极高频卫星通信技术

[定义]

　　极高频卫星通信系统是指星上的主要通信设备上行传输频率为极高频(44GHz)， 它比特高频(UHF)、超高频(SHF)频率高，下行传输频率为超高频(20GHz) ， 是美军军事卫星通信(MILSATCOM)体系结构中最关键的系统。 极高频卫星通信系统又称军事战略战术中继卫星系统(Milstar)，它将为美军的战略指挥控制和战术部队提供保密、抗干扰通信， 具有能支持全面战争的能力。

　　特点:能利用较小的天线阵进行定向发射，这样就降低了截收概率； 星上天线具有调零功能，能大大提高卫星发射信号的抗干扰能力；具有星上信号处理能力，降低了地面设备的复杂性；具有星上自主控制能力，在没有地面支援设施支援的情况下能持久运行。

[相关技术]卫星通信；激光通信；电子技术；航天技术

[技术难点]

　　由于频率高，波束窄，对卫星的稳定性要求非常高，卫星信号定向发射和调零对部件的精度要求也非常高。这是发展极高频卫星的两个至关重要的问题，它将制约着其他国家发展极高频卫星的进程。

[国外概况]

　　目前，世界上只有美国拥有极 美军极高频卫星通信系统于70年代初期进行设计和研制，到90年代中期经历20余年，耗资200多亿美元。该卫星系统是在冷战时期设计的，原计划共发射8颗卫星，设计指标很高，要求能抗核电磁脉冲和对付反卫星武器。随着冷战的结束，设计方案几经修改，卫星数量从8颗减少到6颗，并降低了设计要求。到1996年，其中4颗卫星已发射入轨， 构成了美军战略指挥控制系统中至关重要的的系统，并为战术部队提供保密抗干扰通信。
　高频卫星通信系。

　　1.极高频的系统组成

　　Milstar系统由三个分系统组成:空间分系统，包括卫星星体和通信有效载荷；任务控制分系统，包括执行卫星和有效载荷控制功能和支持任务分析的各单元； 终端分系统， 包括Milstar舰载、岸站、机载和地面移动终端，以及技术保障和附属设备。

　　Milstar的最初设计(Milstar Ⅰ ) 有效载荷具有高度坚固可靠的波形特征， 以 75 ～2400b/s的速率提供低数据率(LDR)通信。终端上行链路的频率为44GHz的极高频(EHF)，下行链路频率为20GHz的超高频(SHF)或UHF频段。MilstarⅠ有效载荷有一付地球覆盖波束天线，几付在整个地球视场内增益比地球覆盖波束天线高的捷变波束天线，还有3 付调零点波束天线。每个MilstarⅠ的有效载荷可提供192个同时进行探测、 控制和通信的信道， 可以支持EHF/SHF/和 EHF/UHF交链频道通信业务。

　　Milstar的改进方案(MilstarⅡ)系统包括一个与MilstarⅠ基本相同的LDR有效载荷，一个中数据率(MDR)有效载荷，以4.8kb/s～1.544Mb/s的数据率提供通信。MDR终端上行链路为EHF；下行链路为SHF。 MDR有效载荷有32个信道和8 付可控点波束天线， 两付调零点波束(NSB)天线，能针对上行链路干扰自动调零；6 付分布式用户覆盖天线(DUCA)，但不具备NSB天线的调零能力。MDR除数据率较高外，有效载荷采用了防护措施，能提供确有保证的接入。由于采用了防护措施，MDR有效载荷资源控制器在有效载荷资源分配方面强制训练， 从而防止一个用户预占属于另一个用户的资源和通信业务，以保证该用户的接入。

　　MilsatrⅠ和MilstarⅡ设计了交叉链路，星座中任何卫星之间都可进行通信和传送控制数据，而无需地面中继站，从而提供任何其它MILSATCOM系统无可比拟的全球通信能力。 最重要的是控制和通信系统都通过星上资源控制器对卫星和有效载荷分别传送控制指令。这种灵活的系统控制功能与交叉链路的全球通信能力相结合，是有效利用Milstar 系统充分满足战术用户需求的关键特性。

　　2.极高频卫星通信在军事行动中的作用

　　及时、准确的通信是执行从后勤保障到目标探测和攻击等各种作战任务的有机组成部分。美军在过去的作战中当战场扩大到超出传统的视距范围时，在分散部队之间保持有效指挥和控制链路的能力捉襟见肘。这种情况?quot;沙漠风暴"行动期间有所暴露，即地面部队机动范围迅速超过了通信支援能力。 Milstar系统通过对战术用户提供灵活和抗干扰的通信支援，能解决现有通信系统效率低的诸多问题。

