美军航天测控企业级地面体系的发展*

杨红俊

(中国西南电子技术研究所，成都 610036)



美军航天测控企业级地面体系的发展*

杨红俊**

(中国西南电子技术研究所，成都 610036)

美国军事航天地面测控系统采用为每种军事卫星系统配套专用测控系统的方式构建，形成“烟囱”式割裂的格局，造成资源和人力的极大浪费。空间威胁的日益严峻迫使美军进行地面系统的转型。美军提出构建“企业地面体系”(EGA)，用通用的测控系统完成所有军事卫星的测控，通过云技术提高网络安全性，通过自动化和商业化减少操作人员，提高系统效率，降低运维成本，腾出更多人力完成有效载荷的部署与操控，以应对日益迫近的太空作战。虽然美军EGA的具体方案还未出台，但通过对其发展背景、总体设想、拟采用的关键技术及发展现状进行跟踪分析，总结了美军构建通用军事测控系统的总体设计思路及设计原则，对我国航天测控系统的发展提出了建议。

通用测控网;企业地面体系;多任务卫星操作中心(MMSOC);商业化;网络安全

1 引 言

为了保证军用航天系统可靠地运行，美国军用航天测控体系多采用为每种卫星研制专用测控系统的做法，为每一批进入太空的新卫星投资数十亿美元建造地面测控站，只是发射与早期轨道段采用通用的航天测控系统支持。随着军事航天系统不断发展壮大，航天系统数量越来越多，地面部署的测控系统也越来越多，支持维护费用不断上涨。随着空间威胁的升级，近几年美军高层不断提出要建立“企业级地面体系”(Enterprise Ground Architecture,EGA)，旨在用一个通用的测控系统完成所有军用卫星的测控及指挥与控制，打破“烟囱式”格局，同时实现测控操作自动化和系统运营商业化，以提高系统运行效率，增强测控网的安全性，降低运行维护成本。

这种适用于多种卫星系统的通用型测控系统代表了目前飞行器测控的一个发展方向，国外民用、军用航天测控系统以及无人机测控系统均提出了类似的发展思路。虽然目前美军还未出台具体的“企业级地面体系”设计方案，但是已委托多家企业协助开展研究。本文根据有限的国外文献梳理了它的发展背景、可能采用的大体结构和关键技术以及发展现状，分析了它的总体设计思路，希望为我国通用型飞行器测控系统的发展提供参考。

2 美国军用航天测控系统存在的问题

目前，美国军用卫星任务由国防部各军种和国家侦察局负责管理，采用遍布全球的地面测控系统操控着至少价值137亿美元的军用卫星。这些地面测控系统主要承担三大任务：监视卫星健康状况，确保卫星运行在正确的轨道上，规划、监视和控制卫星任务的执行，这些活动统称为卫星控制操作。

美国军用卫星的地面测控系统主要包括美国空军卫星控制网(Air Force Satellite Control Network,AFSCN)、海军卫星控制网、陆军卫星控制网和几个专用网络。其中空军卫星控制网是最大的多用户卫星控制网，1959年初步建成，主要用于为几乎所有的国防部航天计划、弹道导弹和再入飞行器试验及部分国外卫星计划提供地面保障。

空军卫星控制网分为公共网和专用网两部分。公共网可支持多种军用卫星系统，卫星之间可共享天线和软件，因此成本较低。该网络一般用于控制卫星平台以及以较低数据率进行间断通信的卫星，还为卫星提供发射段和早期轨道段跟踪以及出现异常情况时的遥测和遥控。公共网控制的卫星系统包括国防卫星通信系统(Defense Satellite Communication System,DSCS)、UHF后继星(UHF Follow-On,UFO)等。专用网只用于支持一个卫星系统，它的设备不与其他卫星系统共享，一般用于支持需要以较高数据率进行连续通信的卫星，用同一副天线完成平台和载荷的控制。专用网控制的卫星系统包括天基红外系统(Space-based Infrared System,SBIRS)、全球定位系统(Global Positioning System,GPS)等。专用网与公共网互为备份，其中专用网在全球10个地方设有23副天线。

