卫星移动通信系统试验鉴定的实践与思考

王 涛，孙治国，范 静

（中国空间技术研究院 通信卫星事业部，北京 100094）

0 引言

按照《美国国防部试验鉴定管理指南》[1]定义，试验鉴定的主要目的是为决策者提供重要信息，验证和确认军事装备是否达到规定的体系效能和技术指标要求，并确定系统是否具备作战有效性、适用性、生存能力以及在预期用途下的安全性。因此，装备试验鉴定的主要目的是摸清装备完成作战使命任务的能力，确保装备好用、易用，关注装备对体系作战能力提升的贡献程度。

随着信息化战争对航天装备的需求和依赖日益强烈，卫星通信系统也面临着由“试验型”向“装备型”转变的严峻挑战。试验鉴定将装备全寿命周期试验归结为性能试验、作战试验和在役考核3类。美国在探索航天装备试验鉴定方法的过程中耗费了大量人力、物力和时间，经过多年的实践与改进，基本形成了适用于航天装备的试验鉴定体系，其以增强航天装备研制能力和作战能力为目标的试验鉴定策略和方法研究具有借鉴意义。

相对于固定业务卫星通信系统，卫星移动通信系统具有业务分布不均匀，突发式业务需求多，功率和频率资源动态管理等显著特点，对系统试验鉴定提出了新的挑战。本文通过对美国航天装备试验鉴定体系的研究分析，重点对美军“移动用户目标系统”（Mobile User Objective System, MUOS）鉴定试验的组织体系、测试项目等要素进行研究，提出对卫星移动通信系统试验鉴定的思考与建议。

1 美军航天装备试验鉴定体系发展现状

美军装备试验鉴定是其装备采办系统工程过程的重要组成部分，通过在装备全寿命周期对装备功能性能及作战能力进行考核，达到降低装备采办风险、控制装备采办成本以及提升装备作战能力等目的。

美军航天装备试验鉴定体系的发展经历了3个阶段，即体系初步建立阶段（20世纪90年代）、体系优化改进阶段（2000年—2008年）和体系推进实施阶段（2009年至今）[2-3]。美军早期航天装备试验鉴定采用研制试验鉴定和作战试验鉴定独立开展的策略，并重点强调航天装备发射前的地面研制试验鉴定，一般以装备承包商为主完成。为加强对航天装备战术技术指标和作战能力的考核，控制装备研制风险，美军通过体系优化推出了针对具体项目的一体化试验小组（integrated test team, ITT）和研制与作战一体化试验，强化了军方用户和项目办对试验鉴定的掌控力度。

2004年，美国空军作战试验鉴定中心提出一种新的作战试验鉴定模式，称为空间试验提案（space test initiative, STI）[4]。STI有 3 个关键原则：1）研制与作战一体化试验在采办过程中尽早开展，且贯穿装备全寿命周期；2）针对试验鉴定数据与结果进行快速分析与报告，降低时间成本；3）由关注本系统的试验转变为关注大系统环境下的系统试验或结合大系统试验开展试验鉴定，提升作战试验鉴定结果对关键决策的支撑价值。2009年，美军各相关方对 STI达成了一致，STI替代 NSS 03-01《国家安全空间采办政策》成为现行的美军航天装备试验鉴定政策。STI将研制与作战一体化试验鉴定的理念植入到航天装备采办程序中，通过赋予ITT极大的责任和权利开展项目定制化的试验鉴定，同时将航天装备试验鉴定的目的由为采办决策设置标准门槛转变为降低采办风险，扭转了长期以来装备研制部门与试验机构相互“对立”的态势，促进了研制、试验双方的协作和资源、数据共享，以实现体系持续改进。

2 MUOS 鉴定试验实践

2.1 MUOS 简介

MUOS是美国新一代军用地球同步轨道卫星移动通信系统，用于接替“特高频后继”（UHF Follow-on, UFO）卫星，为美军提供窄带移动通信业务。MUOS（见图1[5]）分为空间段、地面段和用户段：空间段包括4颗工作卫星和1颗在轨备份卫星；地面段主要实现卫星控制、传输以及管理用户语音和数据业务，集成至国防信息系统网以及管理和控制通信资源；用户段由各种用户终端组成。MUOS采用WCDMA技术，相比UFO卫星具有更大用户容量与较强抗干扰能力。

