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《兵器知识》

开博时间:2016-07-01 14:43:00

以普及兵器科技知识,提高中国全民国防观念,为实现国防现代化,特别是武器现代化服务为办刊宗旨,面向中国广大青少年军事爱好者,广泛宣传兵器科技知识,大力普及军事高新技术,介绍世界军事科研生产情况,展示各国武器装备风貌,宣传中国兵器工业发展道路和成就。

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美国军用通信卫星更新换代

2013-08-12 21:41:00

 

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2012年初,美国太空与导弹系统中心把“先进极高频”(AEHF)军用通信卫星指挥权转交给空军太空司令部第14空军。首颗“先进极高频”是2010814日用“宇宙神”-5火箭发射的,标志着美国军用通信卫星迈出更新换代第二步,用于取代现役的“军事星”(Milstar)卫星系统。但该卫星上天后肼推力器异常,不得不使用氙离子流体霍尔推进器执行了500多次点火来变轨,直到20111024日才进入预定的地球静止轨道。

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现代战争生命线

军用通信卫星专门用于军事通信,为部队建立全球战略和战术通信网,包括战略和战术通信卫星。战略通信卫星为全球战略指挥和控制提供通信和情报传输,通信终端通常是一些大型的固定地面站。战术通信卫星提供地区性战术通信,主要为军用飞机、舰船、车辆,乃至小分队或单兵等作战个体提供通信服务,通信终端通常是一些小型的机动地面站甚至是便携式通信收发机。目前,战略通信与战术通信正朝相结合的方向发展。

从原理上讲,军用通信卫星与民用通信卫星是一样的,都是作为无线电中继站转发无线电信号,实现地球用户终端之间或与航天器的通信,传输电话、电报、电视、传真和数据的信息。但由于军用通信联络要求迅速、准确、保密和连续,军用通信卫星常采用不同的通信体制以及扩频、跳频和自适应天线调零等技术,改变天线波束宽窄和指向,实行星上信号交换和处理以及星间链路,调整发射功率和接收灵敏度,强化遥控指令系统等一系列措施。所以,军用通信卫星比民用通信卫星可靠性高、生存能力强、抗干扰性好、机动灵活性大,并可减少对地面站的依赖。它不仅能使广泛散布的武器平台与作战部队有效集成,还可让“观测、判断、决策、行动”环路所需的平均时间达到最短。

按频率分,军用通信卫星可分为特高频(UHF3003000 兆赫兹)、超高频(SHF,3~30 吉赫兹)和极高频(EHF,30300吉赫兹3类。特高频卫星成本低,但易受干扰,超高频卫星比特高频卫星抗干扰能力强。极高频卫星波束窄,容量大,抗干扰和抗截收能力最强,可提供的频带也宽,易于实现星上处理,最为先进,能为部队提供保密、抗干扰通信,减少受核爆炸影响出现的信号闪烁和衰落, 大大缩小和减轻系统使用的部件尺寸和重量,具有支持全面战争的能力,是今后的发展方向。它也能大大减轻现有频谱拥挤现象,利用较小的天线阵进行定向发射,降低敌方截收概率;星上天线具有调零功能,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,在没有地面设施支援的情况下能持久运行。

现在,军用通信卫星已被誉为现代战争的生命线,战场上70%以上的通信是靠军用通信卫星来完成的。它使信息迅速、安全、灵活的传输,实现全球无缝覆盖,从而夺得和确保制信息权,从根本上改变了现代军事作战的方式。至今,美国、俄罗斯、英国、意大利、德国等均拥有军用通信卫星,其中以美国的军用通信卫星阵容最为整齐、技术最为先进。理论和实战均已证明,战术通信卫星加上各种小型、轻量、便携式移动通信终端,将成为未来军用通信的重要组成部分。

 

三类超级通信兵

美国军用通信卫星可分为宽带、受保护和窄带3 类。宽带系统强调大容量;受保护系统着重抗干扰、保密及核生存能力;窄带系统则重点支持需要语音或低数据速率通信的用户,以及移动用户和小型终端的用户。

