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美國國家科學、工程和醫學研究院成立了用于收集科學質量的海洋和海岸數據的小型衛星系統的伙伴關系選擇評估委員會,以解決任務書中的以下目標。

該研究將對建立和利用伙伴關系的可行性和意義進行獨立評估,以開發、部署和運行一個衛星系統和支持性基礎設施,能夠傳感具有足夠科學質量的海洋、沿海、大氣和水文數據,以建立預測模型并支持國家利益的近實時應用。它將盡可能地確定和描述這種系統的有希望的選擇。委員會將確定并考慮潛在的公共和私人合作伙伴,以開發這樣一個系統或主要的子系統,同時考慮到以下因素。

  • 哪些國家的任務可能會從小型衛星數據收集系統的使用中獲得實質性的好處,以及該任務如何取決于數據收集的頻率和地理范圍?這些利益可以被廣泛地定義為包括軍事、經濟、科學、教育和環境利益。

  • 在工業、政府和學術機構之間有哪些伙伴關系可以被激勵來發展必要的空間平臺、系統集成、發射、通信、測試、數據分配和維護功能?

  • 現有的基礎設施是否足以支持所需的空間平臺開發和制造、系統集成、發射、通信、測試、數據分配和維護功能?為了縮短從構思到在軌的時間,應該加強或創建哪些基礎設施組件?基礎設施被廣泛地定義為包括工業制造能力、空間系統支持結構和通信信息系統。

  • 可以采用什么程序來加強技術發展管道、標準制定、以及識別和采用最佳做法?

  • 開發所需技術、基礎設施和程序的預期時間表是什么,這些技術、基礎設施和程序將使所需的衛星系統得到發展?

在進行這項研究時,委員會將審查提供一些所需系統組件的現有系統,以及處于不同開發階段的系統,以便在未來進行部署。在可能的范圍內,委員會將收集和分析關于公共和私人組織的預期相關未來需求的信息,以及學術研究人員的相關觀點。

在履行其任務說明的職責時,委員會的評估方法依賴于其成員的經驗、技術知識和廣泛的專業知識。委員會并沒有試圖報告對每一個潛在的伙伴關系選項或每一個可用的實施方法的詳盡評估。委員會的第一個目標是通過確定和關注哪些政府任務領域可以最多利用和受益于商業新空間的空間接入能力(定義見下文方框S.1),從而提供持久的價值。它的第二個目標是確定當前的挑戰和未來的機會,以重新定義空間基礎設施,以便更有利于可持續的伙伴關系,同時確定能夠為多個利益相關者服務的采購方法。

總體觀察結果

本報告所討論的機會來自于服務于商業和政府部門的新空間技術的爆炸性增長(在第2章討論)。小衛星技術(在方框S.1中描述)已經極大地改變了政府機構采購、開發和發射商業衛星的模式。該技術和相關的空間發展繼續迅速發展,在本報告中一般被稱為新空間生態系統。預期的定義是仿照 "硅谷 "生態系統,其中政府是一個重要的合作伙伴,與商業部門建立一個健康和自我維持的關系,提供空間產品以及空間業務本身的相關創新。正如人們所預期的那樣,有許多與這種模式轉變相關的新術語,這意味著本報告中關于當前和未來趨勢的討論的術語需要仔細和具體的定義。為了保持一致性和清晰度,委員會在整個報告中使用方框S.1中列出的以下術語。

在過去的十年里,越來越多的新空間組織已經出現,它們不受傳統做法和限制的束縛。通過重新想象、創造和不斷改進小衛星空間技術,一個新的和不斷增長的空間生態系統現在已經到位,能夠為傳統用戶和新的或非傳統用戶的廣泛利益相關者群體服務。就本報告而言,傳統用戶主要包括政府部門和機構,他們的任務是支持情報、國防和民用空間,這些任務通常局限于由政府承包商采用昂貴但成熟的開發方法開發的大型航天器。新的或非傳統的用戶通常是較小的科學任務、技術成熟計劃或其他應用,以前往往由于缺乏經驗或資源而無法進入太空。這些用戶的空間準入要么不可用,要么通過依賴傳統的空間伙伴而受到限制。

目前的商業實踐正在擴大能力,包括技術和商業驅動的應用,為一個廣泛和充滿活力的生態系統打開大門,提供廣泛的解決方案,能夠支持越來越多的利益相關者。在傳統方法的同時,與制造有關的空間基礎設施,如定制的航天器總線、儀器和傳感器--包括與傳統系統性能相匹敵的高分辨率成像和雷達系統--正在出現,數量不斷增加,能力不斷提高。在運營的商業地面上,現在已經有了常規的站點,數據管理和分析也是如此,包括用于數據訪問和歸檔的云計算。因此,如果得到適當的鼓勵和滋養,一個具有廣泛能力的生態系統就會出現,包括數據融合、分析和數據購買的新商業機會,以及可以使傳統和非傳統用戶群體同樣受益的地面/空間通信。

盡管這些不斷發展的系統還沒有進入完全可運輸的商業技術狀態--例如,航天器系統仍然缺乏互操作性--這些能力和服務仍然為所有類型的用戶的空間業務開啟了越來越多的可能性。公私合作伙伴關系(PPPs)和其他創新的采購方法可以加強以通信、遙感和軍事情報為重點的國家任務,以及以海洋學、水文學、大氣層、氣候、監測自然和人為災害、成像和導航等科學數據收集為重點的新任務領域,以及尚不清楚的新的和機會主義的應用。

