文|史中正 張鳳珊

一、概述

美國(guó)國(guó)防部（DoD）認(rèn)識(shí)到，為保障其國(guó)家安全利益，需要實(shí)現(xiàn)比對(duì)手更快更好地做出決策的能力，這與其作戰(zhàn)人員收集、處理和共享信息的能力密切相關(guān)。為確保美國(guó)部隊(duì)能夠獲得決策優(yōu)勢(shì)，并保持足夠水平的通信能力，美國(guó)國(guó)防部計(jì)劃發(fā)展一個(gè)更有效和更具彈性的衛(wèi)星通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由三個(gè)部分構(gòu)成：空間段，由配備通信有效載荷和其他任務(wù)系統(tǒng)的在軌衛(wèi)星組成；鏈路段，將網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)連接在一起并在它們之間傳輸數(shù)據(jù)；地面段，包括發(fā)射、操作和利用航天器所需的地面域內(nèi)的所有設(shè)備，包括控制站、天線和用戶設(shè)備，如衛(wèi)星電話。

這些舉措將衛(wèi)星通信系統(tǒng)作為支柱，使美國(guó)國(guó)防部的各種網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)主導(dǎo)的聯(lián)合全域指揮與控制（JADC2）舉措關(guān)聯(lián)在一起，以實(shí)現(xiàn)全域作戰(zhàn)能力。

二、美國(guó)軍事通信衛(wèi)星發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)

美國(guó)大多數(shù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)都由需求驅(qū)動(dòng)，其設(shè)計(jì)可以追溯到冷戰(zhàn)時(shí)期，系統(tǒng)被設(shè)計(jì)為滿足特定需求，幾乎沒(méi)有考慮全局架構(gòu)。隨著天基連接對(duì)所有商業(yè)和政府實(shí)體的重要性日益增加，能夠收集、處理、共享和保護(hù)信息，比對(duì)手更快更好地做出決策，增加潛在的決定性作戰(zhàn)優(yōu)勢(shì)。

1.美國(guó)軍事通信衛(wèi)星發(fā)展現(xiàn)狀

美國(guó)當(dāng)前軍事衛(wèi)星系統(tǒng)主要呈現(xiàn)三點(diǎn)特征：高軌衛(wèi)星為主、衛(wèi)星功能高度集成以及通信制式異構(gòu)專(zhuān)用。

（1）高軌衛(wèi)星為主

目前大多數(shù)美國(guó)軍事通信衛(wèi)星都部署于地球靜止軌道（GEO）上，在一個(gè)沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)的空間環(huán)境中，GEO 能為通信衛(wèi)星提供高度的靈活性[1]，為在廣泛分散和不可預(yù)測(cè)的地點(diǎn)行動(dòng)的軍事部隊(duì)提供了持久獲取信息的途徑。GEO 衛(wèi)星可以從地球上的一個(gè)點(diǎn)連續(xù)觀測(cè)到，但可能會(huì)根據(jù)其軌道面傾角向北和向南漂移；另一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)是可以提供廣闊的覆蓋范圍。例如，GEO 衛(wèi)星的最大可觀測(cè)面積約為地球表面的42%，而在1000km 高度的低地球軌道（LEO）上的衛(wèi)星所覆蓋的面積不到地球的7%[2]。GEO 上3顆均勻分布的衛(wèi)星可以提供連續(xù)的全球通信覆蓋，不包括極地和被地形特征遮擋的區(qū)域。

（2）衛(wèi)星功能高度集成

（1）增大帶寬

衛(wèi)星通信使用趨勢(shì)逐年上漲。其中，衛(wèi)星通信日益增長(zhǎng)的需求在總數(shù)據(jù)速率和最終用戶數(shù)量方面始終超過(guò)可用軍事系統(tǒng)的容量，這反映了自第一次海灣戰(zhàn)爭(zhēng)以來(lái)，美國(guó)數(shù)據(jù)密集型軍事行動(dòng)的更大趨勢(shì)[9]。為了彌合軍事系統(tǒng)所能提供的衛(wèi)星通信能力與其部隊(duì)需求之間日益增長(zhǎng)的差距，美國(guó)國(guó)防部越來(lái)越依賴(lài)于從國(guó)際移動(dòng)衛(wèi)星公司（Inmarsat）、衛(wèi)訊（Viasat）、銥星（Iridium）和國(guó)際通信衛(wèi)星公司（Intelsat）等租賃商業(yè)衛(wèi)星通信服務(wù)。此外，另一個(gè)重要的考慮因素是需求如何分配。當(dāng)固定衛(wèi)星分配方案無(wú)法滿足給定區(qū)域內(nèi)通信需求時(shí)，需要綜合考慮資源部署和用戶需求，進(jìn)行資源靈活分配。

