卫星通信是美国历史最悠久的商业空间领域，可追溯到20世纪60年代。几十年来，美国国防部一直在利用商业卫星通信来增强其军事卫星通信能力。由于美国国防部在轨宽带卫星通信资产逐渐退役，且没有明确的后续在案计划，预计未来其对商业能力的需求将会增加。此外，随着针对空间能力的威胁不断涌现，美国国防部也在寻找利用商业卫星通信提升国防部卫星通信企业韧性的方法。美国国防部越来越关注商业卫星通信系统和服务的脆弱性，以及使用或依赖商业卫星通信的潜在风险。
这些年来商业卫星通信行业不断增长的能力、多样性和创新发展有可能满足美国国防部的许多需求。为了利用这些优势，美国国防部需要降低使用商业卫星通信系统带来的相关潜在作战风险，实现卫星通信系统地面基础设施和终端企业现代化，改革商业卫星通信采办过程，并建立商业卫星通信业务的集中管理。
2023年9月，美国兰德公司发布了名为《美空军部利用商业空间服务的机会与风险》的研究报告，该报告描述了美军当前关注的商业空间服务与技术现况，并为未来美空军部如何进一步利用商业空间服务提出建议，本文就其中商业卫星通信章节进行了编译与总结分析，讨论了美军利用商业卫星通信面临的机遇和挑战。
01 卫星通信市场稳定增长
提供宽带、固定卫星业务（FSS）和移动卫星业务（MSS）的整个卫星通信市场非常稳定。尽管全球卫星通信市场收入从2018年至2020年有所下降，但预计到2031年会增长到300多亿美元。美国国防部只占这一客户群的一小部分，占全球市场份额不到10%。
尽管全球有50多家卫星通信提供商，为不同应用（如，视频分发、国防、航空航天及海事连通、蜂窝回传）提供各种卫星通信解决方案，但市场份额集中在少数全球运营商手中。主要固定卫星业务运营商包括欧洲通信卫星组织（Eutelsat）、国际通信卫星组织（Intelsat）、SES公司、Telesat公司和ViaSat公司，主要移动卫星业务运营商包括国际海事卫星组织（Inmarsat）和铱星公司（Iridium）。最近ViaSat收购Inmarsat和Eutelsat与OneWeb的合并使得市场结构又有所变化，并将继续演变。
近年来架构和技术的重大发展也带来了新的市场动态。两个主要趋势是软件定义高通量卫星（HTS）的增加和扩散型低地球轨道（pLEO）星座的发展。与传统FSS地球同步轨道（GEO）卫星相比，HTS通过高频率复用和点波束技术，卫星容量大大增加，并降低了每比特成本。pLEO卫星星座通过大幅增加卫星数量和分散式架构降低了延迟并提升了韧性。全球HTS容量供应预计将在未来五年内增长到超过每秒60TB，并且随着pLEO星座的实现，卫星通信容量供应还会进一步大幅增加。
GEO HTS可支持稳定的GEO市场，它增加了容量而不是取代GEO卫星，因此市场风险较低，而新生pLEO市场仍在形成中，因此面临更多不确定性。尽管pLEO和其他非地球同步卫星曾被视为GEO卫星的竞争对手，但这些不同轨道的卫星通信似乎正在形成协作，有时由同一家公司提供。Eutelsat、Intelsat、Telesat和ViaSat都计划利用GEO/LEO混合网络提供服务，根据不同应用利用GEO的成本效益和LEO的低延迟。
随着服务的多样化，整个卫星通信市场能够保持稳健和稳定。但pLEO的长期财务可行性尚未得到证实，pLEO运营商需要克服障碍，如确保频谱安全接入和项目融资，才能取得成功。最近的趋势是pLEO提供商与传统GEO提供商合作或被传统GEO提供商收购以提供GEO/LEO互补能力，这种方案减轻了pLEO提供商面临的某些风险。
02 卫星通信市场发展带来的机遇
