美俄支持其北極戰(zhàn)略之衛(wèi)星通信資源建設

● 文|裝備學院 張文靜 方秀花

美俄支持其北極戰(zhàn)略之衛(wèi)星通信資源建設

● 文|裝備學院 張文靜 方秀花

多年來，隨著北極積冰緩慢融化，引發(fā)了各國對北極自然資源和航道控制權的激烈爭奪。本文簡要介紹了北極主要競爭者美俄近幾年的北極戰(zhàn)略及采取的主要舉措，分析了支持各自北極戰(zhàn)略的重要基礎衛(wèi)星通信系統(tǒng)能力現狀、未來建設思路及規(guī)劃以及為何重點發(fā)展衛(wèi)星通信系統(tǒng)等問題。

北極不僅蘊藏著豐富的自然資源，而且潛藏著巨大的經濟和地緣戰(zhàn)略價值，引發(fā)北極國家（擁有北極領土）以及非北極國家競相角逐，爭奪焦點主要是自然資源和北極航道控制權。在北極理事會中，相關國家相互保證，不通過軍事手段來捍衛(wèi)其在北極的利益，但各國對北極的巨大興趣極可能導致緊張關系，而且絕大多數北極國家也堅稱不惜以武力保衛(wèi)其海上領土。相關國家已緊鑼密鼓展開北極戰(zhàn)略規(guī)劃、軍事部署及其支撐技術和裝備的研發(fā)，美國和俄羅斯最為活躍。

由于北極地區(qū)特殊的地理位置及惡劣的氣候條件，在偵察、導航、通信領域，使用天基系統(tǒng)具有得天獨厚的優(yōu)勢，因此相關國家對支持北極戰(zhàn)略的天基信息系統(tǒng)也進行了規(guī)劃。氣象和觀測衛(wèi)星因通常采用傾斜太陽同步軌道，所以能夠很好地覆蓋北極地區(qū)，當然其也會受到北極地區(qū)云層長時間覆蓋和季節(jié)性黑夜的影響；全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)在北極地區(qū)會因衛(wèi)星仰角低和強電離層效應在一定程度上降低定位精度，但是基本可用；通信衛(wèi)星通常運行在地球靜止軌道（GEO），當衛(wèi)星通信終端位于北極地區(qū)時，衛(wèi)星仰角低于10°（10°是收到信號的最低值），因此很難收到信號。然而不管支持作戰(zhàn)部隊在北極的軍事存在，還是情報信息的傳輸，都離不開通信。隨著世界各國在北極軍事、民事活動將逐步增多，對軍事、商業(yè)通信需求也日漸迫切。美國為了協(xié)助美軍的行動，早在2007年就開始了一項研究，以確定北極航天需求，重點研究了北極地區(qū)衛(wèi)星通信需求，并于2012年在北極地區(qū)完成了基于銥星（Iridium）的分布式戰(zhàn)術通信系統(tǒng)（DTCS）通信試驗、2014年在北極圈內完成了移動用戶目標系統(tǒng)（MUOS）衛(wèi)星數據傳輸試驗（MUOS并非為極地通信設計，其理論上覆蓋南北緯65°，但其先進的多波束及控制技術，使其在北極地區(qū)也具備一定的通信能力）。歐洲、俄羅斯也已在評估未來北極地區(qū)通信需求，并積極規(guī)劃能夠覆蓋北極地區(qū)的衛(wèi)星通信系統(tǒng)。

一、美俄之北極戰(zhàn)略

1.美國的北極戰(zhàn)略

美國政府分別在1983年、1994年和2009年出臺了專門針對北極地區(qū)的官方文件《美國北極政策指令》，2013年5月，美國白宮發(fā)布《北極地區(qū)國家戰(zhàn)略》，顯示了北極地區(qū)將受到更多的重視，并逐漸成為美國的戰(zhàn)略優(yōu)先方向之一。美國國防部長稱，為應對北極可能發(fā)生的緊張局勢，美海軍和該地區(qū)作戰(zhàn)能力將重新調整。2015年美國將擔任北極理事會輪值主席，這將賦予美國在北極事務上的領導地位，屆時會由美國主導并制定新的“北極戰(zhàn)略”。

