美新一代軍用通信衛(wèi)星在軌能力及發(fā)展趨勢分析（上）

+ 方志英

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衛(wèi)星軍事

美新一代軍用通信衛(wèi)星在軌能力及發(fā)展趨勢分析（上）

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一、概述

近年來，美國軍事通信衛(wèi)星一直保持平穩(wěn)求進(jìn)的發(fā)展勢頭。美國目前建成了體系完備的軍事通信衛(wèi)星體系，以寬帶、窄帶、防護(hù)、中繼等專用衛(wèi)星系統(tǒng)為核心，確保關(guān)鍵軍事衛(wèi)星通信服務(wù)的連續(xù)性和可獲得性。同時，以其他手段為補(bǔ)充，借助快速響應(yīng)小衛(wèi)星來滿足戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用需求、通過商用通信衛(wèi)星來彌補(bǔ)軍事容量的不足。整體而言，美國的軍事通信衛(wèi)星覆蓋UHF、SHF和EHF等各頻段，具備全球范圍常態(tài)化覆蓋和關(guān)鍵地區(qū)多重覆蓋能力，無論是從體系完備性和在軌數(shù)量角度，還是從系統(tǒng)指標(biāo)與系統(tǒng)應(yīng)用能力的角度，美國都處于絕對的領(lǐng)先地位。

從近年來的發(fā)射情況看，美軍持續(xù)推進(jìn)新一代軍事通信衛(wèi)星的更新?lián)Q代，且更新步伐加快，新一代衛(wèi)星的比重不斷增長，無論是從技術(shù)體制、傳輸速率還是從系統(tǒng)容量、抗干擾能力上均有明顯跨越，遠(yuǎn)超上一代衛(wèi)星，部分系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)初始作戰(zhàn)能力。截至2016 年1月，美國軍用通信衛(wèi)星現(xiàn)在軌共計(jì)51顆，分屬9個系統(tǒng)。其中新發(fā)展的更新?lián)Q代軍事通信衛(wèi)星涉及寬帶、窄帶、防護(hù)、中繼、快速響應(yīng)（技術(shù)試驗(yàn)）5個方面，共計(jì)20顆。

二、美國新一代軍用通信衛(wèi)星

1.寬帶通信——寬帶全球衛(wèi)星通信系統(tǒng)

（1）寬帶全球衛(wèi)星通信系統(tǒng)空間在軌及部署情況

寬帶全球衛(wèi)星通信（WGS）系統(tǒng)是工作在超高頻頻段的新型大容量衛(wèi)星通信系統(tǒng)，旨在用X頻段替代國防衛(wèi)星通信系統(tǒng)（DSCS），用Ka頻段替代全球廣播業(yè)務(wù)（GBS）系統(tǒng)，大大簡化了組網(wǎng)規(guī)劃。截至2016年1月，WGS共計(jì)在軌7顆，均位于同步軌道上，部署位置分別為東經(jīng)174.8度、東經(jīng)60.2度、西經(jīng)12.0度、東經(jīng)88.4度、西經(jīng)52.6度、西經(jīng)135.2度、西經(jīng)115.0度。下表1列出了每顆WGS的具體發(fā)射時間。

（2）WGS系統(tǒng)通信能力分析

WGS在軌衛(wèi)星共7顆，除兩極外基本實(shí)現(xiàn)了全球覆蓋，同時對重點(diǎn)區(qū)域采用了雙重覆蓋的寬帶通信保障。如圖1所示，WGS主要覆蓋范圍包括了太平洋、印度洋、大西洋與美國大陸。

表1 WGS系統(tǒng)發(fā)射一覽表

圖1 WGS系統(tǒng)覆蓋范圍示意圖

WGS是美國國防部容量最大的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，其通信能力是第三代國防衛(wèi)星通信系統(tǒng)（DSCS3）的10倍以上。WGS衛(wèi)星可提供X和Ka頻段雙向?qū)拵ㄐ?、Ka頻段單向廣播和Ka頻段空基情報(bào)、偵察和監(jiān)視平臺數(shù)據(jù)回傳三大業(yè)務(wù)。采用點(diǎn)波束、相控陣和數(shù)字信道化技術(shù)，極大提升衛(wèi)星容量，單星容量可達(dá)3.6Gb/s，超過現(xiàn)役DSCS3衛(wèi)星總和。自WGS-4衛(wèi)星起，后續(xù)衛(wèi)星均配備射頻旁路載荷，增強(qiáng)對空基情報(bào)、偵察和監(jiān)視平臺高速數(shù)據(jù)上傳的支持能力，最低數(shù)傳速率可達(dá)274Mb/s。

WGS所提供的服務(wù)不但是DSCS3和GBS兩個寬帶系統(tǒng)的延續(xù)和補(bǔ)充，而且通信能力大大提高，將為戰(zhàn)場上的部隊(duì)提供額外的、以網(wǎng)絡(luò)為中心的通信能力，并將成為高數(shù)據(jù)率衛(wèi)星通信系統(tǒng)的關(guān)鍵要素，如表2所示為WGS與DSCS3的通信能力比較。

表2 WGS與DSCS3的通信能力對比表

WGS星座的最大特點(diǎn)是其星上Ka頻段和X頻段天線能夠通過星載數(shù)字化信道選擇器實(shí)現(xiàn)互連。數(shù)字化信道選擇器可對整個衛(wèi)星的通信帶寬進(jìn)行信道分配，且每個子信道間均可實(shí)現(xiàn)相互交鏈。因此，該星座覆蓋區(qū)域內(nèi)的任何一個上行信號，都可以連接到任意一個或者多個下行覆蓋區(qū)域，從而賦予系統(tǒng)高度的靈活性，使美軍部隊(duì)及其全球盟軍的寬帶通信能力實(shí)現(xiàn)數(shù)量級的躍變，且不受所在作戰(zhàn)區(qū)域的地理環(huán)境限制。

