近年来太空信息服务工业基础有了强劲增长。小卫星技术极大地改变了政府机构采购、开发和发射商业卫星的模式。技术和相关太空开发持续迅速发展，本文中称为新太空生态系统。这种基础设施是混合太空架构（HSA）的关键促成因素。认识到这些新进展，美国国防部建立了混合太空架构（HSA）作为评估吸收商业系统或采购国防部独有系统之间平衡的主要理论框架。
HSA是一种综合基础设施，最初由美空军研究实验室（AFRL）在2014年进行研究，并通过美国太空军和情报界利益相关方工作进行扩展。这种新方法的目标是超越传统烟囱式项目，使政府利益相关者能够使用该框架来实现其独特需求。它通过利用综合和集成方法产生的协同作用，为从传统太空与新太空的组合获益开辟了新的可能性。新太空指一种重点是通过提高风险承受能力和航天器开发、发射、签约和商业实践的创新来降低进入太空壁垒的现代化方法，主要由灵活的新私营部门商业组织领导，专注于增加快速进入太空的机会和可负担能力。
HSA是一种多层系统架构，能够灵活集成多个商业和政府系统的能力，满足各种不同且不断发展的政府用户需求。HSA虽然仍处于早期阶段，但它已经开始提供经济、韧性的太空能力，支持广泛国家安全任务，包括科技及研发工作。HSA是基于对新太空创新的广泛利用，打开了潜在科学机遇和新商业模式的大门。
1引言
新的商业航天工业能力与传统航天任务能力具有互补性，将这二者相结合合情合理。作为这一方向的第一步，美国政府正致力于一种通过设计实现韧性的架构，称为混合太空架构（HSA）。HSA是一种基于信息的架构，支持新兴新太空小卫星能力与传统美国政府和盟国太空系统的集成和聚合。该框架还包含轨道多样性，并鼓励平台进入最佳轨道完成其任务。HSA还设想，通过提供系统之系统组成部分的多个平台实现任务，而不是通过任务和平台密切相关的历史模型。除了通过合作伙伴关系提高能力和节约成本之外，HSA、运营、科技及研发界之间的自然协同作用是塑造一个为广泛太空用户提供公共事业的太空生态系统的重要驱动力。它通过以下方式实现这一目标：
·分散风险：卫星数量的增加提供了数量和多样性上优势。
·允许快速创新：随着新技术的成熟，快速引入新技术。
·提高互操作性：实现美国政府、盟国和商业航天系统之间的互操作性。
·促进公私伙伴关系：使美国和盟国政府能够从商业部门的能力中受益。
HSA依赖于扮演特定角色的代理，他们的产品和服务被整合在一起，并可以针对各种利益相关方需求进行定制。预计HSA将为创建一种能够支持一系列传统和非传统利益攸关方的生态系统提供初步动力。传统的利益相关方是垂直结构，在一条控制线下拥有和管理一切。另一方面，非传统利益相关方没有足够大的规模、范围或资金来将一切都“内部化”。这就需要一种模式，在这种模式下，非传统利益相关方可以通过“随用随付”方式参与，而不必获得大型资本密集型基础设施要素的所有权或控制权。然而，这种生态系统将需要发展业务用例和合作关系，以便纳入私营行业的广泛能力。如果这些激励措施成功，最初的工作就可以扩展到纳入由于高成本和完成时间负担传统上不能由独立承担既有架构提供服务的新用户。这些新用户中有许多是美国政府的科学组织。他们如能融入不断扩展的生态系统将提供新的传感器和系统，并为下一段信息增长奠定基础。本文描述了HSA如何通过整合既有系统和新商业能力来促进新太空生态系统的启动。
2 传统太空架构
美国政府目前使用的传统太空架构最初主要是为了支持政府高级战略用户而开发的。从历史上看，太空是一个昂贵的领域，进入壁垒很高，部署一项能力需要大量投资。因此，只能满足高优先级用户需求。这些用户包括美国国家侦察局（NRO）、美国国防部、美国国家航空航天局（NASA）、美国国家海洋和大气管理局（NOAA）以及其他政府组织。典型架构是基于大约10年的规划周期、独特的任务系统和卫星设计以及每个系统的大量投资。这种方法产生了高度可靠的系统、独一无二的技术和专用任务。这种方法通常称为基于任务的方法。基于任务系统的示例有地球静止环境业务卫星（GOES）；Landsat系列航天器；和GPS或先进极高频（AEHF）星座。这种方法不适用于要求规划周期较短、预算较少或有特殊要求的政府用户。
