美军军事通信卫星现状及未来发展思路分析
2018-03-05王煜
王 煜
(中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北 石家庄 050081)
0 引言
卫星通信,就是地球上的无线电通信站之间利用人造卫星作为中继站进行的通信,由于其通信容量大、通信距离远、覆盖面积大、不受地理条件限制、通信质量高和机动性好等优点,多年来已成为不可或缺的军事通信手段[1]。近些年随着无人机在现代战争中的大量应用,卫星通信需求更进入一个新的高峰。在现代战争中,使用无人机可实现远程操作,让作战人员处于更安全的位置,无论无人机的控制还是侦察监视信息的回传都需要消耗大量通信资源,而这些无人机工作时会远离地面站,因此,只能依赖卫星,而不是视距链路作为主要传输手段[2]。
美国作为卫星通信使用最早、装备最完善也是应用最广泛的国家,它的军事卫星通信发展思路无疑代表着未来军事通信卫星的发展和建设方向。本文介绍了美军卫星通信系统的发展现状,深入分析了美军最近出台的几个未来卫星通信发展计划和项目,并总结归纳了美军未来卫星通信的发展思路,希望能对搭建我国未来军事卫星通信体系有所借鉴。
1 美军卫星通信系统发展现状
美军早已认识到了卫星通信在现代化战争中的重要意义,几十年来一直十分重视军事卫星通信系统的建设和应用。随着21世纪初美军新一代军事通信目标体系的确立,美军更是将卫星通信作为这一体系中的一种不可或缺的传输手段。美军卫星通信的应用模式主要有以下几种:一是在国防干线网(DISN)中作为有线网(主要是光纤网)的辅助、补充和延伸手段;二是作为大型战役战术网干线节点间的主要传输手段以及接入上层网络之用;三是作为陆海空等各种移动平台甚至单兵的一种重要通信手段,供战略、战术及个人通信之用;四是利用大型卫星终端为枢纽,灵活组成VSAT通信网;五是利用商用卫星通信系统满足平、战时军事通信需求[3]。
美军进行卫星通信既使用专门的军用卫星也使用商用卫星。其中,军用卫星通信系统又包括宽带系统、窄带系统和受保护安全抗干扰系统3类。下面从宽带、窄带和受保护3个类别介绍美军新一代专用卫星通信系统。
1.1 宽带卫星通信系统
宽带卫星通信的多信道、保密话音、高数据率通信为执行任务指挥、危机管理、情报数据传输提供支持。宽带卫星通信为政府、战略级、战术等一系列用户提供支持,包括白宫、各军兵种、美国国务院、参联会、所有战斗指挥官、联合特遣部队、多国部队以及其他政府机构。美军宽带卫星通信体系主要为普通用户的话音及数字系统提供距离扩展。宽带卫星通信将交换及网络订阅服务延伸到前沿部署部队,并为补给基地支持、作战信息、国防信息系统网(DISN)服务提供到国防部信息网(DODIN)的回传能力。宽带卫星通信为美军作战提供所需的全球连接能力。宽带系统工作在3~30 GHz的SHF频段,包括S、C、X、Ku以及Ka等频段。
目前美军军用卫星通信的宽带业务主要由DSCS III(国防卫星通信系统)、WGS(宽带全球卫星系统)和全球广播业务(GBS)提供。其中DSCS为美军过去主要使用的宽带卫星通信系统,近些年已逐渐被WGS系统取代,只发挥备份/补充宽带卫星通信的作用。而GBS是一种高度单向广播通信服务,没有独立空间段,使用美军UHF后续星(UFO)和WGS卫星,并用美国及其他国家的Ku及Ka频段卫星也可作为补充。随着美军WGS卫星逐渐部署完成,GBS的空间段会主要转移到WGS卫星上。本文将主要介绍美军的WGS宽带卫星通信系统[4]。
