国外军事卫星通信发展及新技术综述

朱立东

(电子科技大学 通信抗干扰技术国家级重点实验室，四川 成都611731)



国外军事卫星通信发展及新技术综述

朱立东

(电子科技大学 通信抗干扰技术国家级重点实验室，四川 成都611731)

军事通信是决定战争胜负的重要因素，具有信息优势的一方更容易获得战争的主动权。军事通信包含短波通信、超短波通信、流星余迹通信、卫星通信等方式，其中卫星通信具有覆盖范围广、容量大等优点，能更好地满足战场信息传输需求。以美国、俄罗斯、西欧发达国家为代表的军事强国，拥有先进的军事卫星通信技术，建造了一些典型的军事卫星通信系统，并应用于战场信息传递，为指挥机关的实时决策提供依据。为了在军事对抗中保持优势，这些军事强国又不断发展新技术，在信息对抗中始终处于主导地位。在分析现有军事卫星通信发展动态的基础上，对适用于军事卫星通信的新技术进行了综述。

军事卫星通信；对抗；发展动态；新技术

0　引言

卫星通信较短波、超短波通信具有更大的覆盖范围和通信容量，保证战场信息的实时传递，在战争中发挥了非常重要的作用。随着技术的发展，在军事对抗中需要处理越来越多的信息，要求军用卫星通信具有容量大、信息传输速率高、抗干扰、抗截获的能力，需要发展新技术。

1　国外军事卫星通信发展现状及趋势

在美国主导的海湾战争、科索沃战争、阿富汗战争、伊拉克战争中，卫星通信发挥了极其重要的作用。在军事卫星通信方面，美国处于领先地位，其次是俄罗斯和欧洲发达国家。下面重点分析美国、俄罗斯及欧洲的军事卫星通信发展现状。

1.1美国军事卫星通信

美国的新一代军事卫星通信主要包括窄带、宽带和受保护三类系统[1-2]，负责为美军提供信息传输服务。窄带系统使用UHF频段，为美军提供话音、低速率数据等服务，现阶段美军重点发展的窄带系统是移动用户目标系统(MUOS)。宽带系统使用X和Ka频段，主要解决大容量、高速率数据传输问题，现阶段美军重点发展的宽带系统是宽带全球卫星通信系统(WGS)。受保护系统使用EHF频段，主要解决保密、抗干扰、防探测和防非授权接入等问题，适用于保密通信，现阶段美军重点发展的受保护系统是先进极高频卫星通信系统(AEHF)。

1.1.1美国窄带军事卫星通信系统

美国窄带军事卫星通信系统主要包括特高频后继星系统(UFO)和移动用户目标系统(MUOS)[3]，其中移动用户目标系统(MUOS)取代特高频后继星(UFO)系统，是美军现阶段重点发展的窄带系统。

特高频后继星(UFO)系统发射了11颗卫星，8颗正常运行，2颗作为备份，还有1颗发射失败了。UFO系统提供窄带卫星通信业务，美军超过60%的用户使用UFO终端进行信息传输，终端类型多达50余种。UFO星上搭载有特高频(UFO)和极高频(EHF)的通信载荷，极高频载荷用于实现与“军事星”的互联互通，提供全球战略和战术通信业务。UFO系统采用了抗干扰技术，可以为全球范围内的舰与舰、舰与岸、舰与机之间提供通信业务，并实现与“舰队卫星通信系统”终端的兼容。

“移动用户目标系统(MUOS)”对网络体系结构和波形进行优化设计，实现了网络化战术通信，是窄带军用卫星通信的核心系统。MUOS包含5颗卫星，其中1颗为备份卫星。到2015年9月，MUOS系统发射了4颗卫星。

MUOS系统的性能和功能指标如表1所示。

表1　移动用户目标系统(MUOS)的性能

“移动用户目标系统”与“特高频后继”的性能对比分析如下：MUOS采用WCDMA技术，而UFO采用的是DAMA，WCDMA可以大幅提升安全性及工作效率。“移动用户目标系统”由于采用WCDMA技术，其容量受多址干扰的限制，是软容量。UFO系统的容量决定于转发器数量或可用时隙数量，而MUOS系统的容量则决定于用户的信道条件、发射功率等。MUOS单颗卫星总容量约为UFO单颗卫星容量达到10.05 Mbps，总容量为40.126 Mbps，可同时支持4 189路2.4 kbps话音，而UFO系统总容量为2.469 Mbps。

