美國移動用戶目標系統(tǒng)建設(shè)現(xiàn)狀與效能分析

●文| 北京市遙感信息研究所　陽斌　董濤

美國移動用戶目標系統(tǒng)建設(shè)現(xiàn)狀與效能分析

●文| 北京市遙感信息研究所陽斌董濤

一、研制歷程

1978年，美國海軍發(fā)射首顆艦隊通信衛(wèi)星，掀開了超高頻（300～400MHz）衛(wèi)星通信序幕。此后，美海軍先后研制使用了租賃衛(wèi)星、特高頻后繼星等衛(wèi)星通信系統(tǒng)。截至當前，艦隊通信衛(wèi)星、租賃衛(wèi)星已正式退役，特高頻后繼星仍在繼續(xù)使用但整個系統(tǒng)預(yù)計將于2020年前后完全停用?？v觀美國海軍上述幾代衛(wèi)星通信系統(tǒng)，單顆衛(wèi)星性能方面后一代系統(tǒng)較前一代系統(tǒng)有不同幅度提升，但衛(wèi)星通信技術(shù)、系統(tǒng)組織架構(gòu)等其實并未發(fā)生實質(zhì)性的改變，后一代系統(tǒng)基本為前一代系統(tǒng)的技術(shù)沿襲與優(yōu)化完善，美海軍衛(wèi)星通信能力長期以來并未得到實質(zhì)性、突破性的提升。

伴隨軍事通信需求的飛速增長，美軍亦早已意識到其原有衛(wèi)星通信系統(tǒng)難于滿足使用需求。為適應(yīng)形勢發(fā)展，美軍于1996年開始研發(fā)性能更為先進、功能更為強大的新型窄帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)，用于取代特高頻后繼星系統(tǒng)。2002年2月，新型通信系統(tǒng)研制項目正式開始，項目由美海軍牽頭，具體由隸屬太空及海上作戰(zhàn)系統(tǒng)司令部的空間系統(tǒng)計劃執(zhí)行辦公室及通信衛(wèi)星計劃辦公室負責，系統(tǒng)中文譯名為“移動用戶目標系統(tǒng)”，簡稱MUOS。MUOS項目前期概念設(shè)計、研究論證、方案制定等工作花費數(shù)年時間。2004年，美國洛馬公司、雷神公司兩大國防企業(yè)針對項目具體研制工程展開競爭。2004年9月，洛馬公司從競爭中脫穎而出成為衛(wèi)星系統(tǒng)的主承包商與系統(tǒng)集成商，標志MUOS研制項目正式啟動。美海軍與洛馬公司所簽署的系統(tǒng)研制合同編號為N00039-04-C-2009，初期合同總額21億美元，內(nèi)容包括研制2顆MUOS衛(wèi)星及相關(guān)配套地面設(shè)備。此后，美海軍與洛馬公司達成另外3顆衛(wèi)星及相關(guān)配套地面設(shè)備的研制協(xié)議（MUOS系統(tǒng)共由4顆主星及1顆備用星組成），衛(wèi)星合同總額超過32億美元，項目總成本超過60億美元，系統(tǒng)預(yù)定目標為2010年具備初始保障能力，于2015年全面運行，即實現(xiàn)衛(wèi)星接入、組網(wǎng)通信、聯(lián)合互操作、全球覆蓋、點對點通信、兩極覆蓋等（實際進度遠落后于此）。系統(tǒng)部件研制方面，MUOS衛(wèi)星由洛馬公司位于賓夕法尼亞州的商業(yè)空間系統(tǒng)部制造，最后組裝測試工作則由該公司位于加利福尼亞州森尼韋爾市的分公司承擔。地面系統(tǒng)方面，洛馬公司與美國另一家國防企業(yè)集團—通用動力公司簽署協(xié)議，由后者所屬指揮、控制、通信和計算機系統(tǒng)分公司全權(quán)負責地面系統(tǒng)的建設(shè)工作［1］。

與諸多工程項目一樣，MUOS系統(tǒng)研制工程正式啟動后同樣遭遇了研發(fā)難題、預(yù)算不足等預(yù)料之外的困難，研制進展被迫數(shù)度推遲。最初定于2010年發(fā)射升空的首顆衛(wèi)星MUOS-1直至2012年2月才發(fā)射升空，比預(yù)定時間推遲了26個月。第二至五顆衛(wèi)星分別于2013年7月、2015年1月、2015年9月、2016年6月發(fā)射升空，均嚴重滯后于原始計劃，整個MUOS系統(tǒng)預(yù)計將于2017年1月投入全面運行。