　　在MILSATCOM体系结构中，优先权或指挥层次不同， 对军事卫星通信的需求分配有别。优先权最高的通信需求是"硬核心"(Hard Core)需求， 主要保证国家指挥当局对指挥执行统一作战计划(SIOP)的部队、部队军情上报、战术预警和打击评估(TW/AA) 和各总指挥员之间的通信需求。体系结构的第二层主要对战区和应急作战的战术部队提供通信支援,主要包括扩大移动用户设备(MSE)的覆盖范围、空中任务命令(ATO)的生成和分发以及战斧地面攻击导弹(TLAM)任务数据更新(MDU)。"通用"需求是对除战争以外(OOTW)的行动提供通信支援， 包括后勤供给、情报、禁毒和执法行动。

　　Milstar可满足上述三种层次的通信需求。MilstarⅠ在设计上显然可支持打击前、中、后整个作战过程的硬核心需求，并在一次攻击后的延长期内星上的通信设备能自主工作。为确保这种高度的抗毁能力，卫星和通信有效载荷设计成能抗直接和间接的核攻击，战略终端设计成能在核环境下工作。根据美国会的指示，Milstar Ⅱ MDR由于数据率较高，可控天线数量更多，因而支持核心需求的能力增强了，同时保持MilstarⅠ LDR 的抗毁通信能力。根据MilstarⅡ计划研制的终端不要求在核环境下工作，因而可做得更小、更轻、 造价更低廉。由于LDR有效载荷几乎相同，因而波形接入控制协议也相同。LDR终端可通过Milstar Ⅰ或Ⅱ有效载荷，或通过任何可互通的EHF LDR有效载荷进行通信。

　　Milstar的战场应用包括

　　(1)扩大移动用户设备(MSE)的通信距离

　　MSE对陆军军和军以下梯队(ECB)提供保密的话音和数据通信，是陆军地面部队实施指挥控制的主要通信系统。视距无线电台用于连接 MSE系统的各组成要素，从而实现从战场作战指挥中心到下属战斗无线电网电台之间的连接。?quot;沙漠风暴"行动期间，地面部队的机动速度迅速超过了视距无线电的覆盖范围，从而使美军的地面部队在实施地面作战期间的关键时刻，失去了与上级指挥所的联系。Milstar系统投入使用后，部队使用SMART-T终端将扩大MSE的覆盖范围，为支持空地一体战(ALO)战斗管理方案提供所必需的超视距(BLOS)通信能力（见图1:扩大MSE的覆盖范围）zxjsjgp1.gif。

　　根据空地一体战的原则，战斗部队将分散在整个作战地区的"飞地"内，中间隔着敌方部队或不可控制的地区。在这些地区外部，敌方部队可能企图干扰军用卫星通信系统。为了对付这些干扰威胁，每个Milstar MDR有效载荷配有两付具有自动调零的点波束天线。 天线调零系统检测干扰信号，正对干扰机方向的天线辐射图调零，而无需地面分析或控制。各种终端采用调零点波束传输，信号不受干扰的影响，从而实现安全通信。根据空地一体战的原则，机动部队的协同是关键问题，而且需要移动终端。为了满足机动性要求，SMART-T 终端装在标准的高机动多用途轮式车上，可迅速开通和拆收。终端设计具有遥控功能，可实现无人管理操作。

　　在战场环境极富变化时，通信需求的变化极快。对地面部队分配一种"虚拟卫星"，可使通信规划人员具有对动态战场通信需求迅速作出反应的灵活性。Milstar 用户可以控制其"虚拟卫星"资源，并使这些资源最适合于作战需要。一旦联合特遣部队指挥员将这些卫星资源分配给相应的地面部队，通信规划人员就可以制订和实施通信计划，而不需要与上级或战区外或规划中心协调。

　　(2)空中特遣命令传送

　　海军和空军部队在作战中飞机出动的架次很多，并要求能够实施准确打击。每天的空中任务命令(ATO)包含作战行动所需要的打击规划和目标信息。 联合特遣部队所属空军指挥员将空中任务命令发给旗舰、对空攻击舰、防空作战平台和地面战斗部队。在海湾战争"沙漠风暴"行动期间，由于缺乏卫星通信能力和可互通的通信系统，美空军仍依靠直升机和军邮班机以及人工拷贝的方式，将空中任务命令传送给海军部队，驻扎在利雅得联合特遣部队指挥员将空中作战命令拷贝的复制品分发给各作战部队。

