在美国国会于2019年将太空军设立为美空军部内的一个军种后，美空军将SCN的管理权移交给了太空军。SCN的运营、升级、评估和维护职责分散在美太空军的多个司令部、中队和办公室。图2显示了美太空军队和空军中SCN运行、维护和采办所涉办公室。
SCN支持广泛的关键任务，包括：定位、导航和授时；情报、监视和侦察；导弹预警和导弹防御；通信；气象以及研发。SCN的主要控制中心位于美国科罗拉多州的施里弗空军基地，加州范登堡空军基地有一个备份中心。范登堡太空军基地也是SCN七个全球天线和远程跟踪站位置之一，提供轨道卫星和地面天线之间的天-地链路。图1显示了相关中心、站和天线的位置。
SCN的卫星控制操作与所控制卫星的任务是分开进行的。控制操作包括（1）跟踪——根据位置和测距结果确定卫星位置；（2）遥测——从卫星收集健康和状态报告；（3）指挥——从地面向卫星发送信号，以控制卫星子系统，如电源、天线以及机械和热控制。这些功能统称为TT&C，确保卫星保持在正确的轨道上，并按设计运行。这些功能是通过地面站、地面天线以及控制中心、天线和卫星之间的通信链路网络实现的。
卫星控制网（SCN）是美国防部的一个地基卫星控制系统，在管理越来越多的卫星系统方面发挥着关键作用。卫星控制网是一个由19部全球分布天线组成的系统，为美国政府卫星的发射和日常控制提供支持，包括国防和情报卫星。美国太空军负责管理、维护和升级该网络。
SCN每天与卫星联系超过450次。用户对SCN的需求很高，并且还可能继续增加。随着对系统需求的增加，该网络正面临着维护和过时问题。在过去十年中，SCN的利用率平均为75%。自2012年以来，SCN支持的年度卫星发射增加了两倍。这种需求的增加，以及由此导致的系统可用性的限制，可能会影响美军用户未来任务。
因此美太空军正在开发解决SCN需求和其他挑战的方法，但是缺乏更新的长期保障计划。美太空军还在管理两项改进工作，以更新SCN的地面控制电子设备和天线。美太空军正在通过探索使用商业天线和美国其他联邦机构运营的天线来寻求额外的SCN能力。两者都可用于SCN支持的卫星。此外美太空军还在努力开发和获得12部新的更高容量天线，这一工作称为卫星通信增强资源。第一台原型机预计在2025年完成。
2023年4月，美国政府问责局GAO发布一份报告，对目前SCN的现状以及美太空军所做的工作进行了评估，分析了（1）目前和未来对SCN的需求；（2）努力应对SCN保障挑战所做的工作；以及（3）支持SCN需求的采办工作。
空间系统的监视和操作需求可以通过为空间系统操作、维护和控制提供支持的指挥和控制 (C2) 系统来满足。最重要的是，C2 架构应该能够为遥测、跟踪和指挥 (TT&C)操作提供不间断的状态更新，以保持所有卫星的健康。
卫星控制架构
当卫星、远程跟踪站、控制节点和操作中心之间存在通信时，C2 就完成了，因此我们的太空资产将保持其完全有能力完成分配的任务。
与卫星 C2 相关的任务和功能可以通过构成卫星控制架构的五个关键要素来完成：
（1）卫星
上行链路数据从地面发送到卫星以指挥卫星特定任务，而下行链路数据从卫星发送到地面。所有卫星都需要某种 TT&C，无论它们携带的有效载荷如何。
（2）远程跟踪站 (RTS)
可以与运营中心或世界任何地方并置，并允许在运营中心和卫星之间交换信息。接收遥测下行链路，解调下行链路信号，并对遥测数据流进行位同步以传输到中心。此外，RTS 负责从卫星操作中心向卫星发送指令。
（3）通讯链接
确保每个 RTS 站点都将连接到中央网络控制中心——主要和备用通信链路。
（4）控制节点
管理通信连接并向卫星程序提供 C2 的站点。最重要的是，用户必须具有通信连接性。
（5）卫星操作中心 (SOC)
操作员可以每天控制空间系统的设施。此外，这里还处理和显示遥测数据以实时监控航天器。此外，例如，可以进行某种离线处理以进行趋势分析。
SpaceX公司建立Starlink卫星控制网络的过程是这样的：
首先，SpaceX公司需要确定卫星的轨道和数量，以及卫星控制中心的位置和数量。
接下来，SpaceX公司需要建立地面站，用于与卫星进行通信和控制。这些地面站通常位于人烟稠密的地区，以确保信号的稳定和可靠。
SpaceX公司还需要开发软件和系统，用于监控和控制卫星。这些系统需要能够实时跟踪卫星的位置和状态，并能够对卫星进行远程操作和调整。
最后，SpaceX公司需要建立与其他卫星运营商和监管机构的联系，以确保Starlink卫星网络的安全和合规性。
总的来说，建立Starlink卫星控制网络需要大量的技术和人力资源，以确保卫星能够稳定运行并提供可靠的服务。
Starlink卫星控制网络的地面站分布在全球各地,其中主要包括
其中包括美国、加拿大、澳大利亚、欧洲和亚洲等地。SpaceX公司计划在未来继续建设更多的地面站，以支持其不断增长的卫星网络。
Starlink为 Gen 2 卫星扩展地面站基础设施, 建设或扩建 20 多个美国地面站站点以在 E-band 中运行.
