美國成功發射移動用戶目標系統-4

朱貴偉 （北京空間科技信息研究所）

2015年9月2日，美國成功發射移動用戶目標系統-4（MUOS-4）衛星，這是美國在2015年發射的第2顆MUOS衛星。目前，這一5星星座已完成4星發射，構成了海軍所謂的“初始星座”，基本實現了全球覆蓋。經過數月在軌測試之后，MUOS-4衛星將投入使用。配合地面站的建設和大系統聯合測試，整個系統將于2017年實現“全面運行能力”（FOC）。屆時，MUOS衛星的數字化載荷將為戰術部隊衛星通信能力帶來質的飛躍。

1 概況

M U O S是美國新一代的窄帶軍事衛星通信系統，用于補充并最終接替“特高頻后繼星”（UFO）系統，為全球范圍內美軍各軍種用戶提供特高頻（UHF）戰術衛星移動通信服務。

美軍窄帶軍事衛星通信系統是美軍整個軍事衛星通信體系的重要組成部分，主要解決低速率戰術移動通信需求，支持海上艦艇、飛機和導彈等空中平臺以及地面機動部隊的作戰需求。系統采用UHF頻段，可穿透叢林和植被覆蓋、抵抗各類嚴酷天氣環境，并且支持小型化全向通信終端，因此易于為戰術部隊使用，且部署最為廣泛。目前，美軍各軍種已部署50多種型號、超過1.8萬臺UHF終端，窄帶衛星用戶占美軍所有衛星通信用戶的50%以上。

M U O S系統由海軍空間與海戰司令部（SPAWAR）下設的通信衛星項目辦公室（PMW-146）負責采辦。整個項目于20世紀90年代提出，2002年9月正式啟動，2004年通過系統設計評審進入研制階段。

整個項目的主承包商是洛馬公司，項目團隊包括洛馬航天系統公司（主承包商和系統集成商）、洛馬航天系統公司商業航天分部（負責衛星研制）、波音公司（負責“遺產”載荷的研制）、通用動力公司C4I分部（C4I為指揮、控制、通信、計算機和情報，負責地面站與用戶終端波形開發）、哈里斯公司（負責星載大型空間可展開反射器的研制）等。

美國海軍共計規劃了5顆在軌衛星，其中4顆工作星形成全球覆蓋，另有1顆在軌備份星。星座自2012年開始部署，目前已有4顆衛星成功發射，第5顆衛星計劃2016年發射，項目總成本達到74億美元。

MUOS衛星部署情況

MUOS衛星沿用了UFO體制的有效載荷，與現役地面終端相兼容。此外，衛星還增加了新型體制載荷，即基于地面第三代商業移動蜂窩網標準寬帶碼分多址（WCDMA）的體制，使單星容量大幅提升。而且系統采用的Rake接收機、Turbo編碼和干擾減緩等技術，提升了系統內在的抗干擾能力。

MUOS系統的出現，改變了美軍UHF頻段窄帶戰術通信衛星系統30多年來的網絡體系、通信波形和使用方式，提供網絡化戰術移動通信能力，更好地支持美軍網絡中心戰。

2 體系架構與系統構成

整體上看，MUOS系統仍采用“天星地網”的體系架構，但是整個系統對地面的依賴性更高，信號的處理與交換、通信網絡資源的控制與管理均在地面進行。

在系統構成方面，MUOS系統由空間段、地面段和用戶段構成。由于MUOS系統與地面網絡的一體化程度更高，在衛星軌位選擇與地面站站址選擇方面需要高度配合。在現有體系中，每顆衛星對相鄰2個地面站可見，而每個地面站也對相鄰2顆衛星可見。

MUOS系統空間段和地面段的部署情況示意圖

空間段

MUOS系統的空間段包括5顆地球靜止軌道通信衛星（4顆工作星，1顆備份星）。4顆MUOS工作星計劃分別部署在太平洋、美國本土、大西洋和印度洋上空，在軌備份星部署在72°（E），用于提高中東和南亞等熱點地區的通信保障能力。

MUOS衛星采用洛馬公司的A2100M平臺，衛星凈質量約3800kg，發射質量6700kg，設計壽命10年，功率15.4kW。星體高7.9m、寬4.3m，太陽電池翼翼展28m。

衛星共攜帶2種載荷：一是與UFO系統相兼容的“遺產”載荷；二是新型的WCDMA載荷。在轉發器方面，MUOS衛星采用透明式轉發器，星上僅進行功率放大、頻率變換以及數字信號與模擬信號轉換。

