●文| 北京市遙感信息研究所　陽(yáng)斌　董濤

美國(guó)移動(dòng)用戶目標(biāo)系統(tǒng)建設(shè)現(xiàn)狀與效能分析

●文| 北京市遙感信息研究所陽(yáng)斌董濤

一、研制歷程

1978年，美國(guó)海軍發(fā)射首顆艦隊(duì)通信衛(wèi)星，掀開(kāi)了超高頻（300～400MHz）衛(wèi)星通信序幕。此后，美海軍先后研制使用了租賃衛(wèi)星、特高頻后繼星等衛(wèi)星通信系統(tǒng)。截至當(dāng)前，艦隊(duì)通信衛(wèi)星、租賃衛(wèi)星已正式退役，特高頻后繼星仍在繼續(xù)使用但整個(gè)系統(tǒng)預(yù)計(jì)將于2020年前后完全停用?？v觀美國(guó)海軍上述幾代衛(wèi)星通信系統(tǒng)，單顆衛(wèi)星性能方面后一代系統(tǒng)較前一代系統(tǒng)有不同幅度提升，但衛(wèi)星通信技術(shù)、系統(tǒng)組織架構(gòu)等其實(shí)并未發(fā)生實(shí)質(zhì)性的改變，后一代系統(tǒng)基本為前一代系統(tǒng)的技術(shù)沿襲與優(yōu)化完善，美海軍衛(wèi)星通信能力長(zhǎng)期以來(lái)并未得到實(shí)質(zhì)性、突破性的提升。

伴隨軍事通信需求的飛速增長(zhǎng)，美軍亦早已意識(shí)到其原有衛(wèi)星通信系統(tǒng)難于滿足使用需求。為適應(yīng)形勢(shì)發(fā)展，美軍于1996年開(kāi)始研發(fā)性能更為先進(jìn)、功能更為強(qiáng)大的新型窄帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)，用于取代特高頻后繼星系統(tǒng)。2002年2月，新型通信系統(tǒng)研制項(xiàng)目正式開(kāi)始，項(xiàng)目由美海軍牽頭，具體由隸屬太空及海上作戰(zhàn)系統(tǒng)司令部的空間系統(tǒng)計(jì)劃執(zhí)行辦公室及通信衛(wèi)星計(jì)劃辦公室負(fù)責(zé)，系統(tǒng)中文譯名為“移動(dòng)用戶目標(biāo)系統(tǒng)”，簡(jiǎn)稱MUOS。MUOS項(xiàng)目前期概念設(shè)計(jì)、研究論證、方案制定等工作花費(fèi)數(shù)年時(shí)間。2004年，美國(guó)洛馬公司、雷神公司兩大國(guó)防企業(yè)針對(duì)項(xiàng)目具體研制工程展開(kāi)競(jìng)爭(zhēng)。2004年9月，洛馬公司從競(jìng)爭(zhēng)中脫穎而出成為衛(wèi)星系統(tǒng)的主承包商與系統(tǒng)集成商，標(biāo)志MUOS研制項(xiàng)目正式啟動(dòng)。美海軍與洛馬公司所簽署的系統(tǒng)研制合同編號(hào)為N00039-04-C-2009，初期合同總額21億美元，內(nèi)容包括研制2顆MUOS衛(wèi)星及相關(guān)配套地面設(shè)備。此后，美海軍與洛馬公司達(dá)成另外3顆衛(wèi)星及相關(guān)配套地面設(shè)備的研制協(xié)議（MUOS系統(tǒng)共由4顆主星及1顆備用星組成），衛(wèi)星合同總額超過(guò)32億美元，項(xiàng)目總成本超過(guò)60億美元，系統(tǒng)預(yù)定目標(biāo)為2010年具備初始保障能力，于2015年全面運(yùn)行，即實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星接入、組網(wǎng)通信、聯(lián)合互操作、全球覆蓋、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信、兩極覆蓋等（實(shí)際進(jìn)度遠(yuǎn)落后于此）。系統(tǒng)部件研制方面，MUOS衛(wèi)星由洛馬公司位于賓夕法尼亞州的商業(yè)空間系統(tǒng)部制造，最后組裝測(cè)試工作則由該公司位于加利福尼亞州森尼韋爾市的分公司承擔(dān)。地面系統(tǒng)方面，洛馬公司與美國(guó)另一家國(guó)防企業(yè)集團(tuán)—通用動(dòng)力公司簽署協(xié)議，由后者所屬指揮、控制、通信和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)分公司全權(quán)負(fù)責(zé)地面系統(tǒng)的建設(shè)工作［1］。

