《国际太空》《卫星应用》
  
  敬告:本站已停止更新,了解本刊请访问“中国太空网”

qrCode
微信扫一扫:手机太空网
美国成功发射移动用户目标系统-4
来源:国际太空作者:朱贵伟 


2015年9月2日,美国成功发射移动用户目标系统-4(MUOS-4)卫星,这是美国在2015年发射的第2颗MUOS卫星。目前,这一5星星座已完成4星发射,构成了海军所谓的“初始星座”,基本实现了全球覆盖。经过数月在轨测试之后,MUOS-4卫星将投入使用。配合地面站的建设和大系统联合测试,整个系统将于2017年实现“全面运行能力”(FOC)。届时,MUOS卫星的数字化载荷将为战术部队卫星通信能力带来质的飞跃。



1.概况

MUOS是美国新一代的窄带军事卫星通信系统,用于补充并最终接替“特高频后继星”(UFO)系统,为全球范围内美军各军种用户提供特高频(UHF)战术卫星移动通信服务。

美军窄带军事卫星通信系统是美军整个军事卫星通信体系的重要组成部分,主要解决低速率战术移动通信需求,支持海上舰艇、飞机和导弹等空中平台以及地面机动部队的作战需求。系统采用UHF频段,可穿透丛林和植被覆盖、抵抗各类严酷天气环境,并且支持小型化全向通信终端,因此易于为战术部队使用,且部署最为广泛。目前,美军各军种已部署50多型、超过1.8万台UHF终端,窄带卫星用户占美军所有卫星通信用户的50%以上。

MUOS系统由海军空间与海战司令部(SPAWAR)下设的通信卫星项目办公室(PMW-146)负责采办。整个项目于20世纪90年代提出,2002年9月正式启动,2004年通过系统设计评审,进入研制阶段。

整个项目的主承包商是洛马公司,项目团队包括洛马航天系统公司(主承包商和系统集成商)、洛马航天系统公司商业航天分部(负责卫星研制)、波音公司(负责“遗产”载荷的研制)、通用动力公司C4I分部(C4I为指挥、控制、通信、计算机和情报,负责地面站与用户终端波形开发)、哈里斯公司(负责星载大型空间可展开反射器的研制)等。

美国海军共计规划了5颗在轨卫星,其中4颗工作星形成全球覆盖,另有1颗在轨备份星。星座自2012年开始部署,目前已有4颗卫星成功发射,第5颗卫星计划2016年发射,项目总成本达到74亿美元。

MUOS卫星沿用了UFO体制的有效载荷,与现役地面终端相兼容。此外,卫星还增加了新型体制载荷,即基于地面第三代商业移动蜂窝网标准宽带码分多址(WCDMA)的体制,使单星容量大幅提升。而且系统采用的Rake接收机、Turbo编码和干扰减缓等技术,提升了系统内在的抗干扰能力。

MUOS系统的出现,改变了美军UHF频段窄带战术通信卫星系统30多年来的网络体系、通信波形和使用方式,提供网络化战术移动通信能力,更好地支持美军网络中心战。


2.体系架构与系统构成

整体上看,MUOS系统仍采用“天星地网”的体系架构,但是整个系统对地面的依赖性更高,信号的处理与交换、通信网络资源的控制与管理均在地面进行。


MUOS系统空间段和地面段的部署情况示意图

在系统构成方面,MUOS系统由空间段、地面段和用户段构成。由于MUOS系统与地面网络的一体化程度更高,在卫星轨位选择与地面站站址选择方面需要高度配合。在现有体系中,每颗卫星对相邻2个地面站可见,而每个地面站也对相邻2颗卫星可见。

空间段

MUOS系统的空间段包括5颗地球静止轨道通信卫星(4颗工作星,1颗备份星)。4颗MUOS工作星计划分别部署在太平洋、美国本土、大西洋和印度洋上空,在轨备份星部署在72°(E),用于提高中东和南亚等热点地区的通信保障能力。

MUOS卫星采用洛马公司的A2100M平台,卫星净质量约3800kg,发射质量6700kg,设计寿命10年,功率15.4kW。星体高7.9m,宽4.3m,太阳电池翼翼展28m。

卫星共携带两种载荷:一是与UFO系统相兼容的“遗产”载荷;二是新型的WCDMA载荷。在转发器方面,MUOS卫星采用透明式转发器,星上仅进行功率放大、频率变换以及数字信号与模拟信号转换。

