美俄支持其北极战略之卫星通信资源建设

● 文|装备学院 张文静 方秀花

美俄支持其北极战略之卫星通信资源建设

● 文|装备学院 张文静 方秀花

多年来，随着北极积冰缓慢融化，引发了各国对北极自然资源和航道控制权的激烈争夺。本文简要介绍了北极主要竞争者美俄近几年的北极战略及采取的主要举措，分析了支持各自北极战略的重要基础卫星通信系统能力现状、未来建设思路及规划以及为何重点发展卫星通信系统等问题。

北极不仅蕴藏着丰富的自然资源，而且潜藏着巨大的经济和地缘战略价值，引发北极国家（拥有北极领土）以及非北极国家竞相角逐，争夺焦点主要是自然资源和北极航道控制权。在北极理事会中，相关国家相互保证，不通过军事手段来捍卫其在北极的利益，但各国对北极的巨大兴趣极可能导致紧张关系，而且绝大多数北极国家也坚称不惜以武力保卫其海上领土。相关国家已紧锣密鼓展开北极战略规划、军事部署及其支撑技术和装备的研发，美国和俄罗斯最为活跃。

由于北极地区特殊的地理位置及恶劣的气候条件，在侦察、导航、通信领域，使用天基系统具有得天独厚的优势，因此相关国家对支持北极战略的天基信息系统也进行了规划。气象和观测卫星因通常采用倾斜太阳同步轨道，所以能够很好地覆盖北极地区，当然其也会受到北极地区云层长时间覆盖和季节性黑夜的影响；全球卫星导航系统在北极地区会因卫星仰角低和强电离层效应在一定程度上降低定位精度，但是基本可用；通信卫星通常运行在地球静止轨道（GEO），当卫星通信终端位于北极地区时，卫星仰角低于10°（10°是收到信号的最低值），因此很难收到信号。然而不管支持作战部队在北极的军事存在，还是情报信息的传输，都离不开通信。随着世界各国在北极军事、民事活动将逐步增多，对军事、商业通信需求也日渐迫切。美国为了协助美军的行动，早在2007年就开始了一项研究，以确定北极航天需求，重点研究了北极地区卫星通信需求，并于2012年在北极地区完成了基于铱星（Iridium）的分布式战术通信系统（DTCS）通信试验、2014年在北极圈内完成了移动用户目标系统（MUOS）卫星数据传输试验（MUOS并非为极地通信设计，其理论上覆盖南北纬65°，但其先进的多波束及控制技术，使其在北极地区也具备一定的通信能力）。欧洲、俄罗斯也已在评估未来北极地区通信需求，并积极规划能够覆盖北极地区的卫星通信系统。

一、美俄之北极战略

1.美国的北极战略

美国政府分别在1983年、1994年和2009年出台了专门针对北极地区的官方文件《美国北极政策指令》，2013年5月，美国白宫发布《北极地区国家战略》，显示了北极地区将受到更多的重视，并逐渐成为美国的战略优先方向之一。美国国防部长称，为应对北极可能发生的紧张局势，美海军和该地区作战能力将重新调整。2015年美国将担任北极理事会轮值主席，这将赋予美国在北极事务上的领导地位，届时会由美国主导并制定新的“北极战略”。

2.俄罗斯的北极战略俄罗斯于2009年3月公布了《俄联2020年前北极政策及远景规划》，2013年2月20日，普京总统签发了《2020年前俄联邦北极地区发展和国家安全保障战略》，2014年4月24日又出台了《俄罗斯2020年前北极地区社会经济发展国家纲要》，很明显俄已将北极地区确定为战略重点，也将其视为21世纪的资源基地。在北极地区现有的机会预期背景下，俄罗斯追求的重点是加强在该地区主权存在。俄于2007年8月2日派出深海机器人“和平1号”在北冰洋底插上了一面高1米、能保存100年左右的钛合金俄罗斯国旗。同年9月20日宣称，最近的一次深海考察结果证实，北冰洋海底属于俄罗斯，北极的120万平方千米地区应属俄所有。同时加紧北极地区地质勘探与水文测绘，建立完善的安全机制，组建北极部队，新建的北极司令部于2014年12 月1日开始运转。

