美军卫星通信终端的研究现状与发展趋势❋

刘红军

（中国西南电子技术研究所，成都910036）

美军卫星通信终端的研究现状与发展趋势❋

刘红军❋❋

（中国西南电子技术研究所，成都910036）

随着软件无线电技术的快速发展和实践应用，原本数量众多且种类多样的美军军用卫星通信终端也即将迎来更新换代和整合。在介绍美三军最新一代卫星通信终端研制现状的基础上，研究了美军新一代卫星通信终端发展的特点，分析了美军卫星通信终端的未来发展趋势，总结了从中获得的启示。

卫星通信终端；软件通信体系架构；政府参考体系架构；互操作性；研究现状；发展趋势

1 引言

卫星通信（简称卫通）是美军执行远程作战任务时最为依赖的战略和战术通信手段，但美军军事卫星通信系统的发展却落后于各作战单元对于卫星通信需求的增长。在美军参与的“沙漠风暴”行动中所使用的卫星通信，大约20％为商用卫星通信，80％为军用卫星通信；而在本世纪的伊拉克战争中这一比例则变成了大约80％为商用卫星通信，20％为军用卫星通信［1］。从目前的发展情况来看，短期内美军都将大量使用商用通信。

为了改进美军卫星通信系统，提升卫星通信能力，美军进入21世纪后积极开展军用卫星系统的升级换代，整合原有的宽带和有保护卫星通信系统，从系统体系的角度规划和构建军事卫星通信体系，重点发展窄带、有保护卫星通信和宽带等几类通信卫星，努力提高美军卫星通信的动中通能力，满足美军作战部队对于卫星通信带宽越来越高的需求。为此，美军一方面积极研制和发射新一代军用通信卫星，包括“移动用户目标系统”（MUOS）、“先进极高频”（AEHF）卫星、“宽带填隙系统”（WGS）和“先进极地系统”（APS）［2］等；另一方面大力推动美军卫星通信终端的更新换代，研制新一代的卫星通信终端，例如美陆军的“多频段综合化卫星终端”（MIST）［3］、美海军的“多频段终端”（NMT）［4-5］和美空军的“先进超视距系列终端”（FAB-T）［6-7］等，通过借鉴和利用美国防部“联合战术无线电系统”（JTRS）计划［8-9］的经验，扩大战场卫星通信应用范围，提供作战单元卫星通信应用的能力以及解决美军卫星通信装备间的互操作性问题。事实上，美军各军兵种现阶段装备的卫通终端种类繁多、类型多样，且都是硬件依赖的，正是制约美军卫星通信装备和应用发展的主要原因之一。基于此，本文概述了美军各军兵种新一代卫通终端的研制现状，分析了美军卫通终端未来发展趋势，并总结了从中获得的启示和建议。

2 美陆军的多频段综合化卫星终端

为了跟上美军全球部署联合任务部队的需求，美陆军需要不断提高其应急作战的能力，这就要求作战人员能够基于高效的通信能力在战场上快速、灵活地机动，具备移动中通信的能力，多频段综合化卫星终端就是美陆军实现“移动中卫星通信”（SOTM）和“短暂停留卫星通信”（SOTP）的下一代先进多信道卫通终端。按计划，它将为陆军作战单元提供可变的、基于任务的军用和商用连通能力，支持数据、图像、视频和话音通信，并将采用低探测概率/低截获概率波形，以提高卫星通信的安全性。

多频段综合化卫星终端预计将会是一系列模块化、可重配置通信终端，能支持军团级、师级以及旅级战术作战中心和现役战术互联网级别的卫星通信需求。它将具备“多频段”和“多模式”的特点，可以通过多个频段进行通信，主要考虑的频段包括C、X、Ku、Ka以及EHF频段，它将会兼容JTRS“软件通信体系架构”（SCA），支持重新配置，以满足不同级别的作战需求。根据加载平台的不同，多频段综合化卫星终端可以选用相应的设备组合以发挥出最大的效用，但最基本的要求是SOTM和SOTP能力，SOTM的最低数据率要求为128 kb/s，而SOTP则要达到Mb/s的级别。