在天线方面,MUOS卫星共携带4副通信天线:

1)1副大口径反射面多波束天线,通过馈源阵形成16个点波束,用于WCDMA信号的收发和UHF传统信号的接收,采用折叠径向肋可展开结构,在轨展开后直径14m;

2)1副UHF传统天线,用于UHF传统信号的发送,采用直杆径向肋可展开结构,在轨展开后直径5.4m;

3)另有2副Ka频段星地馈电链路发射与接收天线。


MUOS卫星在轨示意图

地面段

MUOS系统的地面段包括4个无线接入站(RAF)和2个卫星控制站(SCF)。这6个地面站之间用高速光纤相连,其中:4个无线接入站分别部署在美国夏威夷的瓦西阿瓦、美国弗吉尼亚州西北部的诺福克海军基地、意大利的西西里岛和澳大利亚;2个卫星控制站分别部署在美国加利福尼亚州的穆古海军航空站和科罗拉多州施里佛空军基地。

无线接入站主要完成无线信号接入管理、信号的路由和交换以及网络管理等功能,进行通信规划、资源分配以及信号接入的优先级区分。此外,无线接入站还负责网络状态监测,在整个MUOS网络范围内基于通信优先级进行实时通信资源分配和重分配。

卫星控制站主要负责接收卫星状态信息(由无线接入站接收测控信号后,经光纤传输至测控站),利用保密遥测链路再经由无线接入站向卫星发送指令。飞控人员主要通过卫星控制站来配置卫星相关数据,确保卫星保持在正确的轨位。

地面段的建设分3个阶段进行,在第三阶段完成后,将全面具备点对点和群组通信支持能力,可进行频谱适应性调整、地理定位、通信规划、密钥管理、全网络和运行管理、拥塞管理,并可接入国防交换网(DSN)和保密IP路由网(SIPRNET)。

用户段

MUOS系统可支持指挥控制、火力支援、作战管理、搜索营救、战术数据链、广播、巡航导弹/无人机控制数据链等多种应用,因而终端形式和加装平台十分多样。受体制限制,各型终端由军兵种独立采办,典型的终端包括陆军的AN/PSC-5“喷火”终端、海军的WSC-3终端、空军的ARC-210终端等。这些终端均是原有的UHF终端,MUOS系统也可以支持新型的或经过软件升级的终端,即只要是支持MUOS系统WCDMA波形的终端都可以接入卫星系统。

目前,美军正在积极推进波形的开发工作,争取使更多的终端能够接入MUOS系统。例如美军的HMS、AMF、ARC-231等系列终端,在加装适应性设备之后,均可与MUOS通信。据美国海军官方报道,美军现役无线电终端中,有5.5万部终端仅需进行软件升级即可接入MUOS系统。

MUOS系统支持陆、海、空各类移动终端,根据不同的平台有不同目标速率。

3.系统能力与特点

系统容量

与地面移动蜂窝网相似,MUOS系统的最大容量难以量化,取决于用户的传播条件、无线电功率、终端所处位置及通信的占空比。为与UFO卫星系统相比较,一般采用同时接入的用户数量来衡量系统的最大容量。

MUOS采用WCDMA体制,1个信道(即1路转发器)拥有5MHz带宽,所以1个波束就可以拥有4个信道。而多点波束使得MUOS卫星可实现高度的频分复用,每个波束内都可充分利用20MHz的带宽。因此,1颗MUOS卫星的WCDMA信道总数为16×4=64个。

经用户到卫星再到地面站的链路称为U2B链路(即用户到基站),而反过来则称为B2U链路(即基站到用户)。对于U2B链路,这64个信道都通过Ka频段数字馈电链路下传至无线接入站,卫星视场内的2个无线接入站各发送32个信道。对于B2U链路,无线接入站则利用Ka频段模拟馈电链路向其视场内的2颗卫星各上传32个信道。卫星再将接收到的64个信道转接至相应的下行波束和信道。在系统负载的限制下,无线接入站尽可能地在所有可用信道内平均分配负载,从而实现系统容量的最大化。

在WCDMA体制中,用户采用扩频码进行区分。而MUOS每个波束内的每个信道拥有512个码字,其中有494个码字可用,理论上可支持近500个用户。但是由于卫星功率有限,且系统存在多用户干扰,在实际中难以实现这一理论值。

