对抗性太空威胁环境正在驱动太空测试体系变革,以提供可信作战能力。美国太空作战部长雷蒙德将军在2021年太空测试基础课程的演讲中指出,高效测试是快速提供可信作战能力的核心,必须改变传统测试方法,以满足太空作为作战域的需求。传统上,测试太空系统能力时考虑两个主要因素:在发射后能存活,以及能够在恶劣环境下运行,这两项挑战已基本解决。然而,当前多国军事能力在太空范围迅速扩张,包括在轨反卫星系统、陆基定向能武器等,这对太空资产形成严重威胁。俄罗斯于2021年11月15日进行的直接上升式反卫星试验进一步凸显了太空从和平领域向竞争性领域的转变。在这种军事对抗性日益凸显的太空环境中,美太空军必须寻求可信赖的天基能力。
太空系统中新兴能力和技术大量应用,亟需新的测试方法和基础设施。为适应对抗性太空环境的新需求,美太空军正在利用新兴技术来帮助加快部署更具弹性和能力更强的太空架构。然而,这些先进能力更加复杂,必须掌握测试它们的专业知识,开发测试它们的方法,还必须构建政府基础设施,以便有效地集成和测试这些新兴能力,如人工智能、机器学习、大量星座和复杂的系统体系结构。
美太空军的精简性规模结构,推动建立精益、敏捷、高度协作的太空测试体系。美太空军的规模很小,计划的最终兵力包括约1.6万名军事和文职人员,而美空军的最终兵力接近80万名现役、警卫、预备役和文职人员。因此,美太空军开发测试体系的方法必须精益高效,消除重复,并与整个国家安全太空体系的其他要素高度协作。美太空军的精简规模决定着太空测试体系也要敏捷和快速,并从一开始就专门构建,以相应的速度交付相关能力。
二、美太空训练中心
NSTTC是一套经过深思熟虑且可配置的测试和培训能力集合,它使太空军能够建立国家安全太空体系和太空军联合作战环境的经认可的数字模拟体系。STARCOM与空间系统司令部和美国太空军总部协调,于2021年底启动了NSTTC作战计划。作战规划团队制定了能力路线图,该路线图将随着美国国家安全需求和技术创新而不断发展。该综合体将精简、高效且可与其他联合测试基础设施互操作,支持太空军内部的多种利益,包括开发测试、操作测试和高级培训。
美国国家太空测试和训练中心概念图
2021年8月成立的航天训练和战备司令部(STARCOM),负责推进太空军的训练、条令、兵棋推演、靶场与对抗、试验鉴定以及教育。STARCOM将在开发综合测试部队和作战靶场基础设施方面发挥关键作用。
美国太空军一直在与美国国防部作战测试和评估办公室合作,制定其测试计划。航天训练和战备司令部也在努力为未来的国家太空测试和训练综合体(National Space Test and Training Complex,NSTTC)开发“架构”。空间系统司令部和空间作战与分析中心也在采取措施促进相关机构进行建模和仿真。总结来看,太空军数字数字化测试体系建设分为以下两大部分:
数字建模(Digital Model)——根据美国太空军发布的《太空测试体系愿景》,太空军将更多地依赖数字建模来模拟新的威胁,NSTTC将主要使用数字建模模拟威胁并运行新卫星,在发射前评估卫星系统的弹性,进行地基太空电子战测试和演习支持;将培养一批培训测试和评估领域专家,来满足未来测试和作战需求;将在未来几年增加投资,将启动国家太空测试和训练中心、开展太空测试和培训活动等。这一系列举动将彻底改变美军测试和评估卫星的方式,并加快其发展进程。
数字靶场(Digital Range)——数字靶场通过数字孪生技术,把传统分别独立进行的开发测试和作战测试融入单一的综合测试活动中,减少对开发测试和作战测试的要求,有助于降低成本并加快获取新能力的速度。测试架构整合。通过向空间系统司令部提供开发测试数据,航天训练和战备司令部进行作战测试和评估,太空军的“数字靶场”将探索整合开发测试和作战测试工作,将以更高效、更快速地完成采购过程中的测试部分。数字靶场对于未来的NTTSC至关重要,因为测试和培训将主要在数字领域进行。
美国太空军在2022财年的预算中约7000万美元的资金用于国家太空测试和训练综合体,在2023财年则达到约8900万美元。据太空军官员表示,这些金额并不包括对测试和培训活动的所有投资,还有很多额外的投资支持,每年大约2000万美元和大量的人力投资会投入该事业。
在美太空军的数字军种建设过程中,美国商业界和政府空间基础设施之间出现了前所未有的融合,类似Loft Orbital这种商业衍生的增强能力将在美军追求无缝全域联合指挥控制、支持国家安全空间目标方面提供了能力的飞跃。
美太空军数字靶场的建设过程由SWAC、SSC和STARCOM进行反馈式迭代,由SWAC开发和验证的数字模型来开发部队设计,然后提供给SSC的采购专家以开发新武器系统。反过来,STARCOM将向SWAC和SSC提供反馈,使他们能够改进模型。
