美軍“移動用戶目標系統”與“特高頻后繼”衛星性能對比分析

張春磊（中國電子科技集團公司第三十六研究所）

美軍“移動用戶目標系統”與“特高頻后繼”衛星性能對比分析

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火箭發射了第3顆“移動用戶目標系統”（MU05）。今年8月，還將發射第4顆“移動用戶目標系統”。在“轉型通信衛星”（TSAT）項目取消后，美軍通信衛星逐步形成了“窄帶、寬帶、受保護”三位一體的體系。其中窄帶通信衛星為“移動用戶目標系統”衛星，其主要用戶是美國海軍，用來替換傳統的“特高頻后繼”（UFO）衛星；寬帶通信衛星為“寬帶全球衛星”（WGS），用來替代“國防衛星通信系統”（DSCS）；受保護通信衛星為“先進極高頻”（AEHF）衛星，用來替換“軍事星”（Milstar）。當然，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星共存期，其中，美國海軍的主要通信衛星即窄帶系統，就是“特高頻后繼”和“移動用戶目標系統”。

“特高頻后繼”衛星

1　“特高頻后繼”衛星概述

特高頻（UHF）衛星一直是軍用衛星通信的主力，是最有效的軍用通信頻段，可穿透叢林覆蓋、嚴酷的天氣環境以及復雜的地形。美國所有的部隊及其部分盟軍都使用海軍的衛星進行窄帶通信。在美軍的衛星通信用戶中，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萬臺，終端類型超過50個，其中有許多都是面向戰場應用的小型、便攜式終端。

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

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

“特高頻后繼”衛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與“軍事星”的互聯互通，可用于全球戰略、戰術通信。衛星采用抗干擾與抗電磁脈沖加固措施，可提供全球范圍內的艦-艦、艦-岸、艦-機話音、數據通信。“特高頻后繼”衛星可實現與“艦隊衛星通信系統”終端的完全兼容。

“特高頻后繼”衛星系統共包括11顆地球靜止軌道衛星，其中8顆正常運行、2顆備份、1顆發射失敗。該系統提供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，但不覆蓋極地區域。最后一顆“特高頻后繼”衛星于2003年底發射升空，且搭載有抗干擾能力非常強大的“軍事星”載荷。

與“艦隊衛星通信系統”相比，“特高頻后繼”衛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“艦隊衛星通信系統”的總帶寬（310kHz）提高了近1倍。

2)除了特高頻轉發器外，還搭載有極高頻轉發器以及全球廣播業務（GBS）轉發器（第8～10顆衛星），進一步提升了衛星的通信帶寬及與“軍事星”的互操作能力。

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

隨著軍事需求的發展，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”衛星系統容量不足的問題日趨明顯，已經在阿富汗戰爭和伊拉克戰爭中充分暴露出來。2010年前后，混合主戰區的通信帶寬需求約為42Mbit/s，同時接入的用戶需求數量超過2300個，甚至還有評估顯示，“特高頻后繼”的用戶數量已超過了額定的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90年代發展起來的“特高頻后繼”衛星系統也逐漸達到了設計壽命。到2009年初，整個“特高頻后繼”衛星系統的工作能力只能達到衛星保持高精度時工作能力的70%，急需更新換代。

“移動用戶目標系統”衛星與地面站的通信示意圖

2　“移動用戶目標系統”概述

后來，美國海軍航天與海上作戰系統司令部開始開發替代“特高頻后繼”衛星的系統—“先進窄帶系統”（ANS）。該系統主要由“移動用戶目標系統”、國防部遠程端口（TelePort，部分遠程端口充當了“移動用戶目標系統”衛星的地面站）和用戶終端3個部分組成。美軍利用特高頻進行衛星戰術移動通信已有30多年的歷史，但是網絡體系和通信波形一直沒有較大變化。而“移動用戶目標系統”的出現，極大地改變了美軍使用特高頻的方式，實現了網絡化戰術移動通信。