與諸多工程項(xiàng)目一樣，MUOS系統(tǒng)研制工程正式啟動(dòng)后同樣遭遇了研發(fā)難題、預(yù)算不足等預(yù)料之外的困難，研制進(jìn)展被迫數(shù)度推遲。最初定于2010年發(fā)射升空的首顆衛(wèi)星MUOS-1直至2012年2月才發(fā)射升空，比預(yù)定時(shí)間推遲了26個(gè)月。第二至五顆衛(wèi)星分別于2013年7月、2015年1月、2015年9月、2016年6月發(fā)射升空，均嚴(yán)重滯后于原始計(jì)劃，整個(gè)MUOS系統(tǒng)預(yù)計(jì)將于2017年1月投入全面運(yùn)行。

☆　MUOS衛(wèi)星3D效果圖

二、系統(tǒng)組成

MUOS系統(tǒng)主要由衛(wèi)星、地面站及操控站、用戶終端等幾部分組成。

☆　MUOS系統(tǒng)組成

1.衛(wèi)星

MUOS系統(tǒng)包括5顆衛(wèi)星（見(jiàn)表1），其中MUOS-1、MUOS-2、MUOS-3、MUOS-4為主星，MUOS-5為備用星。截至2016年6月，4顆主星及第5顆備用星已全部順利發(fā)射升空［2］。

表 1 MUOS系統(tǒng)衛(wèi)星情況

衛(wèi)星性能方面，每顆MUOS衛(wèi)星搭載1個(gè)傳統(tǒng)超高頻窄帶載荷，同時(shí)增加攜帶1個(gè)基于“第三代合作伙伴項(xiàng)目”技術(shù)（3GPP，主要用于保持未來(lái)技術(shù)及系統(tǒng)的兼容性）的寬帶碼分多址（WCDMA）載荷，采用S與Ka混合頻段、星間鏈路與星上處理、信道編碼、抗干擾等先進(jìn)技術(shù)，裝備Rake接收機(jī)（一種可用于分離多徑信號(hào)并有效合并多徑信號(hào)能量的接收機(jī)）。每顆衛(wèi)星裝備1副傳統(tǒng)天線及1副新型多波束天線，反射器直徑分別約5.4m、14m（見(jiàn)表2）。信號(hào)接收、發(fā)送方面，WCDMA信號(hào)由新型多波束天線接收及發(fā)送，傳統(tǒng)超高頻信號(hào)由新型多波束天線接收但由傳統(tǒng)天線發(fā)送。MUOS衛(wèi)星主要用于向固定及移動(dòng)用戶提供全球范圍內(nèi)的窄頻、超視距、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)，每顆衛(wèi)星所搭載多波束天線可生成16個(gè)上下行鏈路，每個(gè)上下行鏈路均可分配為4個(gè)5MHz的寬帶碼分多址信道，每個(gè)信道最多可供500名用戶同時(shí)共享。此外，衛(wèi)星信號(hào)基本不受氣象、環(huán)境等因素影響，適用性更強(qiáng)，可在復(fù)雜、惡劣的天候環(huán)境下為潛艇、水面艦船、飛機(jī)、偏遠(yuǎn)地區(qū)地面機(jī)動(dòng)部隊(duì)等提供通信服務(wù)［3］。

表 2 MUOS衛(wèi)星部分性能參數(shù)

