美国成功发射的首颗新一代战术通信卫星

□□2012年2月24日，美军首颗新一代窄带军用卫星通信系统—“移动用户目标系统”（MUOS）卫星（MUOS SV1）从卡纳维拉尔角空军基地成功发射，这标志着美军新一代窄带军用通信卫星系统开始正式部署。作为现役的“特高频后继星”（UFO）的最终替代系统，MUOS旨在为美国及其盟国作战人员提供覆盖全球的、更为通畅和强大的超视距战术通信能力，包括具有穿透浓密树林和在恶劣气候中以及在有阻挡通信信号传播的建筑等障碍物的城市或其他地区进行可靠通信的能力，并具备与美军计划部署的“联合战术无线电系统”（JTRS）等下一代通信系统进行数据链通和传输的能力。

1 背景及概况

美国军用卫星通信系统由美国国防部负责，分为窄带、宽带和受保护等三大部分，负责为美军提供空间多维信息链接。窄带系统采用特高频（UHF）频段，提供用户的话音、低数据速率、移动通信服务等；宽带系统采用X和Ka频段，主要解决大容量、高数据速率通信需求；受保护系统则采用极高频（EHF）频段，主要解决保密、抗干扰、防探测和防非授权进入通信需求，适用于保密通信。随着卫星通信技术在军事领域的广泛应用，以及美军在全球作战环境多样性和不可预测性的增加，包括“舰队卫星通信”（FLTSATCOM）、UFO等传统的窄带军用卫星通信系统愈来愈显示出其容量不足、抗干扰能力差等缺点，难以满足美军作战需求。为此，美国国防部一方面持续对UFO等卫星系统进行完善升级，包括加装EHF插件、增加编码功能、提升终端性能等；另一方面则指定位于弗吉尼亚州的“海军计划执行办公室空间系统组”牵头负责研发更为先进的MUOS，以满足那些机动性更强、容量需求更大、业务质量要求更高的用户需求。

1999年，“海军计划执行办公室空间系统组”制订了《MUOS作战要求文件（ORD）》草案。2001年，美国国防部审查同意MUOS计划，并与美国洛马公司、美国雷声公司分别签订了为期14个月的部件高级开发（CAD）阶段合同，要求这两家公司及团队2003年前完成MUOS的概念探索阶段（CEP），提供各自的MUOS概念性研发方案。2004年2月，洛马公司及研发团队正式提交MUOS的方案。同年9月，美国国防部正式批准MUOS的相关采购计划，并决定由洛马公司负责提供卫星群、地面系统、卫星及网络控制系统等。

对MUOS卫星进行性能测试

MUOS系统全球覆盖示意图

2005年3月，美军完成了MUOS初步设计评审，对MUOS的体系结构进行了明确。MUOS仍采用UHF频段，既可支持美海军作战概念，又能实现与UFO的兼容性和互操作性，以确保UFO用户向MUOS的平稳过渡。美军还启动了MUOS空间与地基部分的关键设计和发展阶段，以确保下一代窄带战术卫星通信系统能满足用户的需求。

2007年3月，洛马团队如期并按预算完成了关键设计评审，评审验证了整个MUOS的详细设计。美国国防部随后批准洛马公司生产首批2颗MUOS卫星及整套MUOS地面系统。2008年4月，美国国防部授予了联合发射联盟一份合同，要求联合发射联盟使用宇宙神－5火箭发射首颗MUOS卫星。2009年10月，洛马公司在位于加利福尼亚州森尼韦尔的空间系统装备中心进行了一项公开演示，确认了双UHF有效载荷传统无线电台和MUOS试验终端使用最新开发的宽带码分多址（WCDMA）波形和地面系统的兼容性。这项具有里程碑意义的演示除标志着MUOS对之前的窄带卫星通信系统的良好兼容性得到进一步确认外，也预示着系统即将进入正式的发射和部署阶段。此后，MOUS研发进展顺利。2010年6月，洛马公司完成了MUOS卫星的系列地面试验，验证了集成的MUOS卫星整星性能，并确保了卫星平台、卫星有效载荷和运载火箭的电磁能力。2011年12月15日，洛马公司建造的首颗MUOS卫星运抵卡纳维拉尔角空军基地，并进行了包括运输前试验、燃料加注、有效载荷整流罩封装等多项发射准备。2012年2月24日，首颗MUOS卫星搭乘宇宙神－5火箭成功发射升空。与此同时，洛马公司也在加紧建造第2颗MUOS卫星，并已进入环境试验阶段。