“移動用戶目標系統”是“先進窄帶系統”的核心部分，該項目由海軍航天與海上作戰系統司令部下設的通信衛星項目辦公室（PMW146）負責項目采辦。經過多次推遲以后（最初規劃的首顆衛星發射時間是2007年），2012年2月24日首顆“移動用戶目標系統”衛星發射升空，自此美軍窄帶衛星通信系統的轉型也拉開序幕。此后，2013年7月19日移動用戶目標系統-2又成功發射升空。根據美軍規劃，未來的“移動用戶目標系統”星座中最終將包括5顆“移動用戶目標系統”衛星，其中1顆為備份星。

“移動用戶目標系統”技術參數表

“移動用戶目標系統”不單指衛星本身，而是一個由空間衛星、衛星控制系統和網絡控制系統組成的大系統，可為各級指揮機構所有平臺上的移動用戶提供能適應各種環境的實時全球戰術窄帶衛星通信能力，從而實現保密無縫的互操作通信。

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

整個“移動用戶目標系統”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“移動用戶目標系統”衛星的容量更是達到了單顆“特高頻后繼”衛星的近20倍。除新型寬帶碼分多址載荷以外，每顆“移動用戶目標系統”衛星還將攜帶一個與“特高頻后繼”的載荷相似的傳統載荷。這些傳統載荷將繼續支持傳統終端，使原有終端可以平穩地過渡到“移動用戶目標系統”。

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

3　“移動用戶目標系統”與“特高頻后繼”的性能對比分析

從“移動用戶目標系統”與“特高頻后繼”的幾方面性能進行對比分析可以看出，“移動用戶目標系統”衛星的各方面性能均優于“特高頻后繼”衛星。

多址方式對比

“移動用戶目標系統”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，寬帶碼分多址優勢明顯，主要體現在如下3個方面：

（1）安全性大幅提升

寬帶碼分多址本質是一種擴頻通信（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點。而對于軍用衛星而言，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”的傳統波形通常為單獨的專用網絡預留一個轉發器或按需多址時隙，這嚴重限制了可服務的網絡數量。大多數此類網絡都以非常低的占空比運行，浪費了大部分容量。

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

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

（3）數據流程大幅簡化

“特高頻后繼”采用美軍傳統波形，該波形基于傳統波形軍用標準MIL-STD-188-181、MILSTD-188-182、MIL-STD-188-183設計。這種自1992年就引入的傳統波形存在諸多缺點：無法總能滿足用戶的需要，使用復雜，往往要求用戶具備無法實現的鏈路余量。總之，傳統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。

傳輸容量對比

“移動用戶目標系統”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發器數量或可用時隙數量；而“移動用戶目標系統”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“移動用戶目標系統”容量過程中，根據慣例，以“能夠同時支持的2.4kbit/s話音路數”作為通用衡量標準來衡量“移動用戶目標系統”與“特高頻后繼”的傳輸容量。

（1）單顆衛星比較

在一顆衛星覆蓋范圍內，“特高頻后繼”可支持212個話音網絡。這些網絡包括：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。

根據美軍的描述，“移動用戶目標系統”的寬帶碼分多址載荷可同時支持4083路2.4kbit/s話音，其傳統特高頻載荷可支持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“移動用戶目標系統”的單信道容量不高，但因為“移動用戶目標系統”衛星可支持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“移動用戶目標系統”衛星可同時支持的2.4kbit/s話音路數為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，則衛星平臺將會由于功率耗盡而癱瘓。

此外，為了提高戰區容量、提升系統的可用性，“移動用戶目標系統”采用重疊覆蓋的方案，星座覆蓋區域內（南北緯65°之間）超過70%的地區都有兩顆衛星覆蓋。覆蓋區域的重疊一方面提高了關鍵地區的容量，另一方面，當一顆衛星失效或受到嚴重干擾時，保證至少有一顆衛星可提供通信。

（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，總容量為2.469Mbit/s；而整個“移動用戶目標系統”衛星星座能處理16332路2.4kbit/s的寬帶碼分多址信號，以及424路傳統：“特高頻后繼”信號，總容量40.216 Mbit/s，是“特高頻后繼”星座容量的16倍。

“移動用戶目標系統”星座與“特高頻后繼”星座容量比較

Performance Comparison of U.S. MUOS and UFO Satellites