極高頻衛(wèi)星通信技術(shù)

[定義]


　　極高頻衛(wèi)星通信系統(tǒng)是指星上的主要通信設(shè)備上行傳輸頻率為極高頻(44GHz)， 它比特高頻(UHF)、超高頻(SHF)頻率高，下行傳輸頻率為超高頻(20GHz) ， 是美軍軍事衛(wèi)星通信(MILSATCOM)體系結(jié)構(gòu)中最關(guān)鍵的系統(tǒng)。 極高頻衛(wèi)星通信系統(tǒng)又稱軍事戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)(Milstar)，它將為美軍的戰(zhàn)略指揮控制和戰(zhàn)術(shù)部隊提供保密、抗干擾通信， 具有能支持全面戰(zhàn)爭的能力。


　　特點:能利用較小的天線陣進行定向發(fā)射，這樣就降低了截收概率； 星上天線具有調(diào)零功能，能大大提高衛(wèi)星發(fā)射信號的抗干擾能力；具有星上信號處理能力，降低了地面設(shè)備的復(fù)雜性；具有星上自主控制能力，在沒有地面支援設(shè)施支援的情況下能持久運行。



[相關(guān)技術(shù)]衛(wèi)星通信；激光通信；電子技術(shù)；航天技術(shù)



[技術(shù)難點]


　　由于頻率高，波束窄，對衛(wèi)星的穩(wěn)定性要求非常高，衛(wèi)星信號定向發(fā)射和調(diào)零對部件的精度要求也非常高。這是發(fā)展極高頻衛(wèi)星的兩個至關(guān)重要的問題，它將制約著其他國家發(fā)展極高頻衛(wèi)星的進程。



[國外概況]




　　目前，世界上只有美國擁有極 美軍極高頻衛(wèi)星通信系統(tǒng)于70年代初期進行設(shè)計和研制，到90年代中期經(jīng)歷20余年，耗資200多億美元。該衛(wèi)星系統(tǒng)是在冷戰(zhàn)時期設(shè)計的，原計劃共發(fā)射8顆衛(wèi)星，設(shè)計指標(biāo)很高，要求能抗核電磁脈沖和對付反衛(wèi)星武器。隨著冷戰(zhàn)的結(jié)束，設(shè)計方案幾經(jīng)修改，衛(wèi)星數(shù)量從8顆減少到6顆，并降低了設(shè)計要求。到1996年，其中4顆衛(wèi)星已發(fā)射入軌， 構(gòu)成了美軍戰(zhàn)略指揮控制系統(tǒng)中至關(guān)重要的的系統(tǒng)，并為戰(zhàn)術(shù)部隊提供保密抗干擾通信。
　高頻衛(wèi)星通信系。




　　1.極高頻的系統(tǒng)組成




　　Milstar系統(tǒng)由三個分系統(tǒng)組成:空間分系統(tǒng)，包括衛(wèi)星星體和通信有效載荷；任務(wù)控制分系統(tǒng)，包括執(zhí)行衛(wèi)星和有效載荷控制功能和支持任務(wù)分析的各單元； 終端分系統(tǒng)， 包括Milstar艦載、岸站、機載和地面移動終端，以及技術(shù)保障和附屬設(shè)備。


　　Milstar的最初設(shè)計(Milstar Ⅰ ) 有效載荷具有高度堅固可靠的波形特征， 以 75 ～2400b/s的速率提供低數(shù)據(jù)率(LDR)通信。終端上行鏈路的頻率為44GHz的極高頻(EHF)，下行鏈路頻率為20GHz的超高頻(SHF)或UHF頻段。MilstarⅠ有效載荷有一付地球覆蓋波束天線，幾付在整個地球視場內(nèi)增益比地球覆蓋波束天線高的捷變波束天線，還有3 付調(diào)零點波束天線。每個MilstarⅠ的有效載荷可提供192個同時進行探測、 控制和通信的信道， 可以支持EHF/SHF/和 EHF/UHF交鏈頻道通信業(yè)務(wù)。


　　Milstar的改進方案(MilstarⅡ)系統(tǒng)包括一個與MilstarⅠ基本相同的LDR有效載荷，一個中數(shù)據(jù)率(MDR)有效載荷，以4.8kb/s～1.544Mb/s的數(shù)據(jù)率提供通信。MDR終端上行鏈路為EHF；下行鏈路為SHF。 MDR有效載荷有32個信道和8 付可控點波束天線， 兩付調(diào)零點波束(NSB)天線，能針對上行鏈路干擾自動調(diào)零；6 付分布式用戶覆蓋天線(DUCA)，但不具備NSB天線的調(diào)零能力。MDR除數(shù)據(jù)率較高外，有效載荷采用了防護措施，能提供確有保證的接入。由于采用了防護措施，MDR有效載荷資源控制器在有效載荷資源分配方面強制訓(xùn)練， 從而防止一個用戶預(yù)占屬于另一個用戶的資源和通信業(yè)務(wù)，以保證該用戶的接入。


