美軍下一代通信衛星體系發展分析

張東晨（蘭州空間技術物理研究所）

美軍作為全球通信衛星領域在軌規模最大、技術性能最優、實戰應用最強的軍事力量，數十年來其能力建設思路一直深刻影響著各主要航天國家相應系統的發展。2010年以來，在整個軍事航天領域彈性轉型的背景下，美軍基于面臨的作戰對抗環境和未來能力需求，開展了通信衛星領域的體系轉型論證工作。2017年至今，在前期論證、研究成果的基礎上，美國太空與導彈系統中心（SMC）密集發布了多項招標合同，從相關文件分析來看，下一代體系的建設構想已基本明確，面向防護目標的轉型思路也逐步清晰。

1 發展背景

美國于20世紀70年代開始注重體系化發展其軍用衛星通信能力，主要是從應用類別和需求出發，由陸、海、空三軍分別發展了寬帶、窄帶、防護3種相互獨立的專用型軍用衛星系統。受當時技術條件限制，衛星的容量、傳輸速率等性能普遍較低，重點解決能力有無問題，核心是用于戰略目的，以保障其全球范圍內最關鍵的軍事、政治行動，應對當時的冷戰格局。

90年代開始，在海灣戰爭等歷次戰事的實踐中，衛星通信系統逐步成為連接美軍各類作戰平臺與部隊、打通大范圍高效指控鏈條的重要手段，使用程度不斷加深，使用容量持續增大，推動其從戰略向戰術應用快速轉移。這一階段，美軍圍繞實際作戰應用，先后開展了三大系統的升級換代，重點放在提升衛星容量性能。與此同時，大量租用商業衛星，以滿足戰場通信需求的爆發式增長。

美軍現役軍用通信衛星體系（截至2018年10月）

測試中的AEHF衛星

近年來，在反衛試驗等事件影響下，美軍意識到，面對能直接威脅天基系統安全運行的高端對手時，其軍事航天能力存在嚴重的脆弱性問題，如何“確保太空力量能夠在對抗、惡化和行動受限（COD）環境下作戰、制勝”，是下一步發展的核心。在通信衛星方面，2010年，美軍聯合需求監管委員會正式提出對2025年及更遠未來的軍用衛星通信需求，其預計對抗環境（包括物理、電磁等攻擊）下的通信容量將在數年內大幅增加，并遠遠超越規劃能力。

在此背景下，美軍現階段衛星通信能力的發展重點，已逐步轉向如何提升整個體系的防護性能，來應對愈發嚴峻的空間安全與對抗形勢。但就其現役系統情況而言，幾個突出的問題不容忽視。

一是現役軍用通信衛星不具備抵御反衛攻擊的能力。美軍于20世紀末開始現役通信衛星的研發工作，當時對空間安全問題的認識仍深受冷戰時期的影響，重點放在極少數衛星面對核環境的防護加固手段方面，未將抵御反衛武器作為規劃能力之一來發展。但實際來看，現役軍用通信衛星絕大多數為地球靜止軌道（GEO）5噸級以上中大型衛星，機動性很差，在無法探知、躲避甚至抵御物理威脅的情況下，很容易被對手鎖定和實施攻擊，造成嚴重的后果。

二是其大容量通信多依賴軍用寬帶與商業衛星系統，但兩類系統并未發展電磁干擾對抗的能力。在美軍過往的判斷中，針對衛星的敵對干擾只存在于極少數作戰場景，因此除了防護衛星系統之外，其他系統均未發展相應能力。例如，寬帶系統的主力WGS衛星在研制中采用大量的商業技術，未配備應對干擾攻擊的防護手段；而號稱“占據美國國防部總通信使用容量80%”的商業衛星系統，主要面向非軍事用戶，決定了商業運營商在最初設計時也不會考慮對抗問題。

三是防護衛星系統雖能應對電磁干擾，但載荷復雜、成本高、容量有限。美軍發展的AEHF等防護系列通信衛星，集戰術抗干擾與戰略抗核爆通信能力于一體，是“迄今為止最先進的軍用通信衛星”，能有效應對各類電磁攻擊。但戰術通信與戰略通信任務特點不同，對衛星要求各異，強行將2種載荷捆綁在一型衛星上，導致了載荷復雜化、成本居高不下，AEHF單星造價達22億美元，但容量卻不及WGS衛星的1/10。這也決定了美軍無法通過大規模發展這種高成本、任務聚合的衛星來解決能力缺口。

