美軍受保護衛星通信現狀及未來發展研究

王　煜

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0　引言

所謂“受保護衛星通信”是指在常規衛星通信傳輸的可靠信號發射和接收措施之外還采取了其他措施保證衛星的安全可靠。受保護衛星通信的保障措施遠不止提高整體鏈路預算等典型方法，如增大天線口徑、提高功率、改變調制類型等[1]，還會使用高定向性點波束、擴頻及跳頻技術等其他措施實現抗干擾、抗閃爍、低截獲概率、低檢測概率等能力[2]，其重點是抗干擾、隱蔽、核生存[3]。在競爭及敵對環境中，寬帶系統性能會降級，而受保護衛星通信則仍可正常工作(數據速率會降低)。這些獨特的能力使得受保護衛星通信非常適合最關鍵的戰略級部隊以及任務指揮系統，受保護通信對保證各級作戰的指揮控制也至關重要。

正因如此，美軍的受保護衛星通信系統成為三大軍事衛星通信系統之一，與其他兩大系統(寬帶衛星通信系統和窄帶衛星通信)各司其職但又互為補充、彼此協作，共同構成美軍完整的軍事衛星通信體系。美軍的受保護衛星通信系統具有避免、預防和減輕通信服務的降級、中斷、非授權接入或被敵人利用等功能，它為美國的戰略和戰術力量在各種級別的沖突中提供安全、可靠的衛星通信，可以說是美軍的生命線。

以下將介紹美軍現役受保護衛星通信系統，然后重點描述了美軍的未來受保護衛星通信體系。

1　美軍受保護衛星通信系統發展現狀

受保護衛星通信是美軍近年來發展的重要通信能力。目前美軍的受保護衛星通信系統主要包括先進極高頻(AEHF)和“軍事星”(Milstar)系統以及增強型極地系統(EPS)，它們用高度安全且抗干擾的通信為戰略級、戰役級和戰術級部隊提供支持。其中Milstar和AEHF系統為中緯度地區的戰略與戰術用戶提供受保護衛星通信，EPS則為北極地區的少量戰術用戶提供服務。AEHF和Milstar工作于EHF及SHF頻段(上行鏈路EHF、下行鏈路SHF)，具備低數據速率(LDR)、中數據速率(MDR)和擴展數據速率(XDR)運行模式。由于Milstar及AEHF衛星需要強調抗干擾和核加固等特性，因此通信吞吐量要小于寬帶衛星通信[2]。

1.1　Milstar

Milstar是一種多軍種聯合衛星通信系統，可提供安全、抗干擾的全球通信，滿足高優先級軍事用戶的基本戰時要求。

Milstar衛星星座位于地球同步軌道，可為美陸軍、海軍、海軍陸戰隊、空軍以及其他國防部用戶提供互操作能力，將指揮機構與各種資源連接起來，包括水面艦艇、潛艇、飛機、地面站等。

Milstar星座有5顆衛星：前2顆星(Block I)具備低數據速率能力，一條信道(Milstar低數據速率幀)最多支持4個用戶；后3顆星(Block II)同時支持低數據速率和中數據速率，將數據速率提升到1.544 Mbps。

Milstar的覆蓋范圍是南緯65°至北緯65°，有星間鏈路，可不依賴地面站實現全球通信，這在受干擾時非常有用，Milstar使用EHF頻段。

Milstar可實現安全、抗毀、強抗干擾的全球通信、星間通信，采用自主操作，能夠重構以滿足戰場需求，能直接支持移動部隊。Milstar在星上進行全部通信處理及網絡路由，擺脫對易受攻擊的地基中繼站的依賴，并降低通信在地面上遭截獲的可能性。

Milstar的頻段、波形以及信號處理算法都很魯棒。在設計空間段及任務控制段時就考慮了抗毀性及持久性，確保Milstar用戶在規定的沖突級別下，可通過一定量的終端來維持基本通信連接，為戰略至戰術級的任務提供支持。Milstar的靈活性為用戶提供更多的通信服務配置選項。

1.2　AEHF

AEHF衛星系統是一種多軍種聯合衛星通信系統，可提供安全、受保護、抗干擾的全球軍用衛星通信。AEHF載荷可為用戶提供75 bps～8 Mbps的數據速率，該數據速率范圍可兼容Milstar Block II衛星上的低數據速率載荷及中數據速率載荷。

AEHF星座提供與Milstar相同的調零天線及星間鏈路能力，但吞吐量更大。AEHF依然使用1個EHF上行鏈路和1個SHF下行鏈路，但指向可控、方向圖可控的波束更多；戰術用戶能夠以更高的數據速率使用下列波束：超高增益對地覆蓋(達到160個波束)；中分辨率覆蓋天線(6波束)；波束共享中分辨率覆蓋范圍(6～24波束位置)。AEHF采用加密設計。

