楊紅俊

(中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，成都 610036)

?

美軍航天測(cè)控企業(yè)級(jí)地面體系的發(fā)展*

楊紅俊**

(中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，成都 610036)

美國(guó)軍事航天地面測(cè)控系統(tǒng)采用為每種軍事衛(wèi)星系統(tǒng)配套專用測(cè)控系統(tǒng)的方式構(gòu)建，形成“煙囪”式割裂的格局，造成資源和人力的極大浪費(fèi)?？臻g威脅的日益嚴(yán)峻迫使美軍進(jìn)行地面系統(tǒng)的轉(zhuǎn)型。美軍提出構(gòu)建“企業(yè)地面體系”(EGA)，用通用的測(cè)控系統(tǒng)完成所有軍事衛(wèi)星的測(cè)控，通過(guò)云技術(shù)提高網(wǎng)絡(luò)安全性，通過(guò)自動(dòng)化和商業(yè)化減少操作人員，提高系統(tǒng)效率，降低運(yùn)維成本，騰出更多人力完成有效載荷的部署與操控，以應(yīng)對(duì)日益迫近的太空作戰(zhàn)。雖然美軍EGA的具體方案還未出臺(tái)，但通過(guò)對(duì)其發(fā)展背景、總體設(shè)想、擬采用的關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行跟蹤分析，總結(jié)了美軍構(gòu)建通用軍事測(cè)控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思路及設(shè)計(jì)原則，對(duì)我國(guó)航天測(cè)控系統(tǒng)的發(fā)展提出了建議。

通用測(cè)控網(wǎng);企業(yè)地面體系;多任務(wù)衛(wèi)星操作中心(MMSOC);商業(yè)化;網(wǎng)絡(luò)安全

1 引 言

為了保證軍用航天系統(tǒng)可靠地運(yùn)行，美國(guó)軍用航天測(cè)控體系多采用為每種衛(wèi)星研制專用測(cè)控系統(tǒng)的做法，為每一批進(jìn)入太空的新衛(wèi)星投資數(shù)十億美元建造地面測(cè)控站，只是發(fā)射與早期軌道段采用通用的航天測(cè)控系統(tǒng)支持。隨著軍事航天系統(tǒng)不斷發(fā)展壯大，航天系統(tǒng)數(shù)量越來(lái)越多，地面部署的測(cè)控系統(tǒng)也越來(lái)越多，支持維護(hù)費(fèi)用不斷上漲。隨著空間威脅的升級(jí)，近幾年美軍高層不斷提出要建立“企業(yè)級(jí)地面體系”(Enterprise Ground Architecture,EGA)，旨在用一個(gè)通用的測(cè)控系統(tǒng)完成所有軍用衛(wèi)星的測(cè)控及指揮與控制，打破“煙囪式”格局，同時(shí)實(shí)現(xiàn)測(cè)控操作自動(dòng)化和系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商業(yè)化，以提高系統(tǒng)運(yùn)行效率，增強(qiáng)測(cè)控網(wǎng)的安全性，降低運(yùn)行維護(hù)成本。

這種適用于多種衛(wèi)星系統(tǒng)的通用型測(cè)控系統(tǒng)代表了目前飛行器測(cè)控的一個(gè)發(fā)展方向，國(guó)外民用、軍用航天測(cè)控系統(tǒng)以及無(wú)人機(jī)測(cè)控系統(tǒng)均提出了類似的發(fā)展思路。雖然目前美軍還未出臺(tái)具體的“企業(yè)級(jí)地面體系”設(shè)計(jì)方案，但是已委托多家企業(yè)協(xié)助開展研究。本文根據(jù)有限的國(guó)外文獻(xiàn)梳理了它的發(fā)展背景、可能采用的大體結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)以及發(fā)展現(xiàn)狀，分析了它的總體設(shè)計(jì)思路，希望為我國(guó)通用型飛行器測(cè)控系統(tǒng)的發(fā)展提供參考。

2 美國(guó)軍用航天測(cè)控系統(tǒng)存在的問(wèn)題

目前，美國(guó)軍用衛(wèi)星任務(wù)由國(guó)防部各軍種和國(guó)家偵察局負(fù)責(zé)管理，采用遍布全球的地面測(cè)控系統(tǒng)操控著至少價(jià)值137億美元的軍用衛(wèi)星。這些地面測(cè)控系統(tǒng)主要承擔(dān)三大任務(wù)：監(jiān)視衛(wèi)星健康狀況，確保衛(wèi)星運(yùn)行在正確的軌道上，規(guī)劃、監(jiān)視和控制衛(wèi)星任務(wù)的執(zhí)行，這些活動(dòng)統(tǒng)稱為衛(wèi)星控制操作。

美國(guó)軍用衛(wèi)星的地面測(cè)控系統(tǒng)主要包括美國(guó)空軍衛(wèi)星控制網(wǎng)(Air Force Satellite Control Network,AFSCN)、海軍衛(wèi)星控制網(wǎng)、陸軍衛(wèi)星控制網(wǎng)和幾個(gè)專用網(wǎng)絡(luò)。其中空軍衛(wèi)星控制網(wǎng)是最大的多用戶衛(wèi)星控制網(wǎng)，1959年初步建成，主要用于為幾乎所有的國(guó)防部航天計(jì)劃、彈道導(dǎo)彈和再入飛行器試驗(yàn)及部分國(guó)外衛(wèi)星計(jì)劃提供地面保障。

