美國移動用戶目標系統建設現狀與效能分析

●文| 北京市遙感信息研究所　陽斌　董濤

美國移動用戶目標系統建設現狀與效能分析

●文| 北京市遙感信息研究所陽斌董濤

一、研制歷程

1978年，美國海軍發射首顆艦隊通信衛星，掀開了超高頻（300～400MHz）衛星通信序幕。此后，美海軍先后研制使用了租賃衛星、特高頻后繼星等衛星通信系統。截至當前，艦隊通信衛星、租賃衛星已正式退役，特高頻后繼星仍在繼續使用但整個系統預計將于2020年前后完全停用。縱觀美國海軍上述幾代衛星通信系統，單顆衛星性能方面后一代系統較前一代系統有不同幅度提升，但衛星通信技術、系統組織架構等其實并未發生實質性的改變，后一代系統基本為前一代系統的技術沿襲與優化完善，美海軍衛星通信能力長期以來并未得到實質性、突破性的提升。

伴隨軍事通信需求的飛速增長，美軍亦早已意識到其原有衛星通信系統難于滿足使用需求。為適應形勢發展，美軍于1996年開始研發性能更為先進、功能更為強大的新型窄帶衛星通信系統，用于取代特高頻后繼星系統。2002年2月，新型通信系統研制項目正式開始，項目由美海軍牽頭，具體由隸屬太空及海上作戰系統司令部的空間系統計劃執行辦公室及通信衛星計劃辦公室負責，系統中文譯名為“移動用戶目標系統”，簡稱MUOS。MUOS項目前期概念設計、研究論證、方案制定等工作花費數年時間。2004年，美國洛馬公司、雷神公司兩大國防企業針對項目具體研制工程展開競爭。2004年9月，洛馬公司從競爭中脫穎而出成為衛星系統的主承包商與系統集成商，標志MUOS研制項目正式啟動。美海軍與洛馬公司所簽署的系統研制合同編號為N00039-04-C-2009，初期合同總額21億美元，內容包括研制2顆MUOS衛星及相關配套地面設備。此后，美海軍與洛馬公司達成另外3顆衛星及相關配套地面設備的研制協議（MUOS系統共由4顆主星及1顆備用星組成），衛星合同總額超過32億美元，項目總成本超過60億美元，系統預定目標為2010年具備初始保障能力，于2015年全面運行，即實現衛星接入、組網通信、聯合互操作、全球覆蓋、點對點通信、兩極覆蓋等（實際進度遠落后于此）。系統部件研制方面，MUOS衛星由洛馬公司位于賓夕法尼亞州的商業空間系統部制造，最后組裝測試工作則由該公司位于加利福尼亞州森尼韋爾市的分公司承擔。地面系統方面，洛馬公司與美國另一家國防企業集團—通用動力公司簽署協議，由后者所屬指揮、控制、通信和計算機系統分公司全權負責地面系統的建設工作［1］。

與諸多工程項目一樣，MUOS系統研制工程正式啟動后同樣遭遇了研發難題、預算不足等預料之外的困難，研制進展被迫數度推遲。最初定于2010年發射升空的首顆衛星MUOS-1直至2012年2月才發射升空，比預定時間推遲了26個月。第二至五顆衛星分別于2013年7月、2015年1月、2015年9月、2016年6月發射升空，均嚴重滯后于原始計劃，整個MUOS系統預計將于2017年1月投入全面運行。

☆　MUOS衛星3D效果圖

二、系統組成

MUOS系統主要由衛星、地面站及操控站、用戶終端等幾部分組成。

☆　MUOS系統組成

1.衛星

MUOS系統包括5顆衛星（見表1），其中MUOS-1、MUOS-2、MUOS-3、MUOS-4為主星，MUOS-5為備用星。截至2016年6月，4顆主星及第5顆備用星已全部順利發射升空［2］。

表 1 MUOS系統衛星情況

衛星性能方面，每顆MUOS衛星搭載1個傳統超高頻窄帶載荷，同時增加攜帶1個基于“第三代合作伙伴項目”技術（3GPP，主要用于保持未來技術及系統的兼容性）的寬帶碼分多址（WCDMA）載荷，采用S與Ka混合頻段、星間鏈路與星上處理、信道編碼、抗干擾等先進技術，裝備Rake接收機（一種可用于分離多徑信號并有效合并多徑信號能量的接收機）。每顆衛星裝備1副傳統天線及1副新型多波束天線，反射器直徑分別約5.4m、14m（見表2）。信號接收、發送方面，WCDMA信號由新型多波束天線接收及發送，傳統超高頻信號由新型多波束天線接收但由傳統天線發送。MUOS衛星主要用于向固定及移動用戶提供全球范圍內的窄頻、超視距、點對點的網絡通信服務，每顆衛星所搭載多波束天線可生成16個上下行鏈路，每個上下行鏈路均可分配為4個5MHz的寬帶碼分多址信道，每個信道最多可供500名用戶同時共享。此外，衛星信號基本不受氣象、環境等因素影響，適用性更強，可在復雜、惡劣的天候環境下為潛艇、水面艦船、飛機、偏遠地區地面機動部隊等提供通信服務［3］。