從2011年到2020年,全世界發射的所有航天器中有75%(2972個)是小型衛星。在此期間,美國國家航空航天局(NASA)和美國國防部(DoD)在全球所有政府機構中引領了小型衛星發射的擴散。此外,商業組織在這十年間發射了2972顆小型衛星中的2013顆,為開發者提供了大量的服務,是運營小型衛星數量最多的組織。Planet公司擁有這些年發射的所有遙感小型衛星中的22%,而SpaceX公司擁有所有通信小型衛星中的47%。這兩家公司目前都在低地球軌道(LEO)上飛行大型星座。第二章的表2.2提供了商業能力趨勢的時間表和發展預測。

認識到這些新的進展,國防部建立了混合空間架構(HSA)作為其主要的哲學框架,以評估吸收商業系統或采購國防部獨特系統之間的平衡。HSA是一個綜合的基礎設施,由空軍研究實驗室(AFRL)在2014年首次研究,并通過美國太空部隊(USSF)和情報界利益相關者所做的工作進行擴展。這種新方法的目標是超越傳統的項目爐灶,使各個政府利益相關者能夠使用該框架來實現其獨特的需求。它正在開辟新的可能性,通過利用聯合和綜合方法產生的協同作用,從傳統空間與新空間的結合中獲益。正如第3章所討論的,HSA是一個多層系統架構,提供了從多個商業和政府系統整合能力的靈活性,以滿足各種不同的和不斷發展的政府用戶需求。雖然仍處于早期階段,但它已開始提供具有成本效益和彈性的空間能力,以支持廣泛的國家安全任務,包括科學和技術(S&T)以及研究和開發(R&D)工作。(關于科技/研發的具體定義,請參考第3章的方框3.1)。

HSA的前提是對新空間創新的廣泛利用,為第4章討論的潛在科學機會和第五章討論的新商業模式打開大門。當政府管理人員能夠使他們的采購方法與這個新的框架保持一致時,將從美國政府和商業部門的新伙伴關系中受益。隨著小衛星能力的發展和HSA的深入人心,用戶將需要了解小衛星系統的優勢和劣勢,以確定它們在特定任務中的效用,特別是對于科學目標。對于海洋科學和沿海數據任務來說,雖然使用小衛星來測量海洋變量對于某些應用來說是一個真正的優勢--例如,通過海洋模型的數據同化進行短期預測--但并不是所有的目標都可以用小衛星來實現。將大型專用任務與小型衛星群結合起來,可能是監測海洋中發生的所有過程的最佳策略。第四章概述了小型衛星的具體優勢和劣勢,并對其潛在的任務應用提供了指導。

商業空間和技術提供者也將受益于新的商業模式,考慮到合同安排、相互責任和伙伴關系的條款和條件,以及所提供服務的范圍和程度。同時,目前缺乏綜合商業服務(將能力打包以滿足特定任務的需要,并包含可互操作的組件,以促進系統之間更大的適應性),阻礙了使用政府承包工具來支持任務開發和運營過程。私營部門和美國政府可以共同鼓勵商業服務的整合,以促進政府任務目標和商業能力在可接受和可管理的風險態勢下更好地結合。

為了實現一個有用的生態系統,政府的空間采購和管理文化需要促成一個環境,使政府管理人員能夠對快速變化的環境作出快速和有效的反應。根據研究委員會成員的經驗,在許多情況下,政府管理人員傾向于更大的控制;他們不愿意通過依賴商業資源或通過快速適應不斷變化的生態系統中的機會來冒他們的項目和國家安全任務的風險。除了討論新空間范式的潛在風險和感知到的挑戰外,第五章還識別和討論了與不同的組織慣例、知識產權和合同障礙有關的風險,這些障礙抑制了可以從使用創新的商業能力中獲得的全部利益。在目前的環境中,政府管理人員不僅要考慮商業供應商的技術性能,而且要考慮商業可行性風險,這一點很重要。從積極的一面來看,大多數產品和服務的多個商業供應商正在出現,這使得在商業采購決策過程中可以考慮雙重來源的選擇(如多個供應商)。

因此,為了充分受益于新空間生態系統,政府機構將需要制定收購和采購的做法和方法,既能使管理人員與商業服務合作,又能激勵他們為其項目獲得最大價值。創造一個允許伙伴關系發展的環境也有好處,例如通過將商業和政府利益相關者與中介代理聯系起來,他們可以通過將用戶的需求與商業供應商的能力相匹配來促成這種伙伴關系。這種中介伙伴關系的結果將是一個 "雙贏 "的合同安排,使供應商和用戶都受益。利益相關者的工具,如商業服務管理庫,可以改善利益相關者的協調,并加速有效的伙伴關系進程。

在這樣一個動態和不斷發展的環境中,靈活性是關鍵,因為工具和方法將繼續適應、增長和發展。為了使一個PPP商業安排成功和可持續,它需要有一個保護雙方的合同,并使公平的緩解選擇得以行使,以處理利益相關者的利益變化。第5章討論了近期內一些可適應的PPP選項,這些選項可以包括一個完整的空間系統解決方案,或根據具體的用戶需求提供的選項菜單。替代模式的例子可以包括部署商業空間組件公司,它們將提供空間系統的不同元素,或者在某些情況下,簡單地購買數據。正如將要討論的那樣,所有這些選擇都是可能的,而且對于擬議的HSA和新空間生態系統內的傳統和非傳統的利益相關者都是可以支持的。

