美軍受保護衛星通信現狀及未來發展研究

原標題：美軍受保護衛星通信現狀及未來發展研究

作者：王 煜 來源：衛星與網路、工業智能化

美軍的受保護衛星通信系統具有抗干擾、隱蔽和具備核生存能力等優點，是美軍三大主要軍事衛星通信系統之一，是其實施戰略戰術指揮控制的基本保障手段。美軍目前主要利用 MilStar 和 AEHF 系統提供安全抗干擾通信，但這種受保護衛星通信體系不足以滿足未來作戰需求，於是美軍開始考慮構建新一代受保護衛星通信體系。

本文簡要介紹了美軍現有受保護衛星通信系統——Milstar 和 AEHF 系統，重點描述了美軍未來的受保護衛星通信系統——受保護戰略衛星通信系統和受保護戰術抗干擾衛星通信系統( PATS) ，對我國相關衛星通信系統規劃以及研究人員進行相關研究具有重要的參考意義。

引言

所謂「受保護衛星通信」是指在常規衛星通信傳輸的可靠信號發射和接收措施之外還採取了其他措施保證衛星的安全可靠。受保護衛星通信的保障措施遠不止提高整體鏈路預算等典型方法，如增大天線口徑、提高功率、改變調製類型等，還會使用高定向性點波束、擴頻及跳頻技術等其他措施實現抗干擾、抗閃爍、低截獲概率、低檢測概率等能力，其重點是抗干擾、隱蔽、核生存。

在競爭及敵對環境中，寬頻系統性能會降級，而受保護衛星通信則仍可正常工作( 數據速率會降低) 。這些獨特的能力使得受保護衛星通信非常適合最關鍵的戰略級部隊以及任務指揮系統，受保護通信對保證各級作戰的指揮控制也至關重要。

正因如此，美軍的受保護衛星通信系統成為三大軍事衛星通信系統之一，與其他兩大系統（寬頻衛星通信系統和窄帶衛星通信) 各司其職但又互為補充、彼此協作，共同構成美軍完整的軍事衛星通信體系。美軍的受保護衛星通信系統具有避免、預防和減輕通信服務的降級、中斷、非授權接入或被敵人利用等功能，它為美國的戰略和戰術力量在各種級別的衝突中提供安全、可靠的衛星通信，可以說是美軍的生命線。

以下將介紹美軍現役受保護衛星通信系統，然後重點描述了美軍的未來受保護衛星通信體系。

美軍受保護衛星通信系統發展現狀

受保護衛星通信是美軍近年來發展的重要通信 能力。目前美軍的受保護衛星通信系統主要包括先進極高頻( AEHF) 和「軍事星」 ( Milstar) 系統以及增強型極地系統( EPS) ，它們用高度安全且抗干擾的通信為戰略級、戰役級和戰術級部隊提供支持。其中 Milstar 和 AEHF 系統為中緯度地區的戰略與戰術用戶提供受保護衛星通信， EPS 則為北極地區的少量戰術用戶提供服務。

AEHF 和 Milstar 工作於 EHF 及 SHF 頻段( 上行鏈路 EHF、下行鏈路 SHF) ， 具備低數據速率( LDＲ) 、中數據速率( MDＲ) 和擴展數據速率( XDＲ) 運行模式。由於 Milstar 及 AEHF 衛星需要強調抗干擾和核加固等特性，因此通信吞吐量要小於寬頻衛星通信。

1、Milstar

Milstar 是一種多軍種聯合衛星通信系統，可提供安全、抗干擾的全球通信，滿足高優先順序軍事用戶的基本戰時要求。

Milstar 衛星星座位於地球同步軌道，可為美陸軍、海軍、海軍陸戰隊、空軍以及其他國防部用戶提供互操作能力，將指揮機構與各種資源連接起來，包括水面艦艇、潛艇、飛機、地面站等。

Milstar 星座有 5 顆衛星： 前 2 顆星( Block I) 具備低數據速率能力，一條信道( Milstar 低數據速率幀) 最多支持 4 個用戶； 後 3 顆星( Block II) 同時支持低數據速率和中數據速率，將數據速率提升到1.544 Mbps。

