衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)試驗(yàn)鑒定的實(shí)踐與思考

王 濤，孫治國(guó)，范 靜

（中國(guó)空間技術(shù)研究院 通信衛(wèi)星事業(yè)部，北京 100094）

0 引言

按照《美國(guó)國(guó)防部試驗(yàn)鑒定管理指南》[1]定義，試驗(yàn)鑒定的主要目的是為決策者提供重要信息，驗(yàn)證和確認(rèn)軍事裝備是否達(dá)到規(guī)定的體系效能和技術(shù)指標(biāo)要求，并確定系統(tǒng)是否具備作戰(zhàn)有效性、適用性、生存能力以及在預(yù)期用途下的安全性。因此，裝備試驗(yàn)鑒定的主要目的是摸清裝備完成作戰(zhàn)使命任務(wù)的能力，確保裝備好用、易用，關(guān)注裝備對(duì)體系作戰(zhàn)能力提升的貢獻(xiàn)程度。

隨著信息化戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)航天裝備的需求和依賴日益強(qiáng)烈，衛(wèi)星通信系統(tǒng)也面臨著由“試驗(yàn)型”向“裝備型”轉(zhuǎn)變的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。試驗(yàn)鑒定將裝備全壽命周期試驗(yàn)歸結(jié)為性能試驗(yàn)、作戰(zhàn)試驗(yàn)和在役考核3類。美國(guó)在探索航天裝備試驗(yàn)鑒定方法的過(guò)程中耗費(fèi)了大量人力、物力和時(shí)間，經(jīng)過(guò)多年的實(shí)踐與改進(jìn)，基本形成了適用于航天裝備的試驗(yàn)鑒定體系，其以增強(qiáng)航天裝備研制能力和作戰(zhàn)能力為目標(biāo)的試驗(yàn)鑒定策略和方法研究具有借鑒意義。

相對(duì)于固定業(yè)務(wù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)，衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)具有業(yè)務(wù)分布不均勻，突發(fā)式業(yè)務(wù)需求多，功率和頻率資源動(dòng)態(tài)管理等顯著特點(diǎn)，對(duì)系統(tǒng)試驗(yàn)鑒定提出了新的挑戰(zhàn)。本文通過(guò)對(duì)美國(guó)航天裝備試驗(yàn)鑒定體系的研究分析，重點(diǎn)對(duì)美軍“移動(dòng)用戶目標(biāo)系統(tǒng)”（Mobile User Objective System, MUOS）鑒定試驗(yàn)的組織體系、測(cè)試項(xiàng)目等要素進(jìn)行研究，提出對(duì)衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)試驗(yàn)鑒定的思考與建議。

1 美軍航天裝備試驗(yàn)鑒定體系發(fā)展現(xiàn)狀

美軍裝備試驗(yàn)鑒定是其裝備采辦系統(tǒng)工程過(guò)程的重要組成部分，通過(guò)在裝備全壽命周期對(duì)裝備功能性能及作戰(zhàn)能力進(jìn)行考核，達(dá)到降低裝備采辦風(fēng)險(xiǎn)、控制裝備采辦成本以及提升裝備作戰(zhàn)能力等目的。

美軍航天裝備試驗(yàn)鑒定體系的發(fā)展經(jīng)歷了3個(gè)階段，即體系初步建立階段（20世紀(jì)90年代）、體系優(yōu)化改進(jìn)階段（2000年—2008年）和體系推進(jìn)實(shí)施階段（2009年至今）[2-3]。美軍早期航天裝備試驗(yàn)鑒定采用研制試驗(yàn)鑒定和作戰(zhàn)試驗(yàn)鑒定獨(dú)立開(kāi)展的策略，并重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)航天裝備發(fā)射前的地面研制試驗(yàn)鑒定，一般以裝備承包商為主完成。為加強(qiáng)對(duì)航天裝備戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)和作戰(zhàn)能力的考核，控制裝備研制風(fēng)險(xiǎn)，美軍通過(guò)體系優(yōu)化推出了針對(duì)具體項(xiàng)目的一體化試驗(yàn)小組（integrated test team, ITT）和研制與作戰(zhàn)一體化試驗(yàn)，強(qiáng)化了軍方用戶和項(xiàng)目辦對(duì)試驗(yàn)鑒定的掌控力度。