結論與對策建議

以下結論和建議是按照報告各章的順序排列的。

第2章:結論和建議

結論:商業航天工業的巨大增長和快速演變已經產生了引人注目的成功,而且有跡象表明,這一趨勢將繼續加速。美國政府,包括傳統的政府空間用戶,可以從不太傳統的關系中大大受益,如公私合作關系,使工業的技術和批量制造能力得到采用。

建議:美國政府應鼓勵發展公私伙伴關系,可能包括主要租戶,以促進一個新的國家空間生態系統,支持工業、政府和學術目標。

結論:現有的互操作性標準主要是由傳統的系統結構驅動的,阻礙了政府獲得靈活和可適應的商業服務。美國政府和商業利益相關者將越來越多地依靠綜合商業服務和推進標準來建立一個基礎廣泛的生態系統,使航天器開發、有效載荷集成、測試、發射服務、運營管理和數據產品生產之間的過渡路徑更加順暢。由獨特的商業新空間需求和關鍵系統的設計實踐所驅動的互操作性標準的開發和采用,將增加競爭,并為當前和未來的政府用戶的廣泛的空間任務和操作需求實現有效的執行和管理。

建議:關鍵系統--那些最適合標準的系統--應該被聯合開發和積極管理,以支持新空間公私伙伴關系,促進未來系統的最大接受和使用。標準和最佳實踐可以在空軍研究實驗室的AFWERX、國家航空和航天局的小型航天器系統虛擬研究所和小型有效載荷共享協會等組織內制定,以促進新空間商業產品能力的采用。

結論:政府協調努力,促進和監督現有的政府項目,加上利用雙重用途的技術(從汽車、醫療、游戲和其他行業演變而來),可以加強現有的技術管道,并有利于所有的國家空間活動。空軍研究實驗室的AFWERX、國家航空和航天局的小型航天器技術計劃、政府的小企業創新研究計劃和政府的小企業技術轉讓計劃是這種技術注入和示范的適當場所。

建議:海軍研究局應充分利用參與現有政府技術開發計劃的機會,如空軍研究實驗室的AFWERX、小型航天器技術計劃、政府的小型企業創新研究計劃和政府的小型企業技術轉讓計劃,來注入雙重用途的技術。

結論:空間系統和操作知識在整個商業空間產業的迅速擴展,為混合空間架構和其他美國政府空間倡議提供了許多機會。明確的標準和最佳做法,結合解決和加快決策速度的采購機制,解決任務風險,并調整激勵機制,將允許美國政府有效地獲得這些新能力。針對商業模式的采購機制可以進一步支持從倡議開始到在軌能力的響應時間表。

建議:美國政府的采購機制應該進行調整,以接受不斷發展的商業實踐和適當的標準,以解決和加快決策速度,管理任務風險,并調整激勵措施,以迅速實現政府的空間倡議。

第3章:結論和建議

結論:混合空間架構顯示出巨大的潛力,作為一個新的空間生態系統的框架,整合及時、傳統和新空間產業,以提供成本效益和靈活的空間能力,支持廣泛的國家任務和目標。這個生態系統可以使海軍研究辦公室既追求其技術示范倡議,又追求其長期應用。

建議:海軍研究辦公室(ONR)應考慮將混合空間架構框架作為實現其長期海洋科學目標的一個機會。ONR應該與美國空軍合作,調整其基于HSA的方法,作為其他美國政府和非政府用戶的試點項目。

第4章:結論和建議

結論:小型衛星在國家民用任務中展示了它們在海洋學、氣象學、水文學、災害評估和其他與地球科學有關的應用方面的效用。在適用的情況下,它們通過提供更高的時間和空間分辨率以及更短的規劃周期來補充混合空間結構中的傳統系統,這使得新技術能夠比傳統方法快速插入。預計小型衛星的技術和傳感器能力,以及相關的服務,將在未來擴大。

建議:美國政府應積極定位,充分利用商業空間部門不斷發展和增長的能力,為最廣泛的傳統和非傳統用戶提供服務,將海洋學和沿海數據的應用作為試驗新過程和程序的初步努力。

結論:美國政府和學術機構之間的小衛星任務伙伴關系已經在空間科學和技術方面產生了高價值/低成本的進步,包括衛星平臺和有效載荷、地面部分通信、任務和有效載荷操作,以及科學數據產品的生成和分配。

建議:作為其與學術機構持續關系的一部分,海軍研究辦公室應檢查新出現的先進傳感器和相關技術機會,以有利于未來的海洋科學目標和任務。

第5章:結論和建議

結論:支持新空間生態系統中所需要的服務所需的技術基礎設施目前已經存在,或者如果通過擴大政府采購機會而積極啟用的話,預計將會出現。然而,美國政府空間界目前和未來可能對該基礎設施的利用,由于缺乏對現有技術能力以及從商業空間產業的快速增長中演變出來的新能力的熟悉而受到阻礙。就海軍研究辦公室而言,空間科學采購做法受到傳統方法的人為限制,限制了他們充分利用現有的新空間機會,這些機會與正在為國家海洋學伙伴關系計劃開發的海洋和沿海傳感器技術的快速示范有關。