2.俄羅斯的北極戰(zhàn)略俄羅斯于2009年3月公布了《俄聯2020年前北極政策及遠景規(guī)劃》，2013年2月20日，普京總統(tǒng)簽發(fā)了《2020年前俄聯邦北極地區(qū)發(fā)展和國家安全保障戰(zhàn)略》，2014年4月24日又出臺了《俄羅斯2020年前北極地區(qū)社會經濟發(fā)展國家綱要》，很明顯俄已將北極地區(qū)確定為戰(zhàn)略重點，也將其視為21世紀的資源基地。在北極地區(qū)現有的機會預期背景下，俄羅斯追求的重點是加強在該地區(qū)主權存在。俄于2007年8月2日派出深海機器人“和平1號”在北冰洋底插上了一面高1米、能保存100年左右的鈦合金俄羅斯國旗。同年9月20日宣稱，最近的一次深?？疾旖Y果證實，北冰洋海底屬于俄羅斯，北極的120萬平方千米地區(qū)應屬俄所有。同時加緊北極地區(qū)地質勘探與水文測繪，建立完善的安全機制，組建北極部隊，新建的北極司令部于2014年12 月1日開始運轉。

二、美俄北極地區(qū)通信能力現狀

1.美國北極地區(qū)通信能力現狀

美國目前可提供極地通信的主要有過渡極地系統(tǒng)（IPS）、衛(wèi)星數據系統(tǒng)（SDS）第三代的2顆衛(wèi)星（2004年8月31日和2007年12月10日發(fā)射）、銥星系統(tǒng)，見表1。

IPS沒有專用衛(wèi)星，其有效載荷搭載于電子偵察衛(wèi)星喇叭后繼星（Trumpet－F）上。IPS項目是在最初打算將軍事星（Milstar）置于傾斜地球同步軌道上的計劃取消后于1995年建立的，IPS有效載荷采用的是低速率“軍事星”有效載荷。

SDSⅢ首顆衛(wèi)星于1998年1月29日發(fā)射，最近的一顆于2012年6月20日發(fā)射，至今共發(fā)射了7顆。目前還有SDSⅢ-2/3//4/5/6/7在軌工作，但只有SDSⅢ-4/5能夠提供北極通信服務，因為其他顆衛(wèi)星都運行于傾角在2～4°的GEO上。

銥星系統(tǒng)是世界上第一個大型低軌移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)，是第一個真正意義上的全球（包括兩極和各大海域）衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)，可以滿足軍、民用戶在陸地、海上或者空中的通信需求。銥星公司是唯一在北極地區(qū)提供商業(yè)衛(wèi)星通信服務的公司。美國政府和軍方擁有專用、安全保密的銥星網關，是公司非常重要的用戶，美國空軍正在部署280多個氣象數據終端，這些終端未來都將通過銥星把數據傳送到數據處理中心。銥星星座的軍事應用使該公司得以持續(xù)發(fā)展，2007年2月，銥星公司啟動了銥星下一代（Iridium Next）研制計劃，銥星下一代星座還將采用原66顆衛(wèi)星的星座結構，外加6顆軌道備份衛(wèi)星，6顆地面?zhèn)浞菪l(wèi)星，將延續(xù)原有星間鏈路策略，衛(wèi)星設計壽命延長到了15年，首顆衛(wèi)星計劃于2015年發(fā)射，2017年完成部署并進入運行狀態(tài)。

表1　美國目前可提供極地通信的衛(wèi)星系統(tǒng)

