美國軍事衛星通信系統發展研究

陳 亮

(中國電子科技集團公司第三十六研究所，浙江嘉興314033)

0 引言

從20世紀60年代開始，美國軍事衛星通信(MILSATCOM)的應用得到了快速增長。到2020年，美國軍事衛星通信系統的核心系統將包括10顆寬帶類型的寬帶全球衛星系統(WGS)衛星、5顆窄帶類型的移動用戶目標系統(MUOS)衛星和6顆抗毀類型)的先進極高頻(AEHF)衛星。

隨著美軍寬帶、窄帶、抗毀三個系列的軍事衛星通信系統衛星的陸續發射，其作戰能力也在逐步形成。這些不同類型的軍事衛星通信系統結構復雜、功能先進、造價不菲，它們雖然代表了當今軍事衛星通信系統的最高水平和最新發展趨勢，但是在開發和部署的過程中還是出現了開發進度延期、成本預算超支等諸多問題。雖然引入商業衛星通信系統，可以緩解當前美軍軍事需求和預算不足的現狀，但是仍然不能滿足美軍對于安全、抗干擾的軍事衛星通信能力的需求。

未來美國軍事衛星通信系統在體系結構上將探索采用解聚的衛星通信系統體系結構，降低系統開發的成本，豐富系統的作戰應用能力;在技術上引入可重新編程的載荷技術，增加系統的靈活性;此外美軍還重視同業界的溝通，通過聯合開發等模式，提高用于軍事目的的商業衛星通信系統的可靠性。

1 美國軍事衛星通信系統的發展現狀

截止2013年12月31日，三大美國軍事衛星通信系統的發展現狀如表1所示。

1.1 寬帶衛星通信系統

WGS衛星通信系統在項目啟動之初不過是一個美軍填補雄心勃勃但已經終止的轉型衛星通信(TSAT)系統空缺的項目，但11年后，在美國國防部未來十年軍費開支削減4 870億美元預算之際，WGS衛星通信系統是公認的成功典范。

(1)WGS衛星通信系統已成為美軍寬帶數據傳輸的主力

雖然美軍未來寬帶星座最初所始料不及的，但是WGS衛星星座已經開始承擔起美軍的大部分寬帶通信。單顆WGS衛星(能轉發Ka波段和X波段頻率的)通信容量是目前仍然在軌的整個國防衛星通信系統(DSCS)的10倍。

當前，3顆在軌運行WGS衛星處理著美國國防部90%的寬帶需求，其余10%則由在軌的7顆DSCS衛星和海軍特高頻后續衛星處理。大量能夠同新型WGS衛星兼容的終端仍處在向部隊部署的進程之中。

然而從大體上說，美軍正在從使用商用衛星通信轉向使用WGS衛星，但現在認為商用通信衛星市場的衰減還為時過早。

(2)新型體系結構提升了WGS衛星通信系統的通信能力

WGS衛星通信系統的通信能力提升的要因是采用WGS Block II的技術體制，以及波音公司成熟的702衛星平臺。

1)WGS Block II。WGS衛星通信系統現已順利進入Block II階段。WGS－4衛星作為這個系列的首顆衛星，于2012年1月19日發射，并于2012年4月11日移交給美國空軍。相對于頭3顆已經在軌運行的WGS Block I衛星，WGS－4衛星具有一個射頻旁路，可以以Block I衛星的3倍左右速率轉發大帶寬機載情報圖像，它大大增加了WGS星座的容量和冗余度。WGS星座需要5顆衛星才能實現全球覆蓋。

2)702HP衛星平臺。現代化的WGS－10衛星是基于波音公司成熟的702衛星平臺制造的，該平臺利用了引領業界幾十年的成熟的空間技術。

基于波音702HP衛星平臺的能力，波音公司正在調查利用高增益天線為作戰人員提供更多的動中通通信以此來支持所謂的偏遠地區用戶，以及一些不能攜帶大型天線進行數據轉發的用戶。這些高增益天線通過當前現有WGS天線可以非常容易且具有很高性價比地獲取有效數據包。地面用戶還希望衛星能夠提高X波段和Ka波段的覆蓋區域同時，具備更強的抗干擾能力。

1.2 窄帶衛星通信系統

MUOS衛星通信將最終替代目前的UFO衛星通信系統，為美國軍方用戶提供10倍以上于當前系統的通信能力，美軍對此有著巨大的需求。另一方面各個衛星通信系統提供商都熱衷于為美軍開發兼容MUOS的無線電設備，預計MUOS衛星通信系統終端將廣泛部署在美軍的各種平臺上。

