美國轉型通信體系研究

朱貴偉 張照炎

(北京空間科技信息研究所,北京 100086)

1 引言

在現代信息化作戰背景下,天基信息系統的應用已經成為高技術戰爭的基本特征。現代高技術戰爭將圍繞信息的采集、處理、分發而展開,各種天基和空基信息采集和分發系統是實現戰場制信息權的關鍵。在此背景下,美國軍方進行軍事轉型,實施網絡中心化作戰,實現戰場通信裝備互連。2001年美軍提出軍事轉型計劃,將充分利用信息技術、確保信息系統安全、增強空間能力并列為提高能力的三項作戰目標。各個軍種根據國防部的國防計劃指南提出了各自的軍事轉型路線圖,而作為美國國防部空間項目代理機構的空軍在其轉型計劃中提出了轉型通信體系(TCA)的概念[1-2]。

另一方面,由于美國傳統衛星通信系統多為條塊分割式體系,面向不同用戶提供不同類型的服務,系統間缺乏互操作能力,不利于信息快速有效地傳輸。例如在阿富汗戰場上,由多兵種組成的聯合作戰部隊往往需要攜帶多個不同終端,才能實現與各自上級指揮官的通信,為士兵帶來了極大的不便。同時,隨著無人機等戰場情報、監視和偵察(ISR)平臺的大量部署,戰場通信需求不斷增加,也要求美國開發高性能衛星通信體系來支持作戰通信環境。而且9·11 事件之后,美國政府人員也認為,大量有用信息無法快速有效傳遞到相關用戶手中是美國政府空間通信中存在的問題。借此機會可將軍用、民用、情報等各界空間資源進行整合,構建統一的、可互操作的網絡化空間通信系統,為美國國防部(DoD)、情報界(IC)和美國國家航空航天局(NASA)的用戶使用。

這樣,在政府和產業界的共同努力下,轉型通信體系應運而生[3]。通過對DoD、IC 和NASA 的資源整合、未來空間系統的統一開發和部署,從而實現空間系統、地面網絡、終端系統互連互通,建立兼容、可互操作的“系統的系統”。

轉型通信體系可滿足國防部對信息網絡防護、聯合作戰、國土安全協調、空間能力防護等多方面的需求,是美國政府未來通信能力開發的基礎和指南。這對美國軍用衛星通信來說是革命性的變革,利用新一代高性能的通信衛星、中繼衛星和先進的地面網絡將美國軍用、民用和商用空間資源整合在一起,提供通信、導航、遙感、偵察、氣象等各方面的信息,從而極大地提升美軍作戰效能。

2 轉型通信體系的定義及組成

2.1 轉型通信體系的定義

轉型通信體系是一個系統的、技術的、操作的框架,可為DoD、IC 和NASA 提供空間系統內部“縱向的”分層連接,以及各個有關利益團體之間“橫向的”同級連接,在一定策略條件下允許共享資源和共享業務傳輸[4]。轉型通信體系制定了一系列文件,包含眾多接口和標準文件,它是確保美國政府未來20年兼容、互操作通信能力協調、有效地開發和部署的技術基礎,并提供全局監管職能。從更大的范圍來看,轉型通信體系是全球信息柵格(GIG,為美軍提供數據保密及非保密計算機網絡連接的全球性信息網絡)的組成部分,是GIG 的空間傳輸層(見圖1 紅色框圖部分)。

轉型通信體系的覆蓋范圍廣泛,涉及國防部、情報界和民用航天領域眾多機構。轉型通信體系最終的目標是消除通信限制,其具體目標包括:

1)借助和共享先進技術。具體技術包括:激光通信、現代化RF 波形、衛星IP 路由器、調零天線、移動地面動中通天線、加密技術、軟件驅動終端,等等;

2)支持通信傳輸。支持美國政府及其聯軍之間的橫向信息共享;

3)建立體系框架原則。指導未來20年可互操作的軍事衛星通信、IC、NASA 和商業衛星通信的開發;

4)擴展GIG。將GIG 擴展到空間,減少帶寬限制,過渡到更大范圍的連接,覆蓋空間、空中和地面;

5)實現空間通信系統同步發展,包括終端、地面網絡、地面基礎設施和網絡管理的同步發展,分段系統組合起來可實現階段性效能;

6)支持窄帶、寬帶和保密通信。支持下一代持久的天基和空基監視、民用航天設想和移動戰場;

