先進(jìn)極高頻衛(wèi)星：信息化戰(zhàn)爭(zhēng)的“總指揮”

文/天兵

近日，美國(guó)第五顆先進(jìn)極高頻衛(wèi)星成功發(fā)射入軌，為這一家族再添新丁。

“先進(jìn)極高頻”也稱(chēng)第三代“軍事星”，其信息傳輸能力是現(xiàn)役第二代“軍事星”的10倍，軍方操作人員所獲得的帶寬將增大5倍，且體積更小、更耐用，可處理更多的通信數(shù)據(jù)量，從而能夠支持戰(zhàn)術(shù)軍用通信，同時(shí)還具有抗電子干擾、抗反衛(wèi)星武器打擊等受保護(hù)功能。

“先進(jìn)極高頻”的主承包商是洛·馬公司，目前已發(fā)射5顆，前4顆分別于2010年8月、2012年5月、2014年9月、2018年10月發(fā)射入軌，部署在距地球約3.6萬(wàn)公里的地球靜止軌道上，能為戰(zhàn)區(qū)指揮官提供高安全性的、抗干擾的、不易截獲的、不易探測(cè)到的通信服務(wù)，可滿(mǎn)足實(shí)時(shí)圖像、戰(zhàn)場(chǎng)地圖和跟蹤數(shù)據(jù)等戰(zhàn)術(shù)軍事通信的需求，使得美國(guó)信息化戰(zhàn)爭(zhēng)有了“總指揮”。

新舊技術(shù)相結(jié)合

“先進(jìn)極高頻”采用A2100衛(wèi)星平臺(tái)，每顆星發(fā)射質(zhì)量約6600千克，入軌質(zhì)量4100千克，比采用波音-702平臺(tái)的“寬帶全球衛(wèi)星通信”衛(wèi)星還大10%以上。它采用了“軍事星”上已有的擴(kuò)頻、調(diào)頻、星間鏈路和星上處理等技術(shù)，所以能增強(qiáng)路由選擇，根據(jù)用戶(hù)優(yōu)先級(jí)別來(lái)提供點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信以及網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，通過(guò)星間通信實(shí)現(xiàn)全球服務(wù)，并有非常強(qiáng)的戰(zhàn)場(chǎng)生存能力，減小了對(duì)地面支持系統(tǒng)的依賴(lài)程度，即便在地面控制站被破壞后，整個(gè)系統(tǒng)仍能自主工作半年以上。新的星間鏈路將在數(shù)倍于“軍事星”數(shù)據(jù)速率的條件下運(yùn)行。

“先進(jìn)極高頻”還采用了相控陣天線(xiàn)、波束成形網(wǎng)絡(luò)、毫米波單元和電推進(jìn)系統(tǒng)等一些新技術(shù)。

為了滿(mǎn)足戰(zhàn)爭(zhēng)的特殊需要，“先進(jìn)極高頻”一共攜帶有14部天線(xiàn)。它還用電子管功率放大器取代了行波管放大器，提供了較高的保真度，但降低了功率傳輸門(mén)限，以確保和以往衛(wèi)星系統(tǒng)的兼容。

此前的衛(wèi)星是采用機(jī)械方式來(lái)改變波束反射面的，所以只能使得波束在某一個(gè)時(shí)刻屬于某一個(gè)用戶(hù)。而“先進(jìn)極高頻”是通過(guò)電子方式來(lái)改變射頻波束的指向的，因而其相控陣天線(xiàn)能很便捷地使用戶(hù)之間的波束瞬間跳變，衛(wèi)星的上行相控陣天線(xiàn)可直接接收來(lái)自地面終端的信號(hào)。這個(gè)相控陣天線(xiàn)采用了一種先進(jìn)的半導(dǎo)體材料——銦的磷化物，它可使天線(xiàn)的噪聲更低、信號(hào)更加清晰。