多频段综合化卫星终端研制计划于2007年开始工程制造验证，计划于2014年装备部队。多频段综合化卫星终端具备的诸多先进能力使其将会在未来取代美陆军目前使用的多信道卫通终端，主要是“保密移动抗干扰可靠战术终端”（SMART-T）和“超高频三频段先进距离扩展终端”（STAR-T），统一美陆军的多信道卫通终端，减少陆军装备的卫通终端数量，为联合作战提供有力的支持。

3 美海军的多频段终端

美海军的多频段终端是支持美国海军“部队网”（FORCEnet）概念的下一代军用卫通终端，用以实现AEHF卫星通信系统提供的“扩展数据率”（XDR）能力，从而大幅提升海军作战单元的带宽效率，为作战单元提供保密的指挥与控制能力以及增强通信，如战术数据和图像、实时视频、战场地图和目标定位信息交换，将海军信息网络从单个舰船和潜艇扩展至其他全球网络。

多频段终端目前确定由美国雷声公司研制，该公司研制的新型多频段终端符合最新的JTRS SCA标准，采用高度模块化的开放架构，以满足未来的能力升级需求［10-12］。它将能够工作在EHF、Ka、X频段，包括Ku/Ka或X/Ka同时运行；支持多种带宽的波形，包括低、中和扩展速率（LDR、MDR和XDR）；能提供多种卫星系统和业务，包括“军事星”（Milstar）、AEHF、UHF后继星（UFO）、APS、WGS、“国防卫星通信系统”（DSCS）和“全球广播业务卫星”（GBS）等。雷声公司研制的新型扩展数据率波形支持以高达8 Mb/s的数据率进行网络和点对点抗干扰通信，远高于现役卫星通信系统所能提供的有保护通信能力。此外，为了提高带宽效率，多频段终端还能利用海军的时分多址接口处理器自动建立IP连接。

多频段终端包括岸站型、舰载型和潜艇型3种，既能使用相控阵天线，也可使用目前海军舰船主要使用的抛物面天线，这使其更容易适应不同舰船的安装要求。多频段终端采用的JTRS SCA架构让其有能力支持现有多种卫星通信功能，作为美海军传统卫通系统互连、互通、互操作的桥梁，未来它将取代很多美海军潜艇和舰船目前使用的卫通终端，包括美海军现役的AN/USC-38（V）极高频卫通终端和AN/WSC-6（V）宽带超高频卫通终端，预计多频段终端将装备美国海军近300艘舰船，成为美海军未来卫通能力提升的关键设备。雷声公司2013年2月获准批量生产多频段终端，预计2014年左右完成终端的交付［10］。

4 美空军先进超视距系列终端

美国空军目前正在开展的“先进超视距系列终端”（FAB-T）计划是支持美空军转型的重要项目之一，它将会是一系列支持话音、数据、图像和视频高速收发的终端，包括机载作战单元终端、机载指挥所终端、地面固定指挥所终端、地面便携式指挥所终端等，主要用于为战略和指挥与控制部队提供视距和超视距卫通能力。

FAB-T系列终端为了提高终端的通用性、模块化、重配置能力、可扩展性和可升级性，将采用通用的体系架构［13］，拥有相同的接口和体系结构，并会基于SCA架构进行开发。它将采用分层体系架构，每一层都由其功能和接口来定义，共包括3个功能层和设备组以及数据集管理器：一是基带设备层，包含操作员接口组和基带设备模块；二是调制解调器处理器层，包含调制解调器处理器组；三是天线层，包含天线组。FAB-T将能支持多种波形，提供超过300 Mb/s的数据率以满足地面、空中和空间平台的信息交换需求；它将能利用AEHF、WGS以及其他美军新一代卫星进行通信，并会兼容传统的“军事星”、UFO星座等。