表 2 MUOS衛星部分性能參數

2.地面站及操控站

MUOS系統在全球范圍內建有4座地面站及2座衛星操控站。其中，4座地面站分別位于美本土弗吉尼亞州和夏威夷、澳大利亞、意大利。美海軍負責地面站的日常運行，如衛星總體管理、測控、指令傳輸等。每座地面站建有3座直徑約19m的天線，均安裝有用于通信的無線電裝置，各地面站之間通過光纖通聯，數據可快速傳輸。其中，夏威夷、弗吉尼亞州2座地面站除安裝有無線電裝置外還安裝有轉發器及傳送接口，主要用于數據轉換及傳輸。此外，夏威夷地面站還安裝有網絡管理設備，擔負通信計劃、資源分配等任務，向系統提供基于優先權的實時通信資源分配信息，必要情況下可進行優先級稍低的通信資源的再次分配，并擔負MUOS系統網絡管理、態勢感知等方面職能。2座衛星操控站中，位于加利福尼亞州穆古角的為主操控站，位于科羅拉多州施里弗空軍基地的為備份站，操控站主要職能為通過地面站接收衛星狀態信息并向衛星發送指令，確保衛星狀態良好［4］。

☆　MUOS系統4座地面站

3.用戶終端

MUOS系統采用BPSK調制方式，可應用于為其專門研制的新型終端。同時，該系統與美軍既有的聯合戰術無線電系統兼容，同樣適用于當前廣泛使用的大部分傳統終端。如，聯合戰術無線電系統中的手持式、單兵型小型無線電臺及機載、海上、固定站接收終端均可與MUOS系統兼容。其中，美陸軍所裝備AN/PRC-155手持式、單兵型小型無線電臺于2013年成功通過MUOS-1衛星進行通信實驗，是首款體驗MUOS系統WCDMA功能的美軍通信終端。此外，MUOS系統計劃拓展應用于Block 4聯合攻擊機、海軍航空司令部AN/ARC-210甚高頻/超高頻通信系統、空軍AN/ARC-231型天火多模機載通信系統等［5］。

信號接收方面，MUOS終端設備安裝有全向天線，可在運動狀態下進行通信，具備“動中通”能力，用戶不再需要在通信時停下來設置天線、調節方向等，相對特高頻后繼星系統終端必須在靜止狀態下通信有突破性的改善提高。此外，通過改善終端性能，MUOS系統整體通信速率及容量均有大幅提升。美軍當前使用的特高頻后繼星系統只能滿足1029個2.4kbit/s終端同時接入，MUOS衛星則能滿足16332個2.4kbit/s寬帶碼分多址終端以及424個特高頻后繼星終端同時接入，傳輸速率2.4kbit/s至384kbit/s，通信能力及速率大幅提升。

☆　傳統通信終端與MUOS手持式移動終端

三、通信流程

MUOS衛星采用地球同步軌道，每顆衛星均在2座地面站作用范圍內，同時每座地面站均可接收2顆衛星信號或對其進行遙控。4座地面站之間經光纖相互聯通，并提供衛星與美國國防部地基通信網絡間的通信與控制接口。系統通信過程分為“用戶至地基通信網絡”、“地基通信網絡至用戶”兩大部分。“用戶至地基通信網絡”通信流程為通信用戶使用MUOS系統終端通過超高頻上行鏈路（帶寬300～320MHz）向對應的衛星上傳通信信息，衛星將通信信息轉換為數碼格式后經Ka頻段下傳至作用范圍內的某座地面站。“地基通信網絡至用戶”通信流程為接收衛星所下傳信號后，地面站對信號進行解調解碼并將其傳送至夏威夷或弗吉尼亞州地面站進行轉換（如前所述，僅此2座地面站安裝有轉發器，若衛星直接向夏威夷、弗吉尼亞州地面站下傳數據，則無需此傳輸環節，直接轉換即可），轉發器將數據傳輸于另一顆衛星對應的2座地面站，2座地面站再經Ka頻段向共同作用范圍內的衛星分別上傳50%的通信數據，衛星將所接收信號進行放大，并將信號降低至超高頻，隨后通過超高頻下行鏈路將信號下傳至另一位通信用戶所持有的MUOS用戶終端，單次通信信號交互完成。用戶間的相互通信遵循上述流程往復進行。

