美军下一代通信卫星体系发展分析

张东晨（兰州空间技术物理研究所）

美军作为全球通信卫星领域在轨规模最大、技术性能最优、实战应用最强的军事力量，数十年来其能力建设思路一直深刻影响着各主要航天国家相应系统的发展。2010年以来，在整个军事航天领域弹性转型的背景下，美军基于面临的作战对抗环境和未来能力需求，开展了通信卫星领域的体系转型论证工作。2017年至今，在前期论证、研究成果的基础上，美国太空与导弹系统中心（SMC）密集发布了多项招标合同，从相关文件分析来看，下一代体系的建设构想已基本明确，面向防护目标的转型思路也逐步清晰。

1 发展背景

美国于20世纪70年代开始注重体系化发展其军用卫星通信能力，主要是从应用类别和需求出发，由陆、海、空三军分别发展了宽带、窄带、防护3种相互独立的专用型军用卫星系统。受当时技术条件限制，卫星的容量、传输速率等性能普遍较低，重点解决能力有无问题，核心是用于战略目的，以保障其全球范围内最关键的军事、政治行动，应对当时的冷战格局。

90年代开始，在海湾战争等历次战事的实践中，卫星通信系统逐步成为连接美军各类作战平台与部队、打通大范围高效指控链条的重要手段，使用程度不断加深，使用容量持续增大，推动其从战略向战术应用快速转移。这一阶段，美军围绕实际作战应用，先后开展了三大系统的升级换代，重点放在提升卫星容量性能。与此同时，大量租用商业卫星，以满足战场通信需求的爆发式增长。

美军现役军用通信卫星体系（截至2018年10月）

测试中的AEHF卫星

近年来，在反卫试验等事件影响下，美军意识到，面对能直接威胁天基系统安全运行的高端对手时，其军事航天能力存在严重的脆弱性问题，如何“确保太空力量能够在对抗、恶化和行动受限（COD）环境下作战、制胜”，是下一步发展的核心。在通信卫星方面，2010年，美军联合需求监管委员会正式提出对2025年及更远未来的军用卫星通信需求，其预计对抗环境（包括物理、电磁等攻击）下的通信容量将在数年内大幅增加，并远远超越规划能力。

在此背景下，美军现阶段卫星通信能力的发展重点，已逐步转向如何提升整个体系的防护性能，来应对愈发严峻的空间安全与对抗形势。但就其现役系统情况而言，几个突出的问题不容忽视。

一是现役军用通信卫星不具备抵御反卫攻击的能力。美军于20世纪末开始现役通信卫星的研发工作，当时对空间安全问题的认识仍深受冷战时期的影响，重点放在极少数卫星面对核环境的防护加固手段方面，未将抵御反卫武器作为规划能力之一来发展。但实际来看，现役军用通信卫星绝大多数为地球静止轨道（GEO）5吨级以上中大型卫星，机动性很差，在无法探知、躲避甚至抵御物理威胁的情况下，很容易被对手锁定和实施攻击，造成严重的后果。

二是其大容量通信多依赖军用宽带与商业卫星系统，但两类系统并未发展电磁干扰对抗的能力。在美军过往的判断中，针对卫星的敌对干扰只存在于极少数作战场景，因此除了防护卫星系统之外，其他系统均未发展相应能力。例如，宽带系统的主力WGS卫星在研制中采用大量的商业技术，未配备应对干扰攻击的防护手段；而号称“占据美国国防部总通信使用容量80%”的商业卫星系统，主要面向非军事用户，决定了商业运营商在最初设计时也不会考虑对抗问题。

三是防护卫星系统虽能应对电磁干扰，但载荷复杂、成本高、容量有限。美军发展的AEHF等防护系列通信卫星，集战术抗干扰与战略抗核爆通信能力于一体，是“迄今为止最先进的军用通信卫星”，能有效应对各类电磁攻击。但战术通信与战略通信任务特点不同，对卫星要求各异，强行将2种载荷捆绑在一型卫星上，导致了载荷复杂化、成本居高不下，AEHF单星造价达22亿美元，但容量却不及WGS卫星的1/10。这也决定了美军无法通过大规模发展这种高成本、任务聚合的卫星来解决能力缺口。