7)促進IP 融合。支持話音、視頻、數據流和指揮控制的網絡中心互操作。

圖1 轉型通信體系(TCA)的范圍Fig.1 TCA Scope

2.2 轉型通信體系的構成

轉型通信體系包括空間段、用戶終端段地面基礎設施和網絡段以及網絡操作與管理段[5],支持美國大陸(CONUS)和政府網絡間的通信。相互連接以后,以前區域性的網絡可連接到天基網絡實現全球互聯,支持用戶、處理中心和存檔中心間的信息交換。轉型通信體系提供通信傳輸、網絡管理和信息保障功能,不負責信息管理和數據內容處理,但是負責對影響網絡和安全的管理。圖2 為TCA 最初設想的作戰視圖。

圖2 轉型通信體系(TCA)最初的作戰視圖Fig.2 Original TCA operational vision

2.2.1 空間段

轉型通信系統最初設計的空間段包含:跟蹤與數據中繼衛星系統-后續(TDRSS-C)、轉型通信軍事衛星系統(TCM)和軍事衛星通信系統(M ILSA TCOM),以及光中繼通信體系(ORCA),共同構成覆蓋各個領域的天基通信骨干鏈路。構建空間段的基本原則是“獨立且可互操作”,在統一的進度和標準下,分別由DoD、IC 和NASA 構建各自的空間系統。通過地面連接和星上交叉鏈路,使NASA、DoD 和IC 的空間系統具備階段性整體效能,并且完全支持各自領域的任務,而又不依賴于其它項目是否成功、及時部署。其中,TCM 包括轉型通信衛星(TSAT)、先進極區系統(APS)、寬帶、窄帶、保密和部分商用衛星通信系統。TSAT 和O RCA 系統可通過光學交叉鏈路連接,支持信息共享。

2.2.2 用戶終端段

用戶終端段覆蓋DoD、IC 和NASA 所有天基、空基、海基和陸基用戶終端。用戶終端段主要負責RF 和光通信處理、波形處理、流量整形、動態帶寬管理和網絡/安全協議。轉型通信系統支持國防部的傳統終端以及具備IP 能力的新型終端。此外,還可通過動態帶寬資源分配(DBRA)顯著提升系統性能。終端可在具體環境條件下選擇最佳的通信鏈路,從而顯著提升系統信息吞吐量。DBRA 還支持強健的編碼和調制技術,在惡劣天氣條件下也能維持通信鏈路。IC 傳統終端和光終端將為IC 平臺提供連接。同樣,NASA 用戶衛星的傳統終端,也將繼續為科學和空間探索用戶提供連接。

2.2.3 地面基礎設施和網絡段

地面基礎設施和網絡段主要負責轉型通信體系與DoD、IC 和NASA 網絡以及其它地面網絡間的連接,支持空間段與美國大陸網絡間的互連,甚至包含商用系統的接口。它使用RF 通信地面站來進行衛星上行和下行傳輸。IC 和DoD 的信關站終端,將分別從中繼衛星和DoD 防護衛星接收高容量下行鏈路。在美國本土,信關站將通過標準接口和地面光纖線路連接到地面IC 的高速網(HSN)、DoD的GIG 框架以及其它地面網絡。DoD 電信港為無交叉鏈路的M ILSA TCOM 衛星提供互連;并提供商用衛星系統連接。

2.2.4 網絡操作與管理段

網絡操作與管理段支持轉型通信體系與DoD、IC 和NASA 地面網絡的連接,負責網絡資源的統一運行和管理。它支持獨立采購的封閉系統之間的直連,支持資源共享和容錯。網絡操作與管理可提供對信關站終端、遠程端口和通信有效載荷等網絡資源的監測和控制。

網絡操作與管理段可對網關終端、電信港,以及作為網絡資源工作的通信載荷(例如TSA T 上的IP路由器)進行管理。網絡管理的職責和操作分散在DoD、IC 和NASA 高級部門中,由每個部門的支持中心執行本部門范圍內衛星的控制和網絡管理。網絡操作與各部門相關的地面網絡相連接,通過網關終端及帶內控制終端傳輸跟蹤、遙測和遙控信息。網絡安全構架使用高確信度因特網協議加密(HA IPE)設備、防火墻、網絡服務、寬帶光纖和射頻網絡(地面和空間),允許在統一管理的同時分別管理DoD、IC 和NASA 的任務。

