國外軍事衛星通信發展及新技術綜述

朱立東

(電子科技大學 通信抗干擾技術國家級重點實驗室，四川 成都611731)

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國外軍事衛星通信發展及新技術綜述

朱立東

(電子科技大學 通信抗干擾技術國家級重點實驗室，四川 成都611731)

軍事通信是決定戰爭勝負的重要因素，具有信息優勢的一方更容易獲得戰爭的主動權。軍事通信包含短波通信、超短波通信、流星余跡通信、衛星通信等方式，其中衛星通信具有覆蓋范圍廣、容量大等優點，能更好地滿足戰場信息傳輸需求。以美國、俄羅斯、西歐發達國家為代表的軍事強國，擁有先進的軍事衛星通信技術，建造了一些典型的軍事衛星通信系統，并應用于戰場信息傳遞，為指揮機關的實時決策提供依據。為了在軍事對抗中保持優勢，這些軍事強國又不斷發展新技術，在信息對抗中始終處于主導地位。在分析現有軍事衛星通信發展動態的基礎上，對適用于軍事衛星通信的新技術進行了綜述。

軍事衛星通信；對抗；發展動態；新技術

0　引言

衛星通信較短波、超短波通信具有更大的覆蓋范圍和通信容量，保證戰場信息的實時傳遞，在戰爭中發揮了非常重要的作用。隨著技術的發展，在軍事對抗中需要處理越來越多的信息，要求軍用衛星通信具有容量大、信息傳輸速率高、抗干擾、抗截獲的能力，需要發展新技術。

1　國外軍事衛星通信發展現狀及趨勢

在美國主導的海灣戰爭、科索沃戰爭、阿富汗戰爭、伊拉克戰爭中，衛星通信發揮了極其重要的作用。在軍事衛星通信方面，美國處于領先地位，其次是俄羅斯和歐洲發達國家。下面重點分析美國、俄羅斯及歐洲的軍事衛星通信發展現狀。

1.1美國軍事衛星通信

美國的新一代軍事衛星通信主要包括窄帶、寬帶和受保護三類系統[1-2]，負責為美軍提供信息傳輸服務。窄帶系統使用UHF頻段，為美軍提供話音、低速率數據等服務，現階段美軍重點發展的窄帶系統是移動用戶目標系統(MUOS)。寬帶系統使用X和Ka頻段，主要解決大容量、高速率數據傳輸問題，現階段美軍重點發展的寬帶系統是寬帶全球衛星通信系統(WGS)。受保護系統使用EHF頻段，主要解決保密、抗干擾、防探測和防非授權接入等問題，適用于保密通信，現階段美軍重點發展的受保護系統是先進極高頻衛星通信系統(AEHF)。

1.1.1美國窄帶軍事衛星通信系統

美國窄帶軍事衛星通信系統主要包括特高頻后繼星系統(UFO)和移動用戶目標系統(MUOS)[3]，其中移動用戶目標系統(MUOS)取代特高頻后繼星(UFO)系統，是美軍現階段重點發展的窄帶系統。

特高頻后繼星(UFO)系統發射了11顆衛星，8顆正常運行，2顆作為備份，還有1顆發射失敗了。UFO系統提供窄帶衛星通信業務，美軍超過60%的用戶使用UFO終端進行信息傳輸，終端類型多達50余種。UFO星上搭載有特高頻(UFO)和極高頻(EHF)的通信載荷，極高頻載荷用于實現與“軍事星”的互聯互通，提供全球戰略和戰術通信業務。UFO系統采用了抗干擾技術，可以為全球范圍內的艦與艦、艦與岸、艦與機之間提供通信業務，并實現與“艦隊衛星通信系統”終端的兼容。

“移動用戶目標系統(MUOS)”對網絡體系結構和波形進行優化設計，實現了網絡化戰術通信，是窄帶軍用衛星通信的核心系統。MUOS包含5顆衛星，其中1顆為備份衛星。到2015年9月，MUOS系統發射了4顆衛星。