建議:海軍研究辦公室與國家海洋和大氣管理局,作為國家海洋學伙伴關系計劃(NOPP)的聯合管理者,應該探索廣泛的現有合同機制,使商業空間能力能夠快速部署,以實現國家海洋學伙伴關系計劃的技術演示目標。它應該授權其采購人員充分利用快速發展的商業空間系統機會。

結論:聯邦采購制度--包括法定和監管計劃--提供了足夠的靈活性,以利用不斷發展的商業市場,并采用創新的方法,如公私伙伴關系(PPP)和其他形式的合同關系,包括其他交易授權(OTA)和空間企業聯盟(SPEC)。

建議:美國政府應采用一系列可用的合同機制,并積極支持使用創新的商業模式,以充分參與傳統空間和新空間商業產業。這包括從公共-私人伙伴關系和商業服務合同中的一系列選擇,以及在快速原型和快速投入使用類別中的較新的中層采購選擇。

結論:目前,沒有任何現有的機制允許預測未來的政府需求,以主動告知商業空間部門,使其能夠關注并優先考慮其未來的投資方向。美國國家航空和航天局的快速航天器開發辦公室已經通過開發其快速航天器目錄的衛星目錄,解決了這個與不定期交付/不定期數量的衛星總線采購有關的預測問題。

建議:海軍研究局應利用美國國家航空航天局的快速航天器目錄來滿足其目前的需求,并應與美國國家航空航天局的快速航天器開發辦公室和空軍研究實驗室的AFWERX合作,以納入其預測的未來需求。

結論:混合空間架構(HSA)框架的發展和采用提供了一個潛在的路線圖,為國家需求建立小衛星系統能力的時間表。然而,建設小衛星服務的能力可以通過將商業小衛星的能力與HSA的需求相一致來加速--這將減少達到一個完全有能力的空間生態系統所需的時間。同樣,市場驅動的力量和持續的政府投資項目也可以加速技術、基礎設施和流程支持,以響應客戶和社區的需求和要求。

建議:美國政府應該激勵私人投資,通過先進的采購戰略,如公私伙伴關系,與商業供應商建立無限期交付無限期數量的合同,以及政府作為穩定的促進者實現更快和更多的綜合成果的錨定租約,來實現更快和更多的綜合成果。

結論:商業空間部門似乎完全有能力滿足國家海洋學合作計劃(NOPP)的海洋傳感器技術示范飛行和發射需求,正如提交給委員會的那樣。今天,NOPP可以通過各種合同機制獲得許多這些能力。此外,這些能力預計將在未來5年內與混合空間結構驅動的美國空軍和其他政府采購一起增長和發展,與國家海洋伙伴關系計劃的目標保持同步。

建議:創新的采購做法在成本和飛行速度方面都有很大的好處,以滿足政府,特別是國家海洋學合作計劃(NOPP)的要求。根據技術準備情況和任務要求,NOPP應該考慮以下選擇:

1.讓新生的商業中介能力參與進來,探索并形成適當的伙伴關系,以匹配現有的和新興的商業能力,實現預期的技術成果。

2.探索現有的政府項目和聯盟,如美國國家航空航天局國際空間站或空間企業聯盟,以及其他支持技術原型和符合預期空間飛行目標的乘坐機會的項目。

3.聘請聯邦資助的研究和發展中心(FFRDC)或類似的公正機構作為感興趣的政府和商業實體之間值得信賴的中間人,以確定適當的公私合作機制,并構建這些機制以實現技術和采購能力的成功結合;以及4. 4. 同樣地,聘請FFRDC或類似的可信賴的代理機構來制定技術和商業參與的準則,以積極彌補政府和行業之間的現有差距和新差距。

圖2.4 支持小衛星開發、發射和產品采購的一般流程。對滿足客戶需求的商業服務的評估可能包括購買現有的數據產品或制定一個新的任務來創造這種產品。目前,進行商業數據購買的能力是有限的,然而可以支持任務開發各個階段的商業組織的數量正在迅速增加。了解橫跨儀器和航天器開發、系統集成、發射服務、遠程地面站(RGS)服務和任務運營的商業選擇的成熟度,對于使用商業服務來生產滿足任務要求的飛行系統至關重要。在本圖中,"獨立 "指的是獨立的商業產品--它們不與其他任務產品捆綁或集成;"增值 "包指的是商業產品,它是由多個任務段解決方案組成的更廣泛、更綜合的商業包的一部分。

圖4.7 HARP寬視場成像偏振計立方體衛星飛行驗證任務,展示了從空間進行的多角度氣溶膠和云屬性測量。這項技術已經從機載系統成熟到空間版本,在南美洲的的喀喀湖上空的400幅圖像的長數據采集被后處理成推波助瀾圖像。還顯示了由Aqua和Terra衛星上的中分辨率成像光譜儀(MODIS)儀器拍攝的類似圖像,證實了HARP數據中看到的大氣和陸地特征。的的喀喀湖是該偏振成像儀的一個很好的清潔空氣替代校準源,因為該湖的高海拔為太陽在表面的反射和大氣的偏振提供了很好的可見度。資料來源。馬里蘭大學巴爾的摩縣分校HARP團隊。

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這項評估的綜合分析已經在DEVCOM ARL技術報告ARL-TR-9100中記錄和公布。