☆　MUOS衛(wèi)星3D效果圖

二、系統(tǒng)組成

MUOS系統(tǒng)主要由衛(wèi)星、地面站及操控站、用戶終端等幾部分組成。

☆　MUOS系統(tǒng)組成

1.衛(wèi)星

MUOS系統(tǒng)包括5顆衛(wèi)星（見表1），其中MUOS-1、MUOS-2、MUOS-3、MUOS-4為主星，MUOS-5為備用星。截至2016年6月，4顆主星及第5顆備用星已全部順利發(fā)射升空［2］。

表 1 MUOS系統(tǒng)衛(wèi)星情況

衛(wèi)星性能方面，每顆MUOS衛(wèi)星搭載1個傳統(tǒng)超高頻窄帶載荷，同時增加攜帶1個基于“第三代合作伙伴項目”技術(shù)（3GPP，主要用于保持未來技術(shù)及系統(tǒng)的兼容性）的寬帶碼分多址（WCDMA）載荷，采用S與Ka混合頻段、星間鏈路與星上處理、信道編碼、抗干擾等先進技術(shù)，裝備Rake接收機（一種可用于分離多徑信號并有效合并多徑信號能量的接收機）。每顆衛(wèi)星裝備1副傳統(tǒng)天線及1副新型多波束天線，反射器直徑分別約5.4m、14m（見表2）。信號接收、發(fā)送方面，WCDMA信號由新型多波束天線接收及發(fā)送，傳統(tǒng)超高頻信號由新型多波束天線接收但由傳統(tǒng)天線發(fā)送。MUOS衛(wèi)星主要用于向固定及移動用戶提供全球范圍內(nèi)的窄頻、超視距、點對點的網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)，每顆衛(wèi)星所搭載多波束天線可生成16個上下行鏈路，每個上下行鏈路均可分配為4個5MHz的寬帶碼分多址信道，每個信道最多可供500名用戶同時共享。此外，衛(wèi)星信號基本不受氣象、環(huán)境等因素影響，適用性更強，可在復(fù)雜、惡劣的天候環(huán)境下為潛艇、水面艦船、飛機、偏遠地區(qū)地面機動部隊等提供通信服務(wù)［3］。

表 2 MUOS衛(wèi)星部分性能參數(shù)

2.地面站及操控站

MUOS系統(tǒng)在全球范圍內(nèi)建有4座地面站及2座衛(wèi)星操控站。其中，4座地面站分別位于美本土弗吉尼亞州和夏威夷、澳大利亞、意大利。美海軍負責地面站的日常運行，如衛(wèi)星總體管理、測控、指令傳輸?shù)?。每座地面站建?座直徑約19m的天線，均安裝有用于通信的無線電裝置，各地面站之間通過光纖通聯(lián)，數(shù)據(jù)可快速傳輸。其中，夏威夷、弗吉尼亞州2座地面站除安裝有無線電裝置外還安裝有轉(zhuǎn)發(fā)器及傳送接口，主要用于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及傳輸。此外，夏威夷地面站還安裝有網(wǎng)絡(luò)管理設(shè)備，擔負通信計劃、資源分配等任務(wù)，向系統(tǒng)提供基于優(yōu)先權(quán)的實時通信資源分配信息，必要情況下可進行優(yōu)先級稍低的通信資源的再次分配，并擔負MUOS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)管理、態(tài)勢感知等方面職能。2座衛(wèi)星操控站中，位于加利福尼亞州穆古角的為主操控站，位于科羅拉多州施里弗空軍基地的為備份站，操控站主要職能為通過地面站接收衛(wèi)星狀態(tài)信息并向衛(wèi)星發(fā)送指令，確保衛(wèi)星狀態(tài)良好［4］。

