美国移动用户目标系统建设现状与效能分析

●文| 北京市遥感信息研究所　阳斌　董涛

美国移动用户目标系统建设现状与效能分析

●文| 北京市遥感信息研究所阳斌董涛

一、研制历程

1978年，美国海军发射首颗舰队通信卫星，掀开了超高频（300～400MHz）卫星通信序幕。此后，美海军先后研制使用了租赁卫星、特高频后继星等卫星通信系统。截至当前，舰队通信卫星、租赁卫星已正式退役，特高频后继星仍在继续使用但整个系统预计将于2020年前后完全停用。纵观美国海军上述几代卫星通信系统，单颗卫星性能方面后一代系统较前一代系统有不同幅度提升，但卫星通信技术、系统组织架构等其实并未发生实质性的改变，后一代系统基本为前一代系统的技术沿袭与优化完善，美海军卫星通信能力长期以来并未得到实质性、突破性的提升。

伴随军事通信需求的飞速增长，美军亦早已意识到其原有卫星通信系统难于满足使用需求。为适应形势发展，美军于1996年开始研发性能更为先进、功能更为强大的新型窄带卫星通信系统，用于取代特高频后继星系统。2002年2月，新型通信系统研制项目正式开始，项目由美海军牵头，具体由隶属太空及海上作战系统司令部的空间系统计划执行办公室及通信卫星计划办公室负责，系统中文译名为“移动用户目标系统”，简称MUOS。MUOS项目前期概念设计、研究论证、方案制定等工作花费数年时间。2004年，美国洛马公司、雷神公司两大国防企业针对项目具体研制工程展开竞争。2004年9月，洛马公司从竞争中脱颖而出成为卫星系统的主承包商与系统集成商，标志MUOS研制项目正式启动。美海军与洛马公司所签署的系统研制合同编号为N00039-04-C-2009，初期合同总额21亿美元，内容包括研制2颗MUOS卫星及相关配套地面设备。此后，美海军与洛马公司达成另外3颗卫星及相关配套地面设备的研制协议（MUOS系统共由4颗主星及1颗备用星组成），卫星合同总额超过32亿美元，项目总成本超过60亿美元，系统预定目标为2010年具备初始保障能力，于2015年全面运行，即实现卫星接入、组网通信、联合互操作、全球覆盖、点对点通信、两极覆盖等（实际进度远落后于此）。系统部件研制方面，MUOS卫星由洛马公司位于宾夕法尼亚州的商业空间系统部制造，最后组装测试工作则由该公司位于加利福尼亚州森尼韦尔市的分公司承担。地面系统方面，洛马公司与美国另一家国防企业集团—通用动力公司签署协议，由后者所属指挥、控制、通信和计算机系统分公司全权负责地面系统的建设工作［1］。

与诸多工程项目一样，MUOS系统研制工程正式启动后同样遭遇了研发难题、预算不足等预料之外的困难，研制进展被迫数度推迟。最初定于2010年发射升空的首颗卫星MUOS-1直至2012年2月才发射升空，比预定时间推迟了26个月。第二至五颗卫星分别于2013年7月、2015年1月、2015年9月、2016年6月发射升空，均严重滞后于原始计划，整个MUOS系统预计将于2017年1月投入全面运行。

☆　MUOS卫星3D效果图

二、系统组成

MUOS系统主要由卫星、地面站及操控站、用户终端等几部分组成。

☆　MUOS系统组成

1.卫星

MUOS系统包括5颗卫星（见表1），其中MUOS-1、MUOS-2、MUOS-3、MUOS-4为主星，MUOS-5为备用星。截至2016年6月，4颗主星及第5颗备用星已全部顺利发射升空［2］。

表 1 MUOS系统卫星情况

卫星性能方面，每颗MUOS卫星搭载1个传统超高频窄带载荷，同时增加携带1个基于“第三代合作伙伴项目”技术（3GPP，主要用于保持未来技术及系统的兼容性）的宽带码分多址（WCDMA）载荷，采用S与Ka混合频段、星间链路与星上处理、信道编码、抗干扰等先进技术，装备Rake接收机（一种可用于分离多径信号并有效合并多径信号能量的接收机）。每颗卫星装备1副传统天线及1副新型多波束天线，反射器直径分别约5.4m、14m（见表2）。信号接收、发送方面，WCDMA信号由新型多波束天线接收及发送，传统超高频信号由新型多波束天线接收但由传统天线发送。MUOS卫星主要用于向固定及移动用户提供全球范围内的窄频、超视距、点对点的网络通信服务，每颗卫星所搭载多波束天线可生成16个上下行链路，每个上下行链路均可分配为4个5MHz的宽带码分多址信道，每个信道最多可供500名用户同时共享。此外，卫星信号基本不受气象、环境等因素影响，适用性更强，可在复杂、恶劣的天候环境下为潜艇、水面舰船、飞机、偏远地区地面机动部队等提供通信服务［3］。

