浅谈美国卫星通信系统军民融合现状及前景

叶磊

(中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北石家庄 050081)

1 卫星通信系统概念

1.1 卫星通信系统组成

卫星通信是通过人造地球卫星作为中继站,在两个或多个地球站之间进行的通信,地球站包括陆上站(固定站、机动站)、水面船载站和空中机载站多种形式。卫星通信系统包括3个组成段,即空间段(卫星段)、控制段(地面段)、终端段(用户段)三部分组成。

空间段指的是在轨卫星及卫星通信的有效载荷。典型的美国军用卫星系统包括移动用户目标系统(MUOS)、国防卫星通信系统(DSCS)、宽带全球通信卫星(WGS)、全球广播业务(GBS)系统等,典型的商用卫星通信系统包括铱星系统、国际海事卫星(INMARSAT)等。

控制段指的是控制在轨卫星及卫星通信的有效载荷所需的地面设施、天线等。

用户段指的是固定式、移动式、便携式、手持式等卫星通信终端,还包括装备卫星终端的有人、无人飞机。

1.2 卫星通信频率

卫星通信主要工作频段如表1 所示。

表1 卫星通信频段Tab.1 Satellite communication frequency bands

1.3 卫星通信带宽

卫星通信带宽指的是用于传输数据的频段宽度。为了有效利用有限的卫星通信带宽,卫星通信系统中的各个卫星站按照一定的网络拓扑结构进行组网工作,包括星状拓扑网络、网状拓扑网络、星网混合拓扑网络等。

1.4 卫星通信体制

卫星通信系统体制涉及基带信号处理方式、复用方式、调制方式、多址方式、信道分配及交换方式等,其中多址方式主要有频分多址(FDMA)、时分多址 (TDMA)、码分多址(CDMA)以及按需分配多址(DAMA)等。

2 星链计划

近期美国商用卫星通信系统的热点,SpaceX公司的星链计划(Starlink)引发各国关注,每次60颗卫星、每月发射一次的计划,让人瞠目结舌,就像在天撒豆子一样。根据星链计划,2024年前SpaceX公司发射将约1万2千颗卫星,在太空组成“星链”网络提供通信服务,其中包括1 千5 佰多颗卫星低轨道卫星(轨道高度约550km),并从2020年开始工作。根据有关报道,星链计划还准备再增加3 万颗卫星,使总量达到约4万2千颗卫星。

卫星轨道资源是有限的,根据国际协定,先到先得,空间资源一直是国力竞争的战场。无论低轨道卫星(LEO,轨道高度约500～1500km)、中轨道卫星(MEO,轨道高度约8000～18000km),还是地球同步轨道卫星(GEO,轨道高度约为36000km),卫星通信系统不仅仅是单纯的技术和商业问题,还涉及到军事政治的因素。

虽然SpaceX公司表示星链计划所发射的通信卫星将用于商业用途,为用户提供基于天基卫星的网络服务,但“星链计划”与美国军方紧密的关系背景及美国军方提供大量资金支持,其在军事领域的应用不过是早晚的事情。

据国外相关报道,美国陆军已同太空探索科技(SpaceX)公司达成协议,将在3年时间内使用星链网络提供的通信服务。根据美国国防部透露的美国未来新一代军用卫星通信系统的规划,为了降低使用卫星通信系统的成本,将通过利用廉价的低轨道小卫星,代替现有的昂贵的同步轨道大型卫星,这也从另一方面说明“星链计划”应用于军事领域的前景。

3 美国军用卫星通信现状

作为一体化联合作战的主要通信手段,卫星通信具有通信距离远、通信质量好、不受地理条件限制的优点,可以为地面网络无法覆盖的稀业务密度地区或者或地面网络遭到破坏的应急状况下,可以快速、稳定地提供大容量、高安全性通信服务。目前,卫星通信作为视距通信的补充部分,已成为美国军事通信结构中不可或缺的通信方式。在美国领导的伊拉克海湾战争、南联盟科索沃战争等地区冲突中,美军凭借其领先的卫星通信系统,形成绝对的战场信息站的主导权,为美军掌握在各战场的主动权提供了强有力的支撑,卫星通信系统在美军中的地位越来越重要[1]。

美国陆军空间与导弹防御司令部(陆军战略司令部)(USASMDC/AFSTRAT)是美国陆军负责空间战略和导弹防御管理的部门,受美国战略司令部管理。

卫星通信相关的任务管理由陆军空间与导弹防御司令部中卫星通信保障中心和宽带卫星通信作战中心负责。卫星通信保障中心的主要职责是采用系统化的卫星通信资源作分配程序,对有限通信资源进行规划和管控。宽带卫星通信行动中心(Wideband Satellitecommunication Operations Center,WSOC)主要职责是为陆军部队提供超高频(Super-high Frequency,SHF)卫星通信服务,进行卫星资源规划管理和卫星通信网络的组织应用。

未来一体化、信息化协同作战对于通信装备的集成化、高机动、高容量、超视距提出了更高要求,对于指挥信息快捷、高速、有效的分发传递提出了更高的需求。美国陆军合成部队主要装备联合节点网络(Joint Network Node-Network,JNN-N)设备,通过宽带卫星提供的卫星通信资源,在师和旅之间构建战术级卫星通信网络,满足区域合成作战的通信保障需求。