2 MUOS的组成

MUOS的总体目标是向美军及盟国作战人员提供包括联网、点对点和移动等形式的、覆盖全球的超视距通信以及联合互操作能力。与现有的UFO相比，MUOS采用WCDMA蜂窝技术来实现全球覆盖，容量达到UFO系统的10倍以上，信道可用率大于97%；窄带话音信道传输速率可达9.6kbit/s，宽带数据信道传输速率可达64kbit/s。此外，MUOS仍然使用BPSK调制方式，兼容原有的UHF终端。按照相关规划，MUOS主要包括空间星座、地面控制中心和用户终端等部分。

空间星座

MUOS卫星在轨运行示意图

MUOS结构示意图

按照设计，MUOS星座将包括5颗MUOS卫星（含4颗地球静止轨道卫星和1颗在轨备用卫星），每颗卫星搭载2个有效载荷，使得MUOS既能与目前的体系兼容，又可向军队用户提供升级的WCDMA系统。利用3G手机和最先进的卫星技术，MUOS 将以更高的数据速率向作战人员提供点对点网络通信服务，以及按需提供基于优先级访问的话音、视频和数据传输。MUOS卫星采用60GHz的星间链路（ISL）。第1颗MUOS卫星定位于72°（E），可覆盖朝鲜和西南亚2个战场，将增加传统用户的通信容量和频谱可用性；第2颗MUOS卫星计划定位于177°（E），可加强对朝鲜的覆盖，并将覆盖范围扩大至太平洋地区；第3颗卫星计划定位于15.5°（W），可加强对西南亚地区的覆盖，并将大西洋包括在内；第4颗卫星计划定位于100°（W）；备用星则计划定位于75°（E），可随时漂移到有需要的地区，以增加这个地区的可用信道数量。根据美国国防部公布的相关合同，美国爱立信公司负责提供MUOS卫星的WCDMA移动通信系统的无线设备，美国诺格公司则为首批的2颗MUOS卫星提供可扩展的惯性导航装置。

地面部分

MUOS的地面部分主要由卫星控制中心、网络控制中心和MUOS网关等组成。出于卫星遥测、跟踪和指令方面的考虑，MUOS将采用现有的控制系统，由位于加利福尼亚州莫古角的海军卫星测控中心进行控制，而位于科罗拉多州谢里佛尔空军基地的空军卫星控制网则充当备用控制中心。卫星控制中心使用美国国防部指定的遥测、跟踪与控制（TT&C）频率对卫星进行追踪控制。由于利用了最先进的Ka频段天线设计，因此可进行高精度的自动跟踪。网络控制中心和MUOS网关则负责提供与国防信息网络（DISN）以及公共电话交换网络（PSTN）的接口。其中，网络控制中心为系统提供UHF频段按需分配多址接入（DAMA）控制，为用户的通信申请动态分配通信频率。MUOS网关共计4处，分别位于美国夏威夷、美国弗吉尼亚、意大利西西里和澳大利亚杰拉尔顿，这些网关均采用光纤网络技术，可与位于夏威夷和弗吉尼亚的网络管理和交换中心连接。此外，MUOS网关通过Ka频段的通信链路连接卫星，实现Ka-UHF频段的交链。