二、美俄北极地区通信能力现状

1.美国北极地区通信能力现状

美国目前可提供极地通信的主要有过渡极地系统（IPS）、卫星数据系统（SDS）第三代的2颗卫星（2004年8月31日和2007年12月10日发射）、铱星系统，见表1。

IPS没有专用卫星，其有效载荷搭载于电子侦察卫星喇叭后继星（Trumpet－F）上。IPS项目是在最初打算将军事星（Milstar）置于倾斜地球同步轨道上的计划取消后于1995年建立的，IPS有效载荷采用的是低速率“军事星”有效载荷。

SDSⅢ首颗卫星于1998年1月29日发射，最近的一颗于2012年6月20日发射，至今共发射了7颗。目前还有SDSⅢ-2/3//4/5/6/7在轨工作，但只有SDSⅢ-4/5能够提供北极通信服务，因为其他颗卫星都运行于倾角在2～4°的GEO上。

铱星系统是世界上第一个大型低轨移动卫星通信系统，是第一个真正意义上的全球（包括两极和各大海域）卫星移动通信系统，可以满足军、民用户在陆地、海上或者空中的通信需求。铱星公司是唯一在北极地区提供商业卫星通信服务的公司。美国政府和军方拥有专用、安全保密的铱星网关，是公司非常重要的用户，美国空军正在部署280多个气象数据终端，这些终端未来都将通过铱星把数据传送到数据处理中心。铱星星座的军事应用使该公司得以持续发展，2007年2月，铱星公司启动了铱星下一代（Iridium Next）研制计划，铱星下一代星座还将采用原66颗卫星的星座结构，外加6颗轨道备份卫星，6颗地面备份卫星，将延续原有星间链路策略，卫星设计寿命延长到了15年，首颗卫星计划于2015年发射，2017年完成部署并进入运行状态。

表1　美国目前可提供极地通信的卫星系统

2.俄罗斯在北极地区通信能力现状

目前俄罗斯能够覆盖北极地区的卫星通信系统有:子午线（Meridian）、箭—3（Strela—3）、泉水—3M （Strela）、信使（Gonet），如表2所示。其中Gonet系统是以Strela—3为基础开发的，是Strela—3的“军转民”版本。Strela—3、Strela—3M、Gonet都是存储—转发式低轨卫星通信系统，不能实现实时通信，所以能够真正意义上在北极地区为作战部队提供通信服务的只有Meridian。

Meridian是俄罗斯军事卫星通信系统，是军民两用闪电（Molniya）卫星的后继系统，采用与闪电卫星通信系统一样的大椭圆轨道。Meridian系统专门设计用来保障俄罗斯北部及北极地区海域船只、飞机与地面的通信，扩大西伯利亚北部及远东卫星通信站网络，能有效改善相关地区通信保障能力。其除提供军事通信服务外，还向民事用户提供通信、监视服务。共发射了6颗卫星，目前只有2010、2011、2012年发射的3颗卫星在轨运行。

表2　俄罗斯能够覆盖北极地区的卫星通信系统

三、美俄在北极地区未来通信能力建设

如果要全天时覆盖北极地区，有以下几种星座方案：①2颗大椭圆闪电轨道卫星；②3颗倾角为90°的地球同步轨道卫星；③4颗中椭圆轨道或神奇（Magic）轨道卫星；④ 3颗倾角为63.4°的冻土带（Tundra）同步椭圆轨道卫星。

图1　闪电轨道双星星座

北极专用通信最有效的星座是闪电轨道双星星座，如图1所示。然而闪电轨道卫星在有效载荷与天线设计、地面站的连接以及用户终端方面都与地球同步轨道卫星不同。终端天线必须不断调整跟踪闪电轨道上的卫星，而且当卫星进入或移出可跟踪到的范围时必须要进行切换。同时，因为卫星成本太高以至于不可能在每一个轨道面都留有一颗备用卫星。因此，闪电星座中一颗卫星的失效将导致覆盖范围周期性的空缺，这种空缺只能通过发射一颗替代卫星来补救，然而这可能需要好几个月的时间。与之相反，在地球同步轨道，如果有卫星失效，只要机动备用卫星取代失效卫星即可，而这种机动相对于地面发射要容易得多。尽管如此，由于北极重要的商业和军事价值，美、俄都已开展北极卫星通信方案的研究。