　　MilsatrⅠ和MilstarⅡ設(shè)計了交叉鏈路，星座中任何衛(wèi)星之間都可進行通信和傳送控制數(shù)據(jù)，而無需地面中繼站，從而提供任何其它MILSATCOM系統(tǒng)無可比擬的全球通信能力。 最重要的是控制和通信系統(tǒng)都通過星上資源控制器對衛(wèi)星和有效載荷分別傳送控制指令。這種靈活的系統(tǒng)控制功能與交叉鏈路的全球通信能力相結(jié)合，是有效利用Milstar 系統(tǒng)充分滿足戰(zhàn)術(shù)用戶需求的關(guān)鍵特性。




　　2.極高頻衛(wèi)星通信在軍事行動中的作用




　　及時、準(zhǔn)確的通信是執(zhí)行從后勤保障到目標(biāo)探測和攻擊等各種作戰(zhàn)任務(wù)的有機組成部分。美軍在過去的作戰(zhàn)中當(dāng)戰(zhàn)場擴大到超出傳統(tǒng)的視距范圍時，在分散部隊之間保持有效指揮和控制鏈路的能力捉襟見肘。這種情況?quot;沙漠風(fēng)暴"行動期間有所暴露，即地面部隊機動范圍迅速超過了通信支援能力。 Milstar系統(tǒng)通過對戰(zhàn)術(shù)用戶提供靈活和抗干擾的通信支援，能解決現(xiàn)有通信系統(tǒng)效率低的諸多問題。


　　在MILSATCOM體系結(jié)構(gòu)中，優(yōu)先權(quán)或指揮層次不同， 對軍事衛(wèi)星通信的需求分配有別。優(yōu)先權(quán)最高的通信需求是"硬核心"(Hard Core)需求， 主要保證國家指揮當(dāng)局對指揮執(zhí)行統(tǒng)一作戰(zhàn)計劃(SIOP)的部隊、部隊軍情上報、戰(zhàn)術(shù)預(yù)警和打擊評估(TW/AA) 和各總指揮員之間的通信需求。體系結(jié)構(gòu)的第二層主要對戰(zhàn)區(qū)和應(yīng)急作戰(zhàn)的戰(zhàn)術(shù)部隊提供通信支援,主要包括擴大移動用戶設(shè)備(MSE)的覆蓋范圍、空中任務(wù)命令(ATO)的生成和分發(fā)以及戰(zhàn)斧地面攻擊導(dǎo)彈(TLAM)任務(wù)數(shù)據(jù)更新(MDU)。"通用"需求是對除戰(zhàn)爭以外(OOTW)的行動提供通信支援， 包括后勤供給、情報、禁毒和執(zhí)法行動。


　　Milstar可滿足上述三種層次的通信需求。MilstarⅠ在設(shè)計上顯然可支持打擊前、中、后整個作戰(zhàn)過程的硬核心需求，并在一次攻擊后的延長期內(nèi)星上的通信設(shè)備能自主工作。為確保這種高度的抗毀能力，衛(wèi)星和通信有效載荷設(shè)計成能抗直接和間接的核攻擊，戰(zhàn)略終端設(shè)計成能在核環(huán)境下工作。根據(jù)美國會的指示，Milstar Ⅱ MDR由于數(shù)據(jù)率較高，可控天線數(shù)量更多，因而支持核心需求的能力增強了，同時保持MilstarⅠ LDR 的抗毀通信能力。根據(jù)MilstarⅡ計劃研制的終端不要求在核環(huán)境下工作，因而可做得更小、更輕、 造價更低廉。由于LDR有效載荷幾乎相同，因而波形接入控制協(xié)議也相同。LDR終端可通過Milstar Ⅰ或Ⅱ有效載荷，或通過任何可互通的EHF LDR有效載荷進行通信。


　　Milstar的戰(zhàn)場應(yīng)用包括


　　(1)擴大移動用戶設(shè)備(MSE)的通信距離


　　MSE對陸軍軍和軍以下梯隊(ECB)提供保密的話音和數(shù)據(jù)通信，是陸軍地面部隊實施指揮控制的主要通信系統(tǒng)。視距無線電臺用于連接 MSE系統(tǒng)的各組成要素，從而實現(xiàn)從戰(zhàn)場作戰(zhàn)指揮中心到下屬戰(zhàn)斗無線電網(wǎng)電臺之間的連接。?quot;沙漠風(fēng)暴"行動期間，地面部隊的機動速度迅速超過了視距無線電的覆蓋范圍，從而使美軍的地面部隊在實施地面作戰(zhàn)期間的關(guān)鍵時刻，失去了與上級指揮所的聯(lián)系。Milstar系統(tǒng)投入使用后，部隊使用SMART-T終端將擴大MSE的覆蓋范圍，為支持空地一體戰(zhàn)(ALO)戰(zhàn)斗管理方案提供所必需的超視距(BLOS)通信能力（見圖1:擴大MSE的覆蓋范圍）zxjsjgp1.gif。