（2）降低延遲

將信號(hào)發(fā)送到衛(wèi)星再返回到其預(yù)期接收者的過(guò)程會(huì)產(chǎn)生延遲，GEO 衛(wèi)星往返傳輸時(shí)間約為0.25s。對(duì)于需要基于反映實(shí)時(shí)現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)的應(yīng)用和決策，減少與衛(wèi)星通信相關(guān)的延遲的唯一方法是縮小傳輸所需的物理距離，這需要利用GEO以外的軌道。

（3）提高互操作性

美國(guó)國(guó)防部運(yùn)行著許多不同的通信系統(tǒng)和60多種不同的波形，這些波形通常支持不兼容的數(shù)據(jù)通信協(xié)議[10]。隨著商業(yè)衛(wèi)星通信行業(yè)正在擴(kuò)展和成熟，缺乏可互操作的開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)是一個(gè)公認(rèn)的問(wèn)題，多個(gè)專(zhuān)業(yè)組織正在努力解決。此外，對(duì)于美國(guó)軍方來(lái)說(shuō)，一個(gè)更有希望的方法是用其自己額外的互操作性工作來(lái)補(bǔ)充開(kāi)發(fā)開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)的工作[11]。

三、衛(wèi)星通信系統(tǒng)發(fā)展關(guān)鍵

未來(lái)衛(wèi)星通信的一個(gè)主要目標(biāo)應(yīng)該是擴(kuò)大容量，提供具有減少延遲的能力，并提高互操作性。另一個(gè)主要目標(biāo)應(yīng)該是提高架構(gòu)的彈性和靈活性，使其具備在廣泛的場(chǎng)景中應(yīng)用的能力。要實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)需要從根本上改變衛(wèi)星通信系統(tǒng)的建設(shè)思路，從系統(tǒng)的部署方式、生產(chǎn)模式以及地面配套設(shè)施等方面對(duì)傳統(tǒng)建設(shè)模式進(jìn)行改造。

1.部署小型衛(wèi)星星座

LEO 和MEO 軌道相較于GEO 軌道更低，其中部署的大量小型衛(wèi)星可減少延遲、提高容量，并增強(qiáng)衛(wèi)星系統(tǒng)抵御某些形式的反空間攻擊的能力。衛(wèi)星技術(shù)的小型化和商業(yè)部門(mén)推動(dòng)的發(fā)射成本的降低大大提高了LEO 衛(wèi)星星座滿足衛(wèi)星通信需求的成本效益。

與GEO 衛(wèi)星相比，LEO 衛(wèi)星的主要優(yōu)勢(shì)在于：衛(wèi)星鏈路距離短，可實(shí)現(xiàn)更小的通信延遲；衛(wèi)星數(shù)量多且信號(hào)強(qiáng)度大，可實(shí)現(xiàn)更大的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)容量和全面的覆蓋范圍[12]；衛(wèi)星功能分散且存在冗余，可實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)的遠(yuǎn)程任務(wù)彈性；衛(wèi)星成本低且體積小，可更快地建造和部署。

LEO 衛(wèi)星的缺點(diǎn)在于其相對(duì)較小的覆蓋范圍和相對(duì)于地球表面的恒定運(yùn)動(dòng)，這需要由數(shù)十顆甚至數(shù)百顆衛(wèi)星組成的大型星座來(lái)提供對(duì)地面目標(biāo)的連續(xù)覆蓋。然而，隨著建造和發(fā)射衛(wèi)星進(jìn)入軌道的成本下降，利用軌道傾角的組合可以經(jīng)濟(jì)地部署足夠的衛(wèi)星，同時(shí)提供全球覆蓋。

美國(guó)國(guó)防部將通過(guò)與盟國(guó)或商業(yè)供應(yīng)商合作，進(jìn)一步分散和擴(kuò)展其衛(wèi)星通信能力，合作伙伴可以在其衛(wèi)星總線上托管政府通信有效載荷。這種托管有效載荷協(xié)議將使能力更快速地部署到軌道上，同時(shí)通過(guò)與托管衛(wèi)星所有者分擔(dān)集成、發(fā)射和運(yùn)營(yíng)費(fèi)用，降低國(guó)防衛(wèi)星系統(tǒng)成本。將軍事和商業(yè)衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)集成到混合架構(gòu)中，將為作戰(zhàn)人員提供更大的能力、靈活性和彈性，能夠根據(jù)新出現(xiàn)的威脅和不斷變化的任務(wù)要求在不同的頻帶、波形和安全級(jí)別上運(yùn)行[13]。

