陳 亮
(中國電子科技集團公司第三十六研究所,浙江嘉興314033)
從20世紀60年代開始,美國軍事衛(wèi)星通信(MILSATCOM)的應(yīng)用得到了快速增長。到2020年,美國軍事衛(wèi)星通信系統(tǒng)的核心系統(tǒng)將包括10顆寬帶類型的寬帶全球衛(wèi)星系統(tǒng)(WGS)衛(wèi)星、5顆窄帶類型的移動用戶目標系統(tǒng)(MUOS)衛(wèi)星和6顆抗毀類型)的先進極高頻(AEHF)衛(wèi)星。
隨著美軍寬帶、窄帶、抗毀三個系列的軍事衛(wèi)星通信系統(tǒng)衛(wèi)星的陸續(xù)發(fā)射,其作戰(zhàn)能力也在逐步形成。這些不同類型的軍事衛(wèi)星通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能先進、造價不菲,它們雖然代表了當今軍事衛(wèi)星通信系統(tǒng)的最高水平和最新發(fā)展趨勢,但是在開發(fā)和部署的過程中還是出現(xiàn)了開發(fā)進度延期、成本預(yù)算超支等諸多問題。雖然引入商業(yè)衛(wèi)星通信系統(tǒng),可以緩解當前美軍軍事需求和預(yù)算不足的現(xiàn)狀,但是仍然不能滿足美軍對于安全、抗干擾的軍事衛(wèi)星通信能力的需求。
未來美國軍事衛(wèi)星通信系統(tǒng)在體系結(jié)構(gòu)上將探索采用解聚的衛(wèi)星通信系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu),降低系統(tǒng)開發(fā)的成本,豐富系統(tǒng)的作戰(zhàn)應(yīng)用能力;在技術(shù)上引入可重新編程的載荷技術(shù),增加系統(tǒng)的靈活性;此外美軍還重視同業(yè)界的溝通,通過聯(lián)合開發(fā)等模式,提高用于軍事目的的商業(yè)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的可靠性。
截止2013年12月31日,三大美國軍事衛(wèi)星通信系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀如表1所示。
WGS衛(wèi)星通信系統(tǒng)在項目啟動之初不過是一個美軍填補雄心勃勃但已經(jīng)終止的轉(zhuǎn)型衛(wèi)星通信(TSAT)系統(tǒng)空缺的項目,但11年后,在美國國防部未來十年軍費開支削減4 870億美元預(yù)算之際,WGS衛(wèi)星通信系統(tǒng)是公認的成功典范。
(1)WGS衛(wèi)星通信系統(tǒng)已成為美軍寬帶數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹髁?/p>
雖然美軍未來寬帶星座最初所始料不及的,但是WGS衛(wèi)星星座已經(jīng)開始承擔起美軍的大部分寬帶通信。單顆WGS衛(wèi)星(能轉(zhuǎn)發(fā)Ka波段和X波段頻率的)通信容量是目前仍然在軌的整個國防衛(wèi)星通信系統(tǒng)(DSCS)的10倍。
當前,3顆在軌運行WGS衛(wèi)星處理著美國國防部90%的寬帶需求,其余10%則由在軌的7顆DSCS衛(wèi)星和海軍特高頻后續(xù)衛(wèi)星處理。大量能夠同新型WGS衛(wèi)星兼容的終端仍處在向部隊部署的進程之中。
然而從大體上說,美軍正在從使用商用衛(wèi)星通信轉(zhuǎn)向使用WGS衛(wèi)星,但現(xiàn)在認為商用通信衛(wèi)星市場的衰減還為時過早。
(2)新型體系結(jié)構(gòu)提升了WGS衛(wèi)星通信系統(tǒng)的通信能力
