MUOS 衛星通訊架構解析：從地面站到衛星的完整運作機制
MUOS：概述與最新進展
行動使用者目標系統（Mobile User Objective System，MUOS）在設計過程中的一項重大發展努力，涉及用於軟體定義無線電（SDR）的波形，以支援終端設備和便攜式 UHF 通訊無線電，由於在 MUOS 環境中使用頻譜自適應寬頻碼分多址（SA-WCDMA）的複雜性，因此需要衛星鏈路模擬器（Satellite Link Emulator）測試系統來協助 MUOS 波形的開發工作；本篇文章將概述 MUOS 的架構實施情況、目前的發展狀態，以及相關的衛星射頻鏈路模擬測試設備的最新進展。
雖然美國空軍負責監督大多數美國國防部（DoD）的太空系統，但美國海軍傳統上負責所有窄頻 UHF（240–400 MHz）衛星通訊，目前，國防部（DoD）依賴三種類型的國防衛星提供窄頻衛星通訊（SATCOM）能力，包括：
- 海軍的艦隊衛星（Fleet Satellite）
- UHF 接續計畫（UHF Follow-On）
- 行動使用者目標系統（Mobile User Objective System，MUOS）
2019 年 5 月，美國空軍部長與海軍部長共同宣布計劃將窄頻衛星通訊的責任從海軍轉移至空軍部（Department of the Air Force），2021 年 1 月，國防部（DoD）正式將「里程碑決策權」（Milestone Decision Authority）從海軍移交給空軍，2023 年 3 月，MUOS 計畫正式轉交給太空作戰部隊（Space Force, USSF）負責；然而，當前參與 MUOS 計畫的海軍項目辦公室人員仍將繼續參與該計畫的工作。
目前，美國太空作戰部隊已全面負責未來窄頻衛星通訊能力的採購，迄今為止，國防部（DoD）已投入超過 74 億美元用於開發與生產行動使用者目標系統（MUOS）；根據太空作戰部隊在 2023 財年的預算請求，計畫額外投資 37 億美元開發兩顆新衛星，預計在本世紀末前發射，這筆投資包含 2023 財年的 1.65 億美元以及未來五年的 14 億美元，此次採購的目的是延長 MUOS 星座（MUOS constellation）的使用壽命，這是美國海軍發起的一系列研究的一部分，最終由太空作戰部隊執行，國防部計畫將 MUOS 系統運行至 2030 年代。
UHF 超高頻頻譜是唯一能夠穿透惡劣天氣、叢林樹冠、與城市建築環境的無線電頻段，因此對於國防部（DoD）的通訊至關重要，美國海軍自 1978 年發射艦隊衛星通訊衛星（Fleet Satellite Communications Satellites）以來，一直依賴 UHF 通訊，該系統後來被UHF 接續計畫（UHF Follow-On）取代，而目前 UHF 接續衛星則正在被MUOS 逐步替換。
MUOS 是國防部的下一代窄頻衛星通訊系統，採用頻譜自適應寬頻碼分多址（SA-WCDMA）技術，與商業 3G 技術相似，能夠大幅提升戰場上的資料與語音通訊能力，MUOS 衛星搭載兩種有效負載（payload）：
- 傳統 UHF 網路負載：維持與舊 UHF 通訊系統的相容性，以支援現有使用者。
- SA-WCDMA 負載：提供類似智慧型手機（smartphone-like）的通訊能力，滿足對行動性、高資料速率和更佳作業可用性的需求。
MUOS 系統的設計目標是提供現有 UHF 星座 10 倍的系統容量，進一步提升國防部在各種環境下的通訊能力。
MUOS 由四顆地球同步軌道（GEO）衛星組成，並額外配備一顆在軌備用衛星（on-orbit spare），同時搭配地面站系統，這些地面站透過光纖網路連接多個大陸，負責傳輸、網路管理、衛星控制及基礎設施，以確保衛星的運行及使用者通訊管理。
MUOS 提供全球範圍內的行動使用者（MUOS users）之間的連線，並允許接入國防資訊系統局（DISA）的地面語音網路與網際協定（IP）網路，此外，MUOS 透過遠端傳輸介面（Teleport interface），可連接至國防資訊系統網路（DISN），並提供以下服務：
- SIPRNET（機密網際協定路由網路）：用於傳輸機密資訊的軍事內部網路。
- NIPRNET（非機密網際協定路由網路）：用於傳輸非機密資訊的軍事內部網路。
- DSN（國防交換網路）：軍事專用的全球電話交換網絡。