3 轉型通信體系的發展監管

3.1 文件管理

開發和部署轉型通信體系需要TCA 基線文件指導, 并且根據其提供的標準和協議進行規范。TCA 基線文件的管理有專門的機構來執行,參與各方的高層領導也會參與文件制定和更新,從而確保相關機構對轉型通信體系的承諾,各方的需求能在體系中達成一致意見。

2002年9月,美國國防部成立了轉型通信辦公室(TCO),負責同步發展、協調和指導轉型通信體系的開發。2004年4月,為加強美國在空間系統方面的開發和部署,TCO 合并到新成立的國家安全空間辦公室(NSSO)中,其職責移交至NSSO 下屬的通信功能集成辦公室(Comm-FIO),由其負責領導TCA 基線文件的管理和更新。到目前為止, TCA文件已經發展了3 個版本[6],具體情況見表1。

TCA v1.0 文件從采辦的角度注重現有系統和未來計劃,以及如何通過公共的基于策略的網絡管理將各種項目聯系在一起。在此基礎之上, TCA v2.0 文件從功能能力和任務導向的角度面向“近期”和“遠期”體系。TCA v3.0 文件在原有基礎上增加了通信線程小組,對TCA 端到端通信方案及項目進行開發和指導[7]。

3.2 體系發展與監管

轉型通信體系的最終目標是部署一個基于IPv6 協議的“黑核”傳輸網絡,支持全球任意地點固定或移動系統用戶之間的互連互通。要實現這個目標,必須有強有力的管理手段來指導和監督體系的發展,最終過渡到運行階段(見圖3)。各參與機構必須同心協力,同步部署陸地基礎設施、電信港、空間系統、網絡和終端,從而實現全面的網絡中心化能力[8]。在體系發展管理方面,主要有兩個工具:即路線圖和有效性手冊。

表1 TCA 文件的演化Table 1 Evolution of TCA documents

圖3 轉型通信體系(TCA)有效性時間線Fig.3 TCA effectiveness

TCO 保留了一份關于體系單元開發和部署進度的主進度表。使用工作分解結構(WBS)工具,將整個體系分解為天基/空基系統、天基/空基/指揮控制(C2)系統、信息保障、網絡管理、發射系統、終端、地面通信和先進網絡等8 個部分,建立綜合的主路線圖,實時監控和指導各個階段能力、系統的發展,并降低項目風險。

另一個監管工具是有效性手冊,它描述了向“遠期”體系過渡的過程。如圖3 所示,它將轉型通信體系的實施分成了3 個階段(“當前”、“近期”和“遠期”),規定了各節點關鍵系統和能力實施的時間、獨立性、及其對各個任務線的影響。它可支持不同部門、機構和軍種的項目開發進度保持同步,通過預算評估反饋,支持TCA 的發展。

3.2.1 “當前”體系

“當前”體系描繪了轉型通信體系當前的發展狀態,僅包含有效性節點0.0。該體系包含多個獨立開發的系統,各系統都在條塊分割的狀態,相互之間沒有互操作能力,其數據傳輸接口多為受限或嚴格定義的。空間單元主要包括IC 和NASA 的跟蹤與數據中繼衛星(TDRS)、DoD 的特高頻后繼星(UFO)、軍事星(Milstar)、國防衛星通信系統(DSCS)和商用通信衛星。

此時地面網絡沒有公共標準,不支持網絡資源統計、控制和分配等功能。Milstar 星座是有限的空間骨干網,并且無空基情報、監視和偵察(AISR)返向鏈路,ASIR 數據要傳回美國大陸,需經過衛星多跳傳輸。各個網絡都有其自己的管理系統,相互之間很少交互。出現故障時,數據傳輸需人工完成。

3.2.2 “近期”體系

“近期”體系描繪了未來一段時間內將要部署的系統及應當實現的能力,主要包括有效性1.0,1.1,2.0,2.1,3.0 和3.1 等6 個節點。

有效性節點1 的目標是實現“有限網絡中心”,其空間段要求全球寬帶系統(WGS)實現初始作戰能力(IOC),提供Ka 頻段通信服務。地面段主要通過第二代電信港來實現網絡互連,提供邊緣網絡的上下行連接以及GIG 核心網IP 接口。此時,地面網絡管理主要由人工進行操作,而不是基于策略的。

有效性節點2 要求實現“網絡中心核心”,它標志著GIG 與TCA 地面網絡的融合。除了發射先進極高頻衛星(AEHF)和移動用戶目標系統(M UOS)衛星以外,要求地面網絡過渡到IPv6,GIG 核心網可實施自主網絡管理,實現網絡中心互操作能力。

