美國軍事衛星發展與對我之啟示 田茂禾、許耿維、陳澍凡 提　　要： 一、今日衛星通訊系統所使用頻帶為L、C、Ku及Ka，其中Ka頻帶是未來寬頻衛星 的主流。 二、未來軍事戰略中繼衛星具有交叉鏈路通訊的技術，無需經過地面站中轉，就 可直接互連。地面終端發送和接收的資訊可以由系統中其他衛星中繼，當需要時 ，可自行重新選取連線路徑。在核戰爭中，地面控制系統受損無法工作情形下， 軍事戰略中繼衛星仍可獨立工作長達6個月。 三、美方預計在西元2012年發射第一顆轉型通信衛星，轉型通信衛星計畫由5顆轉 型通信衛星(Transformational Communications Satellite,TSAT)組成。它是整 個轉型通信架構的網絡中心，是高度安全、抗干擾、防核輻射系統，能夠即時接 收和發送雷射光和射頻數據訊號，可與相關通信架構內所有美方軍事通信衛星交 互操作。 四、我國在軍事應用上，考量以台灣為中心地緣戰略，及國家財力及資源限制， 如何發展軍事通信衛星，是我們必須面對的課題，較可行的做法是整合一枚寬頻 衛星，能與美國衛星系統鏈結，以建立即時分享資訊機制，掌握有效指管狀況並 即時的獲得聯戰資訊。 壹、前言 衛星通訊帶給人類在通信資訊上的便捷，並改變人際間的聯絡方式，未來的衛星 通訊發展主流仍是以美國為首，本文主要從美國的發展，預測其發展趨勢與對我 國的影響，並做為建軍方向之參考。主要論述的重點有三： 一、一般衛星通訊系統所使用頻帶為L、C、Ku及Ka，其頻率劃分如表一，從各類 衛星功能觀察寬頻高速率的要求，尤其是未來戰場指揮官要求的戰場透明度與遠 距離兵力運用，勢必引導視訊與寬頻衛星時代的來臨，其中Ka頻帶是未來主要使 用頻段。 二、九○年代後，衛星通訊跨入了個人行動通訊系統的領域，並開始由衛星進行 直接進行廣播的相關業務，寬頻衛星因而蓬勃發展，本文整理當前寬頻衛星系統 於如表二，其中，整體容量最大的為摩托羅拉公司主導的Celestri衛星系統；這 些衛星系統大部分採用了IP/ATM架構，並以同步軌道搭配低軌道及中軌道衛星為 其佈局。 三、台灣地緣戰略、位置特殊，如何提供數位化的即時戰場情資，又可兼顧經濟 民生需求與投資效益，繼而整合下一代的衛星系統是我們必須審思面對的新課題 。 貳、衛星通訊系統發展趨勢 衛星行動通訊系統是由澳洲於1992年成功的將AUSSAT送上軌道開始萌芽，成為全 球第一個提供國內衛星行動通信國家。其不同軌道衛星通訊系統特性，本文整理 如表三所示。 衛星業務包括提供大量全球性電視影像，而其在軍事用途上，可充分運用於廣播 ，目前每一個電視頻道流量可達到每秒數十百萬位元〔註一〕，類似廣播衛星服 務在民間也日益蓬勃，以美國為例，境內就有許多系統業者提供該項服務。 未來衛星通信技術發展方向，將會朝下列方向發展：(一)低軌道全球覆蓋衛星群 ；(二)大功率同步軌道區域衛星；(三)多媒體運用的IP位址衛星；(四)衛星上訊 號處理(On-Board Processing)，也就是直接在衛星上執行載波解調變、編解碼等 的數位處理，該衛星又稱為再生式衛星(Regenerative Satellite)；(五)衛星與 衛星間通訊鏈路連接(Cross Link)；(六)使用EHF高頻段載波，利用更高頻率範圍 ，以提供大頻寬整體服務。 參、美國衛星現況與功能 美國軍事衛星通信系統是世界上最先進、最有延續性的通信系統，不但技術先進 ，且整體規劃完整，茲針對美國衛星系統所對應到的頻率範圍整理如表四。