3混合太空架构
一个新的太空生态系统为考虑多层系统架构打开了大门，这种架构将聚合多种信息源（无论是来自传统太空、小型卫星系统、商业服务还是外国合作伙伴）共同加强到终端用户的信息管道，同时支持提升在轨能力和总体韧性。这种多层系统架构被称为HSA。HSA不是一种指定的解决方案，而是一个广泛的架构框架，可以灵活集成多个系统的能力来满足各种不同用户信息需求。
通过开发利用公私合作的生态系统，HSA有可能为广泛的国家安全用户和其他政府利益相关者任务做出巨大贡献，这将实现该架构的不同组件。这种新架构还将为以前只能有限访问或不能访问传统系统所提供数据的非传统用户或新用户提供一个明显飞跃。
4 完全实现混合太空架构
在过去十年中，商业系统在一系列广泛应用中正变得越来越有能力，包括地球观测数据收集、提供卫星间通信、支持提高小卫星发射频率以及提供地面网络服务。HSA核心是使这些新兴商业太空系统与更传统政府和盟国能力相结合的框架。这种架构将利用卫星系统和服务，包括大型和小型；政府和商业；美国及其盟国；和各种不同分层轨道。
几个基本要素将使广大用户受益于HSA，包括：
·包括所有信息源（美国政府、盟国、非盟国和商业信息源）；
·最大限度提高互操作能力和互连能力；
·信息源集成和聚合的可变信任框架；
·在架构多个级别上的自主能力，例如通过不同通信路径的调度和分组网络路由的自动化。
这种以信息为中心的方法利用来自多颗卫星或星座的所有可用信息源以及地面信息源，并对它们进行整合以满足特定任务需求，而不是由单一卫星或分布式同构星座提供单一来源或单一类型数据。此外，由于混合方法提供了各种通信路径，信息可以通过各种路由传递，从而提供了固有韧性。涉及诸如轨道状态、卫星数量、高度、数据传输速率/截止时间、倾角、间距/相位、传感器类型、性能和传感频率等参数的各种权衡对于满足特定任务需求是必要的。
这一开放框架支持多种信息源的摄取，将提供许多重要优势，包括在面对技术能力越来越强的对手时提高架构韧性。数量和多样性优势能分散风险，实现平缓降级，将减轻当前架构中少量高价值资产相关的固有脆弱性。这样在服务中断的情况下仍能完成任务。将需要一种可变信任方法来为系统间快速安全的数据交换提供网络框架。该框架基于对派生数据源的信任做出决策并采取行动，从而确保所有数据和服务的安全性和完整性。
5 成功实现HSA的关键技术
随着航天界的发展和多样化，通过联盟和商业来源，重要的能力正在上线。之前的太空架构被设计为地面用户的单一来源，并且无法针对韧性和容量需求进行扩展。HSA模型提供了在利用机会性资源的同时部署专用功能的能力。为了充分实现HSA的优势，需要一些关键技术，以便将一套分散的输入整合成一套有序、及时的数据产品。在许多情况下，这些技术存在于其他行业或应用中，但在集成和全面运行之前可能仍需要进行调整。
根据定义，HSA由各种不同基础设施元素支持的异构传感器和平台组成，这些基础设施元素都面向特定用户或业务案例，但很少有相同的需求。在传感器获取原始数据或现象的地方（因为固有地有大量原始数据被摄取），在某些情况下，在“边缘”需要强大的数据处理资源和能力（例如星上处理）。这种需要部分是由正在收集的大量数据驱动的，并非所有这些数据都与特定任务目标密切相关。因此，架构的传感器组件或边缘需要能够从其他价值较低的数据源中提取相关数据。
将大量原始数据传输到地面进行分析然后上传可执行指令在相关成本和固有延迟方面是低效的，并且容易被对手利用和面临其他风险。因此，需要某种程度的星上处理能力来减少传输到地面的关键数据量。这样可以减少传输、无线电通信和相关功率需求。
随着太空中强大数据处理能力的可用，有望可采用自主运行、事件检测和人工智能/机器学习（AI/ML）等先进技术。每种技术都提供了额外的灵活性和任务韧性，但所有这些技术都依靠尽可能靠近传感器分析大量数据的能力。