在宽带系统方面,美国先后发射了3代“国防卫星通信系统”(DSCS)卫星,以及装载在“特高频后继星”(UFO)上的“全球广播业务”(GBS)系统。这些卫星数据传输速率较高,主要用户是固定和移动的陆基终端,还有一些大型军舰和飞机上的终端等。其中第3代“国防卫星通信系统”装有6台超高频转发器,总带宽500兆赫,是世界上首颗采用电子切换超高频多波束天线的卫星,有较强的抗干扰生存能力,用于为美国指挥机关和作战部队之间提供高质量的保密通信和高速数据传输。

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用“国防卫星通信系统”通话

“全球广播业务”系统的工作方式与商用电视直播卫星类似,是一种高速单向的广播通信系统,可直接向世界各地的战区作战人员提供大量信息,有“智能推”和“用户取”两种服务方式,前者把新闻、天气等标准节目和战区通报等定期播发,后者是部队“点播”的特殊信息。这两种工作方式的组合有巨大潜能,可极大提高联合作战部队的战斗力,增加信息传递速度。其宽频带及高速传输能力,可使大型作战文件的传输由过去几小时变为现在几秒钟,因而能协同美国海军的巡航导弹在发射前的最后一分钟进行最终目标修正;也可把来自卫星或无人机的各类数据传送给远航的舰艇,而以前的海军“舰队卫星通信”要达到这种能力还比较勉强。在海湾战争时,特别详细的作战命令必须用飞机送到航母上,而同样详细的作战命令若用“全球广播业务”可在1 分钟内送达。

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“全球广播业务”可为美军传递大量信息

现在,美国正用“宽带全球卫星通信”(WGS)卫星替换“国防卫星通信系统”卫星和“全球广播业务”,并降低美国政府对商业卫星通信服务的依赖。“宽带全球卫星通信”的信息传输能力是“国防卫星通信系统”的10倍,工作寿命10~15,目前已发射4颗,从2012年起还将发射3颗,为三军提供通信支持。该卫星工作在X频段和Ka频段,能够提供其它军用通信卫星系统所不能提供的许多重要作战特征,为美军及其联军在目前世界上所有战区提供高容量X频段和Ka频段通信,极大地提高美军在KaX频段的通信能力,增强美军士兵执行海、陆、空任务的能力。例如,该卫星拥有18个可重新配置的覆盖区,以及具备向不同覆盖区进行广播和多点广播的传送能力,并且能够连接位于任意区域和所有区域的用户,即使他们处于不同工作频率。

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“宽带全球卫星通信”有效载荷框图

在受保护系统方面,美国先后发射了6颗“军事星”卫星,是世界上首颗采用数字处理和调频技术的卫星,抗摧毁和生存能力强。前2颗为第1代“军事星”,采用了抗核加固、抗干扰和极高频等技术,具备在核战争条件下的生存能力。后4颗为第二代“军事星”,放弃了核加固能力,以降低制造费用和难度,但在第一代“军事星”192条低速率信道的基础上增加了321.5兆比特/秒的中速率信道,以适应当前战术用户的需求;还增加了自适应调零天线,具有很高的灵活性和抗干扰、防截获、防侦收能力。美国从2010年起用“先进极高频”替换“军事星”,容量是“军事星”的12倍,可同时用于战略和战术通信。

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伪装后的“军事星”保密、移动、抗干扰、高可靠通信终端

窄带系统方面,美国先后发射了“舰队卫星通信”卫星、“租赁卫星”和“特高频后继星”。目前在轨服役的“特高频后继星”先后发射了11颗,每颗可提供39个信道,并为舰队广播业务提供高保密链路。这些卫星虽然同属一个系列,但仍在不断改进。美国从2012216日开始发射“ 移动用户目标系统”(MUOS),以替换“特高频后继星”,信息传输能力提高10倍,容量提高15倍,主要为海军服务。

 

“先进极高频”卫星

新服役的美国“先进极高频”军用通信卫星也叫第3代“军事星”,用于替换第2代“军事星”。其信息传输能力是现役第2代“军事星”的10倍,军方操作人员所获得的带宽将增大5倍,且体积更小,更耐用,可处理更多的通信数据量,能够支持战术军用通信。另外,每颗“先进极高频”的成本约是“军事星”的1/2,造价5.8亿美元,寿命预计为15年。