美军宽带全球卫星通信系统(WGS)提供X频段(7 GHz/8 GHz)与Ka频段(20~21 GHz/30~31 GHz)通信能力,与现有DSCS系统和GBS系统终端兼容,但能力更强、容量更大。WGS的带宽容量是单颗DSCS III卫星的10倍。此外WGS还具有支持移动及战术个人通信用的高容量双向Ka频段通信能力。WGS另一优势是可支持X和Ka频段交联,任何DSCS系统X频段终端均可在无需任何升级的情况下实现与Ka频段终端的联通[3]。
WGS的空间段是由10颗卫星组成的星座,每颗卫星有19副天线,形成19个波束覆盖,其中8个可控成形X频段波束和10个指向可控Ka频段波束;第9个X频段波束提供全球覆盖。这些波束为南北纬65°间的美军提供通信服务。
前3颗WGS卫星命名为WGS Block I卫星,可处理35条独立125 MHz信道,3条47 MHz以及1条50 MHz X频段全球覆盖信道。随后的4颗卫星,即WGS-4、WGS-5、WGS-6和WGS-7为Block II星,增加了2条独立于主载荷(信道化机)的400 MHz信道。最后的WGS-8~10命名为WGS Block IIA,进行了信道化机升级,所有通过WGS信道化机升级的信道都从125 MHz提升到了500 MHz,单颗WGS卫星的可用带宽几乎翻倍[4]。
WGS强大的连通性使用户之间可以高效利用卫星带宽进行交流,有效载荷高度灵活的关键是数字信道机,信道机把上向链路的带宽分为1 872个子信道,每个子信道为2.6 MHz,并对子信道进行路由交换。信号频带彼此交叉,上行覆盖与下行覆盖相连。另外,一个覆盖区域内的任何一个上行信号都可以与一个或全部下行覆盖区域内的信号连接。这样,在任何一个覆盖区域内可实现灵活的互联互通性,包括X频段和Ka频段的频带交叉。此外,信道机还可支持多点传送和广播服务[3]。
WGS卫星目前已有9颗发射入轨,最后一颗卫星WGS-10预计于2018年中发射。
1.2 窄带卫星通信系统
窄带卫星通信任务主要为全球战术通信,包括途中紧急通信、战区内通信、情报广播和战斗网无线电的距离扩展等提供支持。窄带卫星通信电台可跨梯队连接战术作战中心,并为远离主力部队的远程监视部队及陆军特战部队提供支持。窄带系统工作于UHF频段,包括军用UHF、商用L及S频段。窄带军用卫星通信工作频段为225 ~400 MHz。UHF频段的用户终端成本低、体积小、重量轻,可使用小型便携天线工作。由于窄带卫星通信在较低的UHF频段收发信息,因此可在移动、不利天气条件、孤立区域、植被茂盛的情况下提供更可靠的通信。窄带卫星通信非常适合快速移动的小型战术终端,例如背负式或手持式设备。
目前美军使用的窄带卫星通信系统主要有UHF后续星(UFO)和移动用户目标系统(MUOS)。UFO系统是支持战术部队的主要军用卫星通信星座。UFO卫星星座可提供全球覆盖,其覆盖区域接近WGS星座。美军目前正在用MUOS替代逐渐老化的UFO系统。MUOS卫星上搭载了2个载荷,即宽带码分多址(WCDMA)载荷(主要)和传统的UHF载荷。MUOS使用与UFO卫星相同的带宽,同时后向兼容标准的5 kHz及25 kHz信道。与此同时,还使用类似蜂窝电话的新UHF波形。5颗MUOS卫星与UFO卫星共享同一个轨道位置,至少能覆盖南北纬65°的广大区域,但其容量及用户接入数几乎是UFO卫星的10倍,传输数据率可达96 kbps,甚至128 kbps。[4]
目前5颗MUOS卫星已全部入轨并提供服务,但现在还只能提供传统的UHF服务,不能提供WCDMA蜂窝服务。