在天線方面，MUOS衛星共攜帶4副通信天線：

1）1副大口徑反射面多波束天線，通過饋源陣形成16個點波束，用于WCDMA信號的收發和UHF傳統信號的接收，采用折疊徑向肋可展開結構，在軌展開后直徑14m；

2）1副UHF傳統天線，用于UHF傳統信號的發送，采用直桿徑向肋可展開結構，在軌展開后直徑5.4m；

3）另有2副Ka頻段星地饋電鏈路發射與接收天線。

MUOS衛星在軌示意圖

地面段

M U O S系統的地面段包括4個無線接入站（RAF）和2個衛星控制站（SCF）。這6個地面站之間用高速光纖相連，其中：4個無線接入站分別部署在美國夏威夷的瓦西阿瓦、美國弗吉尼亞州西北部的諾福克海軍基地、意大利的西西里島和澳大利亞；2個衛星控制站分別部署在美國加利福尼亞州的穆古海軍航空站和科羅拉多州的施里佛空軍基地。

無線接入站主要完成無線信號接入管理、信號的路由和交換以及網絡管理等功能，進行通信規劃、資源分配以及信號接入的優先級區分。此外，無線接入站還負責網絡狀態監測，在整個MUOS網絡范圍內基于通信優先級進行實時通信資源分配和重分配。

衛星控制站主要負責接收衛星狀態信息（由無線接入站接收測控信號后，經光纖傳輸至測控站），利用保密遙測鏈路再經由無線接入站向衛星發送指令。飛控人員主要通過衛星控制站來配置衛星相關數據，以確保衛星保持在正確的軌位。

地面段的建設分3個階段進行，在第三階段完成后，將全面具備點對點和群組通信支持能力，可進行頻譜適應性調整、地理定位、通信規劃、密鑰管理、全網絡和運行管理、擁塞管理，并可接入國防交換網（DSN）和保密IP路由網（SIPRNET）。

MUOS衛星地面段部署位置

MUOS終端類型及目標速率

用戶段

MUOS系統可支持指揮控制、火力支援、作戰管理、搜索營救、戰術數據鏈、廣播、巡航導彈/無人機控制數據鏈等多種應用，因而終端形式和加裝平臺十分多樣。受體制限制，各型終端由軍兵種獨立采辦，典型的終端包括陸軍的AN/PSC-5“噴火”終端、海軍的WSC-3終端、空軍的ARC-210終端等。這些終端均是原有的UHF終端，MUOS系統也可以支持新型的或經過軟件升級的終端，即只要是支持MUOS系統WCDMA波形的終端都可以接入衛星系統。

目前，美軍正在積極推進波形的開發工作，爭取使更多的終端能夠接入MUOS系統。例如美軍的HMS、AMF、ARC-231等系列終端，在加裝適應性設備之后，均可與MUOS通信。據美國海軍官方報道，美軍現役無線電終端中，有5.5萬部終端僅需進行軟件升級即可接入MUOS系統。

MUOS系統支持陸、海、空各類移動終端，根據不同的平臺有不同目標速率。

3 系統能力與特點

系統容量

與地面移動蜂窩網相似，MUOS系統的最大容量難以量化，取決于用戶的傳播條件、無線電功率、終端所處位置及通信的占空比。為與UFO衛星系統相比較，一般采用同時接入的用戶數量來衡量系統的最大容量。

MUOS采用WCDMA體制，1個信道（即1臺轉發器）擁有5MHz帶寬，所以1個波束就可以擁有4個信道。而多點波束使得MUOS衛星可實現高度的頻分復用，每個波束內都可充分利用20MHz的帶寬。因此，1顆MUOS衛星的WCDMA信道總數為16×4=64個。

經用戶到衛星再到地面站的鏈路稱為U2B鏈路（即用戶到基站），而反過來則稱為B2U鏈路（即基站到用戶）。對于U2B鏈路，這64個信道都通過Ka頻段數字饋電鏈路下傳至無線接入站，衛星視場內的2個無線接入站各發送32個信道。對于B2U鏈路，無線接入站則利用Ka頻段模擬饋電鏈路向其視場內的2顆衛星各上傳32個信道。衛星再將接收到的64個信道轉接至相應的下行波束和信道。在系統負載的限制下，無線接入站盡可能的在所有可用信道內平均分配負載，從而實現系統容量的最大化。

MUOS全球覆蓋圖（灰色區域為雙重覆蓋）

在WCDMA體制中，用戶采用擴頻碼進行區分。而MUOS每個波束內的每個信道擁有512個碼字，其中有494個碼字可用，理論上可支持近500個用戶。但是由于衛星功率有限，且系統存在多用戶干擾，在實際中難以實現這一理論值。