空軍衛(wèi)星控制網(wǎng)分為公共網(wǎng)和專用網(wǎng)兩部分。公共網(wǎng)可支持多種軍用衛(wèi)星系統(tǒng)，衛(wèi)星之間可共享天線和軟件，因此成本較低。該網(wǎng)絡(luò)一般用于控制衛(wèi)星平臺(tái)以及以較低數(shù)據(jù)率進(jìn)行間斷通信的衛(wèi)星，還為衛(wèi)星提供發(fā)射段和早期軌道段跟蹤以及出現(xiàn)異常情況時(shí)的遙測(cè)和遙控。公共網(wǎng)控制的衛(wèi)星系統(tǒng)包括國(guó)防衛(wèi)星通信系統(tǒng)(Defense Satellite Communication System,DSCS)、UHF后繼星(UHF Follow-On,UFO)等。專用網(wǎng)只用于支持一個(gè)衛(wèi)星系統(tǒng)，它的設(shè)備不與其他衛(wèi)星系統(tǒng)共享，一般用于支持需要以較高數(shù)據(jù)率進(jìn)行連續(xù)通信的衛(wèi)星，用同一副天線完成平臺(tái)和載荷的控制。專用網(wǎng)控制的衛(wèi)星系統(tǒng)包括天基紅外系統(tǒng)(Space-based Infrared System,SBIRS)、全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System,GPS)等。專用網(wǎng)與公共網(wǎng)互為備份，其中專用網(wǎng)在全球10個(gè)地方設(shè)有23副天線。

表1給出了專用網(wǎng)與公共網(wǎng)的對(duì)比情況。

表1 專用網(wǎng)與公共網(wǎng)的利與弊[1]Tab.1 Pros and cons of using dedicated versus shared satellite control networks

2013年4月18日，美國(guó)政府審計(jì)署(General Accounting Office,GAO)發(fā)布了一份題為《衛(wèi)星控制：利用長(zhǎng)期規(guī)劃和商業(yè)實(shí)踐改善國(guó)防部衛(wèi)星操作》的報(bào)告，對(duì)以美國(guó)空軍衛(wèi)星控制網(wǎng)為代表的美國(guó)軍事航天測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行了評(píng)估。報(bào)告認(rèn)為，美國(guó)軍事航天測(cè)控系統(tǒng)存在下列問(wèn)題：

(1)割裂的“煙囪”式格局導(dǎo)致效率低，運(yùn)營(yíng)成本高

在過(guò)去的10年中，美國(guó)國(guó)防部一直致力于部署獨(dú)立的衛(wèi)星控制網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)只能操控一種衛(wèi)星系統(tǒng)，每種衛(wèi)星都擁有獨(dú)立運(yùn)行的地面測(cè)控系統(tǒng)，包括獨(dú)立的操作員、軟件和硬件，幾乎沒(méi)有自動(dòng)化操作，地面站全天候有人值班，成本高，效率低。

專用網(wǎng)可以帶來(lái)諸多好處，包括降低風(fēng)險(xiǎn)和為特殊需求提供定制服務(wù)；但是網(wǎng)絡(luò)成本高，導(dǎo)致出現(xiàn)割裂和重復(fù)建設(shè)的問(wèn)題，比共享操作耗用更多的基礎(chǔ)設(shè)施和人力。例如：施里弗空軍基地(Schriever Air Force Base)擁有的11個(gè)衛(wèi)星項(xiàng)目由8個(gè)分立的控制中心管理。美國(guó)空軍認(rèn)為，共享的衛(wèi)星控制網(wǎng)絡(luò)能更好地利用國(guó)防部的投資，但是目前國(guó)防部仍在繼續(xù)采購(gòu)獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)，并沒(méi)有致力于使現(xiàn)有的獨(dú)立操作網(wǎng)向共享衛(wèi)星控制網(wǎng)的方式發(fā)展。

(2)現(xiàn)代化工作沒(méi)有提升測(cè)控網(wǎng)能力

在過(guò)去20年中，空軍衛(wèi)星控制網(wǎng)實(shí)施了多次現(xiàn)代化計(jì)劃，但這些工作主要是更換陳舊的計(jì)算機(jī)軟硬件和通信設(shè)備，以使網(wǎng)絡(luò)保持現(xiàn)有的能力水平，但網(wǎng)絡(luò)的工作能力沒(méi)有得到提升。美國(guó)空軍為未來(lái)5年的現(xiàn)代化工作預(yù)算了約4億美元的經(jīng)費(fèi)，但沒(méi)有制定長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃對(duì)AFSCN進(jìn)行重大改進(jìn)，提升其能力。

(3)沒(méi)有利用商業(yè)化提高效率、降低成本

商業(yè)化有提高軍事衛(wèi)星控制操作效率、降低成本的潛力。商業(yè)化涉及的內(nèi)容包括：衛(wèi)星測(cè)控網(wǎng)之間的互操作性；常規(guī)衛(wèi)星控制操作功能的自動(dòng)化；使用商業(yè)現(xiàn)貨產(chǎn)品替換定制產(chǎn)品；采用“混合”網(wǎng)絡(luò)，允許衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商通過(guò)其他運(yùn)營(yíng)商的互補(bǔ)網(wǎng)絡(luò)增強(qiáng)自己的網(wǎng)絡(luò)。目前的美軍衛(wèi)星測(cè)控網(wǎng)中沒(méi)有考慮商業(yè)化。