表1给出了专用网与公共网的对比情况。

表1 专用网与公共网的利与弊[1]Tab.1 Pros and cons of using dedicated versus shared satellite control networks

2013年4月18日，美国政府审计署(General Accounting Office,GAO)发布了一份题为《卫星控制：利用长期规划和商业实践改善国防部卫星操作》的报告，对以美国空军卫星控制网为代表的美国军事航天测控系统进行了评估。报告认为，美国军事航天测控系统存在下列问题：

(1)割裂的“烟囱”式格局导致效率低，运营成本高

在过去的10年中，美国国防部一直致力于部署独立的卫星控制网络，每个网络只能操控一种卫星系统，每种卫星都拥有独立运行的地面测控系统，包括独立的操作员、软件和硬件，几乎没有自动化操作，地面站全天候有人值班，成本高，效率低。

专用网可以带来诸多好处，包括降低风险和为特殊需求提供定制服务；但是网络成本高，导致出现割裂和重复建设的问题，比共享操作耗用更多的基础设施和人力。例如：施里弗空军基地(Schriever Air Force Base)拥有的11个卫星项目由8个分立的控制中心管理。美国空军认为，共享的卫星控制网络能更好地利用国防部的投资，但是目前国防部仍在继续采购独立网络，并没有致力于使现有的独立操作网向共享卫星控制网的方式发展。

(2)现代化工作没有提升测控网能力

在过去20年中，空军卫星控制网实施了多次现代化计划，但这些工作主要是更换陈旧的计算机软硬件和通信设备，以使网络保持现有的能力水平，但网络的工作能力没有得到提升。美国空军为未来5年的现代化工作预算了约4亿美元的经费，但没有制定长远规划对AFSCN进行重大改进，提升其能力。

(3)没有利用商业化提高效率、降低成本

商业化有提高军事卫星控制操作效率、降低成本的潜力。商业化涉及的内容包括：卫星测控网之间的互操作性；常规卫星控制操作功能的自动化；使用商业现货产品替换定制产品；采用“混合”网络，允许卫星运营商通过其他运营商的互补网络增强自己的网络。目前的美军卫星测控网中没有考虑商业化。

(4)改进面临多重障碍

在提高测控网能力和采用商业化方面，美国国防部面临4道障碍：第一，国防部对于卫星控制操作并没有长期规划；第二，国防部缺少确切的数据说明目前控制网络的成本，并且很难将卫星控制成本与其他成本分开；第三，没有要求卫星项目为其选择的卫星控制操作方式建立一种业务模式；第四，即便项目经理想要改进卫星控制操作，他们也没有在项目层面实施改革的自主权。如果不跨越这些障碍，国防部在充分提高卫星控制操作能力方面将一直受到限制。

3 美军对企业地面体系的研究

随着太空威胁不断增长，太空爆发战争的可能性在增大，美军认为太空部队的工作重心需要从无抗衡环境中操控卫星转向在即使是拥挤、抗衡、竞争的环境中也能确保发挥卫星的效能。因此，太空司令部应考虑把卫星测控的日常工作外包给民间，而把航天操控人员的任务重心转向保护太空资产，即“军队培养太空战士，民间承担卫星运作。”[2]

美空军航天司令部司令约翰·海顿上将多次提出对统一的企业级航天测控地面体系的需要，这种需要与节省成本无关，也与效率无关，而是受对弹性地面测控网的需求推动，操作人员的职能也将因此而调整。为此，需要在空军建立一个企业级的地面系统。

实际上，美国空军航天司令部从2008年起就在考虑航天测控系统的转型问题[3]，希望使军事卫星的测控系统转型为按需、受保护、灵活的企业。2009年，美军在“快速响应航天”(Operationally Responsive Space,ORS)计划中提出了适用于快响卫星的地面系统企业，为后续的EGA研究打下了基础。