用户终端

MUOS终端包括地面移动终端、可搬移终端以及海面舰艇用户终端等，采用公共空中接口（CAI），可以通过MUOS网关、DISN与政府拥有的商用网关连接到商用的移动卫星服务。MUOS用户也可以通过DISN电信港与其他军用通信卫星的用户进行通信。终端用户能够感受到的改进包括真正的移动通信能力，更好的连通性以及显著增加的用户容量。旧的系统只能同时应付1000多个用户进行通信，而MUOS将可以同时容纳17000个用户以2.4kbit/s的速率进行数据传递。MUOS还兼容原有的UHF终端，以便使现有的窄带卫星系统继续发挥作用。相比于总传输速率（即带宽）为2.7Mbit/s的旧系统，MUOS所有用户的总传输速率将大大提高，达到40Mbit/s。不仅如此，MUOS的新型的手持终端还能与美军最新的“联合战术无线电系统”兼容。

3 MUOS的技术特点

更先进的交叉链路技术

在MUOS中，用户间信息流的传递与UFO有很大的不同。用户终端经由UHF 的WCDMA上行链路把信息发到MUOS卫星上，卫星通过Ka频段下行链路把此信息转发到分别坐落在夏威夷、弗吉尼亚、西西里和杰拉尔顿的4个地面站之一。这4个地面站是互通的，其网络管理设备放置在夏威夷和弗吉尼亚。网管设备会判别出信息所要通向的目标用户，并把其转发到合适的地面站，然后该地面站会通过Ka频段上行链路把信息发到卫星上，最后卫星经由UHF WCDMA下行链路把信息发送到正确的目标用户，从而实现Ka-UHF频段的交叉链接。除此之外，MUOS还会提供一个选择国防信息资料系统的网络服务，话音服务以及数据服务的入口，而过去的UFO系统是无法做到这些的。

更有效的适应能力

尽管以MUOS为代表的窄带军用卫星通信不具备像“宽带全球卫星通信”（WGS）等系统那样进行大量数据传输的能力，但它的波长特性使得UHF频段成为能穿透包括浓密树叶、有阻挡通信信号传播的建筑等障碍物，以及恶劣气候等环境因素限制的唯一频段。这正是那些处于基层和前沿作战的士兵完成任务所迫切需要的。相较现有系统，MUOS不但可以提供更高的数据传输速率、更大的呼叫容量、更稳定的连接，而且网络和呼叫的建立更加便利，并且可能被用在美国海军的远程遥感器、单兵背包以及手持终端上。因此，美国国防部MUOS项目的负责人韦恩•科尔斯表示，“UHF卫星通信十分重要，因为它能突破现代战场上小型移动终端只能实现视距通信的局限，MUOS将会提高所有环境和地形下小型终端的通信能力和联通水平。这将确保今天战场上的战术执行者能够在隐蔽电磁行踪的原则下，始终与其他部队保持至关重要的通信联络”。

整流罩中的首颗MUOS卫星

更优异的抗干扰性

首颗MUOS抵达发射场

每颗MUOS卫星通过16个点波束实现覆盖，采用这种方式可以避免以前UFO采用全球波束容易遭受任何地区的上行干扰问题。通过多个点波束覆盖不同的作战区域，可以实现不同区域的作战单元采用多个波束进行通信，能降低敌方的单一作战平台对通信系统的干扰，即敌方无法通过单一作战平台获得当前区域的干扰目标信息，也无法对其他波束的作战目标实施干扰。同时，MUOS卫星的多个点波束指向不同区域，可以利用卫星监测设备发现某一波束内的干扰信号，通过调整波束指向避开干扰源所处的区域，提高系统的抗干扰性能。此外，MUOS还充分利用商用的先进技术，在兼容UFO的工作方式下，综合运用频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）和码分多址（CDMA）的技术体制，极大地提高了系统的通信容量和效果。