(4)改進(jìn)面臨多重障礙

在提高測(cè)控網(wǎng)能力和采用商業(yè)化方面，美國(guó)國(guó)防部面臨4道障礙：第一，國(guó)防部對(duì)于衛(wèi)星控制操作并沒(méi)有長(zhǎng)期規(guī)劃；第二，國(guó)防部缺少確切的數(shù)據(jù)說(shuō)明目前控制網(wǎng)絡(luò)的成本，并且很難將衛(wèi)星控制成本與其他成本分開；第三，沒(méi)有要求衛(wèi)星項(xiàng)目為其選擇的衛(wèi)星控制操作方式建立一種業(yè)務(wù)模式；第四，即便項(xiàng)目經(jīng)理想要改進(jìn)衛(wèi)星控制操作，他們也沒(méi)有在項(xiàng)目層面實(shí)施改革的自主權(quán)。如果不跨越這些障礙，國(guó)防部在充分提高衛(wèi)星控制操作能力方面將一直受到限制。

3 美軍對(duì)企業(yè)地面體系的研究

隨著太空威脅不斷增長(zhǎng)，太空爆發(fā)戰(zhàn)爭(zhēng)的可能性在增大，美軍認(rèn)為太空部隊(duì)的工作重心需要從無(wú)抗衡環(huán)境中操控衛(wèi)星轉(zhuǎn)向在即使是擁擠、抗衡、競(jìng)爭(zhēng)的環(huán)境中也能確保發(fā)揮衛(wèi)星的效能。因此，太空司令部應(yīng)考慮把衛(wèi)星測(cè)控的日常工作外包給民間，而把航天操控人員的任務(wù)重心轉(zhuǎn)向保護(hù)太空資產(chǎn)，即“軍隊(duì)培養(yǎng)太空戰(zhàn)士，民間承擔(dān)衛(wèi)星運(yùn)作?！盵2]

美空軍航天司令部司令約翰·海頓上將多次提出對(duì)統(tǒng)一的企業(yè)級(jí)航天測(cè)控地面體系的需要，這種需要與節(jié)省成本無(wú)關(guān)，也與效率無(wú)關(guān)，而是受對(duì)彈性地面測(cè)控網(wǎng)的需求推動(dòng)，操作人員的職能也將因此而調(diào)整。為此，需要在空軍建立一個(gè)企業(yè)級(jí)的地面系統(tǒng)。

實(shí)際上，美國(guó)空軍航天司令部從2008年起就在考慮航天測(cè)控系統(tǒng)的轉(zhuǎn)型問(wèn)題[3]，希望使軍事衛(wèi)星的測(cè)控系統(tǒng)轉(zhuǎn)型為按需、受保護(hù)、靈活的企業(yè)。2009年，美軍在“快速響應(yīng)航天”(Operationally Responsive Space,ORS)計(jì)劃中提出了適用于快響衛(wèi)星的地面系統(tǒng)企業(yè)，為后續(xù)的EGA研究打下了基礎(chǔ)。

3.1 ORS的地面系統(tǒng)企業(yè)

美軍提出ORS計(jì)劃的目的是使軍事規(guī)劃人員能對(duì)航天能力的意外損失或削弱快速作出響應(yīng)，及時(shí)補(bǔ)充新能力或擴(kuò)展原有能力，其研制目標(biāo)是在幾個(gè)月(3級(jí)目標(biāo))、幾周(2級(jí)目標(biāo))和幾小時(shí)(1級(jí)目標(biāo))內(nèi)使新的航天裝備投入使用。ORS概念中的一個(gè)關(guān)鍵組成部分是快速響應(yīng)地面系統(tǒng)企業(yè)，它們可以適應(yīng)空間部分和用戶部分的快速研制。各軍種和機(jī)構(gòu)都研制有面向軍種的衛(wèi)星指揮控制系統(tǒng)，ORS需要一個(gè)地面系統(tǒng)企業(yè)將這些分散的系統(tǒng)連接起來(lái)。為此ORS辦公室設(shè)想了一個(gè)“2015地面系統(tǒng)企業(yè)”(如圖1所示)，用于支持ORS的偵察衛(wèi)星任務(wù)，并為聯(lián)合部隊(duì)指揮官提供一個(gè)基于Web的小衛(wèi)星規(guī)劃與任務(wù)分配工具，用于訪問(wèn)虛擬地面站，為在軌ORS衛(wèi)星提供指揮控制和任務(wù)分配功能。ORS衛(wèi)星收集的數(shù)據(jù)將采用國(guó)防部選擇的格式、協(xié)議和接口傳送到地面站，因此可以使用完全不同的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，需要另外研制的用戶硬件和軟件也很少。地面系統(tǒng)企業(yè)通過(guò)全球信息柵格(Global Information Grid,GIG)和AFSCN組成網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)通過(guò)GIG分發(fā)，最終目標(biāo)是將載荷數(shù)據(jù)直接下行傳送給聯(lián)合部隊(duì)指揮官，或?qū)⑻幚砗蟮男畔⒅苯酉滦袀魉徒o戰(zhàn)場(chǎng)的作戰(zhàn)人員。

圖1 ORS的2015地面系統(tǒng)企業(yè)[3]Fig.1 ORS′s 2015 Ground System Enterprise

“地面系統(tǒng)企業(yè)”采用各軍種已有的創(chuàng)新成果和系統(tǒng)構(gòu)建，包括空軍航天司令部的多任務(wù)衛(wèi)星操作中心(Multi-Mission Satellite Operation Center,MMSOC)、美國(guó)航空航天局(National Aeronautics and Space Administration,NASA)哥達(dá)德任務(wù)業(yè)務(wù)發(fā)展中心(Goddard Mission Services Evolution Center,GMSEC)的消息總線中間件、海軍研究實(shí)驗(yàn)室的虛擬任務(wù)操作中心(Virtual Mission Operations Center,VMOC)和分布式通用地面系統(tǒng)(Distributed Common Ground System,DCGS)。ORS的地面系統(tǒng)企業(yè)已應(yīng)用于“ORS-1”衛(wèi)星項(xiàng)目中。

