葉磊

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所,河北石家莊 050081)

1 衛(wèi)星通信系統(tǒng)概念

1.1 衛(wèi)星通信系統(tǒng)組成

衛(wèi)星通信是通過人造地球衛(wèi)星作為中繼站,在兩個(gè)或多個(gè)地球站之間進(jìn)行的通信,地球站包括陸上站(固定站、機(jī)動(dòng)站)、水面船載站和空中機(jī)載站多種形式。衛(wèi)星通信系統(tǒng)包括3個(gè)組成段,即空間段(衛(wèi)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(wèi)星及衛(wèi)星通信的有效載荷。典型的美國軍用衛(wèi)星系統(tǒng)包括移動(dòng)用戶目標(biāo)系統(tǒng)(MUOS)、國防衛(wèi)星通信系統(tǒng)(DSCS)、寬帶全球通信衛(wèi)星(WGS)、全球廣播業(yè)務(wù)(GBS)系統(tǒng)等,典型的商用衛(wèi)星通信系統(tǒng)包括銥星系統(tǒng)、國際海事衛(wèi)星(INMARSAT)等。

控制段指的是控制在軌衛(wèi)星及衛(wèi)星通信的有效載荷所需的地面設(shè)施、天線等。

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

1.2 衛(wèi)星通信頻率

衛(wèi)星通信主要工作頻段如表1 所示。

表1 衛(wèi)星通信頻段Tab.1 Satellite communication frequency bands

1.3 衛(wèi)星通信帶寬

衛(wèi)星通信帶寬指的是用于傳輸數(shù)據(jù)的頻段寬度。為了有效利用有限的衛(wèi)星通信帶寬,衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的各個(gè)衛(wèi)星站按照一定的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行組網(wǎng)工作,包括星狀拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)狀拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)、星網(wǎng)混合拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)等。

1.4 衛(wèi)星通信體制

衛(wèi)星通信系統(tǒng)體制涉及基帶信號處理方式、復(fù)用方式、調(diào)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(shí)分多址 (TDMA)、碼分多址(CDMA)以及按需分配多址(DAMA)等。

2 星鏈計(jì)劃

近期美國商用衛(wèi)星通信系統(tǒng)的熱點(diǎn),SpaceX公司的星鏈計(jì)劃(Starlink)引發(fā)各國關(guān)注,每次60顆衛(wèi)星、每月發(fā)射一次的計(jì)劃,讓人瞠目結(jié)舌,就像在天撒豆子一樣。根據(jù)星鏈計(jì)劃,2024年前SpaceX公司發(fā)射將約1萬2千顆衛(wèi)星,在太空組成“星鏈”網(wǎng)絡(luò)提供通信服務(wù),其中包括1 千5 佰多顆衛(wèi)星低軌道衛(wèi)星(軌道高度約550km),并從2020年開始工作。根據(jù)有關(guān)報(bào)道,星鏈計(jì)劃還準(zhǔn)備再增加3 萬顆衛(wèi)星,使總量達(dá)到約4萬2千顆衛(wèi)星。

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

雖然SpaceX公司表示星鏈計(jì)劃所發(fā)射的通信衛(wèi)星將用于商業(yè)用途,為用戶提供基于天基衛(wèi)星的網(wǎng)絡(luò)服務(wù),但“星鏈計(jì)劃”與美國軍方緊密的關(guān)系背景及美國軍方提供大量資金支持,其在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用不過是早晚的事情。

據(jù)國外相關(guān)報(bào)道,美國陸軍已同太空探索科技(SpaceX)公司達(dá)成協(xié)議,將在3年時(shí)間內(nèi)使用星鏈網(wǎng)絡(luò)提供的通信服務(wù)。根據(jù)美國國防部透露的美國未來新一代軍用衛(wèi)星通信系統(tǒng)的規(guī)劃,為了降低使用衛(wèi)星通信系統(tǒng)的成本,將通過利用廉價(jià)的低軌道小衛(wèi)星,代替現(xiàn)有的昂貴的同步軌道大型衛(wèi)星,這也從另一方面說明“星鏈計(jì)劃”應(yīng)用于軍事領(lǐng)域的前景。