2 論證研究情況

從2011年開始，在軍方的牽引下，針對未來軍用衛星通信能力的發展問題，美國軍政商各界開展了大范圍、深層次的論證、研究。值得說明的是，美軍的窄帶通信衛星系統雖然2017年也有消息稱將開展下一代轉型論證，但就目前掌握的情況來看，并未有實際的官方論證研究項目公布，也未納入此次面向防護能力的體系轉型研究工作中，因此在本文中不做論述。

1）美國太空與導彈系統中心作為軍用通信衛星系統采辦的主管單位，組織數十家商業衛星公司對空間、地面、用戶以及通信技術等多個不同層面的發展構想開展了論證。

2）美國國防科學委員會（DSB）作為國防部直屬機構，成立特別工作組，對戰術衛星通信面臨的問題開展了綜合研究，提出加速抗干擾衛星通信技術的開發和應用等諸多舉措。

3）美國戰略與預算評估中心（CSBA）作為政府智庫，發布研究報告，指出“適應對抗環境是下一代體系結構優先要考慮的問題”，闡明了“分解、分散、分布”的體系設想。

4）國際通信衛星公司（INTELSAT）、衛訊公司（VIASAT）、歐洲衛星公司（SES）、歐洲通信衛星公司（EUTELSAT）等商業通信衛星運營商也積極迎合美軍的新訴求，啟動多個新系統研究工作，為軍方提供更多選擇。

目前，綜合上述公布的情況判斷，美軍已基本明確了下一代通信衛星體系轉型發展的思路，可以總結為“防護戰略與戰術載荷分離”、“通過改造升級，使現役非防護衛星系統增加防護功能”，主要包括3個方面的措施。

一是承襲上一代系統的核心技術，發展專用防護戰略通信衛星。美軍經過評估認為，自冷戰以來，用于保障最高領導層在核戰爭狀態下開展有效核指揮控制的防護戰略通信需求未發生大的變化，但其“戰略保底”作用不能動搖。因此，將基于AEHF衛星核心技術方案，增加對反衛攻擊的感知、預警與防御功能，發展獨立、專用型的防護戰略衛星，來繼續保障此類任務的順利執行。

二是研發抗干擾、大容量通信技術，開發專用防護戰術通信衛星。如前所述，現役AEHF系統在戰術通信任務方面抗干擾和保密性能優越，但受所采用的通信波形制約，容量十分有限。為此，美軍計劃研發一種既抗干擾又同時支持高速數傳的新的通信波形，專門用于大容量的戰術通信。基于此技術，美軍將在遠期發展全新的、專用型防護戰術衛星，實現比AEHF系統更高的通信容量。

三是改造地面系統和用戶終端，充分利用現役寬帶與商業衛星。在發展新衛星、新技術的同時，美軍也將加緊開發配套的地面系統和用戶終端，并升級加密手段，使現役不具備防護能力的寬帶和商業衛星也能夠傳輸新波形，從而具備一定的抗干擾保密通信能力，在此基礎上加速演示驗證，以滿足現階段作戰急需。

3 具體實施情況

總結來看，美軍將以“1+1+3”的模式來實施其體系轉型思路，即“1”是指下一代的戰略通信衛星研發項目，“1+3”是指下一代戰術通信衛星系統的1項波形技術與空間、地面、用戶3個段的研發、升級與改造項目，5個項目相互獨立但又互為支撐，以提高整個軍用通信衛星體系的防護能力為目標，分批、按序實施。目前進展較為順利，部分項目已進入研制合同招標階段。

1）戰略通信衛星研發項目：即美軍于2017年啟動的“未來防護戰略衛星通信系統”（FPSS）項目，旨在探索AEHF之后，專用型的防護戰略通信衛星系統的平滑演進發展方案，目前正處于論證過程中。美軍計劃于2019年售出合同，2029年一季度具備首顆衛星的發射條件。

