美國軍事衛星通信系統發展趨勢及重要舉措

文|史中正 張鳳珊

一、概述

美國國防部（DoD）認識到，為保障其國家安全利益，需要實現比對手更快更好地做出決策的能力，這與其作戰人員收集、處理和共享信息的能力密切相關。為確保美國部隊能夠獲得決策優勢，并保持足夠水平的通信能力，美國國防部計劃發展一個更有效和更具彈性的衛星通信系統。該系統主要由三個部分構成：空間段，由配備通信有效載荷和其他任務系統的在軌衛星組成；鏈路段，將網絡中的各個節點連接在一起并在它們之間傳輸數據；地面段，包括發射、操作和利用航天器所需的地面域內的所有設備，包括控制站、天線和用戶設備，如衛星電話。

這些舉措將衛星通信系統作為支柱，使美國國防部的各種網絡和服務主導的聯合全域指揮與控制（JADC2）舉措關聯在一起，以實現全域作戰能力。

二、美國軍事通信衛星發展現狀及趨勢

美國大多數衛星通信系統都由需求驅動，其設計可以追溯到冷戰時期，系統被設計為滿足特定需求，幾乎沒有考慮全局架構。隨著天基連接對所有商業和政府實體的重要性日益增加，能夠收集、處理、共享和保護信息，比對手更快更好地做出決策，增加潛在的決定性作戰優勢。

1.美國軍事通信衛星發展現狀

美國當前軍事衛星系統主要呈現三點特征：高軌衛星為主、衛星功能高度集成以及通信制式異構專用。

（1）高軌衛星為主

目前大多數美國軍事通信衛星都部署于地球靜止軌道（GEO）上，在一個沒有競爭的空間環境中，GEO 能為通信衛星提供高度的靈活性[1]，為在廣泛分散和不可預測的地點行動的軍事部隊提供了持久獲取信息的途徑。GEO 衛星可以從地球上的一個點連續觀測到，但可能會根據其軌道面傾角向北和向南漂移；另一個主要優勢是可以提供廣闊的覆蓋范圍。例如，GEO 衛星的最大可觀測面積約為地球表面的42%，而在1000km 高度的低地球軌道（LEO）上的衛星所覆蓋的面積不到地球的7%[2]。GEO 上3顆均勻分布的衛星可以提供連續的全球通信覆蓋，不包括極地和被地形特征遮擋的區域。

（2）衛星功能高度集成

（1）增大帶寬

衛星通信使用趨勢逐年上漲。其中，衛星通信日益增長的需求在總數據速率和最終用戶數量方面始終超過可用軍事系統的容量，這反映了自第一次海灣戰爭以來，美國數據密集型軍事行動的更大趨勢[9]。為了彌合軍事系統所能提供的衛星通信能力與其部隊需求之間日益增長的差距，美國國防部越來越依賴于從國際移動衛星公司（Inmarsat）、衛訊（Viasat）、銥星（Iridium）和國際通信衛星公司（Intelsat）等租賃商業衛星通信服務。此外，另一個重要的考慮因素是需求如何分配。當固定衛星分配方案無法滿足給定區域內通信需求時，需要綜合考慮資源部署和用戶需求，進行資源靈活分配。

（2）降低延遲

將信號發送到衛星再返回到其預期接收者的過程會產生延遲，GEO 衛星往返傳輸時間約為0.25s。對于需要基于反映實時現實數據的應用和決策，減少與衛星通信相關的延遲的唯一方法是縮小傳輸所需的物理距離，這需要利用GEO以外的軌道。

（3）提高互操作性

美國國防部運行著許多不同的通信系統和60多種不同的波形，這些波形通常支持不兼容的數據通信協議[10]。隨著商業衛星通信行業正在擴展和成熟，缺乏可互操作的開放標準是一個公認的問題，多個專業組織正在努力解決。此外，對于美國軍方來說，一個更有希望的方法是用其自己額外的互操作性工作來補充開發開放標準的工作[11]。

三、衛星通信系統發展關鍵

未來衛星通信的一個主要目標應該是擴大容量，提供具有減少延遲的能力，并提高互操作性。另一個主要目標應該是提高架構的彈性和靈活性，使其具備在廣泛的場景中應用的能力。要實現這些目標需要從根本上改變衛星通信系統的建設思路，從系統的部署方式、生產模式以及地面配套設施等方面對傳統建設模式進行改造。