　　根據(jù)空地一體戰(zhàn)的原則，戰(zhàn)斗部隊將分散在整個作戰(zhàn)地區(qū)的"飛地"內(nèi)，中間隔著敵方部隊或不可控制的地區(qū)。在這些地區(qū)外部，敵方部隊可能企圖干擾軍用衛(wèi)星通信系統(tǒng)。為了對付這些干擾威脅，每個Milstar MDR有效載荷配有兩付具有自動調(diào)零的點波束天線。 天線調(diào)零系統(tǒng)檢測干擾信號，正對干擾機方向的天線輻射圖調(diào)零，而無需地面分析或控制。各種終端采用調(diào)零點波束傳輸，信號不受干擾的影響，從而實現(xiàn)安全通信。根據(jù)空地一體戰(zhàn)的原則，機動部隊的協(xié)同是關(guān)鍵問題，而且需要移動終端。為了滿足機動性要求，SMART-T 終端裝在標(biāo)準(zhǔn)的高機動多用途輪式車上，可迅速開通和拆收。終端設(shè)計具有遙控功能，可實現(xiàn)無人管理操作。


　　在戰(zhàn)場環(huán)境極富變化時，通信需求的變化極快。對地面部隊分配一種"虛擬衛(wèi)星"，可使通信規(guī)劃人員具有對動態(tài)戰(zhàn)場通信需求迅速作出反應(yīng)的靈活性。Milstar 用戶可以控制其"虛擬衛(wèi)星"資源，并使這些資源最適合于作戰(zhàn)需要。一旦聯(lián)合特遣部隊指揮員將這些衛(wèi)星資源分配給相應(yīng)的地面部隊，通信規(guī)劃人員就可以制訂和實施通信計劃，而不需要與上級或戰(zhàn)區(qū)外或規(guī)劃中心協(xié)調(diào)。


　　(2)空中特遣命令傳送


　　海軍和空軍部隊在作戰(zhàn)中飛機出動的架次很多，并要求能夠?qū)嵤��?zhǔn)確打擊。每天的空中任務(wù)命令(ATO)包含作戰(zhàn)行動所需要的打擊規(guī)劃和目標(biāo)信息。 聯(lián)合特遣部隊所屬空軍指揮員將空中任務(wù)命令發(fā)給旗艦、對空攻擊艦、防空作戰(zhàn)平臺和地面戰(zhàn)斗部隊。在海灣戰(zhàn)爭"沙漠風(fēng)暴"行動期間，由于缺乏衛(wèi)星通信能力和可互通的通信系統(tǒng)，美空軍仍依靠直升機和軍郵班機以及人工拷貝的方式，將空中任務(wù)命令傳送給海軍部隊，駐扎在利雅得聯(lián)合特遣部隊指揮員將空中作戰(zhàn)命令拷貝的復(fù)制品分發(fā)給各作戰(zhàn)部隊。


　　Milstar系統(tǒng)通過利用通用波形、通信協(xié)議和基帶接口， 在不同的終端平臺之間提供前所未有的互通能力。Milstar MDR為支持聯(lián)機空中任務(wù)命令的生成和分發(fā)，提供有效的通信能力，生成和分發(fā)時間由過去的幾小時縮短到幾分鐘，并增加了高度抗干擾和低截收概率的鏈路（見圖2:空中任務(wù)命令的生成和分發(fā)）zxjsjgp2.gif。


　　(3)總指揮員互連網(wǎng)


　　在全球態(tài)勢變化多端的情況下，迅速評估正在形成的危機和有效地協(xié)調(diào)部隊，要求在國家指揮當(dāng)局和戰(zhàn)區(qū)總指揮員之間提供可靠的通信。高級指揮員之間互連網(wǎng)通過Milstar LDR，在全球范圍提供保密、抗干擾通信。Milstar的特性包括交叉鏈路、抗干擾/低截收概率、可互通的話音和數(shù)據(jù)基帶設(shè)備和高度抗毀的有效載荷等，可確保危急期間提供這種通信能力(見圖3: 高級指揮員之間Milstar互連網(wǎng))zxjsjgp3.gif。