有效性節點3 要求實現“空間網絡中心”,此時TSA T 可實現初始作戰能力(IOC),網絡中心化可擴展至空間,新型空間系統具備IP 能力,提供可變速率服務(XDR+)。地面網絡管理在整個GIG 范圍內都是完全自主的,具備自主健康管理能力,可很快確認攻擊,并以最少的人為干預降低損失。

3.2.3 “遠期”體系

它是TCA 最終狀態,即有效性節點n.0,可滿足作戰人員和其他轉型通信用戶的網絡中心和戰場感知需求。該體系的目標就是隨時隨地直接向作戰人員提供情報,可在收集戰略或特殊情報數據的同時傳輸戰術情報。地面用戶可靈活監控和指揮其上方的平臺遙感器。此外,用戶可直接向平臺管理員提供反饋信息,調整任務規劃。

4 轉型通信體系的發展現狀與前景

目前, 轉型通信體系尚處在有效性節點1。DoD 已經發射了3 顆WGS 衛星(均已開始服役),標志著Block I 已經完成,WGS 星座實現了初始作戰能力(IOC)。在地面段,DoD 也在積極部署第二代電信港。然而,這是轉型通信體系中少數幾個進展較為順利的項目之一。在空間段, IC 的ORCA計劃、NASA 的TDRSS-C 計劃和DoD 的轉型通信衛星(TSA T)計劃相繼取消,集眾多先進技術、高級能力于一身的能力集中型發展路線受到了極大的挑戰。

此外,轉型通信體系在各階段項目同步發展方面也問題重重。2009年10月,美國政府問責總署(GAO)發布了一份關于航天系統開發進度同步情況的研究報告[9],稱DoD 開發的多個大型空間項目均存在空間段與地面段或終端不同步發展的現象。其中,DoD 的下一代三大通信衛星系統不但項目延遲,而且其地面控制系統和終端的部署更是滯后數年。雖然衛星具備先進通信能力,但是地面用戶卻無法充分利用, 造成了嚴重的資源浪費, 影響了TCA 階段效能的實現。

轉型通信體系覆蓋美國幾乎所有政府衛星通信領域,集成眾多的先進技術,項目資金總投入巨大,希望一次性實現最終的通信系統。但由于項目開發及各項目同步發展極其復雜,難以實現有效的掌控和管理,而且在當前的技術條件下,實現預期的先進系統能力具有較高難度。因此,項目成本不斷增加,研發進度不斷推遲,最終導致關鍵項目下馬,整個體系的構建瀕臨終止。

TSA T 計劃取消以后, 美國軍方積極搶救TSA T 的研究成果,并且努力將其轉化到其他通信衛星產品線中。TSAT 計劃的取消使得美軍有機會重新審視自己的計劃,對整個體系進行評估,重新考慮各種新技術, 以及商用衛星在整個體系中的作用[10]。目前,許多關鍵技術也已經取得突破,空間路由技術相對較為成熟。美國戰略司令部切爾頓將軍曾于2009年11月表示, 雖然TSAT 計劃取消了,但是未來美國必定將部署類似TSA T 能力的空間通信系統。而Comm-FIO 的主任Patrick Rayermann 也表示,軍方正在努力構建新的空間通信體系。未來,美軍的衛星通信戰略將發生重大變化。一方面,整個空間通信體系中將加入新的元素,例如作戰響應空間(O RS),加強國際軍事空間系統合作等;另一方面,美軍未來仍將不可避免地依賴商用衛星通信。此外,澳大利亞國防軍UHF 頻段有效載荷搭載在國際通信衛星-22(IS-22)上, 也為美軍未來軍事通信衛星發展提供了一條新的途徑。

5 分析與啟示

轉型通信體系是美國軍事轉型的產物,它通過空間段的高性能衛星將美國本土及海外戰場的用戶與各類資源和能力連接起來,實現類似陸地互聯網的整個大型的互聯互通的網絡,為不同的用戶提供所需能力。雖然美國轉型通信體系目前遇到了重大挫折,但使我們看到了未來軍事衛星通信的發展方向和趨勢,乃至全球衛星通信的前景。總結其發展過程,我們可以發現:

1)轉型通信體系抓住了發展機遇

它是在美國軍事轉型背景下提出的,而且當時軍用通信衛星體系處在新老系統交替的時期。在小布什政府和需求的推動下,借助新興的激光通信、星上路由和星上處理技術,對未來空間通信體系進行規劃,一方面資金較為充足,另一方面開發體系的阻力較小。