因此,在系统负载尽可能地平均、而多用户干扰也在一定程度以下时,系统的容量就达到了最高值。单颗MUOS卫星可支持的2.4kbit/s终端同时接入数量为4083个,再加上UHF传统载荷支持的106个,单星最多可支持4189个终端同时接入。因此单星的总容量就为4189×2.4kbit/s=10.54Mbit/s,远超过UFO星座总容量2.666Mbit/s。

此外,为了提高战区容量、提升系统的可用性,MUOS系统采用重叠覆盖的方案,星座覆盖区域内[65°(S)~65°(N)]超过70%的地区都有2颗卫星覆盖。覆盖区域的重叠一方面提高了关键地区的容量,另一方面当某一颗卫星失效或受到严重干扰时,保证至少有1颗卫星可提供通信。


MUOS全球覆盖图(灰色区域为双重覆盖)

信号流程

MUOS卫星的转发器为弯管转发器,信号的路由和大部分的链路处理放在地面无线接入和交换中心进行。因此,不论2个用户是处在同一颗卫星的同一波束内,还是处于不同卫星的不同波束内,都必须经过两跳才能完成通信。

MUOS的信号流

对于U2B链路,WCDMA信号(300~320MHz)和UHF传统信号(292~318)通过各自的上行链路传送至MUOS卫星的多波束网格天线,卫星将接收到的所有信号统一转换成数字信号,通过Ka频段下行链路(20.2~21.2GHz)发送给覆盖区域下的无线接入站,由无线接入站对所有的用户信号进行解调和译码。为了平衡网络负载,每颗MUOS卫星都将接收到的数据平均分配到2个无线接入站。

无线接入站对接收到的信号进行处理之后,利用高速光纤传送至最近的交换站(瓦西阿瓦站和诺福克地面站),交换站根据信号目的传送至国防信息系统网或合适的无线接入站。

对于B2U链路,首先由无线接入站通过Ka频段上行链路(30.0~30.1GHz)将UHF模拟信号发送给MUOS卫星。卫星接收到信号后,首先进行放大、下变频到UHF频段,再分别通过多波束天线(360~380MHz)和传统天线(244~270MHz)发送给目标用户,最终完成数据传输。

采用这种网络体系,将信号处理和路由功能放在地面来完成,可降低卫星的复杂度;而信号的交换和网络的管理都放在美国本土的地面站,在一定程度上保证网络的安全运行。但是,不论地面终端是否处于同一波束内,都必须经过两跳通信,使得链路时延变长(仅U2B链路就有640ms的时延),对信号的传输协议和网络的功率控制带来一定的难度。

系统特点

(1)采用WCDMA体制,架设太空基站

MUOS系统的最大特点就是采用了WCDMA体制,这使得MUOS系统在体系和功能设计上完全有别于传统的卫星。


MUOS太空基站模式

与地面蜂窝网的体系架构相似,MUOS卫星扮演着位于3.6×104km高度的巨型信号塔,与地面的无线接入站一起构成了地面蜂窝网中的基站和无线网络控制模块,负责用户通信信号的发射与接收、用户的接入控制。而地面站的交换中心和网络管理中心则相当于地面蜂窝网的核心网,负责信号的路由交换、网络监控与管理。

此外,由于采用WCDMA体制,也引入了其他方面的优点。首先是采用了直接序列扩频,具有内在的抗干扰特性,用户信号功率分布在5MHz带宽内,经接收处理后,在一定程度上可削弱干扰。其次,采用Rake接收机可获得多径分集带来的好处,使得MUOS在建筑物密集地区也可使用。第三,引入了地面蜂窝资源管理技术,可进行自适应功率控制,即使在恶劣环境下也可提供通信,而且信道资源利用率更高,仅在需要通话时才分配资源。第四,星地通信为数字信号,大量处理在地面进行,使得MUOS系统可以支持IP应用,并且能够更好地与地面全球信息栅格(GIG)网络相连,提供保密话音、数据等服务。

(2)装载大型空间可展开天线,支持手持终端

MUOS卫星相较于UFO卫星的另一大飞跃就是可以支持手持移动终端,这主要是通过点波束来实现的。MUOS卫星携带了1副直径14m的大型可展开网格天线,通过由61个正交偶极子组成的馈源阵可形成16个点波束,全面覆盖星下区域。

