美国军事卫星通信系统发展趋势及重要举措

文|史中正 张凤珊

一、概述

美国国防部（DoD）认识到，为保障其国家安全利益，需要实现比对手更快更好地做出决策的能力，这与其作战人员收集、处理和共享信息的能力密切相关。为确保美国部队能够获得决策优势，并保持足够水平的通信能力，美国国防部计划发展一个更有效和更具弹性的卫星通信系统。该系统主要由三个部分构成：空间段，由配备通信有效载荷和其他任务系统的在轨卫星组成；链路段，将网络中的各个节点连接在一起并在它们之间传输数据；地面段，包括发射、操作和利用航天器所需的地面域内的所有设备，包括控制站、天线和用户设备，如卫星电话。

这些举措将卫星通信系统作为支柱，使美国国防部的各种网络和服务主导的联合全域指挥与控制（JADC2）举措关联在一起，以实现全域作战能力。

二、美国军事通信卫星发展现状及趋势

美国大多数卫星通信系统都由需求驱动，其设计可以追溯到冷战时期，系统被设计为满足特定需求，几乎没有考虑全局架构。随着天基连接对所有商业和政府实体的重要性日益增加，能够收集、处理、共享和保护信息，比对手更快更好地做出决策，增加潜在的决定性作战优势。

1.美国军事通信卫星发展现状

美国当前军事卫星系统主要呈现三点特征：高轨卫星为主、卫星功能高度集成以及通信制式异构专用。

（1）高轨卫星为主

目前大多数美国军事通信卫星都部署于地球静止轨道（GEO）上，在一个没有竞争的空间环境中，GEO 能为通信卫星提供高度的灵活性[1]，为在广泛分散和不可预测的地点行动的军事部队提供了持久获取信息的途径。GEO 卫星可以从地球上的一个点连续观测到，但可能会根据其轨道面倾角向北和向南漂移；另一个主要优势是可以提供广阔的覆盖范围。例如，GEO 卫星的最大可观测面积约为地球表面的42%，而在1000km 高度的低地球轨道（LEO）上的卫星所覆盖的面积不到地球的7%[2]。GEO 上3颗均匀分布的卫星可以提供连续的全球通信覆盖，不包括极地和被地形特征遮挡的区域。

（2）卫星功能高度集成

（1）增大带宽

卫星通信使用趋势逐年上涨。其中，卫星通信日益增长的需求在总数据速率和最终用户数量方面始终超过可用军事系统的容量，这反映了自第一次海湾战争以来，美国数据密集型军事行动的更大趋势[9]。为了弥合军事系统所能提供的卫星通信能力与其部队需求之间日益增长的差距，美国国防部越来越依赖于从国际移动卫星公司（Inmarsat）、卫讯（Viasat）、铱星（Iridium）和国际通信卫星公司（Intelsat）等租赁商业卫星通信服务。此外，另一个重要的考虑因素是需求如何分配。当固定卫星分配方案无法满足给定区域内通信需求时，需要综合考虑资源部署和用户需求，进行资源灵活分配。

（2）降低延迟

将信号发送到卫星再返回到其预期接收者的过程会产生延迟，GEO 卫星往返传输时间约为0.25s。对于需要基于反映实时现实数据的应用和决策，减少与卫星通信相关的延迟的唯一方法是缩小传输所需的物理距离，这需要利用GEO以外的轨道。

（3）提高互操作性

美国国防部运行着许多不同的通信系统和60多种不同的波形，这些波形通常支持不兼容的数据通信协议[10]。随着商业卫星通信行业正在扩展和成熟，缺乏可互操作的开放标准是一个公认的问题，多个专业组织正在努力解决。此外，对于美国军方来说，一个更有希望的方法是用其自己额外的互操作性工作来补充开发开放标准的工作[11]。

三、卫星通信系统发展关键

未来卫星通信的一个主要目标应该是扩大容量，提供具有减少延迟的能力，并提高互操作性。另一个主要目标应该是提高架构的弹性和灵活性，使其具备在广泛的场景中应用的能力。要实现这些目标需要从根本上改变卫星通信系统的建设思路，从系统的部署方式、生产模式以及地面配套设施等方面对传统建设模式进行改造。

