美國成功發射的首顆新一代戰術通信衛星

□□2012年2月24日，美軍首顆新一代窄帶軍用衛星通信系統—“移動用戶目標系統”（MUOS）衛星（MUOS SV1）從卡納維拉爾角空軍基地成功發射，這標志著美軍新一代窄帶軍用通信衛星系統開始正式部署。作為現役的“特高頻后繼星”（UFO）的最終替代系統，MUOS旨在為美國及其盟國作戰人員提供覆蓋全球的、更為通暢和強大的超視距戰術通信能力，包括具有穿透濃密樹林和在惡劣氣候中以及在有阻擋通信信號傳播的建筑等障礙物的城市或其他地區進行可靠通信的能力，并具備與美軍計劃部署的“聯合戰術無線電系統”（JTRS）等下一代通信系統進行數據鏈通和傳輸的能力。

1 背景及概況

美國軍用衛星通信系統由美國國防部負責，分為窄帶、寬帶和受保護等三大部分，負責為美軍提供空間多維信息鏈接。窄帶系統采用特高頻（UHF）頻段，提供用戶的話音、低數據速率、移動通信服務等；寬帶系統采用X和Ka頻段，主要解決大容量、高數據速率通信需求；受保護系統則采用極高頻（EHF）頻段，主要解決保密、抗干擾、防探測和防非授權進入通信需求，適用于保密通信。隨著衛星通信技術在軍事領域的廣泛應用，以及美軍在全球作戰環境多樣性和不可預測性的增加，包括“艦隊衛星通信”（FLTSATCOM）、UFO等傳統的窄帶軍用衛星通信系統愈來愈顯示出其容量不足、抗干擾能力差等缺點，難以滿足美軍作戰需求。為此，美國國防部一方面持續對UFO等衛星系統進行完善升級，包括加裝EHF插件、增加編碼功能、提升終端性能等；另一方面則指定位于弗吉尼亞州的“海軍計劃執行辦公室空間系統組”牽頭負責研發更為先進的MUOS，以滿足那些機動性更強、容量需求更大、業務質量要求更高的用戶需求。

1999年，“海軍計劃執行辦公室空間系統組”制訂了《MUOS作戰要求文件（ORD）》草案。2001年，美國國防部審查同意MUOS計劃，并與美國洛馬公司、美國雷聲公司分別簽訂了為期14個月的部件高級開發（CAD）階段合同，要求這兩家公司及團隊2003年前完成MUOS的概念探索階段（CEP），提供各自的MUOS概念性研發方案。2004年2月，洛馬公司及研發團隊正式提交MUOS的方案。同年9月，美國國防部正式批準MUOS的相關采購計劃，并決定由洛馬公司負責提供衛星群、地面系統、衛星及網絡控制系統等。

對MUOS衛星進行性能測試

MUOS系統全球覆蓋示意圖

2005年3月，美軍完成了MUOS初步設計評審，對MUOS的體系結構進行了明確。MUOS仍采用UHF頻段，既可支持美海軍作戰概念，又能實現與UFO的兼容性和互操作性，以確保UFO用戶向MUOS的平穩過渡。美軍還啟動了MUOS空間與地基部分的關鍵設計和發展階段，以確保下一代窄帶戰術衛星通信系統能滿足用戶的需求。

2007年3月，洛馬團隊如期并按預算完成了關鍵設計評審，評審驗證了整個MUOS的詳細設計。美國國防部隨后批準洛馬公司生產首批2顆MUOS衛星及整套MUOS地面系統。2008年4月，美國國防部授予了聯合發射聯盟一份合同，要求聯合發射聯盟使用宇宙神－5火箭發射首顆MUOS衛星。2009年10月，洛馬公司在位于加利福尼亞州森尼韋爾的空間系統裝備中心進行了一項公開演示，確認了雙UHF有效載荷傳統無線電臺和MUOS試驗終端使用最新開發的寬帶碼分多址（WCDMA）波形和地面系統的兼容性。這項具有里程碑意義的演示除標志著MUOS對之前的窄帶衛星通信系統的良好兼容性得到進一步確認外，也預示著系統即將進入正式的發射和部署階段。此后，MOUS研發進展順利。2010年6月，洛馬公司完成了MUOS衛星的系列地面試驗，驗證了集成的MUOS衛星整星性能，并確保了衛星平臺、衛星有效載荷和運載火箭的電磁能力。2011年12月15日，洛馬公司建造的首顆MUOS衛星運抵卡納維拉爾角空軍基地，并進行了包括運輸前試驗、燃料加注、有效載荷整流罩封裝等多項發射準備。2012年2月24日，首顆MUOS衛星搭乘宇宙神－5火箭成功發射升空。與此同時，洛馬公司也在加緊建造第2顆MUOS衛星，并已進入環境試驗階段。