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1 背景

第五代(5G)的移動技術將增加數據傳輸的速度,并改善現有第四代(4G)技術的帶寬,進而實現新的軍事和商業應用。5G技術有望支持互聯或自主設備,如智能家居、自動駕駛汽車、精準農業系統、工業機械和先進機器人技術。在軍事領域,5G還可以改進情報、監視和偵察系統及處理;啟用新的指揮與控制(C2)方法以及精簡后勤系統,以提高效率等。隨著5G技術的開發和部署,美國國會可能會考慮頻譜管理和國家安全政策,以及對美國軍事行動的影響。

2 頻譜管理

5G需要部署可在電磁頻譜(“頻譜”)的各個部分中工作的技術:sub-6(在6 GHz以下運行)和毫米波(MMW)(在24至300 GHz之間運行)(請參見圖1) 。

圖1 5G擬議頻譜

毫米波(MMW)允許更大的帶寬和更快的傳輸速率,一些電信公司認為,這是自主載具和其他數據密集型應用(如智能城市)所必需的。然而,毫米波傳播的距離相對較短,可以被雨水吸收,也可以被例如建筑物和車輛的物體阻斷。因此,5G毫米波技術需要以比sub-6方法更高的成本和更慢的部署時間來安裝更多的蜂窩站點。因此,5G的部署依賴于毫米波的高速、高帶寬通信和sub-6的全國覆蓋。 全球的電信公司都在以不同的方式部署5G。中國電信公司正專注于成本較低的sub-6方法,而美國一些電信供應商則專注于MMW部署,其他則專注于sub-6。

然而,美國國防部(DOD)擁有大部分可用頻譜。盡管國防部將某些毫米波頻率用于重要的軍事應用,例如為美軍提供有保障全球通信的先進極高頻衛星,但美國廣泛使用sub-6頻率,使得美國未來在軍事的sub-6可用性低于其他國家。國防創新委員會(DIB)建議國防部考慮共享sub-6頻譜,以促進5G網絡的建設和用于sub-6頻段的5G技術的發展。雖然國防部一直在朝著更大的頻譜共享方向發展,但它表示擔心共享會給國防部用戶帶來操作、干擾和安全問題。作為頻譜共享的另一種選擇,一些分析師認為,sub-6頻譜的一部分應該保留給商業用途。這將要求國防部將某些應用重新部署到頻譜的其他部分。DIB估計這種方法需要10年才能完成,而頻譜共享則需要5年。

3 國家安全問題

根據DIB的評估,中國是目前sub-6技術的領導者,并可能部署世界上第一個5G廣域網。中國企業經常獲得政府補貼(如設施用地補貼、研發撥款),因此處于全球5G供應商的有利地位。僅華為一家公司就在約30個國家簽署了5G基礎設施建設合同,其中包括美國盟國冰島、土耳其和英國。

一些專家擔心,中國設備的漏洞可能被用來進行網絡攻擊或軍事或工業間諜活動。這些專家聲稱,這些漏洞是由于許多中國公司經營不善造成的。但是,他們注意到,也可能出于惡意目的故意引入漏洞。2017年6月頒布的《中國國家情報法》宣布,“任何組織和公民都應當依法支持、協助、配合國家情報工作,一些分析人士認為,這項法律要求中國電信公司與情報部門合作,包括被迫安裝后門或向政府提供私人數據。

其他分析師認為,中國電信設備帶來的風險取決于設備在蜂窩網絡架構中的位置。大多數蜂窩網絡分為兩組:提供互聯網網關并確保設備符合提供商標準的核心網絡和由廣播和接收無線電信號的蜂窩塔組成的無線電接入網絡(見圖2)。這些分析人士指出,雖然中國核心網絡帶來的風險是巨大的,但中國無線接入網絡帶來的風險是可以管理的。還有其他分析人士認為,在網絡中安裝任何中國設備都可能引發潛在的安全問題。這種擔憂促使一些分析人士認為,美國應限制與任何運營中國供應的5G設備的國家分享情報。

圖2 蜂窩網絡體系架構

為了應對這些安全問題,美國國會通過了《安全5G及其他法案》(P.L. 116-129),要求總統制定5G保護戰略。同樣,2020財年國防授權法(NDAA)(P.L. 116-92)第254條要求國防部長制定國防部5G戰略。這些戰略分別于2020年3月和2020年5月發布。美國防部在2020年12月發布了一個5G實施計劃,詳細說明了目前的活動以及它們如何與戰略保持一致。此外,2021財年NDAA(P.L. 116-283)第224條指示國防部創建一個5G治理結構,而第225條指示國防部展示5G組件技術的成熟度。最后,2022財年NDAA(P.L. 117-81)第233條指示每個軍事部門的部長制定一個軍事設施的5G試點計劃

4 對軍事行動的影響

5G技術可能有許多潛在的軍事應用,特別是在自主車輛、指揮和控制(C2)、后勤、維修、增強和虛擬現實以及情報、監視和偵察(ISR)系統中,所有這些都將受益于提高的數據速率和較低的延遲(時間延遲)。

與商用車輛一樣,自主軍用車輛可以通過在云中存儲大型數據庫(如地圖)來潛在地規避車載數據處理限制。安全的車輛運行反過來需要5G的高數據速率和低延遲,以便快速下載非車載信息并將其與車載傳感器數據合成。同樣,5G可用于在操作人員和無人車輛之間傳輸傳感器數據,并傳輸到網絡車輛,從而可能實現新的軍事行動概念,例如蜂群(即載具自主協調以完成任務的合作行為)。