2）抗干擾戰術通信波形技術研發項目：即美軍于2012年啟動的“軍用衛星通信防護系統經濟可承受性設計風險減低”（DFARR）項目，主要目的是開發一種新的抗干擾、大容量通信波形，稱之為“防護戰術波形”（PTW）。美軍組織了16家企業研發和測試PTW，已在WGS－6（2013年）和銀河－18（Galaxy－18，2014年）衛星上進行演示驗證，該項目于2014年底結束，波形技術已宣告研發成功。

3）抗干擾戰術衛星通信用戶終端改造項目：即美軍于2014年啟動的“防護戰術服務現場演示”（PTSFD）項目，主要目的是改造用戶終端，使之能傳輸PTW波形，具體涉及終端調制解調器和加密模塊的研發，以及現役列裝的終端改造升級工作。美軍已于2016年5月向三家企業售出合同，開發量產型的PTW調制解調器和加密模塊，于2018年開始對美陸海空三軍現役的典型終端進行改造升級以及傳輸測試，將于2020年提供完整的現役終端改造遷移方案。

4）抗干擾戰術衛星通信地面段升級項目：即美軍于2017年啟動的“防護戰術企業級服務”（PTES）項目，旨在建立一套支持PTW波形、終端和衛星的地面運行管理系統，具體包括密鑰管理系統（KMS）、任務管理系統（MMS）和主站設備（Hub）三大部分。美軍計劃于2019年發布正式的采購合同，于2023年完成對應1個戰區和1顆WGS衛星的地面系統建設，形成初始運行能力；2026年則將建立完整的全球地面系統，可服務最多10顆WGS衛星，形成全運行能力。

5）抗干擾戰術通信衛星研發項目：即美軍于2017年啟動的“專用防護戰術衛星/服務”（PTS）項目，旨在論證、研制一型支持PTW波形、具備星上處理能力的專用防護戰術通信衛星。美軍計劃2019年售出研制合同，2023－2025年進行首顆試驗衛星的在軌演示驗證，2030年建成完整的系統，具備全面的作戰支持能力。

4 體系構想分析

美軍衛星通信轉型論證項目進度安排

根據論證情況來看，無論戰略還是戰術通信，美軍基本都以2030年投入全運行為目標，將打造一個具備完善防護能力的大體系。

防護戰略通信

戰略通信方面，美軍計劃發展的專用型防護戰略通信衛星系統，將由4顆GEO軌道衛星和2顆大橢圓軌道（HEO）衛星組成，設計壽命14年。在部署初期，將通過星間鏈路與AEHF系統互聯組成混合星座。

（1）在防護性能方面

1）美軍計劃先發展一種專用于戰略通信衛星和導彈預警衛星的高生存能力衛星平臺，具備最高級別的防護能力，該平臺將采用抗核加固手段，在遠距離發生核爆炸情況下能堅持工作，在近距離發生核爆炸情況下能夠瞬時關機、屏蔽關鍵器件，之后可加電重啟，快速恢復之前的運行狀態；提升軌道機動能力，壽命期內至少能夠改變6次軌位，30天內可完成90°的軌位調整，而且能實現機動中仍保持通信；在地面無法控制時，具備一定周期內的自主運行能力。

美軍通信衛星體系轉型框架

2）在載荷方面，新衛星將配備防護態勢感知載荷，可實現對空間目標的抵近感知和預警，增強了追溯和抵御反衛攻擊的能力，據悉，這一載荷也將配置在美軍未來GEO軌道部署的所有高價值衛星上；沿用AEHF衛星的高數據速率（XDR）通信波形，具備低探測率、低攔截率、抗干擾通信能力；采用符合國家安全局Suite A標準的加密機，具備保密通信能力。此外，預計也將繼續采用AEHF衛星的自適應調零天線、窄點波束等其他核心技術。

（2）在通信性能方面

GEO衛星可為65°（S）～65°（N）的用戶提供服務，預計單星總容量為正常環境26Mbit/s和核環境0.4Mbit/s，單鏈路數據傳輸速率則分別為8.192Mbit/s和 19.2kbit/s；

