美國成功發(fā)射移動用戶目標(biāo)系統(tǒng)-4

朱貴偉 （北京空間科技信息研究所）

2015年9月2日，美國成功發(fā)射移動用戶目標(biāo)系統(tǒng)-4（MUOS-4）衛(wèi)星，這是美國在2015年發(fā)射的第2顆MUOS衛(wèi)星。目前，這一5星星座已完成4星發(fā)射，構(gòu)成了海軍所謂的“初始星座”，基本實現(xiàn)了全球覆蓋。經(jīng)過數(shù)月在軌測試之后，MUOS-4衛(wèi)星將投入使用。配合地面站的建設(shè)和大系統(tǒng)聯(lián)合測試，整個系統(tǒng)將于2017年實現(xiàn)“全面運行能力”（FOC）。屆時，MUOS衛(wèi)星的數(shù)字化載荷將為戰(zhàn)術(shù)部隊衛(wèi)星通信能力帶來質(zhì)的飛躍。

1 概況

M U O S是美國新一代的窄帶軍事衛(wèi)星通信系統(tǒng)，用于補充并最終接替“特高頻后繼星”（UFO）系統(tǒng)，為全球范圍內(nèi)美軍各軍種用戶提供特高頻（UHF）戰(zhàn)術(shù)衛(wèi)星移動通信服務(wù)。

美軍窄帶軍事衛(wèi)星通信系統(tǒng)是美軍整個軍事衛(wèi)星通信體系的重要組成部分，主要解決低速率戰(zhàn)術(shù)移動通信需求，支持海上艦艇、飛機和導(dǎo)彈等空中平臺以及地面機動部隊的作戰(zhàn)需求。系統(tǒng)采用UHF頻段，可穿透叢林和植被覆蓋、抵抗各類嚴(yán)酷天氣環(huán)境，并且支持小型化全向通信終端，因此易于為戰(zhàn)術(shù)部隊使用，且部署最為廣泛。目前，美軍各軍種已部署50多種型號、超過1.8萬臺UHF終端，窄帶衛(wèi)星用戶占美軍所有衛(wèi)星通信用戶的50%以上。

M U O S系統(tǒng)由海軍空間與海戰(zhàn)司令部（SPAWAR）下設(shè)的通信衛(wèi)星項目辦公室（PMW-146）負(fù)責(zé)采辦。整個項目于20世紀(jì)90年代提出，2002年9月正式啟動，2004年通過系統(tǒng)設(shè)計評審進(jìn)入研制階段。

整個項目的主承包商是洛馬公司，項目團(tuán)隊包括洛馬航天系統(tǒng)公司（主承包商和系統(tǒng)集成商）、洛馬航天系統(tǒng)公司商業(yè)航天分部（負(fù)責(zé)衛(wèi)星研制）、波音公司（負(fù)責(zé)“遺產(chǎn)”載荷的研制）、通用動力公司C4I分部（C4I為指揮、控制、通信、計算機和情報，負(fù)責(zé)地面站與用戶終端波形開發(fā)）、哈里斯公司（負(fù)責(zé)星載大型空間可展開反射器的研制）等。

美國海軍共計規(guī)劃了5顆在軌衛(wèi)星，其中4顆工作星形成全球覆蓋，另有1顆在軌備份星。星座自2012年開始部署，目前已有4顆衛(wèi)星成功發(fā)射，第5顆衛(wèi)星計劃2016年發(fā)射，項目總成本達(dá)到74億美元。

MUOS衛(wèi)星部署情況

MUOS衛(wèi)星沿用了UFO體制的有效載荷，與現(xiàn)役地面終端相兼容。此外，衛(wèi)星還增加了新型體制載荷，即基于地面第三代商業(yè)移動蜂窩網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)寬帶碼分多址（WCDMA）的體制，使單星容量大幅提升。而且系統(tǒng)采用的Rake接收機、Turbo編碼和干擾減緩等技術(shù)，提升了系統(tǒng)內(nèi)在的抗干擾能力。