1.3 受保护安全抗干扰卫星通信系统
受保护安全通信对保证各级作战的指挥控制至关重要。受保护卫星通信的众多特征(如使用高定向性点波束、扩频及跳频技术等),可提供抗干扰、抗闪烁、低截获概率和低检测概率等能力,其重点是抗干扰、隐蔽和核生存。在竞争及敌对环境中,宽带系统性能会降级,而受保护的卫星通信则仍可正常工作(数据速率会降低)。这些独特的能力使得受保护卫星通信频段非常适合最关键的战略级部队以及任务指挥系统。
美军的受保护卫星通信系统包括先进极高频(AHHF)与“军事星”(Milstar)。它们用高度安全且抗干扰的通信为战略级、战役级和战术级部队提供支持。它们工作于EHF及SHF频段(上行链路EHF、下行链路SHF),可进行低数据速率(LDR)、中数据速率(MDR)和扩展数据速率(XDR)运行模式通信。由于“军事星”及AEHF卫星设计的固有特性,受保护卫星通信的吞吐量要小于宽带卫星通信。随着AEHF的逐渐部署,军事星将最终为AEHF卫星所取代,下面主要介绍美军的AEHF系统。
AEHF卫星系统是一种多军种联合卫星通信系统,可提供安全、受保护、抗干扰的全球军用卫星通信。AEHF载荷可为用户提供75 bps~8 Mbps的数据速率,该数据速率范围可兼容“军事星”Block II卫星上的低数据速率载荷及中数据速率载荷。
AEHF空间段是由“军事星”和AEHF卫星组成的综合星座,提供与“军事星”相同的调零天线及星间链路能力,但吞吐量更大,单颗AEHF卫星的容量比全部5颗“军事星”卫星的容量都要大。AEHF依然使用1个EHF上行链路和1个SHF下行链路,但指向可控、方向图可控的波束更多,数据速率也更高。AEHF还使用V波段星间链路与AEHF卫星、“军事星”交链,这样可以不使用脆弱的地面站而利用整个星座实现全球通信。。
AEHF可为战略级、战术级用户升级受保护军用卫星通信能力。
AEHF系统非常灵活,足以支持针对各独立作战环境进行通信,且能通过重构满足不断变化的作战要求。可保护关键的话音、数据通信,防止低/中/高数据速率业务被干扰、截获、检测,以及遭到自然和核爆的影响。
AEHF系统能同时覆盖多个战区,这种覆盖能力能够为在地理上集中部署的战术级地面、空中及海上部队提供支持。此外,战区覆盖区域还能进一步细分为高分辨率区域和中分辨率区域[4]。
目前已有3颗AEHF发射入轨运行,AEHF系统已达到了初始运行能力。而原计划于2017年发射的AEHF-4则将发射时间推迟到了2018年,第4颗卫星将使系统达到完全运行能力。之后还规划了另外2颗卫星(AEHF-5和AEH-6)提供重叠全球覆盖和在轨备份,将在AEHF-1和AEHF-2达到使用寿命时取而代之。
2 美军未来通信系统发展计划
未来战争环境将要面临愈加激烈的反卫星威胁和竞争,催生了对现有卫星星座进行更新换代的需求[5]。就在目前新一代军用卫星系统还未完全建设完成之际,美军就已开始谋划未来的卫星通信体系了。近期,美军开展了一系列项目,探讨10年之后的美军卫星通信体系和发展方向。下面简要介绍其中几个重要项目。
2.1 启动宽带卫星通信备选方案分析工作,确立满足美军未来几十年通信需求的宽带卫星通信体系
美军认为,未来美军仍十分依赖卫星通信提供战场任务关键通信,但当前美军宽带卫星通信能力仍无法满足作战需求。据估计,2016~2025年,美军带宽需求至少增加68%,将推动宽带需求从2016年的19 Gbps提升为2025年的32 Gbps。美军在宽带卫星通信能力方面存在巨大缺口[6]。此外,美国防部现有的专用卫星通信能力也很快就要达到其预期服务终点。WGS系统即将完成全面部署,而第一批WGS卫星在未来10年将达到其使用寿命,之后,整个星座将逐渐老化、能力下降,无法满足需求。