1.部署小型卫星星座

LEO 和MEO 轨道相较于GEO 轨道更低，其中部署的大量小型卫星可减少延迟、提高容量，并增强卫星系统抵御某些形式的反空间攻击的能力。卫星技术的小型化和商业部门推动的发射成本的降低大大提高了LEO 卫星星座满足卫星通信需求的成本效益。

与GEO 卫星相比，LEO 卫星的主要优势在于：卫星链路距离短，可实现更小的通信延迟；卫星数量多且信号强度大，可实现更大的卫星网络容量和全面的覆盖范围[12]；卫星功能分散且存在冗余，可实现更强的远程任务弹性；卫星成本低且体积小，可更快地建造和部署。

LEO 卫星的缺点在于其相对较小的覆盖范围和相对于地球表面的恒定运动，这需要由数十颗甚至数百颗卫星组成的大型星座来提供对地面目标的连续覆盖。然而，随着建造和发射卫星进入轨道的成本下降，利用轨道倾角的组合可以经济地部署足够的卫星，同时提供全球覆盖。

美国国防部将通过与盟国或商业供应商合作，进一步分散和扩展其卫星通信能力，合作伙伴可以在其卫星总线上托管政府通信有效载荷。这种托管有效载荷协议将使能力更快速地部署到轨道上，同时通过与托管卫星所有者分担集成、发射和运营费用，降低国防卫星系统成本。将军事和商业卫星通信网络集成到混合架构中，将为作战人员提供更大的能力、灵活性和弹性，能够根据新出现的威胁和不断变化的任务要求在不同的频带、波形和安全级别上运行[13]。

2.构建光通信链路

实现卫星通信星座全部潜力的关键是利用天基光通信，如图2 所示。与传统的射频通信相比，激光器的工作波长要短得多，这将数据传输速率提高了至少一个数量级。

4.增强基础工业

工业界面临的挑战是，传统的卫星制造往往是高度定制的、劳动密集型的，并且涉及长期的质量保证方法，这些方法不适合大规模生产。为了使大型LEO 星座可行，卫星及其各种部件和有效载荷将需要利用低成本制造和装配技术的进步，如增材制造、自动化和机器人技术的增加以及更多商用现成部件的加入。这反过来要求卫星总线和有效载荷设计不仅要优先考虑性能，还要考虑成本降低和可制造性[18]。SpaceX 每月为其星链（Starlink）计划建造120 颗卫星，而此前保持最大商业卫星星座纪录的铱星在其巅峰时期每月生产6 颗卫星[19]。

美国政府与业界合作，开发并实施模块化的开放系统方法（MOSA），该方法鼓励采用标准、非专用有效载荷接口的模块化卫星总线设计[20]。规划大型低轨卫星星座的政府和商业公司仍然需要降低发射成本，以确保长期可持续发展。

四、结论

美国太空部队的目标是确保美国部队能够获得决策优势，并保持足够水平的可靠连接。从美国太空部队未来军事卫星通信系统的建设计划中，可总结出其方案具有以下特点：

1）通过部署非地球静止轨道（NGEO）卫星星座来扩展现有系统，从而分散、分解、多样化和扩展其卫星通信选项。

2）探索各种选择，以扩大与盟国或商业供应商的合作伙伴关系，将政府通信有效载荷托管在其卫星总线上。

3）积极开发和部署星间激光链路，以连接其卫星。基于空间的光通信是形成空间网状网络的关键，该网络提供多样化的连接路径。

4）在一系列机载和地面系统上进行光学通信终端的快速实验和演示。原型的快速部署将使运营商能够试验和开发光通信。

5）充分改进地面系统，使其能够实现这些新卫星网络和激光通信的优势。在前端，这将需要能够处理低轨和中轨星座运行所固有的快速和连续的卫星波束切换的相控阵天线，以及可以在跨越多个轨道状态的不同网络中漫游并在不同的频带、波形和安全级别上运行的灵活的终端。在后端，还需要在基础设施中提升系统的管理和控制能力，自主确定和选择最佳可用网络。

6）为了达到低轨星座所需的卫星平台及其有效载荷的建设能力，在优先考虑卫星性能的同时，还需保障低成本和可制造性。

综上，由激光通信支持和推动的最新卫星通信架构将是下一代卫星系统发展的一个主流方向，该技术架构通过连接所有网络，以实现各领域间的互操作，并在更广泛的场景应用中实现更高的任务成功概率和更短的故障恢复时间，符合未来卫星通信需求的发展趋势。