2.地面站及操控站

MUOS系統(tǒng)在全球范圍內(nèi)建有4座地面站及2座衛(wèi)星操控站。其中，4座地面站分別位于美本土弗吉尼亞州和夏威夷、澳大利亞、意大利。美海軍負(fù)責(zé)地面站的日常運(yùn)行，如衛(wèi)星總體管理、測(cè)控、指令傳輸?shù)?。每座地面站建?座直徑約19m的天線，均安裝有用于通信的無(wú)線電裝置，各地面站之間通過(guò)光纖通聯(lián)，數(shù)據(jù)可快速傳輸。其中，夏威夷、弗吉尼亞州2座地面站除安裝有無(wú)線電裝置外還安裝有轉(zhuǎn)發(fā)器及傳送接口，主要用于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及傳輸。此外，夏威夷地面站還安裝有網(wǎng)絡(luò)管理設(shè)備，擔(dān)負(fù)通信計(jì)劃、資源分配等任務(wù)，向系統(tǒng)提供基于優(yōu)先權(quán)的實(shí)時(shí)通信資源分配信息，必要情況下可進(jìn)行優(yōu)先級(jí)稍低的通信資源的再次分配，并擔(dān)負(fù)MUOS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)管理、態(tài)勢(shì)感知等方面職能。2座衛(wèi)星操控站中，位于加利福尼亞州穆古角的為主操控站，位于科羅拉多州施里弗空軍基地的為備份站，操控站主要職能為通過(guò)地面站接收衛(wèi)星狀態(tài)信息并向衛(wèi)星發(fā)送指令，確保衛(wèi)星狀態(tài)良好［4］。

☆　MUOS系統(tǒng)4座地面站

3.用戶終端

MUOS系統(tǒng)采用BPSK調(diào)制方式，可應(yīng)用于為其專門(mén)研制的新型終端。同時(shí)，該系統(tǒng)與美軍既有的聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無(wú)線電系統(tǒng)兼容，同樣適用于當(dāng)前廣泛使用的大部分傳統(tǒng)終端。如，聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無(wú)線電系統(tǒng)中的手持式、單兵型小型無(wú)線電臺(tái)及機(jī)載、海上、固定站接收終端均可與MUOS系統(tǒng)兼容。其中，美陸軍所裝備AN/PRC-155手持式、單兵型小型無(wú)線電臺(tái)于2013年成功通過(guò)MUOS-1衛(wèi)星進(jìn)行通信實(shí)驗(yàn)，是首款體驗(yàn)MUOS系統(tǒng)WCDMA功能的美軍通信終端。此外，MUOS系統(tǒng)計(jì)劃拓展應(yīng)用于Block 4聯(lián)合攻擊機(jī)、海軍航空司令部AN/ARC-210甚高頻/超高頻通信系統(tǒng)、空軍AN/ARC-231型天火多模機(jī)載通信系統(tǒng)等［5］。

信號(hào)接收方面，MUOS終端設(shè)備安裝有全向天線，可在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下進(jìn)行通信，具備“動(dòng)中通”能力，用戶不再需要在通信時(shí)停下來(lái)設(shè)置天線、調(diào)節(jié)方向等，相對(duì)特高頻后繼星系統(tǒng)終端必須在靜止?fàn)顟B(tài)下通信有突破性的改善提高。此外，通過(guò)改善終端性能，MUOS系統(tǒng)整體通信速率及容量均有大幅提升。美軍當(dāng)前使用的特高頻后繼星系統(tǒng)只能滿足1029個(gè)2.4kbit/s終端同時(shí)接入，MUOS衛(wèi)星則能滿足16332個(gè)2.4kbit/s寬帶碼分多址終端以及424個(gè)特高頻后繼星終端同時(shí)接入，傳輸速率2.4kbit/s至384kbit/s，通信能力及速率大幅提升。