因此，在系統負載盡可能地平均、而多用戶干擾也在一定程度以下時，系統的容量就達到了最高值。單顆MUOS衛星可支持的2.4kbit/s終端同時接入數量為4083個，再加上UHF傳統載荷支持的106個，單星最多可支持4189個終端同時接入。因此單星的總容量就為4189×2.4kbit/s=10.54Mbit/s，遠超過UFO星座總容量2.666Mbit/s。

此外，為了提高戰區容量、提升系統的可用性，MUOS系統采用重疊覆蓋的方案，星座覆蓋區域內[65°（S）～65°（N）]超過70%的地區都有2顆衛星覆蓋。覆蓋區域的重疊一方面提高了關鍵地區的容量，另一方面當某一顆衛星失效或受到嚴重干擾時，保證至少有1顆衛星可提供通信。

信號流程

MUOS衛星的轉發器為彎管轉發器，信號的路由和大部分的鏈路處理放在地面無線接入和交換中心進行。因此，不論2個用戶是處在同一顆衛星的同一波束內，還是處于不同衛星的不同波束內，都必須經過兩跳才能完成通信。

對于U 2 B鏈路，W C D M A信號（300～320 M H z）和U H F傳統信號（292～318 M H z）通過各自的上行鏈路傳送至MUOS衛星的多波束網格天線，衛星將接收到的所有信號統一轉換成數字信號，通過Ka頻段下行鏈路（20.2～21.2GHz）發送給覆蓋區域下的無線接入站，由無線接入站對所有的用戶信號進行解調和譯碼。為了平衡網絡負載，每顆MUOS衛星都將接收到的數據平均分配到2個無線接入站。

MUOS的信號流

無線接入站對接收到的信號進行處理之后，利用高速光纖傳送至最近的交換站（瓦西阿瓦站和諾福克地面站），交換站根據信號目的傳送至國防信息系統網或合適的無線接入站。

對于B2U鏈路，首先由無線接入站通過Ka頻段上行鏈路（30.0～30.1GHz）將UHF模擬信號發送給MUOS衛星。衛星接收到信號后，首先進行放大，并下變頻到UHF頻段，再分別通過多波束天線（360～380MHz）和傳統天線（244～270MHz）發送給目標用戶，最終完成數據傳輸。

采用這種網絡體系，將信號處理和路由功能放在地面來完成，可降低衛星的復雜度；而信號的交換和網絡的管理都放在美國本土的地面站，在一定程度上保證了網絡的安全運行。但是，不論地面終端是否處于同一波束內，都必須經過兩跳通信，使得鏈路時延變長（僅U2B鏈路就有640ms的時延），對信號的傳輸協議和網絡的功率控制帶來一定的難度。

系統特點

（1）采用WCDMA體制，架設太空基站

MUOS系統的最大特點就是采用了WCDMA體制，這使得MUOS系統在體系和功能設計上完全有別于傳統的衛星。

與地面蜂窩網的體系架構相似，MUOS衛星扮演著位于3.6×104km高度的巨型信號塔，與地面的無線接入站一起構成了地面蜂窩網中的基站和無線網絡控制模塊，負責用戶通信信號的發射與接收、用戶的接入控制。而地面站的交換中心和網絡管理中心則相當于地面蜂窩網的核心網，負責信號的路由交換、網絡監控與管理。

此外，由于采用WCDMA體制，也引入了其他方面的優點。首先是采用了直接序列擴頻，具有內在的抗干擾特性，用戶信號功率分布在5MHz帶寬內，經接收處理后，在一定程度上可削弱干擾。其次，采用Rake接收機可獲得多徑分集帶來的好處，使得MUOS在建筑物密集地區也可使用。第三，引入了地面蜂窩資源管理技術，可進行自適應功率控制，即使在惡劣環境下也可提供通信，而且信道資源利用率更高，僅在需要通話時才分配資源。第四，星地通信為數字信號，大量處理在地面進行，使得MUOS系統可以支持IP應用，并且能夠更好地與地面全球信息柵格（GIG）網絡相連，提供保密話音、數據等服務。

（2）裝載大型空間可展開天線，支持手持終端

MUOS衛星相較于UFO衛星的另一大飛躍就是可以支持手持移動終端，這主要是通過點波束來實現的。MUOS衛星攜帶了1副直徑14m的大型可展開網格天線，通過由61個正交偶極子組成的饋源陣可形成16個點波束，全面覆蓋星下區域。