2 论证研究情况

从2011年开始，在军方的牵引下，针对未来军用卫星通信能力的发展问题，美国军政商各界开展了大范围、深层次的论证、研究。值得说明的是，美军的窄带通信卫星系统虽然2017年也有消息称将开展下一代转型论证，但就目前掌握的情况来看，并未有实际的官方论证研究项目公布，也未纳入此次面向防护能力的体系转型研究工作中，因此在本文中不做论述。

1）美国太空与导弹系统中心作为军用通信卫星系统采办的主管单位，组织数十家商业卫星公司对空间、地面、用户以及通信技术等多个不同层面的发展构想开展了论证。

2）美国国防科学委员会（DSB）作为国防部直属机构，成立特别工作组，对战术卫星通信面临的问题开展了综合研究，提出加速抗干扰卫星通信技术的开发和应用等诸多举措。

3）美国战略与预算评估中心（CSBA）作为政府智库，发布研究报告，指出“适应对抗环境是下一代体系结构优先要考虑的问题”，阐明了“分解、分散、分布”的体系设想。

4）国际通信卫星公司（INTELSAT）、卫讯公司（VIASAT）、欧洲卫星公司（SES）、欧洲通信卫星公司（EUTELSAT）等商业通信卫星运营商也积极迎合美军的新诉求，启动多个新系统研究工作，为军方提供更多选择。

目前，综合上述公布的情况判断，美军已基本明确了下一代通信卫星体系转型发展的思路，可以总结为“防护战略与战术载荷分离”、“通过改造升级，使现役非防护卫星系统增加防护功能”，主要包括3个方面的措施。

一是承袭上一代系统的核心技术，发展专用防护战略通信卫星。美军经过评估认为，自冷战以来，用于保障最高领导层在核战争状态下开展有效核指挥控制的防护战略通信需求未发生大的变化，但其“战略保底”作用不能动摇。因此，将基于AEHF卫星核心技术方案，增加对反卫攻击的感知、预警与防御功能，发展独立、专用型的防护战略卫星，来继续保障此类任务的顺利执行。

二是研发抗干扰、大容量通信技术，开发专用防护战术通信卫星。如前所述，现役AEHF系统在战术通信任务方面抗干扰和保密性能优越，但受所采用的通信波形制约，容量十分有限。为此，美军计划研发一种既抗干扰又同时支持高速数传的新的通信波形，专门用于大容量的战术通信。基于此技术，美军将在远期发展全新的、专用型防护战术卫星，实现比AEHF系统更高的通信容量。

三是改造地面系统和用户终端，充分利用现役宽带与商业卫星。在发展新卫星、新技术的同时，美军也将加紧开发配套的地面系统和用户终端，并升级加密手段，使现役不具备防护能力的宽带和商业卫星也能够传输新波形，从而具备一定的抗干扰保密通信能力，在此基础上加速演示验证，以满足现阶段作战急需。

3 具体实施情况

总结来看，美军将以“1+1+3”的模式来实施其体系转型思路，即“1”是指下一代的战略通信卫星研发项目，“1+3”是指下一代战术通信卫星系统的1项波形技术与空间、地面、用户3个段的研发、升级与改造项目，5个项目相互独立但又互为支撑，以提高整个军用通信卫星体系的防护能力为目标，分批、按序实施。目前进展较为顺利，部分项目已进入研制合同招标阶段。

1）战略通信卫星研发项目：即美军于2017年启动的“未来防护战略卫星通信系统”（FPSS）项目，旨在探索AEHF之后，专用型的防护战略通信卫星系统的平滑演进发展方案，目前正处于论证过程中。美军计划于2019年售出合同，2029年一季度具备首颗卫星的发射条件。