AEHF為戰略級、戰術級用戶提升了現有的Milstar系統通信能力，并升級受保護軍用衛星通信能力。

AEHF系統非常靈活，足以支持針對各獨立作戰環境進行通信，且能通過重構。滿足不斷變化的作戰要求。它可保護關鍵的話音、數據通信，防止低/中/高數據速率業務被干擾、截獲、檢測，以及遭到自然和核爆的影響。AEHF衛星通信系統有3個部分：空間段；控制段(任務控制及相關通信鏈路)；終端段。

1.2.1AEHF空間段

AEHF空間段是由Milstar和AEHF衛星組成的綜合星座，它使用EHF上行鏈路及SHF下行鏈路與系統用戶通信。AEHF衛星可使用V波段星間鏈路與AEHF衛星和Milstar交鏈，這樣可以不使用脆弱的地面站而利用整個星座實現全球通信。

AEHF系統能同時覆蓋多個戰區，這種覆蓋能力能夠為在地理上集中部署的戰術級地面、空中及海上部隊提供支持。此外，戰區覆蓋區域還能進一步細分為高分辨率區域和中分辨率區域。

1.2.2AEHF控制段

控制段包括4個部分：任務控制(載荷重構、衛星維護及重定位)；任務規劃(規劃網絡，并在任務規劃設備AN/PYQ-19上生成用戶/部隊級終端圖像)；任務及運作支持(任務規劃輔助及資源分配，以及來自區域衛星通信支持中心的監控)；訓練及仿真，支持控制段全生命周期及其演化全階段的訓練開發。這些組成部分綜合起來提供任務控制能力，為空間段、控制段及終端段提供支持。

1.2.3 AEHF終端段

終端段包括地面固定、移動、背負式、可搬移式、機載、艦載、潛艇載終端等多種配置。終端段是可互操作的，可使用通用話音、數據、加密以及數據網絡設備加入各軍兵種及網絡。AEHF終端可通過AEHF及Milstar網絡進行通信。

AEHF終端(包括美陸軍的SMART-T終端)可支持AEHF的擴展數據速率及Milstar的低數據速率或中數據速率工作模式。所有傳統的Milstar終端依然兼容Milstar，如果AEHF衛星配置后向兼容Milstar服務，這些終端也可以與AEHF衛星兼容。

目前已有3顆AEHF發射入軌運行，AEHF系統已達到了初始運行能力。而原計劃于2017年發射的AEHF-4則將發射時間推遲到了2018年，第4顆衛星將使系統達到完全運行能力。之后還規劃了另外2顆衛星(AEHF-5和-6)提供重疊全球覆蓋和在軌備份，將在AEHF-1和AEHF-2達到使用壽命時取而代之。

2　美軍未來受保護衛星通信系統

雖然美軍的AEHF受保護衛星通信系統至今仍未部署完成，還未達到完全運行能力，但鑒于未來戰爭環境將要面臨愈加激烈的反衛星威脅和競爭的形勢以及受保護衛星通信的重要作用，美軍早在幾年前就已經開始考慮下一代受保護衛星通信體系了。美軍在對未來軍事需求以及其當前受保護衛星能力進行分析后認為，其當前系統在衛星數量、彈性、容量、采購成本以及行動靈活性方面還不能滿足需求。于是美空軍于2013年9月發布了“受保護衛星通信服務(PSCS)信息征詢書”文件，開始著手推動美軍戰略戰術受保護衛星通信體系的替代方案研究并對未來受保護衛星通信服務提出了需求。該文件認為，美軍目前的受保護軍事衛星通信服務目前是利用EHF波段為戰略戰術部隊提供服務，未來它將使用任意波形、頻段和設備組合，要能保障任務關鍵數據和信息通信并在高度競爭的環境中運行[4]。

