美国军事卫星通信系统发展研究

陈 亮

(中国电子科技集团公司第三十六研究所，浙江嘉兴314033)

0 引言

从20世纪60年代开始，美国军事卫星通信(MILSATCOM)的应用得到了快速增长。到2020年，美国军事卫星通信系统的核心系统将包括10颗宽带类型的宽带全球卫星系统(WGS)卫星、5颗窄带类型的移动用户目标系统(MUOS)卫星和6颗抗毁类型)的先进极高频(AEHF)卫星。

随着美军宽带、窄带、抗毁三个系列的军事卫星通信系统卫星的陆续发射，其作战能力也在逐步形成。这些不同类型的军事卫星通信系统结构复杂、功能先进、造价不菲，它们虽然代表了当今军事卫星通信系统的最高水平和最新发展趋势，但是在开发和部署的过程中还是出现了开发进度延期、成本预算超支等诸多问题。虽然引入商业卫星通信系统，可以缓解当前美军军事需求和预算不足的现状，但是仍然不能满足美军对于安全、抗干扰的军事卫星通信能力的需求。

未来美国军事卫星通信系统在体系结构上将探索采用解聚的卫星通信系统体系结构，降低系统开发的成本，丰富系统的作战应用能力;在技术上引入可重新编程的载荷技术，增加系统的灵活性;此外美军还重视同业界的沟通，通过联合开发等模式，提高用于军事目的的商业卫星通信系统的可靠性。

1 美国军事卫星通信系统的发展现状

截止2013年12月31日，三大美国军事卫星通信系统的发展现状如表1所示。

1.1 宽带卫星通信系统

WGS卫星通信系统在项目启动之初不过是一个美军填补雄心勃勃但已经终止的转型卫星通信(TSAT)系统空缺的项目，但11年后，在美国国防部未来十年军费开支削减4 870亿美元预算之际，WGS卫星通信系统是公认的成功典范。

(1)WGS卫星通信系统已成为美军宽带数据传输的主力

虽然美军未来宽带星座最初所始料不及的，但是WGS卫星星座已经开始承担起美军的大部分宽带通信。单颗WGS卫星(能转发Ka波段和X波段频率的)通信容量是目前仍然在轨的整个国防卫星通信系统(DSCS)的10倍。

当前，3颗在轨运行WGS卫星处理着美国国防部90%的宽带需求，其余10%则由在轨的7颗DSCS卫星和海军特高频后续卫星处理。大量能够同新型WGS卫星兼容的终端仍处在向部队部署的进程之中。

然而从大体上说，美军正在从使用商用卫星通信转向使用WGS卫星，但现在认为商用通信卫星市场的衰减还为时过早。

(2)新型体系结构提升了WGS卫星通信系统的通信能力

WGS卫星通信系统的通信能力提升的要因是采用WGS Block II的技术体制，以及波音公司成熟的702卫星平台。

1)WGS Block II。WGS卫星通信系统现已顺利进入Block II阶段。WGS－4卫星作为这个系列的首颗卫星，于2012年1月19日发射，并于2012年4月11日移交给美国空军。相对于头3颗已经在轨运行的WGS Block I卫星，WGS－4卫星具有一个射频旁路，可以以Block I卫星的3倍左右速率转发大带宽机载情报图像，它大大增加了WGS星座的容量和冗余度。WGS星座需要5颗卫星才能实现全球覆盖。

2)702HP卫星平台。现代化的WGS－10卫星是基于波音公司成熟的702卫星平台制造的，该平台利用了引领业界几十年的成熟的空间技术。

基于波音702HP卫星平台的能力，波音公司正在调查利用高增益天线为作战人员提供更多的动中通通信以此来支持所谓的偏远地区用户，以及一些不能携带大型天线进行数据转发的用户。这些高增益天线通过当前现有WGS天线可以非常容易且具有很高性价比地获取有效数据包。地面用户还希望卫星能够提高X波段和Ka波段的覆盖区域同时，具备更强的抗干扰能力。

1.2 窄带卫星通信系统

MUOS卫星通信将最终替代目前的UFO卫星通信系统，为美国军方用户提供10倍以上于当前系统的通信能力，美军对此有着巨大的需求。另一方面各个卫星通信系统提供商都热衷于为美军开发兼容MUOS的无线电设备，预计MUOS卫星通信系统终端将广泛部署在美军的各种平台上。