▲ 第三代“軍事星”——先進(jìn)極高頻衛(wèi)星

由諾格公司研制的“波束成形網(wǎng)絡(luò)”可使“先進(jìn)極高頻”天線(xiàn)自動(dòng)調(diào)零，以便對(duì)付潛在的干擾，而在波束覆蓋范圍內(nèi)的合法用戶(hù)仍能正常使用衛(wèi)星。這種抗干擾功能不需要由地面控制和干涉。

星上有超過(guò)100個(gè)射頻模塊和近10000個(gè)地面射頻模塊中使用了新的毫米波單元自動(dòng)封裝模式，此舉能減小每個(gè)單元的尺寸和重量，使裝配實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，并大大削減成本。

“先進(jìn)極高頻”采用氙離子流體霍爾推進(jìn)器，所以可少攜帶很多推進(jìn)燃料，從而承載較多的有效載荷。

技高一籌的新星

“先進(jìn)極高頻”在第二代“軍事星”低數(shù)據(jù)率載荷和中數(shù)據(jù)率載荷的基礎(chǔ)上，增加了擴(kuò)展數(shù)據(jù)率載荷，即能提供高數(shù)據(jù)率傳輸服務(wù)，同時(shí)其覆蓋區(qū)范圍擴(kuò)大。該星單星通信總?cè)萘繌牡诙败娛滦恰钡拿棵?0兆比特提高到每秒430兆比特，同步信道數(shù)量增加2～3倍。這樣的傳輸速率可允許戰(zhàn)術(shù)軍事通信系統(tǒng)傳輸準(zhǔn)實(shí)時(shí)視頻、戰(zhàn)場(chǎng)地圖和目標(biāo)數(shù)據(jù)。

第一代“軍事星”極高頻通信速率為每秒75千比特，第二代“軍事星”為每秒100兆比特，而“先進(jìn)極高頻”則超過(guò)每秒1吉比特。

▲ 首顆先進(jìn)極高頻衛(wèi)星組裝完畢

“先進(jìn)極高頻”用于戰(zhàn)術(shù)通信數(shù)據(jù)速率是每秒8.192兆比特（第二代“軍事星”為每秒1.544兆比特），用于戰(zhàn)略通信的數(shù)據(jù)速率是每秒19.2千比特，可以服務(wù)6000個(gè)終端和4000個(gè)網(wǎng)絡(luò)（比第二代“軍事星”多2500個(gè)），并同時(shí)提供50個(gè)下行鏈路信道。按照這個(gè)容量，新系統(tǒng)在點(diǎn)波束數(shù)量上將有近10倍增長(zhǎng)，極大地提高了用戶(hù)接入能力?！跋冗M(jìn)極高頻”的點(diǎn)波束更小，功率更高，提高了通信的可靠性和數(shù)據(jù)率，極大地降低了敵方偵聽(tīng)和干擾的可能性。

“軍事星”的星間鏈路通信速率為每秒10兆比特，而“先進(jìn)極高頻”可以達(dá)到每秒60兆比特。與第二代“軍事星”相比，“先進(jìn)極高頻”的星間鏈路增強(qiáng)了路由功能和抗干擾能力。

舉例來(lái)說(shuō)，用第一代“軍事星”傳輸戰(zhàn)斧式巡航導(dǎo)彈的任務(wù)命令需要100秒，傳輸1.1兆大小的空中任務(wù)命令需要1.02小時(shí)，傳輸一幅偵察衛(wèi)星拍攝的可見(jiàn)光圖像（24兆）需要22.2小時(shí)；用第二代“軍事星”傳輸相同大小的信息只需花0.16秒、5.7秒、2.07分鐘；而用“先進(jìn)極高頻”傳輸相同的信息則僅用0.03秒、1.07秒、23.6秒。

可支持多種終端

“先進(jìn)極高頻”能在任何時(shí)候提供世界范圍內(nèi)的軍事應(yīng)用，并兼容現(xiàn)有的“軍事星”系列終端，支持提供機(jī)載、艦載、車(chē)載和便攜終端，如海軍多頻段終端、單信道抗干擾可搬移式終端、“先進(jìn)極高頻”通用系統(tǒng)試驗(yàn)終端、保密移動(dòng)抗干擾可靠型戰(zhàn)術(shù)終端和先進(jìn)超視距系列終端以及潛艇高數(shù)據(jù)速率系統(tǒng)。其中先進(jìn)超視距系列終端綜合了以前的兩個(gè)項(xiàng)目，即機(jī)載寬帶終端和指令遞送終端替代系統(tǒng)，從而建立了一套通用的開(kāi)放式、覆蓋天基地基的綜合應(yīng)用體系。