MUOS系統的性能和功能指標如表1所示。

表1　移動用戶目標系統(MUOS)的性能

“移動用戶目標系統”與“特高頻后繼”的性能對比分析如下：MUOS采用WCDMA技術，而UFO采用的是DAMA，WCDMA可以大幅提升安全性及工作效率。“移動用戶目標系統”由于采用WCDMA技術，其容量受多址干擾的限制，是軟容量。UFO系統的容量決定于轉發器數量或可用時隙數量，而MUOS系統的容量則決定于用戶的信道條件、發射功率等。MUOS單顆衛星總容量約為UFO單顆衛星容量達到10.05 Mbps，總容量為40.126 Mbps，可同時支持4 189路2.4 kbps話音，而UFO系統總容量為2.469 Mbps。

1.1.2美國寬帶軍用衛星通信系統

美國寬帶軍用衛星通信系統[4-5]是美軍重點發展的另一個發展方向，由第三代國防衛星通信系統(DSCS III)、先進寬帶衛星通信系統(AWS)和寬帶全球衛星通信系統(WGS)組成[6-7]。美國國防衛星通信系統(DSCS)的星座在東太平洋、西太平洋、東大西洋、西大西洋、印度洋五個區域提供通信服務。第三代國防衛星通信系統提出了服役期增強計劃，DSCS III與DSCS III SLEP的參數如表2所示。

表2　DSCS Ⅲ與DSCS Ⅲ SLEP衛星參數

AWS也稱為轉型衛星通信系統(TSAT)，原計劃是替代DSCS系統和寬帶全球衛星通信系統(Wideband Global Satcom，WGS)。但隨著WGS的擴展，TSAT在2009年被放棄，其替代者就是WGS和先進極高頻軍用通信衛星系統(AEHF)。

WGS原名“寬帶填隙衛星”(Wideband Gapfiller Satellite)，曾經被視為國防通信衛星(DSCS III)向先進寬帶系統過渡的橋梁，2007年1月,美軍重新命名為“寬帶全球衛星通信系統”(WGS，Wideband Global Satcom)，變成骨干軍事衛星通信系統。

從2007年開始，WGS已發射7顆衛星，預計第8、9、10顆衛星分別于2016、2017和2019發射。

WGS占用 X 和 Ka 頻段，其中X和 Ka頻段的帶寬分布為500 MHz和1 GHz，采用數字信道化技術和相控陣天線技術，提供 9個 X 頻段波束和10個Ka頻段波束，波束較窄，波束寬度1.5°，且可以移動，能夠支持無人機數據回傳。WGS系統的的第1～3顆衛星利用125 MHz帶寬，支持137 Mbps 的無人機數據回傳。利用 Ka 頻段的反向極化技術，實現傳輸速率為274 Mbps的無人機數據回傳。

1.1.3美國受保護軍用衛星通信系統

“先進極高頻”(AEHF)衛星也稱為第三代軍事星[8-9]，用來替換第二代“軍事星”(Milstar Ⅱ)，屬于受保護通信衛星，其信息傳輸能力是現役第2代“軍事星”的10倍，提供給美軍用戶的帶寬增加了5倍，可處理更多的通信業務并支持戰術通信[10]。每顆AEHF衛星價格只有“軍事星”的一半，大約5.8億美元，設計壽命15年。

“先進極高頻”(AEHF)衛星發射情況是，2010年8月12日發射了第1顆，2012年5月4日發射了第2顆，2013年9月18日發射了第3顆，預計第4、5、6顆分別于2017、2018和2019年發射。

AEHF衛星提供的通信業務具有抗干擾、抗截獲、高安全性等特點，廣泛用于戰區指揮官的通信和指揮，可以實時傳輸圖像和戰場地圖。

AEHF系統包括空間段、控制段和用戶段。空間段有6顆衛星，其中4顆為GEO衛星。控制段主要對在軌衛星的狀態和業務進行監控。用戶段包括各種類型的終端，例如機載、艦載、車載和便攜終端，并且與MILSTAR相同的終端兼容。地面站天線最大口徑為3 m，小型終端的天線只有幾厘米。 LTCC技術可減小相控陣天線的尺寸，將有源和無源的射頻元件封裝在低損耗絕緣材料中。