(1)MUOS衛星通信系統提高了美軍UHF衛星通信能力

MUOS－1衛星及相關地面系統將在2012年形成初始在軌作戰能力，而后在2013年發射MUOS－2衛星。預計到2015年5顆衛星組成的星座才能實現完全作戰能力，2025年之后把UHF窄帶通信能力擴展到美軍。

一顆MUOS系統衛星可供4倍于UFO星座(8顆衛星)的容量。MUOS衛星上還搭載有完全兼容UFO系統終端的傳統的UHF有效載荷。這種雙有效載荷的設計能夠確保從淘汰的UFO系統向最新的WCDMA技術轉型。WCDMA有效載荷，其數據傳輸能力想到與現有特高頻衛星系統的16倍，并可以通過國防信息系統網絡實現全球連接，衛星還支持全雙工的話音和數據傳輸。

(2)MUOS衛星通信終端將廣泛部署在美軍各種平臺上

由于當前商用MUOS終端還沒有上市，但在技術上實現兼容MUOS衛星通信系統的終端并不存在任何問題，業界可以以非常快的商業速率提供這種能力，因此各個衛星通信系統提供商都熱衷于為美軍開發兼容MUOS的無線電設備。

雷聲公司通過升級現有的AN/ARC－231電臺系統，旨在實現美國國防部對于機載、多頻段、多任務、安全抗干擾話音、數據和圖像的傳輸和提供網絡使能的通信能力的需求。目前該電臺廣泛地部署在美國陸軍的直升機上，包括MH－60L/M和UH－60L/M“黑鷹”、UH －1N Hueys、AH －64“阿帕奇”和美國空軍(USAF)的RC－135“聯合鉚釘”和聯合STARS飛機上。

雖然MUOS終端潛在資源豐富，但是美軍還是需要花費多年時間對這些無線電設備進行測試、大批量采購和戰場部署，為此，全球范圍內大約有70 000～80 000個艦載、機載、車載和坦克UHF終端需要進行更換。

1.3 抗毀衛星通信系統

AEHF衛星通信系統作為美軍最重要的抗毀的衛星通信系統，一顆AEHF衛星所能提供的通信能力將超過目前在軌的5顆“軍事星”所能提供的通信能力的總和。此外，AEHF衛星具有與所有5顆“軍事星”的向后兼容能力。

AEHF系統由3個部分組成:空間部分(衛星)、地面部分(任務控制和相關的通信鏈路)和終端(用戶)。數據通信速率從75比特/秒到8兆比特/秒。

空間部分是由一個地球同步軌道上4顆衛星交聯而成的星座組成的。AEHF衛星載荷的特點是具有星上信號處理能力，以及提供了EHF/SHF交叉頻帶的通信能力。衛星天線部分由2副SHF下行鏈路相控陣天線、2副交聯天線、2副上行/下行戰場抗干擾調零天線、1副上行EHF相控陣天線、6副上行/下行鏈路萬向碟形天線，以及1副上行/下行地面覆蓋喇叭天線組成，增加了覆蓋范圍。

地面部分控制在軌的衛星、監視衛星的狀態和提供對通信系統的計劃編制和監視能力。地面部分具有高度的抗毀性，包括了固定式和移動式控制站。系統上行鏈路和交聯工作在EHF頻段，下行鏈路工作在SHF頻段。

終端部分包含了美國各軍和國際合作伙伴(加拿大、荷蘭和英國)使用的固定和地面移動終端、艦載和潛艇終端、機載終端。雷聲公司已經利用衛星擴展數據率(XDR)波形演示驗證了終端的交互性。XDR波形是美軍最為復雜的低檢測、抗干擾波形。基于此系統的數據傳輸速率將是傳統EHF系統的5倍。

1.4 商業衛星通信系統

美國軍方為實現網絡中心戰，不斷增加軍事通信衛星數量，但因為技術和資金問題已有近10顆軍事通信衛星發射計劃延遲，離確保未來軍事需求的目標還有一定的距離。為了滿足不斷增長的軍事衛星通信需求，租用商用服務己納入國防部基本預算。目前，80%具有固定地面站的美國軍事衛星通信由商業通信衛星運營商提供。

2 美國軍事衛星通信系統面臨的問題

隨著現有美國軍事衛星通信系統項目的推進，開發進度延期、成本預算超支等諸多問題日漸顯現;另一方面，軍費預算和技術體系結構一直困擾著未來美國軍事衛星通信系統前進的步伐;而商業衛星通信系統則不能滿足美軍對于高度保密和抗干擾的通信能力的需求。

2.1 現有軍事衛星通信系統面臨的問題

早期的美國軍事衛星通信系統大多是單任務性質的，只提供某種特定服務。這些任務通常圍繞最適合特定服務的頻段建立的:用于窄帶服務的UHF頻段、用于寬帶中繼的X波段等。單顆衛星既不特別復雜，造價也不高。而現有的美國軍事衛星通信系統包括了更大、更復雜、造價更高的衛星。