(1)MUOS卫星通信系统提高了美军UHF卫星通信能力

MUOS－1卫星及相关地面系统将在2012年形成初始在轨作战能力，而后在2013年发射MUOS－2卫星。预计到2015年5颗卫星组成的星座才能实现完全作战能力，2025年之后把UHF窄带通信能力扩展到美军。

一颗MUOS系统卫星可供4倍于UFO星座(8颗卫星)的容量。MUOS卫星上还搭载有完全兼容UFO系统终端的传统的UHF有效载荷。这种双有效载荷的设计能够确保从淘汰的UFO系统向最新的WCDMA技术转型。WCDMA有效载荷，其数据传输能力想到与现有特高频卫星系统的16倍，并可以通过国防信息系统网络实现全球连接，卫星还支持全双工的话音和数据传输。

(2)MUOS卫星通信终端将广泛部署在美军各种平台上

由于当前商用MUOS终端还没有上市，但在技术上实现兼容MUOS卫星通信系统的终端并不存在任何问题，业界可以以非常快的商业速率提供这种能力，因此各个卫星通信系统提供商都热衷于为美军开发兼容MUOS的无线电设备。

雷声公司通过升级现有的AN/ARC－231电台系统，旨在实现美国国防部对于机载、多频段、多任务、安全抗干扰话音、数据和图像的传输和提供网络使能的通信能力的需求。目前该电台广泛地部署在美国陆军的直升机上，包括MH－60L/M和UH－60L/M“黑鹰”、UH －1N Hueys、AH －64“阿帕奇”和美国空军(USAF)的RC－135“联合铆钉”和联合STARS飞机上。

虽然MUOS终端潜在资源丰富，但是美军还是需要花费多年时间对这些无线电设备进行测试、大批量采购和战场部署，为此，全球范围内大约有70 000～80 000个舰载、机载、车载和坦克UHF终端需要进行更换。

1.3 抗毁卫星通信系统

AEHF卫星通信系统作为美军最重要的抗毁的卫星通信系统，一颗AEHF卫星所能提供的通信能力将超过目前在轨的5颗“军事星”所能提供的通信能力的总和。此外，AEHF卫星具有与所有5颗“军事星”的向后兼容能力。

AEHF系统由3个部分组成:空间部分(卫星)、地面部分(任务控制和相关的通信链路)和终端(用户)。数据通信速率从75比特/秒到8兆比特/秒。

空间部分是由一个地球同步轨道上4颗卫星交联而成的星座组成的。AEHF卫星载荷的特点是具有星上信号处理能力，以及提供了EHF/SHF交叉频带的通信能力。卫星天线部分由2副SHF下行链路相控阵天线、2副交联天线、2副上行/下行战场抗干扰调零天线、1副上行EHF相控阵天线、6副上行/下行链路万向碟形天线，以及1副上行/下行地面覆盖喇叭天线组成，增加了覆盖范围。

地面部分控制在轨的卫星、监视卫星的状态和提供对通信系统的计划编制和监视能力。地面部分具有高度的抗毁性，包括了固定式和移动式控制站。系统上行链路和交联工作在EHF频段，下行链路工作在SHF频段。

终端部分包含了美国各军和国际合作伙伴(加拿大、荷兰和英国)使用的固定和地面移动终端、舰载和潜艇终端、机载终端。雷声公司已经利用卫星扩展数据率(XDR)波形演示验证了终端的交互性。XDR波形是美军最为复杂的低检测、抗干扰波形。基于此系统的数据传输速率将是传统EHF系统的5倍。

1.4 商业卫星通信系统

美国军方为实现网络中心战，不断增加军事通信卫星数量，但因为技术和资金问题已有近10颗军事通信卫星发射计划延迟，离确保未来军事需求的目标还有一定的距离。为了满足不断增长的军事卫星通信需求，租用商用服务己纳入国防部基本预算。目前，80%具有固定地面站的美国军事卫星通信由商业通信卫星运营商提供。

2 美国军事卫星通信系统面临的问题

随着现有美国军事卫星通信系统项目的推进，开发进度延期、成本预算超支等诸多问题日渐显现;另一方面，军费预算和技术体系结构一直困扰着未来美国军事卫星通信系统前进的步伐;而商业卫星通信系统则不能满足美军对于高度保密和抗干扰的通信能力的需求。

2.1 现有军事卫星通信系统面临的问题

早期的美国军事卫星通信系统大多是单任务性质的，只提供某种特定服务。这些任务通常围绕最适合特定服务的频段建立的:用于窄带服务的UHF频段、用于宽带中继的X波段等。单颗卫星既不特别复杂，造价也不高。而现有的美国军事卫星通信系统包括了更大、更复杂、造价更高的卫星。