3.2 美國(guó)航天與導(dǎo)彈系統(tǒng)中心(SMC)的企業(yè)地面體系

2013年6月，美國(guó)國(guó)會(huì)指示，空軍應(yīng)制定一個(gè)實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星測(cè)控網(wǎng)現(xiàn)代化和符合GAO建議的未來(lái)共享衛(wèi)星控制業(yè)務(wù)和能力的長(zhǎng)期規(guī)劃。2013年7月，美國(guó)航天與導(dǎo)彈系統(tǒng)中心(Space and Missile System Center，SMC)提出并批準(zhǔn)了企業(yè)地面體系(EGA)計(jì)劃，目標(biāo)是改進(jìn)未來(lái)衛(wèi)星的控制操作，為未來(lái)彈性的航天系統(tǒng)提供網(wǎng)絡(luò)防護(hù)，同時(shí)降低壽命周期成本。EGA計(jì)劃將分階段開展研究，逐步向通用體系過(guò)渡。雖然目前美軍尚未給出EGA的最終結(jié)構(gòu)，但從目前的研究工作還是能看出它的概貌和特色。

SMC在開始進(jìn)行EGA研究時(shí)，首先明確了EGA的范圍(如圖2所示)，主要包括三大部分：

(1)測(cè)控收/發(fā)網(wǎng)絡(luò)，包括AFSCN(公共網(wǎng))、專用網(wǎng)、商業(yè)衛(wèi)星測(cè)控網(wǎng)、數(shù)據(jù)分發(fā)網(wǎng)等；

(2)衛(wèi)星操作數(shù)據(jù)中心，包括指揮與控制數(shù)據(jù)中心、任務(wù)操作中心、其他政府機(jī)構(gòu)的用戶中心、終端節(jié)點(diǎn)等；

(3)強(qiáng)生存力地面站體系，包括重要作戰(zhàn)人員保障體系、基線操作體系、發(fā)射控制與保障體系等。

從這個(gè)范圍可以看出，EGA覆蓋了測(cè)控、運(yùn)控、數(shù)據(jù)中心等地面系統(tǒng)，聯(lián)合使用軍用和商用測(cè)控資源，考慮了空間作戰(zhàn)需求，采用企業(yè)級(jí)多層結(jié)構(gòu)和服務(wù)，共享通用的資源和服務(wù)。

圖2 企業(yè)地面體系的范圍[4]Fig.2 Scope of the SMC Enterprise Ground Architecture project

3.2.1 EGA的結(jié)構(gòu)

EGA的重要組成部分是企業(yè)級(jí)地面系統(tǒng)(Enterprise Ground System,EGS)，它以O(shè)RS地面系統(tǒng)企業(yè)中的多任務(wù)衛(wèi)星操作中心(MMSOC)[5-10]為基礎(chǔ)構(gòu)建。MMSOC(如圖3所示)是一個(gè)試驗(yàn)性地面系統(tǒng)，由洛克希德·馬丁公司與SMC空間發(fā)展與試驗(yàn)部共同研發(fā)。MMSOC具有即插即用能力，容易改進(jìn)并進(jìn)行技術(shù)升級(jí)，這也是空軍高層將其視為EGS構(gòu)建基礎(chǔ)的原因。MMSOC能實(shí)現(xiàn)多個(gè)測(cè)控站之間的互操作，采用面向服務(wù)的結(jié)構(gòu)，具有通用的網(wǎng)絡(luò)與安全配置，采用標(biāo)準(zhǔn)化的服務(wù)器和通用接口，提供通用的地面測(cè)控服務(wù)，包括任務(wù)規(guī)劃、軌道分析、測(cè)控和虛擬數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。它通過(guò)虛擬化來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)彈性，包括虛擬數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、虛擬局域網(wǎng)、標(biāo)準(zhǔn)化虛擬機(jī)、數(shù)據(jù)層等。

MMSOC系統(tǒng)已在“ORS-1”成像衛(wèi)星任務(wù)的發(fā)射階段使用，并將再次用于“ORS-5”衛(wèi)星的測(cè)控，“ORS-5”將在2017年發(fā)射。首個(gè)MMSOC部署在柯特蘭空軍基地(Kirtland Air Force Base)，第二個(gè)MMSOC位于施里弗空軍基地。在“ORS-1”衛(wèi)星的試驗(yàn)中，每天24 h的衛(wèi)星平臺(tái)管理，12 h由操作人員處理，另外12 h由機(jī)器自動(dòng)處理。這種自動(dòng)化系統(tǒng)可以使空軍人員有更多時(shí)間參與作戰(zhàn)，而且降低了人為誤差率。美空軍航天司令部司令約翰·海頓要求，美空軍所有新衛(wèi)星必須與MMSOC兼容。

SMC于2009年發(fā)布了MMSOC的1.2版，采用通用的測(cè)控“核”和任務(wù)專用軟件。2011年將任務(wù)專用軟件與測(cè)控“核”分離，2012年進(jìn)行了虛擬化，2013～2015年間完成了業(yè)務(wù)總線與GMSEC應(yīng)用編程接口(API)的集成，2015年發(fā)布了2.0版，2016年發(fā)布了2.1版，2014～2016年SMC與海軍研究實(shí)驗(yàn)室合作為通用地面服務(wù)配置了“海王星”通用地面體系(Common Ground Architecture,CGA)。