WGS衛(wèi)星通信系統(tǒng)的通信能力提升的要因是采用WGS Block II的技術(shù)體制,以及波音公司成熟的702衛(wèi)星平臺。
1)WGS Block II。WGS衛(wèi)星通信系統(tǒng)現(xiàn)已順利進入Block II階段。WGS-4衛(wèi)星作為這個系列的首顆衛(wèi)星,于2012年1月19日發(fā)射,并于2012年4月11日移交給美國空軍。相對于頭3顆已經(jīng)在軌運行的WGS Block I衛(wèi)星,WGS-4衛(wèi)星具有一個射頻旁路,可以以Block I衛(wèi)星的3倍左右速率轉(zhuǎn)發(fā)大帶寬機載情報圖像,它大大增加了WGS星座的容量和冗余度。WGS星座需要5顆衛(wèi)星才能實現(xiàn)全球覆蓋。
2)702HP衛(wèi)星平臺?,F(xiàn)代化的WGS-10衛(wèi)星是基于波音公司成熟的702衛(wèi)星平臺制造的,該平臺利用了引領(lǐng)業(yè)界幾十年的成熟的空間技術(shù)。
基于波音702HP衛(wèi)星平臺的能力,波音公司正在調(diào)查利用高增益天線為作戰(zhàn)人員提供更多的動中通通信以此來支持所謂的偏遠地區(qū)用戶,以及一些不能攜帶大型天線進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的用戶。這些高增益天線通過當前現(xiàn)有WGS天線可以非常容易且具有很高性價比地獲取有效數(shù)據(jù)包。地面用戶還希望衛(wèi)星能夠提高X波段和Ka波段的覆蓋區(qū)域同時,具備更強的抗干擾能力。
MUOS衛(wèi)星通信將最終替代目前的UFO衛(wèi)星通信系統(tǒng),為美國軍方用戶提供10倍以上于當前系統(tǒng)的通信能力,美軍對此有著巨大的需求。另一方面各個衛(wèi)星通信系統(tǒng)提供商都熱衷于為美軍開發(fā)兼容MUOS的無線電設(shè)備,預(yù)計MUOS衛(wèi)星通信系統(tǒng)終端將廣泛部署在美軍的各種平臺上。
(1)MUOS衛(wèi)星通信系統(tǒng)提高了美軍UHF衛(wèi)星通信能力
MUOS-1衛(wèi)星及相關(guān)地面系統(tǒng)將在2012年形成初始在軌作戰(zhàn)能力,而后在2013年發(fā)射MUOS-2衛(wèi)星。預(yù)計到2015年5顆衛(wèi)星組成的星座才能實現(xiàn)完全作戰(zhàn)能力,2025年之后把UHF窄帶通信能力擴展到美軍。
一顆MUOS系統(tǒng)衛(wèi)星可供4倍于UFO星座(8顆衛(wèi)星)的容量。MUOS衛(wèi)星上還搭載有完全兼容UFO系統(tǒng)終端的傳統(tǒng)的UHF有效載荷。這種雙有效載荷的設(shè)計能夠確保從淘汰的UFO系統(tǒng)向最新的WCDMA技術(shù)轉(zhuǎn)型。WCDMA有效載荷,其數(shù)據(jù)傳輸能力想到與現(xiàn)有特高頻衛(wèi)星系統(tǒng)的16倍,并可以通過國防信息系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)全球連接,衛(wèi)星還支持全雙工的話音和數(shù)據(jù)傳輸。
(2)MUOS衛(wèi)星通信終端將廣泛部署在美軍各種平臺上
由于當前商用MUOS終端還沒有上市,但在技術(shù)上實現(xiàn)兼容MUOS衛(wèi)星通信系統(tǒng)的終端并不存在任何問題,業(yè)界可以以非??斓纳虡I(yè)速率提供這種能力,因此各個衛(wèi)星通信系統(tǒng)提供商都熱衷于為美軍開發(fā)兼容MUOS的無線電設(shè)備。