Milstar 的覆蓋範圍是南緯 65°至北緯 65°，有星間鏈路，可不依賴地面站實現全球通信，這在受干擾時非常有用， Milstar 使用 EHF 頻段。

Milstar 可實現安全、抗毀、強抗干擾的全球通信、星間通信，採用自主操作，能夠重構以滿足戰場需求，能直接支持移動部隊。Milstar 在星上進行全部通信處理及網路路由，擺脫對易受攻擊的地基中繼站的依賴，並降低通信在地面上遭截獲的可能性。

Milstar 的頻段、波形以及信號處理演算法都很棒。在設計空間段及任務控制段時就考慮了抗毀性及持久性，確保 Milstar 用戶在規定的衝突級別下，可通過一定量的終端來維持基本通信連接，為戰略至戰術級的任務提供支持。Milstar 的靈活性為用戶提供更多的通信服務配置選項。

2、 AEHF

AEHF 衛星系統是一種多軍種聯合衛星通信系統，可提供安全、受保護、抗干擾的全球軍用衛星通信。AEHF 載荷可為用戶提供 75 bps～8 Mbps 的數據速率，該數據速率範圍可兼容 Milstar Block II 衛星上的低數據速率載荷及中數據速率載荷。

AEHF 星座提供與 Milstar 相同的調零天線及星間鏈路能力，但吞吐量更大。AEHF 依然使用 1 個 EHF 上行鏈路和 1 個 SHF 下行鏈路，但指向可控、 方向圖可控的波束更多； 戰術用戶能夠以更高的數據速率使用下列波束：超高增益對地覆蓋( 達到 160 個波束) ；中解析度覆蓋天線( 6 波束) ； 波束共享中解析度覆蓋範圍( 6～24 波束位置) 。AEHF 採用加密設計。

AEHF 為戰略級、戰術級用戶提升了現有的 Milstar 系統通信能力，並升級受保護軍用衛星通信能力。

AEHF 系統非常靈活，足以支持針對各獨立作戰環境進行通信，且能通過重構。滿足不斷變化的作戰要求。它可保護關鍵的話音、數據通信，防止低/中/高數據速率業務被干擾、截獲、檢測，以及遭到自然和核爆的影響。AEHF 衛星通信系統有 3 個部分：空間段；控制段( 任務控制及相關通信鏈路 )； 終端段。

⑴ AEHF 空間段

AEHF 空間段是由 Milstar 和 AEHF 衛星組成的綜合星座，它使用 EHF 上行鏈路及 SHF 下行鏈路與系統用戶通信。AEHF 衛星可使用 V 波段星間鏈路與 AEHF 衛星和 Milstar 交鏈，這樣可以不使用脆弱的地面站而利用整個星座實現全球通信。

AEHF 系統能同時覆蓋多個戰區，這種覆蓋能力能夠為在地理上集中部署的戰術級地面、空中及海上部隊提供支持。此外，戰區覆蓋區域還能進一步細分為高解析度區域和中解析度區域。

⑵ AEHF 控制段

控制段包括 4 個部分： 任務控制( 載荷重構、衛星維護及重定位) ； 任務規劃( 規劃網路，並在任務規劃設備 AN/PYQ－19 上生成用戶/部隊級終端圖像) ；任務及運作支持( 任務規劃輔助及資源分配，以及來自區域衛星通信支持中心的監控) ； 訓練及模擬，支持控制段全生命周期及其演化全階段的訓練開發。這些組成部分綜合起來提供任務控制能力，為空間段、控制段及終端段提供支持。

⑶ AEHF 終端段

終端段包括地面固定、移動、背負式、可搬移式、機載、艦載、潛艇載終端等多種配置。終端段是可互操作的，可使用通用話音、數據、加密以及數據網路設備加入各軍兵種及網路。AEHF 終端可通過 AEHF 及 Milstar 網路進行通信。