美军于2016年12月正式启动了宽带卫星通信备选方案分析(AoA)工作,研究WGS星座建设完成后宽带卫星通信下一步的发展,宽带AoA将帮助美国防部决定WGS-10之后的宽带卫星通信后续方案,即更广泛地使用现有商用技术,并设计和构建一个新的专用卫星星座[2]。为了及时纳入最新技术以及提高系统弹性。截止发稿时为止,美军的宽带AoA工作仍未完成。但从近期美军在这一工作框架下颁发的几个合同来看,未来美军宽带卫星通信的发展方向可一见端倪。
① 纳入商用卫星公司、卫星行业组织和国际合作伙伴。美军已经意识到,介于未来卫星通信发展所需的巨额资金和美军国防预算缩减的现实,其未来军用卫星通信的发展光靠自己必然是独木难支。在宣布宽带AoA工作开启的“宽带通信服务AOA决策备忘录”中就明确指出,AoA工作中一开始就要考虑将商业机构和国际合作伙伴纳入进来。
② 纳入商业卫星技术和基础设施。美军认识到,目前商业卫星通信发展速度要远快于军用技术,于是鉴于未来军事卫星服务弹性抗毁要求、技术的发展方向,美国防信息系统局于2017年4月发布了一份信息征询书,向业界寻求当前及未来实现并管理宽带通信的设备、软件及服务供应方案的信息。此份征询书的真正目的是从技术的角度确认潜在的商用实现技术是否应该被考虑到宽带企业服务架构中来。之后的方案分析工作将对最新商业通信技术及运行概念进行评估,探讨如何利用商业能力如何提供划算的、有保证的、满足未来宽带通信需求的弹性解决方案,并提出了可能纳入的商业地面基础设施技术要求[7]。
③ 授出宽带通信架构研究合同,确立弹性安全的宽带卫星通信运行和服务体系。过去美军更多着眼于各卫星通信系统的建设,将大部分关注点放在了将更强、更有弹性的卫星送入轨道上,而现在美军正向卫星通信整体服务提供者的角色转型,因而美国防部将其注意力转向弹性地面运行系统上。于是美国防部于2017年7月分别向休斯和Kratos公司授予了宽带通信架构研究(WCAS)合同,希望实现一种能够由多家服务提供商提供服务,多个卫星系统互连互通互操作、卫星网络运行多种应用,可实现终端多网漫游,卫星网络运行管理鲁棒、高效、自动化,使用灵活高效的新一代弹性宽带卫星通信地面运行和企业服务体系,实现面向服务的卫星通信资源共管、共享、共用[8-9]。
2.2 开展受保护卫星通信服务(PSCS)体系研究,确立下一代受保护卫星通信架构
受保护卫星通信是美军近年来发展的重要通信能力。目前美军主要由“军事星”(Milstar)和AEHF系统为中纬度地区的战略与战术用户提供受保护卫星通信,在北极地区主要由增强极地系统(EPS)向少量战术用户提供服务[10]。为了实现受保护卫星通信的弹性容量、采购灵活性以及行动灵活性,美军目前正在考虑这一受保护战略战术体系的替代方案,将战略和战术卫星通信任务分解。其中,受保护战术通信将迁移至受保护抗干扰战术卫星通信(PATS)系统,利用受保护战术波形(PTW),通过WGS卫星或商业通信卫星实现受保护战术通信,最后则将通过受保护战术服务(PTS)全处理有效载荷实现PTW通信;在受保护战略通信方面,美军打算建设一个战略扩展数据率(XDR)通信卫星星座和相关任务控制段,其空间段体系结构需要能够同时提供中纬度和极地覆盖[11]。
2.3 开启商业卫星通信探路者计划,探索购买卫星带宽新方式