2)轉型通信體系具有巨大的體系優勢

與傳統通信衛星系統相比,轉型通信體系可謂是“系統的系統”、“網絡的網絡”。系統內部單元獨立、可互操作,可為各類用戶提供全天時、全天候的天基、空基信息采集資源,以及安全、可靠的通信鏈路,支持更加持久、全球性的情報、監視和偵察(ISR)能力;同時還具備集成網絡任務規劃能力,可實現網絡資源動態分配,極大地提高整個體系的效率。

3)實施與監管過程難度大

轉型通信體系相當于美國空間通信體系的整合,涉及眾多組織機構,覆蓋范圍非常大,實施難度非常高。具體項目開發職能分散在各個部門之中,主要通過各部門高級決策者與項目開發人員的參與和承諾來確保體系的構建。由于各機構的采辦流程、技術體制和規章制度不同,單個機構總是要尋求各自的利益最大化,無法確保項目資金和流程管理。另一方面,由于技術成熟度不夠,難以確保各項目遵守共同的協議和規范,保持項目同步發展。

4)轉型通信體系的成功構建依賴于關鍵系統的發展

轉型通信體系與各組成部分是相互促進、相互制約的關系,實現體系設想能力需要各個項目之間同步發展。另一方面,在轉型通信體系中,承擔骨干通信鏈路傳輸、提供天基路由能力的系統是極少數幾個天基通信衛星系統,例如TSAT 和APS 星座。這些關鍵系統能否成功部署就成為轉型通信體系能否成功構建的制約因素,TSA T 計劃的取消在一定程度上就是對這種路線的否定。

由上述分析,可得到以下幾點啟示:

1)空間通信體系化和網絡化是未來發展趨勢

空間通信系統是充分利用天基資源的關鍵工具,構建網絡化空間通信體系,可將所有天基資源進行整合,極大地提升信息傳輸效率、提高天基和地基系統的效能。合理規劃和構建空間通信體系,可鑒別各種天基系統的通信需求,減少交叉和重疊領域,大大降低系統開發復雜度和成本。我們應當吸取美國轉型通信體系的經驗和教訓,抓住當前的發展機遇,合理規劃未來空間通信系統體系,按照統一的標準和規范來發展各領域的衛星系統,逐步實現1+1＞2 的組合效應。

2)慎重靈活選擇發展路徑

發展路徑是能否成功構建體系的關鍵因素之一。我們要立足未來要構建的體系來制定發展路線,根據現有能力,按照體系規劃發展空間系統,合理選擇成熟技術,靈活選擇發展路徑,逐步滿足各類用戶的階段性需求,最終實現空間通信體系。

3)重視項目開發與監管

在大型空間通信體系構建過程中,涉及眾多項目,關系復雜,協調困難,資金、人員和資源無法合理調配。因此,必須有完整有效的管理機制和監管機構,確保各個項目按計劃、按進度同步發展,同時要符合體系規定的標準和規范,保證體系能力的實現。

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[1]鄒雪飛,俞盈帆,羅小明.美軍轉型通信體系剖析[J].衛星應用, 2004, 12(4):45-50

[2]魏晨曦.美軍轉型通信研究[J].國際太空, 2005(7):25-29

[3]T ransformational Communications Office (TCO ).T ransformational Communications Architecture version 1.0, unclassified executive overview [R].TCO, 17 December, 2003

[4]Tarleton, Shively, Armstrong.Transformational Communications Architecture for the Department of Defense, intelligence community and NASA [C]//24thAIAA ICSSC, 11-14 June, 2006

[5]Global security, Transformational Communications Architecture (TCA)[EB/OL].[2010-09-13].http://w ww .globalsecurity.org/space/systems/tca.htm.

[6]Rayermann.Military SATCOM—An architectural perspective [C]//Army Commercial Satcom Users Workshop, 18 August, 2008

[7]Rayermann.Transformational Communications Architecture and future military satellite communications[C]//AFCEA MILSATCOM Symposium 2008, 23 October, 2008

[8]NSSO.Architecture definitions and TCA exemplar[EB/OL].[2010-09-13].http://ww w .acq.osd.mil/nsso/NSS/architecture.html, posed on 11 June, 2009.

[9]GAO.Defense Acquisitions:Challenges in aligning space system components[R].GAO,October 2009

[10]Butte, Nations, Grybos.Transition the transformational communication architecture using commercial satellite systems[C]//22nd AIAA ICSSC, 9-12 May,2004