AEHF系統采用了擴/跳頻技術，星上進行處理轉發，可以在星上選擇路由。AEHF系統設計了星間鏈路，擴大了覆蓋范圍，降低了對地面系統的依賴程度。AEHF系統的用戶分為不同的優先等級，系統根據優先級提供相應的通信服務。系統采用了相控陣天線、波束成形、毫米波單元和電推進系統等一些新技術。天線選用銦的磷化物材料，降低了噪聲系數。

AEHF系統的主要參數如下：

衛星星體：A2100；

星座衛星數：6顆(4顆在同步軌道)；

衛星設計壽命：14年；

工作頻段：上行鏈路和星間鏈路工作在EHF頻段，下行鏈路工作在SHF頻段；

有效載荷：星上信號處理，頻段交叉EHF/SHF通信；

星載天線：2副SHF下行鏈路相控陣天線；2副星間鏈路天線；2副上行和下行零點控向天線；1副上行EHF相控陣天線；6副上行和下行鏈路圓盤天線；

每顆衛星的通信容量：430 Mbps；

用戶數據速率：戰術用戶8.2 Mbps，戰略用戶l9.2 kbps；

星間鏈路數據速率：60 Mbps。

1.2俄羅斯軍用衛星通信

俄羅斯軍用衛星通信系統包括靜止軌道軍事通信衛星、橢圓軌道軍事通信衛星和“宇宙”系列軍事通信衛星[11]。

1.2.1俄羅斯靜止軌道軍事通信衛星

俄羅斯靜止軌道軍事通信衛星包括“虹”系列和“地平線”系列衛星，“虹”系列分為三代，俄羅斯“虹-1M”衛星是第3代軍用通信衛星，2007年、2010年、2013年分別發射了1顆該型號衛星，替代第二代“虹-1”衛星。該型號衛星傳輸能力強，使用L 、C 、X和 Ka 頻段通信。在軍事應用方面，該衛星主要為俄羅斯政府高層官員提供戰略通信，能夠在俄軍隊和上級指揮中心之間建立通信鏈路，且能夠通過部署在戰場上的小型移動終端傳輸信息。“地平線”系列地球同步衛星的軌道位于西經11°和14°，東經40°、53°、80°、90°、96.5°、103°、140°。一個典型的“地平線”通信衛星有效載荷包括6個通用的6/4 GHz的轉發器(用于電視機、音響、傳真機，其中5個功率為12.5 W，1個功率為60 W)，1個Luch 14/11 GHz轉發器(功率為15 W)，1個Volna 1.6/1.5 GHz的轉發器(功率為20 W)。Volna轉發器和海事衛星Inmarsat兼容，可以為俄羅斯的商船隊提供服務。

1.2.2俄羅斯橢圓軌道軍事通信衛星

俄羅斯橢圓軌道軍用衛星通信系統主要是“閃電”系列衛星，該系列衛星位于大偏心率橢圓衛星軌道上，軌道傾角為63.4°，周期大約為12 h，可以實現對高緯度地區的長時間覆蓋。大橢圓軌道軍用衛星通信系統包含閃電-1 (Molniya-1)、閃電-2M和閃電-3(Molniya-3)衛星，為俄政府和軍事部門提供戰略通信支持，用于軍事指揮、控制和通信。“閃電”系列衛星有5 顆，包括閃電-1T、閃電-3 及“子午線”三種型號。

閃電-3通信衛星從1974～2003年共發射了55次，衛星代號從Molniya 3-01到Molniya 3-53。早期閃電-3衛星由4顆衛星組成，用于創建蘇聯北部地區的軌道通信系統，主要用于民用。直到1983年被軍方采用，通信有效載荷由3個4～6 GHz轉發器組成，輸出功率達40～80 W。 2000年以后，閃電-3的星座由分布在8個軌道面的16顆衛星組成，每顆衛星配置3個轉發器，可傳一路電視信號或200路話音信號，保證空軍機動部隊和海軍艦隊的通信服務。