早期的美國軍事衛星通信系統可以用小型或中型運載火箭進行發射，但像“軍事星”這樣高度任務集聚的衛星就需要“太陽神IV”火箭進行發射。隨著衛星重量的增加，美軍現有的軍事衛星通信系統的開發進度拖延(如圖1所示)和成本超支(如圖2所示)等問題開始顯現出來。

圖1 美國軍事衛星通信系統開發進度對比Fig.1 Comparison of U.S.MILSATCOM development progress

圖2 美國軍事衛星通信系統開發成本對比Fig.2 Comparison of U.S.MILSATCOM development cost

2.2 未來軍事衛星通信系統面臨的問題

美國國防部在如何實現其未來軍事空間通信體系結構的問題上態度一直不太明朗。2013年在紐約舉行的衛星通信大會上，無論是業界還是政府官員，似乎沒有人明確表態解決這個問題。

美軍對于軍事衛星通信系統的需求不斷增長，但是美軍的軍費預算卻在持續縮減。這種背景下，美軍將無力支持大型衛星計劃。由于目前美軍的軍事衛星已經無法滿足其業務所需，而且也未啟動任何新計劃，因此，商用衛星將很有可能成為今后美軍事衛星通信體系結構的主要組成部分［1］。

2.3 商業衛星通信系統面臨的問題

美軍的三大軍事衛星通信項目只能為軍方提供一小部分所需的軍事通信能力，而且“它們是昂貴的、需要花很長時間來開發和部署”。商業衛星通信系統已經填補了這一空白，它們曾為在伊拉克和阿富汗的美國部隊提供了絕大多數的通信能力。雖然這些提供商盡了最大努力，但是這些衛星不能提供美軍所需的高度保密和抗干擾的能力。

美軍多數軍事衛星通信業務通過脆弱的商業衛星通信系統信道傳輸，這些信道上包含了大量的空間通信。只有大約1%的國防衛星通信是安全、免于攔截和干擾威脅的。雖然對于許多非關鍵功能來說這是一個可以接受的解決方案，但是“廣泛采用非抗毀衛星通信系統讓美國及其盟友極易受到正在努力削弱美國現有信息優勢的敵對勢力的威脅”。

3 未來美國軍事衛星通信系統的發展

未來美國軍事衛星通信系統的發展主要表現在探索不同的體系結構、引入智能手機和其他商業通信技術，并提高用于軍事目的的商業衛星通信系統的可靠性。

3.1 探索解聚的衛星通信體系結構

解聚的思想是通過數量較少的集中任務來創建一個成本更加可控并以增量的方式部署的衛星通信體系結構。主要有兩種解聚方式:第一種是將一個大型的任務集聚系統分解為多個較小的組成部分;第二種是通過為現有系統補充增加的較小組成部分來建立一個更多樣化的增值系統。以下分別以WGS系統的分層增強和AEHF系統的分解來具體說明這兩種解聚的衛星通信體系結構。

第一種情況如圖3所示，通過增加小衛星和/或搭載有效載荷補充由六顆WGS衛星組成的核心系統的能力。在這個概念，新的資產將針對特定的Ka波段軍事任務進行定制，這些任務包括戰術(或戰區內)機載情報、監視和偵察(AISR)，遠距離機載情報、監視和偵察(AISR)和運動中通信(COTM)。根據作戰司令部(COCOM)的即時需求選擇特定的軌道位置，并確保不會干擾WGS星座。新的資產可以是搭載的有效載荷或自由飛行器。

圖3 通過增加資產進行解聚的例子Fig.3 Comparison of U.S.MILSATCOM development progress

第二種情況如圖4所示，通過將現有的AEHF衛星分解成獨立的衛星或有效載荷，分別支持各種戰略和戰術任務，從而實現解聚。在這種情況下，所需的衛星比原來任務集聚時的規模顯著減小，復雜度也降低了。

圖4 通過分解進行解聚的例子Fig.4 Comparison of U.S.MILSATCOM development progress

引入解聚體系結構的另一個原因是資產多樣化的選擇:規模和能力相近的同類資產，或由更加多樣化的資產組成一個混合星座。同類星座最大限度地提高了冗余度，并可利用高產量的批量生產線;而混合星座提高靈活性和對變化的響應能力。后者可以同時包括大型和小型有效載荷，以及搭載的有效載荷和自由飛行器［2］。

