近年美軍衛(wèi)星通信發(fā)展分析

張健 （天津712通信廣播股份有限公司）

近年美軍衛(wèi)星通信發(fā)展分析

The Development of US Milsatcom in Recent Years

張健 （天津712通信廣播股份有限公司）

美軍全球戰(zhàn)略作戰(zhàn)對(duì)衛(wèi)星通信手段依賴性極強(qiáng)，但隨著其經(jīng)濟(jì)的衰退、潛在對(duì)手技術(shù)實(shí)力的提升以及作戰(zhàn)需求對(duì)衛(wèi)星通信能力要求的不斷提高，美軍衛(wèi)星通信建設(shè)的思想發(fā)生了很大變化。其中，充分利用商用衛(wèi)星等多種衛(wèi)星資源滿足其作戰(zhàn)需求成為首選路線。

1 引言

經(jīng)過(guò)幾十年的努力，美軍建設(shè)了以寬帶、窄帶、受保護(hù)軍用衛(wèi)星通信系統(tǒng)為主的軍用衛(wèi)星通信系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，并將商業(yè)通信衛(wèi)星資源作為補(bǔ)充。由于受經(jīng)費(fèi)、技術(shù)等方面的限制，原計(jì)劃的下一代軍用衛(wèi)星通信系統(tǒng)—“轉(zhuǎn)型通信衛(wèi)星系統(tǒng)”（TSAT）在2009年終止。但美軍迅速調(diào)整了其衛(wèi)星通信發(fā)展計(jì)劃，在經(jīng)濟(jì)可承受的前提下，針對(duì)近期局部戰(zhàn)爭(zhēng)需求及未來(lái)與潛在對(duì)手對(duì)抗預(yù)測(cè)，提出了維持原有體系結(jié)構(gòu)，以第三代“寬帶全球衛(wèi)星通信”（WGS）、窄帶“移動(dòng)用戶目標(biāo)系統(tǒng)”（MUOS）和受保護(hù)“先進(jìn)極高頻”（AEHF）軍用通信衛(wèi)星為基礎(chǔ)，作為其主要的空間信息傳輸資源，并加大了對(duì)商業(yè)衛(wèi)星資源的應(yīng)用，形成了軍民結(jié)合、多種通信衛(wèi)星資源并存的軍用通信衛(wèi)星體系結(jié)構(gòu)。2013年8月，美國(guó)空軍航天司令部（AFSPC）發(fā)布《彈性和分散空間體系》白皮書，確定了美國(guó)軍事航天轉(zhuǎn)型的戰(zhàn)略方針，明確了未來(lái)航天系統(tǒng)發(fā)展的頂層思路和航天體系轉(zhuǎn)型方向，其核心是通過(guò)創(chuàng)建衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)替代大規(guī)模的單一系統(tǒng)，顯著增加了失去1顆衛(wèi)星的抗毀性。

2 美軍衛(wèi)星通信面臨的主要問(wèn)題

隨著技術(shù)的發(fā)展與潛在對(duì)手實(shí)力的變化，美軍衛(wèi)星通信面臨著極大挑戰(zhàn)，美軍對(duì)下一代衛(wèi)星通信系統(tǒng)的建設(shè)方式開始了深入思考。面臨的主要問(wèn)題有：

一是經(jīng)濟(jì)壓力巨大。由于美國(guó)經(jīng)濟(jì)整體上不景氣，政府預(yù)算嚴(yán)重受到制約，美軍用于新裝備研發(fā)的經(jīng)費(fèi)捉襟見(jiàn)肘，且呈不斷惡化的態(tài)勢(shì)。據(jù)2013年美國(guó)戰(zhàn)略預(yù)算評(píng)估中心（CSBA）提出的《軍用衛(wèi)星通信的未來(lái)》研究報(bào)告預(yù)計(jì)，到2021年，美軍用于裝備研發(fā)、采購(gòu)以及基本建設(shè)的經(jīng)費(fèi)只占年度國(guó)防經(jīng)費(fèi)的14%（2012年占36%）。