2 MUOS的組成

MUOS的總體目標是向美軍及盟國作戰人員提供包括聯網、點對點和移動等形式的、覆蓋全球的超視距通信以及聯合互操作能力。與現有的UFO相比，MUOS采用WCDMA蜂窩技術來實現全球覆蓋，容量達到UFO系統的10倍以上，信道可用率大于97%；窄帶話音信道傳輸速率可達9.6kbit/s，寬帶數據信道傳輸速率可達64kbit/s。此外，MUOS仍然使用BPSK調制方式，兼容原有的UHF終端。按照相關規劃，MUOS主要包括空間星座、地面控制中心和用戶終端等部分。

空間星座

MUOS衛星在軌運行示意圖

MUOS結構示意圖

按照設計，MUOS星座將包括5顆MUOS衛星（含4顆地球靜止軌道衛星和1顆在軌備用衛星），每顆衛星搭載2個有效載荷，使得MUOS既能與目前的體系兼容，又可向軍隊用戶提供升級的WCDMA系統。利用3G手機和最先進的衛星技術，MUOS 將以更高的數據速率向作戰人員提供點對點網絡通信服務，以及按需提供基于優先級訪問的話音、視頻和數據傳輸。MUOS衛星采用60GHz的星間鏈路（ISL）。第1顆MUOS衛星定位于72°（E），可覆蓋朝鮮和西南亞2個戰場，將增加傳統用戶的通信容量和頻譜可用性；第2顆MUOS衛星計劃定位于177°（E），可加強對朝鮮的覆蓋，并將覆蓋范圍擴大至太平洋地區；第3顆衛星計劃定位于15.5°（W），可加強對西南亞地區的覆蓋，并將大西洋包括在內；第4顆衛星計劃定位于100°（W）；備用星則計劃定位于75°（E），可隨時漂移到有需要的地區，以增加這個地區的可用信道數量。根據美國國防部公布的相關合同，美國愛立信公司負責提供MUOS衛星的WCDMA移動通信系統的無線設備，美國諾格公司則為首批的2顆MUOS衛星提供可擴展的慣性導航裝置。

地面部分

MUOS的地面部分主要由衛星控制中心、網絡控制中心和MUOS網關等組成。出于衛星遙測、跟蹤和指令方面的考慮，MUOS將采用現有的控制系統，由位于加利福尼亞州莫古角的海軍衛星測控中心進行控制，而位于科羅拉多州謝里佛爾空軍基地的空軍衛星控制網則充當備用控制中心。衛星控制中心使用美國國防部指定的遙測、跟蹤與控制（TT&C）頻率對衛星進行追蹤控制。由于利用了最先進的Ka頻段天線設計，因此可進行高精度的自動跟蹤。網絡控制中心和MUOS網關則負責提供與國防信息網絡（DISN）以及公共電話交換網絡（PSTN）的接口。其中，網絡控制中心為系統提供UHF頻段按需分配多址接入（DAMA）控制，為用戶的通信申請動態分配通信頻率。MUOS網關共計4處，分別位于美國夏威夷、美國弗吉尼亞、意大利西西里和澳大利亞杰拉爾頓，這些網關均采用光纖網絡技術，可與位于夏威夷和弗吉尼亞的網絡管理和交換中心連接。此外，MUOS網關通過Ka頻段的通信鏈路連接衛星，實現Ka-UHF頻段的交鏈。