为了能够分析各种威胁并识别空间系统面临的风险，有必要准确描述构成系统的所有要素以及它们之间的联系。
图 1 显示了卫星指挥和控制系统网络拓扑的简化示例。它由运营中心、基站（或地面站）、地面网络和卫星组成。
有效载荷对应于卫星传输或收集并由卫星客户使用的数据（图像、电视、互联网、天气等……）。
遥测对应于卫星发送的数据，例如关于其位置或状态的数据。遥测由三个元素组成，称为 TT&C，用于遥测、跟踪和控制。
最后，命令与控制 (C2)是操作中心发送给卫星的指令，用于执行例如轨道校正操作。
地面站每周 7 天、每天 24 小时运行。它由运营中心通过IP或串行接口进行远程控制和操作。它能够与多颗卫星通信，每次都需要重新定位。
空间数据链路(SDL) 是一种用于传输卫星有效载荷以及遥测和命令与控制的协议。
将基站连接到运营中心的地面网络由称为空间链路扩展(SLE) 服务的链路组成。空间链路扩展 (SLE) 将空间数据链路 (SDL) 从卫星扩展到操作中心。
这两个协议的安全性将在以后的文章中讨论。
在以前的网络拓扑中，卫星有效载荷、遥测 (TT&C) 和命令与控制 (C2) 在同一卫星链路上进行多路复用。在大多数任务中，该链路实际上被分成两个独立的链路，如图 2 所示，一个链路承载有效载荷，另一个链路承载遥测 (TT&C) 和命令与控制 (C2)。两条链路中的每一条都是空间数据链路（SDL），它通过空间链路扩展（SLE）从卫星扩展到操作中心。
图 2：有效载荷和遥测链路分离的卫星指挥和控制系统的网络拓扑示例
更准确地说，我们在下图（图 3）中添加了卫星提供的服务的用户。这可以是只接收信号的无源终端（例如：电视解码器），也可以是接收和发送信号的有源终端（例如：卫星电话）。
图 3：卫星指挥和控制系统有效载荷、遥测和客户链路的网络拓扑
最后，最后一张图（图 4）使我们能够识别 3 个不同的集合，称为段，它们构成了大多数航天器的指挥和控制系统。
地面部分由地面上用于遥测、指挥和控制以及有效载荷分配的所有元素组成。地面部分由基站、运营中心和地面网络组成。当任务还包括发射器时，地面部分还包括所有测试、集成和发射系统。
空间段由卫星（或卫星星座）、上行链路和下行链路组成。在某些模型中，卫星链路可能是称为空间链路通信段的单独段的一部分。
用户段包括从卫星接收信号但也可以向卫星发送信号的所有用户设备。
图 4：表示卫星指挥和控制系统的 3 个部分的简化图
这三个部分共同代表了我们对空间系统进行风险分析的范围，这将是未来文章的主题。
太空安全除具有全部普通地面通信网络的脆弱性外还具有一系列特有的脆弱性或安全隐患。
太空网络涉及天基网络、地基网络、地面互联网和移动通信网，跨越天、地和海洋覆盖全球的分层结构网络，它具有：
ａ）网络结构多变且复杂，它是由大量异构网络组成，并且空中段的网络拓扑一直处于动态变化中，网络结构不固定，在路由选择和网络切换上的难度比常规网络要大很多，这对路由设备和接入设备的安全与性能要求要高出常规很多。同时拓扑的动态变化造成传输时延的变化较大，以及太空链路不稳定、易中断，相关设备与通信协议需要对高时延和链路中断等情况需要有适应性。
ｂ）由于太空环境非常恶劣，充满着大量的宇宙射线、电磁波干扰、太阳风、太阳黑子甚至小型陨石碎片，而天基网络的节点和信道完全处于暴露的状态下，很容易遭到干扰和破坏，而且由于太空信道完全开放，很容易被其他敌对势力的太空和地面设备窃听。
ｃ）星载设备受重量、体积、环境影响，处理能力无法与地面服务器相媲美，而空间链路带宽容量需要不断提高，天地间网络协议不断融合，使得星载服务器也可能遭受类似地面互联网上的网络攻击，而星载设备难以更换、不易维护和升级。一旦遭受拒绝服务攻击或植入病毒，将对星载服务器造成极大的打击，并且严重威胁到天地一体化网络的安全。