随着提供商在各个波段（C波段、Ku波段、Ka波段和X波段）不断增加其在不同轨道的容量，商业卫星通信系统容量预计将大幅增长，并将远远超过军事卫星通信系统。GEO和LEO商业卫星通信系统的卫星数量远超过军事卫星通信卫星数量，而且GEO HTS容量也远超军事卫星通信容量。
LEO商用通信卫星数量正以惊人的速度增长。SpaceX公司目前使用近3000颗卫星提供Ku波段全球覆盖，计划在未来几年内提供超过30000颗卫星，并使用星间链路和其他波段。亚马逊等公司也在计划部署自己的LEO通信卫星星座。美国国防部可以利用这些不断发展的能力进一步增加其可利用的卫星通信覆盖。
如果能够对商业卫星通信进行适当预先规划，用户将能够在需要时利用更多星座和卫星，降低受到干扰攻击的风险并提高整体韧性。未来pLEO星座将在给定时间内向用户提供大量（估计超过六颗卫星）接入机会，而多个GEO商业卫星通信提供商使用户能够与不同的GEO卫星连接。这些多个接入机会可以提高用户接入卫星通信服务的能力，即使是在其中一些卫星受到干扰的情况下。此外，提供商正计划提供无缝多轨服务，这将进一步加强用户连通能力。
除上述能力之外，卫星通信提供商正寻求许多其他技术和架构方法，提供改进和差异化服务，这可能为美国国防部提供额外作战优势。美国国防部可以利用的新兴商业卫星通信技术包括：快速ad hoc组网、租赁采用受保护战术波形（PTW）的转发器、小点波束、可控波束、波束形成和调零、星间链路、软件定义无线电、（甚）高通量卫星、频率分集以及自适应链路功率和带宽控制。美国国防部可以利用的新兴商业卫星通信体系架构包括pLEO、直接控制商业卫星通信资源、综合多轨服务以及与多家提供商合作。美国国防部用户会考虑上述这些能力，抑制其关心的可能潜在作战风险。
03 使用商业卫星通信相关作战风险控制
尽管商业卫星通信系统有潜力提供许多优势，但美国国防部在使用这些服务时，需要考虑和减轻潜在作战风险，特别是在对抗环境中。商业卫星通信系统的军事用户和专家通常将可用性、网络安全和物理安全确定为与使用商业卫星通信系统相关的主要作战风险。
商业提供商和美军都在应对这些风险。上文讨论的新兴技术和架构方法是潜在抑制措施。根据兰德公司报告，这些技术与架构可以简单评估如下表1、表2所示。可用性、网络安全和物理安全这三种作战风险受到五种主要威胁向量的影响，表格中将其列为每列标题，包括干扰、网络攻击、天基反卫星（ASAT）、地基ASAT和地面网络攻击。表中的高低评级代表了方法/架构解决已识别威胁的能力。这些评级基于行业专家相对传统GEO商业卫星通信服务的判断，有一定主观性。
抗干扰能力提升来自于使用灵活波束、自适应链路功率和带宽控制、综合多轨道服务，以及规避一些干扰威胁的战术、技术和程序。商业卫星通信系统还可使用PTW为用户提供抗干扰通信。PTW通过使用跳频、频率分集、美国国家安全局加密、时分多址和时间同步技术实现抗干扰。其主要优势在于它由美国国防部开发，为用户提供一种非专有的、灵活波形，支持在多种类型卫星和频率上采用美国家安全局套件B（Suite B）算法，具有低截获/探测概率（LPI/LPD）和显著的抗干扰性能。从美国国防部的角度来看，这种方法避免了提供商锁定，最大限度减少了对商业卫星通信系统的需求变化，同时解决了商业市场完整性和可用性相关问题。美国国防部应考虑影响一些商业产品，正如它为支持PTW建立了标准卫星间链路接口，由此将进一步增加商业卫星通信系统对其他空间任务的价值。
表1 基于技术方法的商业卫星通信威胁减轻评估
表2 基于体系架构方法的商业卫星通信威胁减轻评估
某些商业提供商，如SpaceX公司，其Starlink仅基于在LEO运行的大量卫星和窄波束宽度，就具有一些固有韧性。pLEO卫星为用户提供了能够在任何给定时间访问多颗卫星的优势，这增加了对手拒止卫星通信服务的复杂性。