MUOS 仍保留傳統 UHF 衛星通訊能力，使用彎管式轉發（bent-pipe communication）技術，以模擬 UHF Follow-On 衛星的功能，確保舊有系統的使用者仍可獲得穩定的通訊支援；然而，相較於舊 UHF SATCOM，MUOS 具備更強的性能與更高的載波數（carriers），允許訊號聚焦於更小的地理區域，帶來以下優勢：
- 提升行動通訊能力：使用者可在移動狀態下保持連線。
- 增強訊號可靠性：在植被茂密區域（如森林、叢林）、城市環境及極端條件下，MUOS 的表現明顯優於傳統 UHF SATCOM。
MUOS 的設計大幅提升國防部的戰場通訊能力，確保在嚴苛環境中的部隊能夠維持穩定且高效的通訊。
美國海軍、海軍陸戰隊、空軍與陸軍正在進行現有老舊通訊系統的汰換作業，並逐步導入行動使用者目標系統（MUOS）；MUOS 透過次世代窄頻衛星通訊技術，提升各軍種在戰場及各類環境下的行動通訊能力、資料傳輸速率與作業可用性，為未來軍事行動提供更強大的通訊支援。
圖 1：MUOS 配置包括四顆地球同步軌道衛星、四個無線電存取設施（RAF）及相關的控制與交換設施。
MUOS 架構
MUOS 的配置包含四顆地球同步軌道（GEO）衛星與四個無線電存取設施（RAF），如圖 1 所示，每顆衛星始終可見兩個 RAF，每個 RAF 也始終可見兩顆衛星。
MUOS 終端透過 UHF 上行鏈路（uplink）與下行鏈路（downlink）與衛星通訊，每顆 MUOS 衛星搭載兩種有效負載：傳統 UHF 接續計畫（UHF Follow-On）負載與WCDMA（寬頻碼分多址）負載，其中 WCDMA 的容量為傳統 UHF 的 10 倍。
當 MUOS 衛星接收到 UHF 上行訊號後，會將其轉換為數位格式，並透過 Ka 頻段下行鏈路將數位化訊號傳送至 RAF，此鏈路稱為使用者至基地通信鏈路（U2B），若以3G 地面網路術語對應，則每顆 MUOS 衛星相當於「通訊塔台（cell tower）」，而每個 RAF 則相當於「地面站（base station）」。
RAF 會解碼從衛星接收到的使用者通訊流量，所有 RAF 之間透過高容量光纖地面網路相連（在圖 1 中以橙色表示），這些地面網路允許 RAF 將資料傳送至最近的交換設施（Switching Facility, SF）。
SF 負責將通訊流量路由至國防資訊網路（DoD Information Network），或傳送至另一個 RAF，該 RAF 需與負責該通訊目標使用者的 MUOS 衛星處於可視範圍內（即 UHF 覆蓋範圍內）。
每個 RAF 會從兩個交換設施（SF）接收通訊流量，這些交換設施位於：
- 夏威夷瓦希瓦（Wahiawa, HI）
- 維吉尼亞州西北部（Northwest VA）
RAF 會將約一半的資料透過 Ka 頻段上行鏈路回傳至其可見的 MUOS 衛星。MUOS 衛星則會接收這些資料，並透過 UHF 頻段下行鏈路重新傳輸至 MUOS 終端。
整個**基地至使用者（Base-to-User, B2U）**鏈路包含：
- Ka 頻段上行鏈路（uplink）
- MUOS 衛星
- UHF 頻段下行鏈路（downlink）
這種架構確保了 MUOS 系統能夠提供穩定、可靠且高效的全球窄頻衛星通訊服務。
網路管理設施（Network Management Facility, NMF）位於夏威夷瓦希瓦（Wahiawa, HI），負責通訊規劃、資源分配與優先權管理，並控制 MUOS 系統的存取。NMF 提供態勢感知（Situational Awareness），並提供必要資訊以執行基於優先級的即時通訊資源分配，同時控制低優先級流量（low priority traffic）。
主要（Primary）與次要（Secondary）衛星控制設施（Satellite Control Facilities, SCF）負責監控 MUOS 衛星狀態，並透過**安全鏈路（Secure Links）**經由 RAF 向衛星發送指令，以確保衛星運行的穩定性與可靠性。
通訊流程
MUOS 的配置包含四顆地球同步軌道（Geosynchronous Orbit, GEO）衛星與四個無線電存取設施（Radio Access Facility, RAF），如圖 1 所示。每顆衛星始終可見兩個 RAF，而每個 RAF 也始終可見兩顆衛星。