表 2 MUOS卫星部分性能参数

2.地面站及操控站

MUOS系统在全球范围内建有4座地面站及2座卫星操控站。其中，4座地面站分别位于美本土弗吉尼亚州和夏威夷、澳大利亚、意大利。美海军负责地面站的日常运行，如卫星总体管理、测控、指令传输等。每座地面站建有3座直径约19m的天线，均安装有用于通信的无线电装置，各地面站之间通过光纤通联，数据可快速传输。其中，夏威夷、弗吉尼亚州2座地面站除安装有无线电装置外还安装有转发器及传送接口，主要用于数据转换及传输。此外，夏威夷地面站还安装有网络管理设备，担负通信计划、资源分配等任务，向系统提供基于优先权的实时通信资源分配信息，必要情况下可进行优先级稍低的通信资源的再次分配，并担负MUOS系统网络管理、态势感知等方面职能。2座卫星操控站中，位于加利福尼亚州穆古角的为主操控站，位于科罗拉多州施里弗空军基地的为备份站，操控站主要职能为通过地面站接收卫星状态信息并向卫星发送指令，确保卫星状态良好［4］。

☆　MUOS系统4座地面站

3.用户终端

MUOS系统采用BPSK调制方式，可应用于为其专门研制的新型终端。同时，该系统与美军既有的联合战术无线电系统兼容，同样适用于当前广泛使用的大部分传统终端。如，联合战术无线电系统中的手持式、单兵型小型无线电台及机载、海上、固定站接收终端均可与MUOS系统兼容。其中，美陆军所装备AN/PRC-155手持式、单兵型小型无线电台于2013年成功通过MUOS-1卫星进行通信实验，是首款体验MUOS系统WCDMA功能的美军通信终端。此外，MUOS系统计划拓展应用于Block 4联合攻击机、海军航空司令部AN/ARC-210甚高频/超高频通信系统、空军AN/ARC-231型天火多模机载通信系统等［5］。

信号接收方面，MUOS终端设备安装有全向天线，可在运动状态下进行通信，具备“动中通”能力，用户不再需要在通信时停下来设置天线、调节方向等，相对特高频后继星系统终端必须在静止状态下通信有突破性的改善提高。此外，通过改善终端性能，MUOS系统整体通信速率及容量均有大幅提升。美军当前使用的特高频后继星系统只能满足1029个2.4kbit/s终端同时接入，MUOS卫星则能满足16332个2.4kbit/s宽带码分多址终端以及424个特高频后继星终端同时接入，传输速率2.4kbit/s至384kbit/s，通信能力及速率大幅提升。

☆　传统通信终端与MUOS手持式移动终端

三、通信流程

MUOS卫星采用地球同步轨道，每颗卫星均在2座地面站作用范围内，同时每座地面站均可接收2颗卫星信号或对其进行遥控。4座地面站之间经光纤相互联通，并提供卫星与美国国防部地基通信网络间的通信与控制接口。系统通信过程分为“用户至地基通信网络”、“地基通信网络至用户”两大部分。“用户至地基通信网络”通信流程为通信用户使用MUOS系统终端通过超高频上行链路（带宽300～320MHz）向对应的卫星上传通信信息，卫星将通信信息转换为数码格式后经Ka频段下传至作用范围内的某座地面站。“地基通信网络至用户”通信流程为接收卫星所下传信号后，地面站对信号进行解调解码并将其传送至夏威夷或弗吉尼亚州地面站进行转换（如前所述，仅此2座地面站安装有转发器，若卫星直接向夏威夷、弗吉尼亚州地面站下传数据，则无需此传输环节，直接转换即可），转发器将数据传输于另一颗卫星对应的2座地面站，2座地面站再经Ka频段向共同作用范围内的卫星分别上传50%的通信数据，卫星将所接收信号进行放大，并将信号降低至超高频，随后通过超高频下行链路将信号下传至另一位通信用户所持有的MUOS用户终端，单次通信信号交互完成。用户间的相互通信遵循上述流程往复进行。