AEHF 終端( 包括美陸軍的 SMAＲT－T 終端) 可支持 AEHF 的擴展數據速率及 Milstar 的低數據速率或中數據速率工作模式。所有傳統的 Milstar 終端依然兼容 Milstar，如果 AEHF 衛星配置後向兼容 Milstar 服務，這些終端也可以與 AEHF 衛星兼容。 請加微信公眾號：工業智能化(robotinfo) 馬雲都在關注

目前已有 3 顆 AEHF 發射入軌運行， AEHF 系統已達到了初始運行能力。而原計劃於 2017 年發射的 AEHF－4 則將發射時間推遲到了 2018 年，第 4 顆衛星將使系統達到完全運行能力。之後還規划了另外 2 顆衛星( AEHF－5 和－6) 提供重疊全球覆蓋和在軌備份，將在 AEHF－1 和 AEHF－2 達到使用壽命時取而代之。

美軍未來受保護衛星通信系統

雖然美軍的 AEHF 受保護衛星通信系統至今仍未部署完成，還未達到完全運行能力，但鑒於未來戰爭環境將要面臨愈加激烈的反衛星威脅和競爭的形勢以及受保護衛星通信的重要作用，美軍早在幾年前就已經開始考慮下一代受保護衛星通信體系了。美軍在對未來軍事需求以及其當前受保護衛星能力進行分析後認為，其當前系統在衛星數量、彈性、容量、採購成本以及行動靈活性方面還不能滿足需求。

於是美空軍於 2013 年 9 月 發 布 了「受保護衛星通信服務 ( PSCS) 信息徵詢書」文件，開始著手推動美軍戰略戰術受保護衛星通信體系的替代方案研究並對未來受保護衛星通信服務提出了需求。該文件認為，美軍目前的受保護軍事衛星通信服務目前是利用 EHF 波段為戰略戰術部隊提供服務，未來它將使用任意波形、頻段和設備組合，要能保障任務關鍵數據和信息通信並在高度競爭的環境中運行。

經過數年努力後，2016 年美軍完成了受保護衛星通信方案分析。分析認為之前無論 Milstar 還是 AEHF 系統均集戰略戰術受保護通信能力於一身，而受保護戰略和戰術衛星服務的任務和要求其實差別較大：受保護戰略衛星通信服務要能在核爆條件、對抗環境或者良好環境等各種作戰環境下，提供低截獲率/低探測率和低利用率( LPI/LPD/LPE) 、持久、頑存、抗閃爍且抗干擾的通信以及核指揮控制 ( NC2 ) 服務；而受保護戰術通信則要在對抗和良好環境中提供 LPI/LPD/LPE 和抗干擾通信能力。

二者對比不難發現，受保護戰術通信沒有核環境工作要求，增加核防護措施必然要以成本的上升和性能的下降為代價，對未來滿足衛星彈性、靈活性、數量和容量需求不利。因此美軍決定未來其受保護衛星通信體系將分別使用分離的戰略和戰術衛星星座為用戶提供服務，即將戰略和戰術衛星分離，至此美軍未來受保護衛星通信體系大致框架已基本揭曉。

戰略衛星通信將繼續使用擴展數據率( XDＲ) 波形支持各種作戰環境下的核指揮控制服務。受保護戰術通信將遷移至受保護抗干擾戰術衛星通信 ( PATS ) 系統。利用受保護戰術波形( PTW ) 支持戰 術服務，未來受保護戰術通信系統還將同時覆蓋中緯度與極地地區。

以下將分別介紹未來美軍的戰略和戰術受保護衛星通信系統。

1、受保護戰略衛星通信系統

2017 年 5 月美國空軍空間與導彈系統中心 ( SMC ) 發布了「未來受保護戰略衛星通信」項目信息徵詢書，披露了美軍未來受保護戰略衛星通信體系結構。新一代戰略衛星通信系統是 AEHF 系統的後繼方案，包括戰略 XDＲ 通信衛星星座和相關任務控制段。它具有彈性特徵，支持擴展數據率( XDＲ) 波形。XDＲ 波形是美軍目前最複雜的低探測率、低攔截率、抗干擾波形的一種，可擴展數據速率波形使得數據傳輸率比傳統衛星系統的傳輸率提高 5 倍以 上。該系統將為北極地區提供戰略衛星通信支持能力並增強戰略衛星通信的彈性。