HEO衛星主要服務65°（N）以上區域的用戶，總容量為正常環境1Mbit/s和核環境0.1Mbit/s，單鏈路速率則為75bit/s。

防護戰術通信

戰術通信方面，核心在于抗干擾。美軍將依賴所開發的PTW波形，配合地面段和用戶終端的升級改造，分階段（具體時間未公布，但順序已確定）完成防護戰術衛星通信能力的建設。

第一階段：通過改造現役WGS衛星系統的通信終端，建設初步的地面運管系統，在X和Ka頻段運行PTW波形，實現未來10余顆WGS衛星的抗干擾通信能力。

第二階段：將通過改造其他現役商業衛星系統通信終端，拓展地面運管系統，在C、Ku、Ka等多個商業頻段運行PTW波形，實現租用的商業衛星系統抗干擾通信能力。

第三階段：將利用研制的專用型戰術通信衛星，配合PTW波形、地面終端與建成完善狀態的運管系統，提供更高級別的抗干擾戰術通信。

至2030年，美軍最終將把3個階段的資產整合為一體，建成名為“防護抗干擾戰術衛星通信系統”（PATS）的大體系，打造具備彈性、靈活性的多層次戰術抗干擾衛星通信能力。具體而言：

（1）核心波形技術

WGS在軌飛行示意圖

美軍歷時3年研發的PTW波形，是提升戰術衛星通信抗干擾能力的核心所在。PTW主要是通過耦合AEHF系統上采用的軍用XDR波形標準與廣泛采用的數字視頻廣播-衛星標準2（DVB-S2）商業通信標準，得到的一種新型通信波形。

它吸納了XDR波形中的跳頻擴頻（FHSS）抗干擾技術特點，同時采用DVB-S2商業波形的高頻譜利用率設計，取兩者的優化折中，可在大幅減輕戰術衛星通信的干擾效應的同時，提供較高的通信速率，滿足大容量的通信需求。

PTW一大特點是其不依賴于通信衛星體系架構，這就意味著，使用該波形，即使是不具備防護能力的WGS衛星以及普通商業衛星，只要在終端更換調制解調設備（變為PTW調制解調器），并加裝加密模塊，就能夠實現良好的抗干擾水平。

（2）寬帶與商業衛星系統

寬帶系統方面，美軍計劃2018－2019年利用WGS衛星和海軍NMT、空軍GMT和陸軍WIN-T終端進行PTW波形傳輸驗證；2023年在單一戰區部署基于PTW的WGS服務；2026年將在全球范圍內完成WGS系統的抗干擾通信服務部署。

商業系統方面，雖然完全部署和運行PTW的時間尚未公布，但可明確將在WGS系統改造完成、防護戰術衛星發射之前，完成相應的地面段和終端升級。而且隨著高通量衛星（HTS）的發展，未來，具備靈活載荷能力的商業衛星將提供更優的抗干擾通信服務。

（3）防護戰術衛星系統

美軍目前論證的有2種實現形式。

一種是獨立的衛星星座：預計由4顆GEO衛星[覆蓋65°（S）～65°（N）]和3顆HEO軌道衛星（主要覆蓋北極地區）組成，平均設計壽命10年，但無星間鏈路，通過地面關口站實現互聯互通。

另一種則通過有效載荷搭載方式或小衛星來實現：其中，有效載荷可搭載在商業衛星、美國的軍用/其他政府衛星以及盟國的衛星上，運行軌道包括GEO和HEO軌道。搭載的載荷具體包括5種備選方案，分別實現區域性EHF頻段覆蓋、區域性Ka頻段覆蓋、點波束EHF頻段覆蓋、點波束Ka頻段覆蓋，以及自跟蹤型Ka頻段覆蓋等。

在防護性能方面，上述衛星均將具備星上信號處理能力，同時采用最新的PTW波形和符合國家安全局Suite B標準的加密機，配合未來升級改造后的地面段與終端，可實現比增加了防護功能的WGS和商業衛星更強的抗干擾保密通信能力。