MUOS系統(tǒng)的出現(xiàn)，改變了美軍UHF頻段窄帶戰(zhàn)術(shù)通信衛(wèi)星系統(tǒng)30多年來的網(wǎng)絡(luò)體系、通信波形和使用方式，提供網(wǎng)絡(luò)化戰(zhàn)術(shù)移動通信能力，更好地支持美軍網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)。

2 體系架構(gòu)與系統(tǒng)構(gòu)成

整體上看，MUOS系統(tǒng)仍采用“天星地網(wǎng)”的體系架構(gòu)，但是整個系統(tǒng)對地面的依賴性更高，信號的處理與交換、通信網(wǎng)絡(luò)資源的控制與管理均在地面進(jìn)行。

在系統(tǒng)構(gòu)成方面，MUOS系統(tǒng)由空間段、地面段和用戶段構(gòu)成。由于MUOS系統(tǒng)與地面網(wǎng)絡(luò)的一體化程度更高，在衛(wèi)星軌位選擇與地面站站址選擇方面需要高度配合。在現(xiàn)有體系中，每顆衛(wèi)星對相鄰2個地面站可見，而每個地面站也對相鄰2顆衛(wèi)星可見。

MUOS系統(tǒng)空間段和地面段的部署情況示意圖

空間段

MUOS系統(tǒng)的空間段包括5顆地球靜止軌道通信衛(wèi)星（4顆工作星，1顆備份星）。4顆MUOS工作星計劃分別部署在太平洋、美國本土、大西洋和印度洋上空，在軌備份星部署在72°（E），用于提高中東和南亞等熱點地區(qū)的通信保障能力。

MUOS衛(wèi)星采用洛馬公司的A2100M平臺，衛(wèi)星凈質(zhì)量約3800kg，發(fā)射質(zhì)量6700kg，設(shè)計壽命10年，功率15.4kW。星體高7.9m、寬4.3m，太陽電池翼翼展28m。

衛(wèi)星共攜帶2種載荷：一是與UFO系統(tǒng)相兼容的“遺產(chǎn)”載荷；二是新型的WCDMA載荷。在轉(zhuǎn)發(fā)器方面，MUOS衛(wèi)星采用透明式轉(zhuǎn)發(fā)器，星上僅進(jìn)行功率放大、頻率變換以及數(shù)字信號與模擬信號轉(zhuǎn)換。

在天線方面，MUOS衛(wèi)星共攜帶4副通信天線：

1）1副大口徑反射面多波束天線，通過饋源陣形成16個點波束，用于WCDMA信號的收發(fā)和UHF傳統(tǒng)信號的接收，采用折疊徑向肋可展開結(jié)構(gòu)，在軌展開后直徑14m；

2）1副UHF傳統(tǒng)天線，用于UHF傳統(tǒng)信號的發(fā)送，采用直桿徑向肋可展開結(jié)構(gòu)，在軌展開后直徑5.4m；

3）另有2副Ka頻段星地饋電鏈路發(fā)射與接收天線。

MUOS衛(wèi)星在軌示意圖

地面段

M U O S系統(tǒng)的地面段包括4個無線接入站（RAF）和2個衛(wèi)星控制站（SCF）。這6個地面站之間用高速光纖相連，其中：4個無線接入站分別部署在美國夏威夷的瓦西阿瓦、美國弗吉尼亞州西北部的諾福克海軍基地、意大利的西西里島和澳大利亞；2個衛(wèi)星控制站分別部署在美國加利福尼亞州的穆古海軍航空站和科羅拉多州的施里佛空軍基地。

無線接入站主要完成無線信號接入管理、信號的路由和交換以及網(wǎng)絡(luò)管理等功能，進(jìn)行通信規(guī)劃、資源分配以及信號接入的優(yōu)先級區(qū)分。此外，無線接入站還負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)測，在整個MUOS網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)基于通信優(yōu)先級進(jìn)行實時通信資源分配和重分配。