图1 MUOS 组成示意Fig.1 The structure of MUOS

MUOS的5颗卫星与UFO卫星采用相同的轨道位置和具有相同的覆盖区域。4颗工作星分别部署在西经177°（太平洋上空）、西经100°（美国本土上空）、西经15.5°（大西洋上空）和东经75°（印度洋上空），在轨备份星部署在东经72°，可提高中东、阿富汗等热点地区的通信保障能力。2016年6月，第5颗MUOS卫星成功发射，标志着MUOS空间段建设的初步完成。

MUOS卫星有效载荷对应2种通信体制，即对应遗产载荷的传统UFO体制以及全新的基于商用3G公共空中接口的SA-WCDMA体制，网络基础架构采用UMTS。MUOS星上信号采用透明转发，处理和交换由地面控制段完成，用户到用户的通信经过2跳完成。地面站通过地面网建立连接，从而使2个位于不同卫星覆盖区下的用户间通过地面站转发进行通信。另外，系统还利用频谱感知和陷波技术，将自身传输信号某些频段的发射功率降低，避免了MUOS对其他窄带用户的干扰，同时也提升了MUOS自身的抗干扰能力。

2.2 试验鉴定组织体系

MUOS的试验鉴定工作由美国海军司令部作战测试和评估部队（COTF）负责，在陆军测试和评估司令部（ATEC）和空军作战测试和评估司令部（AFOTEC）支持下进行。

试验鉴定主要分为研制试验鉴定和作战试验鉴定2大部分。前者旨在考核战术技术性能，以卫星承包商为主实施，军方用户参与。后者旨在评估体系装备作战效能和适用性，由军方独立作战试验机构实施。

MUOS作战试验于2015年10月19日—11月20日实施完成，主要测试了系统运行有效性、适应性和网络安全性[5]。测试对象包括了2颗在轨卫星：位于西经 177°的 MUOS-1和西经 100°的MUOS-2。参试的3个地面无线接入站（RAF）（分别位于弗吉尼亚州西北部、夏威夷的瓦西阿瓦和澳大利亚的杰拉尔顿）负责处理用户路由数据，瓦西阿瓦站负责执行网络和密钥管理功能。参试部队有位于北卡罗来纳州的第82空降师、位于纽约州的第10山地师、位于华盛顿州的第2步兵师等。MUOS作战试验参试设备及系统组成见图2[5]。

MUOS作战试验主要考核项目包括通信质量、覆盖能力、通信时效性、抗干扰能力、系统可用度和安全保密能力等，具体指标体系见图3[5]。

图2 MUOS 作战试验参试设备及系统组成示意Fig.2 The equipment of the experimental evaluation system for MUOS operational test

图3 MUOS 作战试验指标体系Fig.3 The evaluation items for MUOS operational test

2.3 作战试验测试项目

MUOS作战试验主要测试项目包括：

1）通信容量、链路可用度、用户优先级管理、通信终端/数据终端应用测试。

2）态势感知和性能管理测试。使用自然突发事件和脚本化定义事件测试网络监视和资源调配能力。

3）网络管理功能测试。持续监控MUOS网络管理器，测试系统数据自动收集、用户调查、故障处理、计费及网络配置切换等功能。

4）WCDMA通信业务测试。通过位于美国大陆3个地点的作战部队，测试终端在现实环境中的通信能力，包括语音、数据以及P2P、P2N业务。

5）卫星遥测、遥控和跟踪功能测试。

6）通信质量主观评估。采用打分表调查直接用户对通信质量的主观评价，参考打分标准见表1[5]。

7）可靠性和可维护性评估。按照地面系统可用性和可维护性要求，评估操作任务失败平均时间（MTBOMF）、平均修复时间（MTTR）等。

8）网络安全测试。

表1 MUOS 通信质量主观打分标准Table 1 Subjective evaluation standards for the communication quality of MUOS