美空军的FAB-T终端采用演进式分期逐步升级的方式进行开发［14］。第一阶段主要开发能够满足近期和远期超视距需求的终端分层体系结构，它是FAB-T终端未来发展的基准，目标是支持AEHF和传统的EHF载荷，主要装备于B-2、B-52和RC-135飞机并将升级现有的地面固定和便携以及机载（E-4和E-6）指挥所终端。第二阶段主要开发通用的硬件体系（即调制解调器处理器组），它要提供2条独立信道，支持WGS卫星波形和“通用数据链”（CDL）视距波形，数据率将达到274 Mb/s，用于满足空中“情报、监视和侦察”（ISR）平台对于超视距、宽带、高速率军用Ka频段和商用Ku频段通信终端的需求，它还要支持卫通转发和点对多点通信。

定义6中的A(gk)和A(f)是关于PI信号随机变量的多项式表示，概率表达式的传播，以及在A变换过程中对PI信号随机变量指数成分的抑制很好地处理了信号间的相关性[10]，因此概率表达式法可以得到准确的信号概率结果.

按美空军的计划，FAB-T将会装备在美三军的总计46种空中平台上。另外，FAB-T计划装备的平台中很重要的一类是战略核打击平台，而在核爆炸之后，AEHF星座可能是唯一能够幸存的通信网络，轰炸机机组人员可以利用FAB-T终端接管星座的指挥与控制。FAB-T终端的供应商波音公司已经在2013年3月9日向美空军交付了2部工程样机［15］。

5 美军卫通终端的未来发展趋势

在现阶段越来越强调战场联合作战的背景下，军事通信系统的互操作性无疑是系统研制时必须重点考虑的要素，美军现阶段种类繁多、数量庞大的卫通终端设备则是美军卫星通信系统确保互操作性必须克服的挑战。在这方面，美军1997年发起的JTRS计划无疑是最为成功的典范。该计划开发的一系列可互操作的硬件设备将会替代美军现役大量战术电台，特别是该计划发展出来的SCA，为硬件设备的通用化、模块化和标准化奠定了基础。JTRS SCA极大地促进了军用软件定义电台概念的发展，这一概念现在几乎已渗透到了2 GHz以下的各种军用战术通信终端，这其中就涵盖了美军重点发展的窄带卫星通信终端，JTRS系统可以支持MUOS波形。不仅如此，从目前美三军开展的新一代卫通终端研制计划来看，软件定义电台概念也已成为美军卫通终端的未来发展趋势，推动美军卫通终端进一步提高终端设备的模块化、通用化和标准化，降低卫通终端设备的研制成本，促进卫星通信的战场应用，同时改进美军卫通终端间以及与其他通信设备间的互操作性。

不过，众所周知，JTRS计划主要针对的是2 GHz以下频率的战术通信终端，而美军军用卫星通信系统除了窄带卫星通信之外，宽带和有保护卫星通信的频段都高于2 GHz，JTRS SCA基于通用处理器（GPP）的软件架构无法完全适应这类卫通终端的需求，于是在借鉴JTRS计划经验的基础上，美军目前又提出了针对2 GHz以上卫通终端标准化、模块化和互操作的计划，即政府参考体系架构（GRA）［16-18］。GRA计划由美国陆军通信电子研究开发与工程中心（CERDEC）与5个最大的国防部供应商提出，目的是为高带宽大流量（HBHT）多频段战术军用卫星通信终端领域建立模块化的开放系统体系架构。

GRA概念是要提供一个具有开放软件接口的开放公用硬件物理接口，使供应商可以交付能在各种军事卫通终端配置内工作的模块。如图1所示，GRA体系架构包含一组独立的模块，它们具有较低的耦合性，为避免影响其他模块，模块必须加强封装和信息屏蔽（黑箱）。通过模块间的分隔，使内部模块实现可以自由使用最高效的设计和技术来提供最佳的性能和成本效益。

图1 GRA模块示意图Fig.1 Illustration of GRA modules

在GRA中，所有模块之间都是通过通用集成层（CIL）进行通信，每个通用集成层模块都会提供一种或一组特定的功能，这些功能既可以用硬件实现，也可以用软件实现，并且所有模块都采用黑箱设计，这样就可以利用CIL形成模块（包括终端控制模块）的逻辑集成平面。通过这种框架设计，GRA概念不但能够促进未来军用卫通终端的模块化，而且有利于实现设备硬件和波形软件的独立分离，形成平台开发商、波形开发商和设备集成商的相对独立，平台开发商负责开发能够加载符合规范的波形的通用硬件，而波形开发商则负责开发符合规范的波形，设备集成商则负责将硬件平台和波形软件集成到一起，从而大大提高硬件设备的通用性和软件波形的可移植性。