利用点波束可以把有限的功率集中在一定范围内,从而提高波束内的增益。MUOS卫星点波束的增益比UFO卫星的全球波束增益要高12~15dB,从而可以有效支持手持终端动中通。

现役UFO卫星并不支持手持终端,一般仅可支持单兵肩负式终端,质量近10kg,安装拆卸均需10min时间,且仅能支持2.4kbit/s“静中通”。而MUOS新型手持终端仅为1kg左右,支持9.6kbit/s“动中通”,而且由于借鉴了商业波形,可以支持IP应用。因此,MUOS系统全面运行后,可使士兵的手持终端具备类似智能手机的功能与能力。

此外,信号增益的提升再加上MUOS系统功率调整能力,使得单链路的通信速率有了大幅提升,最高速率可达384kbit/s。

(3)穿透丛林覆盖,可覆盖北极地区

MUOS卫星由于采用UHF频段,具有传播损耗低、电磁波绕射能力强、受多普勒频移影响小等突出优点,可满足各种恶劣环境下的作战通信需求。因此,UHF频段成为战术卫星通信的首选频段。此外,UHF频段应用WCDMA体制,也为MUOS系统带来额外的好处。

2013年底至2014年,美国海军利用发射入轨的2颗MUOS卫星,先后多次开展了北极区通信试验,最远地点到达了89.5°(N),打破了GEO通信卫星仅能覆盖65°(S)~65°(N)之间地区的传统认知,极大地扩展了GEO通信卫星的覆盖区域。

2014年3月,MUOS卫星首次参与了美国海军组织的“2014冰原演习”(ICEX)。此次演习中,军方首次在北极地区能够通过稳定的卫星链路传输大容量的数据文件,进一步验证了MUOS卫星在北极地区也是一种可靠的设施。17-27日期间,MUOS系统向“鹦鹉螺”冰原兵营提供的服务时间超过8800min。处在该兵营的美国海军用户能够链接到保密通信系统,并且发送数据文件。

4.总结与启示

大力发展窄带移动通信卫星系统

窄带移动通信卫星系统具有频率资源战略性、作战应用战术性和广泛性等特点,受到了国外普遍的重视,而美国军方自20世纪70年代起,就着力发展军事窄带移动通信卫星系统,为作战部队提供常态化的任务保障。

首先,窄带移动通信卫星系统大多采用低频段,而国际上对该频段的划分具有带宽小、分散不连续等特点,使得这部分频率资源特别稀缺。以UHF频段为例,国际电信联盟划分的主要业务使用频段共计9个不连续谱段,合计上行11.25MHz、下行3.85MHz带宽。而美军MUOS系统所采用的20MHz带宽则是需要经过大量频率协调工作,使其显得更加珍贵。

其次,窄带移动通信卫星系统的电磁传播特性和终端尺寸与类型,使其非常适合地面小型部队大范围机动通信和应急救灾通信。目前,卫星移动通信已经成为美国、俄罗斯和欧洲保障大范围机动部队、舰船与飞机指挥控制的常规手段,用于维持关键地区常态化覆盖。此外,UHF频段军事卫星移动通信系统还具有穿透丛林植被、云雨和城市地区的特性,这也使其军事应用的价值更加突出。

天地同步建设,发挥系统最大效能

目前,MUOS系统已经完成了4颗卫星发射和4个地面站建设工作,通信波形也已开发出3.1版本,并且开展了初步的端到端测试工作。根据计划,2015年底开展地面站联网测试,计划2016年发射MUOS-5卫星,2017年实现“全面运行能力”(FOC)。但是,MUOS系统的建设仍面临诸多问题。

首先是地面站建设和联网延期问题。MUOS系统在全球布设的4个地面站中,意大利西西里岛的地面站因遭到当地居民反对而一再延期,中间甚至两度被迫停工。2015年地面站建设工作完成后,再次遭到当地居民抗议,导致地面站测试时间被迫往后推迟,甚至影响星地大系统联试。

其次是波形、终端与地面站的集成问题。虽然目前已有4颗MUOS卫星在轨,但是星座中仅有10%的容量处于使用状态,即星上的“遗产”载荷。而其余90%的具备先进能力的WCDMA载荷则因地面站和终端的原因一直处于空闲状态。

因此,在整个通信卫星系统的发展部署过程中,必须保持卫星与终端的同步发展,才能有效避免在轨卫星资源的浪费,实现系统整体效能的最大化。