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组装完毕的首颗“先进极高频”卫星

该卫星的主承包商是美国洛马公司,总共研制5颗,能给战区指挥官提供高安全,抗干扰,不易截获、探测到的通信服务,可满足实时图像、战场地图和跟踪数据等战术军事通信的需求,将成为美国国防部在军用卫星通信(MILSATCOM)体系结构中期阶段使用的骨干。

“先进极高频”采用A2100 卫星平台,每颗星发射质量约6 600千克,入轨质量4 100千克,比采用波音-702平台的“宽带全球卫星通信”卫星还大10%以上。它采用了“军事星”上已有的扩频、跳频、星间链路和星上处理等技术,所以能增强路由选择,根据用户优先级别来提供点对点通信以及网络服务,通过星间通信实现全球服务,并有非常强的战场生存能力,减小了对地面支持系统的依赖程度和地面破坏攻击的可能性,即便在地面控制站被破坏后,整个系统仍能自主工作半年以上。新的星间链路将在数倍于“军事星”数据速率的条件下运行。“先进极高频”还采用了相控阵天线、波束成形网络、毫米波单元(AMU)和电推进系统等新技术。

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“先进极高频”卫星装有多副通信天线

为满足战争的特殊需要,“先进极高频”一共携带有14部天线。它还用电子管功率放大器取代了行波管放大器,提供了较高的保真度,但降低了功率传输门限,以确保和以往的卫星系统的兼容。

此前的卫星是采用机械方式来改变波束反射面的,所以只能使波束在某一个时刻属于某一个用户。而“先进极高频”是通过电子方式来改变射频波束指向的,能很便捷使用户之间的波束瞬间跳变,卫星的上行相控阵天线可直接接收来自地面终端的信号。这一工作频率为44兆赫兹的相控阵天线采用一种先进的半导体材料——铟的磷化物,使天线的噪声更低,信号更加清晰。各个“先进极高频”卫星之间利用卡塞格伦星间链路天线实现通信,该天线馈源能在60吉赫兹的频率上以5%的带宽实现单脉冲跟踪。其积分信道可以同时用于收发,差分信道只是用于接收的跟踪信道。

由诺格公司研制的“波束成形网络”(BFNs)可使“先进极高频”卫星天线自动调零,以便对付潜在的干扰,而在波束覆盖范围内的合法用户将能正常使用卫星。这种抗干扰功能不需要由地面控制和干涉。

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美国101空降师学习使用接收“先进极高频”卫星信号的保密移动抗干扰可靠型战术终端

星上有超过100 个射频模块和近10 000个地面射频模块中使用了新的毫米波单元自动封装模式,能减小每个单元的尺寸和重量,使装配实现自动化,并大大削减成本。

它采用氙离子流体霍尔推进器,所以可少携带很多推进燃料,从而承载较多的有效载荷。不过,用这种推进器变轨,定点时间比较长,正常情况下需要100天左右。

“先进极高频”卫星是在第2代“军事星”低数据率载荷(LDR)和中数据率载荷(MDR)的基础上,增加了扩展数据率载荷(XDR),能提供高数据率传输服务,同时扩大其覆盖区范围。该星单星通信总容量从第2代“军事星”的40兆比特/秒提高到430兆比特/秒,同步信道数量增加2 3倍。这样的传输速率可允许战术军事通信系统传输准实时视频、战场地图和目标数据。

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军用单信道抗干扰可搬移式卫星终端

“先进极高频”的极高频通信速率超过1吉比特/秒,第一代和第二代的分别为75千比特/秒和100兆比特/秒。

“先进极高频”用于战术通信数据速率是8.192兆比特/秒(2 代“军事星”为1.544 兆比特/),用于战略通信的数据速率是19.2千比特/秒,可以服务6 000个终端和4 000个网络(比第2 代“军事星”多2 500 ),并同时提供50个下行链路信道。按照这个容量,新系统在点波束数量上将有近10倍增长,极大地提高了用户接入能力。“先进极高频”的点波束更小,功率更高,提高了通信的可靠性和数据率,极大地降低了敌方侦听和干扰的可能性。

