衛星移動通信系統試驗鑒定的實踐與思考

王 濤，孫治國，范 靜

（中國空間技術研究院 通信衛星事業部，北京 100094）

0 引言

按照《美國國防部試驗鑒定管理指南》[1]定義，試驗鑒定的主要目的是為決策者提供重要信息，驗證和確認軍事裝備是否達到規定的體系效能和技術指標要求，并確定系統是否具備作戰有效性、適用性、生存能力以及在預期用途下的安全性。因此，裝備試驗鑒定的主要目的是摸清裝備完成作戰使命任務的能力，確保裝備好用、易用，關注裝備對體系作戰能力提升的貢獻程度。

隨著信息化戰爭對航天裝備的需求和依賴日益強烈，衛星通信系統也面臨著由“試驗型”向“裝備型”轉變的嚴峻挑戰。試驗鑒定將裝備全壽命周期試驗歸結為性能試驗、作戰試驗和在役考核3類。美國在探索航天裝備試驗鑒定方法的過程中耗費了大量人力、物力和時間，經過多年的實踐與改進，基本形成了適用于航天裝備的試驗鑒定體系，其以增強航天裝備研制能力和作戰能力為目標的試驗鑒定策略和方法研究具有借鑒意義。

相對于固定業務衛星通信系統，衛星移動通信系統具有業務分布不均勻，突發式業務需求多，功率和頻率資源動態管理等顯著特點，對系統試驗鑒定提出了新的挑戰。本文通過對美國航天裝備試驗鑒定體系的研究分析，重點對美軍“移動用戶目標系統”（Mobile User Objective System, MUOS）鑒定試驗的組織體系、測試項目等要素進行研究，提出對衛星移動通信系統試驗鑒定的思考與建議。

1 美軍航天裝備試驗鑒定體系發展現狀

美軍裝備試驗鑒定是其裝備采辦系統工程過程的重要組成部分，通過在裝備全壽命周期對裝備功能性能及作戰能力進行考核，達到降低裝備采辦風險、控制裝備采辦成本以及提升裝備作戰能力等目的。

美軍航天裝備試驗鑒定體系的發展經歷了3個階段，即體系初步建立階段（20世紀90年代）、體系優化改進階段（2000年—2008年）和體系推進實施階段（2009年至今）[2-3]。美軍早期航天裝備試驗鑒定采用研制試驗鑒定和作戰試驗鑒定獨立開展的策略，并重點強調航天裝備發射前的地面研制試驗鑒定，一般以裝備承包商為主完成。為加強對航天裝備戰術技術指標和作戰能力的考核，控制裝備研制風險，美軍通過體系優化推出了針對具體項目的一體化試驗小組（integrated test team, ITT）和研制與作戰一體化試驗，強化了軍方用戶和項目辦對試驗鑒定的掌控力度。

2004年，美國空軍作戰試驗鑒定中心提出一種新的作戰試驗鑒定模式，稱為空間試驗提案（space test initiative, STI）[4]。STI有 3 個關鍵原則：1）研制與作戰一體化試驗在采辦過程中盡早開展，且貫穿裝備全壽命周期；2）針對試驗鑒定數據與結果進行快速分析與報告，降低時間成本；3）由關注本系統的試驗轉變為關注大系統環境下的系統試驗或結合大系統試驗開展試驗鑒定，提升作戰試驗鑒定結果對關鍵決策的支撐價值。2009年，美軍各相關方對 STI達成了一致，STI替代 NSS 03-01《國家安全空間采辦政策》成為現行的美軍航天裝備試驗鑒定政策。STI將研制與作戰一體化試驗鑒定的理念植入到航天裝備采辦程序中，通過賦予ITT極大的責任和權利開展項目定制化的試驗鑒定，同時將航天裝備試驗鑒定的目的由為采辦決策設置標準門檻轉變為降低采辦風險，扭轉了長期以來裝備研制部門與試驗機構相互“對立”的態勢，促進了研制、試驗雙方的協作和資源、數據共享，以實現體系持續改進。

2 MUOS 鑒定試驗實踐

2.1 MUOS 簡介

MUOS是美國新一代軍用地球同步軌道衛星移動通信系統，用于接替“特高頻后繼”（UHF Follow-on, UFO）衛星，為美軍提供窄帶移動通信業務。MUOS（見圖1[5]）分為空間段、地面段和用戶段：空間段包括4顆工作衛星和1顆在軌備份衛星；地面段主要實現衛星控制、傳輸以及管理用戶語音和數據業務，集成至國防信息系統網以及管理和控制通信資源；用戶段由各種用戶終端組成。MUOS采用WCDMA技術，相比UFO衛星具有更大用戶容量與較強抗干擾能力。