早期的美国军事卫星通信系统可以用小型或中型运载火箭进行发射，但像“军事星”这样高度任务集聚的卫星就需要“太阳神IV”火箭进行发射。随着卫星重量的增加，美军现有的军事卫星通信系统的开发进度拖延(如图1所示)和成本超支(如图2所示)等问题开始显现出来。

图1 美国军事卫星通信系统开发进度对比Fig.1 Comparison of U.S.MILSATCOM development progress

图2 美国军事卫星通信系统开发成本对比Fig.2 Comparison of U.S.MILSATCOM development cost

2.2 未来军事卫星通信系统面临的问题

美国国防部在如何实现其未来军事空间通信体系结构的问题上态度一直不太明朗。2013年在纽约举行的卫星通信大会上，无论是业界还是政府官员，似乎没有人明确表态解决这个问题。

美军对于军事卫星通信系统的需求不断增长，但是美军的军费预算却在持续缩减。这种背景下，美军将无力支持大型卫星计划。由于目前美军的军事卫星已经无法满足其业务所需，而且也未启动任何新计划，因此，商用卫星将很有可能成为今后美军事卫星通信体系结构的主要组成部分［1］。

2.3 商业卫星通信系统面临的问题

美军的三大军事卫星通信项目只能为军方提供一小部分所需的军事通信能力，而且“它们是昂贵的、需要花很长时间来开发和部署”。商业卫星通信系统已经填补了这一空白，它们曾为在伊拉克和阿富汗的美国部队提供了绝大多数的通信能力。虽然这些提供商尽了最大努力，但是这些卫星不能提供美军所需的高度保密和抗干扰的能力。

美军多数军事卫星通信业务通过脆弱的商业卫星通信系统信道传输，这些信道上包含了大量的空间通信。只有大约1%的国防卫星通信是安全、免于拦截和干扰威胁的。虽然对于许多非关键功能来说这是一个可以接受的解决方案，但是“广泛采用非抗毁卫星通信系统让美国及其盟友极易受到正在努力削弱美国现有信息优势的敌对势力的威胁”。

3 未来美国军事卫星通信系统的发展

未来美国军事卫星通信系统的发展主要表现在探索不同的体系结构、引入智能手机和其他商业通信技术，并提高用于军事目的的商业卫星通信系统的可靠性。

3.1 探索解聚的卫星通信体系结构

解聚的思想是通过数量较少的集中任务来创建一个成本更加可控并以增量的方式部署的卫星通信体系结构。主要有两种解聚方式:第一种是将一个大型的任务集聚系统分解为多个较小的组成部分;第二种是通过为现有系统补充增加的较小组成部分来建立一个更多样化的增值系统。以下分别以WGS系统的分层增强和AEHF系统的分解来具体说明这两种解聚的卫星通信体系结构。

第一种情况如图3所示，通过增加小卫星和/或搭载有效载荷补充由六颗WGS卫星组成的核心系统的能力。在这个概念，新的资产将针对特定的Ka波段军事任务进行定制，这些任务包括战术(或战区内)机载情报、监视和侦察(AISR)，远距离机载情报、监视和侦察(AISR)和运动中通信(COTM)。根据作战司令部(COCOM)的即时需求选择特定的轨道位置，并确保不会干扰WGS星座。新的资产可以是搭载的有效载荷或自由飞行器。

图3 通过增加资产进行解聚的例子Fig.3 Comparison of U.S.MILSATCOM development progress

第二种情况如图4所示，通过将现有的AEHF卫星分解成独立的卫星或有效载荷，分别支持各种战略和战术任务，从而实现解聚。在这种情况下，所需的卫星比原来任务集聚时的规模显著减小，复杂度也降低了。

图4 通过分解进行解聚的例子Fig.4 Comparison of U.S.MILSATCOM development progress

引入解聚体系结构的另一个原因是资产多样化的选择:规模和能力相近的同类资产，或由更加多样化的资产组成一个混合星座。同类星座最大限度地提高了冗余度，并可利用高产量的批量生产线;而混合星座提高灵活性和对变化的响应能力。后者可以同时包括大型和小型有效载荷，以及搭载的有效载荷和自由飞行器［2］。