俄羅斯分別于2006年和2009年各發射了一顆“子午線”軍事通信衛星，是“閃電”衛星的后繼型號，采用大橢圓軌道，保障俄北部海域船只和飛機與陸地之間的通信。

1.2.3俄羅斯“宇宙”系列軍事通信衛星

2009年俄羅斯發射了宇宙-2451/2452/2453 3顆“泉”(Rodnik)通信衛星，還發射了一顆宇宙-2454通信導航衛星，據推測是“帆”(Parus)通信導航衛星，為國防部提供服務。

1.3歐洲軍用衛星通信

歐洲主要軍事通信衛星包括：英國“天網-5”軍事通信衛星[12]、北約第四代軍事通信衛星、法國和意大利Athena-FIDUS[13]。

1.3.1英國“天網-5”軍事衛星

天網-5是英國的先進軍事衛星通信系統，由阿斯特留姆公司研制，采用EUROSTAR-3000S衛星平臺，設計壽命15年，使用X頻段，其容量是同頻段在軌通信衛星中最大的。天網-5衛星質量為4 635 kg，體積為4.5×2.9×3.7 m3，太陽能帆板展開后達34 m，整星功率6 kW，載荷功率4.5 kW。星上轉發器具有抗干擾和抗毀能力。

天網-5衛星系統提供加密語音和數據通信，實現英國陸海空三軍的所有平臺及所有人之間的實時通信，該系統還與美國的“國防衛星通信系統”互聯互通。

1.3.2北約第四代軍事通信衛星

北約第四代軍事通信衛星簡稱NATO IV。NATO IV是一組服務于北約組織和英國國防部的通信衛星系統。NATO IV衛星是參照Skynet-4衛星的技術標準設計的。NATO衛星系統由2顆通信衛星、27個衛星地面終端(SGT)、2個控制中心和在意大利Latina 的NATO學院部分共同構成。海軍船只使用NATO衛星并加入NATO擴頻網絡，NATO SGTs 可以為海軍提供通信服務。

NATO IV-A衛星工作在SHF和UHF頻段。SHF轉發器提供4條信道，UHF轉發器提供2條信道。 NATO IV-A 提供點波束和全球波束覆蓋，以實現對地面所有信關站和海上船只的全面覆蓋。SHF覆蓋區包括加拿大東部、大西洋、北非一部分、歐洲和格陵蘭的東南部(大約西經80 °到東經60°，北緯75°到南緯25°)。UHF覆蓋了美國東部、大西洋、南美洲、非洲和格陵蘭的絕大部分(大約西經90°度到東經60°，北緯75°到南緯75°)。

第一顆NATO IV衛星NATO IV-A在1991年發射，第二顆衛星NATO IV-B在1993年發射。NATO IV-A為北約組織成員國和軍隊之間提供安全的軍事和外交通信。這些衛星配置了UHF、X波段和C波段通信設備，似乎不為美國空軍控制。NATO IV-A在西經18°，NATO IV-B在東經6°。

1.3.3法國和意大利 Athena-FIDUS

在發展新一代軍事通信衛星方面，法國與意大利選擇了國際合作的方式，并且開始向 Ka 頻段邁進[6]。“雅典娜-費多思”(Athena-FIDUS)，全稱為“歐洲聯軍戰場接入——法意軍民兩用衛星”，是面向網絡中心戰場而發展的軍事通信衛星，支持陸海空各類作戰平臺和應用。

Athena-FIDUS衛星的整星容量達到 3 Gbps，與美軍的WGS系統接近。采用 Spacebus -4000 B2 平臺，整星質量 3.4頓，整星功率 4.9 kW，設計壽命 15 年。對于星上有效載荷，法國設計了11路Ka頻段轉發器，包括1個固定波束和6個可移動波束；意大利設計了11路Ka和EHF頻段轉發器，包括1 個固定波束和2個可移動波束。

