1
导读:美军的军事通信主要依赖GEO轨道通信卫星，这使得美军具有其它军队所没有的信息优势和战场态势感知能力。美军高轨军用通信卫星系统主要分为三类：宽带卫星通信系统（WGS）、窄带卫星通信系统（MUOS）和受保护的卫星通信系统（Milstar/AEHF）。宽带通信系统强调通信容量，窄带通信系统为语音等低速通信和移动用户提供服务，而受保护卫星通信系统强调保密和抗干扰能力。受保护卫星通信系统未来还会向战略系统和战术系统（PATS）两个不同的方向发展。
WGS是美军重要的全球宽带卫星通信系统，可以为普通士兵、船只、飞机提供宽带通信服务。该系统原计划发射10颗卫星，2018年美国国会又增购了两颗，预计在2023年前组网完毕。从2007年10月到现在，该系统一共发射了10颗卫星，形成了全球覆盖能力，可为美国、加拿大、新西兰等参与国的军方在南北纬65°之间提供高速宽带通信服务。
WGS的卫星采用波音－702HP卫星平台，发射质量5900千克，设计寿命14年，单星造价3.5亿美元，卫星采用X波段和Ka波段进行通信。前3颗WGS卫星命名为WGS BlockI卫星，可处理35条独立125MHz信道，3条47MHz以及1条50MHzX频段全球覆盖信道，卫星通信容量可达3.6Gbit/s，超过其前一代宽带通信系统（DSCSIII）布置的8颗卫星的总和，双向通信速率1.4Gbit／s，广播速率24Mbit／s，数据回传速率274Mbit／s；随后的4颗卫星，即WGS－4、5、6、7为BlockII星，增加了2条独立于主载荷的400MHz信道，通信容量达到6Gbps；最后的WGS－8、9、10命名为WGSB lockIIA，进行了信道化器升级，所有通过WGS信道化器升级的信道都从125MHz提升到了500MHz，单颗WGS卫星的可用带宽几乎翻倍，容量可达11Gbps,该系统代表了美国宽带军事卫星通信最高技术水平。
波音公司702系列卫星平台
每颗卫星采用的多波束天线都可以提供19个独立的覆盖区域，包括8个相控阵X波段天线和10个双向万向节天线。卫星的电源系统采用三结砷化镓太阳能电池翼，总长度41米，EOL功率可达11千瓦，采用锂离子电池储存电能。其双组元动力系统采用的R-4D主机以MMH/N2O4为燃料，可提供490牛顿的推力。发动机长0.55米，直径0.28米，未加推进剂状态下质量为3.63千克。发动机提供312s的特定脉冲，推力重量比为13.7，膛室工作压力6.9巴。电推进系统采用XIPS-25氙离子推进器，功率在1.3kW和4.5kW之间变化，推力高达165毫牛顿，特定脉冲为3,500秒。
支持WGS的卫星通信终端主要是美军的战术及单兵信息网（WIN-T），可提供指挥、控制、通信、计算、情报、监视以及侦察（C4ISR）功能，具有移动性、安全性、无缝性、生存能力强以及能支持多媒体战术信息系统等特点，能确保美国陆军能够在战场上任意位置实现机动通信能力及组网能力。
WIN-T终端通信网络
2004年9月，为进一步加速系统开发，美国陆军整合了“通用动力政府系统”公司和洛马公司的力量，共同开发该系统。经过三个阶段的研发，WIN-T通信终端已于2016年下半年和2017年初装备首批军方用户，可为战区指挥所、固定枢纽和联合网络节点提供通信保障。正在改进的“增量4”会使WIN-T利用转型通信卫星（TAST）系统提高通信能力，提供更大的信息吞吐量。
WIN-T的几种配置
美军窄带卫星通信系统（MUOS）主要服务于全球战术通信，包括途中紧急通信、战区内通信、情报广播和战斗网无线电的距离扩展等提供支持。窄带卫星通信电台可跨梯队连接战术作战中心，并为远离主力部队的远程监视部队及陆军特战部队提供支持。
美军上一代窄带通信系统“UFO”已经处于退役状态，新一代“移动用户目标系统(MUOS)”对网络体系结构和波形进行了优化设计，实现了网络化战术通信，是美军现役窄带军用卫星通信的核心系统。MUOS包含5颗卫星，其中1颗为备份卫星，2012年到2016年每年发射一颗，现已完成组网。
MUOS系统分布与通信示意图
图片来自约翰霍普金斯大学应用物理实验室