圖1 MUOS 組成示意Fig.1 The structure of MUOS

MUOS的5顆衛星與UFO衛星采用相同的軌道位置和具有相同的覆蓋區域。4顆工作星分別部署在西經177°（太平洋上空）、西經100°（美國本土上空）、西經15.5°（大西洋上空）和東經75°（印度洋上空），在軌備份星部署在東經72°，可提高中東、阿富汗等熱點地區的通信保障能力。2016年6月，第5顆MUOS衛星成功發射，標志著MUOS空間段建設的初步完成。

MUOS衛星有效載荷對應2種通信體制，即對應遺產載荷的傳統UFO體制以及全新的基于商用3G公共空中接口的SA-WCDMA體制，網絡基礎架構采用UMTS。MUOS星上信號采用透明轉發，處理和交換由地面控制段完成，用戶到用戶的通信經過2跳完成。地面站通過地面網建立連接，從而使2個位于不同衛星覆蓋區下的用戶間通過地面站轉發進行通信。另外，系統還利用頻譜感知和陷波技術，將自身傳輸信號某些頻段的發射功率降低，避免了MUOS對其他窄帶用戶的干擾，同時也提升了MUOS自身的抗干擾能力。

2.2 試驗鑒定組織體系

MUOS的試驗鑒定工作由美國海軍司令部作戰測試和評估部隊（COTF）負責，在陸軍測試和評估司令部（ATEC）和空軍作戰測試和評估司令部（AFOTEC）支持下進行。

試驗鑒定主要分為研制試驗鑒定和作戰試驗鑒定2大部分。前者旨在考核戰術技術性能，以衛星承包商為主實施，軍方用戶參與。后者旨在評估體系裝備作戰效能和適用性，由軍方獨立作戰試驗機構實施。

MUOS作戰試驗于2015年10月19日—11月20日實施完成，主要測試了系統運行有效性、適應性和網絡安全性[5]。測試對象包括了2顆在軌衛星：位于西經 177°的 MUOS-1和西經 100°的MUOS-2。參試的3個地面無線接入站（RAF）（分別位于弗吉尼亞州西北部、夏威夷的瓦西阿瓦和澳大利亞的杰拉爾頓）負責處理用戶路由數據，瓦西阿瓦站負責執行網絡和密鑰管理功能。參試部隊有位于北卡羅來納州的第82空降師、位于紐約州的第10山地師、位于華盛頓州的第2步兵師等。MUOS作戰試驗參試設備及系統組成見圖2[5]。

MUOS作戰試驗主要考核項目包括通信質量、覆蓋能力、通信時效性、抗干擾能力、系統可用度和安全保密能力等，具體指標體系見圖3[5]。

圖2 MUOS 作戰試驗參試設備及系統組成示意Fig.2 The equipment of the experimental evaluation system for MUOS operational test

圖3 MUOS 作戰試驗指標體系Fig.3 The evaluation items for MUOS operational test

2.3 作戰試驗測試項目

MUOS作戰試驗主要測試項目包括：

1）通信容量、鏈路可用度、用戶優先級管理、通信終端/數據終端應用測試。

2）態勢感知和性能管理測試。使用自然突發事件和腳本化定義事件測試網絡監視和資源調配能力。

3）網絡管理功能測試。持續監控MUOS網絡管理器，測試系統數據自動收集、用戶調查、故障處理、計費及網絡配置切換等功能。

4）WCDMA通信業務測試。通過位于美國大陸3個地點的作戰部隊，測試終端在現實環境中的通信能力，包括語音、數據以及P2P、P2N業務。

5）衛星遙測、遙控和跟蹤功能測試。

6）通信質量主觀評估。采用打分表調查直接用戶對通信質量的主觀評價，參考打分標準見表1[5]。

7）可靠性和可維護性評估。按照地面系統可用性和可維護性要求，評估操作任務失敗平均時間（MTBOMF）、平均修復時間（MTTR）等。

8）網絡安全測試。

表1 MUOS 通信質量主觀打分標準Table 1 Subjective evaluation standards for the communication quality of MUOS