新戰略衛星通信系統發射後最初可能利用後向兼容的 ＲF 交叉鏈路與現有 AEHF 衛星構成一種混合星座。其中 AEHF 繼續支持戰略與戰術用戶，直至戰術用戶從 XDＲ 遷移至 PTW。新衛星則首先支持戰略通信，但也可支持具有 XDＲ 終端的戰術用 戶。此外，戰略衛星通信系統最終將覆蓋中緯度地 區( 北緯 65°～南緯 65°) 和極地地區( 北緯 65° ～北 緯 90°) 。新戰略衛星通信系統將採用符合美空軍 「太空企業設想( SEV) 」和企業地面服務( EGS) ( 一種通用航天地面段體系) 的介面，因此可增強任務保障、彈性和互操作能力。

美空軍預計 2029 年 10 月向中緯度用戶提供新的在軌戰略衛星通信能力，美軍還希望能夠加快提供新的在軌戰略 XDＲ 能力，在徵詢書中，美軍提出了該戰略衛星通信系統的空間段和任務控制段能力要求。

⑴ 空間段能力要求

空間段除需滿足核加固要求、可在所有作戰環境中提供核指揮控制服務外，還需在不依賴地面中繼站情況下，支持中緯度( 北緯 65°～南緯 65°) 和極地( 北緯 65°～北緯 90°) 通信覆蓋；

總吞吐量：中緯度用戶為 26 Mbps( 良好環境 ) ， 0.4 Mbps( 抗閃爍 ) ； 極地地區用戶 1 Mbps( 良好環境 ) ， 0.2 Mbps( 抗閃爍 ) ；

數據率：從 75 bps～8.192 Mbps( 良好環境 ) ， 19.2 kbps( 抗閃爍 )【 註：75 bps( 抗閃爍 ) 適用於極地用 戶】 ；

另外，空間段還需後向兼容 XDＲ 波形、 Suite A 加密以及 AEHF 的 ＲF 交鏈、 EHF 上行鏈路和 SHF 下行鏈路；空間段還要有探測和應對多種網路攻擊的能力，並能夠在受到攻擊後快速恢復；航天器平台能夠容納搭載式受保護戰術波形有效載荷。

⑵ 任務控制段能力要求

美國政府現階段希望儘可能重用現有地面系 統，但未來需要從現有 AEHF 任務控制段( 同時提供戰略和戰術能力) 過渡到新系統( 側重提供戰略能力)。

新系統的任務控制段提供一種基於軟體體系架構的企業服務，該軟體體系可與虛擬化環境兼容，並遵守企業地面服務( EGS) 的介面和標準。系統體系必須支持功能與網路彈性能力，出現故障或遇到攻擊和破壞時仍能繼續工作。任務和控制段還要提供發射、早期運行、部署、檢驗階段的帶外( S 波段) 指控能力，以及實現衛星任務控制、軌道管理、計時和報告的帶內( EHF/SHF) 指控能力。該任務控制段可為用戶提供任務通信規劃、系統數據生成、通信態勢感知與資源監控、星座指揮控制與規劃、數據存檔與檢索以及測試支持等服務。

在該戰略衛星通信系統衛星發射後，這些衛星可能通過後向兼容交叉鏈路與現有 AEHF 衛星以混合星座的方式一起工作。AEHF 衛星將繼續通過 XDＲ 終端向戰略和戰術用戶提供支持，直到戰術用戶從 XDＲ 過渡到 PTW。新衛星將主要側重支持戰略通信，但會繼續利用 XDＲ 終端向剩餘的戰術用戶提供通信支持。

美空軍預計 2029 年 10 月開始為中緯度地區用 戶提供新的戰略衛星通信能力，開發啟動不早於 2019 財年。

2、受保護抗干擾戰術衛星通信系統( PATS)

