美軍“移動用戶目標(biāo)系統(tǒng)”與“特高頻后繼”衛(wèi)星性能對比分析

張春磊（中國電子科技集團公司第三十六研究所）

美軍“移動用戶目標(biāo)系統(tǒng)”與“特高頻后繼”衛(wèi)星性能對比分析

張春磊（中國電子科技集團公司第三十六研究所）

2015年1月21日，美國宇宙神-5火箭發(fā)射了第3顆“移動用戶目標(biāo)系統(tǒng)”（MU05）。今年8月，還將發(fā)射第4顆“移動用戶目標(biāo)系統(tǒng)”。在“轉(zhuǎn)型通信衛(wèi)星”（TSAT）項目取消后，美軍通信衛(wèi)星逐步形成了“窄帶、寬帶、受保護”三位一體的體系。其中窄帶通信衛(wèi)星為“移動用戶目標(biāo)系統(tǒng)”衛(wèi)星，其主要用戶是美國海軍，用來替換傳統(tǒng)的“特高頻后繼”（UFO）衛(wèi)星；寬帶通信衛(wèi)星為“寬帶全球衛(wèi)星”（WGS），用來替代“國防衛(wèi)星通信系統(tǒng)”（DSCS）；受保護通信衛(wèi)星為“先進極高頻”（AEHF）衛(wèi)星，用來替換“軍事星”（Milstar）。當(dāng)然，所謂“替換”并非一蹴而就完成的，目前仍處于新舊軍用通信衛(wèi)星共存期，其中，美國海軍的主要通信衛(wèi)星即窄帶系統(tǒng)，就是“特高頻后繼”和“移動用戶目標(biāo)系統(tǒng)”。

“特高頻后繼”衛(wèi)星

1　“特高頻后繼”衛(wèi)星概述

特高頻（UHF）衛(wèi)星一直是軍用衛(wèi)星通信的主力，是最有效的軍用通信頻段，可穿透叢林覆蓋、嚴(yán)酷的天氣環(huán)境以及復(fù)雜的地形。美國所有的部隊及其部分盟軍都使用海軍的衛(wèi)星進行窄帶通信。在美軍的衛(wèi)星通信用戶中，有超過60%的用戶都是使用特高頻進行通信，各軍種部署的特高頻終端超過數(shù)萬臺，終端類型超過50個，其中有許多都是面向戰(zhàn)場應(yīng)用的小型、便攜式終端。

美國海軍的特高頻通信衛(wèi)星系統(tǒng)主要經(jīng)歷了“艦隊衛(wèi)星通信系統(tǒng)”（FLTSATCOM）+“租賃衛(wèi)星”（LEASAT）到”特高頻后繼”再到”移動用戶目標(biāo)系統(tǒng)”這3個階段。1994-2000年，隨著“艦隊衛(wèi)星通信系統(tǒng)”和“租賃衛(wèi)星”陸續(xù)退役，美國海軍航天與海上作戰(zhàn)系統(tǒng)司令部（SPAWAR）于1988年選定休斯公司制造10顆新的“特高頻后繼”衛(wèi)星，以替代“艦隊衛(wèi)星通信系統(tǒng)”和“租賃衛(wèi)星”。

由于當(dāng)時美國海軍擁有1500多個特高頻終端，所以非常依賴特高頻衛(wèi)星通信來為各類艦船提供最重要服務(wù)，這也是美海軍當(dāng)時大力發(fā)展“特高頻后繼”的最主要原因。

“特高頻后繼”衛(wèi)星上搭載有特高頻和極高頻（EHF）的通信載荷，其中極高頻的載荷主要是為了實現(xiàn)與“軍事星”的互聯(lián)互通，可用于全球戰(zhàn)略、戰(zhàn)術(shù)通信。衛(wèi)星采用抗干擾與抗電磁脈沖加固措施，可提供全球范圍內(nèi)的艦-艦、艦-岸、艦-機話音、數(shù)據(jù)通信?！疤馗哳l后繼”衛(wèi)星可實現(xiàn)與“艦隊衛(wèi)星通信系統(tǒng)”終端的完全兼容。

“特高頻后繼”衛(wèi)星系統(tǒng)共包括11顆地球靜止軌道衛(wèi)星，其中8顆正常運行、2顆備份、1顆發(fā)射失敗。該系統(tǒng)提供71°（N）～71°（S）之間的接近全球性的覆蓋范圍，包括美國本土、大西洋、太平洋和印度洋，但不覆蓋極地區(qū)域。最后一顆“特高頻后繼”衛(wèi)星于2003年底發(fā)射升空，且搭載有抗干擾能力非常強大的“軍事星”載荷。