　　3.極高頻衛(wèi)星通信技術(shù)趨勢




　　(1)新的特點


　　極高頻軍用衛(wèi)星通信系統(tǒng)，總體要求應(yīng)能滿足常規(guī)戰(zhàn)爭和核戰(zhàn)爭的需要，因此呈現(xiàn)出下列主要特點:
　·抗毀性:對衛(wèi)星星體和有效載荷采用加固措施，以增強抗摧毀、抗破壞能力， 保證衛(wèi)星在軌持久運行；


　　·星上處理:包括基帶處理和傳輸信號處理，如調(diào)制解調(diào)，變換跳頻波形等；


　　·星際鏈路:極高頻衛(wèi)星和低軌道衛(wèi)星之間建立交叉線路， 增強系統(tǒng)冗余度和地面終端機動性。


　　(2)衛(wèi)星系統(tǒng)和終端設(shè)備加速數(shù)字化


　　數(shù)字傳輸和數(shù)字技術(shù)將迅速發(fā)展，其原因在于軍事衛(wèi)星通信系統(tǒng)日益要求抗干擾和抗截收，以適應(yīng)準(zhǔn)確、可靠和保密通信的需要。


　　采用數(shù)字處理技術(shù)可以提供許多抗截收、抗干擾和抗衰落的傳輸手段。如跳頻、前向糾錯碼和隔行掃描等。采用數(shù)字調(diào)制方式可適合許多信道和設(shè)備特性，例如在衛(wèi)星地地球站中常常出現(xiàn)的非線性、互調(diào)產(chǎn)物等。采用數(shù)字技術(shù)還適合于機內(nèi)測試，可進行靈活的信道多路連接，實現(xiàn)回波抵消或話音插入技術(shù)等復(fù)雜的信號處理方式。


　　(3)開發(fā)更高頻段和多頻段共用


　　未來的軍事衛(wèi)星系統(tǒng)向更高的EHF頻段拓展。采用EHF頻段有很多現(xiàn)有其它頻段無可比擬的優(yōu)點，一是擴大EHF頻段的容量，大大減輕現(xiàn)有頻譜擁擠現(xiàn)象；二是EHF的波束窄，可減少受核爆炸影響出現(xiàn)的信號閃爍和衰落，抗干擾和抗截收能力強。三是EHF 頻段系統(tǒng)使用的部件尺寸和重量都可大大縮小和減輕。但是，EHF衛(wèi)星技術(shù)復(fù)雜，造價高昂，從EHF頻段向更高的頻段拓展需要一個較長時期。


　　(4)采用星際鏈路增強抗毀性


　　所謂星際鏈路是指衛(wèi)星之間的交叉鏈路，采用這種鏈路結(jié)構(gòu)可減少對地面中繼站的依賴性，提高整個系統(tǒng)的抗毀性。大家知道，在戰(zhàn)時地面中繼站很容易被摧毀，一旦如此將給軍事通信造成極大威脅；而采用星際鏈路構(gòu)成的衛(wèi)星通信網(wǎng)將有多顆衛(wèi)星、多鏈路供指揮通信使用，眾多的用戶直接對衛(wèi)星通信，并具有互通能力。例如，Milstar系統(tǒng)將至少由6 顆衛(wèi)星組成，其中4 顆衛(wèi)星位于同步軌道，2 顆衛(wèi)星位于高橢圓軌道，并運行在4 個軌道面上，構(gòu)成交叉


　　目前，世界上除美軍外，其他國家還不具備極高頻衛(wèi)星通信能力。換句話說，極高頻衛(wèi)星通信系統(tǒng)是美軍在目前和最近一個時期唯一擁有的最先進的通信系統(tǒng)，是美軍指揮控制系統(tǒng)中的"殺手锏"，它所提供的保密和抗干擾的通信能力將對美軍的全球戰(zhàn)略發(fā)揮重大作用。


　　從世界范圍來看，由于極高頻衛(wèi)星與眾不同的特點，誰擁有這種通信系統(tǒng)，誰就擁有最強的指揮控制能力。
　



[影響]




　　目前，世界上除美軍外，其他國家還不具備極高頻衛(wèi)星通信能力。換句話說，極高頻衛(wèi)星通信系統(tǒng)是美軍在目前和最近一個時期唯一擁有的最先進的通信系統(tǒng)，是美軍指揮控制系統(tǒng)中的"殺手锏"，它所提供的保密和抗干擾的通信能力將對美軍的全球戰(zhàn)略發(fā)揮重大作用。


　　從世界范圍來看，由于極高頻衛(wèi)星與眾不同的特點，誰擁有這種通信系統(tǒng)，誰就擁有最強的指揮控制能力。



參考文獻：


　　1、趙志法等.現(xiàn)代戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)概論，1998年3月


　　2、冉隆科.軍事戰(zhàn)略與戰(zhàn)術(shù)中繼通信衛(wèi)星在戰(zhàn)場上的作用.外軍電信動態(tài)，1997.5




----《移動通信在線》