2）抗干扰战术通信波形技术研发项目：即美军于2012年启动的“军用卫星通信防护系统经济可承受性设计风险减低”（DFARR）项目，主要目的是开发一种新的抗干扰、大容量通信波形，称之为“防护战术波形”（PTW）。美军组织了16家企业研发和测试PTW，已在WGS－6（2013年）和银河－18（Galaxy－18，2014年）卫星上进行演示验证，该项目于2014年底结束，波形技术已宣告研发成功。

3）抗干扰战术卫星通信用户终端改造项目：即美军于2014年启动的“防护战术服务现场演示”（PTSFD）项目，主要目的是改造用户终端，使之能传输PTW波形，具体涉及终端调制解调器和加密模块的研发，以及现役列装的终端改造升级工作。美军已于2016年5月向三家企业售出合同，开发量产型的PTW调制解调器和加密模块，于2018年开始对美陆海空三军现役的典型终端进行改造升级以及传输测试，将于2020年提供完整的现役终端改造迁移方案。

4）抗干扰战术卫星通信地面段升级项目：即美军于2017年启动的“防护战术企业级服务”（PTES）项目，旨在建立一套支持PTW波形、终端和卫星的地面运行管理系统，具体包括密钥管理系统（KMS）、任务管理系统（MMS）和主站设备（Hub）三大部分。美军计划于2019年发布正式的采购合同，于2023年完成对应1个战区和1颗WGS卫星的地面系统建设，形成初始运行能力；2026年则将建立完整的全球地面系统，可服务最多10颗WGS卫星，形成全运行能力。

5）抗干扰战术通信卫星研发项目：即美军于2017年启动的“专用防护战术卫星/服务”（PTS）项目，旨在论证、研制一型支持PTW波形、具备星上处理能力的专用防护战术通信卫星。美军计划2019年售出研制合同，2023－2025年进行首颗试验卫星的在轨演示验证，2030年建成完整的系统，具备全面的作战支持能力。

4 体系构想分析

美军卫星通信转型论证项目进度安排

根据论证情况来看，无论战略还是战术通信，美军基本都以2030年投入全运行为目标，将打造一个具备完善防护能力的大体系。

防护战略通信

战略通信方面，美军计划发展的专用型防护战略通信卫星系统，将由4颗GEO轨道卫星和2颗大椭圆轨道（HEO）卫星组成，设计寿命14年。在部署初期，将通过星间链路与AEHF系统互联组成混合星座。

（1）在防护性能方面

1）美军计划先发展一种专用于战略通信卫星和导弹预警卫星的高生存能力卫星平台，具备最高级别的防护能力，该平台将采用抗核加固手段，在远距离发生核爆炸情况下能坚持工作，在近距离发生核爆炸情况下能够瞬时关机、屏蔽关键器件，之后可加电重启，快速恢复之前的运行状态；提升轨道机动能力，寿命期内至少能够改变6次轨位，30天内可完成90°的轨位调整，而且能实现机动中仍保持通信；在地面无法控制时，具备一定周期内的自主运行能力。

美军通信卫星体系转型框架

2）在载荷方面，新卫星将配备防护态势感知载荷，可实现对空间目标的抵近感知和预警，增强了追溯和抵御反卫攻击的能力，据悉，这一载荷也将配置在美军未来GEO轨道部署的所有高价值卫星上；沿用AEHF卫星的高数据速率（XDR）通信波形，具备低探测率、低拦截率、抗干扰通信能力；采用符合国家安全局Suite A标准的加密机，具备保密通信能力。此外，预计也将继续采用AEHF卫星的自适应调零天线、窄点波束等其他核心技术。

（2）在通信性能方面

GEO卫星可为65°（S）～65°（N）的用户提供服务，预计单星总容量为正常环境26Mbit/s和核环境0.4Mbit/s，单链路数据传输速率则分别为8.192Mbit/s和 19.2kbit/s；

HEO卫星主要服务65°（N）以上区域的用户，总容量为正常环境1Mbit/s和核环境0.1Mbit/s，单链路速率则为75bit/s。

防护战术通信

战术通信方面，核心在于抗干扰。美军将依赖所开发的PTW波形，配合地面段和用户终端的升级改造，分阶段（具体时间未公布，但顺序已确定）完成防护战术卫星通信能力的建设。