☆　MUOS系統通信流程示意圖

四、效能分析

MUOS衛星系統是美軍將先進窄帶通信技術與移動通信技術相結合的產物，在美軍未來軍事行動中將發揮重要作用。該系統可以提供覆蓋全球的超視距戰術通信能力，滿足使用大型、小型及手持式終端的各種衛星移動通信用戶需求，應用前景廣闊。概括而言，MUOS系統主要具備以下幾方面的優勢及特點。

首先，衛星性能先進，通信能力強。MUOS系統單顆衛星性能相對美軍傳統通信衛星有大幅提升。每顆衛星通信范圍南北跨度拓展至65°，東西跨度最大可覆蓋約1/2的地球表面，且南北緯65°之間約70%的區域由2顆衛星同時覆蓋（雙覆蓋），系統通信可靠性得到有效提升，且衛星采用“第三代合作伙伴項目”、信道編碼、抗干擾等先進技術，通信信號基本不受氣象、環境等因素影響，可在復雜、惡劣環境下為用戶提供通信保障。事實上，美海軍曾于2014年“冰原演習”期間在北緯85°的高緯度地區對MUOS系統進行測試，實現了近150小時的可靠數據連接，進一步驗證了MUOS衛星系統在高緯度地區的可靠通信能力。此外，待系統第五顆備用星MUOS-5發射升空后，其可隨時根據需要機動變軌，增加某個特定地區的可用信道數量，系統應用潛力將進一步增強。

其次，系統兼容性強，推廣使用潛力大。除專門研制的新式終端外，MUOS系統兼容美軍當前正在使用的大部分傳統終端設備。據預計，MUOS系統全面運行后，通信終端總數可能超過8萬套，且美海軍DDG-1000驅逐艦等新型艦艇、空軍C-17運輸機及F-35戰斗機等主戰裝備多數已安裝或計劃安裝MUOS通信終端，系統推廣應用前景廣闊。

最后，系統具備“動中通”能力，其他衛星通信系統難于比擬。美軍當前使用的超高頻終端通信需在停止狀態下進行，終端天線架設及拆卸均需耗時10min左右。與之不同，MUOS系統終端可在運動狀態下實時通信，無需架設或拆卸天線，省時省力、便捷高效。

☆　南北緯65°范圍內約70%的通信區域由2顆衛星同時覆蓋（CMTW意為聯合主戰區）

MUOS系統技術先進，功能強大，但也同樣存在問題與不足，系統研制過程中也遭遇了困難與挫折。例如，2012年針對手持式、單兵型無線終端進行的一次測試中終端可靠性即未滿足要求；2014年4月進行的初始測試結果顯示，MUOS系統數字載荷性能仍需更多時間方可成熟并通過認證；由于波形、地面系統、無線電終端軟件等方面問題，WCDMA載荷最終運行測試被推遲至2015年12月，等等。上述事例足以說明，MUOS系統也是遵循著“邊研究、邊實驗、邊改進”的模式研制發展而來，此過程中本身即存在著諸多疑問與不確定因素。作為一項技術先進、結構復雜的系統工程，MUOS通信系統當前仍處于建設及調試中，尚未正式交付及運行，其可靠性、實用性等均有待時間與事實進一步驗證。

［1］ John D. Oetting & Tao Jen. The Mobile User Objective System［J］. Johns Hopkins APL technical digest， Vol.30，NO.2（2011）： 103-111.

［2］ PEO Space Systems. MUOS-5 Satellite Launch. From PEO Space Systems Website： http：//www.public.navy. mil/spawar/PEOSpaceSystems/Pages/Launch.aspx.

［3］ World Heritage Encyclopedia. The Mobile User Objective System. From World Public Library Website：http：//worldheritage.org/article/ WHEBN0002088185/Mobile%20User%20Objective%20 System.

［4］ US navy Space and Naval Warfare Systems Command. Mobile User Objective System-2 Situation Report.From US navy Space and Naval Warfare Systems Command Website： http：//www. public.navy.mil/spawa..

［5］ 張春磊，美軍“移動用戶目標系統”與“特高頻后繼”衛星性能對比分析”［J］.國際太空，2015（4）： 47-48.