3 美國軍用衛(wèi)星通信現(xiàn)狀

作為一體化聯(lián)合作戰(zhàn)的主要通信手段,衛(wèi)星通信具有通信距離遠(yuǎn)、通信質(zhì)量好、不受地理?xiàng)l件限制的優(yōu)點(diǎn),可以為地面網(wǎng)絡(luò)無法覆蓋的稀業(yè)務(wù)密度地區(qū)或者或地面網(wǎng)絡(luò)遭到破壞的應(yīng)急狀況下,可以快速、穩(wěn)定地提供大容量、高安全性通信服務(wù)。目前,衛(wèi)星通信作為視距通信的補(bǔ)充部分,已成為美國軍事通信結(jié)構(gòu)中不可或缺的通信方式。在美國領(lǐng)導(dǎo)的伊拉克海灣戰(zhàn)爭、南聯(lián)盟科索沃戰(zhàn)爭等地區(qū)沖突中,美軍憑借其領(lǐng)先的衛(wèi)星通信系統(tǒng),形成絕對的戰(zhàn)場信息站的主導(dǎo)權(quán),為美軍掌握在各戰(zhàn)場的主動(dòng)權(quán)提供了強(qiáng)有力的支撐,衛(wèi)星通信系統(tǒng)在美軍中的地位越來越重要[1]。

美國陸軍空間與導(dǎo)彈防御司令部(陸軍戰(zhàn)略司令部)(USASMDC/AFSTRAT)是美國陸軍負(fù)責(zé)空間戰(zhàn)略和導(dǎo)彈防御管理的部門,受美國戰(zhàn)略司令部管理。

衛(wèi)星通信相關(guān)的任務(wù)管理由陸軍空間與導(dǎo)彈防御司令部中衛(wèi)星通信保障中心和寬帶衛(wèi)星通信作戰(zhàn)中心負(fù)責(zé)。衛(wèi)星通信保障中心的主要職責(zé)是采用系統(tǒng)化的衛(wèi)星通信資源作分配程序,對有限通信資源進(jìn)行規(guī)劃和管控。寬帶衛(wèi)星通信行動(dòng)中心(Wideband Satellitecommunication Operations Center,WSOC)主要職責(zé)是為陸軍部隊(duì)提供超高頻(Super-high Frequency,SHF)衛(wèi)星通信服務(wù),進(jìn)行衛(wèi)星資源規(guī)劃管理和衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的組織應(yīng)用。

未來一體化、信息化協(xié)同作戰(zhàn)對于通信裝備的集成化、高機(jī)動(dòng)、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(fā)傳遞提出了更高的需求。美國陸軍合成部隊(duì)主要裝備聯(lián)合節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)(Joint Network Node-Network,JNN-N)設(shè)備,通過寬帶衛(wèi)星提供的衛(wèi)星通信資源,在師和旅之間構(gòu)建戰(zhàn)術(shù)級衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò),滿足區(qū)域合成作戰(zhàn)的通信保障需求。

美國陸軍通過廣泛有效的使用聯(lián)合節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò),為陸軍各級指揮所構(gòu)建戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò),提供高容量、超視距通信支援保障服務(wù)。衛(wèi)星通信技術(shù)和裝備的不斷發(fā)展,不僅為陸軍未來跨域作戰(zhàn)、超視距作戰(zhàn)、協(xié)同作戰(zhàn)等作戰(zhàn)方式提供支撐,而且還可為合成部隊(duì)轉(zhuǎn)型及未來的新一代作戰(zhàn)提供前瞻技術(shù)支持,使合成旅級部隊(duì)的獨(dú)立、自主作戰(zhàn)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(zhàn)術(shù)級作戰(zhàn)單兵信息網(wǎng),通過衛(wèi)星通信為戰(zhàn)術(shù)部隊(duì)提供高機(jī)動(dòng)、抗干擾及無盲區(qū)的通信支援。

4 商業(yè)衛(wèi)星在軍事上的應(yīng)用

商業(yè)衛(wèi)星通信資源在滿足美軍衛(wèi)星通信需求方面扮演了重要角色,是軍用衛(wèi)星通信不可缺少的組成部分。當(dāng)軍事衛(wèi)星使用需求超出軍用衛(wèi)星通信系統(tǒng)能力時(shí),可用商用衛(wèi)星通信系統(tǒng)補(bǔ)充軍事應(yīng)用需求。商用衛(wèi)星通信的應(yīng)用越來越多,使其成為一種極具性價(jià)比的軍用衛(wèi)星通信方案。在未來數(shù)年中,美軍商用衛(wèi)星通信需求將持續(xù)增長。

仍以美國陸軍為例,在一些情況下,美國陸軍任務(wù)不具備足夠高的優(yōu)先級接收持續(xù)的衛(wèi)星通信接入支持,或者軍用衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的部署規(guī)劃無法滿足陸軍的任務(wù)需求,可用的軍用衛(wèi)星通信資源不足以支持陸軍軍事行動(dòng)的展開,美國陸軍可以通過嚴(yán)格的程序,獲得商用衛(wèi)星提供的衛(wèi)星通信資源。

美國陸軍主要的商用衛(wèi)星服務(wù)包括移動(dòng)衛(wèi)星業(yè)務(wù)(MSS)、增強(qiáng)型移動(dòng)衛(wèi)星業(yè)務(wù),常用的商用衛(wèi)星系統(tǒng)包括銥星系統(tǒng)、國際海事衛(wèi)星(INMARSAT)等。銥星系統(tǒng)和國際海事衛(wèi)星星座的主要區(qū)別是衛(wèi)星使用的軌道不同,國際海事衛(wèi)星運(yùn)行在地球同步軌道上,并且國際海事衛(wèi)星不提供極地覆蓋。

