高边疆之谋⑧|力量倍增器的嬗变:美国军用通信卫星走向何方

  美国总统特朗普组建“天军”的命令另外界愕然。“天军”并非无本之木,现役的大量军用卫星是组建“天军”的物质基础。卫星的出现已经极大地改变了现代战争,其中通信卫星更是现代军队的“力量倍增器”。美军建立了庞大的军用通信卫星系统,其规模和性能在当今世界上都是首屈一指。

  通信卫星诞生后带来了前所未有的便利,美军也抓住机遇研制服役了多套军用通信卫星系统。美军把军用通信卫星划分为三类:宽带、窄带和受保护系统,宽带通信卫星强调通信容量,窄带通信卫星为语音等低速通信和移动用户提供支持,而受保护卫星通信系统关键在于保密和抗干扰能力。

  美军宽带通信卫星以国防卫星通信系统(DSCS)为典型代表,美国空军研制了三代国防卫星通信系统,它的通信带宽大主要为固定和大型移动终端提供服务。第一颗DSCS卫星1966年发射成功,比首颗静止轨道通信卫星也就晚了两年。1982年第三代DSCS卫星发射投入使用,它使用超高频(SHF)转发器,频率带宽可达500兆赫兹,不过即使第三代卫星的性能也难以满足不断增长的军用需求,这个当时功能最完善和性能最强大的通信卫星系统还是走到了尽头,2003年发射了最后一颗卫星后被宽带全球卫星系统(WGS)取而代之。

  窄带通信卫星系统里,美国海军先后发展了舰队卫星通信系统(FLTSATCOM)和特高频后续星(UFO)等通信系统。舰队通信卫星使用超高频转发器,主要用于满足美国海军和空军的移动通信需求,是确保美国海军战舰和飞机,以及空军飞机与司令部通信的关键,另外卫星还专门带有一台转发器用于美国总统和国防部之间的通信联系。首颗UFO卫星于1993年发射升空,最后一颗2004年发射完毕,它为美国部署在全球的舰艇、飞机以及陆地移动平台提供特高频窄带服务,虽然终端通信频率只有2.4kbit/s,但却是动中通的首选。

  美军受保护的通信卫星系统,就是著名的军事星(MilStar)系统。军事星主要用保障核战争条件下的三军保密通信,它工作在极高频(EHF)波段,卫星首次使用数字信号处理,具有很强的抗干扰能力,军事星设计上还使用抗核加固设计,不过第二代军事星取消了抗核加固以降低制造费用,但通信容量从75kbit/s提高到40Mbit/s。虽然军事星带宽不高,但是胜在安全保密抗干扰,具备很好的低截获概率和低检测概率。

  俱往矣,数风流人物,还看今朝。无论是DSCS和UFO还是是保密的军事星,都已经成为昨日黄花,今天美军使用的是新一代军用卫星通信系统。美军的军用通信需求并没有发生翻天覆地的变化,新一代军用通信卫星仍然是老式系统的增强,而不是革命性的新概念系统。

  美军现役宽带军用通信卫星是宽带全球卫星(WGS),WGS卫星原名宽带填隙卫星,意指填补DSCS卫星和未来先进宽带系统之间缝隙。WGS卫星性能上并没有独树一帜,而是直接使用商业通信卫星平台,缩短了卫星设计制造的时间。WGS卫星是有史以来最强大的宽带通信卫星,单星通信能力是DSCS-3的10倍。它还使用渐进式螺旋升级,3颗卫星为一个批次,每个批次改进提高性能尤其是带宽容量。WGS卫星使用X波段和Ka波段转发器,单星通信容量可达3.6Gbit/s,对美军作战尤其是大型无人机提供了有效的支持。美军已经发射了9颗WGS卫星,还要继续订购下一批构成12颗的星座,预计到2020年美军的WGS宽带卫星可提供超过10Gbit/s的通信能力。

  窄带军用通信卫星由美国海军负责,目前美国海军的移动用户目标系统(MUOS)已经完成了5颗卫星的发射,构成了4颗工作星加1颗备份星的完整系统。MUOS系统主要为移动军用用户提供移动通信服务,上一代UFO系统只能提供2.4kbit/s的带宽,而MUOS卫星可以为终端提供348kbit/s的带宽,不仅语音和数据传输得到增强,还具备传输视频的能力。美军新一代窄带MUOS卫星同样以提供动中通服务为主,舰船、飞机和车辆都可以使用MUOS窄带通信,F-35战斗机也安装了MUOS通信终端。值得一提的是,MUOS卫星不仅将军用移动通信提高到地面3G网络的水平,还无需对准卫星就能实现通信。

  美军还升级了保密通信卫星体系,新一代的先进极高频卫星(AEHF)又名第三代军事星,其通信传输能力是第二代军事星的约10倍,而通信终端的带宽也获得了5倍左右的升级。先进极高频卫星使用洛·马的A2100卫星平台,除了军事星上使用的扩频跳频、星上数字处理以及星间链路等功能,还增加了相控阵天线和波束成形网络(BFNs)等先进技术,卫星本身还使用了电推进技术。先进极高频卫星单星通信容量从40Mbit/s提高到430Mbit/s,足以支持终端传输战场地图和实时视频。作为一个具备抗干扰、低截获/检测概率的先进加密卫星通信系统,先进极高频卫星系统可以为6000个终端和4000个网络提供服务,极大的提高了用户接入能力,可以有效的承担其战略和战术保密通信的任务。

  这个打着“大伞”的卫星就是MUOS卫星,这个“大伞”其实是一个巨大的天线米。

  大家对数据中继卫星系统(TDRSS)都不会感到陌生,美国航天局建立了跟踪和数据中继系统,目前多颗工作卫星组成的星座,为美国火箭、卫星和国际空间站提供数据中继服务。我国也建立了类似的“天链”数据中继系统,2013年王亚平在“天宫一号”上进行太空授课,“天链”系统保证了数十分钟连续视频传输。

  美国航天局建立了中继卫星系统,但军用很少使用,另起炉灶研制了卫星数据系统(SDS)。SDS中继卫星主要用于为美国国家侦察局(NRO)的“锁眼”光学侦察卫星和“长曲棍球”雷达侦察卫星提供数据中继服务,另外有些SDS卫星上还带有通信载荷,为高纬度尤其是极地的核力量等重要部队提供通信支持。数据中继卫星提高了对中低轨道卫星的覆盖范围,方便了实时传递情报,不过它们位于3.6万公里外的静止轨道上,要为中低轨道卫星提供数据中继,不仅要自行跟踪捕获卫星,而且天线要长时间活动跟踪,这对通信波束和跟踪精度提出很高的要求,对天线驱动机构的可靠性要求也很高。

  SDS中继卫星已经发展了三代:第一代1976年发射投入使用,共发射了12颗卫星,它是一种重量630千克的特高频(UHF)通信卫星;第二代从1989年开始发射只发射了4颗卫星,其重量可达2335千克,三个通信天线其中一个用于K波段下行通信;1998年到现在发射的属于第三代SDS卫星,其中3颗“闪电”大椭圆轨道的卫星发射较早,最近十年来发射的卫星都是静止轨道卫星。从卫星轨道推测,第三代SDS卫星很可能逐步放弃了为高纬度部队提供支持的业务,集中精力为美军的侦察卫星提供数据中继。自2011年以来,美军发射了,5颗第三代SDS卫星,为光学和雷达侦察卫星系统提供中继支持,是美国卫星侦察能力的坚强后盾。

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