1.部署小型衛星星座

LEO 和MEO 軌道相較于GEO 軌道更低，其中部署的大量小型衛星可減少延遲、提高容量，并增強衛星系統抵御某些形式的反空間攻擊的能力。衛星技術的小型化和商業部門推動的發射成本的降低大大提高了LEO 衛星星座滿足衛星通信需求的成本效益。

與GEO 衛星相比，LEO 衛星的主要優勢在于：衛星鏈路距離短，可實現更小的通信延遲；衛星數量多且信號強度大，可實現更大的衛星網絡容量和全面的覆蓋范圍[12]；衛星功能分散且存在冗余，可實現更強的遠程任務彈性；衛星成本低且體積小，可更快地建造和部署。

LEO 衛星的缺點在于其相對較小的覆蓋范圍和相對于地球表面的恒定運動，這需要由數十顆甚至數百顆衛星組成的大型星座來提供對地面目標的連續覆蓋。然而，隨著建造和發射衛星進入軌道的成本下降，利用軌道傾角的組合可以經濟地部署足夠的衛星，同時提供全球覆蓋。

美國國防部將通過與盟國或商業供應商合作，進一步分散和擴展其衛星通信能力，合作伙伴可以在其衛星總線上托管政府通信有效載荷。這種托管有效載荷協議將使能力更快速地部署到軌道上，同時通過與托管衛星所有者分擔集成、發射和運營費用，降低國防衛星系統成本。將軍事和商業衛星通信網絡集成到混合架構中，將為作戰人員提供更大的能力、靈活性和彈性，能夠根據新出現的威脅和不斷變化的任務要求在不同的頻帶、波形和安全級別上運行[13]。

2.構建光通信鏈路

實現衛星通信星座全部潛力的關鍵是利用天基光通信，如圖2 所示。與傳統的射頻通信相比，激光器的工作波長要短得多，這將數據傳輸速率提高了至少一個數量級。

4.增強基礎工業

工業界面臨的挑戰是，傳統的衛星制造往往是高度定制的、勞動密集型的，并且涉及長期的質量保證方法，這些方法不適合大規模生產。為了使大型LEO 星座可行，衛星及其各種部件和有效載荷將需要利用低成本制造和裝配技術的進步，如增材制造、自動化和機器人技術的增加以及更多商用現成部件的加入。這反過來要求衛星總線和有效載荷設計不僅要優先考慮性能，還要考慮成本降低和可制造性[18]。SpaceX 每月為其星鏈（Starlink）計劃建造120 顆衛星，而此前保持最大商業衛星星座紀錄的銥星在其巔峰時期每月生產6 顆衛星[19]。

美國政府與業界合作，開發并實施模塊化的開放系統方法（MOSA），該方法鼓勵采用標準、非專用有效載荷接口的模塊化衛星總線設計[20]。規劃大型低軌衛星星座的政府和商業公司仍然需要降低發射成本，以確保長期可持續發展。

四、結論

美國太空部隊的目標是確保美國部隊能夠獲得決策優勢，并保持足夠水平的可靠連接。從美國太空部隊未來軍事衛星通信系統的建設計劃中，可總結出其方案具有以下特點：

1）通過部署非地球靜止軌道（NGEO）衛星星座來擴展現有系統，從而分散、分解、多樣化和擴展其衛星通信選項。

2）探索各種選擇，以擴大與盟國或商業供應商的合作伙伴關系，將政府通信有效載荷托管在其衛星總線上。

3）積極開發和部署星間激光鏈路，以連接其衛星。基于空間的光通信是形成空間網狀網絡的關鍵，該網絡提供多樣化的連接路徑。

4）在一系列機載和地面系統上進行光學通信終端的快速實驗和演示。原型的快速部署將使運營商能夠試驗和開發光通信。

5）充分改進地面系統，使其能夠實現這些新衛星網絡和激光通信的優勢。在前端，這將需要能夠處理低軌和中軌星座運行所固有的快速和連續的衛星波束切換的相控陣天線，以及可以在跨越多個軌道狀態的不同網絡中漫游并在不同的頻帶、波形和安全級別上運行的靈活的終端。在后端，還需要在基礎設施中提升系統的管理和控制能力，自主確定和選擇最佳可用網絡。

6）為了達到低軌星座所需的衛星平臺及其有效載荷的建設能力，在優先考慮衛星性能的同時，還需保障低成本和可制造性。

綜上，由激光通信支持和推動的最新衛星通信架構將是下一代衛星系統發展的一個主流方向，該技術架構通過連接所有網絡，以實現各領域間的互操作，并在更廣泛的場景應用中實現更高的任務成功概率和更短的故障恢復時間，符合未來衛星通信需求的發展趨勢。