與“艦隊衛(wèi)星通信系統(tǒng)”相比，“特高頻后繼”衛(wèi)星的通信能力有了較大提升：

1 )共有38個信道（37個5～25kHz信道、1個25kHz的艦隊廣播信道），總帶寬555kHz，比“艦隊衛(wèi)星通信系統(tǒng)”的總帶寬（310kHz）提高了近1倍。

2)除了特高頻轉(zhuǎn)發(fā)器外，還搭載有極高頻轉(zhuǎn)發(fā)器以及全球廣播業(yè)務(wù)（GBS）轉(zhuǎn)發(fā)器（第8～10顆衛(wèi)星），進一步提升了衛(wèi)星的通信帶寬及與“軍事星”的互操作能力。

3)在多址方式方面，“特高頻后繼”實現(xiàn)了真正的按需多址/時分多址(DAMA/TDMA)，而“艦隊衛(wèi)星通信系統(tǒng)”主要采用的是基于預(yù)分配的按需多址/時分多址。

隨著軍事需求的發(fā)展，在飛機、艦艇、軍艦、坦克等各軍事平臺上使用的特高頻終端急劇增多，“特高頻后繼”衛(wèi)星系統(tǒng)容量不足的問題日趨明顯，已經(jīng)在阿富汗戰(zhàn)爭和伊拉克戰(zhàn)爭中充分暴露出來。2010年前后，混合主戰(zhàn)區(qū)的通信帶寬需求約為42Mbit/s，同時接入的用戶需求數(shù)量超過2300個，甚至還有評估顯示，“特高頻后繼”的用戶數(shù)量已超過了額定的250%。此外，目前單兵使用的“特高頻后繼”終端還比較龐大，攜帶和使用起來不是十分方便。20世紀(jì)90年代發(fā)展起來的“特高頻后繼”衛(wèi)星系統(tǒng)也逐漸達到了設(shè)計壽命。到2009年初，整個“特高頻后繼”衛(wèi)星系統(tǒng)的工作能力只能達到衛(wèi)星保持高精度時工作能力的70%，急需更新?lián)Q代。

“移動用戶目標(biāo)系統(tǒng)”衛(wèi)星與地面站的通信示意圖

2　“移動用戶目標(biāo)系統(tǒng)”概述

后來，美國海軍航天與海上作戰(zhàn)系統(tǒng)司令部開始開發(fā)替代“特高頻后繼”衛(wèi)星的系統(tǒng)—“先進窄帶系統(tǒng)”（ANS）。該系統(tǒng)主要由“移動用戶目標(biāo)系統(tǒng)”、國防部遠(yuǎn)程端口（TelePort，部分遠(yuǎn)程端口充當(dāng)了“移動用戶目標(biāo)系統(tǒng)”衛(wèi)星的地面站）和用戶終端3個部分組成。美軍利用特高頻進行衛(wèi)星戰(zhàn)術(shù)移動通信已有30多年的歷史，但是網(wǎng)絡(luò)體系和通信波形一直沒有較大變化。而“移動用戶目標(biāo)系統(tǒng)”的出現(xiàn)，極大地改變了美軍使用特高頻的方式，實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化戰(zhàn)術(shù)移動通信。

“移動用戶目標(biāo)系統(tǒng)”是“先進窄帶系統(tǒng)”的核心部分，該項目由海軍航天與海上作戰(zhàn)系統(tǒng)司令部下設(shè)的通信衛(wèi)星項目辦公室（PMW146）負(fù)責(zé)項目采辦。經(jīng)過多次推遲以后（最初規(guī)劃的首顆衛(wèi)星發(fā)射時間是2007年），2012年2月24日首顆“移動用戶目標(biāo)系統(tǒng)”衛(wèi)星發(fā)射升空，自此美軍窄帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的轉(zhuǎn)型也拉開序幕。此后，2013年7月19日移動用戶目標(biāo)系統(tǒng)-2又成功發(fā)射升空。根據(jù)美軍規(guī)劃，未來的“移動用戶目標(biāo)系統(tǒng)”星座中最終將包括5顆“移動用戶目標(biāo)系統(tǒng)”衛(wèi)星，其中1顆為備份星。

“移動用戶目標(biāo)系統(tǒng)”技術(shù)參數(shù)表

“移動用戶目標(biāo)系統(tǒng)”不單指衛(wèi)星本身，而是一個由空間衛(wèi)星、衛(wèi)星控制系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)組成的大系統(tǒng)，可為各級指揮機構(gòu)所有平臺上的移動用戶提供能適應(yīng)各種環(huán)境的實時全球戰(zhàn)術(shù)窄帶衛(wèi)星通信能力，從而實現(xiàn)保密無縫的互操作通信。