　　Milstar系统通过利用通用波形、通信协议和基带接口， 在不同的终端平台之间提供前所未有的互通能力。Milstar MDR为支持联机空中任务命令的生成和分发，提供有效的通信能力，生成和分发时间由过去的几小时缩短到几分钟，并增加了高度抗干扰和低截收概率的链路（见图2:空中任务命令的生成和分发）zxjsjgp2.gif。

　　(3)总指挥员互连网

　　在全球态势变化多端的情况下，迅速评估正在形成的危机和有效地协调部队，要求在国家指挥当局和战区总指挥员之间提供可靠的通信。高级指挥员之间互连网通过Milstar LDR，在全球范围提供保密、抗干扰通信。Milstar的特性包括交叉链路、抗干扰/低截收概率、可互通的话音和数据基带设备和高度抗毁的有效载荷等，可确保危急期间提供这种通信能力(见图3: 高级指挥员之间Milstar互连网)zxjsjgp3.gif。

　　3.极高频卫星通信技术趋势

　　(1)新的特点

　　极高频军用卫星通信系统，总体要求应能满足常规战争和核战争的需要，因此呈现出下列主要特点:
　·抗毁性:对卫星星体和有效载荷采用加固措施，以增强抗摧毁、抗破坏能力， 保证卫星在轨持久运行；

　　·星上处理:包括基带处理和传输信号处理，如调制解调，变换跳频波形等；

　　·星际链路:极高频卫星和低轨道卫星之间建立交叉线路， 增强系统冗余度和地面终端机动性。

　　(2)卫星系统和终端设备加速数字化

　　数字传输和数字技术将迅速发展，其原因在于军事卫星通信系统日益要求抗干扰和抗截收，以适应准确、可靠和保密通信的需要。

　　采用数字处理技术可以提供许多抗截收、抗干扰和抗衰落的传输手段。如跳频、前向纠错码和隔行扫描等。采用数字调制方式可适合许多信道和设备特性，例如在卫星地地球站中常常出现的非线性、互调产物等。采用数字技术还适合于机内测试，可进行灵活的信道多路连接，实现回波抵消或话音插入技术等复杂的信号处理方式。

　　(3)开发更高频段和多频段共用

　　未来的军事卫星系统向更高的EHF频段拓展。采用EHF频段有很多现有其它频段无可比拟的优点，一是扩大EHF频段的容量，大大减轻现有频谱拥挤现象；二是EHF的波束窄，可减少受核爆炸影响出现的信号闪烁和衰落，抗干扰和抗截收能力强。三是EHF 频段系统使用的部件尺寸和重量都可大大缩小和减轻。但是，EHF卫星技术复杂，造价高昂，从EHF频段向更高的频段拓展需要一个较长时期。

　　(4)采用星际链路增强抗毁性

　　所谓星际链路是指卫星之间的交叉链路，采用这种链路结构可减少对地面中继站的依赖性，提高整个系统的抗毁性。大家知道，在战时地面中继站很容易被摧毁，一旦如此将给军事通信造成极大威胁；而采用星际链路构成的卫星通信网将有多颗卫星、多链路供指挥通信使用，众多的用户直接对卫星通信，并具有互通能力。例如，Milstar系统将至少由6 颗卫星组成，其中4 颗卫星位于同步轨道，2 颗卫星位于高椭圆轨道，并运行在4 个轨道面上，构成交叉

　　目前，世界上除美军外，其他国家还不具备极高频卫星通信能力。换句话说，极高频卫星通信系统是美军在目前和最近一个时期唯一拥有的最先进的通信系统，是美军指挥控制系统中的"杀手锏"，它所提供的保密和抗干扰的通信能力将对美军的全球战略发挥重大作用。

　　从世界范围来看，由于极高频卫星与众不同的特点，谁拥有这种通信系统，谁就拥有最强的指挥控制能力。
　

[影响]

　　目前，世界上除美军外，其他国家还不具备极高频卫星通信能力。换句话说，极高频卫星通信系统是美军在目前和最近一个时期唯一拥有的最先进的通信系统，是美军指挥控制系统中的"杀手锏"，它所提供的保密和抗干扰的通信能力将对美军的全球战略发挥重大作用。

　　从世界范围来看，由于极高频卫星与众不同的特点，谁拥有这种通信系统，谁就拥有最强的指挥控制能力。

参考文献：

　　1、赵志法等.现代战术通信系统概论，1998年3月

　　2、冉隆科.军事战略与战术中继通信卫星在战场上的作用.外军电信动态，1997.5

----《移动通信在线》