美太空军开展“数字靶场”建设,把传统的发展和作战测试结合在一起,减少时间安排,减少对开发测试和操作测试的要求。这样有助于降低成本并加快获得新能力的速度。这一方式对国防太空资产的采办是一种创新。
STARCOM已经完成的初步工作已纳入太空军的测试和训练行动投资战略,包括2024财年预算周期——目前正处于国防部的早期规划阶段。
三、太空军数字化测试体系
2022年5月10日,美国太空军发布《太空测试企业愿景》(Space Test Enterprise Vision)。该愿景文件于2022年3月由太空作战部副部长戴维·汤普森将军(David D. Thompson)签署,主旨是呼吁建立一支敏捷的测试部队,以及一个能力更强的太空系统靶场基础设施,同时集成人工智能和大量卫星星座等能力。
面对竞争对手不断演变的威胁,美国太空部门开始重新思考如何提高美国太空系统的设计开发和交付能力,保持领先地位,其结论是需要一种新的方法来测试系统,以满足对抗及作战环境中的需求。相应地,该愿景文件提出美国太空军测试企业必须不断发展,最大限度地提高服务效率,建立在对抗环境中作战所需的组织、专业测试队伍和基础设施,同时,还为太空军能力集成制定专项计划,旨在提高在作战时间表内快速交付的核心作战能力。
美太空军测试体系的构建目标是快速推动基于数据的决策,最大限度地提高军种为联合部队和国家提供天基能力的灵活性和效率。实现这一目标的手段是综合测试。美太空军将在能力生命周期和整个测试体系(组织、劳动力、基础设施、采购和运营)中最大限度地整合已开发和正在运行的测试评估活动。这是美太空作战部长雷蒙德将军在2021年4月8日的太空测试体系决策简报中提出的愿景。
美太空军的测试理念是综合测试,目标是在传统“烟囱式”的开发测试(DT)和运行测试(OT)之间架起桥梁,以便在面对快速演变的威胁时及早注入作战视角并加快交付可信的、赢得战争的能力。综合测试是一种协作、可定制和响应性的测试方法,为独立评估系统性能、有效性、适用性、可持续性和生存能力提供共享数据。一方面,整合各层面测试活动,包括试验、开发测试、运行测试、战术技术和程序(TTP)验证、武器系统评估计划(WSEP)等,促进系统开发早期的运行输入,同时为开发人员提供对系统预期用途的更深入了解;另一方面,集成所有级别的测试活动,从战略级别到战术级别,从系统体系级别到单个系统和组件级别。综合测试方法促进了操作员在过程早期的参与,以尽快解决运行缺陷;它还提高了测试效率和数据采集速度,以确保提供适当和有效的能力,整合并提升现有作战能力。
2023年5月9日综合报道,美太空军发布了太空测试实验平台(STEP) 2.0合同的修订草案,并在5月19日前征求供应商的意见。供应商最早可以在12月选择STEP 2.0。
STEP 2.0项目旨在通过采购“具有飞行传统的商业开发航天器,在未来10年内承载国防部赞助的有效载荷”,以降低成本,简化流程并加速联合作战人员尖端太空技术的开发,能够更好地推动创新,增强能力,并确保美国保持其在太空领域的技术优势。
该项目目前正在寻求利用低成本的商用卫星平台,将尽可能多的小卫星实验捆绑到一个平台上,将采用一份不确定交付/不确定数量(IDIQ)合同。为IDIQ挑选的供应商将在建造航天器,有效载荷与运载火箭组装,并为在轨操作提供地面支持等方面争夺订单。第一个任务订单将是STP Sat-8,这是一颗12U立方体卫星,预计将于2025年发射。
测试系统太空军相关的关键职责划分
太空训练与战备司令部(STARCOM)是执行综合测试的牵头组织,将对系统进行运行测试和评估,以交付作战准备就绪的太空力量。太空训练与战备司令部将领导建立和管理以任务为中心的综合测试部队(ITF),综合测试部队是太空测试的基本测试执行单元,并提供独立的运行适用性、有效性和生存能力评估。下辖第12德尔塔部队,负责独立测试和评估,提供大部分政府测试人员,其中测试与评估中队构成了综合测试部队的核心。下辖第11德尔塔部队,负责靶场和训练环境,拥有并运营测试基础设施,包括国家太空试验训练中心,是执行各种测试活动所必需的。
太空系统司令部(SSC)负责美太空军太空系统的开发测试、发射和在轨检查,以及与其他太空开发活动的集成,包括与多国合作伙伴的协调能力开发。在现有机构的基础上,太空系统司令部配备首席开发测试人员和合同商测试监督人员。
太空作战司令部(SpOC)参与综合测试部队工作并运行太空系统,以支持综合测试。太空作战司令部将建立作战人员职业生涯管理体系,以支持测试和作战之间劳动力的交叉流动,并与测试团队管理相协调。