为了补充上述强大的星上处理能力需要多路径和自适应安全通信。协调的数据收集和观测事件需要特定的工程信息和数据集——例如传感器平台的时间和相对位置，就像在一个蜂群或星座中一样——在更大的天基网络中共享。类似地，由于各种异构系统的不同元素需要交互，需要分发特定数据集并与外部网络进行交换。跨系统接口传递信息自然需要一系列标准和协议，以便通过HSA高效传递信息，并最终到达终端用户。采用一组支持这种跨平台交换和协调的标准还将促进新资产或系统的无缝添加或废弃节点和元素的删除。
6 HSA实现的新生态系统
技术能力的发展很少是静态的；改进、提高效率和实现任务目标的新方法正在不断发展。然而，这种进化是如何发生的并不完全能预测。许多早期研究仍然是反复试验，需要具体结果来验证性能和可接受性。
通过实验和测试来评估和探索新技术的科技研发从业者是最基本的用户类型。第二种类型的用户是从更基本的科技研发过渡到运营用户。在这里，在不同条件和环境下进一步测试系统，并升级系统供运营用户集成和采用。运营用户需要一套稳定、可靠和健壮的能力来满足任务需求。
如下文表1所示，在这种新的架构中，顶部的运营用户使用面向任务的太空资产收集及时和重要的数据。下一层由测试和集成用户组成，他们使用支持系统开发的资产，将来可能会过渡到运营层。这些用户正在对可能会大大增加运营用户所收集的数据库的多个系统进行评估。最低层包括科技研发用户，他们在信息的探索和发现阶段开发和测试技术。所有用户都将受益于HSA，科技研发用户能够利用现有架构，更快速响应国家优先事项的不断变化。表1还描述了两个重要因素：运营用户需要高可靠性和规避风险——自然，这些系统的固有成本较高，且变化速度较慢；科技研发用户则会努力跟上先进技术的步伐支持国家优先事项——他们的变化速度远远高于运营系统。
表1 HSA用户层次结构
表1中显示了美国防部三种主要的用户类别，他们都从HSA中获益。表格一端显示支持运营用户的太空资产，它们通常被推向规避风险的高可靠性系统。这种组合几乎总是会推高成本。因为美国防部运营系统通常在部署前需要非常成熟，技术变化的速度往往很慢。另一个极端是科技研发用户，他们通常开发可靠性较低的一次性系统。这些技术系统一般可以承受更大风险，并且比高度成熟的系统成本更低。因为这些系统不是为美国国防部作战部署开发的，所以这些不太成熟的系统能够以更快速度推进技术。
如表1所示，美国防部运营用户的可靠性和风险规避要求比科技研发用户高得多，但技术插入的变化速度却相反。科技研发用户对创造新的或新颖的能力感兴趣，因此考虑诸如测试件或实验室等功能。虽然这些测试的结果旨在告知向上迁移实现运营能力的技术成熟度等级，但它们并不总是可预测。
测试和集成用户使不成熟的技术成熟，并对其进行调整或修改从而与运营任务相兼容。另一方面，运营用户要求技术的稳定性、可预测性和更快变化速度（如系统的适应性和灵活性）来满足任务目标。当已经完成足够的测试可证明适当的可靠性水平时，系统被认为是可运营的。为了满足能力要求，未来太空架构用户将需要能够利用以下资源：
·传统卫星；
·小卫星；
·各种发射服务（共享和专用）；
·政府或商业卫星上搭载的有效载荷；
·商业数据服务。
从国家安全太空系统的角度来看，这些资源选项中的每一个都可支持用户需求，但单独来看，它们只是可能的更大型生态系统的一部分。例如，HSA提供的面向系统的方法对于发展在轨能力并增加用户的信息机遇是必要的，无论这种信息是数据还是服务。
通过多系统整合，HSA在有益于关键政府国家任务方面显示出很大潜力，同时为科技研发界提供了更广阔的机会，以更快速度注入创新，确保新技术和传感器在成熟时发挥作用。技术开发人员不需要创建应用给定技术所需的基础设施。例如，如果一家公司正在开发一种创新传感器进行测试，他们可以利用航天器的生产和HSA正在开发的通用通信架构来快速部署他们的传感器，并使他们的投资集中在有效载荷上，而不是必须投资和开发整个工作。这使得技术开发工作能够更有效集中在该能力的改进上。此外，有越来越多的机会利用商业卫星来搭载政府开发的有效载荷，从而降低成本并提高总体系统韧性。美国及其盟国和商业系统的这种企业集成将产生对所有政府用户有益的效率和运营协同效应。
