美军受保护卫星通信现状及未来发展研究

王　煜

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

0　引言

所谓“受保护卫星通信”是指在常规卫星通信传输的可靠信号发射和接收措施之外还采取了其他措施保证卫星的安全可靠。受保护卫星通信的保障措施远不止提高整体链路预算等典型方法，如增大天线口径、提高功率、改变调制类型等[1]，还会使用高定向性点波束、扩频及跳频技术等其他措施实现抗干扰、抗闪烁、低截获概率、低检测概率等能力[2]，其重点是抗干扰、隐蔽、核生存[3]。在竞争及敌对环境中，宽带系统性能会降级，而受保护卫星通信则仍可正常工作(数据速率会降低)。这些独特的能力使得受保护卫星通信非常适合最关键的战略级部队以及任务指挥系统，受保护通信对保证各级作战的指挥控制也至关重要。

正因如此，美军的受保护卫星通信系统成为三大军事卫星通信系统之一，与其他两大系统(宽带卫星通信系统和窄带卫星通信)各司其职但又互为补充、彼此协作，共同构成美军完整的军事卫星通信体系。美军的受保护卫星通信系统具有避免、预防和减轻通信服务的降级、中断、非授权接入或被敌人利用等功能，它为美国的战略和战术力量在各种级别的冲突中提供安全、可靠的卫星通信，可以说是美军的生命线。

以下将介绍美军现役受保护卫星通信系统，然后重点描述了美军的未来受保护卫星通信体系。

1　美军受保护卫星通信系统发展现状

受保护卫星通信是美军近年来发展的重要通信能力。目前美军的受保护卫星通信系统主要包括先进极高频(AEHF)和“军事星”(Milstar)系统以及增强型极地系统(EPS)，它们用高度安全且抗干扰的通信为战略级、战役级和战术级部队提供支持。其中Milstar和AEHF系统为中纬度地区的战略与战术用户提供受保护卫星通信，EPS则为北极地区的少量战术用户提供服务。AEHF和Milstar工作于EHF及SHF频段(上行链路EHF、下行链路SHF)，具备低数据速率(LDR)、中数据速率(MDR)和扩展数据速率(XDR)运行模式。由于Milstar及AEHF卫星需要强调抗干扰和核加固等特性，因此通信吞吐量要小于宽带卫星通信[2]。

1.1　Milstar

Milstar是一种多军种联合卫星通信系统，可提供安全、抗干扰的全球通信，满足高优先级军事用户的基本战时要求。

Milstar卫星星座位于地球同步轨道，可为美陆军、海军、海军陆战队、空军以及其他国防部用户提供互操作能力，将指挥机构与各种资源连接起来，包括水面舰艇、潜艇、飞机、地面站等。

Milstar星座有5颗卫星：前2颗星(Block I)具备低数据速率能力，一条信道(Milstar低数据速率帧)最多支持4个用户；后3颗星(Block II)同时支持低数据速率和中数据速率，将数据速率提升到1.544 Mbps。

Milstar的覆盖范围是南纬65°至北纬65°，有星间链路，可不依赖地面站实现全球通信，这在受干扰时非常有用，Milstar使用EHF频段。

Milstar可实现安全、抗毁、强抗干扰的全球通信、星间通信，采用自主操作，能够重构以满足战场需求，能直接支持移动部队。Milstar在星上进行全部通信处理及网络路由，摆脱对易受攻击的地基中继站的依赖，并降低通信在地面上遭截获的可能性。

Milstar的频段、波形以及信号处理算法都很鲁棒。在设计空间段及任务控制段时就考虑了抗毁性及持久性，确保Milstar用户在规定的冲突级别下，可通过一定量的终端来维持基本通信连接，为战略至战术级的任务提供支持。Milstar的灵活性为用户提供更多的通信服务配置选项。

1.2　AEHF

AEHF卫星系统是一种多军种联合卫星通信系统，可提供安全、受保护、抗干扰的全球军用卫星通信。AEHF载荷可为用户提供75 bps～8 Mbps的数据速率，该数据速率范围可兼容Milstar Block II卫星上的低数据速率载荷及中数据速率载荷。

AEHF星座提供与Milstar相同的调零天线及星间链路能力，但吞吐量更大。AEHF依然使用1个EHF上行链路和1个SHF下行链路，但指向可控、方向图可控的波束更多；战术用户能够以更高的数据速率使用下列波束：超高增益对地覆盖(达到160个波束)；中分辨率覆盖天线(6波束)；波束共享中分辨率覆盖范围(6～24波束位置)。AEHF采用加密设计。

