测、跟踪和控制子系统、4个光通信终端、BMC3模块，具备使用Link 16数据链及导航子系统内的全球导航卫星系统（GNSS）态势感知能力。首批Alpha卫星计划于2026年开始交付。Beta卫星均在较低轨道运行，总计90颗，诺斯罗普·格鲁曼公司公司负责36颗，洛克希德·马丁公司负责36颗，火箭实验室公司负责18颗。Gamma卫星的具体细节仍待完善，根据美太空发展局发布的招标草案，计划采购20颗Gamma卫星。从功能上看，第2期传输层卫星是第1期的优化，在技术指标和细节上有一定改进。第2期传输层卫星内三个部分之间也有区别，其中，Alpha卫星载荷数量更多、功能更齐全，比Beta和Gamma卫星多出1个光通信终端及BMC3接入能力；Beta卫星主要用于增强整个系统的鲁棒性，确保其顺利运行；Gamma卫星则着眼于传输层外卫星的兼容性，强化跨轨道通信等能力。

美军主要军用通信卫星表

传输层卫星研发的最终目标，是构建一个由数百颗卫星组成的卫星星座，其将作为“骨干”通信网络，接入美军各军种所有指挥控制系统，以实现联合全域指挥控制能力。并作为美军现有卫星通信网络的备份，实现与地面用户之间的高带宽低延迟通信，利用Link 16数据链实现军种及盟国信息共享能力。传输层卫星的本质是一种鲁棒性强、数量多、具备多种通信手段、连接战场各传感器及效应器的天基中继节点网络，具备较强的兼容性。

传输层卫星开发流程及特点分析

作为美太空发展局正在开发的7层“扩散作战人员空间架构”中的重要一层，传输层卫星数量多、批次多，其研发、采购流程已不同于以往。结合2024年2月11日美国国防部发布的首份《国防工业战略》可推测，传输层卫星的研发过程体现“任务导向、循序渐进、成本控制”，较为符合《2020年太空军愿景》文件中提到的“卫星通信应该采用军事和商业系统的综合架构”原则。开发过程始于美太空发展局向各大公司发出的信息征询建议书和信息征询请求书，研制过程中引入商业化策略控制成本，通过诸如SpaceX等企业合作发射进一步降低成本，实现批量制造及广泛部署。

卫星研制 与以往的卫星研制过程相比，传输层卫星的研制过程有一定变化。从整体设计上看，传输层卫星体现“任务牵引”“标准统一化”两个要素。美太空发展局将诸多满足条件的科技公司引入竞争，而多元化的供应商需要遵守美太空发展局在卫星研发过程中定下的各类标准以实现互操作性，美太空发展局还为相关供应商设置奖励条件，促进整体循环。

任务牵引要素，主要包括本阶段卫星具备的具体功能和搭载的有效载荷类型和数量，这一要素需要具备较为完善的顶层设计和明确的分阶段需求提供。顶层设计提供整体方向，诸如传输层卫星的工作原理和一般特征。分阶段需求则明确技术细节和任务。分阶段需求可以根据上一阶段反馈结果修正本阶段需求，实现有效载荷定制的差异化。这一过程类似F-35战机研发过程中的“技术刷新”（TechRefresh）过程——在整个研发过程伊始，先利用市场上部分成熟平台及任务载荷实现功能，再分阶段实现对软硬件的升级工作。标准统一化是传输层卫星能否实现互操作性的关键。纵观7层“扩散作战人员空间架构”涉及到的卫星研发流程，均体现标准统一化要素。标准统一化是在各成熟卫星平台的基础上，统一各生产厂商的设备标准实现兼容性，此举有利于整合市场上的商业太空资源，避免各自为战。

传输层卫星还大量利用太空商业化成果，引进成熟产品，实现从购买商业太空服务到购买产品的转变。其中洛克希德·马丁公司、诺斯罗普·格鲁曼公司公司和L3Harris公司分别使用TerranOrbital、空客公司以及麦克萨技术公司的商用平台来制造传输层卫星。传输层卫星凭借商业化成果，批量获得整体架构所需的数百颗小型卫星。在整个卫星研发流程中，美太空发展局提出需求和技术细节，利用多家生产机构之间的相互竞争和太空商业化的成熟产品，实现自身利益的最大化，最大限度降低了自身风险。

卫星采购策略 2022年4月5日，时任美太空发展局局长德里克·图尔尼尔在科罗拉多州举办的一场研讨会上指出，美国国防部的采购文化仍然很难适应美太空发展局的商业化特征采购策略。此言论折射出美太空发展局在采购策略上的重大变革。与以往相比，美太空发展局的采购周期更短、策略更灵活。正如德里克·图尔尼尔所言，“美国防部成本核算办公室要求美太空发展局提交未来20年的预计采购计划。而美太空发展局则试图在几个月或几年内部署新技术，而不是大型国防项目惯用的长达数十年的时间表”。通过固定价格合同、竞争引入、定期重新组织卫星采购等机制，美太空发展局在保证进度的基础上，实现了成本控制的目标，利用相对较少的资金完成了上百颗卫星组成星座的工作。

固定价格合同，按照定义是指“合同的价格计算是以规定、规范为基础，工程任务和内容明确、业主的要求和条件清楚，合同总价固定不变，不再因为环境的变化和工程量的增减而变化的一类合同”。在这类合同中，承包商承担了全部的工作量和价格的风险。美太空发展局利用固定价格合同实施采购控制成本的起因是其经费有限。而太空商业化所带来的多元选择则是美太空发展局得以顺利推行固定价格合同降低风险的外部因素。竞争的引入，不仅有利于美太空发展局按照自身意图行事，还降低了采用单一供应商的风险，推动整个市场形成“良币驱逐劣币”的趋势。

传输层卫星的采购策略的另一大特点，便是定期重新组织卫星采购，一般以两年为周期。定期采购有利于美太空发展局根据情况反馈适时在下阶段采购需求上添加新技术需求，较为符合商业化的采购模式。这些策略加快了卫星的采购进度，例如，传输层第2期Beta卫星招标于2023年4月份发布，合同于同年8月份授予。一旦合同授予，卫星便进入制造流程，等待发射。

卫星发射 一旦承包商完成卫星的制造工作，便进入卫星发射的准备阶段。为控制成本、实现大规模发射，美太空发展局一般会选择SpaceX公司作为合作伙伴，利用可重复回收的“猎鹰”系列运载火箭进行发射。除SpaceX外，美太空发展局还将根据商业航天进展，选择蓝色起源公司等作为合作伙伴。未来，美太空发展局可能会将适用于卫星采购流程的两年期规划应用于卫星发射阶段，以避免SpaceX一家独大的局面。