圖3 MMSOC的結(jié)構(gòu)[5]Fig.3 MMSOC architecture

以MMSOC為基礎(chǔ)構(gòu)建的EGS如圖4所示。EGS[11-16]由收/發(fā)網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星/任務(wù)操作中心、聯(lián)合作戰(zhàn)中心、空間作戰(zhàn)管理指揮控制(Battle Management Command&Control,BMC2)系統(tǒng)、指揮控制中心/數(shù)據(jù)中心、MMSOC系統(tǒng)組成。用戶通過(guò)保密的數(shù)據(jù)入口進(jìn)入EGS。整個(gè)系統(tǒng)采用通用的用戶接口，生成通用作戰(zhàn)圖。EGS利用通用的基礎(chǔ)設(shè)施提供共享服務(wù)和專門服務(wù)，共享服務(wù)可采用通用和專用APP(應(yīng)用程序)，專門服務(wù)采用專用APP。

圖4 企業(yè)級(jí)地面系統(tǒng)[11]Fig.4 Enterprise Ground System

EGS是通用的，可能的做法是將數(shù)據(jù)處理基礎(chǔ)設(shè)施(例如商業(yè)云基礎(chǔ)設(shè)施和中間件)合并，將多個(gè)衛(wèi)星計(jì)劃的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理合并，共享數(shù)據(jù)。EGS會(huì)分散部署，并分散連接到GIG，從而提高了彈性。EGS還會(huì)建立與GIG連接的簡(jiǎn)單用戶網(wǎng)頁(yè)瀏覽器界面(與云數(shù)據(jù)中心連接)，支持彈性和分布式操作；合并與GIG連接的共用和專用天線/入口(包括國(guó)防信息系統(tǒng)局遠(yuǎn)程端口)的所有權(quán)和職能；重復(fù)使用現(xiàn)有衛(wèi)星地面系統(tǒng)的能力實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中心式衛(wèi)星指揮與控制；數(shù)據(jù)的展示盡可能靠近原始數(shù)據(jù)源(在最近的數(shù)據(jù)中心)，以網(wǎng)絡(luò)中心的形式展示，包括元數(shù)據(jù)。

3.2.2 EGA實(shí)施計(jì)劃

EGA計(jì)劃分3個(gè)階段進(jìn)行，第一階段是分成3個(gè)工作組(對(duì)標(biāo)工作組、商業(yè)能力工作組、網(wǎng)絡(luò)彈性與技術(shù)工作組)分別進(jìn)行調(diào)查研究，然后將研究結(jié)果匯總形成指導(dǎo)原則，對(duì)第二階段的工作提供指導(dǎo)。

對(duì)標(biāo)工作組主要完成對(duì)其他政府機(jī)構(gòu)和商業(yè)航天測(cè)控機(jī)構(gòu)地面系統(tǒng)體系的對(duì)標(biāo)研究，調(diào)查軍、民、商各方現(xiàn)有的通用地面系統(tǒng)采用的方法。對(duì)標(biāo)的機(jī)構(gòu)包括美國(guó)NASA哥達(dá)德航天飛行中心(Goddard Space Flight Center)的TDRSS/GMSEC系統(tǒng)、噴氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室(Jet Propulsion Laboratory，JPL)的先進(jìn)多任務(wù)操作系統(tǒng)(Advanced Multi-Mission Operations System,AMMOS)、導(dǎo)彈防御局、海軍研究實(shí)驗(yàn)室的布洛索姆角(Cape Blossom)測(cè)控站、美國(guó)國(guó)家海洋與大氣管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration,NOAA)、國(guó)際通信衛(wèi)星公司、國(guó)家偵察局、國(guó)家地理空間情報(bào)局、歐空局、Kratos公司、海軍衛(wèi)星操作中心、SES Americom公司。對(duì)標(biāo)工作的重點(diǎn)是研究衛(wèi)星指揮控制和任務(wù)操作數(shù)據(jù)中心的結(jié)構(gòu)；確定通用地面系統(tǒng)關(guān)鍵項(xiàng)；研究實(shí)現(xiàn)通用核心和標(biāo)準(zhǔn)化的策略，包括對(duì)數(shù)據(jù)正確性的影響和對(duì)不斷變化需求的適應(yīng)能力；私有、商業(yè)(COTS)和政府(GOTS)測(cè)控能力的對(duì)比；標(biāo)準(zhǔn)化與創(chuàng)新/競(jìng)爭(zhēng)的比較；壽命周期成本管理策略；網(wǎng)絡(luò)安全策略。

商業(yè)能力工作組主要完成商業(yè)測(cè)控機(jī)構(gòu)對(duì)商業(yè)數(shù)據(jù)中心的影響以及可能用于未來(lái)EGA的云服務(wù)的調(diào)查。調(diào)查的重點(diǎn)包括網(wǎng)絡(luò)虛擬化、大數(shù)據(jù)分析、IT服務(wù)自動(dòng)化與配合、嵌入式配置管理、基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)(Infrastructure as a Service,IaaS)、基礎(chǔ)設(shè)施提供服務(wù)、地面站COTS設(shè)備集成服務(wù)、衛(wèi)星操作/測(cè)控服務(wù)等。

網(wǎng)絡(luò)彈性與技術(shù)工作組則負(fù)責(zé)研究地面操作的網(wǎng)絡(luò)彈性，包括研究網(wǎng)絡(luò)彈性分析方法，用于概念階段的候選結(jié)構(gòu)分析；確定通用結(jié)構(gòu)特性，支持地面系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全性和彈性的實(shí)現(xiàn)。工作組給出了網(wǎng)絡(luò)彈性評(píng)估框架(如圖5所示)，從彈性和生存力兩個(gè)維度進(jìn)行評(píng)估，包括基線任務(wù)與彈性要求、網(wǎng)絡(luò)攻擊類型、結(jié)構(gòu)特性對(duì)彈性的影響、固有的彈性特性、彈性保證實(shí)踐5個(gè)領(lǐng)域。