衛(wèi)星控制站主要負(fù)責(zé)接收衛(wèi)星狀態(tài)信息（由無線接入站接收測控信號后，經(jīng)光纖傳輸至測控站），利用保密遙測鏈路再經(jīng)由無線接入站向衛(wèi)星發(fā)送指令。飛控人員主要通過衛(wèi)星控制站來配置衛(wèi)星相關(guān)數(shù)據(jù)，以確保衛(wèi)星保持在正確的軌位。

地面段的建設(shè)分3個階段進(jìn)行，在第三階段完成后，將全面具備點對點和群組通信支持能力，可進(jìn)行頻譜適應(yīng)性調(diào)整、地理定位、通信規(guī)劃、密鑰管理、全網(wǎng)絡(luò)和運行管理、擁塞管理，并可接入國防交換網(wǎng)（DSN）和保密IP路由網(wǎng)（SIPRNET）。

MUOS衛(wèi)星地面段部署位置

MUOS終端類型及目標(biāo)速率

用戶段

MUOS系統(tǒng)可支持指揮控制、火力支援、作戰(zhàn)管理、搜索營救、戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈、廣播、巡航導(dǎo)彈/無人機控制數(shù)據(jù)鏈等多種應(yīng)用，因而終端形式和加裝平臺十分多樣。受體制限制，各型終端由軍兵種獨立采辦，典型的終端包括陸軍的AN/PSC-5“噴火”終端、海軍的WSC-3終端、空軍的ARC-210終端等。這些終端均是原有的UHF終端，MUOS系統(tǒng)也可以支持新型的或經(jīng)過軟件升級的終端，即只要是支持MUOS系統(tǒng)WCDMA波形的終端都可以接入衛(wèi)星系統(tǒng)。

目前，美軍正在積極推進(jìn)波形的開發(fā)工作，爭取使更多的終端能夠接入MUOS系統(tǒng)。例如美軍的HMS、AMF、ARC-231等系列終端，在加裝適應(yīng)性設(shè)備之后，均可與MUOS通信。據(jù)美國海軍官方報道，美軍現(xiàn)役無線電終端中，有5.5萬部終端僅需進(jìn)行軟件升級即可接入MUOS系統(tǒng)。

MUOS系統(tǒng)支持陸、海、空各類移動終端，根據(jù)不同的平臺有不同目標(biāo)速率。

3 系統(tǒng)能力與特點

系統(tǒng)容量

與地面移動蜂窩網(wǎng)相似，MUOS系統(tǒng)的最大容量難以量化，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。為與UFO衛(wèi)星系統(tǒng)相比較，一般采用同時接入的用戶數(shù)量來衡量系統(tǒng)的最大容量。

MUOS采用WCDMA體制，1個信道（即1臺轉(zhuǎn)發(fā)器）擁有5MHz帶寬，所以1個波束就可以擁有4個信道。而多點波束使得MUOS衛(wèi)星可實現(xiàn)高度的頻分復(fù)用，每個波束內(nèi)都可充分利用20MHz的帶寬。因此，1顆MUOS衛(wèi)星的WCDMA信道總數(shù)為16×4=64個。

經(jīng)用戶到衛(wèi)星再到地面站的鏈路稱為U2B鏈路（即用戶到基站），而反過來則稱為B2U鏈路（即基站到用戶）。對于U2B鏈路，這64個信道都通過Ka頻段數(shù)字饋電鏈路下傳至無線接入站，衛(wèi)星視場內(nèi)的2個無線接入站各發(fā)送32個信道。對于B2U鏈路，無線接入站則利用Ka頻段模擬饋電鏈路向其視場內(nèi)的2顆衛(wèi)星各上傳32個信道。衛(wèi)星再將接收到的64個信道轉(zhuǎn)接至相應(yīng)的下行波束和信道。在系統(tǒng)負(fù)載的限制下，無線接入站盡可能的在所有可用信道內(nèi)平均分配負(fù)載，從而實現(xiàn)系統(tǒng)容量的最大化。

MUOS全球覆蓋圖（灰色區(qū)域為雙重覆蓋）

在WCDMA體制中，用戶采用擴頻碼進(jìn)行區(qū)分。而MUOS每個波束內(nèi)的每個信道擁有512個碼字，其中有494個碼字可用，理論上可支持近500個用戶。但是由于衛(wèi)星功率有限，且系統(tǒng)存在多用戶干擾，在實際中難以實現(xiàn)這一理論值。