利用點波束可以把有限的功率集中在一定范圍內，從而提高波束內的增益。MUOS衛星點波束的增益比UFO衛星的全球波束增益要高12～15dB，從而可以有效支持手持終端動中通。

MUOS太空基站模式

現役UFO衛星并不支持手持終端，一般僅可支持單兵肩負式終端，質量近10kg，安裝拆卸均需10min時間，且僅能支持2.4kbit/s“靜中通”。而MUOS新型手持終端質量僅為1kg左右，支持9.6kbit/s“動中通”，而且由于借鑒了商業波形，可以支持IP應用。因此，MUOS系統全面運行后，可使士兵的手持終端具備類似智能手機的功能與能力。

此外，信號增益的提升再加上MUOS系統功率的調整能力，使得單鏈路的通信速率有了大幅提升，最高速率可達384kbit/s。

（3）穿透叢林覆蓋，可覆蓋北極地區

MUOS衛星由于采用UHF頻段，具有傳播損耗低、電磁波繞射能力強、受多普勒頻移影響小等突出優點，可滿足各種惡劣環境下的作戰通信需求。因此，UHF頻段成為戰術衛星通信的首選頻段。此外，UHF頻段應用WCDMA體制，也為MUOS系統帶來額外的好處。

2013年底至2014年，美國海軍利用發射入軌的2顆MUOS衛星，先后多次開展了北極區通信試驗，最遠地點到達了89.5°（N），打破了GEO通信衛星僅能覆蓋65°（S）～65°（N）之間地區的傳統認知，極大地擴展了GEO通信衛星的覆蓋區域。

2014年3月，MUOS衛星首次參與了美國海軍組織的“2014冰原演習”（ICEX）。此次演習中,軍方首次在北極地區能夠通過穩定的衛星鏈路傳輸大容量的數據文件，進一步驗證了MUOS衛星在北極地區也是一種可靠的設施。17-27日期間，MUOS系統向“鸚鵡螺”冰原兵營提供的服務時間超過8800min。處在該兵營的美國海軍用戶能夠鏈接到保密通信系統，并且發送數據文件。

4 總結與啟示

大力發展窄帶移動通信衛星系統

窄帶移動通信衛星系統具有頻率資源戰略性、作戰應用戰術性和廣泛性等特點，受到了國外普遍的重視，而美國軍方自20世紀70年代起，就著力發展軍事窄帶移動通信衛星系統，為作戰部隊提供常態化的任務保障。

首先，窄帶移動通信衛星系統大多采用低頻段，而國際上對該頻段的劃分具有帶寬小、分散不連續等特點，使得這部分頻率資源特別稀缺。以UHF頻段為例，國際電信聯盟劃分的主要業務使用頻段共計9個不連續譜段，合計上行11.25MHz、下行3.85MHz帶寬。而美軍MUOS系統所采用的20MHz帶寬則是需要經過大量頻率協調工作，使其顯得更加珍貴。

其次，窄帶移動通信衛星系統的電磁傳播特性和終端尺寸與類型，使其非常適合地面小型部隊大范圍機動通信和應急救災通信。目前，衛星移動通信已經成為美國、俄羅斯和歐洲保障大范圍機動部隊、艦船與飛機指揮控制的常規手段，用于維持關鍵地區常態化覆蓋。此外，UHF頻段軍事衛星移動通信系統還具有穿透叢林植被、云雨和城市地區的特性，這也使其軍事應用的價值更加突出。

天地同步建設，發揮系統最大效能

目前，M U O S系統已經完成了4顆衛星發射和4個地面站建設工作，通信波形也已開發出3.1版本，并且開展了初步的端到端測試工作。根據計劃，2015年底開展地面站聯網測試，計劃2016年發射MUOS-5衛星，2017年實現“全面運行能力”。但是，MUOS系統的建設仍面臨諸多問題。

首先是地面站建設和聯網延期問題。MUOS系統在全球布設的4個地面站中，意大利西西里島的地面站因遭到當地居民反對而一再延期，中間甚至兩度被迫停工。2015年地面站建設工作完成后，再次遭到當地居民抗議，導致地面站測試時間被迫往后推遲，甚至影響星地大系統聯試。

其次是波形、終端與地面站的集成問題。雖然目前已有4顆MUOS衛星在軌，但是星座中僅有10%的容量處于使用狀態，即星上的“遺產”載荷。而其余90%的具備先進能力的WCDMA載荷則因地面站和終端的原因一直處于空閑狀態。

因此，在整個通信衛星系統的發展部署過程中，必須保持衛星與終端的同步發展，才能有效避免在軌衛星資源的浪費，實現系統整體效能的最大化。