美國 軍事衛星通信系統在時間上可劃分為兩個階段，第一部分是現有運行系統，另一 部分是計畫中將在未來運行系統。 (一)美軍現有系統 1.軍事戰略中繼衛星： 軍事戰略中繼衛星(Milstar)是美國軍事戰略戰術中繼衛星系統簡稱，是一種極高 頻軍用衛星通信系統，具有抗核能力和自主控制能力。其抗干擾能力強，安全性 好，能滿足戰略和戰術通信需要。 軍事戰略中繼衛星於20世紀80年代啟動，共有兩代。軍事戰略中繼衛星衛星群由 5顆衛星組成，其中有2顆是軍事戰略中繼衛星第一代系列，而3顆是軍事戰略中繼 衛星第二代，2003年該衛星群已全數部署完畢。而兩代軍事戰略中繼衛星都服務 於戰略和戰術通信，其中軍事戰略中繼衛星第一代有抗核能力，以戰略通信為主 ；軍事戰略中繼衛星第二代沒有抗核能力，以戰術通信為主。接續該系統的後續 計畫是先進至高頻(Advanced Extreme High Frequency, AEHF)衛星系統〔註九〕 。軍事戰略中繼衛星第一代與軍事戰略中繼衛星第二代的相關比較如表五。 軍事戰略中繼衛星的有效載荷主要有低數據率(Low Date Rate, LDR)有效載荷、 中數據率(Medium Data Rate, MDR)有效載荷和星間交叉鏈路有效載荷，中數據率 和低數據率的比較如表六。 此外，軍事戰略中繼衛星第一代攜帶了低數據率和交叉鏈路有效載荷，而軍事戰 略中繼衛星第二代攜帶了低數據率、中數據率和交叉鏈路有效載荷。軍事戰略中 繼衛星第一代和第二代在低數據率通信和交叉鏈路上能夠充分實現交互的操作。 軍事戰略中繼衛星攜帶了交叉鏈路有效載荷，無需經過地面站中轉就可直接互連 。此地面終端發送和接收的資訊可以由系統中其他衛星中繼，並且有可能重選路 徑。在核戰爭中，地面控制系統無法工作情況下，軍事戰略中繼衛星仍可工作長 達6個月。 2.美國國防衛星通信系統： 國防衛星通信系統(Defense Satellite Communications System, DSCS)是一個提 供極高頻(SHF)寬頻和抗干擾的通信系統。國防衛星通信系統共發展了三代，目前 在軌運行為國防衛星通信系統第三代。該衛星群由14顆國防衛星通信系統組成， 12顆為主要工作衛星，2顆為備份衛星，已部署完畢。衛星群位於赤道上空36,00 0公里的地球同步軌道，覆蓋範圍為南北緯75度間。在東太平洋、西大西洋、東大 西洋、印度洋和西太平洋等五個區域提供通信服務，而每顆衛星設計壽期為十年 ，後續計畫為寬頻填隙衛星(WGS)。 國防衛星通信系統第三代是通用型軍事衛星通信系統，為美方提供了安全可靠全 球通信服務，是美國軍事極高頻通信衛星網絡重要組成部分。其典型應用包括全 球軍事指揮和控制、危機管理、情報和早期預警數據中繼、監控及監視資訊、外 交通信等。國防衛星通信系統可以承載國防部所有衛星通信80％業務與45％戰地 寬頻通信業務。 國防衛星通信系統第三代以極高頻通信為主，前10顆衛星每顆通信總容量為100M bps〔註十二〕，在最後4顆衛星上增加了超高頻(UHF)通信比重，後4顆衛星屬於 軍方壽期延長(SLEP)的改進項目，使用極高頻進行通信，衛星參數如表七所示。 3.美軍超高頻後繼星衛星通信系統： 超高頻後繼星(UFO)衛星通信系統是美國防部極高頻和超高頻通信衛星，用於全球 戰略、戰術通信，為艦對艦、艦對岸和艦對飛機間提供話音、數據鏈路，是美海 軍目前最主要通信系統。 衛星群由10顆衛星組成(超高頻後繼星F2-11)，在軌的衛星中有9顆為主要業務衛 星和1顆備份衛星，均已部署完畢。