雷聲公司通過升級現(xiàn)有的AN/ARC-231電臺系統(tǒng),旨在實現(xiàn)美國國防部對于機載、多頻段、多任務(wù)、安全抗干擾話音、數(shù)據(jù)和圖像的傳輸和提供網(wǎng)絡(luò)使能的通信能力的需求。目前該電臺廣泛地部署在美國陸軍的直升機上,包括MH-60L/M和UH-60L/M“黑鷹”、UH -1N Hueys、AH -64“阿帕奇”和美國空軍(USAF)的RC-135“聯(lián)合鉚釘”和聯(lián)合STARS飛機上。
雖然MUOS終端潛在資源豐富,但是美軍還是需要花費多年時間對這些無線電設(shè)備進行測試、大批量采購和戰(zhàn)場部署,為此,全球范圍內(nèi)大約有70 000~80 000個艦載、機載、車載和坦克UHF終端需要進行更換。
AEHF衛(wèi)星通信系統(tǒng)作為美軍最重要的抗毀的衛(wèi)星通信系統(tǒng),一顆AEHF衛(wèi)星所能提供的通信能力將超過目前在軌的5顆“軍事星”所能提供的通信能力的總和。此外,AEHF衛(wèi)星具有與所有5顆“軍事星”的向后兼容能力。
AEHF系統(tǒng)由3個部分組成:空間部分(衛(wèi)星)、地面部分(任務(wù)控制和相關(guān)的通信鏈路)和終端(用戶)。數(shù)據(jù)通信速率從75比特/秒到8兆比特/秒。
空間部分是由一個地球同步軌道上4顆衛(wèi)星交聯(lián)而成的星座組成的。AEHF衛(wèi)星載荷的特點是具有星上信號處理能力,以及提供了EHF/SHF交叉頻帶的通信能力。衛(wèi)星天線部分由2副SHF下行鏈路相控陣天線、2副交聯(lián)天線、2副上行/下行戰(zhàn)場抗干擾調(diào)零天線、1副上行EHF相控陣天線、6副上行/下行鏈路萬向碟形天線,以及1副上行/下行地面覆蓋喇叭天線組成,增加了覆蓋范圍。
地面部分控制在軌的衛(wèi)星、監(jiān)視衛(wèi)星的狀態(tài)和提供對通信系統(tǒng)的計劃編制和監(jiān)視能力。地面部分具有高度的抗毀性,包括了固定式和移動式控制站。系統(tǒng)上行鏈路和交聯(lián)工作在EHF頻段,下行鏈路工作在SHF頻段。
終端部分包含了美國各軍和國際合作伙伴(加拿大、荷蘭和英國)使用的固定和地面移動終端、艦載和潛艇終端、機載終端。雷聲公司已經(jīng)利用衛(wèi)星擴展數(shù)據(jù)率(XDR)波形演示驗證了終端的交互性。XDR波形是美軍最為復(fù)雜的低檢測、抗干擾波形?;诖讼到y(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率將是傳統(tǒng)EHF系統(tǒng)的5倍。
美國軍方為實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn),不斷增加軍事通信衛(wèi)星數(shù)量,但因為技術(shù)和資金問題已有近10顆軍事通信衛(wèi)星發(fā)射計劃延遲,離確保未來軍事需求的目標還有一定的距離。為了滿足不斷增長的軍事衛(wèi)星通信需求,租用商用服務(wù)己納入國防部基本預(yù)算。目前,80%具有固定地面站的美國軍事衛(wèi)星通信由商業(yè)通信衛(wèi)星運營商提供。
隨著現(xiàn)有美國軍事衛(wèi)星通信系統(tǒng)項目的推進,開發(fā)進度延期、成本預(yù)算超支等諸多問題日漸顯現(xiàn);另一方面,軍費預(yù)算和技術(shù)體系結(jié)構(gòu)一直困擾著未來美國軍事衛(wèi)星通信系統(tǒng)前進的步伐;而商業(yè)衛(wèi)星通信系統(tǒng)則不能滿足美軍對于高度保密和抗干擾的通信能力的需求。
