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美军MUOS卫星与UFO卫星性能对比分析

时间:2015年07月09日 信息来源:国际太空 点击: 【字体:



转型通信卫星(TSAT)项目取消后,美军通信卫星逐步形成了“窄带、宽带、受保护”三位一体的体系:窄带通信卫星为移动用户目标系统(MUOS)卫星,其主要用户是美海军,用来替换传统的特高频后续星(UFO);宽带通信卫星为宽带全球卫星(WGS),用来替代国防通信卫星(DSCS);受保护通信卫星为先进极高频(AEHF)卫星,用来替换“军事星(Milstar)”。当然,所谓“替换”并非一蹴而就完成的,目前仍处于新旧军用通信卫星共存期,当前在轨运作的美海军通信卫星如表 1所示。可见,目前美海军的主要通信卫星就是UFO和MUOS。


表1 美军在轨的军用通信卫星(截止2014年初)


1.特高频后续星(UFO)概述


UHF频段一直是军事卫星通信的主力,是最有效的军事无线频段,可穿透丛林覆盖、严酷的天气环境以及复杂的地形。美国所有的部队及其部分盟军都使用海军的卫星进行窄带通信。在美军的卫星通信用户中,有超过60%的用户都是使用UHF频段进行通信,各军种部署的UHF终端超过数万台,终端类型超过50个,其中有许多都是面向战场应用的小型、便携式终端。

美国海军的UHF频段通信卫星系统主要经历了舰队卫星/租赁卫星——UFO——MUOS这几个阶段。其中,MUOS以前各阶段通信卫星的主要情况概述如下。

随着舰队卫星通信系统和租用卫星陆续于1994年~2000年期间退役,美国海军空间与作战系统司令部于1988年选定休斯公司制造10颗新的特高频后续星(UFO,如图 1所示),以替代舰队通信卫星和租用卫星。


图1 UFO卫星


由于当时美国海军拥有1500多个UHF终端,所以非常依赖UHF卫星通信来为各类舰船提供最重要服务,这也是美海军当时大力发展UFO的最主要原因。

UFO卫星上搭载有UHF和EHF频段的通信载荷(其中,EHF频段的载荷主要是为了实现与“军事星”(Milstar)的互联互通),可用于全球战略、战术通信。卫星采用抗干扰与抗电磁脉冲加固措施,可提供全球范围内的舰-舰、舰-岸、舰-机话音、数据通信。UFO可实现与舰队卫星通信系统终端的完全兼容。

UFO卫星系统共有11颗地球同步轨道卫星,其中:8颗正常运作、2颗备份、1颗发射失败。地球同步轨道上的8颗卫星提供北纬71°至南纬71°之间的接近全球性的覆盖范围,包括美国本土、大西洋、太平洋和印度洋,但不覆盖极地区域。最后一颗UFO卫星(第11颗卫星)于2003年底发射升空,且搭载有抗干扰能力非常强大的“军事星”载荷。

与舰队卫星通信系统相比,UFO卫星的通信能力有了较大提升:

共有38个信道(37个5~25kHz信道、1个25kHz的舰队广播信道),总带宽555kHz,比舰队卫星通信系统的总带宽(310 kHz)提高了近一倍。

除了UHF频段转发器外,还搭载有EHF频段转发器以及全球广播业务(GBS)转发器(第8~10颗卫星),进一步提升了卫星的通信带宽以及与“军事星”的互操作能力。

在多址方式方面,UFO实现了真正的按需多址/时分多址(DAMA/TDMA),而舰队卫星通信系统主要采用的是基于预分配的DAMA/TDMA。

随着军事需求的发展,在飞机、舰艇、军舰、坦克等各军事平台上使用的UHF终端急剧增多,UFO系统容量不足的问题日趋明显,已经在阿富汗战争和伊拉克战争中充分暴露出来。2010年前后,混合主战区的通信带宽需求约为42 Mbps、同时接入的用户数需求超过2300个,还有评估显示,UFO的用户数量已超过了额定的250%。此外,目前单兵使用的UFO终端还比较庞大,携带、使用起来不是十分方便。20世纪90年代发展起来的UFO卫星系统也逐渐达到了设计寿命。到2009年初,整个UFO卫星系统的工作能力只能达到卫星保持高精度时工作能力的70%,急需更新换代。


2. MUOS概述


因此,美海军太空与海上作战系统司令部(SPAWAR)开始开发UFO卫星的替代系统——先进窄带系统(ANS)。先进窄带系统主要由MUOS、国防部远程端口(TelePort,部分远程端口充当了MUOS卫星的地面站)、用户终端3部分组成。MUOS卫星与地面站间的通信如图 2所示。美军利用UHF频段进行卫星战术移动通信已有30多年的历史,但是网络体系和通信波形一直未有较大变化。而MUOS的出现,极大地改变了美军使用UHF频段的方式,实现了网络化战术移动通信。


图2 MUOS卫星与地面站的通信示意图


MUOS是先进窄带系统的核心部分,该项目由太空与海上作战系统司令部下设的通信卫星项目办公室(PMW146)负责项目采办。经过多次推迟以后(最初规划的首颗卫星发射时间是2007年),2012年2月24日,首颗MUOS卫星(MUOS-1)发射升空,自此,美军窄带卫星通信系统的转型也拉开序幕。此后,2013年7月19日,第二颗MUOS卫星(MUOS-2)又成功发射升空。根据美军规划,未来的MUOS星座中最终将包括5颗MUOS卫星,其中1颗为备份星。