3.2 引入軟件可重新編程載荷技術

美國海軍研究辦公室(ONR)、海軍研究實驗室和海軍陸戰隊航空兵共同開發了一種具備實際通信潛能的固有的衛星技術——軟件可重新編程載荷(SRP)。軟件可重新編程載荷是設計用于在一個基于軟件無線電平臺的工具包中實現通信、射頻感應和電子戰等多重功能。在其第一個應用中，軟件可重新編程載荷將允許地面上的海軍陸戰隊員通過“影子”無人機實現相互通信，且不管無線電、網絡或波形正在使用與否。

軟件可重新編程載荷提供了4種基本的應用:自動識別系統、干擾減弱的UHF通信中繼、具有UHF IP路由能力的傳統電臺，以及單信道地面和機載無線電系統。軟件可重新編程載荷采用了與JTRS非常相似的無線電體系結構，它將經歷更多的互操作測試，確保與JTRS兼容［3］。

3.3 提高商業衛星通信系統的可靠性

隨著商業衛星通信系統越來越多地進入美國軍事衛星通信系統的體系結構，并承擔著重要的角色，美軍也日益陷入衛星通信系統成本和安全性權衡的困境，提高商業通信衛星系統的可靠性，使其滿足軍用衛星通信系統的需求是當前和未來美軍必須面對的一個問題。

出于這些原因的考慮，美國空軍在軍事衛星通信系統局(MSCD)的牽頭下著手開展一個大的合同項目，旨在演示并確定使用現有的和/或少量修改的商業抗毀衛星通信系統，以滿足2020財年以后，未來抗毀軍事衛星通信需求的可行性和經濟承受能力。這些項目促進了商業公司開發獨具特色的體系結構解決方案。如抗毀的戰略軍事衛星通信系統在核、沖突與平時等所有作戰環境中必須具備低截獲/探測/利用(LPI/LPD/LPE)概率、頑存、抗閃爍與抗干擾通信，以及核指揮與控制服務。抗毀的戰術軍事衛星通信必須提供對抗和平時作戰環境下的抗干擾和低截獲/探測/利用概率通信［4］。

此外，曾經被認為只存在于軍事技術領域的安全抗干擾(AJ)通信現在也可以用商用調制解調器技術來實現，并提供從安全/非抗干擾到安全/抗干擾的不同等級的安全通信，如聯合IP調制解調器/EBEM/LinkWay。

同樣的，近期商用大容量衛星(HCS)技術的發展，可以直接應用到競爭環境的抗毀型通信中。這些衛星以及為使用這些大容量衛星而設計的系統，例如ViaSat公司的ViaSat－1衛星和Eutelsat公司的KA－SAT衛星，都使用了大帶寬、高功率/窄點波束，這些特征使其可以直接在競爭通信環境中工作。

4 啟示與建議

美國軍事衛星通信系統的發展也為我國未來衛星通信系統的建設以及衛星通信系統對抗裝備的發展帶來新的思考。

4.1 通過多種方式發展各種層次的衛星通信系統

借鑒美國衛星通信系統的發展經驗，利用商業衛星通信系統具有制造成本低、投資風險小、技術成熟的特點，采用政府－企業合作、租用商業通信衛星實現“托管有效載荷”等手段來發展衛星通信系統。

借鑒美國的衛星通信系統的發展體系，頂層規劃不同戰略、戰術和移動作戰任務對于衛星通信系統的需求，實現在頻段上和覆蓋區域上相互補充，同時具備了各自獨特的作戰應用場景的衛星通信系統，從而保證了己方的信息優勢。

4.2 發展多種平臺的衛星通信系統通信對抗能力

以美國為代表的發達國家都已經或正在著手開發頻段、覆蓋區域和作戰應用場景上相互補充的較為完備的衛星通信系統。不同頻段和作戰應用的衛星通信系統具備各自不同的特性，不可能采用同一種對抗裝備，因此要重視發展多種平臺的衛星通信系統通信對抗能力。

5 結語

由于軍費預算不足、技術復雜和開發難度大，美軍雄心勃勃的“轉型衛星通信系統”(TSAT)終于未能成形，而美軍現有的軍事衛星通信系統的開發與部署也是“蹣跚而行”。但是無論如何，美軍擁有當今世界上最大的軍費開支和最先進的軍事衛星通信技術，因此，開展有關美國軍事衛星通信系統發展的研究，具有十分重要的意義。

［1］STEW M .Military Space Communications Lacks Direction［J］.National Defense，2013(01):30 －32.

［2］RON B.Desegregation and Diversification of U.S.MILSATCOM［J］.Milsat Magazine，2012(04):64 －71.

［3］EDWARDS J.The Future of Military Comms on the Battlefield［EB/OL］.(2012－02－13)［2014－02－01］.http://defensesystems.com/articles/2012/02/08/cover－story－military－communications－technologies.aspx.

［4］THUERMERK E.New Look at Military Satcom［J］.Military Information Technology，2013(01):26 －27.