經過數年努力后，2016年美軍完成了受保護衛星通信方案分析。分析認為之前無論Milstar還是AEHF系統均集戰略戰術受保護通信能力于一身，而受保護戰略和戰術衛星服務的任務和要求其實差別較大：受保護戰略衛星通信服務要能在核爆條件、對抗環境或者良好環境等各種作戰環境下，提供低截獲率/低探測率和低利用率(LPI/LPD/LPE)、持久、頑存、抗閃爍且抗干擾的通信以及核指揮控制(NC2)服務；而受保護戰術通信則要在對抗和良好環境中提供LPI/LPD/LPE和抗干擾通信能力。二者對比不難發現，受保護戰術通信沒有核環境工作要求，增加核防護措施必然要以成本的上升和性能的下降為代價，對未來滿足衛星彈性、靈活性、數量和容量需求不利。因此美軍決定未來其受保護衛星通信體系將分別使用分離的戰略和戰術衛星星座為用戶提供服務，即將戰略和戰術衛星分離[5]，至此美軍未來受保護衛星通信體系大致框架已基本揭曉。戰略衛星通信將繼續使用擴展數據率(XDR)波形支持各種作戰環境下的核指揮控制服務。受保護戰術通信將遷移至受保護抗干擾戰術衛星通信(PATS)系統。利用受保護戰術波形(PTW)支持戰術服務，未來受保護戰術通信系統還將同時覆蓋中緯度與極地地區。

以下將分別介紹未來美軍的戰略和戰術受保護衛星通信系統。

2.1　受保護戰略衛星通信系統

2017年5月美國空軍空間與導彈系統中心(SMC)發布了“未來受保護戰略衛星通信”項目信息征詢書，披露了美軍未來受保護戰略衛星通信體系結構。新一代戰略衛星通信系統是AEHF系統的后繼方案，包括戰略XDR通信衛星星座和相關任務控制段。它具有彈性特征，支持擴展數據率(XDR)波形。XDR波形是美軍目前最復雜的低探測率、低攔截率、抗干擾波形的一種，可擴展數據速率波形使得數據傳輸率比傳統衛星系統的傳輸率提高5倍以上。該系統將為北極地區提供戰略衛星通信支持能力并增強戰略衛星通信的彈性。

新戰略衛星通信系統發射后最初可能利用后向兼容的RF交叉鏈路與現有AEHF衛星構成一種混合星座。其中AEHF繼續支持戰略與戰術用戶，直至戰術用戶從XDR遷移至PTW。新衛星則首先支持戰略通信，但也可支持具有XDR終端的戰術用戶。此外，戰略衛星通信系統最終將覆蓋中緯度地區(北緯65°～南緯65°)和極地地區(北緯65°～北緯90°)。新戰略衛星通信系統將采用符合美空軍“太空企業設想(SEV)”和企業地面服務(EGS)(一種通用航天地面段體系)的接口，因此可增強任務保障、彈性和互操作能力。

美空軍預計2029年10月向中緯度用戶提供新的在軌戰略衛星通信能力，美軍還希望能夠加快提供新的在軌戰略XDR能力，在征詢書中，美軍提出了該戰略衛星通信系統的空間段和任務控制段能力要求。

2.1.1空間段能力要求

空間段除需滿足核加固要求、可在所有作戰環境中提供核指揮控制服務外，還需在不依賴地面中繼站情況下，支持中緯度(北緯65°～南緯65°)和極地(北緯65°～北緯90°)通信覆蓋；

總吞吐量：中緯度用戶為26 Mbps(良好環境)，0.4 Mbps(抗閃爍)；極地地區用戶1 Mbps(良好環境)，0.2 Mbps(抗閃爍)；

數據率：從75 bps～8.192 Mbps(良好環境)，19.2 kbps(抗閃爍)(注：75 bps(抗閃爍)適用于極地用戶)；

另外，空間段還需后向兼容XDR波形、Suite A加密以及AEHF的RF交鏈、EHF上行鏈路和SHF下行鏈路；空間段還要有探測和應對多種網絡攻擊的能力，并能夠在受到攻擊后快速恢復；航天器平臺能夠容納搭載式受保護戰術波形有效載荷。

2.1.2任務控制段能力要求

美國政府現階段希望盡可能重用現有地面系統，但未來需要從現有AEHF任務控制段(同時提供戰略和戰術能力)過渡到新系統(側重提供戰略能力)。

新系統的任務控制段提供一種基于軟件體系架構的企業服務，該軟件體系可與虛擬化環境兼容，并遵守企業地面服務(EGS)的接口和標準。系統體系必須支持功能與網絡彈性能力，出現故障或遇到攻擊和破壞時仍能繼續工作。任務和控制段還要提供發射、早期運行、部署、檢驗階段的帶外(S波段)指控能力，以及實現衛星任務控制、軌道管理、計時和報告的帶內(EHF/SHF)指控能力。該任務控制段可為用戶提供任務通信規劃、系統數據生成、通信態勢感知與資源監控、星座指揮控制與規劃、數據存檔與檢索以及測試支持等服務。

在該戰略衛星通信系統衛星發射后，這些衛星可能通過后向兼容交叉鏈路與現有AEHF衛星以混合星座的方式一起工作。AEHF衛星將繼續通過XDR終端向戰略和戰術用戶提供支持，直到戰術用戶從XDR過渡到PTW。新衛星將主要側重支持戰略通信，但會繼續利用XDR終端向剩余的戰術用戶提供通信支持。