近年来,美军商业卫星通信服务采办的管理机制和运行体制逐步统一和成熟,商业系统、技术的军事应用越来越广泛。商业卫星通信已经成为美军用通信系统的有力补充,支持军事应用的效果已经日益显露。但商业通信服务采办的问题也逐渐暴露出来,许多商业运营商采用的是基于QoS的管理服务,与美军许多平台不兼容。于是美国空军于2014年出台了商用卫星通信探路者(COMSATCOM Pathfinder)试验计划,重点解决军商用系统不兼容问题,探索利用商业卫星能力的新方式,推动利用相对低成本、能够快速交付的商业通信卫星服务满足军方需求[12]。目前美军共发布了5个商业卫星通信探路者项目,前3个项目正在实施,第1个项目于2014年发布,探索采购已运行商业卫星转发器为美非洲司令部提供卫星通信服务;第2个项目于2016年发布,探索在卫星发射前购买转发器容量,支持情报和监视任务;第3个项目于2017年发布,研究漫游概念,探索设计多modem硬件,可以让飞机等环球飞行时可在多个卫星宽带提供商间无缝切换;第4个和第5个项目同步进行,2018年前不会启动,启动时大部分宽带AoA工作已经完成,2个项目将持续构建“带宽池”概念同时演示验证漫游能力,修改带宽汇聚方法以纳入多个服务提供商,演示验证高容量卫星服务[13]。
3 未来美军卫星通信体系发展思路分析
美军的以上几个卫星通信体系发展计划都还在实施当中,都还未完成,美军未来最终的卫星通信体系不得而知,但从这几个计划不难看出美军未来发展卫星通信的大致思路。
3.1 实现弹性、高可用性是未来卫星通信体系的建设目标
所谓弹性就是信息系统出现故障或遭到攻击时维持或恢复功能的能力。美军认为,未来它要面临的是水平相当的对手,敌方可能拥有反卫星能力和武器,可以采用干扰、欺骗、致眩和网络攻击等方式破坏卫星通信系统的运行[11],因而要在未来战争中发挥卫星通信的作用,提高卫星通信系统弹性无疑是保持系统运行的基本要求。上述的种种美军未来卫星通信发展措施,无不以实现卫星系统弹性、安全和抗毁为基本目标。实现卫星通信全面弹性的措施主要有:一是采用抗干扰、网络防御技术等技术手段以及改善软硬件鲁棒性等提高单系统弹性抗毁能力;二是采用分散配置体系提升系统重构能力,增加敌方对抗难度和成本;三是采用多波段、多模式或智能终端,增加用户使用卫星的选择和灵活性[5];四是发展快速发射等能力迅速替换损失的资产。
3.2 分散(Disaggregation)式体系是实现卫星通信弹性的可靠保证
所谓分散式体系,就是改变过去由能力强大但数量很少的大型卫星集中完成各种卫星通信功能,转而将空间能力分布在大量卫星平台上,采用一种空间分散的物理配置,由数量众多但功能单一的卫星分布式完成任务。这样可大幅增加对手的对抗目标数量,提升对手的对抗成本,增加敌方的对抗难度,使对手很难瞄准,少量卫星被干扰、被攻击不会影响整个系统功能,从而减轻对空间资产广泛攻击的影响[14]。实现体系分散的方法有以下几种:一是增加专用军事通信卫星的数量,将过去功能强大但数量少、价格高昂的大型复杂卫星完成的任务交由功能单一但价格便宜因而数量庞大的卫星合作完成;二是加大商业卫星带宽的使用力度,提高卫星的数量和多样性;三是利用在商业卫星上搭载军用载荷的方式增加太空中军用载荷数量。
3.3 加大商用卫星的使用力度是重要途径