圖5 網(wǎng)絡(luò)彈性評(píng)估框架[12]Fig.5 Cyber resilience assessment framework

第一階段的工作已于2015財(cái)年完成，總結(jié)出了12條指導(dǎo)原則(如圖6所示)，包括不能只依靠一個(gè)供貨商、可分離性、通用的框架和服務(wù)、自動(dòng)化、綜合控制、分層更新、堆棧管理、可伸縮性與適應(yīng)性、賽博不透明性與分析、系統(tǒng)彈性、靈活管理、信息可訪問(wèn)性等。這些原則也許還不全面，但卻是最顯而易見(jiàn)的，反應(yīng)了體系構(gòu)建和采購(gòu)的原則，將應(yīng)用于地面企業(yè)的構(gòu)建、采購(gòu)和壽命周期管理，以得到能滿足任務(wù)要求的最經(jīng)濟(jì)有效和彈性的系統(tǒng)。

圖6 構(gòu)建EGA的指導(dǎo)原則[4]Fig.6 Guiding principles for EGA

第二階段的工作主要是建設(shè)測(cè)控與任務(wù)規(guī)劃/數(shù)據(jù)處理基礎(chǔ)設(shè)施，進(jìn)行早期能力演示驗(yàn)證和測(cè)試與分析，提出參考體系結(jié)構(gòu)方案，包括將現(xiàn)有功能/能力映射到通用體系結(jié)構(gòu)中，選出彈性低成本候選結(jié)構(gòu)，使用通用服務(wù)，不斷改進(jìn)方案，對(duì)保密/戰(zhàn)略通信、網(wǎng)絡(luò)彈性、異?，F(xiàn)象的解決方案、整個(gè)任務(wù)的戰(zhàn)術(shù)/技術(shù)/規(guī)程以及響應(yīng)性進(jìn)行評(píng)估。第二階段的工作在2015～2016財(cái)年完成。

第三階段將完成從原有測(cè)控系統(tǒng)向通用的EGA過(guò)渡，計(jì)劃在2017～2019財(cái)年實(shí)現(xiàn)。美空軍在2017財(cái)年預(yù)算中向國(guó)會(huì)申請(qǐng)了2 000萬(wàn)美元，用于在未來(lái)幾年從相互獨(dú)立的衛(wèi)星地面系統(tǒng)過(guò)渡到EGS通用地面系統(tǒng)。這筆預(yù)算將用于技術(shù)的成熟化以及研發(fā)小型原型MMSOC能力，還將使導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星、受保護(hù)通信衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星和GPS衛(wèi)星開始采用EGS標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)AEHF衛(wèi)星項(xiàng)目的撥款是其中最大一筆，約為850萬(wàn)美元。EGA將在2020年左右用于各種國(guó)家保密衛(wèi)星的指揮與控制。美國(guó)空軍正在討論EGS何時(shí)首次使用以及用于哪個(gè)主要星座。美軍認(rèn)為，天基紅外系統(tǒng)是一個(gè)良好選擇，該系統(tǒng)正在完成新型地面系統(tǒng)首批設(shè)備的部署。

美空軍正在各個(gè)領(lǐng)域研究多個(gè)“探路者”項(xiàng)目，這些領(lǐng)域包括測(cè)控(TT&C)、數(shù)據(jù)分發(fā)、指揮與控制。SMC的幾個(gè)機(jī)構(gòu)已經(jīng)開始致力于這些舉措，其中先進(jìn)系統(tǒng)協(xié)會(huì)正在開展自動(dòng)化測(cè)控的相關(guān)工作，并主導(dǎo)EGA計(jì)劃；遙感協(xié)會(huì)正在探索有效載荷數(shù)據(jù)的利用；空間優(yōu)勢(shì)協(xié)會(huì)正考慮將作戰(zhàn)人員能力集成到聯(lián)合太空作戰(zhàn)中心(Joint Space Operations Center,JSpOC)的任務(wù)系統(tǒng)(JSpOC Mission System,JMS)中。

4 啟示與建議

美軍EGA的實(shí)現(xiàn)是美國(guó)軍事航天地面系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵，無(wú)論是為應(yīng)對(duì)未來(lái)日益嚴(yán)峻的空間對(duì)抗環(huán)境還是降低運(yùn)營(yíng)成本，提高系統(tǒng)性能和效率，都需要這種轉(zhuǎn)型。EGA項(xiàng)目的目標(biāo)有4個(gè)，即提高航天地面系統(tǒng)的靈活性、自動(dòng)化程度、安全性和彈性，而節(jié)約成本是一個(gè)內(nèi)在結(jié)果。EGA的初期研究為我國(guó)航天地面系統(tǒng)建設(shè)提供了很好的借鑒。

(1)在整個(gè)航天地面系統(tǒng)范疇考慮通用化

從EGA的范圍可以看到，EGA不僅涉及測(cè)控系統(tǒng)，還包括運(yùn)控、數(shù)據(jù)中心、用戶終端等系統(tǒng)，而且將軍用和商用測(cè)控資源均考慮在內(nèi)，因此通用航天地面系統(tǒng)的建設(shè)要考慮在整個(gè)地面系統(tǒng)層面進(jìn)行多種資源整合。