1．美国在北极地区未来通信能力建设

（1）增强型极地系统

增强型极地系统（Enhanced Polar System，EPS）是美国空军替代现有IPS系统的新一代极轨卫星通信系统，将可连续覆盖极地地区，在北纬65°以上高纬和中纬地区提供安全性好、抗干扰能力强的战略、战术通信服务。EPS还将采用搭载于政府卫星的方式，目前，由诺格公司作为主要承包商研发的2个EPS有效载荷已完成，同样由其研发的地面“控制、任务规划部分”（Control and Planning Segment，CAPS）完成了初步设计评审（PDR）、关键设计评审（CDR）阶段的工作，并通过了EPS项目办公室的审查。

（2）其他方案的考虑

2004年美军方曾考虑建设专用闪电轨道卫星星座与当时计划的转型通信卫星（TSAT）星座相交链，2008年又曾考虑采用小卫星星座解决北极地区的通信问题。美国目前正在考虑的未来北极地区军事卫星通信解决方案主要有：在其他卫星上搭载有效载荷（如IPS和EPS），专用的闪电轨道卫星星座，组合的全纬度星座（周期为24小时的倾斜地球同步轨道卫星），租赁商业公司转发器（如租用铱星）。

美国航空航天公司已经对专用的闪电卫星星座以及卫星进行初步设计，预计其能提供高达2Gbit/s的容量，卫星、用户终端、地面站等整个系统的建设成本估计为10亿美元。如果提高维护和运营标准，还将需要更多资金支持。

考虑到未来北极冰融速度的不确定性，美国认为目前在北极地区为军用宽带卫星通信服务推荐一个专用方案还为时尚早，组合的全纬度星座将可能成为最好的长期解决方案，近期比较合理的解决方案是与美国盟友或商业运营商合作。

2.俄罗斯在北极地区未来通信能力建设

2010年，俄罗斯宣布计划开发一个称为北极（Arktika）的闪电轨道卫星星座，用于气象和冰层监视、广播通信、为北极浮标和自动气象站中继传输数据。Arktika 系列中的Arktika—M卫星被设计用于测量极地的风、云层覆盖、降水量和冰层参数；Arktika—R卫星将搭载合成孔径雷达；Arktika—MS卫星将为飞机和轮船提供电话通信、电视信号中继以及调频无线电广播。俄罗斯还宣布了一项基于Express—4000卫星平台的Express—RV “闪电”轨道通信卫星计划，Express—RV专门为俄罗斯北部地区和北极地带提供广播、通信、互联网络服务。另外，2013年2月20日由普京总统签发的《2020年前俄联邦北极地区发展和国家安全保障战略》中明确指出“要建立和发展多功能北极太空系统”、“为发展北极地区的信息和通信能力，建立统一的信息空间”、“通过使用GLONASS导航和多功能北极太空系统”，为北极的军事和经济活动提供服务。

一些欧洲国家包括北约组织成员国，已经就与俄罗斯合作研发上述系统表现出兴趣。这些系统可能会满足俄罗斯以及其他国家军队和海岸警卫队某些潜在的需求，如搜索、营救以及灾害应急响应所需的通信服务。

四．结束语

随着北极冰层逐渐消失，北极地区的军事和海岸警卫活动将不断增多，可以预测北极地区新的军事、商业通信支援需求将不断增长。当各个国家在北极地区争夺影响力和控制权时，这一地区宽带通信能力的缺失将严重限制其军事及其他活动。美、俄军事航天大国在北极地区的军事卫星通信能力目前还非常有限，但是它们已开展相关研究和论证，积极寻找近期、中期、长期的解决方案。

在北极已进入全球政治的中心、成为包括北极国家（美国、俄罗斯、加拿大等）以及非北极国家（中国、日本和韩国等）的重要能源保障议题之际，我国也积极活跃地参与北极事务，2013年5月，中国、日本和韩国已被接受为北极理事会的永久观察员，可以出席北极理事会会议，这将十分有助于并推动本国的北极战略。我国的有识之士已在积极推动我国的北极战略研究，并积极与北极国家开展多方面的合作，所以，保障北极战略实施的航天基础设施建设也应尽快提上议事日程。