用戶終端

MUOS終端包括地面移動終端、可搬移終端以及海面艦艇用戶終端等，采用公共空中接口（CAI），可以通過MUOS網關、DISN與政府擁有的商用網關連接到商用的移動衛星服務。MUOS用戶也可以通過DISN電信港與其他軍用通信衛星的用戶進行通信。終端用戶能夠感受到的改進包括真正的移動通信能力，更好的連通性以及顯著增加的用戶容量。舊的系統只能同時應付1000多個用戶進行通信，而MUOS將可以同時容納17000個用戶以2.4kbit/s的速率進行數據傳遞。MUOS還兼容原有的UHF終端，以便使現有的窄帶衛星系統繼續發揮作用。相比于總傳輸速率（即帶寬）為2.7Mbit/s的舊系統，MUOS所有用戶的總傳輸速率將大大提高，達到40Mbit/s。不僅如此，MUOS的新型的手持終端還能與美軍最新的“聯合戰術無線電系統”兼容。

3 MUOS的技術特點

更先進的交叉鏈路技術

在MUOS中，用戶間信息流的傳遞與UFO有很大的不同。用戶終端經由UHF 的WCDMA上行鏈路把信息發到MUOS衛星上，衛星通過Ka頻段下行鏈路把此信息轉發到分別坐落在夏威夷、弗吉尼亞、西西里和杰拉爾頓的4個地面站之一。這4個地面站是互通的，其網絡管理設備放置在夏威夷和弗吉尼亞。網管設備會判別出信息所要通向的目標用戶，并把其轉發到合適的地面站，然后該地面站會通過Ka頻段上行鏈路把信息發到衛星上，最后衛星經由UHF WCDMA下行鏈路把信息發送到正確的目標用戶，從而實現Ka-UHF頻段的交叉鏈接。除此之外，MUOS還會提供一個選擇國防信息資料系統的網絡服務，話音服務以及數據服務的入口，而過去的UFO系統是無法做到這些的。

更有效的適應能力

盡管以MUOS為代表的窄帶軍用衛星通信不具備像“寬帶全球衛星通信”（WGS）等系統那樣進行大量數據傳輸的能力，但它的波長特性使得UHF頻段成為能穿透包括濃密樹葉、有阻擋通信信號傳播的建筑等障礙物，以及惡劣氣候等環境因素限制的唯一頻段。這正是那些處于基層和前沿作戰的士兵完成任務所迫切需要的。相較現有系統，MUOS不但可以提供更高的數據傳輸速率、更大的呼叫容量、更穩定的連接，而且網絡和呼叫的建立更加便利，并且可能被用在美國海軍的遠程遙感器、單兵背包以及手持終端上。因此，美國國防部MUOS項目的負責人韋恩?科爾斯表示，“UHF衛星通信十分重要，因為它能突破現代戰場上小型移動終端只能實現視距通信的局限，MUOS將會提高所有環境和地形下小型終端的通信能力和聯通水平。這將確保今天戰場上的戰術執行者能夠在隱蔽電磁行蹤的原則下，始終與其他部隊保持至關重要的通信聯絡”。

整流罩中的首顆MUOS衛星

更優異的抗干擾性

首顆MUOS抵達發射場

每顆MUOS衛星通過16個點波束實現覆蓋，采用這種方式可以避免以前UFO采用全球波束容易遭受任何地區的上行干擾問題。通過多個點波束覆蓋不同的作戰區域，可以實現不同區域的作戰單元采用多個波束進行通信，能降低敵方的單一作戰平臺對通信系統的干擾，即敵方無法通過單一作戰平臺獲得當前區域的干擾目標信息，也無法對其他波束的作戰目標實施干擾。同時，MUOS衛星的多個點波束指向不同區域，可以利用衛星監測設備發現某一波束內的干擾信號，通過調整波束指向避開干擾源所處的區域，提高系統的抗干擾性能。此外，MUOS還充分利用商用的先進技術，在兼容UFO的工作方式下，綜合運用頻分多址（FDMA）、時分多址（TDMA）和碼分多址（CDMA）的技術體制，極大地提高了系統的通信容量和效果。