目前美軍沒有獨立的受保護戰術通信衛星/載荷，受保護戰術通信由 Milstar 和 AEHF 系統提供，遠不能滿足美軍需求，未來美軍將建立單獨的PATS 系統提供受保護戰術衛星通信服務。2017 年 2 月， 美國空軍空間與導彈系統中心發布了「受保護戰術衛星通信系統( PTS) 信息徵詢書」，探索新的戰術衛星通信架構，用受保護抗干擾戰術衛星通信( PATS) 系統，實現未來的受保護抗干擾戰術衛星通信。PATS 將向良好及對抗環境中的戰術作戰人員提供全球範圍的超視距、抗干擾及低截獲概率( LPI) /低檢測概率( LPD) 通信。

實現 PATS 的三個要素包括：

① 受保護戰術波形( PTW) PTW 是一種新的、彈性更強的無線電波形，是在衛星通信應用軟體無線電技術的重要體現。利用這種波形，美軍的非受保護軍事衛星以及商用衛星可通過軟體載入 PTW 的形式實現受保護戰術通信功能。它是 PATS 運行概念的重要組成，也是實現新一代 PTS 衛星的基礎。

PTW 是通過耦合 AEHF 系統上的軍用 XDＲ 波形標準與商業通信中廣泛採用的數字視頻廣播-衛星標準 2( DVB－S2) 通信體制，開發出的一種不依賴於通信衛星體系架構的受保護戰術波形。PTW 可減輕對中、高容量戰術通信服務的干擾效應。使用該波形，即使是不具備受保護衛星通信能力的 WGS 衛星以及普通透明轉髮式商業衛星，只要在終端更換調製解調設備( 變為 PTW 數據機) ，並加裝加密模塊，就能夠實現良好的抗干擾水平。

2012～2014 年期間，美軍空間與導彈系統中心成功進行了受保護戰術波形( PTW ) 的開發和演示驗證，目前正在為其實施打基礎。美軍通過受保護戰術部隊現場演示驗證( PTSFD ) 開發可由部隊使用的成熟量產 PTW 數據機，升級當前已經部署的終端，如海軍多波段終端( NMT ) 、WIN-T 及空基終端。美國空軍預計最早將於 2018 年在新型調製 解調器和重新研製的終端上驗證受保護戰術波形 ( PTW ) 。

② 受保護戰術企業服務( PTES ) 要利用非受保護軍事和商業衛星提供受保護戰術服務，建立統一任務管理、密鑰管理和服務系統必不可少。受保護戰術企業服務( PTES ) 就是這樣一種支持 PTW 運行的運行服務系統。PTES 是一個集成系統，包括任務管理系統、密鑰管理系統和主站。PTES 將利用兼容 PTW 的數據機或終端通過 WGS 衛星向用戶提供受保護戰術通信服務，未來還要能向商業衛星通信擴展，在 C、Ku 和商業 Ka 頻段商業衛星上實現 PTW，提供受保護戰術服務。

美軍計劃 2017 ～ 2026 年開發實現 PTES，計劃 2023 年能向單一戰區提供 PTW WGS 服務， 2025 年實現全球 PTW WGS 服務，之後則實現通過商用衛星提供受保護戰術服務。

③ 受保護戰術服務( PTS) 系統受保護戰術服務( PTS) 系統是 PATS 運行概念的一個重要組成部分。PTS 將利用運行 PTW 的全處理有效載荷最大限度地提高競爭環境中的抗干擾能力，極大擴展作戰人員的受保護戰術衛星通信容量。PTS 包括空間段、地面段和終端段。

PTS 空間段包括搭載有效載荷、小衛星和大容量衛星。其中，有效載荷可搭載在商用衛星、美國軍事衛星、美國其他政府衛星以及國際合作夥伴衛星上，運行軌道主要是地球同步軌道，也包括高軌或「苔原」傾斜軌道，以滿足北極地區衛星通信需求； 大容量衛星則採用地球同步軌道和「苔原」軌道兩類軌道衛星組成的集成星座，其中 3 顆同步軌道衛星覆蓋中緯度( 南北緯 65°間 ) 用戶，3 顆「苔原」軌道衛星覆蓋北極地區並增強同步軌道衛星中緯度覆蓋和空間段彈性。PTS 空間段需具有抗干擾及低截獲概率/低檢測概率/低利用概率特性，通信覆蓋範圍為南緯 65°～北緯 90°。對於大容量衛星，每顆衛星吞吐量高於 1.6 Gbps，對於搭載有效載荷以及小衛星，吞吐量高於 400 Mbps。