3.1 ORS的地面系统企业

美军提出ORS计划的目的是使军事规划人员能对航天能力的意外损失或削弱快速作出响应，及时补充新能力或扩展原有能力，其研制目标是在几个月(3级目标)、几周(2级目标)和几小时(1级目标)内使新的航天装备投入使用。ORS概念中的一个关键组成部分是快速响应地面系统企业，它们可以适应空间部分和用户部分的快速研制。各军种和机构都研制有面向军种的卫星指挥控制系统，ORS需要一个地面系统企业将这些分散的系统连接起来。为此ORS办公室设想了一个“2015地面系统企业”(如图1所示)，用于支持ORS的侦察卫星任务，并为联合部队指挥官提供一个基于Web的小卫星规划与任务分配工具，用于访问虚拟地面站，为在轨ORS卫星提供指挥控制和任务分配功能。ORS卫星收集的数据将采用国防部选择的格式、协议和接口传送到地面站，因此可以使用完全不同的数据处理系统，需要另外研制的用户硬件和软件也很少。地面系统企业通过全球信息栅格(Global Information Grid,GIG)和AFSCN组成网络，数据通过GIG分发，最终目标是将载荷数据直接下行传送给联合部队指挥官，或将处理后的信息直接下行传送给战场的作战人员。

图1 ORS的2015地面系统企业[3]Fig.1 ORS′s 2015 Ground System Enterprise

“地面系统企业”采用各军种已有的创新成果和系统构建，包括空军航天司令部的多任务卫星操作中心(Multi-Mission Satellite Operation Center,MMSOC)、美国航空航天局(National Aeronautics and Space Administration,NASA)哥达德任务业务发展中心(Goddard Mission Services Evolution Center,GMSEC)的消息总线中间件、海军研究实验室的虚拟任务操作中心(Virtual Mission Operations Center,VMOC)和分布式通用地面系统(Distributed Common Ground System,DCGS)。ORS的地面系统企业已应用于“ORS-1”卫星项目中。

3.2 美国航天与导弹系统中心(SMC)的企业地面体系

2013年6月，美国国会指示，空军应制定一个实现卫星测控网现代化和符合GAO建议的未来共享卫星控制业务和能力的长期规划。2013年7月，美国航天与导弹系统中心(Space and Missile System Center，SMC)提出并批准了企业地面体系(EGA)计划，目标是改进未来卫星的控制操作，为未来弹性的航天系统提供网络防护，同时降低寿命周期成本。EGA计划将分阶段开展研究，逐步向通用体系过渡。虽然目前美军尚未给出EGA的最终结构，但从目前的研究工作还是能看出它的概貌和特色。

SMC在开始进行EGA研究时，首先明确了EGA的范围(如图2所示)，主要包括三大部分：

(1)测控收/发网络，包括AFSCN(公共网)、专用网、商业卫星测控网、数据分发网等；

(2)卫星操作数据中心，包括指挥与控制数据中心、任务操作中心、其他政府机构的用户中心、终端节点等；

(3)强生存力地面站体系，包括重要作战人员保障体系、基线操作体系、发射控制与保障体系等。

从这个范围可以看出，EGA覆盖了测控、运控、数据中心等地面系统，联合使用军用和商用测控资源，考虑了空间作战需求，采用企业级多层结构和服务，共享通用的资源和服务。

图2 企业地面体系的范围[4]Fig.2 Scope of the SMC Enterprise Ground Architecture project

3.2.1 EGA的结构

EGA的重要组成部分是企业级地面系统(Enterprise Ground System,EGS)，它以ORS地面系统企业中的多任务卫星操作中心(MMSOC)[5-10]为基础构建。MMSOC(如图3所示)是一个试验性地面系统，由洛克希德·马丁公司与SMC空间发展与试验部共同研发。MMSOC具有即插即用能力，容易改进并进行技术升级，这也是空军高层将其视为EGS构建基础的原因。MMSOC能实现多个测控站之间的互操作，采用面向服务的结构，具有通用的网络与安全配置，采用标准化的服务器和通用接口，提供通用的地面测控服务，包括任务规划、轨道分析、测控和虚拟数据存储。它通过虚拟化来实现系统弹性，包括虚拟数据存储、虚拟局域网、标准化虚拟机、数据层等。