1.1.2美国宽带军用卫星通信系统

美国宽带军用卫星通信系统[4-5]是美军重点发展的另一个发展方向，由第三代国防卫星通信系统(DSCS III)、先进宽带卫星通信系统(AWS)和宽带全球卫星通信系统(WGS)组成[6-7]。美国国防卫星通信系统(DSCS)的星座在东太平洋、西太平洋、东大西洋、西大西洋、印度洋五个区域提供通信服务。第三代国防卫星通信系统提出了服役期增强计划，DSCS III与DSCS III SLEP的参数如表2所示。

表2　DSCS Ⅲ与DSCS Ⅲ SLEP卫星参数

AWS也称为转型卫星通信系统(TSAT)，原计划是替代DSCS系统和宽带全球卫星通信系统(Wideband Global Satcom，WGS)。但随着WGS的扩展，TSAT在2009年被放弃，其替代者就是WGS和先进极高频军用通信卫星系统(AEHF)。

WGS原名“宽带填隙卫星”(Wideband Gapfiller Satellite)，曾经被视为国防通信卫星(DSCS III)向先进宽带系统过渡的桥梁，2007年1月,美军重新命名为“宽带全球卫星通信系统”(WGS，Wideband Global Satcom)，变成骨干军事卫星通信系统。

从2007年开始，WGS已发射7颗卫星，预计第8、9、10颗卫星分别于2016、2017和2019发射。

WGS占用 X 和 Ka 频段，其中X和 Ka频段的带宽分布为500 MHz和1 GHz，采用数字信道化技术和相控阵天线技术，提供 9个 X 频段波束和10个Ka频段波束，波束较窄，波束宽度1.5°，且可以移动，能够支持无人机数据回传。WGS系统的的第1～3颗卫星利用125 MHz带宽，支持137 Mbps 的无人机数据回传。利用 Ka 频段的反向极化技术，实现传输速率为274 Mbps的无人机数据回传。

1.1.3美国受保护军用卫星通信系统

“先进极高频”(AEHF)卫星也称为第三代军事星[8-9]，用来替换第二代“军事星”(Milstar Ⅱ)，属于受保护通信卫星，其信息传输能力是现役第2代“军事星”的10倍，提供给美军用户的带宽增加了5倍，可处理更多的通信业务并支持战术通信[10]。每颗AEHF卫星价格只有“军事星”的一半，大约5.8亿美元，设计寿命15年。

“先进极高频”(AEHF)卫星发射情况是，2010年8月12日发射了第1颗，2012年5月4日发射了第2颗，2013年9月18日发射了第3颗，预计第4、5、6颗分别于2017、2018和2019年发射。

AEHF卫星提供的通信业务具有抗干扰、抗截获、高安全性等特点，广泛用于战区指挥官的通信和指挥，可以实时传输图像和战场地图。

AEHF系统包括空间段、控制段和用户段。空间段有6颗卫星，其中4颗为GEO卫星。控制段主要对在轨卫星的状态和业务进行监控。用户段包括各种类型的终端，例如机载、舰载、车载和便携终端，并且与MILSTAR相同的终端兼容。地面站天线最大口径为3 m，小型终端的天线只有几厘米。 LTCC技术可减小相控阵天线的尺寸，将有源和无源的射频元件封装在低损耗绝缘材料中。

AEHF系统采用了扩/跳频技术，星上进行处理转发，可以在星上选择路由。AEHF系统设计了星间链路，扩大了覆盖范围，降低了对地面系统的依赖程度。AEHF系统的用户分为不同的优先等级，系统根据优先级提供相应的通信服务。系统采用了相控阵天线、波束成形、毫米波单元和电推进系统等一些新技术。天线选用铟的磷化物材料，降低了噪声系数。