太空作战分析中心(SWAC)负责未来军力设计,并向测试团队提供军力设计分析,同时接收测试数据以更新军力设计。基于该中心的分析、建模和演示,美太空军军力设计将通过综合测试所获得的知识进行验证,从而创建美太空军能力交付的闭环模型。
实现愿景的三个关键努力方向
1、是建立综合测试组织机构。综合测试部队作为美太空军的基础测试单元,负责在系统的整个生命周期内实施测试活动,并通过详细的测试规划和执行提供支持。综合测试部队通过集成的测试团队来实现在系统开发中注入作战视角,各级人员都有权以最大效率进行调整和运作,以实现美太空军的综合测试理念。综合测试部队按照任务领域将跨职能测试人员和资源集中在一起,并负责执行全生命周期测试与评估要求。
2、是培养专业的太空测试队伍。美太空军计划培养一支精通稳健生存能力测试、程序验证和战术开发的队伍。专业的太空测试人员必须拥有操作太空系统所需的跨职能专业知识,接受严格的测试和评估方法培训,并具备探索系统性能能力的技能、工具和头脑。开设专业的太空测试课程,美太空军在2021年与美国空军试飞学校联合开设了为期12周的太空测试基础课程,并计划在接下来的五年里,将这门课程发展成为期一年、授予学位的专业太空测试课程;为所有测试人员提供广泛的基础测试培训;发展独特的太空测试文化,在这种文化中,测试人员能够流利地使用数字测试语言,并理解实施稳健的验证、确认和认证过程相关的复杂性,以提供能够支持严格评估的基于模型/模拟的环境。
3、是构建必要的太空测试基础设施。美太空军将利用新兴技术创建一个数字测试体系,能够针对具有代表性、威胁密集的领域进行能力评估,并对系统的能力和局限性具有一定的统计可信度。开发多场地、真实-虚拟-构造作战环境(LVC)型的国家太空试验训练中心,建立国家安全太空体系和太空联合作战环境的经认可的数字孪生体,以支持测试和训练,全面评估系统体系能力。此外,太空作战人员应在数字联合作战环境中进行实时训练演习,加速习得最佳作战能力。
四、演练
彩色的“天空系列”演习以空军“旗帜”演习为蓝本,比多年来一年一度的太空旗帜演习更集中。今年的SPACE FLAG 22-3于8月8日至19日在科罗拉多州的Shriever SFB举行,是该演习被认证为联合训练活动后的第一次。它涉及大约120名参与者,包括来自空军和陆军。太空旗帜的下一次迭代将是一次联盟演习,涉及“五眼”情报共享组织(澳大利亚,加拿大,新西兰,英国和美国)的盟友。“那里有一个很大的军队存在,”布拉顿说。
正在进行的“黑天”演习包括专门从事太空的守护者和空军国民警卫队,因为国防部尚未就这些卫队人员的命运得出结论。布拉顿解释说,演习混合了“实弹射击”和“建设性”训练,包括使用从商业公司“租赁”的卫星来扮演目标。
他解释说,太空部队人员电子战培训的关键领域与空军学员所要求的不同,围绕着卫星干扰 - 包括中国和俄罗斯在内的许多潜在对手都拥有这种能力。
布拉顿说,在今年晚些时候,“黑色天空”之后将举行专注于“轨道战”的红色天空演习。他补充说,明年,蓝天演习将侧重于网络战。
布拉顿说,STARCOM由大约1000名人员组成,仍在其位于科罗拉多斯普林斯的临时总部运营,因为空军部(为太空部队提供顶级文职管理)正在确定其永久住所。
然而,他说,这个成立一年的司令部在开发国家空间测试和训练综合体(NSTTC)的架构方面取得了进展,在卫报俚语中被称为“范围”。STARCOM从前空军太空司令部继承了一些范围房地产,但鉴于大部分培训将是数字化的,即使用计算机建模和模拟,因此可能涉及许多不同地点的活动。
布拉顿说,除了《黑天》之外,STARCOM仍在研究是否还将获得任何实际的卫星,以允许守护者进行现场操作训练。他指出,他已责成STARCOM的Delta 1与运营立方体卫星的大学以及空军学院就其猎鹰卫星计划探索选择。
FalconSAT计划允许学院的学员设计,建造和飞行一颗非常小的卫星。该计划的最新版本FalconSAT-8配备了五个小型测试有效载荷,于2020年5月在X-37B太空飞机上被送入轨道。“我们还没有做出任何艰难的决定,也没有花任何钱,但我们正在考虑:我们与学院合作并飞行FalconSAT是否有意义?”布拉顿问道。“我们可以建造一个地面站,因为他们已经设计了那个宇宙飞船并发射了它。...我们正在规划中,并试图找到正确的前进方向。”
参考资料
build a digital infrastructure. 2022-01-03.
lifecycles. 2022-05-10.
2022-05-10.
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