3 对卫星移动通信系统鉴定试验的思考

本文依据近年来对美军航天装备试验鉴定体系发展的跟踪研究，针对卫星移动通信系统的业务分布不均匀、突发式业务需求多、功率和频率资源须动态管理等显著特点[6-8]，对卫星移动通信系统的试验鉴定工作提出以下思考与建议：

1）试验鉴定体系构建应以降低系统建设风险、推进体系持续改进为首要目标。在“保型号成功”理念指导下，为避免卫星研制中重复设计、重复研制、重复试验，重性能轻效能、重阶段轻全程、重指标轻体系等情况的发生[9-10]，卫星移动通信系统的试验鉴定体系建设应以降低系统建设风险、推进体系持续改进为首要目标，由移动通信用户、运行管理方、卫星研制方共同参与，以现有研制阶段试验为基础，逐步补充对作战能力的考核试验，制定包含研制和作战的系统试验大纲，指导试验考核工作的开展。这是一个多部门参与、反复迭代的体系完善过程，可能涉及终端用户、运行管理方与卫星研制方之间多次协调、修正作战能力指标，持续识别短板、提升系统作战效能。在研制试验阶段尽可能考虑后续作战试验所需的实战背景，在作战试验鉴定中充分利用研制阶段鉴定试验数据。

2）卫星移动通信系统的试验鉴定应贯穿全周期管理过程。航天装备作战试验鉴定如在系统发射后才开展，所暴露出来的缺陷在装备在轨运行中往往难以修正，作战试验对关键决策的支撑力度难以体现。卫星移动通信系统一体化试验鉴定是一项长期的带有方向性和全局性的工作，终端用户、运行管理方与卫星研制方应对研制试验、作战试验、系统互操作试验以及建模与仿真工作进行协调，形成一个有效的连续统一体，避免进行单一试验和重复性试验，以充分利用试验资源，缩短研制时间，并将试验鉴定工作与需求制定及系统设计紧密结合起来。在概念研究和技术开发阶段，主要制定作战效能和适用性初步指标，评估潜在的作战效能、适用性和任务满足度，通过对样机进行早期试验，提出作战中可能遇到的问题，建立初步的试验鉴定计划。在生产与部署阶段，主要开展单机试验、分系统试验、作战系统试验，评估装备作战效能和适用性，支撑体系持续改进决策。

3）加强卫星移动通信系统试验鉴定的资源保障体系建设。卫星移动通信系统作战试验成本高昂，组织体系复杂，试验资源占用多。根据美军经验，试验资源包含试验设备实施能力和组织保障能力2个方面，包括军方、政府和工业部门的各类实验室、试验场和发射场等。在现阶段，部分功能性能试验可以依托工业部门实施，但长远来看，作战能力考核试验需要独立的作战试验机构组织开展。

4）加强地面模拟仿真技术研究和应用。为节约成本，减少重复试验，还应加强地面模拟仿真能力，在卫星全寿命周期内采用数字化模型以及计算机仿真，识别并定义用户需求，对卫星各项能力进行建模和仿真试验。在卫星移动通信系统研制和部署前期，受客观条件限制，通信容量、资源调配等试验项目难以实装试验，必须通过模拟仿真方式进行试验。利用建模仿真技术还可以构建各种复杂环境，通过相应的网络化试验鉴定技术，使体系中各系统利用彼此的贡献，产生更大的整体效应。

5）随着当前联合作战战略对互联、互通、互操作能力的需求增长，还应加强对联合作战能力和网络安全性等方面的要求定义与仿真试验评估工作。

4 结束语

科学开展系统试验鉴定是保证装备研制质量、提升体系化作战能力的基础性工作。通过对美军航天装备试验鉴定体系进行针对性的深入分析，在借鉴基础上开展适用性研究，建立航天装备试验鉴定的理论体系和标准规范，规范开展试验鉴定工作，加强试验鉴定资源保障体系建设，有利于科学合理地构建我国卫星移动通信系统的试验鉴定体系，达到降低装备采办风险、控制系统研制成本、提升体系作战能力等目的。