为了进一步降低网络安全风险，美国太空军部署了一项网络安全计划，即基础设施资产预批准计划，以改善美国防部商业卫星通信系统提供商的网络安全态势。该计划包括两个步骤：首先，商业卫星通信系统提供商接受由美国太空军认证的第三方评估者进行的网络安全评估。随后由美国太空军对评估结果进行审查批准。如果获得批准，提供商和被评估资产将被列入潜在未来合同的批准列表。为了应对网络安全风险，一些提供商正在通过加密和地面物理安全手段强化其端到端网络。
表1和2表明，尽管一种单独的技术或架构方法可以减轻针对一种威胁或部分威胁带来的作战风险，但它不能减轻所有风险。表2显示通过多家提供商能够采用异构技术和架构的集体能力，最有可能降低各种威胁带来的作战风险。选择实施了改进安全措施并采取了适当合同机制以确保服务在需要时可用的提供商，可以进一步降低作战风险。
然而，美国国防部在决定是否利用商业卫星通信服务时，还需要考虑任务的关键性和商业卫星通信失败的影响。一些任务，如提升士气、福利和提供无人机通信等可以承受一定风险，而如核指挥控制通信等任务的风险承受能力较低，这些任务通常不会考虑使用商业卫星通信。
04 美国防部卫星通信地面企业现代化需求
如前所述，用户如果能够接入多个提供商的不同技术和架构，就可以根据需要移动到不同的波束、卫星或网络，使对手难以拒止连接，从而降低多种威胁风险。然而，美国国防部目前的卫星通信地面基础设施和用户终端是将采用异构技术、多轨道、多频段和多网络的商业卫星通信服务集成到国防部卫星通信企业的最大障碍。
图1说明了卫星通信地面和终端企业的各种要素，这些要素需要与商业网络兼容，才能将商业卫星通信服务集成到美国防部卫星通信企业中。商业和军事卫星通信体系架构之间的端到端集成需要大量投资；需要在终端和平台、网关、网络、云站点和企业管理层面进行集成，以实现运营灵活性和韧性。此外，不同服务和组织拥有的地面架构和终端要素不同，这使得协调和同步这些服务和组织的投资决策极其困难。
图1 美国国防部和商业卫星通信地面和终端企业组成要素
（注：COP =通用作战图；COSMOS=综合开放体系架构空间任务运行系统；CSCO=商业卫星通信办公室；DODIN =美国国防部信息网；EM&C =企业管理和控制；EMSS =增强型移动卫星服务；HEO =高地球轨道；ISL =星间链路；PMO=项目管理办公室；SA =态势感知；SPACECOM=美国太空司令部）
终端可能需要修改或更换，以适应接入多个商业卫星通信提供商的服务和军事卫星通信系统。例如，美国国防部一些平台可能受限于其工作频段，这限制了其与这些频段之外商业服务的兼容性，除非对终端进行修改。一些商业卫星通信提供商（如ViaSat）采用专有波形，这进一步限制了终端灵活性。美国国防部用户可以通过国防部特有的战区终端或商用终端访问商用网络，但这两种方法都要求国防部采购与商用频段和波形兼容的终端设备，或修改现有设备以访问军用和商用网络。
此外，使用多轨道商业服务可能需要不同的天线和终端来接入不同提供商使用的各种无线电频率。用户希望集成来自LEO、MEO和GEO的商业卫星通信服务，这可能需要多个天线，因为需要不同天线对准每个轨道上的卫星来接收信号。即使对于LEO，也需要不同天线来捕捉上升和下降卫星的信号。通信卫星终端集成到美国国防部主平台上也可能很复杂，取决于不同平台。地面便携式终端是独立的，集成相对简单，而将新终端和天线集成到飞机上需要仔细考虑如何避免影响平台上的现有系统，因为平台的可用尺寸、重量和功率有限。
美各军种正在努力开发可使用商业卫星通信系统和军事卫星通信系统的多波段终端。然而，现有卫星通信终端现代化以及与主机平台的任何相关集成将需要大量投资，而且可能是一个漫长的过程，因为美国国防部有17000多种终端，约有135种不同设计。