早期的美國軍事衛(wèi)星通信系統(tǒng)大多是單任務(wù)性質(zhì)的,只提供某種特定服務(wù)。這些任務(wù)通常圍繞最適合特定服務(wù)的頻段建立的:用于窄帶服務(wù)的UHF頻段、用于寬帶中繼的X波段等。單顆衛(wèi)星既不特別復(fù)雜,造價也不高。而現(xiàn)有的美國軍事衛(wèi)星通信系統(tǒng)包括了更大、更復(fù)雜、造價更高的衛(wèi)星。
早期的美國軍事衛(wèi)星通信系統(tǒng)可以用小型或中型運載火箭進行發(fā)射,但像“軍事星”這樣高度任務(wù)集聚的衛(wèi)星就需要“太陽神IV”火箭進行發(fā)射。隨著衛(wèi)星重量的增加,美軍現(xiàn)有的軍事衛(wèi)星通信系統(tǒng)的開發(fā)進度拖延(如圖1所示)和成本超支(如圖2所示)等問題開始顯現(xiàn)出來。
圖1 美國軍事衛(wèi)星通信系統(tǒng)開發(fā)進度對比Fig.1 Comparison of U.S.MILSATCOM development progress
圖2 美國軍事衛(wèi)星通信系統(tǒng)開發(fā)成本對比Fig.2 Comparison of U.S.MILSATCOM development cost
美國國防部在如何實現(xiàn)其未來軍事空間通信體系結(jié)構(gòu)的問題上態(tài)度一直不太明朗。2013年在紐約舉行的衛(wèi)星通信大會上,無論是業(yè)界還是政府官員,似乎沒有人明確表態(tài)解決這個問題。
美軍對于軍事衛(wèi)星通信系統(tǒng)的需求不斷增長,但是美軍的軍費預(yù)算卻在持續(xù)縮減。這種背景下,美軍將無力支持大型衛(wèi)星計劃。由于目前美軍的軍事衛(wèi)星已經(jīng)無法滿足其業(yè)務(wù)所需,而且也未啟動任何新計劃,因此,商用衛(wèi)星將很有可能成為今后美軍事衛(wèi)星通信體系結(jié)構(gòu)的主要組成部分[1]。
美軍的三大軍事衛(wèi)星通信項目只能為軍方提供一小部分所需的軍事通信能力,而且“它們是昂貴的、需要花很長時間來開發(fā)和部署”。商業(yè)衛(wèi)星通信系統(tǒng)已經(jīng)填補了這一空白,它們曾為在伊拉克和阿富汗的美國部隊提供了絕大多數(shù)的通信能力。雖然這些提供商盡了最大努力,但是這些衛(wèi)星不能提供美軍所需的高度保密和抗干擾的能力。
美軍多數(shù)軍事衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)通過脆弱的商業(yè)衛(wèi)星通信系統(tǒng)信道傳輸,這些信道上包含了大量的空間通信。只有大約1%的國防衛(wèi)星通信是安全、免于攔截和干擾威脅的。雖然對于許多非關(guān)鍵功能來說這是一個可以接受的解決方案,但是“廣泛采用非抗毀衛(wèi)星通信系統(tǒng)讓美國及其盟友極易受到正在努力削弱美國現(xiàn)有信息優(yōu)勢的敵對勢力的威脅”。
未來美國軍事衛(wèi)星通信系統(tǒng)的發(fā)展主要表現(xiàn)在探索不同的體系結(jié)構(gòu)、引入智能手機和其他商業(yè)通信技術(shù),并提高用于軍事目的的商業(yè)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的可靠性。
解聚的思想是通過數(shù)量較少的集中任務(wù)來創(chuàng)建一個成本更加可控并以增量的方式部署的衛(wèi)星通信體系結(jié)構(gòu)。主要有兩種解聚方式:第一種是將一個大型的任務(wù)集聚系統(tǒng)分解為多個較小的組成部分;第二種是通過為現(xiàn)有系統(tǒng)補充增加的較小組成部分來建立一個更多樣化的增值系統(tǒng)。以下分別以WGS系統(tǒng)的分層增強和AEHF系統(tǒng)的分解來具體說明這兩種解聚的衛(wèi)星通信體系結(jié)構(gòu)。