5 衛(wèi)星通信系統(tǒng)發(fā)展前景

5.1 發(fā)展前景

未來軍事衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要有以下的發(fā)展趨勢:地靜止軌道衛(wèi)星通信向多波束、高容量、高頻段發(fā)展;低軌道衛(wèi)星通信與蜂窩通信技術(shù)相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)全球個(gè)人衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò);微小型、可搬移衛(wèi)星通信地面站將得到廣泛應(yīng)用;衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)將與IP技術(shù)結(jié)合;小衛(wèi)星將廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)存儲轉(zhuǎn)發(fā)通信以及星間組網(wǎng)通信。

通信方式將會(huì)向多頻段、多模式方向發(fā)展,可以通過多個(gè)頻段進(jìn)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(wèi)星通信網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)資源和保證網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行,對網(wǎng)內(nèi)各衛(wèi)星站的工作狀態(tài)和業(yè)務(wù)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行和管理,在一個(gè)大規(guī)模的衛(wèi)星運(yùn)行網(wǎng)中網(wǎng)管是非常重要的,不同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形式網(wǎng)管系統(tǒng)的功能是也是有差異的。在衛(wèi)星通信站機(jī)動(dòng)過程中,通信接入方式更加接近隨機(jī)、無感接入,網(wǎng)絡(luò)切換、反復(fù)認(rèn)證等影響通信效率的情況將被克服。

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

衛(wèi)星通信將有力的強(qiáng)化美國陸軍超視距作戰(zhàn)、協(xié)同作戰(zhàn)優(yōu)勢,將為美軍陸軍實(shí)施廣域作戰(zhàn)提供可靠通信保障支撐,強(qiáng)化美國陸軍廣域信息偵聽技術(shù)優(yōu)勢、跨域遠(yuǎn)程精確打擊優(yōu)勢、多域聯(lián)合作戰(zhàn)優(yōu)勢。

5.2 軍民技術(shù)融合

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

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

美國陸軍近年來推行的跨域作戰(zhàn)、超視距作戰(zhàn)、協(xié)同作戰(zhàn)概念,其必要條件是集成化、高機(jī)動(dòng)、高容量通信能力,是作戰(zhàn)指揮信息快捷、高速、有效的分發(fā)傳遞。在這些通信保障的前提下,將直升機(jī)、自行火炮、坦克、步戰(zhàn)車等裝備聯(lián)成一體,實(shí)現(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)的全覆蓋。星鏈計(jì)劃將提升美國陸軍跨域作戰(zhàn)、超視距作戰(zhàn)、協(xié)同作戰(zhàn)能力和優(yōu)勢。

隨著戰(zhàn)爭形態(tài)超視距、無接觸作戰(zhàn)演進(jìn),無人機(jī)集群在現(xiàn)代戰(zhàn)場的應(yīng)用已經(jīng)成為重要角色。無人機(jī)集群可實(shí)施廣域分布式多點(diǎn)多向突擊,對傳統(tǒng)防御系統(tǒng)提出挑戰(zhàn)。無人機(jī)有一個(gè)致命弱點(diǎn),那就是無人機(jī)通信系統(tǒng)被干擾后,將會(huì)失去作戰(zhàn)能力,被摧毀甚至被俘獲。

星鏈計(jì)劃的低軌星座具有通信高容量、速度快、短時(shí)延的特點(diǎn),布設(shè)完成后可成為美軍無人機(jī)集群作戰(zhàn)的空間指揮中心,使其擺脫地面通信系統(tǒng)的限制,復(fù)雜電磁環(huán)境下的抗干擾、反劫持能力也將得到大大提高,實(shí)現(xiàn)單架無人機(jī)能力的擴(kuò)展以及集群整體作戰(zhàn)效能的顯著提升。

6 結(jié)語

衛(wèi)星通信系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)步,不僅僅是國家政治、軍事實(shí)力的發(fā)展,同時(shí)帶動(dòng)著科學(xué)技術(shù)、國民經(jīng)濟(jì)進(jìn)步,軍轉(zhuǎn)民、民轉(zhuǎn)軍的情況在國內(nèi)國外屢見不鮮。軍事衛(wèi)星通信系統(tǒng)發(fā)展的先進(jìn)技術(shù),推動(dòng)了民用衛(wèi)星通信系統(tǒng)的發(fā)展;民用衛(wèi)星通信技術(shù)的發(fā)展可以作為探路者,成為某些軍事應(yīng)用領(lǐng)域的先驅(qū)。