美空軍預計2029年10月開始為中緯度地區用戶提供新的戰略衛星通信能力，開發啟動不早于2019財年[6]。

2.2　受保護抗干擾戰術衛星通信系統(PATS)

目前美軍沒有獨立的受保護戰術通信衛星/載荷，受保護戰術通信由Milstar和AEHF系統提供，遠不能滿足美軍需求，未來美軍將建立單獨的PATS系統提供受保護戰術衛星通信服務。2017年2月，美國空軍空間與導彈系統中心發布了“受保護戰術衛星通信系統(PTS)信息征詢書”，探索新的戰術衛星通信架構，用受保護抗干擾戰術衛星通信(PATS)系統，實現未來的受保護抗干擾戰術衛星通信。PATS將向良好及對抗環境中的戰術作戰人員提供全球范圍的超視距、抗干擾及低截獲概率(LPI)/低檢測概率(LPD)通信。

實現PATS的三個要素包括：

① 受保護戰術波形(PTW)

PTW是一種新的、彈性更強的無線電波形，是在衛星通信應用軟件無線電技術的重要體現。利用這種波形，美軍的非受保護軍事衛星以及商用衛星可通過軟件加載PTW的形式實現受保護戰術通信功能。它是PATS運行概念的重要組成，也是實現新一代PTS衛星的基礎。

PTW是通過耦合AEHF系統上的軍用XDR波形標準與商業通信中廣泛采用的數字視頻廣播-衛星標準2(DVB-S2)通信體制，開發出的一種不依賴于通信衛星體系架構的受保護戰術波形。PTW可減輕對中、高容量戰術通信服務的干擾效應。使用該波形，即使是不具備受保護衛星通信能力的WGS衛星以及普通透明轉發式商業衛星，只要在終端更換調制解調設備(變為PTW調制解調器)，并加裝加密模塊，就能夠實現良好的抗干擾水平。

2012～2014年期間，美軍空間與導彈系統中心成功進行了受保護戰術波形(PTW)的開發和演示驗證，目前正在為其實施打基礎。美軍通過受保護戰術部隊現場演示驗證(PTSFD)開發可由部隊使用的成熟量產PTW調制解調器，升級當前已經部署的終端，如海軍多波段終端(NMT)、WIN-T及空基終端。美國空軍預計最早將于2018年在新型調制解調器和重新研制的終端上驗證受保護戰術波形(PTW)。

② 受保護戰術企業服務(PTES)

要利用非受保護軍事和商業衛星提供受保護戰術服務，建立統一任務管理、密鑰管理和服務系統必不可少。受保護戰術企業服務(PTES)就是這樣一種支持PTW運行的運行服務系統。PTES是一個集成系統，包括任務管理系統、密鑰管理系統和主站。PTES將利用兼容PTW的調制解調器或終端通過WGS衛星向用戶提供受保護戰術通信服務，未來還要能向商業衛星通信擴展，在C、Ku和商業Ka頻段商業衛星上實現PTW，提供受保護戰術服務。

美軍計劃2017～2026年開發實現PTES，計劃2023年能向單一戰區提供PTW WGS服務，2025年實現全球PTW WGS服務，之后則實現通過商用衛星提供受保護戰術服務。

③ 受保護戰術服務(PTS)系統

受保護戰術服務(PTS)系統是PATS運行概念的一個重要組成部分。PTS將利用運行PTW的全處理有效載荷最大限度地提高競爭環境中的抗干擾能力，極大擴展作戰人員的受保護戰術衛星通信容量。PTS包括空間段、地面段和終端段。

PTS空間段包括搭載有效載荷、小衛星和大容量衛星。其中，有效載荷可搭載在商用衛星、美國軍事衛星、美國其他政府衛星以及國際合作伙伴衛星上，運行軌道主要是地球同步軌道，也包括高軌或“苔原”傾斜軌道，以滿足北極地區衛星通信需求；大容量衛星則采用地球同步軌道和“苔原”軌道兩類軌道衛星組成的集成星座，其中3顆同步軌道衛星覆蓋中緯度(南北緯65°間)用戶，3顆“苔原”軌道衛星覆蓋北極地區并增強同步軌道衛星中緯度覆蓋和空間段彈性。PTS空間段需具有抗干擾及低截獲概率/低檢測概率/低利用概率特性，通信覆蓋范圍為南緯65°～北緯90°。對于大容量衛星，每顆衛星吞吐量高于1.6 Gbps，對于搭載有效載荷以及小衛星，吞吐量高于400 Mbps。