“军事星”的星间链路通信速率为10兆比特/秒,而“先进极高频”中可以达到60兆比特/秒。与第2代“军事星”相比,“先进极高频”的星间链路增强了路由功能和抗干扰能力。

具体来说,用第一代“军事星”传输“战斧”巡航导弹的任务命令需要100秒,传输1.1兆大小的空中任务命令需要1.02小时,传输一幅侦察卫星拍摄的可见光图像(24 )需要22.2小时;用第2代“军事星”传输相同大小的信息只需花0.16秒、5.7秒、2.07分钟;用“先进极高频”传输相同的信息则仅用0.03秒、1.07秒、23.6秒。

传送雷达图像需要更高的传输速率。例如“全球鹰”无人侦察机拍摄的雷达图像,用“军事星”传输需要4天多,用“先进极高频”卫星只需2分钟,而用未来的“转型通信卫星”(T-SAT)则不到1秒。如果用“军事星”传送未来的“空间雷达”卫星获取的图像,大约需要一个多月;用“先进极高频”卫星传送需要17分钟,用“转型通信卫星”则不到1秒。

“先进极高频”能在任何时候提供世界范围内的军事应用,并兼容现有的“军事星”系列终端,支持提供机载、舰载、车载和便携终端,如:海军多频段终端(NMT)、单信道抗干扰可搬移式终端(SCAMP)、保密移动抗干扰可靠型战术终端(SMART-T)和先进超视距系列终端(FAB-T)以及潜艇高数据速率(Sub-HDR)系统等。其中先进超视距系列终端综合了以前的2个项目,即机载宽带终端(AWT)和指令递送终端替代系统(CPTR),建立了一套通用的开放式、覆盖天基地基的综合应用体系。

美军已采购了2 500多套地面终端,包括高、中、低不同数据率的便携式移动和固定终端。地面系统的天线直径最大的为3米,最小的可做到几厘米。

因为“先进极高频”卫星工作在较高的频段,其用户终端也在不断向小型化发展。一种称为LTCC的技术可把有源和无源的射频元件以一种多层布局的形式封装在一个低损耗的绝缘材料中。用LTCC技术所集成的相控阵天线已用于“先进极高频”终端,使天线更小,损耗更低。

总之,“先进极高频”卫星具备抗干扰、低检测概率、低截获概率和先进的加密系统,比“军事星”支持战术网络的能力提高了2倍,能为部队、战略防御、战区导弹防御和空间对抗等提供服务,并可提高与其它军用网络和美国盟军网络的兼容性。它与“军事星”不同,支持动中通,提供数据、语音、视频会议和图像传感业务,有效实现实时视频、战场地图和目标数据等的通信,为美国的战略和战术力量在各种级别的冲突中提供安全、可靠的全球卫星通信。每颗“先进极高频”卫星可连接上百个直径为0.3米的终端天线,把战场上的所有梯队连成一个具备太空路由的虚拟网络。它还能为使用这些快速、精确信息的人们提供实时地图、目标信息和先进的智能监视和侦察。它也可直接对来自用户终端的请求做出回答,并根据优先级提供点对点通信和网络服务。

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“先进极高频”在轨飞行示意图

首颗“先进极高频”原定在发射3个月后进入地球静止轨道,不过由于星上液体远地点发动机在轨道提升过程中出现故障,两次未能成功点火,所以只能用星上多台氙离子流体霍尔推进器多次点火来变轨。这些氙离子流体霍尔推进器每天点火时间大约为10小时,每台只能产生大约0.06磅的推力,合力也只能将“先进极高频”卫星的近地点每天提升不到50千米,所以大大推迟了首颗“先进极高频”进入最终预定轨道的时间。

美国空军近日表示,“先进极高频”军用通信卫星项目进展顺利,目前空军计划在2012年发射3颗“先进极高频”军用通信卫星,2020 年前全部部署完毕。美国空军还表示,与“先进极高频”采用同样卫星平台(A2100 卫星平台,洛马公司研制)的新一代导弹预警卫星,即2011年升空的首颗“天基红外系统”地球静止卫星(SBIRS GEO-1)在延长校验中表现良好,美国空军计划在2013年春天发射第2颗“天基红外系统”地球静止卫星。











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