7 HSA对传统用户的益处
以下是可以从HSA提供的新功能中获益的传统太空系统用户示例：
·美国战略指挥官：可利用重访率更高的小卫星的快速增长，这些卫星有更好的机会在正确的时间出现在正确的地点进行数据收集。指挥官还将受益于可能共享非密商业数据，以便与政府、盟友和对手就重大国家或国际问题和紧急情况进行沟通。
·美国情报界：可利用重访率更高的卫星，使其能够根据变化检测情况为情报部门提供信息。以前，对手可通过美国情报资产过顶时进行隐藏的方式，在美国了解他们的能力和行动时拒止或欺骗。有了HSA，这种拒止/欺骗方法变得更加困难，因为政府专属系统（美国政府、盟国和商业）之间的欠缺大大缩小了。此外，信息操作员，如那些负责在冲突前和冲突期间影响对手看法和行动的人员，也将受益于可使用非密商业太空产品。
·美国战略部队：可受益于比当前高度脆弱、高度集中的架构更具广度和深度的星座所带来的韧性、威慑力和稳定性的提高。
新太空共同体正在开发的价格更低廉的小型卫星和小型发射器将使拥有太空资产作为战略储备变得更加实际。在空战、海战或地面战情况下，军方确保其部队结构拥有额外资产填补损耗造成的缺口，或大幅增加能力来产生决定性影响。HSA的分布式特性使它能够随着新技术和新能力的成熟而逐步更新。
8 非传统用户的机会
通过HSA快速访问太空可能是许多政府用户的未来选择，过去这些用户由于开发和部署太空能力的相关费用问题而被排除在外。从战术操作员到科技研发团体，他们可能有特定的数据要求、传感器设计，甚至是希望在短时间内推出的原型。对于那些传统上得不到当前太空资产服务的用户来说，HSA将是向前迈出的一大步。这些用户包括：
· 美国战术军事部队：这些部队传统上依赖地面或空中平台进行战术情报、监视和侦察（ISR）以及指挥控制。HSA将提供许多支持ISR、指控、定位、导航和授时（PNT）；天气；导弹预警；和跟踪任务的新机会。太空系统在提供高带宽信息访问将ISR和其他数据快速传送给机动部队方面显示出良好前景。减少信息延迟对于战术部队至关重要，因为他们要进行快速作战。Starlink、Project Kuiper和OneWeb就是示例，其现有或规划中商业服务能够为消费者和军事用户提供低延迟高带宽通信能力。SpaceX已经发射了1600多颗LEO小卫星，其星座能够为各用户提供这种高带宽通信。
·美国国防部和情报界科学家：这种新的架构方法将加强对军事行动地点的科学研究，包括海洋和沿海地区。
·美国军事后勤：美国军方不断调动大量物资支持其全球行动，将从基于卫星技术的物联网（IoT）服务带来的精细跟踪能力中受益匪浅。新的航天公司正在努力部署和运营物联网相关卫星星座。例如卫星初创公司Swarm Technologies生产价格低廉的微型卫星，为物联网设备提供低成本全球连接。这种方法有可能进一步提高军事后勤能力。
9 为广大用户发展HSA
（1）技术挑战
HSA可能成为美国国家太空生态系统的基础，不仅服务于顶级军事用户，还服务于其他广泛用户，包括美国防部、民用机构、大学和私营企业的用户。HSA的主要挑战是这种类型架构固有的复杂性，因为它需要可变信任框架以及执行数据融合和网络自动化的能力。直到最近也还没有足够的资源在太空中探索这种方法。
这涉及到许多架构要素，从在轨传感器开始，通过网络和通信层经过分析引擎一直延伸到地面，最终到达终端用户。为了使这样一个生态系统的所有各种要素得以实现和发展，还需要利用效率和规模经济。需要快速开发方法以及先进设计和制造技术，例如基于模型的设计和测试、增材制造、数字工程和敏捷软件开发方法。此外，由于架构中有大量元素需要实现互操作和集成，因此标准和通用接口对于各种元素有效协作至关重要。
对于地面段的数据管理需求，先进的安全云服务对于不同数据流的合成以及大量数据的相关分析和路由至关重要。这些技术在商业领域得到了充分发展，具备了创建强大HSA所需的能力，但定制算法、标准接口和独特应用对于实现成功的整体架构肯定是必不可少的。