“移動用戶目標(biāo)系統(tǒng)”采用第三代商業(yè)移動蜂窩網(wǎng)技術(shù)—寬帶碼分多址（WCDMA）、Rake接收機、Turbo碼、干擾減緩等多項先進技術(shù)，提供能力更強的特高頻軍事衛(wèi)星通信服務(wù)。

整個“移動用戶目標(biāo)系統(tǒng)”星座的容量可達“特高頻后繼”星座總通信容量的10倍以上，而單顆“移動用戶目標(biāo)系統(tǒng)”衛(wèi)星的容量更是達到了單顆“特高頻后繼”衛(wèi)星的近20倍。除新型寬帶碼分多址載荷以外，每顆“移動用戶目標(biāo)系統(tǒng)”衛(wèi)星還將攜帶一個與“特高頻后繼”的載荷相似的傳統(tǒng)載荷。這些傳統(tǒng)載荷將繼續(xù)支持傳統(tǒng)終端，使原有終端可以平穩(wěn)地過渡到“移動用戶目標(biāo)系統(tǒng)”。

“移動用戶目標(biāo)系統(tǒng)”通過綜合采用空分（多波束）、碼分、多載荷（同時搭載傳統(tǒng)特高頻載荷與新型寬帶碼分多址載荷）等方式來提升系統(tǒng)總帶寬并改進與傳統(tǒng)終端的兼容性。

3　“移動用戶目標(biāo)系統(tǒng)”與“特高頻后繼”的性能對比分析

從“移動用戶目標(biāo)系統(tǒng)”與“特高頻后繼”的幾方面性能進行對比分析可以看出，“移動用戶目標(biāo)系統(tǒng)”衛(wèi)星的各方面性能均優(yōu)于“特高頻后繼”衛(wèi)星。

多址方式對比

“移動用戶目標(biāo)系統(tǒng)”采用的是寬帶碼分多址，而“特高頻后繼”采用的是按需多址，二者相比，寬帶碼分多址優(yōu)勢明顯，主要體現(xiàn)在如下3個方面：

（1）安全性大幅提升

寬帶碼分多址本質(zhì)是一種擴頻通信（所謂的“碼”實際上就是擴頻碼），因此與按需多址相比，具備譜利用率高、軟容量、保密性好、易于無縫切換和宏分集等優(yōu)點。而對于軍用衛(wèi)星而言，保密性無疑是最具吸引力之處。

（2）工作效率更高

“特高頻后繼”的傳統(tǒng)波形通常為單獨的專用網(wǎng)絡(luò)預(yù)留一個轉(zhuǎn)發(fā)器或按需多址時隙，這嚴(yán)重限制了可服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)量。大多數(shù)此類網(wǎng)絡(luò)都以非常低的占空比運行，浪費了大部分容量。

而“移動用戶目標(biāo)系統(tǒng)”則可為用戶提供全雙工點對點和半雙工群組通信業(yè)務(wù)，支持話音、數(shù)據(jù)及其混合業(yè)務(wù)。用戶只需撥打群組的電話號碼就可以加入“移動用戶目標(biāo)系統(tǒng)”的群組，而且除非用戶在傳輸數(shù)據(jù)，這些群組不占用系統(tǒng)容量。點對點業(yè)務(wù)非常類似于商用手機，不需要預(yù)先計劃。要建立一個通話，只需撥打一個電話號碼，可以與其他“移動用戶目標(biāo)系統(tǒng)”用戶或國防信息系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)(DISN)建立通話。

“移動用戶目標(biāo)系統(tǒng)”可以規(guī)劃和實現(xiàn)近似“無限”數(shù)量的群組。只有當(dāng)信道上傳輸數(shù)據(jù)的群組數(shù)量達到信道容量極限時，系統(tǒng)才會限制信道接入。每一個群組可與世界任何地方的用戶通信，只需要將群組數(shù)據(jù)發(fā)送到包含群組成員的波束。對于發(fā)言者沖突的問題，也就是一個以上的群組用戶同時傳輸數(shù)據(jù)的情況，在“移動用戶目標(biāo)系統(tǒng)”中這種問題將大大減少，因為“移動用戶目標(biāo)系統(tǒng)”能夠區(qū)分同時進行的發(fā)送嘗試，并且選擇一個來發(fā)送。群組還可以用來提供廣播服務(wù)，在無線電靜默（EMCON，發(fā)射控制）狀態(tài)下，終端可以接收到任意的群組業(yè)務(wù)。