該衛星群運行於地球同步軌道。 超高頻後繼星F8-10衛星上還搭載了全球廣播業務功能。超高頻後繼星P11已於20 03年12月22日發射升空，將做為目前超高頻後繼星衛星系統與移動用戶目標系統 (Mobile User Objective System, MUOS)間的過渡系統〔註十五〕。 所有超高頻後繼星都採用波音601通信衛星平臺，透過三軸穩定和抗核加固設計， 其超高頻後繼星參數見如表八。 4.全球廣播業務系統： 全球廣播業務(Global Broadcast Service, GBS)系統是美國國防部根據未來資訊 戰需求，在商用衛星直播業務基礎上發展軍用資訊傳輸業務。它可為廣大軍事用 戶提供多媒體資訊連續、高速和單向傳輸。全球廣播業務系統的發展可略分為三 個階段〔註十九〕，第一階段(1996-1998年)已完成，第二階段(1998-2006年)為 改進3顆超高頻後繼星的通信載荷，以具備全球廣播能力，該階段將全球廣播業務 有效載荷，搭載於海軍超高頻後繼星F8-10衛星上，以提供初步軍事全球廣播業務 能力。第三階段為組成具有全球覆蓋能力星座的發展階段，該階段計畫將全球廣 播業務有效載荷搭載在寬頻填隙系統和先進寬頻系統(Advanced Wideband Syste m, AWS)上。 搭載全球廣播業務專用載荷為超高頻後繼星F8、F9和F10衛星，目前已全數部署完 畢。F8-10分別佈設在東經172度(太平洋)、西經23度(大西洋)和東經75度(印度洋 )上空，覆蓋範圍在南北緯70度間〔註五〕。 超高頻後繼星F8-10使用極大容量的Ka波段載荷做為臨時的全球廣播業務系統。下 行鏈路工作在20.2-21.2GHz。Ka波段組件包括4個130w、24Mbps的軍用Ka波段20/ 30GHz轉發器(Transponder)，3個可調整下行鏈路點波束天線及1個可調整與1個固 定上行鏈路天線。每顆衛星都具有96Mbps的通信能力〔註六〕。此3個可調的下行 鏈路點波束天線中，其中2個點波束中的每1個都能覆蓋星下直徑為930公里區域， 每個轉發器可支持最高達24Mbps數據率，此2個點波束中每個點波束都分配有2個 轉發器。第3個下行鏈路點波束覆蓋星下直徑為3,700公里區域，支持1.5Mbps數據 率，其中1個轉發器可以由地面指令從930公里切換至3,700公里點波束〔註二十〕 。 往後的全球廣播業務有效載荷將搭載在寬頻填隙衛星和先進寬頻系統上，具有全 球覆蓋及大容量視頻和數據通信能力，能夠滿足國防部未來空間系統整體要求， 並保證與現在的地面部分和資訊管理系統完全兼容。 (二)計畫中的通信系統 1.先進至高頻衛星系統： 先進至高頻系統用於替代軍事戰略中繼衛星通信系統，它比軍事戰略中繼衛星通 信系統體積小，但能處理更多通信數據，同時成本降低。 先進至高頻系統衛星群預計由3顆衛星組成，能夠給戰區指揮官提供高安全性、抗 干擾、不易截獲與不易探測的通信服務。第一顆衛星預計於2007年發射，其餘兩 顆分別於2008年和2009年發射。初始運行能力計畫將在2008年實現，完全將功能 運行預計是在2010-2012年達成。 每顆衛星有50多個頻道，能夠覆蓋南北緯65度間廣大地區，數據率提高到8Mbps。 屆時，它們可直接對用戶終端請求做出回答，並根據優先等級提供點對點通信與 網絡服務，還可對高級用戶提供專用頻道。它們利用衛星間通信實現全球服務， 降低衛星對地面通信系統的仰賴，即使在地面控制站遭受破壞後，整個系統仍能 自主工作6個月。 