二是建設(shè)周期過(guò)長(zhǎng)。隨著軍用通信衛(wèi)星復(fù)雜程度的提高，技術(shù)難度越來(lái)越大，系統(tǒng)建設(shè)周期比計(jì)劃一拖再拖，如美軍“先進(jìn)極高頻”衛(wèi)星原計(jì)劃2007年發(fā)射，實(shí)際第一顆衛(wèi)星到2010年才發(fā)射。建造周期的延長(zhǎng)不僅使用戶通信保障能力不能按時(shí)獲得，還使得投資超出了預(yù)算；同時(shí)，隨著技術(shù)的快速發(fā)展，敵方能夠找到系統(tǒng)漏洞和短板的機(jī)會(huì)大大增加。

三是對(duì)帶寬的需求快速增加。衛(wèi)星通信帶寬的需求和供應(yīng)之間的矛盾越來(lái)越突出，無(wú)人機(jī)產(chǎn)生了包括全動(dòng)態(tài)視頻在內(nèi)的巨量數(shù)據(jù)，高清攝像機(jī)、激光指示器、成像雷達(dá)、地面移動(dòng)目標(biāo)指示器和多光譜成像儀等復(fù)雜的傳感器，需要大帶寬來(lái)傳送數(shù)據(jù)。2010年，當(dāng)時(shí)要進(jìn)行一場(chǎng)現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)，美國(guó)五角大樓需要大約16Gbit/s的衛(wèi)星通信帶寬，而當(dāng)時(shí)美軍只有2Gbit/s的帶寬；2013年，美國(guó)衛(wèi)星通信咨詢公司北方天空研究所（NSR）預(yù)測(cè)，美軍未來(lái)10年帶寬將增加74%，從24Gbit/s增加到41Gbit/s。

四是潛在對(duì)手實(shí)力不斷增強(qiáng)。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，美軍進(jìn)行的阿富汗、伊拉克等幾場(chǎng)戰(zhàn)爭(zhēng)都是與實(shí)力相差懸殊的對(duì)手進(jìn)行的，但近期在中東和亞太地區(qū)與俄羅斯等國(guó)的對(duì)抗則實(shí)力相差不是很大，特別是其天基設(shè)施面臨的威脅越來(lái)越嚴(yán)重；另外，隨著高新技術(shù)的發(fā)展與擴(kuò)散，美軍在不同戰(zhàn)場(chǎng)上也面臨著非政府恐怖分子威脅不斷增大的局面，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)空間對(duì)抗也越來(lái)越嚴(yán)峻。

3 美軍衛(wèi)星通信近年發(fā)展情況

近年來(lái)，美軍對(duì)下一代衛(wèi)星通信系統(tǒng)正在開展系統(tǒng)地研究，在網(wǎng)絡(luò)上能夠見(jiàn)到一些成果，但到目前仍未見(jiàn)一個(gè)權(quán)威機(jī)構(gòu)發(fā)布的系統(tǒng)架構(gòu)。通過(guò)對(duì)其當(dāng)前衛(wèi)星通信系統(tǒng)面臨的問(wèn)題進(jìn)行深入分析，美軍提出了以下一些有傾向性的觀點(diǎn)。