☆　MUOS系统通信流程示意图

四、效能分析

MUOS卫星系统是美军将先进窄带通信技术与移动通信技术相结合的产物，在美军未来军事行动中将发挥重要作用。该系统可以提供覆盖全球的超视距战术通信能力，满足使用大型、小型及手持式终端的各种卫星移动通信用户需求，应用前景广阔。概括而言，MUOS系统主要具备以下几方面的优势及特点。

首先，卫星性能先进，通信能力强。MUOS系统单颗卫星性能相对美军传统通信卫星有大幅提升。每颗卫星通信范围南北跨度拓展至65°，东西跨度最大可覆盖约1/2的地球表面，且南北纬65°之间约70%的区域由2颗卫星同时覆盖（双覆盖），系统通信可靠性得到有效提升，且卫星采用“第三代合作伙伴项目”、信道编码、抗干扰等先进技术，通信信号基本不受气象、环境等因素影响，可在复杂、恶劣环境下为用户提供通信保障。事实上，美海军曾于2014年“冰原演习”期间在北纬85°的高纬度地区对MUOS系统进行测试，实现了近150小时的可靠数据连接，进一步验证了MUOS卫星系统在高纬度地区的可靠通信能力。此外，待系统第五颗备用星MUOS-5发射升空后，其可随时根据需要机动变轨，增加某个特定地区的可用信道数量，系统应用潜力将进一步增强。

其次，系统兼容性强，推广使用潜力大。除专门研制的新式终端外，MUOS系统兼容美军当前正在使用的大部分传统终端设备。据预计，MUOS系统全面运行后，通信终端总数可能超过8万套，且美海军DDG-1000驱逐舰等新型舰艇、空军C-17运输机及F-35战斗机等主战装备多数已安装或计划安装MUOS通信终端，系统推广应用前景广阔。

最后，系统具备“动中通”能力，其他卫星通信系统难于比拟。美军当前使用的超高频终端通信需在停止状态下进行，终端天线架设及拆卸均需耗时10min左右。与之不同，MUOS系统终端可在运动状态下实时通信，无需架设或拆卸天线，省时省力、便捷高效。

☆　南北纬65°范围内约70%的通信区域由2颗卫星同时覆盖（CMTW意为联合主战区）

MUOS系统技术先进，功能强大，但也同样存在问题与不足，系统研制过程中也遭遇了困难与挫折。例如，2012年针对手持式、单兵型无线终端进行的一次测试中终端可靠性即未满足要求；2014年4月进行的初始测试结果显示，MUOS系统数字载荷性能仍需更多时间方可成熟并通过认证；由于波形、地面系统、无线电终端软件等方面问题，WCDMA载荷最终运行测试被推迟至2015年12月，等等。上述事例足以说明，MUOS系统也是遵循着“边研究、边实验、边改进”的模式研制发展而来，此过程中本身即存在着诸多疑问与不确定因素。作为一项技术先进、结构复杂的系统工程，MUOS通信系统当前仍处于建设及调试中，尚未正式交付及运行，其可靠性、实用性等均有待时间与事实进一步验证。

［1］ John D. Oetting & Tao Jen. The Mobile User Objective System［J］. Johns Hopkins APL technical digest， Vol.30，NO.2（2011）： 103-111.

［2］ PEO Space Systems. MUOS-5 Satellite Launch. From PEO Space Systems Website： http：//www.public.navy. mil/spawar/PEOSpaceSystems/Pages/Launch.aspx.

［3］ World Heritage Encyclopedia. The Mobile User Objective System. From World Public Library Website：http：//worldheritage.org/article/ WHEBN0002088185/Mobile%20User%20Objective%20 System.

［4］ US navy Space and Naval Warfare Systems Command. Mobile User Objective System-2 Situation Report.From US navy Space and Naval Warfare Systems Command Website： http：//www. public.navy.mil/spawa..

［5］ 张春磊，美军“移动用户目标系统”与“特高频后继”卫星性能对比分析”［J］.国际太空，2015（4）： 47-48.