為了降低成本與減少風險，將採用洛馬公司現主要用在商業通信衛星的A2100衛星 平臺(由Lockheed Martin公司設計生產，目前該平台導入了超過24個衛星及900多 個轉發器)。A2100整合洛馬公司以往獲得成功的通信衛星平臺優點，是新一代通 信衛星平臺。每顆星重量為2,500-3,000公斤，每顆衛星通信能力為375Mbps，設 計壽期為十年，覆蓋範圍為南北緯65度間，總通信能力比軍事戰略中繼衛星大10 倍，數據傳輸速率高6倍。此傳輸率將允許戰術軍事通信系統傳輸即時視頻、戰場 地圖和目標數據，如表九示之。 2.寬頻填隙衛星系統和先進寬頻系統： 寬頻填隙衛星系統〔註二十〕是一種高容量軍用衛星通信系統。寬頻填隙衛星是 國防衛星通信系統向先進寬頻系統過渡的橋樑。寬頻填隙衛星在近期內將繼續提 供由國防衛星通信系統第三代和全球廣播業務系統所提供服務，不但是上述兩個 寬頻系統延續和補充，其數據通信能力也將提昇(如表十)。 寬頻填隙衛星空間部分最初由分別運行在太平洋、印度洋和大西洋地區上空的3顆 地球同步軌道衛星組成，由波音公司研製，首顆衛星計畫預計在2006年發射。美 方計畫再採購3顆，可能將裝載雷射光通信系統，用於驗證每顆在軌道上的寬頻填 隙衛星彼此間直接通連能力(如附圖)。 寬頻填隙衛星採用波音702衛星平臺，將提供10倍於國防衛星通信系統3SLEP平臺 容量。衛星重約5440公斤，衛星上裝有X波段和Ka波段系統。寬頻填隙衛星在兩個 軍事頻段支持通信服務：X波段和Ka波段。寬頻填隙衛星有效載荷至少能支持1.2 Gbps總單工流量。寬頻填隙衛星能夠工作在8束可操縱且成形X波段和10束可操縱 的廣播Ka波段。其廣播Ka波段與目前全球廣播業務系統第二階段相似，將能與現 有全球廣播業務終端達成相互操作效果，而X波段服務將用來提高國防衛星通信系 統第三代提供服務。此外，寬頻填隙衛星也能提供新雙向軍事Ka波段通信能力， 並支援軍事機動及戰術雙向Ka波段的所有終端裝置。此外，寬頻填隙衛星還支援 那些需要交叉頻段連通性的服務：X波段上行鏈路鏈接到Ka波段下行鏈路，Ka波段 上行鏈路鏈接到X波段下行鏈路。 先進寬頻系統是為滿足國防和情報界對寬頻需求與中繼通信系統需要而設計。該 系統將使用雷射光通信技術，並做為國防衛星通信系統、全球廣播業務系統和寬 頻填隙衛星後續系統。先進寬頻系統是一種高容量戰術通信系統，計畫在2008年 由中型運載火箭發射〔註二十〕。 目前設想，先進寬頻系統由3顆美國國防部所有的、類似商業衛星的高容量的衛星 所組成。這些衛星工作在高容量SHF和Ka波段，使用雷射光衛星通信技術。Ka波段 包括單向全球廣播業務有效載荷和雙向Ka波段有效載荷。先進寬頻系統將直接取 代寬頻填隙衛星和超高頻後繼星的全球廣播業務部分。 3.衛星移動通信系統： 目前超高頻後繼星系統的可用性估計到2007年之後性能就會下降到不可接受的程 度，美方已著手進行針對移動用戶為目標的衛星系統開發，它是美國海軍的衛星 移動通信系統〔註二四〕。該系統將取代超高頻後繼星，並服務於那些機動性更 強、容量需求更大、業務質量要求更高用戶。衛星移動通信系統是一個複雜的、 可為所有移動用戶提供全球窄頻衛星通信的整合系統。衛星移動通信系統將由6顆 工作衛星和1顆備份衛星組成，採用地球同步軌道，其壽期為13-14年，至少能覆 蓋南北緯65度間廣大區域。 衛星移動通信系統藉著地球同步軌道，以洛馬公司A2100平臺為衛星平臺，使用先 進3G商業蜂巢技術。