2004年，美國(guó)空軍作戰(zhàn)試驗(yàn)鑒定中心提出一種新的作戰(zhàn)試驗(yàn)鑒定模式，稱為空間試驗(yàn)提案（space test initiative, STI）[4]。STI有 3 個(gè)關(guān)鍵原則：1）研制與作戰(zhàn)一體化試驗(yàn)在采辦過(guò)程中盡早開(kāi)展，且貫穿裝備全壽命周期；2）針對(duì)試驗(yàn)鑒定數(shù)據(jù)與結(jié)果進(jìn)行快速分析與報(bào)告，降低時(shí)間成本；3）由關(guān)注本系統(tǒng)的試驗(yàn)轉(zhuǎn)變?yōu)殛P(guān)注大系統(tǒng)環(huán)境下的系統(tǒng)試驗(yàn)或結(jié)合大系統(tǒng)試驗(yàn)開(kāi)展試驗(yàn)鑒定，提升作戰(zhàn)試驗(yàn)鑒定結(jié)果對(duì)關(guān)鍵決策的支撐價(jià)值。2009年，美軍各相關(guān)方對(duì) STI達(dá)成了一致，STI替代 NSS 03-01《國(guó)家安全空間采辦政策》成為現(xiàn)行的美軍航天裝備試驗(yàn)鑒定政策。STI將研制與作戰(zhàn)一體化試驗(yàn)鑒定的理念植入到航天裝備采辦程序中，通過(guò)賦予ITT極大的責(zé)任和權(quán)利開(kāi)展項(xiàng)目定制化的試驗(yàn)鑒定，同時(shí)將航天裝備試驗(yàn)鑒定的目的由為采辦決策設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)門(mén)檻轉(zhuǎn)變?yōu)榻档筒赊k風(fēng)險(xiǎn)，扭轉(zhuǎn)了長(zhǎng)期以來(lái)裝備研制部門(mén)與試驗(yàn)機(jī)構(gòu)相互“對(duì)立”的態(tài)勢(shì)，促進(jìn)了研制、試驗(yàn)雙方的協(xié)作和資源、數(shù)據(jù)共享，以實(shí)現(xiàn)體系持續(xù)改進(jìn)。

2 MUOS 鑒定試驗(yàn)實(shí)踐

2.1 MUOS 簡(jiǎn)介

MUOS是美國(guó)新一代軍用地球同步軌道衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)，用于接替“特高頻后繼”（UHF Follow-on, UFO）衛(wèi)星，為美軍提供窄帶移動(dòng)通信業(yè)務(wù)。MUOS（見(jiàn)圖1[5]）分為空間段、地面段和用戶段：空間段包括4顆工作衛(wèi)星和1顆在軌備份衛(wèi)星；地面段主要實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星控制、傳輸以及管理用戶語(yǔ)音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，集成至國(guó)防信息系統(tǒng)網(wǎng)以及管理和控制通信資源；用戶段由各種用戶終端組成。MUOS采用WCDMA技術(shù)，相比UFO衛(wèi)星具有更大用戶容量與較強(qiáng)抗干擾能力。

圖1 MUOS 組成示意Fig.1 The structure of MUOS

MUOS的5顆衛(wèi)星與UFO衛(wèi)星采用相同的軌道位置和具有相同的覆蓋區(qū)域。4顆工作星分別部署在西經(jīng)177°（太平洋上空）、西經(jīng)100°（美國(guó)本土上空）、西經(jīng)15.5°（大西洋上空）和東經(jīng)75°（印度洋上空），在軌備份星部署在東經(jīng)72°，可提高中東、阿富汗等熱點(diǎn)地區(qū)的通信保障能力。2016年6月，第5顆MUOS衛(wèi)星成功發(fā)射，標(biāo)志著MUOS空間段建設(shè)的初步完成。