意大利計劃建設與美國和北約獨立的軍用衛星通信系統，并于1996年啟動了“錫克拉”計劃[13]，該計劃全稱為“意大利保密通信與告警系統”，采用極高頻(EHF)，提供戰略和戰術通信服務。錫克拉-2衛星采用多波束切換天線、數字信道化處理和多端口放大技術，實現了在空間、頻率和功率等資源的靈活配置。

2　國外軍事衛星通信新技術

國外軍事通信衛星采用新技術，提高通信對抗能力。

(1)軍用衛星通信的體系結構設計

對軍用衛星通信的體系結構進行優化設計[1,14]，考慮不同的用戶需求及層次結構，進行分層設計，使軍用衛星通信網絡具備網系對抗能力。

(2)數字信道選擇技術

使用數字信道選擇技術[8]，實現不同頻段的相互連接,用戶可以高效地利用轉發器帶寬資源，提高資源利用率。信號可從一個頻帶切換到另一個頻帶，可靈活實現任何一個覆蓋區域內的互連互通，用戶同時使用不同頻段，具有更大的靈活性和連通性。支持多點傳輸和廣播業務，為網絡控制提供有效的上行鏈路頻譜監控功能。

(3)相控陣天線

相控陣天線[3]具有賦形和改變覆蓋區域大小的能力,可以根據用戶業務需求及所處位置，提供覆蓋區域的波束形成。此外，將波束形成和干擾源的方向估計結合起來，可以有效抑制干擾。

(4)星上載荷可重構技術

采用軟件無線電技術，根據應用需求對星上載荷進行重構，提高星上設備的抗毀能力。

(5)先進的抗干擾技術

為了提高軍事衛星通信的抗干擾能力，可采用以下先進技術[7,15]：波形設計、上行鏈路和下行鏈路均采用跳頻、零點控向天線、波束成形、相控陣天線、星上處理技術、星間鏈路技術及抗干擾通信協議。

(6)多載波跳頻技術

軍事通信衛星采用跳頻技術可以在頻率選擇性衰落信道傳輸信息中獲得頻率分集增益，具有抗干擾、抗截獲能力。但是跳頻帶寬限制了全數字技術的應用，帶寬越大，則要求處理器速度越高，而通常FPGA受限于其時鐘速度。跳頻集越大，則全數字跳頻技術實現越困難。對數據進行串行數字處理，將限制寬帶數字系統的開發。軍用衛星通信采用多載波跳頻技術[14]，對跳頻信號進行并行處理，有助于解決跳頻帶寬帶來的處理瓶頸問題。

(7) 隱蔽通信技術

軍事衛星通信要求具備抗截獲能力，在保證己方信息傳遞的同時，不被敵方截獲，需要對波形進行設計，使通信信號淹沒在噪聲信號中，增加敵方檢測信號的難度。

(8) 激光通信鏈路

激光通信可以提供更大的傳輸容量，常用于星間鏈路。激光通信對指向、捕獲、跟蹤(PAT)有較高的要求，可以提高鏈路抗干擾能力。

(9) 雷達和通信波形的一體化設計技術

對衛星通信和雷達信號波形進行一體化設計[16]，采用OFDM技術，部分子頻段用于發射雷達信號，而另外的子頻段用于發射通信信號，根據需求動態調度資源。

(10) 軍事衛星通信的軍民融合技術

將商用通信技術應用于軍事衛星通信[17]，包括先進的商業衛星技術以及地面商用通信系統的先進技術，推動軍用衛星通信系統的發展。

3　結束語

現代戰爭是陸、海、空、天、電的綜合對抗，戰場空間趨于多維和擴展，信息化戰場日益透明，需要一體化聯合作戰與體系對抗和網絡對抗，而這一切都離不開軍事衛星通信的支持。軍事衛星通信可以實時傳遞戰場信息，并將總部的命令安全準確地下發到各級指揮機關及士兵。我國要在未來的現代化戰爭中取得勝利，離不開軍用衛星通信的支持，因此需要大力發展我國的軍事衛星通信系統，并采用先進的通信技術及抗干擾、抗截獲技術，在信息對抗中立于不敗之地。

[1]陳亮.美國軍事衛星通信系統發展研究[J].通信技術,2014,47(4):354-358.