MUOS 終端透過**UHF 上行鏈路（uplink）與下行鏈路（downlink）**與衛星通訊。每顆 MUOS 衛星搭載兩種有效負載（payload）：
- 傳統 UHF 接續計畫（UHF Follow-On）負載
- WCDMA（寬頻碼分多址）負載——其容量為傳統 UHF 負載的 10 倍
當 MUOS 衛星接收到 UHF 上行訊號後，會將其轉換為數位格式，並透過 Ka 頻段（Ka-band）下行鏈路將數位化訊號傳送至 RAF。此鏈路稱為使用者至基地（User-to-Base，U2B）。
若以3G 地面網路術語對應，則：
- 每顆 MUOS 衛星相當於「基地台（Cell Tower）」
- 每個 RAF 相當於「基站（Base Station）」
RAF 會解碼從衛星接收到的使用者通訊流量（traffic）。所有 RAF 之間透過高容量光纖地面網路（High-Capacity Fiber Optic Terrestrial Links）相連（在圖 1 中以橙色表示）。這些地面網路允許 RAF 將資料傳送至最近的交換設施（Switching Facility, SF）。
SF 負責：
- 將通訊流量路由至國防資訊網路（DoD Information Network）
- 或傳送至另一個 RAF，使該 RAF 經 MUOS 衛星將訊號發送至目標使用者（確保 UHF 覆蓋範圍內的使用者接收訊號）
每個 RAF 從兩個交換設施（Switching Facilities, SF）接收通訊流量，這些交換設施位於：
- 夏威夷瓦希瓦（Wahiawa, HI）
- 維吉尼亞州西北部（Northwest VA）
RAF 會將約一半的資料透過 Ka 頻段上行鏈路回傳至其可見的 MUOS 衛星，MUOS 衛星則會接收這些資料，並透過 UHF 頻段下行鏈路重新傳輸至 MUOS 終端。
B2U 鏈路包含：
- Ka 頻段上行鏈路（Uplink）
- MUOS 衛星
- UHF 頻段下行鏈路（Downlink）
該架構確保 MUOS 系統能夠提供穩定、可靠且高效的全球窄頻衛星通訊服務。
圖 2：MUOS 點對點傳輸能力
網路管理設施（Network Management Facility, NMF）位於夏威夷瓦希瓦（Wahiawa, HI），負責通訊規劃、資源優先級分配與 MUOS 資源管理，NMF 提供態勢感知（Situational Awareness），並提供必要資訊以執行基於優先級的即時通訊資源分配，同時控制低優先級流量（low priority traffic）。
主要（Primary）與次要（Secondary）衛星控制設施（Satellite Control Facilities, SCF）負責監控 MUOS 衛星狀態，並透過安全鏈路（Secure Links）經由 RAF 向衛星發送指令，以確保衛星運行的穩定性與可靠性。
MUOS 現況
目前，五顆 MUOS 衛星（包含四顆運行中衛星與一顆在軌備用衛星）已全部發射並投入運行，這些衛星位於地球同步軌道，其軌道傾角為 5°。
四座地面站（Radio Access Facilities, RAF）分別位於：
- 澳洲（Australia）
- 義大利（Italy）
- 美國維吉尼亞州（Virginia, USA）
- 美國夏威夷（Hawaii, USA）
這些地面站的建設已經完成，並全面投入運行；此外，多家供應商（vendors）目前提供符合 MUOS 規範的終端設備，以支援 MUOS 系統的通訊能力。
截至 2025 年 3 月，MUOS 在以下方面取得了新的進展：
- 延壽計畫啟動：
美國太空軍（USSF）啟動了 MUOS 服務壽命延長（SLE）計畫，延長現有 MUOS 星座的運行時間，洛克希德·馬丁公司（Lockheed Martin）已完成其原型衛星的早期設計審查，這標誌著該計畫的重要里程碑。
(新聞來源：airforce-technology.com) - 國際合作擴展：
美國太空軍與加拿大武裝部隊（CAF）在 2024 年 10 月啟動了運營與維護階段，這將為加拿大提供六年使用 MUOS 衛星系統的權限，強化了北美地區的軍事通訊合作。
(新聞來源：spaceforce.mil)
這些發展顯示 MUOS 系統正持續進步，以滿足未來軍事通訊的需求。
全球覆蓋