HSA各元素的部署和维护也需要及时、鲁棒的发射能力。部署具有先进能力的新传感器包显然依赖于将这些新节点放置到适当太空运行环境中的能力。此外，随着在轨资产失效或过时，需要发射和部署替代航天器。这些场景都没有可预测的时间表，所以按需发射能力至关重要。重大发射延迟可能导致覆盖范围或能力的下降。然而，与传统单一传感器包相比，HSA节点的边际损耗可以通过重新部署或重新分配其他已部署元素来克服。最终，快速发射和补充在轨资产的能力引入了灵活性和敏捷性的关键要素，并为HSA提供了对变化或意外情况做出快速反应的能力。
（2）伙伴关系挑战
作为新太空生态系统的驱动力，HSA可能会改变一系列传统和非传统用户的范式。HSA的核心是能够聚合不同信任级别的信息源。由于来自商业伙伴（美国和盟国）的非密天基信息源的快速增长，有多种方法可以在不同的信任级别上获取这些产品，从而使军事和民用任务受益匪浅。在某些情况下，可能只重视可信度更高的信息源可能看到的情况，或者在其他情况下，可能从全球科学监测活动中获取数据。在整个信任范围内，可以使用多个传感器进行数据和信息聚合。并非所有传感器都需要执行相同操作，但它们可以根据平台的信任为决策提供信息。
该生态系统可能会改变广大现有和新太空用户的范式。然而，为了实现这一潜力，这些个人/机构将需要与商业航天工业建立新的强有力的伙伴关系。对于传统用户来说，这将需要文化的重大转变。特别是，美国国防部和情报界（IC）习惯与传统的大型国防承包商合作，建立和部署专业化能力。
新用户面临的另一个挑战是，许多人不知道和不理解在传统太空域中如何在太空部署能力和运营。这些新用户将需要学习如何部署天基能力，并发展实现其目标所必需的合作伙伴关系，或者寻找能够提供全部或部分必要部件的商业伙伴。今天，进入太空没有“一站式解决方案”选项。
事实证明，传统太空的烟囱式总投资比转向HSA提供的解决方案更高。这些新方法提供了降低成本、增加访问和提升韧性的潜力，但需要愿意与新提供商合作并探索提供所需功能的新方法。目前美国的采办规则不排除HSA方法；然而，会有文化上的挑战。要利用迅速发展的新太空界能力，就需要信任新的合作伙伴、尝试新方法的能力、灵活变通的意愿和更大的风险承受能力。
HSA可以为支持政府和商业伙伴关系奠定基础，从而能够解决上述挑战。HSA将利用来自公共部门和私营行业的进步，同时创建基础标准，通过减少所需基础设施量来帮助新进入该领域的新成员。成功的HSA将为常见的任务开发和作战挑战提供经过充分验证的解决方案，以及能够实现跨民用、情报和国防利益的长期可持续生态系统的专家群体。商业组织需要认识到HSA的优势，因为它将定义一个通用架构，设计和生产广泛机构共同感兴趣领域产品。因为没有一个实体有能力发展和维护HSA，所以必须建立合作伙伴关系，达成协议，指导和维护其使用，但鉴于其目标的规模和复杂性，它将必然依赖政府及其资源。
（3）政府是新生态系统的主要承租者
为了让广大用户充分利用新生态系统提供的功能，商业公司将需要政府投资和赞助来发展目前的一小块业务。虽然商业航天业目前正享受着可观的私人投资，但从长远来看，它需要可靠的客户。政府需要成为所设想的太空生态系统所提供能力的主要客户之一。在政府的支持下，新的航天公司可以通过公私伙伴关系持续蓬勃发展，确保美国在商业航天经济中保持领先地位。它将确保通过新太空生态系统的高性价比和韧性架构来满足至关重要的政府需求，并确保所有用户都能够获得太空系统提供的能力。
10 结语
混合太空架构（HSA）显示出作为新太空生态系统框架的巨大潜力，该系统将整合传统和新型太空工业提供具有高性价比和韧性的太空能力，支持一系列国家任务和目标。美太空作战部长杰伊·雷蒙德多次公开表示，混合太空架构代表了美国太空军未来的力量设计。这种架构将结合新的太空能力与传统的政府系统。它集成了从LEO到深空的商业、盟国和政府的大型及小型卫星。集成系统为传统上服务不足的用户提供了更大的韧性和更好的支持。
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