AEHF为战略级、战术级用户提升了现有的Milstar系统通信能力，并升级受保护军用卫星通信能力。

AEHF系统非常灵活，足以支持针对各独立作战环境进行通信，且能通过重构。满足不断变化的作战要求。它可保护关键的话音、数据通信，防止低/中/高数据速率业务被干扰、截获、检测，以及遭到自然和核爆的影响。AEHF卫星通信系统有3个部分：空间段；控制段(任务控制及相关通信链路)；终端段。

1.2.1AEHF空间段

AEHF空间段是由Milstar和AEHF卫星组成的综合星座，它使用EHF上行链路及SHF下行链路与系统用户通信。AEHF卫星可使用V波段星间链路与AEHF卫星和Milstar交链，这样可以不使用脆弱的地面站而利用整个星座实现全球通信。

AEHF系统能同时覆盖多个战区，这种覆盖能力能够为在地理上集中部署的战术级地面、空中及海上部队提供支持。此外，战区覆盖区域还能进一步细分为高分辨率区域和中分辨率区域。

1.2.2AEHF控制段

控制段包括4个部分：任务控制(载荷重构、卫星维护及重定位)；任务规划(规划网络，并在任务规划设备AN/PYQ-19上生成用户/部队级终端图像)；任务及运作支持(任务规划辅助及资源分配，以及来自区域卫星通信支持中心的监控)；训练及仿真，支持控制段全生命周期及其演化全阶段的训练开发。这些组成部分综合起来提供任务控制能力，为空间段、控制段及终端段提供支持。

1.2.3 AEHF终端段

终端段包括地面固定、移动、背负式、可搬移式、机载、舰载、潜艇载终端等多种配置。终端段是可互操作的，可使用通用话音、数据、加密以及数据网络设备加入各军兵种及网络。AEHF终端可通过AEHF及Milstar网络进行通信。

AEHF终端(包括美陆军的SMART-T终端)可支持AEHF的扩展数据速率及Milstar的低数据速率或中数据速率工作模式。所有传统的Milstar终端依然兼容Milstar，如果AEHF卫星配置后向兼容Milstar服务，这些终端也可以与AEHF卫星兼容。

目前已有3颗AEHF发射入轨运行，AEHF系统已达到了初始运行能力。而原计划于2017年发射的AEHF-4则将发射时间推迟到了2018年，第4颗卫星将使系统达到完全运行能力。之后还规划了另外2颗卫星(AEHF-5和-6)提供重叠全球覆盖和在轨备份，将在AEHF-1和AEHF-2达到使用寿命时取而代之。

2　美军未来受保护卫星通信系统

虽然美军的AEHF受保护卫星通信系统至今仍未部署完成，还未达到完全运行能力，但鉴于未来战争环境将要面临愈加激烈的反卫星威胁和竞争的形势以及受保护卫星通信的重要作用，美军早在几年前就已经开始考虑下一代受保护卫星通信体系了。美军在对未来军事需求以及其当前受保护卫星能力进行分析后认为，其当前系统在卫星数量、弹性、容量、采购成本以及行动灵活性方面还不能满足需求。于是美空军于2013年9月发布了“受保护卫星通信服务(PSCS)信息征询书”文件，开始着手推动美军战略战术受保护卫星通信体系的替代方案研究并对未来受保护卫星通信服务提出了需求。该文件认为，美军目前的受保护军事卫星通信服务目前是利用EHF波段为战略战术部队提供服务，未来它将使用任意波形、频段和设备组合，要能保障任务关键数据和信息通信并在高度竞争的环境中运行[4]。

经过数年努力后，2016年美军完成了受保护卫星通信方案分析。分析认为之前无论Milstar还是AEHF系统均集战略战术受保护通信能力于一身，而受保护战略和战术卫星服务的任务和要求其实差别较大：受保护战略卫星通信服务要能在核爆条件、对抗环境或者良好环境等各种作战环境下，提供低截获率/低探测率和低利用率(LPI/LPD/LPE)、持久、顽存、抗闪烁且抗干扰的通信以及核指挥控制(NC2)服务；而受保护战术通信则要在对抗和良好环境中提供LPI/LPD/LPE和抗干扰通信能力。二者对比不难发现，受保护战术通信没有核环境工作要求，增加核防护措施必然要以成本的上升和性能的下降为代价，对未来满足卫星弹性、灵活性、数量和容量需求不利。因此美军决定未来其受保护卫星通信体系将分别使用分离的战略和战术卫星星座为用户提供服务，即将战略和战术卫星分离[5]，至此美军未来受保护卫星通信体系大致框架已基本揭晓。战略卫星通信将继续使用扩展数据率(XDR)波形支持各种作战环境下的核指挥控制服务。受保护战术通信将迁移至受保护抗干扰战术卫星通信(PATS)系统。利用受保护战术波形(PTW)支持战术服务，未来受保护战术通信系统还将同时覆盖中纬度与极地地区。