在傳統 UHF 接續衛星系統中，發送端與接收端必須處於相同衛星的覆蓋範圍內才能進行通訊，然而，MUOS 採用按需（on-demand）、以 IP 為基礎的臨時網路（ad-hoc network），能夠提供全球覆蓋，無需發送端與接收端共享相同的衛星覆蓋區域。
MUOS 的設計目標是提供從北緯 65° 到南緯 65° 的全球通訊覆蓋，此外，超過 70% 的全球覆蓋區域同時受到兩顆衛星的覆蓋，這種重疊覆蓋（redundancy）機制提供額外的保護，以應對某顆衛星受到干擾（jamming）或失效（disabled）的情況。
一般而言，大多數地球同步軌道衛星無法覆蓋高緯度地區（如北極），然而洛克希德·馬丁（Lockheed Martin）最近的測試顯示，MUOS 能夠覆蓋比原設計更大範圍的北極地區，實際測試結果顯示，MUOS 最遠可達北緯 89.5°，遠超其原始設計能力。
圖 3：全球覆蓋
MUOS 提供清晰如手機通話品質的語音通訊，其容量為傳統 UHF 系統的 10 倍，單顆 MUOS 衛星的通訊容量是整個傳統 UHF 衛星系統（共 8 顆衛星）總容量的 4 倍。
對於美軍地面部隊而言，MUOS 提供類似行動電話的服務，透過衛星城為如同超高塔台（very tall "towers"）一般，讓前線作戰人員能夠直接與彼此及指揮官通訊，幾乎可在全球任何地點保持連線。
MUOS 波形應用
MUOS 所使用的 UHF 頻段 受到了來自其他訊號（如電視、雷達、導航等）以及傳統 UHF 接續衛星訊號的嚴重干擾，因此，MUOS 需要採用一種能夠與多種訊號共存的調變技術；展頻技術中的寬頻碼分多址（WCDMA）非常適合此需求；為了進一步提高訊號穩定性與抗干擾能力，MUOS 採用了以下技術：
- 展頻技術
- 誤差校正編碼與渦輪解碼（Turbo Decoding）
- Rake 分集接收器來減少多重路徑衰減（Multipath Fading）
- 自適應訊號處理與濾波來消除 B2U（地面站至使用者鏈路）與 U2B（使用者鏈路至地面站）訊號路徑中的外部干擾
此外，MUOS 終端設備還需要具備「頻段抑制（Notching）」功能，以符合駐紮國家（Host Nation）的頻譜協定，並避免干擾鄰近訊號。
與3G 地面通訊技術類似，MUOS 使用兩種類型的功率控制回路來確保系統性能：
- 內部功率控制迴路（Inner Loop）：
追蹤增益變化，以達到目標 Eb/No（每 Bit 能量對雜訊功率譜密度比值） - 外部功率控制迴路（Outer Loop）：
監控通訊性能，並根據變化調整目標 Eb/No
然而，由於衛星通訊的回傳延遲極長，MUOS 內部功率控制迴路採用線性預測來根據過去與當前的衰減情況預測未來的衰減條件；而外部功率控制迴路則透過多項式擬合（Polynomial Fit）來估算每個訊框（Frame）內的瞬時區塊錯誤率，以確保訊號品質。
所有 MUOS 使用者與國防部（DoD）語音網路之間的通訊均採用 安全通訊互通協定（Secure Communications Interoperability Protocol, SCIP） 進行加密和保護。
通用動力任務系統（General Dynamics Mission Systems） 於 2017 年底發布了更新版 MUOS WFv3.1.5 波形，並已完成在美國海軍的數位模組無線電（DMR）上的測試，此外，表 1 所列出的終端設備也支援 MUOS 波形。
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終端設備 |
波形版本 |
備註 |
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AN/PRC-155 |
3.1.4 |
通用動力（General Dynamics）手持無線電（陸軍），用於 MOT&E-2A |
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AN/PRC-117G |
3.1.4 |
哈里斯（Harris）手持無線電（多軍種），NECC 及美國海軍陸戰隊（USMC）FY19 部署 |
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AN/USC-61C (DMR) |
3.1.5 |
通用動力（General Dynamics）海事無線電（海軍） |