3 對衛星移動通信系統鑒定試驗的思考

本文依據近年來對美軍航天裝備試驗鑒定體系發展的跟蹤研究，針對衛星移動通信系統的業務分布不均勻、突發式業務需求多、功率和頻率資源須動態管理等顯著特點[6-8]，對衛星移動通信系統的試驗鑒定工作提出以下思考與建議：

1）試驗鑒定體系構建應以降低系統建設風險、推進體系持續改進為首要目標。在“保型號成功”理念指導下，為避免衛星研制中重復設計、重復研制、重復試驗，重性能輕效能、重階段輕全程、重指標輕體系等情況的發生[9-10]，衛星移動通信系統的試驗鑒定體系建設應以降低系統建設風險、推進體系持續改進為首要目標，由移動通信用戶、運行管理方、衛星研制方共同參與，以現有研制階段試驗為基礎，逐步補充對作戰能力的考核試驗，制定包含研制和作戰的系統試驗大綱，指導試驗考核工作的開展。這是一個多部門參與、反復迭代的體系完善過程，可能涉及終端用戶、運行管理方與衛星研制方之間多次協調、修正作戰能力指標，持續識別短板、提升系統作戰效能。在研制試驗階段盡可能考慮后續作戰試驗所需的實戰背景，在作戰試驗鑒定中充分利用研制階段鑒定試驗數據。

2）衛星移動通信系統的試驗鑒定應貫穿全周期管理過程。航天裝備作戰試驗鑒定如在系統發射后才開展，所暴露出來的缺陷在裝備在軌運行中往往難以修正，作戰試驗對關鍵決策的支撐力度難以體現。衛星移動通信系統一體化試驗鑒定是一項長期的帶有方向性和全局性的工作，終端用戶、運行管理方與衛星研制方應對研制試驗、作戰試驗、系統互操作試驗以及建模與仿真工作進行協調，形成一個有效的連續統一體，避免進行單一試驗和重復性試驗，以充分利用試驗資源，縮短研制時間，并將試驗鑒定工作與需求制定及系統設計緊密結合起來。在概念研究和技術開發階段，主要制定作戰效能和適用性初步指標，評估潛在的作戰效能、適用性和任務滿足度，通過對樣機進行早期試驗，提出作戰中可能遇到的問題，建立初步的試驗鑒定計劃。在生產與部署階段，主要開展單機試驗、分系統試驗、作戰系統試驗，評估裝備作戰效能和適用性，支撐體系持續改進決策。

3）加強衛星移動通信系統試驗鑒定的資源保障體系建設。衛星移動通信系統作戰試驗成本高昂，組織體系復雜，試驗資源占用多。根據美軍經驗，試驗資源包含試驗設備實施能力和組織保障能力2個方面，包括軍方、政府和工業部門的各類實驗室、試驗場和發射場等。在現階段，部分功能性能試驗可以依托工業部門實施，但長遠來看，作戰能力考核試驗需要獨立的作戰試驗機構組織開展。

4）加強地面模擬仿真技術研究和應用。為節約成本，減少重復試驗，還應加強地面模擬仿真能力，在衛星全壽命周期內采用數字化模型以及計算機仿真，識別并定義用戶需求，對衛星各項能力進行建模和仿真試驗。在衛星移動通信系統研制和部署前期，受客觀條件限制，通信容量、資源調配等試驗項目難以實裝試驗，必須通過模擬仿真方式進行試驗。利用建模仿真技術還可以構建各種復雜環境，通過相應的網絡化試驗鑒定技術，使體系中各系統利用彼此的貢獻，產生更大的整體效應。

5）隨著當前聯合作戰戰略對互聯、互通、互操作能力的需求增長，還應加強對聯合作戰能力和網絡安全性等方面的要求定義與仿真試驗評估工作。

4 結束語

科學開展系統試驗鑒定是保證裝備研制質量、提升體系化作戰能力的基礎性工作。通過對美軍航天裝備試驗鑒定體系進行針對性的深入分析，在借鑒基礎上開展適用性研究，建立航天裝備試驗鑒定的理論體系和標準規范，規范開展試驗鑒定工作，加強試驗鑒定資源保障體系建設，有利于科學合理地構建我國衛星移動通信系統的試驗鑒定體系，達到降低裝備采辦風險、控制系統研制成本、提升體系作戰能力等目的。