因?yàn)椤跋冗M(jìn)極高頻”工作在較高的頻段，所以其用戶(hù)終端也在不斷向小型化發(fā)展。一種稱(chēng)為L(zhǎng)TCC的技術(shù)可把有源和無(wú)源的射頻元件以一種多層布局的形式封裝在一個(gè)低損耗的絕緣材料中。用LTCC技術(shù)所集成的相控陣天線(xiàn)已用于“先進(jìn)極高頻”終端，因而使天線(xiàn)尺寸更小，損耗更低。

總之，“先進(jìn)極高頻”是具備抗干擾、低檢測(cè)概率、低截獲概率和先進(jìn)的加密系統(tǒng)，比“軍事星”支持戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)的能力提高了兩倍，能為陸軍、空軍、海軍、特種部隊(duì)、戰(zhàn)略導(dǎo)彈部隊(duì)、戰(zhàn)略防御、戰(zhàn)區(qū)導(dǎo)彈防御和空間對(duì)抗等服務(wù)，并可提高與其他軍用網(wǎng)絡(luò)和美國(guó)盟軍網(wǎng)絡(luò)的兼容性。它與“軍事星”不同，能夠支持動(dòng)中通，提供數(shù)據(jù)、語(yǔ)音、視頻會(huì)議和圖像傳感業(yè)務(wù)，有效實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)視頻、戰(zhàn)場(chǎng)地圖和目標(biāo)數(shù)據(jù)等的通信，為美國(guó)的戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)力量在各種級(jí)別的沖突中提供安全、可靠的全球衛(wèi)星通信。每顆“先進(jìn)極高頻”可連接上百個(gè)直徑為1英尺（約0.3米）的終端天線(xiàn)，把戰(zhàn)場(chǎng)上的所有梯隊(duì)連成一個(gè)具備太空路由的虛擬網(wǎng)絡(luò)。它還能為那些使用這些快速、精確信息的人們提供實(shí)時(shí)地圖、目標(biāo)信息和先進(jìn)的智能監(jiān)視和偵察。它也可直接對(duì)來(lái)自用戶(hù)終端的請(qǐng)求作出回答，并根據(jù)優(yōu)先級(jí)提供點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

▲ 第二代“軍事星”

▲ 對(duì)先進(jìn)極高頻衛(wèi)星進(jìn)行測(cè)試

▲ 單信道抗干擾可搬移式終端

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)生命線(xiàn)

從原理上講，軍用通信衛(wèi)星與民用通信衛(wèi)星是一樣的，但由于軍用通信聯(lián)絡(luò)要求迅速、準(zhǔn)確、保密和連續(xù)，為此，軍用通信衛(wèi)星常采用不同的通信體制以及擴(kuò)頻、調(diào)頻和自適應(yīng)天線(xiàn)調(diào)零等技術(shù)，改變天線(xiàn)波束寬窄和指向，實(shí)行星上信號(hào)交換和處理以及星間鏈路，調(diào)整發(fā)射功率和接收靈敏度，強(qiáng)化遙控指令系統(tǒng)等一系列措施。所以，軍用通信衛(wèi)星比民用通信衛(wèi)星具有可靠性高、生存能力強(qiáng)、抗干擾性好、機(jī)動(dòng)靈活性大等優(yōu)點(diǎn)，并可減少對(duì)地面站的依賴(lài)。它不僅能使廣泛散布的武器平臺(tái)與作戰(zhàn)部隊(duì)有效集成，而且還可讓“觀(guān)測(cè)、判斷、決策、行動(dòng)”環(huán)路所需的平均時(shí)間達(dá)到最短。

