淺談美國衛星通信系統軍民融合現狀及前景

葉磊

(中國電子科技集團公司第五十四研究所,河北石家莊 050081)

1 衛星通信系統概念

1.1 衛星通信系統組成

衛星通信是通過人造地球衛星作為中繼站,在兩個或多個地球站之間進行的通信,地球站包括陸上站(固定站、機動站)、水面船載站和空中機載站多種形式。衛星通信系統包括3個組成段,即空間段(衛星段)、控制段(地面段)、終端段(用戶段)三部分組成。

空間段指的是在軌衛星及衛星通信的有效載荷。典型的美國軍用衛星系統包括移動用戶目標系統(MUOS)、國防衛星通信系統(DSCS)、寬帶全球通信衛星(WGS)、全球廣播業務(GBS)系統等,典型的商用衛星通信系統包括銥星系統、國際海事衛星(INMARSAT)等。

控制段指的是控制在軌衛星及衛星通信的有效載荷所需的地面設施、天線等。

用戶段指的是固定式、移動式、便攜式、手持式等衛星通信終端,還包括裝備衛星終端的有人、無人飛機。

1.2 衛星通信頻率

衛星通信主要工作頻段如表1 所示。

表1 衛星通信頻段Tab.1 Satellite communication frequency bands

1.3 衛星通信帶寬

衛星通信帶寬指的是用于傳輸數據的頻段寬度。為了有效利用有限的衛星通信帶寬,衛星通信系統中的各個衛星站按照一定的網絡拓撲結構進行組網工作,包括星狀拓撲網絡、網狀拓撲網絡、星網混合拓撲網絡等。

1.4 衛星通信體制

衛星通信系統體制涉及基帶信號處理方式、復用方式、調制方式、多址方式、信道分配及交換方式等,其中多址方式主要有頻分多址(FDMA)、時分多址 (TDMA)、碼分多址(CDMA)以及按需分配多址(DAMA)等。

2 星鏈計劃

近期美國商用衛星通信系統的熱點,SpaceX公司的星鏈計劃(Starlink)引發各國關注,每次60顆衛星、每月發射一次的計劃,讓人瞠目結舌,就像在天撒豆子一樣。根據星鏈計劃,2024年前SpaceX公司發射將約1萬2千顆衛星,在太空組成“星鏈”網絡提供通信服務,其中包括1 千5 佰多顆衛星低軌道衛星(軌道高度約550km),并從2020年開始工作。根據有關報道,星鏈計劃還準備再增加3 萬顆衛星,使總量達到約4萬2千顆衛星。

衛星軌道資源是有限的,根據國際協定,先到先得,空間資源一直是國力競爭的戰場。無論低軌道衛星(LEO,軌道高度約500～1500km)、中軌道衛星(MEO,軌道高度約8000～18000km),還是地球同步軌道衛星(GEO,軌道高度約為36000km),衛星通信系統不僅僅是單純的技術和商業問題,還涉及到軍事政治的因素。

雖然SpaceX公司表示星鏈計劃所發射的通信衛星將用于商業用途,為用戶提供基于天基衛星的網絡服務,但“星鏈計劃”與美國軍方緊密的關系背景及美國軍方提供大量資金支持,其在軍事領域的應用不過是早晚的事情。

據國外相關報道,美國陸軍已同太空探索科技(SpaceX)公司達成協議,將在3年時間內使用星鏈網絡提供的通信服務。根據美國國防部透露的美國未來新一代軍用衛星通信系統的規劃,為了降低使用衛星通信系統的成本,將通過利用廉價的低軌道小衛星,代替現有的昂貴的同步軌道大型衛星,這也從另一方面說明“星鏈計劃”應用于軍事領域的前景。

3 美國軍用衛星通信現狀

作為一體化聯合作戰的主要通信手段,衛星通信具有通信距離遠、通信質量好、不受地理條件限制的優點,可以為地面網絡無法覆蓋的稀業務密度地區或者或地面網絡遭到破壞的應急狀況下,可以快速、穩定地提供大容量、高安全性通信服務。目前,衛星通信作為視距通信的補充部分,已成為美國軍事通信結構中不可或缺的通信方式。在美國領導的伊拉克海灣戰爭、南聯盟科索沃戰爭等地區沖突中,美軍憑借其領先的衛星通信系統,形成絕對的戰場信息站的主導權,為美軍掌握在各戰場的主動權提供了強有力的支撐,衛星通信系統在美軍中的地位越來越重要[1]。

美國陸軍空間與導彈防御司令部(陸軍戰略司令部)(USASMDC/AFSTRAT)是美國陸軍負責空間戰略和導彈防御管理的部門,受美國戰略司令部管理。

衛星通信相關的任務管理由陸軍空間與導彈防御司令部中衛星通信保障中心和寬帶衛星通信作戰中心負責。衛星通信保障中心的主要職責是采用系統化的衛星通信資源作分配程序,對有限通信資源進行規劃和管控。寬帶衛星通信行動中心(Wideband Satellitecommunication Operations Center,WSOC)主要職責是為陸軍部隊提供超高頻(Super-high Frequency,SHF)衛星通信服務,進行衛星資源規劃管理和衛星通信網絡的組織應用。

未來一體化、信息化協同作戰對于通信裝備的集成化、高機動、高容量、超視距提出了更高要求,對于指揮信息快捷、高速、有效的分發傳遞提出了更高的需求。美國陸軍合成部隊主要裝備聯合節點網絡(Joint Network Node-Network,JNN-N)設備,通過寬帶衛星提供的衛星通信資源,在師和旅之間構建戰術級衛星通信網絡,滿足區域合成作戰的通信保障需求。