第一種情況如圖3所示,通過增加小衛(wèi)星和/或搭載有效載荷補充由六顆WGS衛(wèi)星組成的核心系統(tǒng)的能力。在這個概念,新的資產(chǎn)將針對特定的Ka波段軍事任務(wù)進行定制,這些任務(wù)包括戰(zhàn)術(shù)(或戰(zhàn)區(qū)內(nèi))機載情報、監(jiān)視和偵察(AISR),遠距離機載情報、監(jiān)視和偵察(AISR)和運動中通信(COTM)。根據(jù)作戰(zhàn)司令部(COCOM)的即時需求選擇特定的軌道位置,并確保不會干擾WGS星座。新的資產(chǎn)可以是搭載的有效載荷或自由飛行器。
圖3 通過增加資產(chǎn)進行解聚的例子Fig.3 Comparison of U.S.MILSATCOM development progress
第二種情況如圖4所示,通過將現(xiàn)有的AEHF衛(wèi)星分解成獨立的衛(wèi)星或有效載荷,分別支持各種戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)任務(wù),從而實現(xiàn)解聚。在這種情況下,所需的衛(wèi)星比原來任務(wù)集聚時的規(guī)模顯著減小,復(fù)雜度也降低了。
圖4 通過分解進行解聚的例子Fig.4 Comparison of U.S.MILSATCOM development progress
引入解聚體系結(jié)構(gòu)的另一個原因是資產(chǎn)多樣化的選擇:規(guī)模和能力相近的同類資產(chǎn),或由更加多樣化的資產(chǎn)組成一個混合星座。同類星座最大限度地提高了冗余度,并可利用高產(chǎn)量的批量生產(chǎn)線;而混合星座提高靈活性和對變化的響應(yīng)能力。后者可以同時包括大型和小型有效載荷,以及搭載的有效載荷和自由飛行器[2]。
美國海軍研究辦公室(ONR)、海軍研究實驗室和海軍陸戰(zhàn)隊航空兵共同開發(fā)了一種具備實際通信潛能的固有的衛(wèi)星技術(shù)——軟件可重新編程載荷(SRP)。軟件可重新編程載荷是設(shè)計用于在一個基于軟件無線電平臺的工具包中實現(xiàn)通信、射頻感應(yīng)和電子戰(zhàn)等多重功能。在其第一個應(yīng)用中,軟件可重新編程載荷將允許地面上的海軍陸戰(zhàn)隊員通過“影子”無人機實現(xiàn)相互通信,且不管無線電、網(wǎng)絡(luò)或波形正在使用與否。
軟件可重新編程載荷提供了4種基本的應(yīng)用:自動識別系統(tǒng)、干擾減弱的UHF通信中繼、具有UHF IP路由能力的傳統(tǒng)電臺,以及單信道地面和機載無線電系統(tǒng)。軟件可重新編程載荷采用了與JTRS非常相似的無線電體系結(jié)構(gòu),它將經(jīng)歷更多的互操作測試,確保與JTRS兼容[3]。
隨著商業(yè)衛(wèi)星通信系統(tǒng)越來越多地進入美國軍事衛(wèi)星通信系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu),并承擔著重要的角色,美軍也日益陷入衛(wèi)星通信系統(tǒng)成本和安全性權(quán)衡的困境,提高商業(yè)通信衛(wèi)星系統(tǒng)的可靠性,使其滿足軍用衛(wèi)星通信系統(tǒng)的需求是當前和未來美軍必須面對的一個問題。