2.俄羅斯在北極地區(qū)通信能力現狀

目前俄羅斯能夠覆蓋北極地區(qū)的衛(wèi)星通信系統(tǒng)有:子午線（Meridian）、箭—3（Strela—3）、泉水—3M （Strela）、信使（Gonet），如表2所示。其中Gonet系統(tǒng)是以Strela—3為基礎開發(fā)的，是Strela—3的“軍轉民”版本。Strela—3、Strela—3M、Gonet都是存儲—轉發(fā)式低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)，不能實現實時通信，所以能夠真正意義上在北極地區(qū)為作戰(zhàn)部隊提供通信服務的只有Meridian。

Meridian是俄羅斯軍事衛(wèi)星通信系統(tǒng)，是軍民兩用閃電（Molniya）衛(wèi)星的后繼系統(tǒng)，采用與閃電衛(wèi)星通信系統(tǒng)一樣的大橢圓軌道。Meridian系統(tǒng)專門設計用來保障俄羅斯北部及北極地區(qū)海域船只、飛機與地面的通信，擴大西伯利亞北部及遠東衛(wèi)星通信站網絡，能有效改善相關地區(qū)通信保障能力。其除提供軍事通信服務外，還向民事用戶提供通信、監(jiān)視服務。共發(fā)射了6顆衛(wèi)星，目前只有2010、2011、2012年發(fā)射的3顆衛(wèi)星在軌運行。

表2　俄羅斯能夠覆蓋北極地區(qū)的衛(wèi)星通信系統(tǒng)

三、美俄在北極地區(qū)未來通信能力建設

如果要全天時覆蓋北極地區(qū)，有以下幾種星座方案：①2顆大橢圓閃電軌道衛(wèi)星；②3顆傾角為90°的地球同步軌道衛(wèi)星；③4顆中橢圓軌道或神奇（Magic）軌道衛(wèi)星；④ 3顆傾角為63.4°的凍土帶（Tundra）同步橢圓軌道衛(wèi)星。

圖1　閃電軌道雙星星座

北極專用通信最有效的星座是閃電軌道雙星星座，如圖1所示。然而閃電軌道衛(wèi)星在有效載荷與天線設計、地面站的連接以及用戶終端方面都與地球同步軌道衛(wèi)星不同。終端天線必須不斷調整跟蹤閃電軌道上的衛(wèi)星，而且當衛(wèi)星進入或移出可跟蹤到的范圍時必須要進行切換。同時，因為衛(wèi)星成本太高以至于不可能在每一個軌道面都留有一顆備用衛(wèi)星。因此，閃電星座中一顆衛(wèi)星的失效將導致覆蓋范圍周期性的空缺，這種空缺只能通過發(fā)射一顆替代衛(wèi)星來補救，然而這可能需要好幾個月的時間。與之相反，在地球同步軌道，如果有衛(wèi)星失效，只要機動備用衛(wèi)星取代失效衛(wèi)星即可，而這種機動相對于地面發(fā)射要容易得多。盡管如此，由于北極重要的商業(yè)和軍事價值，美、俄都已開展北極衛(wèi)星通信方案的研究。

1．美國在北極地區(qū)未來通信能力建設

（1）增強型極地系統(tǒng)

增強型極地系統(tǒng)（Enhanced Polar System，EPS）是美國空軍替代現有IPS系統(tǒng)的新一代極軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)，將可連續(xù)覆蓋極地地區(qū)，在北緯65°以上高緯和中緯地區(qū)提供安全性好、抗干擾能力強的戰(zhàn)略、戰(zhàn)術通信服務。EPS還將采用搭載于政府衛(wèi)星的方式，目前，由諾格公司作為主要承包商研發(fā)的2個EPS有效載荷已完成，同樣由其研發(fā)的地面“控制、任務規(guī)劃部分”（Control and Planning Segment，CAPS）完成了初步設計評審（PDR）、關鍵設計評審（CDR）階段的工作，并通過了EPS項目辦公室的審查。