因此，在系統(tǒng)負(fù)載盡可能地平均、而多用戶干擾也在一定程度以下時，系統(tǒng)的容量就達(dá)到了最高值。單顆MUOS衛(wèi)星可支持的2.4kbit/s終端同時接入數(shù)量為4083個，再加上UHF傳統(tǒng)載荷支持的106個，單星最多可支持4189個終端同時接入。因此單星的總?cè)萘烤蜑?189×2.4kbit/s=10.54Mbit/s，遠(yuǎn)超過UFO星座總?cè)萘?.666Mbit/s。

此外，為了提高戰(zhàn)區(qū)容量、提升系統(tǒng)的可用性，MUOS系統(tǒng)采用重疊覆蓋的方案，星座覆蓋區(qū)域內(nèi)[65°（S）～65°（N）]超過70%的地區(qū)都有2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)某一顆衛(wèi)星失效或受到嚴(yán)重干擾時，保證至少有1顆衛(wèi)星可提供通信。

信號流程

MUOS衛(wèi)星的轉(zhuǎn)發(fā)器為彎管轉(zhuǎn)發(fā)器，信號的路由和大部分的鏈路處理放在地面無線接入和交換中心進(jìn)行。因此，不論2個用戶是處在同一顆衛(wèi)星的同一波束內(nèi)，還是處于不同衛(wèi)星的不同波束內(nèi)，都必須經(jīng)過兩跳才能完成通信。

對于U 2 B鏈路，W C D M A信號（300～320 M H z）和U H F傳統(tǒng)信號（292～318 M H z）通過各自的上行鏈路傳送至MUOS衛(wèi)星的多波束網(wǎng)格天線，衛(wèi)星將接收到的所有信號統(tǒng)一轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，通過Ka頻段下行鏈路（20.2～21.2GHz）發(fā)送給覆蓋區(qū)域下的無線接入站，由無線接入站對所有的用戶信號進(jìn)行解調(diào)和譯碼。為了平衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，每顆MUOS衛(wèi)星都將接收到的數(shù)據(jù)平均分配到2個無線接入站。

MUOS的信號流

無線接入站對接收到的信號進(jìn)行處理之后，利用高速光纖傳送至最近的交換站（瓦西阿瓦站和諾?？说孛嬲荆?，交換站根據(jù)信號目的傳送至國防信息系統(tǒng)網(wǎng)或合適的無線接入站。

對于B2U鏈路，首先由無線接入站通過Ka頻段上行鏈路（30.0～30.1GHz）將UHF模擬信號發(fā)送給MUOS衛(wèi)星。衛(wèi)星接收到信號后，首先進(jìn)行放大，并下變頻到UHF頻段，再分別通過多波束天線（360～380MHz）和傳統(tǒng)天線（244～270MHz）發(fā)送給目標(biāo)用戶，最終完成數(shù)據(jù)傳輸。

采用這種網(wǎng)絡(luò)體系，將信號處理和路由功能放在地面來完成，可降低衛(wèi)星的復(fù)雜度；而信號的交換和網(wǎng)絡(luò)的管理都放在美國本土的地面站，在一定程度上保證了網(wǎng)絡(luò)的安全運行。但是，不論地面終端是否處于同一波束內(nèi)，都必須經(jīng)過兩跳通信，使得鏈路時延變長（僅U2B鏈路就有640ms的時延），對信號的傳輸協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)的功率控制帶來一定的難度。

系統(tǒng)特點

（1）采用WCDMA體制，架設(shè)太空基站

MUOS系統(tǒng)的最大特點就是采用了WCDMA體制，這使得MUOS系統(tǒng)在體系和功能設(shè)計上完全有別于傳統(tǒng)的衛(wèi)星。

