Wenn der Ballon steigt: Naval Mesh Networking mit Stratosphärenballons

Pitch Your Capability-Themenwoche

Von Mark Howard

Die Koordinierung verteilter maritimer Operationen, insbesondere in einem Peer-on-Peer-Konflikt, wird sich wahrscheinlich als schwieriges Problem erweisen. Die Umgebung wird stark umkämpft sein und die Befehlssysteme werden beansprucht. Insbesondere das Kommunikations- und ISR-Netzwerk muss funktionssicher und belastbar sein. Die Aufrechterhaltung eines hohen Maßes an Situationsbewusstsein wird in allen Aspekten des Einsatzes von entscheidender Bedeutung sein, vom ersten Truppeneinsatz bis zur Konzentration der Feuerkraft auf Ziele. Das C4ISR beider Seiten wird alles umfassen, vom Radar über dem Horizont bis hin zu unterirdischen Abhörgeräten und weltraumgestützten Orbitalanlagen, die alle zusammen das Überwachungsnetz transparenter machen werden. Doch die Aufrechterhaltung der Bandbreite, die für die Kommunikation über weite Gebiete erforderlich ist, wird, insbesondere angesichts gegnerischer Störsender und der großen Entfernungen zwischen Einsatzgebietskommandanten, eine ernsthafte betriebliche Herausforderung darstellen.1

Die Bemühungen der US-Marine zur elektromagnetischen Manöverkriegsführung zielen auf eine Zukunft ab, in der es möglicherweise nur wenige Sender in einem Schlachtfeld gibt, während die übrigen Streitkräfte alle auf Empfang sind.2 Diese Bemühungen beginnen, das Labor zu verlassen und ihren Weg in die Flotte zu finden. aber es bleibt noch viel zu tun. Um diese Herausforderungen zu meistern, werden erhebliche Ressourcen in die Verbesserung der Low Earth Orbit (LEO)-Fähigkeiten und UAV-Relais investiert, die störsicher sind. Diese Bemühungen laufen auf den Aufbau eines Mesh-Netzwerks hinaus, eines Netzwerks, in dem jeder Knoten direkt und nicht hierarchisch miteinander verbunden ist.3 Diese Knoten sind in der Lage, sich selbst zu bilden, zu heilen und zu organisieren.4 Mesh-Netzwerke bieten eine höhere Widerstandsfähigkeit und risikowürdige Art von Netzwerk, das die Bedürfnisse von Kriegskämpfern in einem umkämpften Umfeld besser erfüllen kann.

Diese neu entstehenden Mesh-Netzwerke, die stark auf weltraumgestützten Anlagen und UAVs basieren, sollten durch Stratosphärenballons ergänzt werden. Diese weltraumnahen Plattformen arbeiten deutlich über typischen Flugzeugen, aber deutlich unter LEO-Satelliten und stellen damit eine Herausforderung für die herkömmlichen Zähler für Höhen- und weltraumgestützte Sensoren dar. Durch die starke Kombination aus hoher Ausdauer, geringen Kosten, geringem Platzbedarf und modularen Nutzlasten sind Stratosphärenballons bereit, einen wichtigen Beitrag zur Mesh-Vernetzung im Kampfraum zu leisten.

Ballonfähigkeiten und Überlegungen

Die Ballonabdeckung ist besonders umfassend, da die Plattform in der Lage ist, große Höhen zu erreichen, beispielsweise einen Raum mit einem Durchmesser von über 600 Meilen für einen Ballon in 65.000 Fuß Höhe abzudecken. Die Fähigkeit, tiefer als Satelliten zu arbeiten, ermöglicht es diesen Plattformen, Merkmale mit geringerer Leistung und über größere Entfernungen aufzulösen. Betrachtet man einen Punkt am Nadir, sind weltraumnahe Ballonplattformen 10–20 Mal näher an ihren Zielen als ein typischer 400 Kilometer hoher LEO-Satellit.5 Dieser Abstandsunterschied impliziert, dass die Optik auf weltraumnahen Plattformen viel kleiner sein kann, um eine ähnliche Leistung zu erzielen Und offensichtlich sind die Kosten für den Start dieser Fähigkeit weitaus geringer als für raketengestützte Orbitaleinsätze.