MUOS衛(wèi)星有效載荷對(duì)應(yīng)2種通信體制，即對(duì)應(yīng)遺產(chǎn)載荷的傳統(tǒng)UFO體制以及全新的基于商用3G公共空中接口的SA-WCDMA體制，網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)采用UMTS。MUOS星上信號(hào)采用透明轉(zhuǎn)發(fā)，處理和交換由地面控制段完成，用戶到用戶的通信經(jīng)過(guò)2跳完成。地面站通過(guò)地面網(wǎng)建立連接，從而使2個(gè)位于不同衛(wèi)星覆蓋區(qū)下的用戶間通過(guò)地面站轉(zhuǎn)發(fā)進(jìn)行通信。另外，系統(tǒng)還利用頻譜感知和陷波技術(shù)，將自身傳輸信號(hào)某些頻段的發(fā)射功率降低，避免了MUOS對(duì)其他窄帶用戶的干擾，同時(shí)也提升了MUOS自身的抗干擾能力。

2.2 試驗(yàn)鑒定組織體系

MUOS的試驗(yàn)鑒定工作由美國(guó)海軍司令部作戰(zhàn)測(cè)試和評(píng)估部隊(duì)（COTF）負(fù)責(zé)，在陸軍測(cè)試和評(píng)估司令部（ATEC）和空軍作戰(zhàn)測(cè)試和評(píng)估司令部（AFOTEC）支持下進(jìn)行。

試驗(yàn)鑒定主要分為研制試驗(yàn)鑒定和作戰(zhàn)試驗(yàn)鑒定2大部分。前者旨在考核戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能，以衛(wèi)星承包商為主實(shí)施，軍方用戶參與。后者旨在評(píng)估體系裝備作戰(zhàn)效能和適用性，由軍方獨(dú)立作戰(zhàn)試驗(yàn)機(jī)構(gòu)實(shí)施。

MUOS作戰(zhàn)試驗(yàn)于2015年10月19日—11月20日實(shí)施完成，主要測(cè)試了系統(tǒng)運(yùn)行有效性、適應(yīng)性和網(wǎng)絡(luò)安全性[5]。測(cè)試對(duì)象包括了2顆在軌衛(wèi)星：位于西經(jīng) 177°的 MUOS-1和西經(jīng) 100°的MUOS-2。參試的3個(gè)地面無(wú)線接入站（RAF）（分別位于弗吉尼亞州西北部、夏威夷的瓦西阿瓦和澳大利亞的杰拉爾頓）負(fù)責(zé)處理用戶路由數(shù)據(jù)，瓦西阿瓦站負(fù)責(zé)執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)和密鑰管理功能。參試部隊(duì)有位于北卡羅來(lái)納州的第82空降師、位于紐約州的第10山地師、位于華盛頓州的第2步兵師等。MUOS作戰(zhàn)試驗(yàn)參試設(shè)備及系統(tǒng)組成見(jiàn)圖2[5]。

MUOS作戰(zhàn)試驗(yàn)主要考核項(xiàng)目包括通信質(zhì)量、覆蓋能力、通信時(shí)效性、抗干擾能力、系統(tǒng)可用度和安全保密能力等，具體指標(biāo)體系見(jiàn)圖3[5]。

圖2 MUOS 作戰(zhàn)試驗(yàn)參試設(shè)備及系統(tǒng)組成示意Fig.2 The equipment of the experimental evaluation system for MUOS operational test

圖3 MUOS 作戰(zhàn)試驗(yàn)指標(biāo)體系Fig.3 The evaluation items for MUOS operational test

2.3 作戰(zhàn)試驗(yàn)測(cè)試項(xiàng)目

MUOS作戰(zhàn)試驗(yàn)主要測(cè)試項(xiàng)目包括：

1）通信容量、鏈路可用度、用戶優(yōu)先級(jí)管理、通信終端/數(shù)據(jù)終端應(yīng)用測(cè)試。

2）態(tài)勢(shì)感知和性能管理測(cè)試。使用自然突發(fā)事件和腳本化定義事件測(cè)試網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視和資源調(diào)配能力。

3）網(wǎng)絡(luò)管理功能測(cè)試。持續(xù)監(jiān)控MUOS網(wǎng)絡(luò)管理器，測(cè)試系統(tǒng)數(shù)據(jù)自動(dòng)收集、用戶調(diào)查、故障處理、計(jì)費(fèi)及網(wǎng)絡(luò)配置切換等功能。