與地面蜂窩網(wǎng)的體系架構(gòu)相似，MUOS衛(wèi)星扮演著位于3.6×104km高度的巨型信號塔，與地面的無線接入站一起構(gòu)成了地面蜂窩網(wǎng)中的基站和無線網(wǎng)絡(luò)控制模塊，負(fù)責(zé)用戶通信信號的發(fā)射與接收、用戶的接入控制。而地面站的交換中心和網(wǎng)絡(luò)管理中心則相當(dāng)于地面蜂窩網(wǎng)的核心網(wǎng)，負(fù)責(zé)信號的路由交換、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控與管理。

此外，由于采用WCDMA體制，也引入了其他方面的優(yōu)點。首先是采用了直接序列擴頻，具有內(nèi)在的抗干擾特性，用戶信號功率分布在5MHz帶寬內(nèi)，經(jīng)接收處理后，在一定程度上可削弱干擾。其次，采用Rake接收機可獲得多徑分集帶來的好處，使得MUOS在建筑物密集地區(qū)也可使用。第三，引入了地面蜂窩資源管理技術(shù)，可進(jìn)行自適應(yīng)功率控制，即使在惡劣環(huán)境下也可提供通信，而且信道資源利用率更高，僅在需要通話時才分配資源。第四，星地通信為數(shù)字信號，大量處理在地面進(jìn)行，使得MUOS系統(tǒng)可以支持IP應(yīng)用，并且能夠更好地與地面全球信息柵格（GIG）網(wǎng)絡(luò)相連，提供保密話音、數(shù)據(jù)等服務(wù)。

（2）裝載大型空間可展開天線，支持手持終端

MUOS衛(wèi)星相較于UFO衛(wèi)星的另一大飛躍就是可以支持手持移動終端，這主要是通過點波束來實現(xiàn)的。MUOS衛(wèi)星攜帶了1副直徑14m的大型可展開網(wǎng)格天線，通過由61個正交偶極子組成的饋源陣可形成16個點波束，全面覆蓋星下區(qū)域。

利用點波束可以把有限的功率集中在一定范圍內(nèi)，從而提高波束內(nèi)的增益。MUOS衛(wèi)星點波束的增益比UFO衛(wèi)星的全球波束增益要高12～15dB，從而可以有效支持手持終端動中通。

MUOS太空基站模式

現(xiàn)役UFO衛(wèi)星并不支持手持終端，一般僅可支持單兵肩負(fù)式終端，質(zhì)量近10kg，安裝拆卸均需10min時間，且僅能支持2.4kbit/s“靜中通”。而MUOS新型手持終端質(zhì)量僅為1kg左右，支持9.6kbit/s“動中通”，而且由于借鑒了商業(yè)波形，可以支持IP應(yīng)用。因此，MUOS系統(tǒng)全面運行后，可使士兵的手持終端具備類似智能手機的功能與能力。

此外，信號增益的提升再加上MUOS系統(tǒng)功率的調(diào)整能力，使得單鏈路的通信速率有了大幅提升，最高速率可達(dá)384kbit/s。

（3）穿透叢林覆蓋，可覆蓋北極地區(qū)

MUOS衛(wèi)星由于采用UHF頻段，具有傳播損耗低、電磁波繞射能力強、受多普勒頻移影響小等突出優(yōu)點，可滿足各種惡劣環(huán)境下的作戰(zhàn)通信需求。因此，UHF頻段成為戰(zhàn)術(shù)衛(wèi)星通信的首選頻段。此外，UHF頻段應(yīng)用WCDMA體制，也為MUOS系統(tǒng)帶來額外的好處。

2013年底至2014年，美國海軍利用發(fā)射入軌的2顆MUOS衛(wèi)星，先后多次開展了北極區(qū)通信試驗，最遠(yuǎn)地點到達(dá)了89.5°（N），打破了GEO通信衛(wèi)星僅能覆蓋65°（S）～65°（N）之間地區(qū)的傳統(tǒng)認(rèn)知，極大地擴展了GEO通信衛(wèi)星的覆蓋區(qū)域。