MMSOC系统已在“ORS-1”成像卫星任务的发射阶段使用，并将再次用于“ORS-5”卫星的测控，“ORS-5”将在2017年发射。首个MMSOC部署在柯特兰空军基地(Kirtland Air Force Base)，第二个MMSOC位于施里弗空军基地。在“ORS-1”卫星的试验中，每天24 h的卫星平台管理，12 h由操作人员处理，另外12 h由机器自动处理。这种自动化系统可以使空军人员有更多时间参与作战，而且降低了人为误差率。美空军航天司令部司令约翰·海顿要求，美空军所有新卫星必须与MMSOC兼容。

SMC于2009年发布了MMSOC的1.2版，采用通用的测控“核”和任务专用软件。2011年将任务专用软件与测控“核”分离，2012年进行了虚拟化，2013～2015年间完成了业务总线与GMSEC应用编程接口(API)的集成，2015年发布了2.0版，2016年发布了2.1版，2014～2016年SMC与海军研究实验室合作为通用地面服务配置了“海王星”通用地面体系(Common Ground Architecture,CGA)。

图3 MMSOC的结构[5]Fig.3 MMSOC architecture

以MMSOC为基础构建的EGS如图4所示。EGS[11-16]由收/发网络、卫星/任务操作中心、联合作战中心、空间作战管理指挥控制(Battle Management Command&Control,BMC2)系统、指挥控制中心/数据中心、MMSOC系统组成。用户通过保密的数据入口进入EGS。整个系统采用通用的用户接口，生成通用作战图。EGS利用通用的基础设施提供共享服务和专门服务，共享服务可采用通用和专用APP(应用程序)，专门服务采用专用APP。

图4 企业级地面系统[11]Fig.4 Enterprise Ground System

EGS是通用的，可能的做法是将数据处理基础设施(例如商业云基础设施和中间件)合并，将多个卫星计划的数据存储和处理合并，共享数据。EGS会分散部署，并分散连接到GIG，从而提高了弹性。EGS还会建立与GIG连接的简单用户网页浏览器界面(与云数据中心连接)，支持弹性和分布式操作；合并与GIG连接的共用和专用天线/入口(包括国防信息系统局远程端口)的所有权和职能；重复使用现有卫星地面系统的能力实现网络中心式卫星指挥与控制；数据的展示尽可能靠近原始数据源(在最近的数据中心)，以网络中心的形式展示，包括元数据。

3.2.2 EGA实施计划

EGA计划分3个阶段进行，第一阶段是分成3个工作组(对标工作组、商业能力工作组、网络弹性与技术工作组)分别进行调查研究，然后将研究结果汇总形成指导原则，对第二阶段的工作提供指导。

对标工作组主要完成对其他政府机构和商业航天测控机构地面系统体系的对标研究，调查军、民、商各方现有的通用地面系统采用的方法。对标的机构包括美国NASA哥达德航天飞行中心(Goddard Space Flight Center)的TDRSS/GMSEC系统、喷气动力实验室(Jet Propulsion Laboratory，JPL)的先进多任务操作系统(Advanced Multi-Mission Operations System,AMMOS)、导弹防御局、海军研究实验室的布洛索姆角(Cape Blossom)测控站、美国国家海洋与大气管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration,NOAA)、国际通信卫星公司、国家侦察局、国家地理空间情报局、欧空局、Kratos公司、海军卫星操作中心、SES Americom公司。对标工作的重点是研究卫星指挥控制和任务操作数据中心的结构；确定通用地面系统关键项；研究实现通用核心和标准化的策略，包括对数据正确性的影响和对不断变化需求的适应能力；私有、商业(COTS)和政府(GOTS)测控能力的对比；标准化与创新/竞争的比较；寿命周期成本管理策略；网络安全策略。