☆　MUOS系統(tǒng)4座地面站

3.用戶終端

MUOS系統(tǒng)采用BPSK調(diào)制方式，可應(yīng)用于為其專門研制的新型終端。同時，該系統(tǒng)與美軍既有的聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無線電系統(tǒng)兼容，同樣適用于當前廣泛使用的大部分傳統(tǒng)終端。如，聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無線電系統(tǒng)中的手持式、單兵型小型無線電臺及機載、海上、固定站接收終端均可與MUOS系統(tǒng)兼容。其中，美陸軍所裝備AN/PRC-155手持式、單兵型小型無線電臺于2013年成功通過MUOS-1衛(wèi)星進行通信實驗，是首款體驗MUOS系統(tǒng)WCDMA功能的美軍通信終端。此外，MUOS系統(tǒng)計劃拓展應(yīng)用于Block 4聯(lián)合攻擊機、海軍航空司令部AN/ARC-210甚高頻/超高頻通信系統(tǒng)、空軍AN/ARC-231型天火多模機載通信系統(tǒng)等［5］。

信號接收方面，MUOS終端設(shè)備安裝有全向天線，可在運動狀態(tài)下進行通信，具備“動中通”能力，用戶不再需要在通信時停下來設(shè)置天線、調(diào)節(jié)方向等，相對特高頻后繼星系統(tǒng)終端必須在靜止狀態(tài)下通信有突破性的改善提高。此外，通過改善終端性能，MUOS系統(tǒng)整體通信速率及容量均有大幅提升。美軍當前使用的特高頻后繼星系統(tǒng)只能滿足1029個2.4kbit/s終端同時接入，MUOS衛(wèi)星則能滿足16332個2.4kbit/s寬帶碼分多址終端以及424個特高頻后繼星終端同時接入，傳輸速率2.4kbit/s至384kbit/s，通信能力及速率大幅提升。

☆　傳統(tǒng)通信終端與MUOS手持式移動終端

三、通信流程

MUOS衛(wèi)星采用地球同步軌道，每顆衛(wèi)星均在2座地面站作用范圍內(nèi)，同時每座地面站均可接收2顆衛(wèi)星信號或?qū)ζ溥M行遙控。4座地面站之間經(jīng)光纖相互聯(lián)通，并提供衛(wèi)星與美國國防部地基通信網(wǎng)絡(luò)間的通信與控制接口。系統(tǒng)通信過程分為“用戶至地基通信網(wǎng)絡(luò)”、“地基通信網(wǎng)絡(luò)至用戶”兩大部分?！坝脩糁恋鼗ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)”通信流程為通信用戶使用MUOS系統(tǒng)終端通過超高頻上行鏈路（帶寬300～320MHz）向?qū)?yīng)的衛(wèi)星上傳通信信息，衛(wèi)星將通信信息轉(zhuǎn)換為數(shù)碼格式后經(jīng)Ka頻段下傳至作用范圍內(nèi)的某座地面站。“地基通信網(wǎng)絡(luò)至用戶”通信流程為接收衛(wèi)星所下傳信號后，地面站對信號進行解調(diào)解碼并將其傳送至夏威夷或弗吉尼亞州地面站進行轉(zhuǎn)換（如前所述，僅此2座地面站安裝有轉(zhuǎn)發(fā)器，若衛(wèi)星直接向夏威夷、弗吉尼亞州地面站下傳數(shù)據(jù)，則無需此傳輸環(huán)節(jié)，直接轉(zhuǎn)換即可），轉(zhuǎn)發(fā)器將數(shù)據(jù)傳輸于另一顆衛(wèi)星對應(yīng)的2座地面站，2座地面站再經(jīng)Ka頻段向共同作用范圍內(nèi)的衛(wèi)星分別上傳50%的通信數(shù)據(jù)，衛(wèi)星將所接收信號進行放大，并將信號降低至超高頻，隨后通過超高頻下行鏈路將信號下傳至另一位通信用戶所持有的MUOS用戶終端，單次通信信號交互完成。用戶間的相互通信遵循上述流程往復(fù)進行。

☆　MUOS系統(tǒng)通信流程示意圖

四、效能分析

MUOS衛(wèi)星系統(tǒng)是美軍將先進窄帶通信技術(shù)與移動通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，在美軍未來軍事行動中將發(fā)揮重要作用。該系統(tǒng)可以提供覆蓋全球的超視距戰(zhàn)術(shù)通信能力，滿足使用大型、小型及手持式終端的各種衛(wèi)星移動通信用戶需求，應(yīng)用前景廣闊。概括而言，MUOS系統(tǒng)主要具備以下幾方面的優(yōu)勢及特點。