除终端之外，商业和军事地面架构之间的许多其他接口点也需要集成，以实现商业和军事混合架构。例如，商业卫星通信为许多美国国防部用户提供国防部信息网接入，如国防信息系统网（DISN）。这就要求商业系统与国防部地面入口点或网关相连。需要增强国防部网关，以增加容量来支撑商业系统业务流量。
将所有不同网络连接在一起还需要发展复杂的企业管理和控制能力，以提供态势感知，并促进创建一种通用运行图；还需要自动分配资源，以有效分配卫星带宽，并根据需要将用户切换到不同系统或网络。目前，将用户从一个系统或网络切换到另一系统或网络需要缓慢的人工操作或纸质流程。美国太空军正在开发企业卫星通信管理和控制（ESC-MC）基础设施，以提供这种能力。ESC-MC将需要开发许多接口和标准，实现集中化的企业管理和控制系统与军用/商用卫星通信单元之间的网络级信息共享。
协调和同步上文指出的所有集成活动增加了另一层复杂性，因为不同组织负责不同部分。例如，美国国防信息系统局负责网关部分，美国太空军正在开发ESC-MC，每个军种也都在开发和采办自己的终端。
05 美军方获取商业卫星通信的方法
目前美军采办商业卫星通信的方法是碎片化的，不适合支持具有多个提供商的综合军事和商业卫星通信企业运行的灵活性。
根据美国太空司令部指令（SPI）3250.01A，美国国防部对商业卫星通信服务的采购目前由美国太空军通过商业卫星通信办公室（CSCO）集中进行，除非发布了豁免。美国国防部组织提出的商业卫星通信需求到达CSCO，CSCO检查每个请求并采购商业卫星通信解决方案，分别逐一满足这些需求，即美国国防部客户和商业卫星通信提供商之间签订一对一合同。
每个合同都根据任务需求进行谈判，这些需求在商业卫星通信解决方案的复杂性和持续时间方面可能有所不同（例如培训、满足短期带宽缺口或端到端托管服务）。合同机制和条款根据用户的商业卫星通信需求而变化，由此产生的商业卫星通信解决方案可能需要用户独特的网络配置和终端。这些定制解决方案限制了用户在任务需求发生变化时转换卫星通信资源，智能修改合同或谈判新合同。这些合同主要是为了支持良性环境中的任务，商用卫星通信服务往往是短期租赁。
因此，美国国防部基本上是通过大量不同的短期合同采购商业卫星通信，其中许多合同可能能力重叠，导致效率低下。此外，作为全球卫星通信的管理者，美国太空司令部无法维持对美国国防部接入哪些商业卫星通信资源、在哪些地区使用以及使用多少等情况的态势感知。
这种碎片化方法对于获取商业卫星通信服务来支持集成了商业卫星通信和军事卫星通信能力的混合架构是站不住脚的。需要一种企业方法来采购能够满足混合体系架构需求（例如便携性、互操作性、实现企业级态势感知的数据共享）的商业卫星通信服务。
CSCO正在评估不同的采办策略，以统一商业卫星通信企业合同要求，同时也支持一对一合同。作为一个统一买方以更集中的方式进入商业市场可能会对市场产生更大影响，并带来更优定价。更重要的是，企业合同可以提供更好的态势感知，并实现作战灵活性，以便在多个提供商之间动态转换资源，这是在对抗环境中实现有保证连接所需的能力。但这种统一方式和企业合同也可能会受到不同用户群体的质疑。
06 一体化卫星通信业务管理
实现一体化商业卫星通信-军事卫星通信体系架构也需要一种一体化方法来管理卫星通信运营。然而，与目前的商业卫星通信采办方法一样，商业卫星通信运营管理，如运营规划、卫星通信资源分配在很大程度上也是分散的，采办组织使用自己的内部程序和工具。商业卫星通信和军事卫星通信的用户运营管理过程和工具之间没有联系，军事卫星通信的运营管理和工具集中在美国太空司令部，通过区域卫星通信支持中心和综合卫星通信支持专家（C-SSE）机构实现。