(2)通用化

EGA的核心是實(shí)現(xiàn)地面系統(tǒng)的通用化，即用一個(gè)系統(tǒng)應(yīng)對(duì)多個(gè)航天任務(wù)，因此強(qiáng)調(diào)各個(gè)測(cè)控站、測(cè)控網(wǎng)之間應(yīng)具有互操作性，需要采用通用和標(biāo)準(zhǔn)化的硬件、軟件、接口以及網(wǎng)絡(luò)配置和安全配置，提供通用的測(cè)控服務(wù)。當(dāng)前衛(wèi)星的體系架構(gòu)與相互不協(xié)調(diào)的軟件之間有太多接口，創(chuàng)造了許多網(wǎng)絡(luò)攻擊界面，必須分別進(jìn)行防護(hù)。通用化不僅減少了這種網(wǎng)絡(luò)攻擊風(fēng)險(xiǎn)，而且采用受保護(hù)的信息包、分層防御、精簡(jiǎn)的權(quán)限、分段配置、內(nèi)置監(jiān)測(cè)設(shè)備和信息冗余等措施，不僅可以提高地面系統(tǒng)的性能、靈活性、彈性和經(jīng)濟(jì)性，還會(huì)從網(wǎng)絡(luò)安全方面帶來(lái)許多好處。

(3)網(wǎng)絡(luò)化與虛擬化

EGA強(qiáng)調(diào)將多個(gè)地面網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)以及地面站虛擬化，為此將采用一些先進(jìn)的信息技術(shù)，包括面向服務(wù)的框架、基于云的技術(shù)(如私有/商用混合云)、軟件定義組網(wǎng)(Software Defined Network,SDN)、網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(Network Function Virtualization,NFV)、IT自動(dòng)化等技術(shù)，并采用“企業(yè)級(jí)服務(wù)”總線進(jìn)行通信。SDN/NFV[17]是改變游戲規(guī)則的技術(shù)，它們可以使硬件數(shù)量減少幾倍，可實(shí)現(xiàn)“軟件管理數(shù)據(jù)中心”的概念(虛擬機(jī)+虛擬存儲(chǔ)+虛擬網(wǎng)絡(luò))，可以改善網(wǎng)絡(luò)彈性(無(wú)需鋪設(shè)任何電纜，易于創(chuàng)建，可操作防火墻，隔離網(wǎng)絡(luò))。雖然目前這些技術(shù)還不太成熟，應(yīng)用程序接口(API)以及其他接口還不能與其他產(chǎn)品完美集成，但未來(lái)技術(shù)的發(fā)展將解決這些問(wèn)題。因此，我們應(yīng)加強(qiáng)對(duì)這些創(chuàng)新概念和技術(shù)的跟蹤研究，應(yīng)用于航天地面系統(tǒng)的建設(shè)中。

(4)重視網(wǎng)絡(luò)彈性

實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)后，網(wǎng)絡(luò)的安全及彈性非常關(guān)鍵。如前所述，美軍在研究EGA之初就專門成立一個(gè)網(wǎng)絡(luò)彈性工作組對(duì)網(wǎng)絡(luò)彈性進(jìn)行全面研究和評(píng)估。在EGA設(shè)計(jì)中也充分考慮了未來(lái)空間對(duì)抗的可能性，采用了很多措施和先進(jìn)技術(shù)來(lái)改善網(wǎng)絡(luò)彈性，保障賽博安全。未來(lái)我國(guó)航天地面系統(tǒng)不可避免地要面臨嚴(yán)峻的對(duì)抗，無(wú)論是系統(tǒng)還是網(wǎng)絡(luò)都應(yīng)考慮彈性設(shè)計(jì)和賽博安全。

(5)商業(yè)化

在EGA體系中，商業(yè)化是必須考慮的一個(gè)重要內(nèi)容。商業(yè)化既包括采用先進(jìn)成熟的商業(yè)化產(chǎn)品和先進(jìn)的技術(shù)，如各種地面站COTS設(shè)備和大數(shù)據(jù)分析、網(wǎng)絡(luò)虛擬化、IT服務(wù)自動(dòng)化等技術(shù)，也包括采用商業(yè)化運(yùn)營(yíng)方式。商業(yè)運(yùn)營(yíng)商通常只用一小部分人力操控衛(wèi)星，因此商業(yè)化運(yùn)營(yíng)將提高地面系統(tǒng)的效率，提供經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的商業(yè)操作優(yōu)勢(shì)、全球性商業(yè)測(cè)控資源以及來(lái)自私營(yíng)機(jī)構(gòu)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。軍方不必再在衛(wèi)星例行維護(hù)上花費(fèi)時(shí)間，可以騰出資源和精力關(guān)注戰(zhàn)場(chǎng)管理和空間作戰(zhàn)。商業(yè)化運(yùn)營(yíng)還可利用安全彈性的全球多路徑訪問(wèn)權(quán)限使軍事指揮控制網(wǎng)實(shí)現(xiàn)多元化，增強(qiáng)性能。美軍航天系統(tǒng)的商業(yè)化對(duì)我們是一個(gè)借鑒，可以利用商業(yè)化產(chǎn)品、技術(shù)及運(yùn)營(yíng)方式的優(yōu)勢(shì)提高航天地面系統(tǒng)的性能和效率。

5 結(jié)束語(yǔ)

EGA是美軍為應(yīng)對(duì)未來(lái)不斷增多的航天任務(wù)需求和日益急迫的空間對(duì)抗需求而尋求的對(duì)現(xiàn)有航天地面系統(tǒng)的轉(zhuǎn)型。它利用“即插即用”多任務(wù)地面系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)通用化，利用云技術(shù)、SDN/NFV、IT服務(wù)自動(dòng)化等創(chuàng)新技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化、自動(dòng)化和虛擬化，不僅提高了航天地面系統(tǒng)的性能、安全性、彈性、靈活性，還通過(guò)商業(yè)化等新的運(yùn)營(yíng)方式提高效率，降低運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本。目前，美國(guó)和歐洲軍、民、商各方都在研究通用航天地面系統(tǒng)，我們也應(yīng)加強(qiáng)對(duì)這類系統(tǒng)和技術(shù)的跟蹤研究，為相關(guān)系統(tǒng)的建設(shè)提供借鑒。

[1] United States Government Accountability Office. Satellite control long-term planning and adoption of commercial practices could improve DOD’s operations [EB/OL].(2013-04-18)[2016-10-20]. www.gao.gov/assets/660/654011.pdf.