PTS地面段需符合企業地面服務(EGS)架構。EGS可提供通用地面系統規范和標準，打破美軍目前多個煙囪式專用任務系統不能互操作的現狀。PTS采用EGS架構不僅是為了保證與PATS系統其他構件的互操作，還要實現與美軍其他軍用衛星系統的互操作，保證未來美軍的所有軍用衛星通信系統能夠融為一體，共管共用。PTS地面段主要包括測控單元、任務管理系統、密鑰管理系統及網關系統。其中，測控單元主要完成有效載荷指揮控制、終端和有效載荷重新分配密鑰支持、用戶星歷消息生成和分發、有效載荷資源監測、有效載荷時鐘時頻管理等；任務管理系統完成戰術衛星通信任務規劃和衛星資源規劃；密鑰管理系統為終端和有效載荷分發密鑰(NSA Suite B加密)；PTS任務管理和密鑰管理地面部分將與PTES任務管理和密鑰管理地面單元連接或集成，實現受保護戰術衛星通信容量的靈活、有效、高效分配；網關系統則為北極及中緯度/赤道地區用戶提供到國防部信息網(DoDIN)的受保護戰術衛星通信連接[7]。

PTS的終端段則要求工作在Ka和EHF頻段，并能利用地球同步和/或“苔原”軌道衛星工作。

此外，PTS還應具備地面及空間彈性能力，能夠對一切已知威脅做出響應并能應對未來威脅。

美軍計劃通過三個階段實現PATS。第一階段是PATS WGS階段，利用受保護戰術企業服務(PTES)通過現有WGS衛星在X和Ka頻段實現PTW通信；第二階段是PATS商用階段，將擴展PTES系統，通過商業衛星通信支持PTW，提高彈性及靈活性；第三階段是專用PATS受保護戰術服務(PTS)階段，將通過專用全處理有效載荷實現PTW通信。最終形成將三個階段資產整合為一體的PATS系統。

最終形成的PATS體系，空間段將包括：WGS衛星、商用衛星以及PTS空間段；地面段則包括PTES和PTS地面段，PTES主要針對WGS和商用衛星完成任務管理、密鑰管理以及接入，PTS地面段則主要針對PTS空間段，美軍正在探索如何整合PTES和PTS地面系統，有兩種選擇，一是將PTES的任務管理和密鑰管理系統擴展至為PTS可用，二是PTS提供任務管理系統和密鑰管理系統與PTES任務管理和密鑰管理系統的接口。最終PTES的任務管理和密鑰管理以及PTS同類地面段系統都將整合到PATS運行中心中[8]。

3　結束語

受保護衛星通信系統作為三大軍事衛星通信系統之一，作為戰時的基本通信保障手段，美軍一直十分重視其建設，目前正在進行新一代受保護衛星通信系統AEHF的建設和部署。但美國防部依然認為其衛星通信系統難以滿足未來作戰需求，因此已經開始啟動了下一代受保護衛星通信體系研究。目前，美軍下一代受保護衛星通信體系已大致確定，它將采用戰略和戰術受保護衛星通信分離的方式，充分利用包括商用、政府和其他軍用衛星在內的各種資產，以提高系統彈性、抗毀性、業務靈活性和容量為目標，與其他衛星系統融為一體，共同為美軍提供通信保障。

[1]Williams S．The Convergence of DoD + Commercial Protected Comms Applications.[DB/OL]．http://satmilmagazine.com．

[2]Headquarters,Department of the Army．ATP 6-02.54 Techniques for Satellite Communications.[R/OL]．http://www. apd.army.mil.

[3]張冬辰，周吉，吳巍，等．軍事通信 [M]．2版.北京：國防工業出版社，2008．

[4]USAF Space and Missile Systems Center．Request for Information (RFI): Protected Satellite Communications Services (PSCS) [R/OL]．https://www.fbo.gov/.

[5]Los Angeles Air Force Base．Looking Ahead: the Future of Military Satellite Communications [DB/OL]．http//www.losangeles.af.mil/News/Article-display/Article/950480/looking-ahead-the-future-of-military-satellite-communications/.

[6]USAF Space and Missile Systems Center．Request for Information (RFI): Future Protected Strategic SATCOM System [R/OL]．https://www.fbo.gov.

[7]USAF Space and Missile Systems Center．Request for Information (RFI): Protected Tactical Service Communication System[R/OL]．https://www.fbo.gov.

[8]USAF Space and Missile Systems Center．Request for Information (RFI): Future Protected Strategic SATCOM System [R/OL]．https://www.fbo.gov.