避免開發(fā)大型復(fù)雜的空間資源

美軍認(rèn)為，當(dāng)前軍用通信衛(wèi)星過(guò)于復(fù)雜，如“寬帶全球衛(wèi)星通信”衛(wèi)星集中了傳統(tǒng)的X頻段任務(wù)，還有Ka頻段“全球廣播系統(tǒng)”，“移動(dòng)用戶目標(biāo)系統(tǒng)”衛(wèi)星包括一個(gè)全新的寬帶碼分多址（WCDMA）有效載荷和傳統(tǒng)特高頻（UHF）有效載荷，以及高帶寬的Ka頻段饋電系統(tǒng)。大型復(fù)雜的載荷需要先進(jìn)的星載處理及大量的星載軟件，不僅技術(shù)難度大、經(jīng)費(fèi)需求大、研制周期長(zhǎng)，是成本超支、進(jìn)度滯后的主要原因，而且還存在可靠性風(fēng)險(xiǎn)高等不足。將一個(gè)復(fù)雜的載荷分解成多個(gè)功能相同、協(xié)調(diào)工作的小型載荷，具有生產(chǎn)周期短、造價(jià)低的優(yōu)點(diǎn)。如果其中一個(gè)有效載荷出現(xiàn)故障，可以用較低代價(jià)進(jìn)行替換，方便通過(guò)冗余配置，不僅系統(tǒng)造價(jià)可以降低，而且系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性也可大大提高。美軍提出了2種實(shí)現(xiàn)途徑：一種方法是把一個(gè)大的系統(tǒng)分解成多個(gè)小的組件，如目前在軌的“銥”（Iridium）衛(wèi)星系統(tǒng)；另一種方法是通過(guò)增加較小的空間組件，增強(qiáng)已有在軌系統(tǒng)的效能。針對(duì)“寬帶全球衛(wèi)星通信”衛(wèi)星，可采用前一種方法，在已有衛(wèi)星基礎(chǔ)上，通過(guò)在另外的衛(wèi)星上搭載小規(guī)模的“寬帶全球衛(wèi)星通信”載荷，或?qū)ｉT發(fā)射有較少有效載荷的衛(wèi)星，形成較強(qiáng)的空間能力；對(duì)“先進(jìn)極高頻”衛(wèi)星，可采取后一種方法，通過(guò)設(shè)置不同的戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)載荷，形成保障不同應(yīng)用的能力。

充分利用有效載荷衛(wèi)星搭載形式

將衛(wèi)星有效載荷搭載到其他衛(wèi)星上，不僅能夠增加空間資源的規(guī)模，還能夠減少經(jīng)費(fèi)投入，以及提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。目前，作為美國(guó)亞太地區(qū)再平衡戰(zhàn)略的一部分，美國(guó)計(jì)劃與日本、韓國(guó)和澳大利亞合作，在1顆或更多顆衛(wèi)星上裝載受保護(hù)的“先進(jìn)極高頻”衛(wèi)星有效載荷。從同盟國(guó)的角度來(lái)看，這將提升同美軍之間的互通性，并且使他們能夠以遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于自己裝備相同能力所需成本來(lái)使用“先進(jìn)極高頻”衛(wèi)星星座；從對(duì)手角度來(lái)看，這將很大程度上加大作戰(zhàn)的復(fù)雜性，因?yàn)橐淮螌?duì)承載載荷的攻擊（無(wú)論是物理攻擊、電子攻擊還是網(wǎng)絡(luò)攻擊），將要攻擊網(wǎng)絡(luò)中的所有伙伴國(guó)家，這將增加危機(jī)橫向升級(jí)的風(fēng)險(xiǎn)。為推進(jìn)搭載方式，美國(guó)空軍成立了載荷搭載辦公室，并推出了5億美元的不確定交貨時(shí)間和數(shù)量（IDIQ）載荷搭載合同需求；同時(shí)，衛(wèi)星工業(yè)界成立了載荷搭載聯(lián)盟（HPA），商業(yè)衛(wèi)星機(jī)構(gòu)也成立了專門的部門推進(jìn)商用衛(wèi)星為軍方服務(wù)。