以下将分别介绍未来美军的战略和战术受保护卫星通信系统。

2.1　受保护战略卫星通信系统

2017年5月美国空军空间与导弹系统中心(SMC)发布了“未来受保护战略卫星通信”项目信息征询书，披露了美军未来受保护战略卫星通信体系结构。新一代战略卫星通信系统是AEHF系统的后继方案，包括战略XDR通信卫星星座和相关任务控制段。它具有弹性特征，支持扩展数据率(XDR)波形。XDR波形是美军目前最复杂的低探测率、低拦截率、抗干扰波形的一种，可扩展数据速率波形使得数据传输率比传统卫星系统的传输率提高5倍以上。该系统将为北极地区提供战略卫星通信支持能力并增强战略卫星通信的弹性。

新战略卫星通信系统发射后最初可能利用后向兼容的RF交叉链路与现有AEHF卫星构成一种混合星座。其中AEHF继续支持战略与战术用户，直至战术用户从XDR迁移至PTW。新卫星则首先支持战略通信，但也可支持具有XDR终端的战术用户。此外，战略卫星通信系统最终将覆盖中纬度地区(北纬65°～南纬65°)和极地地区(北纬65°～北纬90°)。新战略卫星通信系统将采用符合美空军“太空企业设想(SEV)”和企业地面服务(EGS)(一种通用航天地面段体系)的接口，因此可增强任务保障、弹性和互操作能力。

美空军预计2029年10月向中纬度用户提供新的在轨战略卫星通信能力，美军还希望能够加快提供新的在轨战略XDR能力，在征询书中，美军提出了该战略卫星通信系统的空间段和任务控制段能力要求。

2.1.1空间段能力要求

空间段除需满足核加固要求、可在所有作战环境中提供核指挥控制服务外，还需在不依赖地面中继站情况下，支持中纬度(北纬65°～南纬65°)和极地(北纬65°～北纬90°)通信覆盖；

总吞吐量：中纬度用户为26 Mbps(良好环境)，0.4 Mbps(抗闪烁)；极地地区用户1 Mbps(良好环境)，0.2 Mbps(抗闪烁)；

数据率：从75 bps～8.192 Mbps(良好环境)，19.2 kbps(抗闪烁)(注：75 bps(抗闪烁)适用于极地用户)；

另外，空间段还需后向兼容XDR波形、Suite A加密以及AEHF的RF交链、EHF上行链路和SHF下行链路；空间段还要有探测和应对多种网络攻击的能力，并能够在受到攻击后快速恢复；航天器平台能够容纳搭载式受保护战术波形有效载荷。

2.1.2任务控制段能力要求

美国政府现阶段希望尽可能重用现有地面系统，但未来需要从现有AEHF任务控制段(同时提供战略和战术能力)过渡到新系统(侧重提供战略能力)。

新系统的任务控制段提供一种基于软件体系架构的企业服务，该软件体系可与虚拟化环境兼容，并遵守企业地面服务(EGS)的接口和标准。系统体系必须支持功能与网络弹性能力，出现故障或遇到攻击和破坏时仍能继续工作。任务和控制段还要提供发射、早期运行、部署、检验阶段的带外(S波段)指控能力，以及实现卫星任务控制、轨道管理、计时和报告的带内(EHF/SHF)指控能力。该任务控制段可为用户提供任务通信规划、系统数据生成、通信态势感知与资源监控、星座指挥控制与规划、数据存档与检索以及测试支持等服务。

在该战略卫星通信系统卫星发射后，这些卫星可能通过后向兼容交叉链路与现有AEHF卫星以混合星座的方式一起工作。AEHF卫星将继续通过XDR终端向战略和战术用户提供支持，直到战术用户从XDR过渡到PTW。新卫星将主要侧重支持战略通信，但会继续利用XDR终端向剩余的战术用户提供通信支持。