[2]朱貴偉.2014年國外軍用衛星通信系統現狀分析[J].國際太空，2015(5):51-60.

[3]張春磊.美軍“移動用戶目標系統”與“特高頻后繼”衛星性能對比分析[J].國際太空，2015(4):46-50.

[4]林飛，祝彬，陳萱.美國“寬帶全球衛星通信系統” [J].中國航天,2013(12):14-17.

[5]崔川安,劉露露.美軍的寬帶全球衛星通信系統[J].數字通信世界,2012(9):50-52.

[6]朱貴偉.Ka頻段軍事衛星通信應用[J].衛星應用，2015(7):10-14.

[7]黃曉華.2020軍事衛星通信發展研究[J].空間電子技術,2012(1):1-5.

[8]美軍“先進極高頻”軍用通信衛星[DB/OL]，http://www.360doc.com/content/10/0904/22/849061_51239044.shtml.

[9]袁飛,文志信,王松松.美軍 EHF 衛星通信系統[J].國防科技,2010(6):22-26.

[10]Marc Boucher.ULA Successfully Launches Next Generation Communication Milstar[DB/OL].http://spaceref.biz/2012/05/ula-successfully-launches-second-next-generation-communications-milsat.html

[11]劉旭，李為民.美俄軍事衛星系統發展現狀與趨勢[J].國防科技，2015,36(2):43-48.

[12]張炎，宋戰鋒.英國“天網”軍用衛星通信系統[J].國際太空，2009(1):14-20.

[13]朱貴偉.意大利部署新一代軍用通信衛星[J].國際太空，2015(7):43-46.

[14]Johannes Dommel,Gabriele Boccolini,Leszek Raschkowski,et al.5G in Space:PHY-Layer Design for Satellite Communications using Non-Orthogonal Multi-carrier Transmission[C]//ASMS/SPSC,2014:190-196.

[15]柴焱杰，孫繼銀，李琳琳，胡寅.衛星通信抗干擾技術綜述[J].現代防御技術,2011(3):113-117.

[16]Krier J R,Norko M C,Reed,et al.Performance Bounds for an OFDM-Based Joint Radar and Communications System[C]//Milcom,2015：511-516.

[17]Don Brown,Doug Schroeder.Commercially Hosted Resilient Communications[C]//Milcom,2011:2227-2232.

Review on Development and New Technologies of Military Satellite Communications Aboard

ZHU Li-dong

(National Key Laboratory of Science and technology on Communications,UESTC,Chengdu Sichuan 611731,China)

The military communication is one of the most important factors to determine the outcome of war.The side having information superiority is more active in the war.The military communication includes HF communication,VHF communication,meteor trail communication and satellite communication.The satellite communication has such advantages as wide coverage and large capacity,which can meet the requirements of information transmission in the battlefield in a better way.The military powers represented by the United States of America,Russia and West Europe possess advanced technologies of military satellite communication,have built some typical military satellite communication systems,and have applied them to information transmission in the battlefield,which help the operational commanding authority to make real-time decision in military countermeasures.To get the advantages of military countermeasures,these military powers continue developing new techniques,and remain in a dominant position in information countermeasures.On the basis of analyzing the development trend of military satellite communication,this paper introduces briefly some new technologies.

military satellite communication; countermeasure; development; new technology

10.3969/j.issn.1003-3114.2016.05.01

引用格式：朱立東.國外軍事衛星通信發展及新技術綜述[J].無線電通信技術,2016,42(5):01-05,34.

2016-06-28

國家高技術研究發展計劃(863計劃)(2012AA01A502)；四川省科技支撐計劃項目(2014GZX0004)

朱立東(1968—)，男，畢業于電子科技大學通信與信息系統專業，電子科技大學教授，博士生導師,主要研究方向：衛星通信及通信信號處理，主持完成與衛星通信相關的國家自然科學基金、863計劃、國防預研以及與中電集團和航天集團研究院所的橫向合作項目20余項，發表論文150余篇，出版著作4本。

TN911.7

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1003-3114(2016)05-01-5