6 启示与建议

由于应用条件和装备特性的影响，卫星通信系统在很多作战平台上的应用都受到制约，其发展相对落后于战术通信终端，终端设备体积大、成本高且互操作性差，极大地限制了卫星通信系统在军事作战任务中的应用，例如美军战斗机的卫星通信应用就很有限。美军在借鉴JTRS计划发展经验的基础上开展GRA研究计划，有望加快美军卫星通信终端的发展步伐，同时使得美军可以对2 GHz频率以下及以上的通信终端的研制进行整体规划，而不再只是单个地发展具体设备，从而提升美军通信体系的互操作性，有力地推动美军的网络中心战概念。从对美军卫星通信终端的发展现状和趋势的分析中可以获得以下两点启示。

首先，美军在考虑卫通终端研制的问题上，尽管目前各军兵种都在各自开展相应的终端研制计划，但随着GRA等计划的开展，美军已经开始从整个作战信息传输体系一体化的角度出发考虑卫通终端的未来发展，通过制定开放性的设备框架体系来促进设备硬软件的模块化、标准化和开放性，特别是制定软件体系规范，在未来的软件定义终端中，软件所发挥的作用将越来越重要。从JTRS到GRA，美军这种从顶层出发规划通信终端未来发展体系的方式值得我们关注和借鉴。目前，软件定义电台相关概念和技术的迅速发展为军用通信终端的模块化和通用化提供了有利的基础，通过促进供应商和研究组织的参与和竞争，不仅可以有效地提升设备性能，促进终端设备间的互操作性，而且能够大大地降低设备研制成本。

其次，卫通系统作为未来一体化作战体系中非常重要的信息传输系统，其发展与其他电子信息系统的发展息息相关，因而在规划卫通终端的未来发展问题上，必须考虑与其他信息传输系统和设备的互操作性问题。在这一点上需要吸取美军JTRS计划的经验教训，美军JTRS计划目前正面临不支持美军目前广泛用于传输侦察图像等情报信息的宽带通用数据链（CDL）的问题，该数据链工作在2 GHz以上的频段，在无人机和侦察情报传输领域应用广泛，这给刚刚开始装备不久的JTRS系统埋下了互操作性隐患。因而，在规划卫通终端未来发展时，需要从长远出发，兼顾其他重要通信系统的兼容性需求。

美军现阶段的军事战略越来越强调部队的远程作战能力，因而对卫星通信的需求还将继续增加，美军目前开展的卫通终端研究无论能否像JTRS计划一样取得成功，都值得我们继续跟踪和关注。

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刘红军（1979—），男，新疆尉犁人，2003年获学士学位，现为工程师，主要从事军事电子系统工程情报研究工作。

LIU Hong-jun was born in Yuli，Xinjiang Uyghur Autonomous Region，in 1979.He received the B.S.degree in 2003.He is now an engineer.He is engaged in defense scientific intelligence research.

Email：liuhj＠swiet.com.cn

Research Progress and Development Trends of U.S.M ilitary Satellite Communication Term inals

LIU Hong-jun
（Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China）

With the rapid development and practical application of software defined radio（SDR），U.S military Satellite Communication（SATCOM）terminals are evolving to software-defined，modular，and multifunctional terminals.The next generation SATCOM terminal programs of U.S army，navy，and air force are introduced，the characteristics of these terminals are analyzed，the future trend of U.S military SATCOM terminals is summarized，and what we can learn from it is presented.

satellite communication（SATCOM）terminal；software communications architecture（SCA）；government reference architecture（GRA）；interoperatability；research progress；developing trend

liuhj＠swiet.com.cn

TN927

A

1001-893X（2013）05-0672-05

10.3969/j.issn.1001-893x.2013.05.028

2013-03-07；

2013-04-17 Received date：2013-03-07；Revised date：2013-04-17

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liuhj＠swiet.com.cn