3.2 引入软件可重新编程载荷技术

美国海军研究办公室(ONR)、海军研究实验室和海军陆战队航空兵共同开发了一种具备实际通信潜能的固有的卫星技术——软件可重新编程载荷(SRP)。软件可重新编程载荷是设计用于在一个基于软件无线电平台的工具包中实现通信、射频感应和电子战等多重功能。在其第一个应用中，软件可重新编程载荷将允许地面上的海军陆战队员通过“影子”无人机实现相互通信，且不管无线电、网络或波形正在使用与否。

软件可重新编程载荷提供了4种基本的应用:自动识别系统、干扰减弱的UHF通信中继、具有UHF IP路由能力的传统电台，以及单信道地面和机载无线电系统。软件可重新编程载荷采用了与JTRS非常相似的无线电体系结构，它将经历更多的互操作测试，确保与JTRS兼容［3］。

3.3 提高商业卫星通信系统的可靠性

随着商业卫星通信系统越来越多地进入美国军事卫星通信系统的体系结构，并承担着重要的角色，美军也日益陷入卫星通信系统成本和安全性权衡的困境，提高商业通信卫星系统的可靠性，使其满足军用卫星通信系统的需求是当前和未来美军必须面对的一个问题。

出于这些原因的考虑，美国空军在军事卫星通信系统局(MSCD)的牵头下着手开展一个大的合同项目，旨在演示并确定使用现有的和/或少量修改的商业抗毁卫星通信系统，以满足2020财年以后，未来抗毁军事卫星通信需求的可行性和经济承受能力。这些项目促进了商业公司开发独具特色的体系结构解决方案。如抗毁的战略军事卫星通信系统在核、冲突与平时等所有作战环境中必须具备低截获/探测/利用(LPI/LPD/LPE)概率、顽存、抗闪烁与抗干扰通信，以及核指挥与控制服务。抗毁的战术军事卫星通信必须提供对抗和平时作战环境下的抗干扰和低截获/探测/利用概率通信［4］。

此外，曾经被认为只存在于军事技术领域的安全抗干扰(AJ)通信现在也可以用商用调制解调器技术来实现，并提供从安全/非抗干扰到安全/抗干扰的不同等级的安全通信，如联合IP调制解调器/EBEM/LinkWay。

同样的，近期商用大容量卫星(HCS)技术的发展，可以直接应用到竞争环境的抗毁型通信中。这些卫星以及为使用这些大容量卫星而设计的系统，例如ViaSat公司的ViaSat－1卫星和Eutelsat公司的KA－SAT卫星，都使用了大带宽、高功率/窄点波束，这些特征使其可以直接在竞争通信环境中工作。

4 启示与建议

美国军事卫星通信系统的发展也为我国未来卫星通信系统的建设以及卫星通信系统对抗装备的发展带来新的思考。

4.1 通过多种方式发展各种层次的卫星通信系统

借鉴美国卫星通信系统的发展经验，利用商业卫星通信系统具有制造成本低、投资风险小、技术成熟的特点，采用政府－企业合作、租用商业通信卫星实现“托管有效载荷”等手段来发展卫星通信系统。

借鉴美国的卫星通信系统的发展体系，顶层规划不同战略、战术和移动作战任务对于卫星通信系统的需求，实现在频段上和覆盖区域上相互补充，同时具备了各自独特的作战应用场景的卫星通信系统，从而保证了己方的信息优势。

4.2 发展多种平台的卫星通信系统通信对抗能力

以美国为代表的发达国家都已经或正在着手开发频段、覆盖区域和作战应用场景上相互补充的较为完备的卫星通信系统。不同频段和作战应用的卫星通信系统具备各自不同的特性，不可能采用同一种对抗装备，因此要重视发展多种平台的卫星通信系统通信对抗能力。

5 结语

由于军费预算不足、技术复杂和开发难度大，美军雄心勃勃的“转型卫星通信系统”(TSAT)终于未能成形，而美军现有的军事卫星通信系统的开发与部署也是“蹒跚而行”。但是无论如何，美军拥有当今世界上最大的军费开支和最先进的军事卫星通信技术，因此，开展有关美国军事卫星通信系统发展的研究，具有十分重要的意义。

［1］STEW M .Military Space Communications Lacks Direction［J］.National Defense，2013(01):30 －32.

［2］RON B.Desegregation and Diversification of U.S.MILSATCOM［J］.Milsat Magazine，2012(04):64 －71.

［3］EDWARDS J.The Future of Military Comms on the Battlefield［EB/OL］.(2012－02－13)［2014－02－01］.http://defensesystems.com/articles/2012/02/08/cover－story－military－communications－technologies.aspx.

［4］THUERMERK E.New Look at Military Satcom［J］.Military Information Technology，2013(01):26 －27.