（3）數(shù)據(jù)流程大幅簡化

“特高頻后繼”采用美軍傳統(tǒng)波形，該波形基于傳統(tǒng)波形軍用標(biāo)準(zhǔn)MIL-STD-188-181、MILSTD-188-182、MIL-STD-188-183設(shè)計。這種自1992年就引入的傳統(tǒng)波形存在諸多缺點：無法總能滿足用戶的需要，使用復(fù)雜，往往要求用戶具備無法實現(xiàn)的鏈路余量?？傊?，傳統(tǒng)波形的最大缺點在于沒有足夠容量為大量潛在用戶提供服務(wù)。

傳輸容量對比

“移動用戶目標(biāo)系統(tǒng)”的最大容量難以量化：對于“特高頻后繼”星座的按需多址接入，最大容量的計算就等于轉(zhuǎn)發(fā)器數(shù)量或可用時隙數(shù)量；而“移動用戶目標(biāo)系統(tǒng)”的容量則取決于用戶的傳播條件、無線電功率、終端所處位置及通信的占空比。因此，在比較“特高頻后繼”和“移動用戶目標(biāo)系統(tǒng)”容量過程中，根據(jù)慣例，以“能夠同時支持的2.4kbit/s話音路數(shù)”作為通用衡量標(biāo)準(zhǔn)來衡量“移動用戶目標(biāo)系統(tǒng)”與“特高頻后繼”的傳輸容量。

（1）單顆衛(wèi)星比較

在一顆衛(wèi)星覆蓋范圍內(nèi)，“特高頻后繼”可支持212個話音網(wǎng)絡(luò)。這些網(wǎng)絡(luò)包括：42個5k Hz信道（每個信道可支持1路2.4kbit/s話音）、34 個25kHz信道（每個信道可支持5路2.4kbit/s話音），因此，“特高頻后繼”可同時支持的總帶寬容量為5.88kbit/s。

根據(jù)美軍的描述，“移動用戶目標(biāo)系統(tǒng)”的寬帶碼分多址載荷可同時支持4083路2.4kbit/s話音，其傳統(tǒng)特高頻載荷可支持106路2.4kbit/s話音，因此，總共可同時支持4189路2.4kbit/s話音。這樣，其總帶寬容量為10.05Mbit/s，該容量是“特高頻后繼”容量的近20倍。

盡管“移動用戶目標(biāo)系統(tǒng)”的單信道容量不高，但因為“移動用戶目標(biāo)系統(tǒng)”衛(wèi)星可支持64路寬帶碼分多址載波，每個載波擁有4 9 4個信道化編碼，而每一路2 . 4 k b i t / s話音僅需1個信道化編碼，即“移動用戶目標(biāo)系統(tǒng)”衛(wèi)星可同時支持的2.4kbit/s話音路數(shù)為31616。然而，這只是理論計算值，這種計算假定64個載波的每個信道化編碼可同時使用，但事實并非如此。由于衛(wèi)星平臺功率有限且存在多址干擾，因此，若所有信道化編碼同時使用，則衛(wèi)星平臺將會由于功率耗盡而癱瘓。

此外，為了提高戰(zhàn)區(qū)容量、提升系統(tǒng)的可用性，“移動用戶目標(biāo)系統(tǒng)”采用重疊覆蓋的方案，星座覆蓋區(qū)域內(nèi)（南北緯65°之間）超過70%的地區(qū)都有兩顆衛(wèi)星覆蓋。覆蓋區(qū)域的重疊一方面提高了關(guān)鍵地區(qū)的容量，另一方面，當(dāng)一顆衛(wèi)星失效或受到嚴(yán)重干擾時，保證至少有一顆衛(wèi)星可提供通信。

（2）整個星座比較

從整個星座角度來看：整個“特高頻后繼”星座能處理1 0 2 9路2 . 4 k b i t / s信號，總?cè)萘繛?.469Mbit/s；而整個“移動用戶目標(biāo)系統(tǒng)”衛(wèi)星星座能處理16332路2.4kbit/s的寬帶碼分多址信號，以及424路傳統(tǒng)：“特高頻后繼”信號，總?cè)萘?0.216 Mbit/s，是“特高頻后繼”星座容量的16倍。

“移動用戶目標(biāo)系統(tǒng)”星座與“特高頻后繼”星座容量比較

Performance Comparison of U.S. MUOS and UFO Satellites