首先，衛(wèi)星性能先進，通信能力強。MUOS系統(tǒng)單顆衛(wèi)星性能相對美軍傳統(tǒng)通信衛(wèi)星有大幅提升。每顆衛(wèi)星通信范圍南北跨度拓展至65°，東西跨度最大可覆蓋約1/2的地球表面，且南北緯65°之間約70%的區(qū)域由2顆衛(wèi)星同時覆蓋（雙覆蓋），系統(tǒng)通信可靠性得到有效提升，且衛(wèi)星采用“第三代合作伙伴項目”、信道編碼、抗干擾等先進技術(shù)，通信信號基本不受氣象、環(huán)境等因素影響，可在復(fù)雜、惡劣環(huán)境下為用戶提供通信保障。事實上，美海軍曾于2014年“冰原演習”期間在北緯85°的高緯度地區(qū)對MUOS系統(tǒng)進行測試，實現(xiàn)了近150小時的可靠數(shù)據(jù)連接，進一步驗證了MUOS衛(wèi)星系統(tǒng)在高緯度地區(qū)的可靠通信能力。此外，待系統(tǒng)第五顆備用星MUOS-5發(fā)射升空后，其可隨時根據(jù)需要機動變軌，增加某個特定地區(qū)的可用信道數(shù)量，系統(tǒng)應(yīng)用潛力將進一步增強。

其次，系統(tǒng)兼容性強，推廣使用潛力大。除專門研制的新式終端外，MUOS系統(tǒng)兼容美軍當前正在使用的大部分傳統(tǒng)終端設(shè)備。據(jù)預(yù)計，MUOS系統(tǒng)全面運行后，通信終端總數(shù)可能超過8萬套，且美海軍DDG-1000驅(qū)逐艦等新型艦艇、空軍C-17運輸機及F-35戰(zhàn)斗機等主戰(zhàn)裝備多數(shù)已安裝或計劃安裝MUOS通信終端，系統(tǒng)推廣應(yīng)用前景廣闊。

最后，系統(tǒng)具備“動中通”能力，其他衛(wèi)星通信系統(tǒng)難于比擬。美軍當前使用的超高頻終端通信需在停止狀態(tài)下進行，終端天線架設(shè)及拆卸均需耗時10min左右。與之不同，MUOS系統(tǒng)終端可在運動狀態(tài)下實時通信，無需架設(shè)或拆卸天線，省時省力、便捷高效。

☆　南北緯65°范圍內(nèi)約70%的通信區(qū)域由2顆衛(wèi)星同時覆蓋（CMTW意為聯(lián)合主戰(zhàn)區(qū)）

MUOS系統(tǒng)技術(shù)先進，功能強大，但也同樣存在問題與不足，系統(tǒng)研制過程中也遭遇了困難與挫折。例如，2012年針對手持式、單兵型無線終端進行的一次測試中終端可靠性即未滿足要求；2014年4月進行的初始測試結(jié)果顯示，MUOS系統(tǒng)數(shù)字載荷性能仍需更多時間方可成熟并通過認證；由于波形、地面系統(tǒng)、無線電終端軟件等方面問題，WCDMA載荷最終運行測試被推遲至2015年12月，等等。上述事例足以說明，MUOS系統(tǒng)也是遵循著“邊研究、邊實驗、邊改進”的模式研制發(fā)展而來，此過程中本身即存在著諸多疑問與不確定因素。作為一項技術(shù)先進、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，MUOS通信系統(tǒng)當前仍處于建設(shè)及調(diào)試中，尚未正式交付及運行，其可靠性、實用性等均有待時間與事實進一步驗證。

［1］ John D. Oetting & Tao Jen. The Mobile User Objective System［J］. Johns Hopkins APL technical digest， Vol.30，NO.2（2011）： 103-111.

［2］ PEO Space Systems. MUOS-5 Satellite Launch. From PEO Space Systems Website： http：//www.public.navy. mil/spawar/PEOSpaceSystems/Pages/Launch.aspx.

［3］ World Heritage Encyclopedia. The Mobile User Objective System. From World Public Library Website：http：//worldheritage.org/article/ WHEBN0002088185/Mobile%20User%20Objective%20 System.

［4］ US navy Space and Naval Warfare Systems Command. Mobile User Objective System-2 Situation Report.From US navy Space and Naval Warfare Systems Command Website： http：//www. public.navy.mil/spawa..

［5］ 張春磊，美軍“移動用戶目標系統(tǒng)”與“特高頻后繼”衛(wèi)星性能對比分析”［J］.國際太空，2015（4）： 47-48.