美空军预计2029年10月开始为中纬度地区用户提供新的战略卫星通信能力，开发启动不早于2019财年[6]。

2.2　受保护抗干扰战术卫星通信系统(PATS)

目前美军没有独立的受保护战术通信卫星/载荷，受保护战术通信由Milstar和AEHF系统提供，远不能满足美军需求，未来美军将建立单独的PATS系统提供受保护战术卫星通信服务。2017年2月，美国空军空间与导弹系统中心发布了“受保护战术卫星通信系统(PTS)信息征询书”，探索新的战术卫星通信架构，用受保护抗干扰战术卫星通信(PATS)系统，实现未来的受保护抗干扰战术卫星通信。PATS将向良好及对抗环境中的战术作战人员提供全球范围的超视距、抗干扰及低截获概率(LPI)/低检测概率(LPD)通信。

实现PATS的三个要素包括：

① 受保护战术波形(PTW)

PTW是一种新的、弹性更强的无线电波形，是在卫星通信应用软件无线电技术的重要体现。利用这种波形，美军的非受保护军事卫星以及商用卫星可通过软件加载PTW的形式实现受保护战术通信功能。它是PATS运行概念的重要组成，也是实现新一代PTS卫星的基础。

PTW是通过耦合AEHF系统上的军用XDR波形标准与商业通信中广泛采用的数字视频广播-卫星标准2(DVB-S2)通信体制，开发出的一种不依赖于通信卫星体系架构的受保护战术波形。PTW可减轻对中、高容量战术通信服务的干扰效应。使用该波形，即使是不具备受保护卫星通信能力的WGS卫星以及普通透明转发式商业卫星，只要在终端更换调制解调设备(变为PTW调制解调器)，并加装加密模块，就能够实现良好的抗干扰水平。

2012～2014年期间，美军空间与导弹系统中心成功进行了受保护战术波形(PTW)的开发和演示验证，目前正在为其实施打基础。美军通过受保护战术部队现场演示验证(PTSFD)开发可由部队使用的成熟量产PTW调制解调器，升级当前已经部署的终端，如海军多波段终端(NMT)、WIN-T及空基终端。美国空军预计最早将于2018年在新型调制解调器和重新研制的终端上验证受保护战术波形(PTW)。

② 受保护战术企业服务(PTES)

要利用非受保护军事和商业卫星提供受保护战术服务，建立统一任务管理、密钥管理和服务系统必不可少。受保护战术企业服务(PTES)就是这样一种支持PTW运行的运行服务系统。PTES是一个集成系统，包括任务管理系统、密钥管理系统和主站。PTES将利用兼容PTW的调制解调器或终端通过WGS卫星向用户提供受保护战术通信服务，未来还要能向商业卫星通信扩展，在C、Ku和商业Ka频段商业卫星上实现PTW，提供受保护战术服务。

美军计划2017～2026年开发实现PTES，计划2023年能向单一战区提供PTW WGS服务，2025年实现全球PTW WGS服务，之后则实现通过商用卫星提供受保护战术服务。

③ 受保护战术服务(PTS)系统

受保护战术服务(PTS)系统是PATS运行概念的一个重要组成部分。PTS将利用运行PTW的全处理有效载荷最大限度地提高竞争环境中的抗干扰能力，极大扩展作战人员的受保护战术卫星通信容量。PTS包括空间段、地面段和终端段。

PTS空间段包括搭载有效载荷、小卫星和大容量卫星。其中，有效载荷可搭载在商用卫星、美国军事卫星、美国其他政府卫星以及国际合作伙伴卫星上，运行轨道主要是地球同步轨道，也包括高轨或“苔原”倾斜轨道，以满足北极地区卫星通信需求；大容量卫星则采用地球同步轨道和“苔原”轨道两类轨道卫星组成的集成星座，其中3颗同步轨道卫星覆盖中纬度(南北纬65°间)用户，3颗“苔原”轨道卫星覆盖北极地区并增强同步轨道卫星中纬度覆盖和空间段弹性。PTS空间段需具有抗干扰及低截获概率/低检测概率/低利用概率特性，通信覆盖范围为南纬65°～北纬90°。对于大容量卫星，每颗卫星吞吐量高于1.6 Gbps，对于搭载有效载荷以及小卫星，吞吐量高于400 Mbps。