3G商業蜂巢技術在先前網絡技術基礎之上，已經有了重大改 進〔註二十〕。 3G寬頻分碼多位址連接機制(WCDMA)波形和通用移動通信系統(UMTS)是衛星移動通 信系統使用的主要技術，這種技術可將文字、聲音、視頻和多媒體訊號傳輸給眾 多平臺，包括手持終端裝置，此終端傳輸資訊將大大快於以前系統。 衛星移動通信系統還可以使正在研發的未來聯合戰術無線電系統(JTRS)的所有性 能達到最佳化，並與之兼容。該系統關鍵部分是衛星UHF通信有效載荷及其無線網 絡，但儘管這些衛星、有效載荷和無線網絡是移動系統的關鍵部分，真正要使作 戰人員受益還要通過通信系統整合來達成。 4.轉型通信衛星系統： 轉型通信衛星系統(TCS)是轉型通信架構(TCA)的重要組成部分，美方預計在2012 年發射第一顆轉型通信衛星。轉型通信衛星計畫由5顆轉型通信衛星(TSAT)組成( 4顆工作衛星，1顆備份衛星)，預期在2012年左右發射。它是整個轉型通信架構的 網絡中心，是高度安全、抗干擾、防核輻射的系統，能夠即時接收和發送雷射光 和射頻訊號數據，可與相關通信架構內所有美國的軍事通信衛星交互操作〔註二 十〕。 轉型通信衛星系統將透過雷射光通信技術，把雷射光通信和現在或將來的射頻能 力中許多的特性進行最佳結合，初始的雷射通信設備將被安裝在寬頻填隙衛星上 進行試驗。 轉型通信衛星將致力於使國防部的寬頻、保密通信衛星結構轉化為一個單一的由 多個衛星、地面和用戶部分組成的網絡。該系統最終將替代軍事戰略中繼衛星和 先進至高頻衛星系統，並將全球資訊網絡(Global Information Grid, GIG)拓展 到移動狀態的作戰部隊、傳感器、武器和無人飛行機、有人駕駛飛機的C3節點上 ，遍布全陸地、空中、海洋和太空。 轉型通信衛星系統使戰場人員能夠即時與無人飛行機通訊，並傳送衛星的光學或 者雷達圖像。該衛星群能支援移動條件下通信。其終端天線的最小口徑可為30厘 米，並且提供數據速率能動態適應干擾或者天氣條件。 轉型通信衛星系統通信能力與軍事戰略中繼衛星和先進至高頻系統相比有很大的 提高。最具優勢的是，接收者可在全球任何位置，於移動狀態下，使用相對較小 的接收機以接收訊號。 轉型通信衛星將縮短大幅交換訊號的時間，根據軍事衛星通信辦公室提供統計數 據，在1994年通過軍事戰略中繼衛星第一代僅下達一次空中任務命令就需要1.02 小時時間，目前使用軍事戰略中繼衛星第二代傳輸一次空中任務命令的時間已經 下降至大約5.7秒。到2008年如果使用先進至高頻衛星，預計該時間將進一步下降 至1.07秒，而2013年部署的轉型通信衛星系統需要的時間不到1秒〔註二五〕。 5.先進極地衛星系統： 先進極地衛星系統(Advanced Polar System, APS)也是轉型通信架構空間段的組 成部分。衛星群由3顆衛星組成，是中間極(Interim Polar)系統的後續計畫。該 計畫將在2007年推展，衛星發射時間預計是2013年〔註二六〕。 先進極地系統將從2013年開始在北極區提供下一代受到保護的EHF衛星通信系統， 尤其是給潛艇提供EHF衛星通信能力。先進極地衛星系統將能與先進至高頻系統相 容且無縫連接，亦能支援抗干擾和低檢測率的極高頻衛星通訊戰術用戶〔註二七 〕。 