太空网络的这一系列脆弱性特点，带来的危害有：
（１）对数据和指令的篡改
黑客可通过一定手段，获取控制设备的管理员权限，就可以对航天数据和指令进行篡改，将导致航天设备进行损坏或者对任务产生影响。比如修改卫星飞行参数来致使卫星脱离网络，或者控制卫星和小行星相撞等等。
（２）对地基网络设施的破坏
黑客可以通过漏洞对地基网络发动网络攻击，导致地基网络的瘫痪，或者导致数据的丢失、失去权限等，黑客甚至可以直接通过物理手段对地面设施进行破坏。
（３）数据的截获
由于太空设备上发射和接收的数据都是通过特定频率的无线电波发送的，所有分配到特定的频率的射频通信都有可能被监听。
（４）射频干扰
向航天器发送与通信频率相同的干扰射频信号，或者注入噪声，可能会使得航天器之间的通信链路中断和控制命令丢失，也可能造成延迟，导致对时间要求很高的任务被迫中断。
（５）拒绝服务攻击
拒绝服务攻击在空间段和地面段都可发生，它会阻止授权用户对资源的访问。拒绝服务攻击可以通过消耗资源、中断系统以及造成通信路径的阻塞。
（６）重放攻击
黑客对从航天器或地面系统计算机之间传输的信息进行拦截和复制，并在之后再次发送，就会导致重放攻击。对于航天任务而言，可能会导致重复的航天器操作，使得任务出现极大的偏差，造成航天飞行器脱离轨道或者遭受损坏。
（７）身份伪造
黑客可能通过截获数据从而会获得身份和密码，进而可进行身份伪造，从而访问系统，甚至可以关闭地面控制系统、向航天器发送错误的命令、终止航天任务等。
（８）软件漏洞
黑客可能可利用操作系统和软件中包含的BUG来攻入系统，从外部获取系统重要数据或者控制系统。
有分布在世界各地的政府跟踪和上传设施。这些设施不仅监测来自 GPS 卫星的 L 波段信号并更新它们的导航消息，而且还跟踪卫星的健康状况、它们的机动和许多其他事情，甚至是电池充电。这些设施合起来称为控制段。
主控制站 (MCS) 曾经位于加利福尼亚州的范登堡空军基地，现在位于科罗拉多州科罗拉多斯普林斯附近施里弗（前身为猎鹰）空军基地的联合太空作战中心 (CSOC)，并由第 2 空间作战中队，2SOPS，自 1992 年以来。在加利福尼亚州的范登堡跟踪站有一个备用 MCS。2SOPS 中队控制卫星的轨道。例如，他们将早期的卫星块从它们最初发射到的高度偏心轨道移动到所需的任务轨道和航天器方向。Block IIF 卫星被直接送入预定轨道。吨 他们监控每颗卫星的机载电池、太阳能和推进剂系统的状态。它们解决卫星异常、激活备用卫星并控制选择性可用性 (SA) 和反欺骗 (A/S)。他们从车轮上倾倒多余的动量，稳定每颗卫星的陀螺仪系列。借助可用的连续星座跟踪数据并借助卡尔曼滤波器估计来管理数据中的噪声，他们计算和更新导航消息中的参数（星历、历书和时钟校正）以将信息保持在限制范围内。这个过程是通过与控制部分管理的星座的持续双向通信实现的，包括通过地面天线和监测站网络完成的监测和上传。
提供给 MCS 的数据来自监测站。这些站点跟踪整个 GPS 星座。过去是有限制的。只有六个跟踪站。卫星每天有可能长达两个小时不受监控。很明显，星历表的计算和星座的精确轨道可以通过在更广泛的地理分布中增加更多的监测站来改进。同样清楚的是，如果六个站中的一个出现故障，控制段的有效性可能会受到很大影响。这些想法和其他想法导致了一项改进计划，称为Legacy Accuracy Improvement Initiative，L-AII。在 2005 年 8 月 18 日至 9 月 7 日的这项倡议期间，六国家地理空间情报局 (NGA ) 的站点已添加到控制段。这增加了转发给 MCS 的信息，其中包含来自华盛顿特区、英格兰、阿根廷、厄瓜多尔、巴林和澳大利亚的数据。有了这个 12 站网络，当 GPS 星座中的每颗卫星到达地平线以上至少 5º 时，至少有两个站几乎连续不断地对其进行监测。