AEHF系统的主要参数如下：

卫星星体：A2100；

星座卫星数：6颗(4颗在同步轨道)；

卫星设计寿命：14年；

工作频段：上行链路和星间链路工作在EHF频段，下行链路工作在SHF频段；

有效载荷：星上信号处理，频段交叉EHF/SHF通信；

星载天线：2副SHF下行链路相控阵天线；2副星间链路天线；2副上行和下行零点控向天线；1副上行EHF相控阵天线；6副上行和下行链路圆盘天线；

每颗卫星的通信容量：430 Mbps；

用户数据速率：战术用户8.2 Mbps，战略用户l9.2 kbps；

星间链路数据速率：60 Mbps。

1.2俄罗斯军用卫星通信

俄罗斯军用卫星通信系统包括静止轨道军事通信卫星、椭圆轨道军事通信卫星和“宇宙”系列军事通信卫星[11]。

1.2.1俄罗斯静止轨道军事通信卫星

俄罗斯静止轨道军事通信卫星包括“虹”系列和“地平线”系列卫星，“虹”系列分为三代，俄罗斯“虹-1M”卫星是第3代军用通信卫星，2007年、2010年、2013年分别发射了1颗该型号卫星，替代第二代“虹-1”卫星。该型号卫星传输能力强，使用L 、C 、X和 Ka 频段通信。在军事应用方面，该卫星主要为俄罗斯政府高层官员提供战略通信，能够在俄军队和上级指挥中心之间建立通信链路，且能够通过部署在战场上的小型移动终端传输信息。“地平线”系列地球同步卫星的轨道位于西经11°和14°，东经40°、53°、80°、90°、96.5°、103°、140°。一个典型的“地平线”通信卫星有效载荷包括6个通用的6/4 GHz的转发器(用于电视机、音响、传真机，其中5个功率为12.5 W，1个功率为60 W)，1个Luch 14/11 GHz转发器(功率为15 W)，1个Volna 1.6/1.5 GHz的转发器(功率为20 W)。Volna转发器和海事卫星Inmarsat兼容，可以为俄罗斯的商船队提供服务。

1.2.2俄罗斯椭圆轨道军事通信卫星

俄罗斯椭圆轨道军用卫星通信系统主要是“闪电”系列卫星，该系列卫星位于大偏心率椭圆卫星轨道上，轨道倾角为63.4°，周期大约为12 h，可以实现对高纬度地区的长时间覆盖。大椭圆轨道军用卫星通信系统包含闪电-1 (Molniya-1)、闪电-2M和闪电-3(Molniya-3)卫星，为俄政府和军事部门提供战略通信支持，用于军事指挥、控制和通信。“闪电”系列卫星有5 颗，包括闪电-1T、闪电-3 及“子午线”三种型号。

闪电-3通信卫星从1974～2003年共发射了55次，卫星代号从Molniya 3-01到Molniya 3-53。早期闪电-3卫星由4颗卫星组成，用于创建苏联北部地区的轨道通信系统，主要用于民用。直到1983年被军方采用，通信有效载荷由3个4～6 GHz转发器组成，输出功率达40～80 W。 2000年以后，闪电-3的星座由分布在8个轨道面的16颗卫星组成，每颗卫星配置3个转发器，可传一路电视信号或200路话音信号，保证空军机动部队和海军舰队的通信服务。

俄罗斯分别于2006年和2009年各发射了一颗“子午线”军事通信卫星，是“闪电”卫星的后继型号，采用大椭圆轨道，保障俄北部海域船只和飞机与陆地之间的通信。

1.2.3俄罗斯“宇宙”系列军事通信卫星

2009年俄罗斯发射了宇宙-2451/2452/2453 3颗“泉”(Rodnik)通信卫星，还发射了一颗宇宙-2454通信导航卫星，据推测是“帆”(Parus)通信导航卫星，为国防部提供服务。

1.3欧洲军用卫星通信

欧洲主要军事通信卫星包括：英国“天网-5”军事通信卫星[12]、北约第四代军事通信卫星、法国和意大利Athena-FIDUS[13]。

1.3.1英国“天网-5”军事卫星

天网-5是英国的先进军事卫星通信系统，由阿斯特留姆公司研制，采用EUROSTAR-3000S卫星平台，设计寿命15年，使用X频段，其容量是同频段在轨通信卫星中最大的。天网-5卫星质量为4 635 kg，体积为4.5×2.9×3.7 m3，太阳能帆板展开后达34 m，整星功率6 kW，载荷功率4.5 kW。星上转发器具有抗干扰和抗毁能力。