Ungeachtet der jüngsten Ballonabschüsse, die für Schlagzeilen sorgten, sind weltraumnahe Plattformen durchaus überlebensfähig und ihre kostengünstige, unbemannte Natur macht sie relativ risikowürdig. Lockheed-Martin untersuchte Ballons in einem Briefing mit dem Titel „Vorstudie: Überlebensfähigkeit und Verwundbarkeit von Luftschiffen in großer Höhe“6 und kam zu dem Schluss, dass sie über extrem kleine Radar- und Wärmesignaturen verfügen, die sie für die meisten herkömmlichen Verfolgungs- und Zielmethoden besonders schwierig machen. Schätzungen ihres Radarquerschnitts lagen in der Größenordnung von Hundertstel Quadratmetern. Wenn man bedenkt, wie weitläufig ihre Einsatzgebiete in Bezug auf Fläche und Höhe sein könnten, wäre es schon eine Herausforderung, Ballons zu finden, geschweige denn, einen Einsatz in großer Höhe bis zum Abschluss durchzuführen.

Weltraumgestützte Mittel sind so stark nachgefragt, dass sie für taktische Kommandeure in der Vergangenheit nur schwer zu bewältigen waren. Welche Mission auch immer ein örtlicher Kommandeur ausführen muss, es scheint immer eine lange Reihe strategischer Missionen mit höherer Priorität zu geben, die von anderen Kommandos und übergeordneten Behörden gefordert werden. Raumnahe Ballons würden nicht unbedingt denselben Behörden unterliegen und könnten eher verfügbare Gefechtsressourcen sein, die unter die direkte Kontrolle taktischer und lokaler Kommandeure fallen. Diese Kommandeure werden viele eigene Anforderungen haben, aber die beiden höchsten Anforderungen dürften dauerhafte Fernkommunikation und ISR-Fähigkeiten sein. Durch den Betrieb vieler dieser kostenintensiven Plattformen in weiten Gebieten können taktische Kommandeure einen Großteil ihres Informationsbedarfs decken.

Das wohl bekannteste kommerzielle Ballonprojekt ist Googles Project Loon. Dieses Projekt startete 2011 mit dem Ziel, über ein Mesh-Netzwerk aus Internet-Ballons Internetdienste für Gebiete ohne zuverlässiges Internet bereitzustellen. Als das Projekt im Jahr 2021 endete, waren praktisch alle technischen Herausforderungen, mit denen das Team konfrontiert war, gelöst und das Projekt verband erfolgreich Hunderttausende Benutzer mit Netzwerken schwimmender Mobilfunkmasten, die in der Stratosphäre betrieben wurden. Das Ende des Projekts war hauptsächlich auf finanzielle Bedenken zurückzuführen, denn wie der Teamleiter schrieb, „erwies sich der Weg zur kommerziellen Rentabilität als viel länger und riskanter als erhofft.“ Unabhängig von der geschäftlichen Machbarkeit war die technische Machbarkeit kein großes Problem mehr.7 Aus technischer Sicht erreichte das Team viele Dinge, die zuvor für unmöglich gehalten wurden, wie z. B. die präzise Steuerung von Ballons in der Stratosphäre, die Schaffung eines funktionsfähigen Maschennetzwerks am Himmel usw Entwicklung von Ballons, die den rauen Bedingungen der Stratosphäre fast ein Jahr lang standhalten können.

Eine der stärksten Fähigkeiten, die dem örtlichen Kommandeur geboten werden, wird eine dauerhafte Plattform sein, die eine Betriebsstation über Monate hinweg, vielleicht sogar noch länger, aufrechterhalten kann. Bis zum Abschluss von Project Loon hatten sie eine durchschnittliche Flugdauer von 161 Tagen erreicht. Darüber hinaus sind weltraumnahe Anlagen nutzlastunabhängig und hochgradig modular. Sie können entweder als Kommunikationsrelais oder als ISR-Plattform mit einer Vielzahl von Sensoren und Sendern verwendet werden. Während die von Project Loon verwendeten Ballons auf etwa 260 Kilogramm Nutzlast begrenzt waren, hätten die Nachfolgeluftschiffe, die Project Loon einsetzen wollte, mehr als 1.875 Kilogramm heben können. Die Vortriebsleistung der eingesetzten Ballons lag bei etwa einem Meter pro Sekunde, der Plan bestand jedoch darin, diese auf etwa 7,8 Meter pro Sekunde zu erhöhen, damit die Plattform ihre Position besser halten oder schneller zu einem neuen Interessengebiet umpositionieren kann.