|
AN/PRC-158 |
3.1.4 |
哈里斯（Harris）手持無線電（陸軍） |
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AN/PRC-162 |
3.1.5 |
洛克威爾·柯林斯（Rockwell Collins）手持無線電（陸軍） |
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AN/ARC-210 V6 |
3.1.5 |
洛克威爾·柯林斯（Rockwell Collins）機載無線電（多軍種） |
|
AN/PRC-163 |
3.1.5 |
哈里斯（Harris）手持無線電（可能升級支援 MUOS） |
MUOS 波形的開發遠早於 MUOS 衛星與 RAF（無線電存取設施）的部署，為了測試與評估不同的通訊模型與編碼技術，需要建立一個能夠模擬發射器與接收器之間 RF 物理層鏈路衰減的測試環境。
dBm 開發了一款訊號無關（Signal-Agnostic）的通道衛星鏈路模擬器，用於引入訊號劣化，並允許在可重複且可控的環境中執行測試，此通道模擬器可對任何訊號施加以下干擾：
- 相位連續變化延遲：0.1 ps/sec 至 2 ms/sec
- 訊號與載波都卜勒頻移：最高達 ±6 MHz
- 訊號衰減：0 至 70 dB
- 相位偏移：0 至 359.9°
- 加性高斯白雜訊（AWGN）
- 多重路徑衰減：瑞利（Rayleigh）、萊斯（Rician）衰減
此設備能夠有效模擬 MUOS 衛星通訊環境中的各類物理層影響，確保 MUOS 波形技術在現實應用中的可靠性與穩定性。
圖 4：先進通道模擬器
通道模擬器提供先進的建模與控制軟體（選配），使使用者能夠輕鬆創建逼真的測試場景。
SATGEN-RTE 即時模擬軟體 允許使用者設定測試環境，包括：
- 衛星軌道概況
- 地面站位置
- 上行與下行頻率
- 大氣建模與損耗
該軟體會自動產生衰減參數，並將其上傳至模擬器，以執行測試開發流程；除了 SATGEN-RTE，此通道模擬器還支援 Analytical Graphics (AGI 公司) 的 Satellite Tool Kit（STK©） 軟體套件，進一步增強測試與分析能力。
超過 30 套測試系統 已交付給兩家主要承包商及美國海軍（US Navy），用於MUOS 波形開發、終端設備測試與互通性驗證。
衛星鏈路模擬器產品線不斷改進與增強功能，最新版本被命名為先進通道模擬器（Advanced Channel Emulator, ACE），該模擬器不僅允許模擬 RF 鏈路衰減（RF Link Impairments），並且可處理高達 600 MHz 的超大頻寬（備註：MUOS 為窄頻系統，僅 20 MHz）；此外，ACE 還提供硬體迴路測試（HIL）建模工具，幫助分析非預期的硬體誘發劣化對通訊頻道的影響。
ACE 可模擬的「有效負載」損傷類型：
- 放大器壓縮、AM/AM 失真與 AM/PM 失真
- I MUX/OMUX 濾波形狀、帶通起伏（Passband Ripple）與訊號抑制（Signal Notching）
- 可程式化相位雜訊
ACE 提供圖形化使用者介面，使用者能夠輕鬆定義與產生硬體迴路測試的劣化條件；以下為範例：使用 有效負載工具精靈 定義 帶通響應（Passband Response） 中的訊號抑制（Notch），產生必要的 有限脈衝響應（FIR）係數，並將其上傳至 ACE 進行模擬測試。
圖 6：「Notching」訊號帶通
dBmCorp, Inc. 是 Maury Microwave 旗下的全資子公司，總部位於美國新澤西州奧克蘭，該公司是全球領先的先進通道模擬測試系統供應商，專注於衛星與無線市場的測試解決方案；奧創系統為 dBM 在台灣的正式代理商，負責 dBmCorp, Inc. 旗下的先進通道模擬測試系統在台灣市場的銷售、技術支援及應用服務。
奧創系統不僅提供 MUOS、衛星通訊、無線射頻（RF）測試等相關解決方案，還致力於幫助台灣的國防、航太、電信及學術研究機構，透過 dBM 的高精度測試技術，提升通訊設備的開發與驗證能力。
此外，奧創系統擁有專業的技術團隊，提供從產品搭配、應用諮詢、系統整合到技術支援的完整服務，確保客戶能夠充分發揮 dBM 產品的測試效能，滿足高階通訊與射頻測試需求。