商业能力工作组主要完成商业测控机构对商业数据中心的影响以及可能用于未来EGA的云服务的调查。调查的重点包括网络虚拟化、大数据分析、IT服务自动化与配合、嵌入式配置管理、基础设施即服务(Infrastructure as a Service,IaaS)、基础设施提供服务、地面站COTS设备集成服务、卫星操作/测控服务等。

网络弹性与技术工作组则负责研究地面操作的网络弹性，包括研究网络弹性分析方法，用于概念阶段的候选结构分析；确定通用结构特性，支持地面系统网络安全性和弹性的实现。工作组给出了网络弹性评估框架(如图5所示)，从弹性和生存力两个维度进行评估，包括基线任务与弹性要求、网络攻击类型、结构特性对弹性的影响、固有的弹性特性、弹性保证实践5个领域。

图5 网络弹性评估框架[12]Fig.5 Cyber resilience assessment framework

第一阶段的工作已于2015财年完成，总结出了12条指导原则(如图6所示)，包括不能只依靠一个供货商、可分离性、通用的框架和服务、自动化、综合控制、分层更新、堆栈管理、可伸缩性与适应性、赛博不透明性与分析、系统弹性、灵活管理、信息可访问性等。这些原则也许还不全面，但却是最显而易见的，反应了体系构建和采购的原则，将应用于地面企业的构建、采购和寿命周期管理，以得到能满足任务要求的最经济有效和弹性的系统。

图6 构建EGA的指导原则[4]Fig.6 Guiding principles for EGA

第二阶段的工作主要是建设测控与任务规划/数据处理基础设施，进行早期能力演示验证和测试与分析，提出参考体系结构方案，包括将现有功能/能力映射到通用体系结构中，选出弹性低成本候选结构，使用通用服务，不断改进方案，对保密/战略通信、网络弹性、异常现象的解决方案、整个任务的战术/技术/规程以及响应性进行评估。第二阶段的工作在2015～2016财年完成。

第三阶段将完成从原有测控系统向通用的EGA过渡，计划在2017～2019财年实现。美空军在2017财年预算中向国会申请了2 000万美元，用于在未来几年从相互独立的卫星地面系统过渡到EGS通用地面系统。这笔预算将用于技术的成熟化以及研发小型原型MMSOC能力，还将使导弹预警卫星、受保护通信卫星、气象卫星和GPS卫星开始采用EGS标准。对AEHF卫星项目的拨款是其中最大一笔，约为850万美元。EGA将在2020年左右用于各种国家保密卫星的指挥与控制。美国空军正在讨论EGS何时首次使用以及用于哪个主要星座。美军认为，天基红外系统是一个良好选择，该系统正在完成新型地面系统首批设备的部署。

美空军正在各个领域研究多个“探路者”项目，这些领域包括测控(TT&C)、数据分发、指挥与控制。SMC的几个机构已经开始致力于这些举措，其中先进系统协会正在开展自动化测控的相关工作，并主导EGA计划；遥感协会正在探索有效载荷数据的利用；空间优势协会正考虑将作战人员能力集成到联合太空作战中心(Joint Space Operations Center,JSpOC)的任务系统(JSpOC Mission System,JMS)中。

4 启示与建议

美军EGA的实现是美国军事航天地面系统实现转型的关键，无论是为应对未来日益严峻的空间对抗环境还是降低运营成本，提高系统性能和效率，都需要这种转型。EGA项目的目标有4个，即提高航天地面系统的灵活性、自动化程度、安全性和弹性，而节约成本是一个内在结果。EGA的初期研究为我国航天地面系统建设提供了很好的借鉴。