☆　傳統(tǒng)通信終端與MUOS手持式移動(dòng)終端

三、通信流程

MUOS衛(wèi)星采用地球同步軌道，每顆衛(wèi)星均在2座地面站作用范圍內(nèi)，同時(shí)每座地面站均可接收2顆衛(wèi)星信號(hào)或?qū)ζ溥M(jìn)行遙控。4座地面站之間經(jīng)光纖相互聯(lián)通，并提供衛(wèi)星與美國(guó)國(guó)防部地基通信網(wǎng)絡(luò)間的通信與控制接口。系統(tǒng)通信過(guò)程分為“用戶至地基通信網(wǎng)絡(luò)”、“地基通信網(wǎng)絡(luò)至用戶”兩大部分?！坝脩糁恋鼗ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)”通信流程為通信用戶使用MUOS系統(tǒng)終端通過(guò)超高頻上行鏈路（帶寬300～320MHz）向?qū)?yīng)的衛(wèi)星上傳通信信息，衛(wèi)星將通信信息轉(zhuǎn)換為數(shù)碼格式后經(jīng)Ka頻段下傳至作用范圍內(nèi)的某座地面站?！暗鼗ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)至用戶”通信流程為接收衛(wèi)星所下傳信號(hào)后，地面站對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)解碼并將其傳送至夏威夷或弗吉尼亞州地面站進(jìn)行轉(zhuǎn)換（如前所述，僅此2座地面站安裝有轉(zhuǎn)發(fā)器，若衛(wèi)星直接向夏威夷、弗吉尼亞州地面站下傳數(shù)據(jù)，則無(wú)需此傳輸環(huán)節(jié)，直接轉(zhuǎn)換即可），轉(zhuǎn)發(fā)器將數(shù)據(jù)傳輸于另一顆衛(wèi)星對(duì)應(yīng)的2座地面站，2座地面站再經(jīng)Ka頻段向共同作用范圍內(nèi)的衛(wèi)星分別上傳50%的通信數(shù)據(jù)，衛(wèi)星將所接收信號(hào)進(jìn)行放大，并將信號(hào)降低至超高頻，隨后通過(guò)超高頻下行鏈路將信號(hào)下傳至另一位通信用戶所持有的MUOS用戶終端，單次通信信號(hào)交互完成。用戶間的相互通信遵循上述流程往復(fù)進(jìn)行。

☆　MUOS系統(tǒng)通信流程示意圖

四、效能分析

MUOS衛(wèi)星系統(tǒng)是美軍將先進(jìn)窄帶通信技術(shù)與移動(dòng)通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，在美軍未來(lái)軍事行動(dòng)中將發(fā)揮重要作用。該系統(tǒng)可以提供覆蓋全球的超視距戰(zhàn)術(shù)通信能力，滿足使用大型、小型及手持式終端的各種衛(wèi)星移動(dòng)通信用戶需求，應(yīng)用前景廣闊。概括而言，MUOS系統(tǒng)主要具備以下幾方面的優(yōu)勢(shì)及特點(diǎn)。

首先，衛(wèi)星性能先進(jìn)，通信能力強(qiáng)。MUOS系統(tǒng)單顆衛(wèi)星性能相對(duì)美軍傳統(tǒng)通信衛(wèi)星有大幅提升。每顆衛(wèi)星通信范圍南北跨度拓展至65°，東西跨度最大可覆蓋約1/2的地球表面，且南北緯65°之間約70%的區(qū)域由2顆衛(wèi)星同時(shí)覆蓋（雙覆蓋），系統(tǒng)通信可靠性得到有效提升，且衛(wèi)星采用“第三代合作伙伴項(xiàng)目”、信道編碼、抗干擾等先進(jìn)技術(shù)，通信信號(hào)基本不受氣象、環(huán)境等因素影響，可在復(fù)雜、惡劣環(huán)境下為用戶提供通信保障。事實(shí)上，美海軍曾于2014年“冰原演習(xí)”期間在北緯85°的高緯度地區(qū)對(duì)MUOS系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了近150小時(shí)的可靠數(shù)據(jù)連接，進(jìn)一步驗(yàn)證了MUOS衛(wèi)星系統(tǒng)在高緯度地區(qū)的可靠通信能力。此外，待系統(tǒng)第五顆備用星MUOS-5發(fā)射升空后，其可隨時(shí)根據(jù)需要機(jī)動(dòng)變軌，增加某個(gè)特定地區(qū)的可用信道數(shù)量，系統(tǒng)應(yīng)用潛力將進(jìn)一步增強(qiáng)。