美国陆军通过广泛有效的使用联合节点网络,为陆军各级指挥所构建战术通信网络,提供高容量、超视距通信支援保障服务。卫星通信技术和装备的不断发展,不仅为陆军未来跨域作战、超视距作战、协同作战等作战方式提供支撑,而且还可为合成部队转型及未来的新一代作战提供前瞻技术支持,使合成旅级部队的独立、自主作战在通信支援保障方面没有后顾之忧。

目前,美国陆军还在研究战术级作战单兵信息网,通过卫星通信为战术部队提供高机动、抗干扰及无盲区的通信支援。

4 商业卫星在军事上的应用

商业卫星通信资源在满足美军卫星通信需求方面扮演了重要角色,是军用卫星通信不可缺少的组成部分。当军事卫星使用需求超出军用卫星通信系统能力时,可用商用卫星通信系统补充军事应用需求。商用卫星通信的应用越来越多,使其成为一种极具性价比的军用卫星通信方案。在未来数年中,美军商用卫星通信需求将持续增长。

仍以美国陆军为例,在一些情况下,美国陆军任务不具备足够高的优先级接收持续的卫星通信接入支持,或者军用卫星网络的部署规划无法满足陆军的任务需求,可用的军用卫星通信资源不足以支持陆军军事行动的展开,美国陆军可以通过严格的程序,获得商用卫星提供的卫星通信资源。

美国陆军主要的商用卫星服务包括移动卫星业务(MSS)、增强型移动卫星业务,常用的商用卫星系统包括铱星系统、国际海事卫星(INMARSAT)等。铱星系统和国际海事卫星星座的主要区别是卫星使用的轨道不同,国际海事卫星运行在地球同步轨道上,并且国际海事卫星不提供极地覆盖。

5 卫星通信系统发展前景

5.1 发展前景

未来军事卫星通信系统主要有以下的发展趋势:地静止轨道卫星通信向多波束、高容量、高频段发展;低轨道卫星通信与蜂窝通信技术相结合,实现全球个人卫星通信网络;微小型、可搬移卫星通信地面站将得到广泛应用;卫星通信网络将与IP技术结合;小卫星将广泛应用于数据存储转发通信以及星间组网通信。

通信方式将会向多频段、多模式方向发展,可以通过多个频段进行通信,例如C 波段、X波段、Ku波段、Ka波段以及EHF波段,可以兼容TDMA、FDMA、CDMA等多种多址方式。

为了有效地利用卫星通信网的网络资源和保证网络的正常运行,对网内各卫星站的工作状态和业务运行状态进行和管理,在一个大规模的卫星运行网中网管是非常重要的,不同的网络结构形式网管系统的功能是也是有差异的。在卫星通信站机动过程中,通信接入方式更加接近随机、无感接入,网络切换、反复认证等影响通信效率的情况将被克服。

卫星通信的发展可以支持单兵访问本地及全球网络,通过卫星及遍布全世界的控制网络,可支持军用、民用以及国际合作伙伴的宽带卫星通信网络。

卫星通信将有力的强化美国陆军超视距作战、协同作战优势,将为美军陆军实施广域作战提供可靠通信保障支撑,强化美国陆军广域信息侦听技术优势、跨域远程精确打击优势、多域联合作战优势。

5.2 军民技术融合

仍以SpaceX的星链计划(Starlink)为例,其部分发射场建在美国范登堡空军基地内,美国军方支持将应用场景拓展到军用领域等,这是典型的军民融合场景,星链计划由民用转入军事用途不存任何障碍。

星链计划中的星座卫星布设完成后,会进一步提升美国陆军定位导航系统的精度和抗干扰能力。同时,这些星座卫星根据需要还会具有对空间飞行器的遥测、跟踪以及自动变轨能力,可用于对空间飞行器(例如洲际弹道导弹)的直接碰撞式拦截,这样就能通过低成本的投入来实现对敌方导弹及核力量的极大消耗,并极大程度上降低地方的导弹突防能力。

美国陆军近年来推行的跨域作战、超视距作战、协同作战概念,其必要条件是集成化、高机动、高容量通信能力,是作战指挥信息快捷、高速、有效的分发传递。在这些通信保障的前提下,将直升机、自行火炮、坦克、步战车等装备联成一体,实现通信网络的全覆盖。星链计划将提升美国陆军跨域作战、超视距作战、协同作战能力和优势。

随着战争形态超视距、无接触作战演进,无人机集群在现代战场的应用已经成为重要角色。无人机集群可实施广域分布式多点多向突击,对传统防御系统提出挑战。无人机有一个致命弱点,那就是无人机通信系统被干扰后,将会失去作战能力,被摧毁甚至被俘获。

星链计划的低轨星座具有通信高容量、速度快、短时延的特点,布设完成后可成为美军无人机集群作战的空间指挥中心,使其摆脱地面通信系统的限制,复杂电磁环境下的抗干扰、反劫持能力也将得到大大提高,实现单架无人机能力的扩展以及集群整体作战效能的显著提升。

6 结语

卫星通信系统技术进步,不仅仅是国家政治、军事实力的发展,同时带动着科学技术、国民经济进步,军转民、民转军的情况在国内国外屡见不鲜。军事卫星通信系统发展的先进技术,推动了民用卫星通信系统的发展;民用卫星通信技术的发展可以作为探路者,成为某些军事应用领域的先驱。