4）WCDMA通信業(yè)務(wù)測(cè)試。通過(guò)位于美國(guó)大陸3個(gè)地點(diǎn)的作戰(zhàn)部隊(duì)，測(cè)試終端在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的通信能力，包括語(yǔ)音、數(shù)據(jù)以及P2P、P2N業(yè)務(wù)。

5）衛(wèi)星遙測(cè)、遙控和跟蹤功能測(cè)試。

6）通信質(zhì)量主觀評(píng)估。采用打分表調(diào)查直接用戶對(duì)通信質(zhì)量的主觀評(píng)價(jià)，參考打分標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1[5]。

7）可靠性和可維護(hù)性評(píng)估。按照地面系統(tǒng)可用性和可維護(hù)性要求，評(píng)估操作任務(wù)失敗平均時(shí)間（MTBOMF）、平均修復(fù)時(shí)間（MTTR）等。

8）網(wǎng)絡(luò)安全測(cè)試。

表1 MUOS 通信質(zhì)量主觀打分標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Subjective evaluation standards for the communication quality of MUOS

3 對(duì)衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)鑒定試驗(yàn)的思考

本文依據(jù)近年來(lái)對(duì)美軍航天裝備試驗(yàn)鑒定體系發(fā)展的跟蹤研究，針對(duì)衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的業(yè)務(wù)分布不均勻、突發(fā)式業(yè)務(wù)需求多、功率和頻率資源須動(dòng)態(tài)管理等顯著特點(diǎn)[6-8]，對(duì)衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的試驗(yàn)鑒定工作提出以下思考與建議：

1）試驗(yàn)鑒定體系構(gòu)建應(yīng)以降低系統(tǒng)建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)、推進(jìn)體系持續(xù)改進(jìn)為首要目標(biāo)。在“保型號(hào)成功”理念指導(dǎo)下，為避免衛(wèi)星研制中重復(fù)設(shè)計(jì)、重復(fù)研制、重復(fù)試驗(yàn)，重性能輕效能、重階段輕全程、重指標(biāo)輕體系等情況的發(fā)生[9-10]，衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的試驗(yàn)鑒定體系建設(shè)應(yīng)以降低系統(tǒng)建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)、推進(jìn)體系持續(xù)改進(jìn)為首要目標(biāo)，由移動(dòng)通信用戶、運(yùn)行管理方、衛(wèi)星研制方共同參與，以現(xiàn)有研制階段試驗(yàn)為基礎(chǔ)，逐步補(bǔ)充對(duì)作戰(zhàn)能力的考核試驗(yàn)，制定包含研制和作戰(zhàn)的系統(tǒng)試驗(yàn)大綱，指導(dǎo)試驗(yàn)考核工作的開(kāi)展。這是一個(gè)多部門(mén)參與、反復(fù)迭代的體系完善過(guò)程，可能涉及終端用戶、運(yùn)行管理方與衛(wèi)星研制方之間多次協(xié)調(diào)、修正作戰(zhàn)能力指標(biāo)，持續(xù)識(shí)別短板、提升系統(tǒng)作戰(zhàn)效能。在研制試驗(yàn)階段盡可能考慮后續(xù)作戰(zhàn)試驗(yàn)所需的實(shí)戰(zhàn)背景，在作戰(zhàn)試驗(yàn)鑒定中充分利用研制階段鑒定試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2）衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的試驗(yàn)鑒定應(yīng)貫穿全周期管理過(guò)程。航天裝備作戰(zhàn)試驗(yàn)鑒定如在系統(tǒng)發(fā)射后才開(kāi)展，所暴露出來(lái)的缺陷在裝備在軌運(yùn)行中往往難以修正，作戰(zhàn)試驗(yàn)對(duì)關(guān)鍵決策的支撐力度難以體現(xiàn)。衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)一體化試驗(yàn)鑒定是一項(xiàng)長(zhǎng)期的帶有方向性和全局性的工作，終端用戶、運(yùn)行管理方與衛(wèi)星研制方應(yīng)對(duì)研制試驗(yàn)、作戰(zhàn)試驗(yàn)、系統(tǒng)互操作試驗(yàn)以及建模與仿真工作進(jìn)行協(xié)調(diào)，形成一個(gè)有效的連續(xù)統(tǒng)一體，避免進(jìn)行單一試驗(yàn)和重復(fù)性試驗(yàn)，以充分利用試驗(yàn)資源，縮短研制時(shí)間，并將試驗(yàn)鑒定工作與需求制定及系統(tǒng)設(shè)計(jì)緊密結(jié)合起來(lái)。在概念研究和技術(shù)開(kāi)發(fā)階段，主要制定作戰(zhàn)效能和適用性初步指標(biāo)，評(píng)估潛在的作戰(zhàn)效能、適用性和任務(wù)滿足度，通過(guò)對(duì)樣機(jī)進(jìn)行早期試驗(yàn)，提出作戰(zhàn)中可能遇到的問(wèn)題，建立初步的試驗(yàn)鑒定計(jì)劃。在生產(chǎn)與部署階段，主要開(kāi)展單機(jī)試驗(yàn)、分系統(tǒng)試驗(yàn)、作戰(zhàn)系統(tǒng)試驗(yàn)，評(píng)估裝備作戰(zhàn)效能和適用性，支撐體系持續(xù)改進(jìn)決策。