天网-5卫星系统提供加密语音和数据通信，实现英国陆海空三军的所有平台及所有人之间的实时通信，该系统还与美国的“国防卫星通信系统”互联互通。

1.3.2北约第四代军事通信卫星

北约第四代军事通信卫星简称NATO IV。NATO IV是一组服务于北约组织和英国国防部的通信卫星系统。NATO IV卫星是参照Skynet-4卫星的技术标准设计的。NATO卫星系统由2颗通信卫星、27个卫星地面终端(SGT)、2个控制中心和在意大利Latina 的NATO学院部分共同构成。海军船只使用NATO卫星并加入NATO扩频网络，NATO SGTs 可以为海军提供通信服务。

NATO IV-A卫星工作在SHF和UHF频段。SHF转发器提供4条信道，UHF转发器提供2条信道。 NATO IV-A 提供点波束和全球波束覆盖，以实现对地面所有信关站和海上船只的全面覆盖。SHF覆盖区包括加拿大东部、大西洋、北非一部分、欧洲和格陵兰的东南部(大约西经80 °到东经60°，北纬75°到南纬25°)。UHF覆盖了美国东部、大西洋、南美洲、非洲和格陵兰的绝大部分(大约西经90°度到东经60°，北纬75°到南纬75°)。

第一颗NATO IV卫星NATO IV-A在1991年发射，第二颗卫星NATO IV-B在1993年发射。NATO IV-A为北约组织成员国和军队之间提供安全的军事和外交通信。这些卫星配置了UHF、X波段和C波段通信设备，似乎不为美国空军控制。NATO IV-A在西经18°，NATO IV-B在东经6°。

1.3.3法国和意大利 Athena-FIDUS

在发展新一代军事通信卫星方面，法国与意大利选择了国际合作的方式，并且开始向 Ka 频段迈进[6]。“雅典娜-费多思”(Athena-FIDUS)，全称为“欧洲联军战场接入——法意军民两用卫星”，是面向网络中心战场而发展的军事通信卫星，支持陆海空各类作战平台和应用。

Athena-FIDUS卫星的整星容量达到 3 Gbps，与美军的WGS系统接近。采用 Spacebus -4000 B2 平台，整星质量 3.4顿，整星功率 4.9 kW，设计寿命 15 年。对于星上有效载荷，法国设计了11路Ka频段转发器，包括1个固定波束和6个可移动波束；意大利设计了11路Ka和EHF频段转发器，包括1 个固定波束和2个可移动波束。

意大利计划建设与美国和北约独立的军用卫星通信系统，并于1996年启动了“锡克拉”计划[13]，该计划全称为“意大利保密通信与告警系统”，采用极高频(EHF)，提供战略和战术通信服务。锡克拉-2卫星采用多波束切换天线、数字信道化处理和多端口放大技术，实现了在空间、频率和功率等资源的灵活配置。

2　国外军事卫星通信新技术

国外军事通信卫星采用新技术，提高通信对抗能力。

(1)军用卫星通信的体系结构设计

对军用卫星通信的体系结构进行优化设计[1,14]，考虑不同的用户需求及层次结构，进行分层设计，使军用卫星通信网络具备网系对抗能力。

(2)数字信道选择技术

使用数字信道选择技术[8]，实现不同频段的相互连接,用户可以高效地利用转发器带宽资源，提高资源利用率。信号可从一个频带切换到另一个频带，可灵活实现任何一个覆盖区域内的互连互通，用户同时使用不同频段，具有更大的灵活性和连通性。支持多点传输和广播业务，为网络控制提供有效的上行链路频谱监控功能。

(3)相控阵天线

相控阵天线[3]具有赋形和改变覆盖区域大小的能力,可以根据用户业务需求及所处位置，提供覆盖区域的波束形成。此外，将波束形成和干扰源的方向估计结合起来，可以有效抑制干扰。