出于這些原因的考慮,美國空軍在軍事衛(wèi)星通信系統(tǒng)局(MSCD)的牽頭下著手開展一個大的合同項目,旨在演示并確定使用現(xiàn)有的和/或少量修改的商業(yè)抗毀衛(wèi)星通信系統(tǒng),以滿足2020財年以后,未來抗毀軍事衛(wèi)星通信需求的可行性和經(jīng)濟承受能力。這些項目促進了商業(yè)公司開發(fā)獨具特色的體系結(jié)構(gòu)解決方案。如抗毀的戰(zhàn)略軍事衛(wèi)星通信系統(tǒng)在核、沖突與平時等所有作戰(zhàn)環(huán)境中必須具備低截獲/探測/利用(LPI/LPD/LPE)概率、頑存、抗閃爍與抗干擾通信,以及核指揮與控制服務(wù)??箽У膽?zhàn)術(shù)軍事衛(wèi)星通信必須提供對抗和平時作戰(zhàn)環(huán)境下的抗干擾和低截獲/探測/利用概率通信[4]。
此外,曾經(jīng)被認為只存在于軍事技術(shù)領(lǐng)域的安全抗干擾(AJ)通信現(xiàn)在也可以用商用調(diào)制解調(diào)器技術(shù)來實現(xiàn),并提供從安全/非抗干擾到安全/抗干擾的不同等級的安全通信,如聯(lián)合IP調(diào)制解調(diào)器/EBEM/LinkWay。
同樣的,近期商用大容量衛(wèi)星(HCS)技術(shù)的發(fā)展,可以直接應(yīng)用到競爭環(huán)境的抗毀型通信中。這些衛(wèi)星以及為使用這些大容量衛(wèi)星而設(shè)計的系統(tǒng),例如ViaSat公司的ViaSat-1衛(wèi)星和Eutelsat公司的KA-SAT衛(wèi)星,都使用了大帶寬、高功率/窄點波束,這些特征使其可以直接在競爭通信環(huán)境中工作。
美國軍事衛(wèi)星通信系統(tǒng)的發(fā)展也為我國未來衛(wèi)星通信系統(tǒng)的建設(shè)以及衛(wèi)星通信系統(tǒng)對抗裝備的發(fā)展帶來新的思考。
借鑒美國衛(wèi)星通信系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)驗,利用商業(yè)衛(wèi)星通信系統(tǒng)具有制造成本低、投資風(fēng)險小、技術(shù)成熟的特點,采用政府-企業(yè)合作、租用商業(yè)通信衛(wèi)星實現(xiàn)“托管有效載荷”等手段來發(fā)展衛(wèi)星通信系統(tǒng)。
借鑒美國的衛(wèi)星通信系統(tǒng)的發(fā)展體系,頂層規(guī)劃不同戰(zhàn)略、戰(zhàn)術(shù)和移動作戰(zhàn)任務(wù)對于衛(wèi)星通信系統(tǒng)的需求,實現(xiàn)在頻段上和覆蓋區(qū)域上相互補充,同時具備了各自獨特的作戰(zhàn)應(yīng)用場景的衛(wèi)星通信系統(tǒng),從而保證了己方的信息優(yōu)勢。
以美國為代表的發(fā)達國家都已經(jīng)或正在著手開發(fā)頻段、覆蓋區(qū)域和作戰(zhàn)應(yīng)用場景上相互補充的較為完備的衛(wèi)星通信系統(tǒng)。不同頻段和作戰(zhàn)應(yīng)用的衛(wèi)星通信系統(tǒng)具備各自不同的特性,不可能采用同一種對抗裝備,因此要重視發(fā)展多種平臺的衛(wèi)星通信系統(tǒng)通信對抗能力。
由于軍費預(yù)算不足、技術(shù)復(fù)雜和開發(fā)難度大,美軍雄心勃勃的“轉(zhuǎn)型衛(wèi)星通信系統(tǒng)”(TSAT)終于未能成形,而美軍現(xiàn)有的軍事衛(wèi)星通信系統(tǒng)的開發(fā)與部署也是“蹣跚而行”。但是無論如何,美軍擁有當今世界上最大的軍費開支和最先進的軍事衛(wèi)星通信技術(shù),因此,開展有關(guān)美國軍事衛(wèi)星通信系統(tǒng)發(fā)展的研究,具有十分重要的意義。
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[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.