2014年3月，MUOS衛(wèi)星首次參與了美國海軍組織的“2014冰原演習(xí)”（ICEX）。此次演習(xí)中,軍方首次在北極地區(qū)能夠通過穩(wěn)定的衛(wèi)星鏈路傳輸大容量的數(shù)據(jù)文件，進(jìn)一步驗證了MUOS衛(wèi)星在北極地區(qū)也是一種可靠的設(shè)施。17-27日期間，MUOS系統(tǒng)向“鸚鵡螺”冰原兵營提供的服務(wù)時間超過8800min。處在該兵營的美國海軍用戶能夠鏈接到保密通信系統(tǒng)，并且發(fā)送數(shù)據(jù)文件。

4 總結(jié)與啟示

大力發(fā)展窄帶移動通信衛(wèi)星系統(tǒng)

窄帶移動通信衛(wèi)星系統(tǒng)具有頻率資源戰(zhàn)略性、作戰(zhàn)應(yīng)用戰(zhàn)術(shù)性和廣泛性等特點，受到了國外普遍的重視，而美國軍方自20世紀(jì)70年代起，就著力發(fā)展軍事窄帶移動通信衛(wèi)星系統(tǒng)，為作戰(zhàn)部隊提供常態(tài)化的任務(wù)保障。

首先，窄帶移動通信衛(wèi)星系統(tǒng)大多采用低頻段，而國際上對該頻段的劃分具有帶寬小、分散不連續(xù)等特點，使得這部分頻率資源特別稀缺。以UHF頻段為例，國際電信聯(lián)盟劃分的主要業(yè)務(wù)使用頻段共計9個不連續(xù)譜段，合計上行11.25MHz、下行3.85MHz帶寬。而美軍MUOS系統(tǒng)所采用的20MHz帶寬則是需要經(jīng)過大量頻率協(xié)調(diào)工作，使其顯得更加珍貴。

其次，窄帶移動通信衛(wèi)星系統(tǒng)的電磁傳播特性和終端尺寸與類型，使其非常適合地面小型部隊大范圍機動通信和應(yīng)急救災(zāi)通信。目前，衛(wèi)星移動通信已經(jīng)成為美國、俄羅斯和歐洲保障大范圍機動部隊、艦船與飛機指揮控制的常規(guī)手段，用于維持關(guān)鍵地區(qū)常態(tài)化覆蓋。此外，UHF頻段軍事衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)還具有穿透叢林植被、云雨和城市地區(qū)的特性，這也使其軍事應(yīng)用的價值更加突出。

天地同步建設(shè)，發(fā)揮系統(tǒng)最大效能

目前，M U O S系統(tǒng)已經(jīng)完成了4顆衛(wèi)星發(fā)射和4個地面站建設(shè)工作，通信波形也已開發(fā)出3.1版本，并且開展了初步的端到端測試工作。根據(jù)計劃，2015年底開展地面站聯(lián)網(wǎng)測試，計劃2016年發(fā)射MUOS-5衛(wèi)星，2017年實現(xiàn)“全面運行能力”。但是，MUOS系統(tǒng)的建設(shè)仍面臨諸多問題。

首先是地面站建設(shè)和聯(lián)網(wǎng)延期問題。MUOS系統(tǒng)在全球布設(shè)的4個地面站中，意大利西西里島的地面站因遭到當(dāng)?shù)鼐用穹磳Χ辉傺悠冢虚g甚至兩度被迫停工。2015年地面站建設(shè)工作完成后，再次遭到當(dāng)?shù)鼐用窨棺h，導(dǎo)致地面站測試時間被迫往后推遲，甚至影響星地大系統(tǒng)聯(lián)試。

其次是波形、終端與地面站的集成問題。雖然目前已有4顆MUOS衛(wèi)星在軌，但是星座中僅有10%的容量處于使用狀態(tài)，即星上的“遺產(chǎn)”載荷。而其余90%的具備先進(jìn)能力的WCDMA載荷則因地面站和終端的原因一直處于空閑狀態(tài)。

因此，在整個通信衛(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)展部署過程中，必須保持衛(wèi)星與終端的同步發(fā)展，才能有效避免在軌衛(wèi)星資源的浪費，實現(xiàn)系統(tǒng)整體效能的最大化。