與盟國(guó)共同開發(fā)軍用通信衛(wèi)星資源

美軍衛(wèi)星通信不僅保證自身任務(wù)，還為其盟軍提供支持，早期的美軍衛(wèi)星通信系統(tǒng)都是其獨(dú)立投資建設(shè)。隨著其財(cái)政狀況惡化，美軍在軍用通信衛(wèi)星建設(shè)中開展了廣泛的國(guó)際合作，減少經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，如在“寬帶全球衛(wèi)星通信”衛(wèi)星系統(tǒng)建設(shè)中，對(duì)于已經(jīng)規(guī)劃的10顆衛(wèi)星，寬帶全球衛(wèi)星通信-6由澳大利亞政府提供資助，寬帶全球衛(wèi)星通信-9由加拿大、荷蘭、德國(guó)、丹麥、新西蘭五國(guó)投資，這些出資的國(guó)家能夠在全球范圍使用“寬帶全球衛(wèi)星通信”星座的所有衛(wèi)星。目前，美國(guó)政府正在考慮寬帶全球衛(wèi)星通信-11和12的國(guó)際合作事宜。

采用多種衛(wèi)星資源形式的體系結(jié)構(gòu)

面向不同應(yīng)用需求，將國(guó)防部的衛(wèi)星資源與通過(guò)有效載荷搭載、租用等方式的各類商用衛(wèi)星資源進(jìn)行整合，形成分層的體系架構(gòu)。其中，核心部分是政府擁有和管理的資源，具備全球覆蓋能力，面向各類軍事應(yīng)用。另外，還包括以下四類衛(wèi)星資源，一是政府租用、搭載在商用衛(wèi)星上的衛(wèi)星資源，用于戰(zhàn)區(qū)激增的通信容量；二是政府擁有和管理、搭載在商用衛(wèi)星上的衛(wèi)星資源，用于戰(zhàn)區(qū)激增的通信容量；三是政府擁有和管理、為特定地區(qū)或戰(zhàn)區(qū)服務(wù)的衛(wèi)星資源，為戰(zhàn)區(qū)提供特定的通信容量；四是租用的商用衛(wèi)星帶寬，用于短時(shí)間內(nèi)戰(zhàn)區(qū)激增的通信容量。另外，2013年8月，美國(guó)空軍航天司令部發(fā)布了《利用商業(yè)衛(wèi)星通信支持空軍和國(guó)防部的困難和新方法》，系統(tǒng)提出了利用商業(yè)通信衛(wèi)星資源需要關(guān)注的事項(xiàng)，以及需要改進(jìn)采辦方法等建議。

商業(yè)通信衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商積極推廣政府/軍用衛(wèi)星通信服務(wù)

2013年和2023年商業(yè)通信衛(wèi)星為政府/軍方服務(wù)樣式的變化

政府/軍方用戶是美國(guó)商業(yè)通信衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商第一大客戶，為響應(yīng)軍方軍用衛(wèi)星通信體系結(jié)構(gòu)的變化，歐洲衛(wèi)星公司（SES）、國(guó)際通信衛(wèi)星公司（INTELSAT）等衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)公司積極為軍方推廣衛(wèi)星通信服務(wù)，并將向軍方出租轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬的模式轉(zhuǎn)變?yōu)樘峁┬l(wèi)星通信服務(wù)帶寬的模式。雖然軍方購(gòu)買服務(wù)的費(fèi)用會(huì)高于租用轉(zhuǎn)發(fā)器，但綜合地面建站等費(fèi)用，購(gòu)買服務(wù)的效益還是高于租用轉(zhuǎn)發(fā)器。為此，商業(yè)通信衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商積極采用新的技術(shù)為軍事提供服務(wù)。如2016年，國(guó)際通信衛(wèi)星公司在近期發(fā)射的高通量衛(wèi)星（HTS）—國(guó)際通信衛(wèi)星-29e（Intelsat-29e）上，利用吉來(lái)特公司（GILAT）推出的BlackRay-71衛(wèi)星通信終端實(shí)現(xiàn)了無(wú)人機(jī)（UAS）的3.9Mbit/s傳輸，其中Ku頻段天線口徑30cm×30cm、帶寬利用效率0.26bit/Hz，比常規(guī)系統(tǒng)提高了3倍；另外，針對(duì)軍事特殊應(yīng)用需求，商業(yè)通信衛(wèi)星有效載荷也考慮軍事應(yīng)用需求，增加了新的功能，如國(guó)際通信衛(wèi)星公司的“史詩(shī)”（Epic）高通量衛(wèi)星使用了“寬帶全球衛(wèi)星通信”軍用衛(wèi)星的信道化器技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了用戶間衛(wèi)星“單跳”通信。根據(jù)2014年美國(guó)北方天空研究所的預(yù)測(cè)，2023年政府/軍方租用衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器將比2013年減少32%，提供各類服務(wù)將顯著增加。