今天，有 6 个空军和 11 个国家地理空间情报局 (NGA) 监测站。监测站跟踪所有卫星；事实上，每颗 GPS 卫星始终被至少 3 个这样的站点跟踪。监测站收集距离测量值、大气信息、卫星轨道信息、时钟误差、速度、赤经和赤纬，并将它们发送到 MCS。它们还向 MCS 提供伪距和载波相位数据。MCS 需要这种持续不断的信息流。它为年历、时钟校正、星历表和构成导航消息的其他组件的计算提供了基础。新站点还改善了控制段的地理多样性，这有助于 MCS 隔离错误，例如，区分时钟误差和星历误差的影响。换句话说，现在系统中问题的诊断和解决方案更加可靠，因为 MCS 有多余的卫星异常观测数据可以使用。测试表明，增强的控制段和随后改进的建模已大大提高了导航消息中时钟校正和星历表的准确性，并可能有助于将实时 GPS 的准确性提高 15% 或更多。一旦计算出消息，就需要将其发送回卫星。一些电台有用于上传的地面天线。四个监测站与此类天线并置。阿森松岛、卡纳维拉尔角、迪戈加西亚的车站，和 Kwajalein 通过 S 波段传输将导航和节目信息上传到卫星。卡纳维拉尔角站也有能力在发射前检查卫星。控制段的现代化改造已经进行了一段时间，而且还在继续。2007 年，发射/早期轨道、异常解决和处置操作任务 (LADO) 基于 PC 的地面系统取代了基于大型机的指挥和控制系统 (CCS)。此后，雷渡数次升级。它只使用空军卫星控制网络 (AFSCN) 远程跟踪站，而不是专用的 GPS 地面天线来支持卫星从航天器分离到检查、异常解决，一直到报废处理。它还有助于卫星运动的性能以及向 GPS 有效载荷和子系统呈现遥测模拟。空军太空司令部 (AFSPC) 于 2010 年 10 月接受了 LADO 处理当时最先进的 GPS 卫星 Block IIF 的能力。
另一个现代化项目被称为下一代操作控制系统或 OCX。OCX 将有助于全面控制新的 GPS 信号，如 L5、L2C 和 L1C 以及即将推出的 GPS III 程序。
http://www.wslfweb.org/docs/roadmap/irm/internet/dod/roadmap/afspcirm.htm
https://www.gps.gov/multimedia/images/GPS-control-segment-map.pdf
http://www.wslfweb.org/docs/roadmap/irm/internet/spforsup/cat/html/sfssoafs.htm
Understanding Algorithm Performance on an Oversubscribed Scheduling Application
https://www.researchgate.net/profile/Adele-Howe/publication/220543114_Understanding_Algorithm_Performance_on_an_Oversubscribed_Scheduling_Application/links/0deec52cae4f880574000000/Understanding-Algorithm-Performance-on-an-Oversubscribed-Scheduling-Application.pdf
原文始发于微信公众号（太空安全）：卫星地面监控系统SCN简介V1.0