5G技術也可以被納入ISR系統。ISR系統越來越需要高帶寬來處理、利用和傳輸來自越來越多作戰空間傳感器的信息。這可以使指揮官及時獲得可操作的情報數據,進而改進作戰決策。類似地,5G可以減少其他數據密集型活動(如后勤和維護)的延遲,并且可以啟用增強或虛擬現實環境,從而增強培訓。

最后,指揮和控制系統可以受益于5G的高速、低延遲能力。例如,美國軍方目前使用衛星通信作為其遠程通信的優勢。但是,由于信號需要傳播的距離,軌道上的衛星會大大增加延遲,從而導致軍事行動的執行出現延遲。

美國防部已經選擇了12個軍事設施作為5G應用的試驗臺。佐治亞州奧爾巴尼海軍陸戰隊后勤基地和加利福尼亞州圣地亞哥海軍基地("智能倉庫");猶他州希爾空軍基地("5G和機載雷達之間的頻譜共享");華盛頓州劉易斯-麥克喬德聯合基地("增強和虛擬現實");內華達州內利斯空軍基地("可生存指揮和控制及網絡增強");弗吉尼亞州諾福克海軍基地("全艦和碼頭連接")。夏威夷州珍珠港-希卡姆聯合基地("加強飛機任務準備");德克薩斯州圣安東尼奧聯合基地("增強現實對維護和培訓的支持 "和 "評估國防部的5G核心安全實驗網絡");俄克拉荷馬州廷克空軍基地("軍事通信和5G之間的頻譜共享");以及加利福尼亞州彭德爾頓營、德克薩斯州胡德堡和伊爾堡。德克薩斯州胡德堡;以及加利福尼亞州歐文堡國家訓練中心("前沿作戰基地和戰術作戰中心的連接")。國防部在2022財政年度為5G和微電子學撥款3.376億美元,并要求在2023財政年度撥款2.5億美元

5 國會可能面臨的問題

  • 在滿足日益增長的商業需求的同時,什么樣的頻譜管理方法(如頻譜共享、頻譜重新分配)能夠最好地保護國防部的任務?

  • 中國5G基礎設施在盟國和伙伴國對美國國家安全構成哪些風險?這種風險能否得到控制,如果可以,如何控制?

  • 美國是否應該限制與使用中國提供的5G設備的國家進行分享情報?

  • 由于軍事5G的發展或應用,是否需要對作戰概念、部隊結構、理論或態勢作出任何改變?

  • 商業5G技術在多大程度上會受到對手的干擾攻擊?

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關鍵點

  • 美國空軍應該通過部署非地球同步軌道衛星群,特別是在低地球軌道,來增加、分配、分解和多樣化其SATCOM選擇,并探索新的交付模式來獲取商業SATCOM服務。

  • 實現這些SATCOM星座的全部潛力的關鍵是利用天基光通信。因此,太空部隊應該積極開發和部署衛星間的光學鏈路,并在機載和地面系統上進行快速實驗和演示光學終端。

  • 為了實現空間領域的進步,需要對支持它所需的地面基礎設施進行相應的投資,包括靈活的終端和企業管理和控制能力。

  • 建立足夠數量的這些能力將需要太空部隊在其合同簽訂中更多地激勵降低成本和可制造性。

  • 空間作戰分析中心和其他相關的采購組織必須有足夠的資金來執行其詳細的部隊結構分析。

摘要

今天,美國防部的衛星通信事業正處于一個十字路口。目前的系統和架構根本不是為信息時代、全域作戰所要求的速度、規模和復雜性而設計的,也沒有足夠的彈性來應對現代反空間威脅。同時,將SATCOM的責任整合到新的太空部隊下,提供了一個一代人中唯一的機會,以規劃一條新的道路,確保美國部隊擁有擊敗大國侵略所需的可靠連接。

捍衛美國的國家安全利益取決于其作戰人員收集、處理和共享信息的能力,以便比其對手更快地做出更好的決定。實現這樣的決策優勢需要安全的通信網絡,它能可靠地促進信息交流,以實現共享態勢感知、更快、更明智的指揮決策,以及整合分布在印度洋-太平洋和其他地區廣袤土地上的部隊。通過利用包括激光通信和新的空間架構設計在內的成熟技術,太空部隊可以確保衛星通信企業作為國防部網絡和JADC2計劃的骨干,以實現決定性的全域作戰。

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報告探討了美國空軍在戰役層實施聯合全域指揮控制(JADC2)面臨的挑戰,分析了未來多域作戰中運用人工智能的機會,梳理了建設JADC2人工智能生態系統的最佳商業實踐。報告最后指出,指揮控制構造、指揮控制所需的數據和數據基礎設施以及利用數據來指揮控制所有領域部隊需要的工具、應用程序和算法必須調整以支持未來的多域作戰。JADC2應該以一種內聚、漸進、交互式的方式發展,美國空軍作戰集成中心應確保JADC2的指揮控制結構、數據管理以及工具、應用程序和算法開發的發展遵循統一的戰略。

作者研究并推薦了將人工智能(AI)以及更廣泛的自動化應用于美國空軍全域聯合指揮與控制(JADC2)。作者發現,為了支持未來的多域作戰,必須對三個主要的使能類別進行調整:(1)指揮和控制(C2)結構或部隊如何組織,當局在哪里,以及他們如何訓練和配備人員,(2)利用數據進行C2所需的數據和數據基礎設施,以及(3)利用數據進行C2全域部隊的工具、應用程序和算法,包括人工智能算法。轉向現代化的JADC2需要各利益相關者合作制定政策、指導、戰術、技術、程序、訓練和演習、基礎設施和工具,很可能利用人工智能,以實現概念。

研究問題

  • 多域指揮與控制(目前為JADC2)定義的共同要素是什么?
  • 實現JADC2的挑戰是什么?
  • 需要哪些技術和能力來實現JADC2?