Je mehr Plattformen oder Knoten in der Luft sind, desto robuster und weitreichender ist das Mesh-Netzwerk. Project Loon hat im Jahr 2020 die Fähigkeit bewiesen, ein Punkt-zu-Punkt-Mesh-Netzwerk mit einer Länge von 3.500 Kilometern aufrechtzuerhalten. Für diese große Reichweite waren 33 Ballons erforderlich, doch mit einer größeren Nutzlast, wie sie das Luftschiff Loon entwickelte, hoffte man, die Anzahl der benötigten Knoten um mehr als die Hälfte zu reduzieren. Flugtests zeigten, dass mit nur sieben Ballonknoten eine 1.000 Kilometer lange Backhaul-Verbindung aufrechterhalten werden kann. Weitere Tests zeigten die Fähigkeit, zwei Anlagen über eine Entfernung von 600 Kilometern zu verbinden. Die primären Kommunikationsverbindungen erfolgten über Funk, aber Loon hatte begonnen, mit Optiken zu experimentieren, die große Datenmengen über Lichtstrahlen übertragen. Dieses Loon-Unterprojekt wurde von Google nicht abgebrochen und lebt heute als Projekt Taara weiter.8 Durch die Kombination von Lichtstrahl-Datenübertragung mit einer breiten Präsenz verbundener Ballons können Kampfflugzeuge große Datenmengen mithilfe von störfesten, störanfälligen und störanfälligen Luftballons durch das Schlachtfeld bewegen. Signaturmethoden.

Das Verteidigungsministerium setzt bereits den SkySat-Funkverstärker ein und erweitert die Ballonplattform um ISR-Fähigkeiten, diese Anwendungen scheinen jedoch auf Bodenoperationen beschränkt zu sein.9 Dieses System erweitert die standardmäßige Zwei-Wege-Funkverbindung von 10 Meilen auf 500 Meilen und wurde bereits eingesetzt durch das Marine Corps in vorderen Gebieten. Als Ausgangspunkt kann die Marine diese vorhandenen Systeme nutzen, um die Möglichkeiten für zukünftige Marineballonfähigkeiten zu erkunden.

Abschluss

Bei der Erörterung weltraumnaher Anlagen erwähnten einige den „Kicherfaktor“, wenn jemand auf die Idee kam, Ballons für militärische Zwecke einzusetzen. Bei einer objektiven Betrachtung der Fähigkeiten von Stratosphärenballons würde man schnell erkennen, wie robust diese Plattformen sind und welches großes Potenzial sie für militärische Anwendungen haben. Traditionelle Vorstellungen darüber, wie militärische Fähigkeiten aussehen „sollten“, müssen differenzierteren Vorstellungen davon weichen, was inmitten der sich entwickelnden technologischen Landschaft möglich ist. Im Fall von Stratosphärenballons ist die Fähigkeit bereits recht ausgereift und reif für die Nutzung.

Mark Howard ist ein pensionierter Marinekommandeur, der seine Zeit als Offizier für elektronische Gegenmaßnahmen verbrachte und ein Absolvent des Naval War College ist.

Endnoten

1. Clark, Bryan und Walton, Timothy; Taking Back the Seas Transforming the US Surface Fleet for Decision-Centric Warfare, veröffentlicht von CSBA 2019.

2. Von NAVSEA veröffentlichter Artikel, abgerufen am 2. Juni 2023: https://www.navsea.navy.mil/DesktopModules/ArticleCS/Print.aspx?PortalId=103&ModuleId=127458&Article=1361428.

3. Lundquist, Edward, Tactical Sea-Air-Shore Communications – Network Effectiveness and Survivability braucht mehr Knoten, Herausgegeben von der Mönch Verlagsgesellschaft mbH, Naval Forces III-IV/2020, Seite 40.

4. Bordetsky, Alexander; Benson,Stephen; und Hughes, Wayne, Mesh Networks in Littoral Operations, veröffentlicht im Blog des US Naval Institute, 12. Mai 2016.

5. Tomme, Edward, The Paradigm Shift to Effects-Based Space: Near-Space as a Combat Space Effects Enabler, Research Paper Nr. 2005-01 (Maxwell AFB, AL: Air University, 2005), verfügbar unter .

6. ebenda.

7. Von Google veröffentlichte Project Loon-Aufzeichnungen, abgerufen am 2. Juni 2023, .

8. Übersicht über das Projekt Taara, veröffentlicht von Google, abgerufen am 2. Juni 2023, .

9. Von Ehrenfried, Manfred; Stratosheric Balloons – Science and Commerce at the Edge of Space, herausgegeben von Springer Praxis Publishing, Chichester, Großbritannien, 1. Auflage. 2021.

Ausgewähltes Bild: Ein Höhenballon, der HySICS-Instrumente in den äußersten Teil der Erdatmosphäre transportiert, wird bei Sonnenaufgang am Morgen des 29. September 2013 mit Helium aufgeblasen. (Foto der NASA über HySICS Team/LASP)