美國陸軍通過廣泛有效的使用聯合節點網絡,為陸軍各級指揮所構建戰術通信網絡,提供高容量、超視距通信支援保障服務。衛星通信技術和裝備的不斷發展,不僅為陸軍未來跨域作戰、超視距作戰、協同作戰等作戰方式提供支撐,而且還可為合成部隊轉型及未來的新一代作戰提供前瞻技術支持,使合成旅級部隊的獨立、自主作戰在通信支援保障方面沒有后顧之憂。

目前,美國陸軍還在研究戰術級作戰單兵信息網,通過衛星通信為戰術部隊提供高機動、抗干擾及無盲區的通信支援。

4 商業衛星在軍事上的應用

商業衛星通信資源在滿足美軍衛星通信需求方面扮演了重要角色,是軍用衛星通信不可缺少的組成部分。當軍事衛星使用需求超出軍用衛星通信系統能力時,可用商用衛星通信系統補充軍事應用需求。商用衛星通信的應用越來越多,使其成為一種極具性價比的軍用衛星通信方案。在未來數年中,美軍商用衛星通信需求將持續增長。

仍以美國陸軍為例,在一些情況下,美國陸軍任務不具備足夠高的優先級接收持續的衛星通信接入支持,或者軍用衛星網絡的部署規劃無法滿足陸軍的任務需求,可用的軍用衛星通信資源不足以支持陸軍軍事行動的展開,美國陸軍可以通過嚴格的程序,獲得商用衛星提供的衛星通信資源。

美國陸軍主要的商用衛星服務包括移動衛星業務(MSS)、增強型移動衛星業務,常用的商用衛星系統包括銥星系統、國際海事衛星(INMARSAT)等。銥星系統和國際海事衛星星座的主要區別是衛星使用的軌道不同,國際海事衛星運行在地球同步軌道上,并且國際海事衛星不提供極地覆蓋。

5 衛星通信系統發展前景

5.1 發展前景

未來軍事衛星通信系統主要有以下的發展趨勢:地靜止軌道衛星通信向多波束、高容量、高頻段發展;低軌道衛星通信與蜂窩通信技術相結合,實現全球個人衛星通信網絡;微小型、可搬移衛星通信地面站將得到廣泛應用;衛星通信網絡將與IP技術結合;小衛星將廣泛應用于數據存儲轉發通信以及星間組網通信。

通信方式將會向多頻段、多模式方向發展,可以通過多個頻段進行通信,例如C 波段、X波段、Ku波段、Ka波段以及EHF波段,可以兼容TDMA、FDMA、CDMA等多種多址方式。

為了有效地利用衛星通信網的網絡資源和保證網絡的正常運行,對網內各衛星站的工作狀態和業務運行狀態進行和管理,在一個大規模的衛星運行網中網管是非常重要的,不同的網絡結構形式網管系統的功能是也是有差異的。在衛星通信站機動過程中,通信接入方式更加接近隨機、無感接入,網絡切換、反復認證等影響通信效率的情況將被克服。

衛星通信的發展可以支持單兵訪問本地及全球網絡,通過衛星及遍布全世界的控制網絡,可支持軍用、民用以及國際合作伙伴的寬帶衛星通信網絡。

衛星通信將有力的強化美國陸軍超視距作戰、協同作戰優勢,將為美軍陸軍實施廣域作戰提供可靠通信保障支撐,強化美國陸軍廣域信息偵聽技術優勢、跨域遠程精確打擊優勢、多域聯合作戰優勢。

5.2 軍民技術融合

仍以SpaceX的星鏈計劃(Starlink)為例,其部分發射場建在美國范登堡空軍基地內,美國軍方支持將應用場景拓展到軍用領域等,這是典型的軍民融合場景,星鏈計劃由民用轉入軍事用途不存任何障礙。

星鏈計劃中的星座衛星布設完成后,會進一步提升美國陸軍定位導航系統的精度和抗干擾能力。同時,這些星座衛星根據需要還會具有對空間飛行器的遙測、跟蹤以及自動變軌能力,可用于對空間飛行器(例如洲際彈道導彈)的直接碰撞式攔截,這樣就能通過低成本的投入來實現對敵方導彈及核力量的極大消耗,并極大程度上降低地方的導彈突防能力。

美國陸軍近年來推行的跨域作戰、超視距作戰、協同作戰概念,其必要條件是集成化、高機動、高容量通信能力,是作戰指揮信息快捷、高速、有效的分發傳遞。在這些通信保障的前提下,將直升機、自行火炮、坦克、步戰車等裝備聯成一體,實現通信網絡的全覆蓋。星鏈計劃將提升美國陸軍跨域作戰、超視距作戰、協同作戰能力和優勢。

隨著戰爭形態超視距、無接觸作戰演進,無人機集群在現代戰場的應用已經成為重要角色。無人機集群可實施廣域分布式多點多向突擊,對傳統防御系統提出挑戰。無人機有一個致命弱點,那就是無人機通信系統被干擾后,將會失去作戰能力,被摧毀甚至被俘獲。

星鏈計劃的低軌星座具有通信高容量、速度快、短時延的特點,布設完成后可成為美軍無人機集群作戰的空間指揮中心,使其擺脫地面通信系統的限制,復雜電磁環境下的抗干擾、反劫持能力也將得到大大提高,實現單架無人機能力的擴展以及集群整體作戰效能的顯著提升。

6 結語

衛星通信系統技術進步,不僅僅是國家政治、軍事實力的發展,同時帶動著科學技術、國民經濟進步,軍轉民、民轉軍的情況在國內國外屢見不鮮。軍事衛星通信系統發展的先進技術,推動了民用衛星通信系統的發展;民用衛星通信技術的發展可以作為探路者,成為某些軍事應用領域的先驅。