3）加強(qiáng)衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)試驗(yàn)鑒定的資源保障體系建設(shè)。衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)作戰(zhàn)試驗(yàn)成本高昂，組織體系復(fù)雜，試驗(yàn)資源占用多。根據(jù)美軍經(jīng)驗(yàn)，試驗(yàn)資源包含試驗(yàn)設(shè)備實(shí)施能力和組織保障能力2個(gè)方面，包括軍方、政府和工業(yè)部門(mén)的各類實(shí)驗(yàn)室、試驗(yàn)場(chǎng)和發(fā)射場(chǎng)等。在現(xiàn)階段，部分功能性能試驗(yàn)可以依托工業(yè)部門(mén)實(shí)施，但長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，作戰(zhàn)能力考核試驗(yàn)需要獨(dú)立的作戰(zhàn)試驗(yàn)機(jī)構(gòu)組織開(kāi)展。

4）加強(qiáng)地面模擬仿真技術(shù)研究和應(yīng)用。為節(jié)約成本，減少重復(fù)試驗(yàn)，還應(yīng)加強(qiáng)地面模擬仿真能力，在衛(wèi)星全壽命周期內(nèi)采用數(shù)字化模型以及計(jì)算機(jī)仿真，識(shí)別并定義用戶需求，對(duì)衛(wèi)星各項(xiàng)能力進(jìn)行建模和仿真試驗(yàn)。在衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)研制和部署前期，受客觀條件限制，通信容量、資源調(diào)配等試驗(yàn)項(xiàng)目難以實(shí)裝試驗(yàn)，必須通過(guò)模擬仿真方式進(jìn)行試驗(yàn)。利用建模仿真技術(shù)還可以構(gòu)建各種復(fù)雜環(huán)境，通過(guò)相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)化試驗(yàn)鑒定技術(shù)，使體系中各系統(tǒng)利用彼此的貢獻(xiàn)，產(chǎn)生更大的整體效應(yīng)。

5）隨著當(dāng)前聯(lián)合作戰(zhàn)戰(zhàn)略對(duì)互聯(lián)、互通、互操作能力的需求增長(zhǎng)，還應(yīng)加強(qiáng)對(duì)聯(lián)合作戰(zhàn)能力和網(wǎng)絡(luò)安全性等方面的要求定義與仿真試驗(yàn)評(píng)估工作。

4 結(jié)束語(yǔ)

科學(xué)開(kāi)展系統(tǒng)試驗(yàn)鑒定是保證裝備研制質(zhì)量、提升體系化作戰(zhàn)能力的基礎(chǔ)性工作。通過(guò)對(duì)美軍航天裝備試驗(yàn)鑒定體系進(jìn)行針對(duì)性的深入分析，在借鑒基礎(chǔ)上開(kāi)展適用性研究，建立航天裝備試驗(yàn)鑒定的理論體系和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，規(guī)范開(kāi)展試驗(yàn)鑒定工作，加強(qiáng)試驗(yàn)鑒定資源保障體系建設(shè)，有利于科學(xué)合理地構(gòu)建我國(guó)衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的試驗(yàn)鑒定體系，達(dá)到降低裝備采辦風(fēng)險(xiǎn)、控制系統(tǒng)研制成本、提升體系作戰(zhàn)能力等目的。