PTS 地面段需符合企業地面服務( EGS ) 架構。 EGS 可提供通用地面系統規範和標準，打破美軍目前多個煙囪式專用任務系統不能互操作的現狀。 PTS 採用 EGS 架構不僅是為了保證與 PATS 系統其他構件的互操作，還要實現與美軍其他軍用衛星系統的互操作，保證未來美軍的所有軍用衛星通信系統能夠融為一體，共管共用。

PTS 地面段主要包括測控單元、任務管理系統、密鑰管理系統及網關係統。其中，測控單元主要完成有效載荷指揮控制、終端和有效載荷重新分配密鑰支持、用戶星曆消息生成和分發、有效載荷資源監測、有效載荷時鐘時頻管理等；任務管理系統完成戰術衛星通信任務規劃和衛星資源規劃；密鑰管理系統為終端和有效載荷分發密鑰( NSA Suite B 加密 ) ； PTS 任務管理和密鑰管理地面部分將與 PTES 任務管理和密鑰管理地面單元連接或集成，實現受保護戰術衛星通信容量的靈活、有效、高效分配；網關係統則為北極及中緯度/赤道地區用戶提供到國防部信息網( DoDIN ) 的受保護戰術衛星通信連接。

PTS 的終端段則要求工作在 Ka 和 EHF 頻段，並能利用地球同步和/或「苔原」軌道衛星工作。

此外，PTS 還應具備地面及空間彈性能力，能夠對一切已知威脅做出響應並能應對未來威脅。

美軍計劃通過三個階段實現 PATS。第一階段 是 PATS WGS 階段，利用受保護戰術企業服務 ( PTES) 通過現有 WGS 衛星在 X 和 Ka 頻段實現 PTW 通信； 第二階段是 PATS 商用階段，將擴展 PTES 系統，通過商業衛星通信支持 PTW，提高彈性及靈活性；第三階段是專用 PATS 受保護戰術服務 ( PTS ) 階段，將通過專用全處理有效載荷實現 PTW 通信。最終形成將三個階段資產整合為一體的 PATS 系統。

最終形成的 PATS 體系，空間段將包括： WGS 衛星、商用衛星以及 PTS 空間段； 地面段則包括 PTES 和 PTS 地面段， PTES 主要針對 WGS 和商用衛星完成任務管理、密鑰管理以及接入， PTS 地面段則主要針對 PTS 空間段，美軍正在探索如何整合 PTES 和 PTS 地面系統，有兩種選擇，一是將 PTES 的任務管理和密鑰管理系統擴展至為 PTS 可用，二 是 PTS 提供任務管理系統和密鑰管理系統與 PTES 任務管理和密鑰管理系統的介面。最終 PTES 的任務管理和密鑰管理以及 PTS 同類地面段系統都將整合到 PATS 運行中心中。

結束語

受保護衛星通信系統作為三大軍事衛星通信系統之一，作為戰時的基本通信保障手段，美軍一直十分重視其建設，目前正在進行新一代受保護衛星通信系統 AEHF 的建設和部署。但美國防部依然認為其衛星通信系統難以滿足未來作戰需求，因此已經開始啟動了下一代受保護衛星通信體系研究。

目前，美軍下一代受保護衛星通信體系已大致確定，它將採用戰略和戰術受保護衛星通信分離的方式，充分利用包括商用、政府和其他軍用衛星在內的各種資產，以提高系統彈性、抗毀性、業務靈活性和容量為目標，與其他衛星系統融為一體，共同為美軍提供通信保障。（《無線電通信技術》2018 年第 44 卷第 3 期 ）

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