肆、參考美國衛星發展及我應有的思維 從美國在衛星的發展上，我們可看出幾個趨勢，首先，美國在不同頻段上的衛星 系統皆有後續的相關計畫延續，而不會只開發寬頻的系統而放棄低頻的部分，研 判其主要的考量在於寬頻衛星系統儘管具有許多傳輸上的優勢，但在氣候狀況不 穩定及雨衰方面，仍存在缺陷，且同時發展不同頻帶的衛星，能有效互補，另外 ，美國在衛星的佈局上，以全球性戰場為考量，故在南北極等極區的地緣死角上 ，單獨發展相關的極區衛星系統，並在戰事需要時，如伊拉克戰爭上，即時的發 射微型衛星加以支援，這樣全方位的衛星規劃，以因應全球戰爭環境的演變。 在技術上，寬頻衛星系統能提供即時的影像傳輸及大量的訊息，美方除了有效應 用戰場圖像即時傳遞的優勢外，更使其往先前既有的、不同頻帶的系統整合，充 分達到資訊共享的目標；而衛星與衛星之間，研發雷射通信的相關技術，以增加 其通信的保密及速度，朝著下一代的關鍵通信技術邁進。 我國在軍事應用上，考量以台灣為中心地緣戰略，及國家財力及資源限制，如何 發展軍事衛星，是我們必須面對的課題，較可行的做法是整合一枚寬頻衛星，能 與美國的衛星系統鏈結，以建立即時的分享資訊機制，掌握有效的指管狀況並即 時的獲得聯戰資訊方面的協助，至於在低頻的衛星系統部分，如果資源足夠的前 提下，可持續營運，藉以在特定的氣候環境、戰場狀況下備援，因應敵方可能有 的各種攻擊手法。 伍、結語 數位化戰場無疑是未來趨勢，如何有效利用衛星通訊，提昇數位戰場能量，並進 而在各種天候、地形及移動情境下，整合各軍種、各通信單元及武器載台，以保 持C4ISR優勢，對國家安全相當重要。國軍除了在衛星相關研究及發展上，應更加 積極部署相關衛星系統，以因應未來作戰時所需的通信能量外，更應充分了解美 方衛星發展趨勢與相關衛星技術，以做為導入與協同作戰參考。 期許本文能對國軍在衛星未來趨勢發展上，能有些許貢獻。至於如何運用有限資 源，結合民間在相關衛星領域技術發展，繼而營造出最有效益的衛星通信，則有 待各位先進的研究及思考。 〔註釋〕 註一：簡順堂，「國家科技前瞻計畫之策略規劃模型初探」，國立中央大學資訊 管理研究所碩士論文，民國92年6月，頁50。 註二：林高洲博士，「寬頻衛星通訊系統之運用與展望」，《中華民國電子認證 委員會》，2005年，頁55。 註三：Rawn Shah,“Satellite data communications: The Space Race is On, ”SunWorld Journal, Vol. 12, No. 6, June 1998。 註四：〈移動衛星通信〉，2005年2月，knowsky.com/7826.html。 註五：林高洲博士，「寬頻衛星通訊系統之運用與展望」，《中華民國電子認證 委員會》，2005年，頁61。 註六：Rawn Shah,“Satellite data communications: The Space Race is On, ”SunWorld Journal, Vol. 12, No. 6, June 1998。 註七：Francesco Vatalaro, Giovanni Emanuele Corazza, Carlo Caini, and Carlo Ferrarelli, “Analysis of LEO, MEO, and GEO: Global Mobile Satel lite Systems in the presence of Interference and Fading,”IEEE Journal on Selected Areas in Communications, Vol. 13, 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