第一阶段：通过改造现役WGS卫星系统的通信终端，建设初步的地面运管系统，在X和Ka频段运行PTW波形，实现未来10余颗WGS卫星的抗干扰通信能力。

第二阶段：将通过改造其他现役商业卫星系统通信终端，拓展地面运管系统，在C、Ku、Ka等多个商业频段运行PTW波形，实现租用的商业卫星系统抗干扰通信能力。

第三阶段：将利用研制的专用型战术通信卫星，配合PTW波形、地面终端与建成完善状态的运管系统，提供更高级别的抗干扰战术通信。

至2030年，美军最终将把3个阶段的资产整合为一体，建成名为“防护抗干扰战术卫星通信系统”（PATS）的大体系，打造具备弹性、灵活性的多层次战术抗干扰卫星通信能力。具体而言：

（1）核心波形技术

WGS在轨飞行示意图

美军历时3年研发的PTW波形，是提升战术卫星通信抗干扰能力的核心所在。PTW主要是通过耦合AEHF系统上采用的军用XDR波形标准与广泛采用的数字视频广播-卫星标准2（DVB-S2）商业通信标准，得到的一种新型通信波形。

它吸纳了XDR波形中的跳频扩频（FHSS）抗干扰技术特点，同时采用DVB-S2商业波形的高频谱利用率设计，取两者的优化折中，可在大幅减轻战术卫星通信的干扰效应的同时，提供较高的通信速率，满足大容量的通信需求。

PTW一大特点是其不依赖于通信卫星体系架构，这就意味着，使用该波形，即使是不具备防护能力的WGS卫星以及普通商业卫星，只要在终端更换调制解调设备（变为PTW调制解调器），并加装加密模块，就能够实现良好的抗干扰水平。

（2）宽带与商业卫星系统

宽带系统方面，美军计划2018－2019年利用WGS卫星和海军NMT、空军GMT和陆军WIN-T终端进行PTW波形传输验证；2023年在单一战区部署基于PTW的WGS服务；2026年将在全球范围内完成WGS系统的抗干扰通信服务部署。

商业系统方面，虽然完全部署和运行PTW的时间尚未公布，但可明确将在WGS系统改造完成、防护战术卫星发射之前，完成相应的地面段和终端升级。而且随着高通量卫星（HTS）的发展，未来，具备灵活载荷能力的商业卫星将提供更优的抗干扰通信服务。

（3）防护战术卫星系统

美军目前论证的有2种实现形式。

一种是独立的卫星星座：预计由4颗GEO卫星[覆盖65°（S）～65°（N）]和3颗HEO轨道卫星（主要覆盖北极地区）组成，平均设计寿命10年，但无星间链路，通过地面关口站实现互联互通。

另一种则通过有效载荷搭载方式或小卫星来实现：其中，有效载荷可搭载在商业卫星、美国的军用/其他政府卫星以及盟国的卫星上，运行轨道包括GEO和HEO轨道。搭载的载荷具体包括5种备选方案，分别实现区域性EHF频段覆盖、区域性Ka频段覆盖、点波束EHF频段覆盖、点波束Ka频段覆盖，以及自跟踪型Ka频段覆盖等。

在防护性能方面，上述卫星均将具备星上信号处理能力，同时采用最新的PTW波形和符合国家安全局Suite B标准的加密机，配合未来升级改造后的地面段与终端，可实现比增加了防护功能的WGS和商业卫星更强的抗干扰保密通信能力。