4 对美军军用通信能力的影响分析

大幅增强美军全球战术通信的能力

随着美军部队信息化转型的加速，卫星通信在各类军事和非军事行动中的保障作用日渐凸显。针对现有UFO容量相对较小且易受干扰等缺点，MUOS采用第三代商用蜂窝技术（3G）以及WCDMA波形和通用移动电信系统（UMTS）基础结构。每颗MUOS卫星可把其需要覆盖的区域划分为数个蜂窝，每个蜂窝由一个点波束来对应。各个蜂窝的面积不尽相同，热点地区由若干个蜂窝来覆盖，每个蜂窝的面积相对小些；而对幅员辽阔但通信需求量少的地区，则仅用一个“大”蜂窝来覆盖。由于采用了WCDMA蜂窝技术，不同的蜂窝间可实现频率再用；同一个蜂窝里，所有用户在同一时间内使用相同的频率来通信，其信道的划分是通过不同的波形，即不同的扩频码来区分的。在相同传输条件下，就MUOS单个蜂窝而言，它可提供的信道数显然要比UFO少。然而，MUOS划分的蜂窝数众多，各个蜂窝可用信道数的总和则比UFO大得多。此外，MUOS还修订了WCDMA波形的最大传输时延以适应通过同步卫星的通信，同时增加通信的优先级与安全性控制以适应军事通信中的各种通信需求，把高质量的声音与同步移动图像连接起来，从而满足主战区联合作战（CMTW）的通信需求。

MUOS位于夏威夷的地面站抛物面天线阵列

有效满足美军未来多军种联合作战通信需求

从最初的概念设计起，美军就提出了新老系统之间的过渡和兼容问题。因此，洛马公司及其团队对MUOS卫星的设计与现存的UFO完全兼容，以保证各军种已经采购或即将采购的以及已经装备或即将装备的用户终端可以在不增加投资的情况下维持其互通性，为保障未来美军多军种联合作战的顺利进行，MUOS卫星还可与美军现役或在研的部分通信电台联通。例如，美军在研的下一代AN/ARC-210电台—RT-1939-C是AN/ARC-210的第5代是软件可编程电台，它可支持MUOS、UHF 卫星通信的综合波形（IW）等，美国陆海空三军和海岸警卫队的F-18、C-130、A-10和无人机上都有装备。美国陆军现役的FalconIII AN/PRC-117G多频段战术背负式无线电台也具备了与MUOS的兼容性。因此，MUOS卫星不但能极大提高美军方的通信可用性，并可最大限度地发挥美军未来“联合战术无线电”系统终端的全部特性能力。

进一步促进美军与盟军执行联合作战任务的能力

近年，美国逐步加大了与盟国尤其是澳大利亚在卫星领域的合作关系，先后在WGS、MUOS等多个卫星项目上与其展开合作。其中，美国国防部与澳大利亚国防部在2007年11月签署了保密谅解备忘录，就美国在澳大利亚杰拉尔顿建立MUOS地面站设施达成协议。2008年3月，联合地面站建设开始，新的设备与澳大利亚国防卫星通信站建在同一地点，两者相互配合但分别管理。该地面站将包含3个容纳电子设施、能源和备份的小型建筑物，3个18m高的卫星天线和2个小型天线，并完全实施自动化操作。同时，美国夏威夷海军计算机与电信处区域总站的天线场站建设则于2008年7月完工，具体设施包括3个直径约18.29m、每个质量约227t的抛物面天线。这些天线最终将通过卫星与位于美国弗吉尼亚州、意大利和澳大利亚的其他3个场站的天线互联。届时，美澳双方在窄带军用卫星通信领域的联合通信能力将得到大幅提升，并最终促进和强化美国与盟国军队执行联合作战任务的能力。

5 结束语

目前，MUOS已经成为了美国国防部最成功的高透明度项目之一。虽然该系统实现完全作战能力仍面临诸多技术难题，但随着后续卫星的陆续建造和部署，其对未来美军通信能力必将产生更为深远和积极的影响。