MUOS系统所用的卫星基于洛马公司的A2100卫星平台，在轨质量为3,812千克，发射质量为6,740千克，尺寸为6.7m×3.66m×1.83m。MUOS拥有澳大利亚，意大利，弗吉尼亚和夏威夷四个地面接收站。每个地面站通过Ka频段馈线链路服务于四个有源卫星中的一个，下行链路为20.2-21.2GHz，上行链路为30.0-31.0GHz。
A2100卫星剖面图
该卫星采用三轴稳定装置，配备了姿态确定和控制系统，可提供精确的指向能力。卫星推进是通过以IHIBT-4主机为中心的系统完成的。BT-4由日本IHI航空航天公司开发，干质量为4千克，长度为0.65米。该发动机使用单甲基肼燃料和氮氧化四氮氧化物提供450牛顿的推力。除主发动机外，MUOS还配备了反应控制推进器，安装在反应发动机组件上。发动机燃料为肼的混合物，用于BT-4燃烧期间的姿态控制以及GEO中较小的轨道调整操作和漂移操作。
在用户段，MUOS终端的设计开发由通用动力公司JTRS部门负责。JTRS为MUOS研发了两种类型的终端，JTRS HMS和JTRS AMF。2012年2月，美国通用动力C4系统使用首个嵌入MUOS卫星通信波形的JTRS HMS型双通道网络电台AN/PRC-155，率先完成了语音和数据信息的安全发送，该电台是开发成功的首个为士兵所用的MUOS通信终端。
通用动力公司AN/PRC-155单兵背负式MUOS通信终端
图片来自通用动力官网
通用动力AN/PRC-155单兵背负式电台的上端面板，设有3个天线接口、2个手持接口、简易操作键盘、液晶显示屏、电源开关及2个音量调节旋钮。操作简单，可增强士兵的态势感知能力，提高作战效率。AN/PRC-155单兵背负式电台已经完成小批量试生产阶段，并成为美国陆军列装的第一种双信道无线电台。
1
美军现役受保护卫星通信系统（Milstar/AEHF）
“军事星”（Milstar）是“军事战略战术中继卫星系统”的简称，它由洛马公司和波音公司联合研制，是一种极高频对地静止轨道军用卫星通信系统。“军事星”目前已研制并发射了两代6颗星，第二代“军事星”仍在使用中。
“军事星”作战效果图
第一代“军事星”分别于1994年2月和1995年11月发射升空，入轨后定位于120°W和4°E的相对静止轨道上。第一代“军事星”重约4.67吨，太阳帆板输出功率为8kW，设计寿命为7年，现已退役。第二代“军事星”以战术通信为主，与第一代“军事星”不同，第二代“军事星”在轨寿命达10年以上，且具有很好的超期服役潜力。由于需要良好的抗干扰通信能力，所以它同时配置了LDR和MDR（中速率通信载荷）有效载荷，并采用调零天线，具有较强的战术通信能力。
组装中的AEHF卫星
图片来自洛马公司官网
“先进极高频”(AEHF)卫星也称为第三代军事星，用来替换第二代“军事星”(MilstarⅡ)，属于受保护抗干扰通信卫星，其信息传输能力是现役第2代“军事星”的10倍，每颗AEHF卫星价格只有“军事星”的一半，大约5.8亿美元，设计寿命15年，搭载在宇宙神-5号火箭上发射。卫星同样采用洛马公司的A2100平台，其有效载荷总功率6kW，上行链路工作频段44GHz，下行链路工作频段20GHz。AEHF采用现有的Milstar低速数据速率和中速数据速率信号，速度分别为75-2400bit/s和4.8kbit-1.544Mbit/s。它还集成了一个新信号，允许的数据速率高达8.192Mbit/s，通信可覆盖极地地区。
“军事星”与“AEHF”运行图
图片来自洛马公司官网
“先进极高频”(AEHF)通信系统于2010年8月12日发射了第1颗星，随后2012年，2013年和2018年分别发射了一颗，第五颗星由于其运载火箭“宇宙神-5”技术故障推迟到2019年8月后发射，目前尚未完成组网，已发射部分与“军事星”组合运行。
AEHF-4搭载宇宙神-5升空
图片来自NASA