在通信性能方面，独立星座单星容量均达到1.6Gbit/s，而搭载载荷与小卫星的容量则不低于400Mbit/s。

需要指出的是，目前掌握的上述体系构想，均为综合美军官方招标、论证合同所发布信息所分析得出，但后续仍然有可能发生调整。

5 几点判断

1）美军对未来卫星通信领域对抗态势持续升级的判断，将深刻影响和推动全球军用卫星通信系统、技术的新发展。美军认为，未来战争中，中、俄等高端对手将持续打造“反介入/区域拒止”能力，电磁干扰和反卫攻击将成为必然。其中，前者更趋常态化，将直接威胁其全球作战指控链条的通畅；后者则极具威慑性，严重威胁其战略保底军事能力。在此影响下，美军将通信卫星与预警卫星列为军事航天领域的第一批推动体系转型。从其已开展的工作来看，范围广、力度大，是21世纪以来军用通信卫星领域最重大的发展思路转变，将影响其未来10年甚至数十年的通信卫星装备体系建设。此外，包括英、法等在内的诸多盟国均已明确提出在各自下一代卫星中也增加更强的防护需求。可预见的是，全球军用通信卫星能力发展将进入一个新的阶段，必须引起重视和关注。

2）美军将建立按照防护能力划分层级的新型军用通信卫星体系，高度强调战略保底通信能力，全面提升安全可靠战术通信保障能力。综合公布的论证情况分析，美军将开展至少涉及防护、宽带、商业三大系统的综合改造工程，其通信卫星体系也将从当下解决“有/无防护能力”问题的两层式架构，“防护手段由简单到复杂”、“防护能力由弱至强”的多级别防护架构，从而转变几十年来按照应用类型发展相互独立的军用通信卫星的思路。在美军计划建成的体系中，最顶层是专用的战略通信卫星，属于美战略保底能力组成部分，具备反卫防御、抗核加固等功能；中间层是专用的战术通信卫星/载荷，通过星上处理并配合新建的地面段和用户终端，具备应对敌方强干扰攻击环境下的通信能力；最低层是改造后的宽带和商业系统，具备常规作战环境下规避和抑制普通干扰攻击的能力。

3）美军打造的弹性分散通信卫星体系和多样化的能力部署模式，势必加大未来与之作战对抗的难度。从目前论证方案可知，美军计划发展的是一个多属性共存、多轨道分布、多平台混用的通信卫星体系，建成后将具备很强的弹性能力，可有效摄止、抵抗敌对攻击。一方面，PTW波形的成功研发将有力促进商业通信卫星融入军事作战体系，基于WGS－6和9等卫星经验，积极探索国际合作的模式也成为重要方向。可以预见，其未来在轨卫星属性构成更加复杂，与商业伙伴、军事盟国之间的利益粘度不断加大，敌对干扰攻击的成本将进一步增加；另一方面，GEO轨道不再成为美国军用卫星能力发展的唯一选择，未来将向HEO、低地球轨道（LEO）等多个轨道延伸，卫星部署策略更加分散、服务能力则更立体。此外，除了建设专用的大卫星，有效载荷搭载、小卫星星座等均纳入下一步发展方案，将加大敌方确定攻击目标的难度，也将降低局部目标攻击后对整个体系的损伤效果。

4）美军目前采取的是一种平滑演进式的转型策略，向新体系转型的过渡期也将持续较长时间。综合来看，美军通信卫星体系的转型是一场颠覆性的军事能力改革，现有状态与目标能力之间差距巨大。另一方面，美军开始通信卫星体系转型论证之时，正值奥巴马政府实施“预算紧缩”政策、美国国防预算整体下滑期，2013和2014年，仅空军航天司令部就削减了10亿美元，接近于3颗WGS卫星所需的资金，加之传统的防护通信卫星成本远超其他几大系统。因此，当时空军组织的论证都严格秉承“经济可承受性”原则，一方面探索以最小代价改造现役非防护通信卫星系统，最大化提升其抗干扰能力；另一方面积极考虑有效载荷搭载等低成本部署方案。受此影响，美军采取的是分步走的策略，将WGS、商业卫星的升级改造落实到2025、2030年等节点。因而，截至目前，除了PTW波形技术研发已成功之外，大部分工作仍处于方案研究、风险降低阶段，预计其通信卫星体系的转型是一个中长期的过程。