当前，没有一个美国国防部运营组织对国防部用户可用的商业卫星通信资源、这些用户是谁以及可用商业系统的状态有一个整体认识。如果没有对商业卫星通信系统和军事卫星通信系统的企业级态势感知能力，美国太空司令部则难以跨多个网络移动用户，使他们在所有作战条件下都能保持连接。
展望未来，商业卫星通信运行管理将集中化，并与美国太空司令部作为全球卫星通信管理者的角色和职责相一致，以便在对抗和降级作战环境中为作战人员提供综合卫星通信资源。为此，2021年，美国太空司令部指定美国太空军太空作战司令部作为商业卫星通信的C-SSE机构，并直接支持盟军太空司令部（CFSCC）。商业卫星通信C-SSE机构将支持并与军用宽带、窄带和受保护系统C-SSE机构合作，实现一体化卫星通信管理框架，为商业卫星通信用户提供运营支持。
随着商业卫星通信C-SSE的成熟，改进卫星通信管理一体化还有许多工作要做。需要借助企业卫星通信管理和控制能力以及允许信息共享的合同提升商业卫星通信资源的可见度。然而，由美国太空司令部控制各采办组织购买的商业卫星通信资源的分配，仍然存在政策问题。如前所述，采办组织管理其商业卫星通信资源，合同条款不太可能允许其他美国国防部用户访问这些资源。此外，用户可能不希望资源管理集中化，因为他们认为集中化会损害他们在需要时获得所需资源的能力。
07 结论与建议
商业卫星通信服务为美国国防部增强卫星通信企业能力和韧性提供了一个急需的机会。分析表明，商业卫星通信可以帮助满足这些需求，而不会给各种应用带来不必要的作战风险。虽然每一提供商、卫星技术或轨道都可能抵御某些威胁，但同时也容易受到一些其他威胁的影响，如果采用多个提供商的能力，包括窄波束、星间链路、PTW等多种卫星技术和多种轨道，就可以大大降低作战风险。对于许多需要卫星通信的任务来说，降低后的风险可能是可以接受的，但对于类似核指挥控制与通信之类的关键任务来说商业卫星通信可能并不适用。
整个卫星通信市场预期将会保持稳定，未来有很大的创新和新服务潜力，如新兴的pLEO卫星通信市场。pLEO卫星通信细分市场值得密切关注，而该细分市场的提供商在实现业务生存能力方面面临着更大风险。
实现混合体系架构以充分利用商业卫星通信系统提供的多样化、异构能力的最大障碍是将商业能力集成到美国国防部卫星通信系统地面段和运行中。如果用户不能访问来自多个提供商的异构服务并在这些服务之间漫游，以及在商业卫星通信和军事卫星通信之间漫游，就不能有效降低作战风险。商业卫星通信的采办策略和运营管理也需要转变，以实现一体化商业-军事架构。然而，进行这些转变可能会遇到一些阻力。卫星通信企业中的众多利益相关者需要协调和同步其投资决策，用户群体需要确信其要求将得到满足。
根据上述研究结果，兰德公司报告建议美空军部考虑以下方案：
• 通过实施信息保护政策并与用户群体和行业合作提高对作战风险的认识，利用采用不同技术的多个卫星通信提供商来降低作战风险。
• 建立一个管理机构，负责同步商业卫星通信采办、运行和一体化需求，并明确利益相关者的角色和责任。
• 制定卫星通信地面和终端企业现代化战略规划，通过以下措施确保统一开展相关工作：确定关键投资和这些投资的阶段划分，同步发展空间、地面和用户段，逐步提高集成水平；利用管理机构来协调和同步资源配置、能力开发以及由多个利益相关方群体承担的各种地面段单元和终端的部署。
• 从企业的角度评估商业卫星通信需求，评估备选的采办策略，以企业合同的方式满足商业卫星通信长期需求。
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