同MUOS系统类似，AEHF使用的卫星平台同样采用了电推进系统，包括4台用于轨道转移和位置保持的BPT-4000氖离子霍尔效应推力器——这与以往A2100平台系列采用电弧推进器不同。每个霍尔效应推力器质量7.5kg，尺寸约16cmx22cmx27cm，标称功率4.5kW，标称电压350V，推力约270mN，比冲1950s。
BPT-4000霍尔效应推进器
与AEHF兼容的通信终端主要是美国“先进超视距终端系列（FAB-T）”，该系统旨在研制一系列适用于各种平台的宽带保密卫星通信终端。FAB-T能够兼容未来波形，软件和硬件也都采用了通用性标准。对软件而言，FAB-T是软件定义的，采用联合战术无线电系统的软件通信体系结构。
波音公司FAB-T终端
2012 年6 月，FAB-T 首次完成了与在轨AEHF卫星的XDR、低数据率（LDR）通信试验。其后还将开发抗核加固能力，并完善功能，使其能够使用多种波形与AEHF、Milstar 星座通信。按照计划，FAB-T 未来将安装在固定或陆基（空基）移动平台上。2014年，由于波音公司的延迟和研发成本上升，美国军方开始资助雷声公司进行相应的竞争性研发工作。
美军的下一代受保护卫星通信系统分为战略和战术两个部分。新一代战略卫星通信系统是AEHF系统的后继方案，包括战略XDR通信卫星星座和相关任务控制段。它具有弹性特征，支持扩展数据率(XDR)波形。XDR波形是美军目前最复杂的低探测率、低拦截率、抗干扰波形的一种，可扩展数据速率波形使得数据传输率比传统卫星系统的传输率提高5倍以上。该系统将为北极地区提供战略卫星通信支持能力并增强战略卫星通信的弹性。
美军战略与战术卫星通信系统规划
目前美军没有独立的受保护战术通信卫星载荷，受保护战术通信由Milstar和AEHF系统提供，远不能满足美军需求，未来美军将建立单独的PATS系统提供受保护战术卫星通信服务。PATS将向良好及对抗环境中的战术作战人员提供全球范围的超视距、抗干扰及低截获概率(LPI)/低检测概率(LPD)通信，并使用新的抗干扰战术通信波形（PTW）。
美军未来战术卫星通信系统
美军计划通过三个阶段实现PATS。第一阶段通过改造现役WGS卫星系统的通信终端，建设初步的地面运行管理系统，在X和Ka频段运行PTW波形，实现未来10余颗WGS卫星的抗干扰通信能力；第二阶段将通过改造其他现役商业卫星系统通信终端，拓展地面运管系统，在C、Ku、Ka、等多个商业频段运行PTW波形，实现租用的商业卫星系统抗干扰通信能力；第三阶段将利用研制的专用型战术战术通信卫星，配合PTW波形、地面终端与建成完善的运行管理系统，提供更高级别的抗干扰战术通信。
小结：
经过数十年的努力，美军已经拥有了世界上最完备的宽带、窄带、受保护卫星通信系统，为美军的战场通信和态势感知提供了极大的便利。但美国国防部依然认为这三大系统无法满足美军未来10年对卫星通信的需求，因此启动了一项改造现有军用卫星通信体系的长远计划，以加强美军现有通信卫星的抗干扰性和载荷容量，并积极论证了商业卫星的军用途径。其最终目标是提高美军通信卫星的弹性抗毁性和高可用性。
1、Handheld, Manpack, Small Form Fit (HMS) AN/PRC-155 Manpack Radio and Joint Enterprise Network Manager (JENM). J. Michael Gilmore.
2、AEHF Payloads Program.Northrop Grumman.
3、Evaluation of a 4.5 kW Commercial Hall Thruster System for NASA Science Missions. Richard R. Hofer, Thomas M. Randolph, David Y.Oh, John Steven Snyder.
4、卫星与网络、工业智能化.王 煜
5、美军典型卫星通信应用装备发展分析.邓连印 邓忠辰
6、美军下一代通信卫星体系发展分析.张东晨
7、美军军事通信卫星现状及未来发展思路分析.王 煜
8、美国AEHF军事通信卫星推进系统及其在首发星上的应用.杭观荣 , 康小录
9、美军卫星通信终端的研究现状与发展趋势.孟徐