美军使用商业卫星完成军事任务已经有很长的历史了。据统计,美国80%以上的政府和军事卫星通信是通过商用服务完成的[14],而美国政府审计署的一份报告称,2001~2011年美国军方对商业卫星运营商的依赖飙升了8倍[15]。美军未来必然会进一步加大商业卫星的使用,主要原因有:一是虽然多年以来乃至今后数年美军不断卫星系统建设,但美军带宽需求的增长速度却更快,带宽缺口只会越来越大,而近些年商用提供商的容量正经历爆发性增长,未来几年仍将继续,无疑需要利用商业卫星填补缺口;二是商业卫星的发展更为迅速,商业运营商提供新一代系统的时间短、周期快,国防部实现一个新系统可能要花10~15年,而商用卫星运营商只需不到3年,因而商用卫星的技术更新速度更快,技术更为先进;三是商用技术、装备、服务用于国防部体系可实现敏捷性、泛在覆盖、增强运行灵活性以及国防部体系弹性;四是商用服务还可解放有限的军事人员,使之更关注维持美国在太空的优势地位并增强运行弹性和冗余度。
过去,美军使用商用卫星服务的主要方式有4种:① 美军临时购买或租用商业卫星点对点链路或带宽。采用这种方式,商业公司无法事先规划或与之长期合作,因而价格极高,经济上很不划算。② 美军提前购买或租用某一商业公司在某一地区的剩余容量,并纳入到总体带宽当中,从而大幅降低价格。③ 利用商业公司未能准确入轨的卫星提供服务,价格也要低得多[5]。第二种和第三种方式虽然服务价格低,但由于商用卫星服务使用场景与军用环境完全不同,因此不能完全满足军用要求,特别是安全要求。④ 使用搭载有效载荷方式。这种方式是将军用有效载荷作为搭载在商用卫星上的一个模块,它有通信电路,可独立于主航天器工作,但与主航天器共享电源和转发器。这种方式没有建造和发射整个政府专用卫星的费用,可减少实现空间通信能力所需成本和时间。虽然搭载式载荷可提供由军方用户进行了加密的高安全通信,但它们通常不具备抗核攻击加固能力,且某些政府机构仍希望拥有并控制整个卫星平台,因而搭载式有效载荷还未被政府航天规划者广泛接受[15]。
以上几种商业卫星使用方式各有优缺点,正因如此,美军一直致力于探索商业卫星的最佳使用方式,在其宽带卫星通信方案分析工作启动之初就明确要求商业运营公司的参与,试图在未来军用卫星通信架构中能顺利将商用资产整合进来,其商业卫星通信探路者计划更是直接探索商业卫星最佳方式。未来美军对商业卫星的使用必然是借助可以无缝融合商业服务的卫星通信体系以及软件定义波形技术,在商用卫星上运行符合军事需求的波形,如上节所述的受保护战术波形(PTW),实现满足军事需求的商用卫星通信服务。
3.4 建立新一代军事卫星通信“系统之系统”是必然选择
美军当前的卫星通信系统不能满足设想的未来作战环境对通信容量的需求,互操作性也不足。因而,美军提出建设的是一个新一代军事卫星“集成系统”。该“集成系统”是一个可以为各个不同任务区域的广大用户提供宽带、窄带及安全通信能力的多个系统组成的“系统之系统”,发挥卫星通信在未来军事通信中的作用。上节所述的各项计划中,无论是宽带卫星通信方案分析中提出的宽带通信架构研究(WCAS),受保护卫星通信服务(PSCS)项目中提出的PTW波形,还是商用卫星通信探路者计划中的“资源池”概念,都是在向建立卫星通信“系统之系统”方向努力。
4 结束语
经过数十年的努力,美军已经拥有了世界上最完备的宽带、窄带、受保护卫星通信系统,但美国防部依然认为其卫星通信系统难以满足10年后的通信需求,因此启动了一系列计划,论证未来更长时间的卫星通信体系。从美军的种种卫星发展计划可以看出,实现整个卫星通信系统的综合一体化,加大商用卫星和运营商的参与度是其卫星通信的发展趋势,实现系统的弹性抗毁和高可用是最终目标。
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