通過(guò)上述手段，美軍傾向于構(gòu)建一個(gè)彈性、分散的軍用衛(wèi)星通信體系結(jié)構(gòu)。在該體系結(jié)構(gòu)中，軍用衛(wèi)星、商用衛(wèi)星和軍商混合用衛(wèi)星同時(shí)存在，大量采用了商用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)備，并特別采用了信息安全措施。在應(yīng)用層面支持3種情況應(yīng)用：一是將與核指控控制等相關(guān)的戰(zhàn)略核心信息傳輸使用受保護(hù)衛(wèi)星，確保任何時(shí)候都能夠可靠指揮；二是對(duì)于后勤管理、數(shù)據(jù)采集和日常情報(bào)支援等應(yīng)用使用商用衛(wèi)星，確保有充足的衛(wèi)星資源；三是對(duì)于面臨信息被敵方截獲風(fēng)險(xiǎn)的局部戰(zhàn)爭(zhēng)等應(yīng)用，可采用無(wú)對(duì)抗能力的軍用衛(wèi)星（如“寬帶全球衛(wèi)星通信”）或高通量衛(wèi)星等商用衛(wèi)星，但是需要采用“防護(hù)戰(zhàn)術(shù)波形”（PTW），在保證衛(wèi)星資源的同時(shí)，確保通信安全。其中，“防護(hù)戰(zhàn)術(shù)波形”采用離散頻帶跳頻擴(kuò)頻、集群組網(wǎng)和數(shù)字視頻廣播-衛(wèi)星（DVB-S）等相關(guān)技術(shù)，可使用各類透明轉(zhuǎn)發(fā)器，可支持從低速至上百兆比特每秒的通信速率，實(shí)現(xiàn)較低成本的受保護(hù)通信。

4 來(lái)自美國(guó)軍方的一些觀點(diǎn)

針對(duì)未來(lái)美軍衛(wèi)星通信體系結(jié)構(gòu)，美軍主管部門表達(dá)出一些觀點(diǎn)。2016年第10次施里弗軍事演習(xí)中美軍得出的一個(gè)結(jié)論是：通過(guò)多樣性手段提高美軍衛(wèi)星通信體系的“彈性”。為此，美國(guó)空軍衛(wèi)星通信主管官員說(shuō)：“如果衛(wèi)星通信可以在軍用能力、商業(yè)能力和盟友能力間轉(zhuǎn)移，對(duì)手就很難知道我們?cè)谀睦??！痹?016年12月的一個(gè)論壇上，美國(guó)空軍航天副部長(zhǎng)說(shuō)：“現(xiàn)在，如果有人想要拒止衛(wèi)星通信服務(wù)，他們可能明確地知道我們的軍事能力來(lái)自于哪顆衛(wèi)星”；“但未來(lái)他們將很難發(fā)現(xiàn)，因?yàn)槲覀儾粌H會(huì)利用大量商業(yè)衛(wèi)星通信提供的服務(wù)，同時(shí)也會(huì)在地面段使用互聯(lián)操作，比如我們的通信信號(hào)可以在不同衛(wèi)星、星座、頻率之間跳轉(zhuǎn)”；“使各類干擾很難降低我們的能力”；“他們不知道我們的能力是哪顆衛(wèi)星提供的”。

綜上所述，面對(duì)新的形勢(shì)，美軍衛(wèi)星通信進(jìn)行了針對(duì)性的調(diào)整，這些變化對(duì)我國(guó)相應(yīng)領(lǐng)域的建設(shè)和發(fā)展具有重要的借鑒意義。