4 對美軍軍用通信能力的影響分析

大幅增強美軍全球戰術通信的能力

隨著美軍部隊信息化轉型的加速，衛星通信在各類軍事和非軍事行動中的保障作用日漸凸顯。針對現有UFO容量相對較小且易受干擾等缺點，MUOS采用第三代商用蜂窩技術（3G）以及WCDMA波形和通用移動電信系統（UMTS）基礎結構。每顆MUOS衛星可把其需要覆蓋的區域劃分為數個蜂窩，每個蜂窩由一個點波束來對應。各個蜂窩的面積不盡相同，熱點地區由若干個蜂窩來覆蓋，每個蜂窩的面積相對小些；而對幅員遼闊但通信需求量少的地區，則僅用一個“大”蜂窩來覆蓋。由于采用了WCDMA蜂窩技術，不同的蜂窩間可實現頻率再用；同一個蜂窩里，所有用戶在同一時間內使用相同的頻率來通信，其信道的劃分是通過不同的波形，即不同的擴頻碼來區分的。在相同傳輸條件下，就MUOS單個蜂窩而言，它可提供的信道數顯然要比UFO少。然而，MUOS劃分的蜂窩數眾多，各個蜂窩可用信道數的總和則比UFO大得多。此外，MUOS還修訂了WCDMA波形的最大傳輸時延以適應通過同步衛星的通信，同時增加通信的優先級與安全性控制以適應軍事通信中的各種通信需求，把高質量的聲音與同步移動圖像連接起來，從而滿足主戰區聯合作戰（CMTW）的通信需求。

MUOS位于夏威夷的地面站拋物面天線陣列

有效滿足美軍未來多軍種聯合作戰通信需求

從最初的概念設計起，美軍就提出了新老系統之間的過渡和兼容問題。因此，洛馬公司及其團隊對MUOS衛星的設計與現存的UFO完全兼容，以保證各軍種已經采購或即將采購的以及已經裝備或即將裝備的用戶終端可以在不增加投資的情況下維持其互通性，為保障未來美軍多軍種聯合作戰的順利進行，MUOS衛星還可與美軍現役或在研的部分通信電臺聯通。例如，美軍在研的下一代AN/ARC-210電臺—RT-1939-C是AN/ARC-210的第5代是軟件可編程電臺，它可支持MUOS、UHF 衛星通信的綜合波形（IW）等，美國陸海空三軍和海岸警衛隊的F-18、C-130、A-10和無人機上都有裝備。美國陸軍現役的FalconIII AN/PRC-117G多頻段戰術背負式無線電臺也具備了與MUOS的兼容性。因此，MUOS衛星不但能極大提高美軍方的通信可用性，并可最大限度地發揮美軍未來“聯合戰術無線電”系統終端的全部特性能力。

進一步促進美軍與盟軍執行聯合作戰任務的能力

近年，美國逐步加大了與盟國尤其是澳大利亞在衛星領域的合作關系，先后在WGS、MUOS等多個衛星項目上與其展開合作。其中，美國國防部與澳大利亞國防部在2007年11月簽署了保密諒解備忘錄，就美國在澳大利亞杰拉爾頓建立MUOS地面站設施達成協議。2008年3月，聯合地面站建設開始，新的設備與澳大利亞國防衛星通信站建在同一地點，兩者相互配合但分別管理。該地面站將包含3個容納電子設施、能源和備份的小型建筑物，3個18m高的衛星天線和2個小型天線，并完全實施自動化操作。同時，美國夏威夷海軍計算機與電信處區域總站的天線場站建設則于2008年7月完工，具體設施包括3個直徑約18.29m、每個質量約227t的拋物面天線。這些天線最終將通過衛星與位于美國弗吉尼亞州、意大利和澳大利亞的其他3個場站的天線互聯。屆時，美澳雙方在窄帶軍用衛星通信領域的聯合通信能力將得到大幅提升，并最終促進和強化美國與盟國軍隊執行聯合作戰任務的能力。

5 結束語

目前，MUOS已經成為了美國國防部最成功的高透明度項目之一。雖然該系統實現完全作戰能力仍面臨諸多技術難題，但隨著后續衛星的陸續建造和部署，其對未來美軍通信能力必將產生更為深遠和積極的影響。