主要研究結果

  • 美國空軍空中作戰中心(AOC)制定的72小時空中任務周期,已經無法滿足當前數字世界的要求。在未來有計劃規劃與動態規劃之間的平衡點會發生變化,動態規劃的比重會加大。全域聯合指揮控制工具和流程要具備為這種變化提供支持的能力。

  • 將空軍作戰中心結構體系遷移到現代數字環境中面臨許多挑戰,包括對以人為中心的主題專家會議和委員會的依賴,“空氣隔離”系統中的數據分為多個保密級別;對商業服務產品的嚴重依賴等。

  • 其他限制多域作戰速度和范圍的因素包括:權力和指揮關系,跨域同步戰斗節奏,各域使用的程序不同,不同戰區和地區使用不同的指揮控制結構,靈活健全的通信系統和程序。

  • 要支持多域行動應協調一下三個范疇的內容:全域聯合指揮控制的指揮控制結構的確定,可用于多域作戰的數據源和計算基礎結構,以及實現多域決策者“在圈中”且支持機器對機器過程的算法開發。

  • 目前有多個未來多域作戰概念,需求也因戰役而異。未來的指揮控制結構應具有靈活性,能夠適應各種變化。

研究建議

  • 美國空軍綜合作戰中心(AFWIC)應與美國空軍太平洋司令部、歐洲司令部、非洲司令部合作,通過兵棋推演和桌面演練進行假設并繼續研究多域作戰概念,為國防戰略提供支持。同時他們應該將最終確定的多域作戰概念告知空軍以外部門,以便與其他軍種和美國國防部進行合作。

  • 美國空軍首席數據官應制定適用于整個作戰中心的數據管理政策,確保數據得到保存和適當標記方便之后使用,同時要保證有足夠的數據儲存能力。

  • 美國空軍綜合作戰中心應該與美國空軍作戰司令部(ACC)合作,評估各種能夠實現多域作戰的指揮控制結構。同時還要另外開展兵棋推演以及研討會來對比和比較各種替代方案。美國空軍作戰司令部后續應該進行的工作,還包括制定開發、組織、培訓和裝備方案。

  • 全域聯合指揮控制流程應該體現凝聚、漸進和交互原則。指揮結構、數據管理以及工具,應用程序和算法的開發都應根據總體戰略進行。

  • 美國空軍綜合作戰中心應確保戰略的實施,并向空軍參謀長報告相關情況。

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斯考克羅夫特戰略與安全中心致力于制定可持續的、無黨派的戰略,以應對美國及其盟友和合作伙伴面臨的最重要的安全挑戰。該中心紀念布倫特-斯考克羅夫特將軍,并體現了他對安全事業的無黨派承諾的精神,支持美國在與盟國和合作伙伴的合作中發揮領導作用,并致力于對下一代領導人的指導。

報告總結

本報告研究了通常被稱為商業 "小衛星革命 "和美國國家安全之間的關系。本報告探討了通常被稱為商業“小衛星革命”與美國國家安全之間的關系。這種關系很復雜,有很多方面,其中最重要的是組織行為、政府對商業市場缺乏了解、過時的制度流程以及不愿或無法適應不斷變化的環境的國防機構。可能值得注意的是,這些相同的問題領域中有幾個導致了2001年9月11日的大災難。這并不是說一個 "太空珍珠港 "事件迫在眉睫。然而,對空間系統的威脅將與美國保持空間優勢的能力退化成比例地增加;也就是說,確保安全和有保障地進入空間的能力在下降。

如果美國要保持空間優勢,它將需要對其與商業航天工業的多維關系作出實質性的文化、理論和行動改變。這是因為,在未來十年左右,商業空間活動將使運行中的衛星數量增加近整整一個數量級,主要是通過開發小型衛星。隨著衛星數量的增長,遙感、通信、數據處理和在軌運行的能力也會增強。一個新的空間生態系統正在形成,對世界的安全和經濟發展有著深刻的影響。商業航天公司將數以千計--即將數以萬計--的衛星送入軌道為美國的太空安全以及部署的武裝部隊帶來獨特的挑戰。某些軌道的擁擠程度將增加,對通信帶寬的競爭,新類型的空間戰,增加透明度,以及不斷變化的威脅模式。在這種不斷變化的環境中競爭,將要求美國對長期建立的國防采購作出重大改變。

主要結論

本報告探討了決定空間領域未來的趨勢和技術發展。在此過程中,它得出了六個關鍵結論:

  • 1.美國極有可能在未來十年內在空間優勢方面輸給中國。
  • 2.國防部(DoD)和情報界(IC)正試圖利用小衛星革命的優勢。IC正越來越多地投資于商業小衛星數據,以提高收集能力并提供軍事支持。
  • 3.國防部一般不會對空間服務采取 "首先購買商業(buy commercial first)"的做法。相反,有一種既定的文化,無視立法規定的 "商業優先 "任務,而且這種行為已經變得越來越不利于國家安全利益。在過去十年中,這種消極的文化已經侵蝕了美國的空間優勢,并將繼續下去,因為世界正朝著快速開發和部署低成本的商業空間系統發展。
  • 4.迄今為止,沒有任何商業小衛星服務在沒有政府支持的情況下證明自己是可行的。然而,這一行業的發展將極大地影響美國的國家安全。
  • 5.國防部的采購流程旨在減少風險,因此,對高速商業空間環境的準備不足。國防部高級領導人正在努力加快小型衛星和相關技術的采購進程。到目前為止,結果是有好有壞。
  • 6.美國商務部(DoC)空間商業辦公室(OSC)去年在執行其空間交通管理(STM)和在軌任務授權的責任方面沒有取得什么進展。作為國家海洋和大氣管理局(NOAA)的下屬機構,該辦公室無法在有效執行其任務所需的水平上發揮作用。

主要建議

以下關鍵建議涉及美國的空間政策、監管環境、與美國盟友的協調和合作以及對商業空間產業的支持等領域。這些建議有相同的目標:加強全球空間安全和推進美國商業空間產業。推進美國商業航天工業是保持全球空間領導地位的一個關鍵組成部分,并確保空間系統的安全和保障以及國家安全。

  • 1.美國國會和政府必須進行嚴格的監督,以確保國防部和IC組織執行 "首先購買商業(buy commercial first)"的政策(包括他們自己)。
  • 2.美國商務部長應將國防部空間商業辦公室從NOAA之下移出。OSC最近擴大了對STM和在軌任務的責任,使其不適合于一個專注于海洋學和大氣管理的實體。NOAA中的OSC也不適合進行必要的機構間和國際協調。
  • 3.增加美國各種空間系統的復原力,需要國防部利用商業系統,包括擴散的衛星結構和響應的空間發射能力,在所有級別的軌道和不同的有效載荷,并且考慮從盟國和商業供應商購買數據。
  • 4.美國國會應指示國防部和國家情報總監辦公室(ODNI) 進行一項研究,以確定可通過商業空間完成的國家安全任務。然后,國會應該為這些商業服務撥出專用資金。這一行動將迫使向商業空間服務過渡,確保為商業小衛星開發提供穩定資金,并通過競爭推動空間創新。
  • 5.美國國土安全部(DHS)應該進行一項研究,以確定空間系統是否應該被列為國家關鍵基礎設施部門之一。如果是這樣,國會應該指定空間系統為關鍵基礎設施,由商務部作為具體負責機構。
  • 6.美國國務院、國防部空間政策辦公室和商務部應當加強空間外交努力,以建立全球空間行為規范為目標。
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美國國防部(DOD)報告稱,人工智能(AI)是一項革命性的技術,有望改變未來的戰場和美國面臨的威脅的速度。人工智能能力將使機器能夠執行通常需要人類智能的任務,如得出結論和做出預測此外,人工智能機器可以以人類操作員無法企及的速度操縱和改變戰術。由于AI具有廣泛用途的潛力,國防部將其指定為頂級現代化領域,并投入大量精力和資金開發和獲取AI工具和能力,以支持作戰人員。在2022財年,國防部為科學和技術項目申請了147億美元,以及8.74億美元用于直接支持其人工智能努力。根據國防部2018年的人工智能戰略,未能將人工智能能力納入武器系統可能會阻礙戰士保護我們的國家抵御近同行對手的能力其他國家正在這一領域進行大量投資,這可能會削弱美國的軍事技術和作戰優勢。

美國國防部(DOD)正在積極追求人工智能(AI)能力。人工智能指的是旨在復制一系列人類功能,并不斷在分配的任務上做得更好的計算機系統。GAO之前確定了三種AI類型,如下圖所示

國防部認識到開發和使用人工智能不同于傳統軟件。傳統軟件的編程是根據靜態指令執行任務,而人工智能的編程則是學習如何改進給定的任務。這需要大量的數據集、計算能力和持續監控,以確保功能按預期執行。支持國防部作戰任務的大部分人工智能能力仍在開發中。這些能力主要集中在分析情報,增強武器系統平臺,如不需要人工操作的飛機和艦船,并在戰場上提供建議(如將部隊轉移到哪里)。

當獲取依賴于復雜軟件的新能力時,國防部一直面臨著挑戰,例如長時間的獲取過程和熟練工人的短缺。GAO發現,它繼續面臨這些挑戰,同時還面臨人工智能特有的其他挑戰,包括有可用的數據來訓練人工智能。例如,人工智能探測對手的潛艇需要收集各種潛艇的圖像,并標記它們,這樣人工智能就可以學會自己識別。國防部還面臨著將訓練有素的人工智能集成到非為其設計的現有武器系統中的困難,以及在其人員中建立對人工智能的信任。國防部發起了一系列努力,如為人工智能和人工智能特定培訓建立一個跨服務的數字平臺,以應對這些挑戰,并支持其對人工智能的追求,但現在評估有效性還為時過早

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