MUOS系统不单单指卫星本身,而是一个由空间卫星、卫星控制系统和网络控制系统组成的大系统,可为各级指挥机构所有平台上的移动用户提供能适应各种环境的实时全球战术窄带卫星通信能力,从而实现保密无缝的互操作通信。

MUOS采用第三代商业移动蜂窝网技术——宽带码分多址(WCDMA)、Rake接收机、Turbo码、干扰减缓等多项先进技术,提供能力更强的UHF军事卫星通信服务。

整个星座的容量可达UFO星座总通信容量的10倍以上,而单颗,卫星的容量更是达到了单颗UFO卫星的近20倍。除新型WCDMA载荷以外,每颗MUOS卫星还将携带一个与UFO的载荷相似的传统载荷。这些传统载荷将继续支持传统终端,使原有终端可以平稳地过渡到MUOS系统。

MUOS主要技术参数如表 2所示,可见,该系统通过综合采用空分(多波束)、码分(宽带码分多址(WCDMA))、多载荷(同时搭载传统UHF载荷与新型WCDMA载荷)等方式来提升系统总带宽并改进与传统终端的兼容性。


表2 MUOS技术参数表


3.  MUOS与UFO的性能对比分析


本部分对MUOS与UFO的几方面性能进行对比分析,从对比中可看出,MUOS卫星的各方面性能均优于UFO卫星。


3.1 多址方式对比

MUOS采用的是码分多址(WCDMA),而UFO采用的是按需多址(DAMA),二者相比,WCDMA优势明显,主要体现在如下两方面:


3.2  安全性大幅提升

码分多址本质是一种扩频通信(所谓的“码”实际上就是扩频码),因此,与DAMA相比,具备谱利用率高、软容量、保密性好、易于无缝切换和宏分集等优点。而对于军用卫星而言,保密性无疑是最具吸引力之处。


3.3  工作效率更高

UFO的传统波形通常为单独的专用网络预留一个转发器或按需多址时隙,这严重限制了可服务的网络数量。大多数此类网络都以非常低的占空比运行,浪费了大部分容量。

而MUOS则可为用户提供全双工点对点(PTP)和半双工群组通信业务,支持话音、数据和及其混合业务。用户只需拨打群组的电话号码就可以加入MUOS的群组,而且除非用户在传输数据,这些群组不占用系统容量。点对点业务非常类似于商用手机,不需要预先计划。要建立一个通话,只需拨打一个电话号码。可以与其它MUOS用户或国防信息系统网络(DISN)建立通话。

MUOS可以规划和实现近似“无限”数量的群组。只有当信道上传输数据的群组数量达到信道容量极限时,系统才会限制信道接入。每一个群组可与世界任何地方的用户通信,只需要将群组数据发送到包含群组成员的波束。对于发言者冲突的问题,也就是一个以上的群组用户同时传输数据的情况,在MUOS中这种问题将大大减少,因为MUOS能够区分同时进行的发送尝试,并且选择一个来发送。群组还可以用来提供广播服务,在无线电静默(EMCON,发射控制)状态下,终端可以接收到任意的群组业务。


3.4 传输容量对比

MUOS系统的最大容量难以量化:对于UFO星座的按需多址接入,最大容量的计算就等于转发器数量或可用时隙数量;而MUOS的容量则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。因此,在比较UFO和MUOS容量过程中,根据惯例,以“能够同时支持的2.4 kbps话音路数”作为通用衡量标准来衡量MUOS与UFO的传输容量。


3.4.1   单颗卫星比较

UFO。在一颗卫星覆盖范围内,UFO可支持212个话音网络。这些网络包括:42个5 kHz信道(每个信道可支持1路2.4 kbps话音)、34个25kHz信道(每个信道可支持5路2.4 kbps话音),因此,UFO可同时支持的总带宽容量为508.8kbps。

MUOS。根据美军的描述,MUOS的WCDMA载荷可同时支持4083路2.4 kbps话音,其传统UHF载荷可支持106路2.4 kbps话音,因此,总共可同时支持4189路2.4 kbps话音。这样,其总带宽容量为10.05Mbps。该容量是UFO容量的近20倍。

尽管MUOS的单信道容量不高,但因为MUOS卫星可支持64路WCDMA载波,每个载波拥有494个信道化编码,而每一路2.4 kbps话音仅需一个信道化编码,即,MUOS卫星可同时支持的2.4 kbps话音路数为31616。然而,这只是理论计算值,这种计算假定64个载波的每个信道化编码可同时使用,但事实并非如此——由于卫星平台功率有限且存在多址干扰,因此,若所有信道化编码同时使用,则卫星平台将会由于功率耗尽而瘫痪。

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(南北纬65度之间)超过70%的地区都有两颗卫星覆盖。覆盖区域的重叠一方面提高了关键地区的容量,另一方面当一颗卫星失效或受到严重干扰时,保证至少有一颗卫星可提供通信。


3.4.2  整个星座比较

从整个星座角度来看:整个UFO星座能处理1029路2.4kbps信号,总容量为2.469Mbps;而整个MUOS卫星星座能处理16332路2.4 kbps的WCDMA信号,以及424路传统UFO信号,总容量40.216 Mbps,是UFO星座容量的16倍。UFO星座和MUOS星座的容量对比如表 4所示。


表4   MUOS星座与UFO星座容量比较


注:本文系节选,原文详见《国际太空》2015年第四期。


 

(作者:张春磊)
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