PTS地面段需符合企业地面服务(EGS)架构。EGS可提供通用地面系统规范和标准，打破美军目前多个烟囱式专用任务系统不能互操作的现状。PTS采用EGS架构不仅是为了保证与PATS系统其他构件的互操作，还要实现与美军其他军用卫星系统的互操作，保证未来美军的所有军用卫星通信系统能够融为一体，共管共用。PTS地面段主要包括测控单元、任务管理系统、密钥管理系统及网关系统。其中，测控单元主要完成有效载荷指挥控制、终端和有效载荷重新分配密钥支持、用户星历消息生成和分发、有效载荷资源监测、有效载荷时钟时频管理等；任务管理系统完成战术卫星通信任务规划和卫星资源规划；密钥管理系统为终端和有效载荷分发密钥(NSA Suite B加密)；PTS任务管理和密钥管理地面部分将与PTES任务管理和密钥管理地面单元连接或集成，实现受保护战术卫星通信容量的灵活、有效、高效分配；网关系统则为北极及中纬度/赤道地区用户提供到国防部信息网(DoDIN)的受保护战术卫星通信连接[7]。

PTS的终端段则要求工作在Ka和EHF频段，并能利用地球同步和/或“苔原”轨道卫星工作。

此外，PTS还应具备地面及空间弹性能力，能够对一切已知威胁做出响应并能应对未来威胁。

美军计划通过三个阶段实现PATS。第一阶段是PATS WGS阶段，利用受保护战术企业服务(PTES)通过现有WGS卫星在X和Ka频段实现PTW通信；第二阶段是PATS商用阶段，将扩展PTES系统，通过商业卫星通信支持PTW，提高弹性及灵活性；第三阶段是专用PATS受保护战术服务(PTS)阶段，将通过专用全处理有效载荷实现PTW通信。最终形成将三个阶段资产整合为一体的PATS系统。

最终形成的PATS体系，空间段将包括：WGS卫星、商用卫星以及PTS空间段；地面段则包括PTES和PTS地面段，PTES主要针对WGS和商用卫星完成任务管理、密钥管理以及接入，PTS地面段则主要针对PTS空间段，美军正在探索如何整合PTES和PTS地面系统，有两种选择，一是将PTES的任务管理和密钥管理系统扩展至为PTS可用，二是PTS提供任务管理系统和密钥管理系统与PTES任务管理和密钥管理系统的接口。最终PTES的任务管理和密钥管理以及PTS同类地面段系统都将整合到PATS运行中心中[8]。

3　结束语

受保护卫星通信系统作为三大军事卫星通信系统之一，作为战时的基本通信保障手段，美军一直十分重视其建设，目前正在进行新一代受保护卫星通信系统AEHF的建设和部署。但美国防部依然认为其卫星通信系统难以满足未来作战需求，因此已经开始启动了下一代受保护卫星通信体系研究。目前，美军下一代受保护卫星通信体系已大致确定，它将采用战略和战术受保护卫星通信分离的方式，充分利用包括商用、政府和其他军用卫星在内的各种资产，以提高系统弹性、抗毁性、业务灵活性和容量为目标，与其他卫星系统融为一体，共同为美军提供通信保障。

[1]Williams S．The Convergence of DoD + Commercial Protected Comms Applications.[DB/OL]．http://satmilmagazine.com．

[2]Headquarters,Department of the Army．ATP 6-02.54 Techniques for Satellite Communications.[R/OL]．http://www. apd.army.mil.

[3]张冬辰，周吉，吴巍，等．军事通信 [M]．2版.北京：国防工业出版社，2008．

[4]USAF Space and Missile Systems Center．Request for Information (RFI): Protected Satellite Communications Services (PSCS) [R/OL]．https://www.fbo.gov/.

[5]Los Angeles Air Force Base．Looking Ahead: the Future of Military Satellite Communications [DB/OL]．http//www.losangeles.af.mil/News/Article-display/Article/950480/looking-ahead-the-future-of-military-satellite-communications/.

[6]USAF Space and Missile Systems Center．Request for Information (RFI): Future Protected Strategic SATCOM System [R/OL]．https://www.fbo.gov.

[7]USAF Space and Missile Systems Center．Request for Information (RFI): Protected Tactical Service Communication System[R/OL]．https://www.fbo.gov.

[8]USAF Space and Missile Systems Center．Request for Information (RFI): Future Protected Strategic SATCOM System [R/OL]．https://www.fbo.gov.