(4)星上载荷可重构技术

采用软件无线电技术，根据应用需求对星上载荷进行重构，提高星上设备的抗毁能力。

(5)先进的抗干扰技术

为了提高军事卫星通信的抗干扰能力，可采用以下先进技术[7,15]：波形设计、上行链路和下行链路均采用跳频、零点控向天线、波束成形、相控阵天线、星上处理技术、星间链路技术及抗干扰通信协议。

(6)多载波跳频技术

军事通信卫星采用跳频技术可以在频率选择性衰落信道传输信息中获得频率分集增益，具有抗干扰、抗截获能力。但是跳频带宽限制了全数字技术的应用，带宽越大，则要求处理器速度越高，而通常FPGA受限于其时钟速度。跳频集越大，则全数字跳频技术实现越困难。对数据进行串行数字处理，将限制宽带数字系统的开发。军用卫星通信采用多载波跳频技术[14]，对跳频信号进行并行处理，有助于解决跳频带宽带来的处理瓶颈问题。

(7) 隐蔽通信技术

军事卫星通信要求具备抗截获能力，在保证己方信息传递的同时，不被敌方截获，需要对波形进行设计，使通信信号淹没在噪声信号中，增加敌方检测信号的难度。

(8) 激光通信链路

激光通信可以提供更大的传输容量，常用于星间链路。激光通信对指向、捕获、跟踪(PAT)有较高的要求，可以提高链路抗干扰能力。

(9) 雷达和通信波形的一体化设计技术

对卫星通信和雷达信号波形进行一体化设计[16]，采用OFDM技术，部分子频段用于发射雷达信号，而另外的子频段用于发射通信信号，根据需求动态调度资源。

(10) 军事卫星通信的军民融合技术

将商用通信技术应用于军事卫星通信[17]，包括先进的商业卫星技术以及地面商用通信系统的先进技术，推动军用卫星通信系统的发展。

3　结束语

现代战争是陆、海、空、天、电的综合对抗，战场空间趋于多维和扩展，信息化战场日益透明，需要一体化联合作战与体系对抗和网络对抗，而这一切都离不开军事卫星通信的支持。军事卫星通信可以实时传递战场信息，并将总部的命令安全准确地下发到各级指挥机关及士兵。我国要在未来的现代化战争中取得胜利，离不开军用卫星通信的支持，因此需要大力发展我国的军事卫星通信系统，并采用先进的通信技术及抗干扰、抗截获技术，在信息对抗中立于不败之地。

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Review on Development and New Technologies of Military Satellite Communications Aboard

ZHU Li-dong

(National Key Laboratory of Science and technology on Communications,UESTC,Chengdu Sichuan 611731,China)

The military communication is one of the most important factors to determine the outcome of war.The side having information superiority is more active in the war.The military communication includes HF communication,VHF communication,meteor trail communication and satellite communication.The satellite communication has such advantages as wide coverage and large capacity,which can meet the requirements of information transmission in the battlefield in a better way.The military powers represented by the United States of America,Russia and West Europe possess advanced technologies of military satellite communication,have built some typical military satellite communication systems,and have applied them to information transmission in the battlefield,which help the operational commanding authority to make real-time decision in military countermeasures.To get the advantages of military countermeasures,these military powers continue developing new techniques,and remain in a dominant position in information countermeasures.On the basis of analyzing the development trend of military satellite communication,this paper introduces briefly some new technologies.

military satellite communication; countermeasure; development; new technology

10.3969/j.issn.1003-3114.2016.05.01

引用格式：朱立东.国外军事卫星通信发展及新技术综述[J].无线电通信技术,2016,42(5):01-05,34.

2016-06-28

国家高技术研究发展计划(863计划)(2012AA01A502)；四川省科技支撑计划项目(2014GZX0004)

朱立东(1968—)，男，毕业于电子科技大学通信与信息系统专业，电子科技大学教授，博士生导师,主要研究方向：卫星通信及通信信号处理，主持完成与卫星通信相关的国家自然科学基金、863计划、国防预研以及与中电集团和航天集团研究院所的横向合作项目20余项，发表论文150余篇，出版著作4本。

TN911.7

A

1003-3114(2016)05-01-5