其次，系統(tǒng)兼容性強(qiáng)，推廣使用潛力大。除專門(mén)研制的新式終端外，MUOS系統(tǒng)兼容美軍當(dāng)前正在使用的大部分傳統(tǒng)終端設(shè)備。據(jù)預(yù)計(jì)，MUOS系統(tǒng)全面運(yùn)行后，通信終端總數(shù)可能超過(guò)8萬(wàn)套，且美海軍DDG-1000驅(qū)逐艦等新型艦艇、空軍C-17運(yùn)輸機(jī)及F-35戰(zhàn)斗機(jī)等主戰(zhàn)裝備多數(shù)已安裝或計(jì)劃安裝MUOS通信終端，系統(tǒng)推廣應(yīng)用前景廣闊。

最后，系統(tǒng)具備“動(dòng)中通”能力，其他衛(wèi)星通信系統(tǒng)難于比擬。美軍當(dāng)前使用的超高頻終端通信需在停止?fàn)顟B(tài)下進(jìn)行，終端天線架設(shè)及拆卸均需耗時(shí)10min左右。與之不同，MUOS系統(tǒng)終端可在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下實(shí)時(shí)通信，無(wú)需架設(shè)或拆卸天線，省時(shí)省力、便捷高效。

☆　南北緯65°范圍內(nèi)約70%的通信區(qū)域由2顆衛(wèi)星同時(shí)覆蓋（CMTW意為聯(lián)合主戰(zhàn)區(qū)）

MUOS系統(tǒng)技術(shù)先進(jìn)，功能強(qiáng)大，但也同樣存在問(wèn)題與不足，系統(tǒng)研制過(guò)程中也遭遇了困難與挫折。例如，2012年針對(duì)手持式、單兵型無(wú)線終端進(jìn)行的一次測(cè)試中終端可靠性即未滿足要求；2014年4月進(jìn)行的初始測(cè)試結(jié)果顯示，MUOS系統(tǒng)數(shù)字載荷性能仍需更多時(shí)間方可成熟并通過(guò)認(rèn)證；由于波形、地面系統(tǒng)、無(wú)線電終端軟件等方面問(wèn)題，WCDMA載荷最終運(yùn)行測(cè)試被推遲至2015年12月，等等。上述事例足以說(shuō)明，MUOS系統(tǒng)也是遵循著“邊研究、邊實(shí)驗(yàn)、邊改進(jìn)”的模式研制發(fā)展而來(lái)，此過(guò)程中本身即存在著諸多疑問(wèn)與不確定因素。作為一項(xiàng)技術(shù)先進(jìn)、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，MUOS通信系統(tǒng)當(dāng)前仍處于建設(shè)及調(diào)試中，尚未正式交付及運(yùn)行，其可靠性、實(shí)用性等均有待時(shí)間與事實(shí)進(jìn)一步驗(yàn)證。

［1］ John D. Oetting & Tao Jen. The Mobile User Objective System［J］. Johns Hopkins APL technical digest， Vol.30，NO.2（2011）： 103-111.

［2］ PEO Space Systems. MUOS-5 Satellite Launch. From PEO Space Systems Website： http：//www.public.navy. mil/spawar/PEOSpaceSystems/Pages/Launch.aspx.

［3］ World Heritage Encyclopedia. The Mobile User Objective System. From World Public Library Website：http：//worldheritage.org/article/ WHEBN0002088185/Mobile%20User%20Objective%20 System.

［4］ US navy Space and Naval Warfare Systems Command. Mobile User Objective System-2 Situation Report.From US navy Space and Naval Warfare Systems Command Website： http：//www. public.navy.mil/spawa..

［5］ 張春磊，美軍“移動(dòng)用戶目標(biāo)系統(tǒng)”與“特高頻后繼”衛(wèi)星性能對(duì)比分析”［J］.國(guó)際太空，2015（4）： 47-48.