（3）WGS未來發(fā)展計(jì)劃

WGS于2001年1月由波音公司進(jìn)行研制，并計(jì)劃建造5顆業(yè)務(wù)衛(wèi)星和1顆備份衛(wèi)星，但由于2009年美軍取消了下一代寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)“轉(zhuǎn)型衛(wèi)星通信系統(tǒng)”（TSAT）的研制計(jì)劃，使WGS計(jì)劃得到了大幅度擴(kuò)張，計(jì)劃衛(wèi)星數(shù)量增加到10顆。該系列正在研制的第9顆衛(wèi)星與WGS-6一樣是國際合作衛(wèi)星，這種模式增強(qiáng)了盟軍聯(lián)合作戰(zhàn)的互操作性。WGS系統(tǒng)的首顆衛(wèi)星于2007年10月發(fā)射升空，當(dāng)前已有7顆WGS衛(wèi)星升空，從第8顆起，系統(tǒng)還將進(jìn)一步升級，增加新的數(shù)字信道選擇器，繼續(xù)提高衛(wèi)星容量。第10顆衛(wèi)星也已經(jīng)采購。美軍還希望再采購兩顆，形成由12顆衛(wèi)星組成的星座，全面入軌要到2018年左右。

2.窄帶通信——移動用戶目標(biāo)系統(tǒng)

（1）移動用戶目標(biāo)系統(tǒng)空間在軌及部署情況

移動用戶目標(biāo)系統(tǒng)（MUOS）是美軍下一代窄帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)仍采用UHF頻段，可為美軍方和民用機(jī)構(gòu)提供目前尚未實(shí)現(xiàn)的移動通信能力。新的波形和算法能夠使像蜂窩電話大小的設(shè)備在密林和惡劣天氣條件下仍能獲得良好的通信質(zhì)量。截至2016年1月，MUOS共計(jì)在軌4顆，均位于同步軌道面上，部署位置分別為西經(jīng)178.3度、西經(jīng)101.2度、西經(jīng)16.0度、西經(jīng)173.3度。表3列出了每顆MUOS的具體發(fā)射時間。

表3 MUOS發(fā)射一覽表

（2）MUOS通信能力分析

MUOS在軌4顆，主要覆蓋范圍包括了太平洋、印度洋、大西洋與美國大陸。此外，在美國海軍

“2014冰原演習(xí)”期間，MUOS衛(wèi)星提供了近150小時的安全數(shù)據(jù)鏈接，首次將穩(wěn)定的衛(wèi)星鏈路傳輸能力擴(kuò)展到兩極地區(qū)。

MUOS衛(wèi)星采用透明轉(zhuǎn)發(fā)體制和寬帶碼分多址（WCDMA）空中接口，數(shù)據(jù)處理和交換均在地面完成，美軍計(jì)劃在美國本土、夏威夷、意大利和澳大利亞等地建設(shè)多個地面站，地面站之間通過光纖連接，配合空間段衛(wèi)星形成覆蓋全球的窄帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)。MUOS衛(wèi)星采用空間大型可展開天線和寬帶碼分多址體制，提升了鏈路通信速率和系統(tǒng)容量，單星可支持4189個標(biāo)準(zhǔn)速率終端同時接入，超過了現(xiàn)役UFO衛(wèi)星總和。

圖2 MUOS覆蓋范圍示意圖

在MUOS未來具備的一系列作戰(zhàn)支持能力中，最為典型的戰(zhàn)場運(yùn)用將是動中通與網(wǎng)絡(luò)化能力。該系統(tǒng)能夠與高速機(jī)動部隊(duì)和戰(zhàn)場網(wǎng)絡(luò)鏈接，從而實(shí)現(xiàn)動中通，保證高速機(jī)動部隊(duì)之間、高速機(jī)動部隊(duì)到基地之間話音與數(shù)據(jù)的點(diǎn)對點(diǎn)通信。MUOS能滿足美軍對提供運(yùn)動中通信的迫切需求，可以讓地面的每個連隊(duì)的無線電臺能夠利用MUOS通信。此外，其采用與反輻射信號結(jié)合的技術(shù)，可自動消除輻射與頻率干擾，從而增強(qiáng)城市作戰(zhàn)能力。

（3）MUOS未來發(fā)展計(jì)劃

MUOS計(jì)劃由5顆靜止軌道衛(wèi)星組成的星座構(gòu)成，其中4顆在軌工作衛(wèi)星，1顆在軌備份衛(wèi)星。

MUOS-4初步完成部署，使得MUOS網(wǎng)絡(luò)幾乎能夠覆蓋全球。裝備MUOS終端的機(jī)動部隊(duì)，能夠相互通信，包括話音、數(shù)據(jù)以及圖像通信。MUOS-4將會在2016年春重新定位到其在軌位置運(yùn)行，為運(yùn)行驗(yàn)收做好準(zhǔn)備。該衛(wèi)星將加入到分別于2012年、2013年、2015年發(fā)射的三顆MUOS以及四個地面站組成的網(wǎng)絡(luò)中。MUOS-5在軌備用星將于2016年發(fā)射。

MUOS一旦建成，它提供的通信能力是傳統(tǒng)超高頻通信衛(wèi)星系統(tǒng)的16倍，將形成確保接入、組網(wǎng)通信、動中通、聯(lián)合互操作、全球覆蓋、點(diǎn)對點(diǎn)通信、廣播和兩極覆蓋的作戰(zhàn)能力。目前已部署的55000多部雷達(dá)終端可通過升級來兼容MUOS網(wǎng)絡(luò)，其中多數(shù)雷達(dá)僅需進(jìn)行軟件升級。

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