2.構(gòu)建光通信鏈路

實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星通信星座全部潛力的關(guān)鍵是利用天基光通信，如圖2 所示。與傳統(tǒng)的射頻通信相比，激光器的工作波長(zhǎng)要短得多，這將數(shù)據(jù)傳輸速率提高了至少一個(gè)數(shù)量級(jí)。

4.增強(qiáng)基礎(chǔ)工業(yè)

工業(yè)界面臨的挑戰(zhàn)是，傳統(tǒng)的衛(wèi)星制造往往是高度定制的、勞動(dòng)密集型的，并且涉及長(zhǎng)期的質(zhì)量保證方法，這些方法不適合大規(guī)模生產(chǎn)。為了使大型LEO 星座可行，衛(wèi)星及其各種部件和有效載荷將需要利用低成本制造和裝配技術(shù)的進(jìn)步，如增材制造、自動(dòng)化和機(jī)器人技術(shù)的增加以及更多商用現(xiàn)成部件的加入。這反過(guò)來(lái)要求衛(wèi)星總線和有效載荷設(shè)計(jì)不僅要優(yōu)先考慮性能，還要考慮成本降低和可制造性[18]。SpaceX 每月為其星鏈（Starlink）計(jì)劃建造120 顆衛(wèi)星，而此前保持最大商業(yè)衛(wèi)星星座紀(jì)錄的銥星在其巔峰時(shí)期每月生產(chǎn)6 顆衛(wèi)星[19]。

美國(guó)政府與業(yè)界合作，開(kāi)發(fā)并實(shí)施模塊化的開(kāi)放系統(tǒng)方法（MOSA），該方法鼓勵(lì)采用標(biāo)準(zhǔn)、非專(zhuān)用有效載荷接口的模塊化衛(wèi)星總線設(shè)計(jì)[20]。規(guī)劃大型低軌衛(wèi)星星座的政府和商業(yè)公司仍然需要降低發(fā)射成本，以確保長(zhǎng)期可持續(xù)發(fā)展。

四、結(jié)論

美國(guó)太空部隊(duì)的目標(biāo)是確保美國(guó)部隊(duì)能夠獲得決策優(yōu)勢(shì)，并保持足夠水平的可靠連接。從美國(guó)太空部隊(duì)未來(lái)軍事衛(wèi)星通信系統(tǒng)的建設(shè)計(jì)劃中，可總結(jié)出其方案具有以下特點(diǎn)：

1）通過(guò)部署非地球靜止軌道（NGEO）衛(wèi)星星座來(lái)擴(kuò)展現(xiàn)有系統(tǒng)，從而分散、分解、多樣化和擴(kuò)展其衛(wèi)星通信選項(xiàng)。

2）探索各種選擇，以擴(kuò)大與盟國(guó)或商業(yè)供應(yīng)商的合作伙伴關(guān)系，將政府通信有效載荷托管在其衛(wèi)星總線上。

3）積極開(kāi)發(fā)和部署星間激光鏈路，以連接其衛(wèi)星。基于空間的光通信是形成空間網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵，該網(wǎng)絡(luò)提供多樣化的連接路徑。

4）在一系列機(jī)載和地面系統(tǒng)上進(jìn)行光學(xué)通信終端的快速實(shí)驗(yàn)和演示。原型的快速部署將使運(yùn)營(yíng)商能夠試驗(yàn)和開(kāi)發(fā)光通信。

5）充分改進(jìn)地面系統(tǒng)，使其能夠?qū)崿F(xiàn)這些新衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和激光通信的優(yōu)勢(shì)。在前端，這將需要能夠處理低軌和中軌星座運(yùn)行所固有的快速和連續(xù)的衛(wèi)星波束切換的相控陣天線，以及可以在跨越多個(gè)軌道狀態(tài)的不同網(wǎng)絡(luò)中漫游并在不同的頻帶、波形和安全級(jí)別上運(yùn)行的靈活的終端。在后端，還需要在基礎(chǔ)設(shè)施中提升系統(tǒng)的管理和控制能力，自主確定和選擇最佳可用網(wǎng)絡(luò)。

6）為了達(dá)到低軌星座所需的衛(wèi)星平臺(tái)及其有效載荷的建設(shè)能力，在優(yōu)先考慮衛(wèi)星性能的同時(shí)，還需保障低成本和可制造性。

綜上，由激光通信支持和推動(dòng)的最新衛(wèi)星通信架構(gòu)將是下一代衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)展的一個(gè)主流方向，該技術(shù)架構(gòu)通過(guò)連接所有網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)各領(lǐng)域間的互操作，并在更廣泛的場(chǎng)景應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)更高的任務(wù)成功概率和更短的故障恢復(fù)時(shí)間，符合未來(lái)衛(wèi)星通信需求的發(fā)展趨勢(shì)。