在通信性能方面，獨立星座單星容量均達到1.6Gbit/s，而搭載載荷與小衛星的容量則不低于400Mbit/s。

需要指出的是，目前掌握的上述體系構想，均為綜合美軍官方招標、論證合同所發布信息所分析得出，但后續仍然有可能發生調整。

5 幾點判斷

1）美軍對未來衛星通信領域對抗態勢持續升級的判斷，將深刻影響和推動全球軍用衛星通信系統、技術的新發展。美軍認為，未來戰爭中，中、俄等高端對手將持續打造“反介入/區域拒止”能力，電磁干擾和反衛攻擊將成為必然。其中，前者更趨常態化，將直接威脅其全球作戰指控鏈條的通暢；后者則極具威懾性，嚴重威脅其戰略保底軍事能力。在此影響下，美軍將通信衛星與預警衛星列為軍事航天領域的第一批推動體系轉型。從其已開展的工作來看，范圍廣、力度大，是21世紀以來軍用通信衛星領域最重大的發展思路轉變，將影響其未來10年甚至數十年的通信衛星裝備體系建設。此外，包括英、法等在內的諸多盟國均已明確提出在各自下一代衛星中也增加更強的防護需求。可預見的是，全球軍用通信衛星能力發展將進入一個新的階段，必須引起重視和關注。

2）美軍將建立按照防護能力劃分層級的新型軍用通信衛星體系，高度強調戰略保底通信能力，全面提升安全可靠戰術通信保障能力。綜合公布的論證情況分析，美軍將開展至少涉及防護、寬帶、商業三大系統的綜合改造工程，其通信衛星體系也將從當下解決“有/無防護能力”問題的兩層式架構，“防護手段由簡單到復雜”、“防護能力由弱至強”的多級別防護架構，從而轉變幾十年來按照應用類型發展相互獨立的軍用通信衛星的思路。在美軍計劃建成的體系中，最頂層是專用的戰略通信衛星，屬于美戰略保底能力組成部分，具備反衛防御、抗核加固等功能；中間層是專用的戰術通信衛星/載荷，通過星上處理并配合新建的地面段和用戶終端，具備應對敵方強干擾攻擊環境下的通信能力；最低層是改造后的寬帶和商業系統，具備常規作戰環境下規避和抑制普通干擾攻擊的能力。

3）美軍打造的彈性分散通信衛星體系和多樣化的能力部署模式，勢必加大未來與之作戰對抗的難度。從目前論證方案可知，美軍計劃發展的是一個多屬性共存、多軌道分布、多平臺混用的通信衛星體系，建成后將具備很強的彈性能力，可有效攝止、抵抗敵對攻擊。一方面，PTW波形的成功研發將有力促進商業通信衛星融入軍事作戰體系，基于WGS－6和9等衛星經驗，積極探索國際合作的模式也成為重要方向。可以預見，其未來在軌衛星屬性構成更加復雜，與商業伙伴、軍事盟國之間的利益粘度不斷加大，敵對干擾攻擊的成本將進一步增加；另一方面，GEO軌道不再成為美國軍用衛星能力發展的唯一選擇，未來將向HEO、低地球軌道（LEO）等多個軌道延伸，衛星部署策略更加分散、服務能力則更立體。此外，除了建設專用的大衛星，有效載荷搭載、小衛星星座等均納入下一步發展方案，將加大敵方確定攻擊目標的難度，也將降低局部目標攻擊后對整個體系的損傷效果。

4）美軍目前采取的是一種平滑演進式的轉型策略，向新體系轉型的過渡期也將持續較長時間。綜合來看，美軍通信衛星體系的轉型是一場顛覆性的軍事能力改革，現有狀態與目標能力之間差距巨大。另一方面，美軍開始通信衛星體系轉型論證之時，正值奧巴馬政府實施“預算緊縮”政策、美國國防預算整體下滑期，2013和2014年，僅空軍航天司令部就削減了10億美元，接近于3顆WGS衛星所需的資金，加之傳統的防護通信衛星成本遠超其他幾大系統。因此，當時空軍組織的論證都嚴格秉承“經濟可承受性”原則，一方面探索以最小代價改造現役非防護通信衛星系統，最大化提升其抗干擾能力；另一方面積極考慮有效載荷搭載等低成本部署方案。受此影響，美軍采取的是分步走的策略，將WGS、商業衛星的升級改造落實到2025、2030年等節點。因而，截至目前，除了PTW波形技術研發已成功之外，大部分工作仍處于方案研究、風險降低階段，預計其通信衛星體系的轉型是一個中長期的過程。