（2）其他方案的考慮

2004年美軍方曾考慮建設專用閃電軌道衛(wèi)星星座與當時計劃的轉型通信衛(wèi)星（TSAT）星座相交鏈，2008年又曾考慮采用小衛(wèi)星星座解決北極地區(qū)的通信問題。美國目前正在考慮的未來北極地區(qū)軍事衛(wèi)星通信解決方案主要有：在其他衛(wèi)星上搭載有效載荷（如IPS和EPS），專用的閃電軌道衛(wèi)星星座，組合的全緯度星座（周期為24小時的傾斜地球同步軌道衛(wèi)星），租賃商業(yè)公司轉發(fā)器（如租用銥星）。

美國航空航天公司已經對專用的閃電衛(wèi)星星座以及衛(wèi)星進行初步設計，預計其能提供高達2Gbit/s的容量，衛(wèi)星、用戶終端、地面站等整個系統(tǒng)的建設成本估計為10億美元。如果提高維護和運營標準，還將需要更多資金支持。

考慮到未來北極冰融速度的不確定性，美國認為目前在北極地區(qū)為軍用寬帶衛(wèi)星通信服務推薦一個專用方案還為時尚早，組合的全緯度星座將可能成為最好的長期解決方案，近期比較合理的解決方案是與美國盟友或商業(yè)運營商合作。

2.俄羅斯在北極地區(qū)未來通信能力建設

2010年，俄羅斯宣布計劃開發(fā)一個稱為北極（Arktika）的閃電軌道衛(wèi)星星座，用于氣象和冰層監(jiān)視、廣播通信、為北極浮標和自動氣象站中繼傳輸數據。Arktika 系列中的Arktika—M衛(wèi)星被設計用于測量極地的風、云層覆蓋、降水量和冰層參數；Arktika—R衛(wèi)星將搭載合成孔徑雷達；Arktika—MS衛(wèi)星將為飛機和輪船提供電話通信、電視信號中繼以及調頻無線電廣播。俄羅斯還宣布了一項基于Express—4000衛(wèi)星平臺的Express—RV “閃電”軌道通信衛(wèi)星計劃，Express—RV專門為俄羅斯北部地區(qū)和北極地帶提供廣播、通信、互聯網絡服務。另外，2013年2月20日由普京總統(tǒng)簽發(fā)的《2020年前俄聯邦北極地區(qū)發(fā)展和國家安全保障戰(zhàn)略》中明確指出“要建立和發(fā)展多功能北極太空系統(tǒng)”、“為發(fā)展北極地區(qū)的信息和通信能力，建立統(tǒng)一的信息空間”、“通過使用GLONASS導航和多功能北極太空系統(tǒng)”，為北極的軍事和經濟活動提供服務。

一些歐洲國家包括北約組織成員國，已經就與俄羅斯合作研發(fā)上述系統(tǒng)表現出興趣。這些系統(tǒng)可能會滿足俄羅斯以及其他國家軍隊和海岸警衛(wèi)隊某些潛在的需求，如搜索、營救以及災害應急響應所需的通信服務。

四．結束語

隨著北極冰層逐漸消失，北極地區(qū)的軍事和海岸警衛(wèi)活動將不斷增多，可以預測北極地區(qū)新的軍事、商業(yè)通信支援需求將不斷增長。當各個國家在北極地區(qū)爭奪影響力和控制權時，這一地區(qū)寬帶通信能力的缺失將嚴重限制其軍事及其他活動。美、俄軍事航天大國在北極地區(qū)的軍事衛(wèi)星通信能力目前還非常有限，但是它們已開展相關研究和論證，積極尋找近期、中期、長期的解決方案。

在北極已進入全球政治的中心、成為包括北極國家（美國、俄羅斯、加拿大等）以及非北極國家（中國、日本和韓國等）的重要能源保障議題之際，我國也積極活躍地參與北極事務，2013年5月，中國、日本和韓國已被接受為北極理事會的永久觀察員，可以出席北極理事會會議，這將十分有助于并推動本國的北極戰(zhàn)略。我國的有識之士已在積極推動我國的北極戰(zhàn)略研究，并積極與北極國家開展多方面的合作，所以，保障北極戰(zhàn)略實施的航天基礎設施建設也應盡快提上議事日程。