[2] TEMPLE M S C. 軍隊(duì)培養(yǎng)太空戰(zhàn)士,民間承擔(dān)衛(wèi)星運(yùn)作[J].空天力量,2016,10(1)：15-20. TEMPLE M S C. Developing tomorrow’s space war fighter: the argument for contracting out satellite operations[J].Air & Space Power,2016,10(1):15-20.(in Chinese)

[3] ESPINDOLA R,WALDEN G.Developing a responsive ground system enterprise[EB/OL].[2016-10-20].http://www.aerospace.org/crosslinkmag/summer-2009/developing-a-responsive-ground-system-enterprise/.

[4] CAMPBELL A，WILSON K.Applying guiding principles in the development of architectures,acquisition specifications,and operating practices for affordable and resilient satellite ground systems[EB/OL].(2015-03-04)[2016-10-20].http://gsaw.org/past-proceedings/2015-2/.

[5] BOUVET J. Multi-mission satellite operation center(MMSOC)overview[EB/OL].(2016-03-03)[2016-10-20].http://gsaw.org/past-proceedings/2016-2/.

[6] PARKER M J. The Multi-mission satellite operations center[C]//Proceedings of 3rd Responsive Space Confernece.Los Angeles,CA,USA:AIAA,2005:1-8.

[7] BAILEY S. Leveraging a multi-mission satellite center to fulfill operationally responsive space ground segment requirements[C]//Proceedings of 8th Responsive Space Conference.Los Angeles,CA,USA:AIAA,2010:1-6.

[8] WARRENDER C. MMSOC GSA mission integration suite(MI-S)[EB/OL].(2010-03-03)[2016-12-20].http://gsaw.org/past-proceedings/2010-2/.

[9] GUECK M J. SATOPS enterprise transformation[EB/OL].(2010-03-03)[2016-12-20].http://gsaw.org/past-proceedings/2010-2/.

[10] MOGAN M T.Multi-mission satellite operations center ground system architecture(MMSOC GSA)[EB/OL].(2012-03-03)[2016-12-20].http://gsaw.org/past-proceedings/2012-2/.

[11] LANGLEY D. Enterprise ground services(EGS) overview and standards[EB/OL].(2016-03-03)[2016-12-20].http://gsaw.org/past-proceedings/2016-2/.

[12] PLANEAUX J. Enterprise ground services(EGS) overview[EB/OL].(2016-03-03)[2016-12-20].http://gsaw.org/past-proceedings/2016-2/.

[13] KIMSAL M.Transitioning to an enterprise ground system[EB/OL].(2015-03-03)[2016-12-20].http://gsaw.org/past-proceedings/2015-2/.

[14] HARPER M W,HAMILTON B A. Common ground architecture[EB/OL].(2015-03-03)[2016-12-20].http://gsaw.org/past-proceedings/2015-2/.

[15] CRIDER J S. Enterprise ground services(EGS) overview[EB/OL].(2017-03-03)[2017-04-03].http://gsaw.org/past-proceedings/2017-2/.

[16] MASHBURN S. SMC enterprise ground architecture(EGA) project[EB/OL].(2014-03-03)[2017-01-03].http://gsaw.org/past-proceedings/2014-2/.

[17] DEVI B. SDN/NFV for flexible federation of SATOPS networks[EB/OL].(2017-02-03)[2017-03-03].http://gsaw.org/past-proceedings/2017-2/.

Development of U.S. Military Enterprise Ground Architecture for Space TT&C

YANG Hongjun

(Southwest China Institute of Electronic Technology,Chengdu 610036,China)

U.S. military satellite ground TT&C networks are costly,fragmented and potentially duplicative because they are dedicated networks,which are designed to operate a single satellite system. As space threats increasing,the ground system transformation is necessary. Department of Defense(DoD) proposes an Enterprise Ground Architecture(EGA),which utilizes the shared common system to perform TT&C functions for all military satellites,cloud technology to improve cyberspace security,and automation and commercialization to reduce operators and operation and maintenance cost and improve system efficiency. Therefore more people can be freed to perform payload deployment and operation in the impending space war. Although its detail design concept doesn′t presented from U.S. military,the EGA′s design idea and principle are concluded through analysis of its background,enabled technologies and development status,and some advices are proposed for China′s space TT&C system development.

common TT&C network;enterprise ground architecture;multi-mission satellite operation center(MMSOC);commercialization;cyberspace security

10.3969/j.issn.1001-893x.2017.07.019

楊紅俊.美軍航天測(cè)控企業(yè)級(jí)地面體系的發(fā)展[J].電訊技術(shù)，2017,57(7):841-848.[YANG Hongjun.Development of U.S. military enterprise ground architecture for space TT&C[J].Telecommunication Engineering,2017,57(7):841-848.]

2016-12-02；

2017-05-02 Received date:2016-12-02；Revised date：2017-05-02

V556

A

1001-893X(2017)07-0841-08

楊紅俊(1970—)，女，湖北荊門人，高級(jí)工程師，主要從事軍事電子系統(tǒng)工程情報(bào)研究工作。

Email:yhj87555631@163.com

**通信作者：yhj87555631@126.com Corresponding author：yhj87555631@126.com