按頻率分，軍用通信衛(wèi)星可分為特高頻（300～3000兆赫茲）、超高頻（3～30吉赫茲）和極高頻（30～300吉赫茲）三類(lèi)。特高頻衛(wèi)星成本低，但易受干擾；超高頻衛(wèi)星比特高頻衛(wèi)星抗干擾能力強(qiáng)；極高頻衛(wèi)星波束窄，容量大，抗干擾和抗截收能力最強(qiáng)，可提供的頻帶也寬，易于實(shí)現(xiàn)星上處理。所以，目前極高頻軍用通信衛(wèi)星最為先進(jìn)，能為部隊(duì)提供保密、抗干擾通信，可減少受核爆炸影響出現(xiàn)的信號(hào)閃爍和衰落，能大大縮小和減輕系統(tǒng)使用的部件尺寸和重量，具有支持全面戰(zhàn)爭(zhēng)的能力，是今后的發(fā)展方向。它也能大大減輕現(xiàn)有的頻譜擁擠現(xiàn)象，利用較小的天線(xiàn)陣進(jìn)行定向發(fā)射，從而降低敵方截收概率；星上天線(xiàn)具有調(diào)零功能，大大提高衛(wèi)星發(fā)射信號(hào)的抗干擾能力；具有星上信號(hào)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(méi)有地面支援設(shè)施支援的情況下能持久運(yùn)行。

現(xiàn)在，軍用通信衛(wèi)星在戰(zhàn)爭(zhēng)中的作用越來(lái)越大，已被譽(yù)為現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的生命線(xiàn)，因?yàn)閼?zhàn)場(chǎng)上70%以上的通信是靠軍用通信衛(wèi)星來(lái)完成的。它使信息迅速、安全、靈活的傳輸，實(shí)現(xiàn)全球無(wú)縫覆蓋，從而奪得和確保制信息權(quán)，滿(mǎn)足優(yōu)勢(shì)機(jī)動(dòng)、精確部署、聚焦后勤和全維防護(hù)的作戰(zhàn)要求，從根本上改變了現(xiàn)代軍事作戰(zhàn)的方式。至今，美國(guó)、俄羅斯、英國(guó)、意大利、德國(guó)和歐洲等均擁有軍用通信衛(wèi)星，其中以美國(guó)的軍用通信衛(wèi)星陣容最為整齊、技術(shù)最為先進(jìn)。

未來(lái)的軍用通信

未來(lái)的軍用通信衛(wèi)星將普遍采用商用大型公用平臺(tái)，重點(diǎn)發(fā)展有效載荷技術(shù)；面向效能全面集成，重視系統(tǒng)功能的互補(bǔ)，以及系統(tǒng)的兼容性和互聯(lián)互通性能；提高衛(wèi)星系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化通信能力；向更高的頻段和激光通信方向發(fā)展，發(fā)展星間和星地激光通信系統(tǒng)，以大幅度提高系統(tǒng)的有效帶寬，并使擴(kuò)頻和跳頻范圍更寬，傳輸?shù)姆较蛐愿鼜?qiáng)，抗干擾能力更高；星上處理技術(shù)向基帶處理發(fā)展，從而提高有效載荷利用率，實(shí)現(xiàn)一點(diǎn)至多點(diǎn)傳輸和廣播通信，星上交換靈活，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)按需多址，抗干擾能力強(qiáng)，提供通信業(yè)務(wù)更靈活，網(wǎng)絡(luò)化能力更高；向多點(diǎn)波束方向發(fā)展，實(shí)現(xiàn)頻率復(fù)用，擴(kuò)大衛(wèi)星容量，提高衛(wèi)星功率和系統(tǒng)的適應(yīng)性，靈活改變系統(tǒng)的配置；綜合采取多種技術(shù)提高抗干擾性能。

目前，美國(guó)已經(jīng)考慮研制激光衛(wèi)星通信，并作為美國(guó)“全球信息柵格帶寬擴(kuò)展”計(jì)劃的天基部分，其也將會(huì)是美國(guó)情報(bào)、國(guó)防和航天三類(lèi)機(jī)構(gòu)共享的下一代空間通信基礎(chǔ)設(shè)施。