(1)在整个航天地面系统范畴考虑通用化

从EGA的范围可以看到，EGA不仅涉及测控系统，还包括运控、数据中心、用户终端等系统，而且将军用和商用测控资源均考虑在内，因此通用航天地面系统的建设要考虑在整个地面系统层面进行多种资源整合。

(2)通用化

EGA的核心是实现地面系统的通用化，即用一个系统应对多个航天任务，因此强调各个测控站、测控网之间应具有互操作性，需要采用通用和标准化的硬件、软件、接口以及网络配置和安全配置，提供通用的测控服务。当前卫星的体系架构与相互不协调的软件之间有太多接口，创造了许多网络攻击界面，必须分别进行防护。通用化不仅减少了这种网络攻击风险，而且采用受保护的信息包、分层防御、精简的权限、分段配置、内置监测设备和信息冗余等措施，不仅可以提高地面系统的性能、灵活性、弹性和经济性，还会从网络安全方面带来许多好处。

(3)网络化与虚拟化

EGA强调将多个地面网络组网以及地面站虚拟化，为此将采用一些先进的信息技术，包括面向服务的框架、基于云的技术(如私有/商用混合云)、软件定义组网(Software Defined Network,SDN)、网络功能虚拟化(Network Function Virtualization,NFV)、IT自动化等技术，并采用“企业级服务”总线进行通信。SDN/NFV[17]是改变游戏规则的技术，它们可以使硬件数量减少几倍，可实现“软件管理数据中心”的概念(虚拟机+虚拟存储+虚拟网络)，可以改善网络弹性(无需铺设任何电缆，易于创建，可操作防火墙，隔离网络)。虽然目前这些技术还不太成熟，应用程序接口(API)以及其他接口还不能与其他产品完美集成，但未来技术的发展将解决这些问题。因此，我们应加强对这些创新概念和技术的跟踪研究，应用于航天地面系统的建设中。

(4)重视网络弹性

实现组网后，网络的安全及弹性非常关键。如前所述，美军在研究EGA之初就专门成立一个网络弹性工作组对网络弹性进行全面研究和评估。在EGA设计中也充分考虑了未来空间对抗的可能性，采用了很多措施和先进技术来改善网络弹性，保障赛博安全。未来我国航天地面系统不可避免地要面临严峻的对抗，无论是系统还是网络都应考虑弹性设计和赛博安全。

(5)商业化

在EGA体系中，商业化是必须考虑的一个重要内容。商业化既包括采用先进成熟的商业化产品和先进的技术，如各种地面站COTS设备和大数据分析、网络虚拟化、IT服务自动化等技术，也包括采用商业化运营方式。商业运营商通常只用一小部分人力操控卫星，因此商业化运营将提高地面系统的效率，提供经过验证的商业操作优势、全球性商业测控资源以及来自私营机构的实践经验。军方不必再在卫星例行维护上花费时间，可以腾出资源和精力关注战场管理和空间作战。商业化运营还可利用安全弹性的全球多路径访问权限使军事指挥控制网实现多元化，增强性能。美军航天系统的商业化对我们是一个借鉴，可以利用商业化产品、技术及运营方式的优势提高航天地面系统的性能和效率。

5 结束语

EGA是美军为应对未来不断增多的航天任务需求和日益急迫的空间对抗需求而寻求的对现有航天地面系统的转型。它利用“即插即用”多任务地面系统实现通用化，利用云技术、SDN/NFV、IT服务自动化等创新技术实现网络化、自动化和虚拟化，不仅提高了航天地面系统的性能、安全性、弹性、灵活性，还通过商业化等新的运营方式提高效率，降低运营维护成本。目前，美国和欧洲军、民、商各方都在研究通用航天地面系统，我们也应加强对这类系统和技术的跟踪研究，为相关系统的建设提供借鉴。

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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

杨红俊.美军航天测控企业级地面体系的发展[J].电讯技术，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

杨红俊(1970—)，女，湖北荆门人，高级工程师，主要从事军事电子系统工程情报研究工作。

Email:yhj87555631@163.com

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