[科普中国]-宽带全球卫星

简介

宽带全球卫星(Wideband Global Satellite， WGS)系统是美国一种高容量军用卫星通信系统该卫星以前叫 “宽带填隙卫星”(Wideband Gapfiller Satellite.其缩写也是WGS )。这是因为最初考虑到DSCS和更大容量系统之间存在缝隙，所以利用WGS来填补这个缝隙。WGS是由美国空军和陆军联合投资开发的项目，目前包括至少6颗波音702卫星及相关的卫星和有效载荷控制设备等选项。另外还包括运营和后勤保障及训练等能有效地覆盖全球。

WGS用来填补现有通信卫星系统’‘国防通信卫星系统3 ( DSCS 3 )’‘和“全球广播卫星系统(GBS)‘’与 “转型卫星通信系统(TSAT)”之间的通信覆盖间隙，是DSCS向先进宽带系统(AWS)过渡的桥梁1。

WGS计划是美国国防部第一项近似商业卫星采购的计划，充分利用了商用卫星技术和制造程序把有效载荷与商用卫星平台集成在一起大约95%的卫星元件使用商用现货从而有效地节约了系统的采购成本。缩短了卫星设计、研制和发射时间。WGS计划表明商业技术能够提供可担负得起军用的通信系统。

组成及其功能WGS可分为空间段、地面段和用户段。空间段包括多颗卫星；地面段主要用于控制卫星、传输和管理用户业务，以及管理和控制通信资源；用户段由各种用户终端组成1。

空间段WGS空间部分最初由分别运行在太平洋、印度洋和大西洋地区上空的3颗对地静止轨道(GEO)卫星组成。后来美军计划在2012年总共发射至少6颗WGS卫星其中后3颗是备份。前3颗WGS卫星上天后它们便可覆盖全球。3颗WGS卫星分别定点在赤道上空60°E，175°E和12°W。另外WGS-4， 5，6与前3颗WGS有所不同.增加了无线电旁路能力.它能提供的数据率为311 M b/s，以便支持机载情报、监视与侦察平台。在该星座最终建成后将具有向全球美军及盟军提供网络通信的功能获得完全的作战力。

WGS将运行在对地静止轨道.轨道周期约为24小时。WGS具有入轨子系统为入轨和执行任务装载了充足的燃料。在寿命末期剩余的燃料可以将卫星推入到比对地静止轨道高300km的废弃轨道。每颗WGS卫星发射重量约为5.9吨，功率13kW，设计寿命11.8年。它使用二元化学推进剂提高轨道高度，并使用氨离子推进剂清除轨道偏心距，以保持轨道姿态。在发射之前WGS可至少在地面存储5年而不会影响在轨平均任务持续时间 (MMD)。入轨后即使没有有效的指令链路卫星也能在没有地面干涉的情况下至少运行30天，包括执行南-北和东一西位置保持的存储指令。

WGS由美国波音公司制造每颗造价为3.5亿美元。是美军在轨服役通信卫星中性能最高的一颗它可通过双向、点对点、多播及广播的方式向作战人员快速分发大量数据。它不仅容量大大增加.能以更高数据率向作战人员提供信息而且运行十分灵活，可提供其他军事卫星通信系统所不能提供的许多重要作战特征1。

地面段主要用于控制在轨的卫星包括监控卫星的健康状况.提供通信系统的计划和监测通信等。

WGS卫星控制可以通过X频段和Ka频段星地链路来完成由不同军种的有关部门共同承担其主要控制机构为陆军宽带卫星运行中心和空军卫星运行中心。陆军负责网络控制.主要依靠分布在世界各地的地面设施。地面控制部分主要利用现有的商用软件及硬件设备如Raytheon公司的Eclipser"'遥测与指令系统。卫星运行控制则由空军负责.使用一体化的指挥与控制系统 (CCS-C ）。CCS-C是正在开发的支持所有现在的与未来的军用通信卫星星座的一体化指挥与控制系统，它将取代目前所使用的空军卫星控制网络。

由于WGS卫星和地面控制系统比DSCS智能化程度更高，所以容易运行和维护大大降低了对人力需求和其他的全寿命期费用。它能自动识别问题并寻找产生问题的根源而无须操作人员告诉它如何调整自己。指令输入方式也与现在使用的不同。命令都是预先设定好的，不必用手敲入。预先设定命令减少了卫星操控中人为失误的风险，这意味着完成同样工作只需更少的操作人员和更短的时间。在使用DSCS的时候.要专门设置两个人确认每一条命令.但使用WGS的时候其命令会被自动检查.操作人员可事先确认它们将如何执行1。

用户段WGS能够提供机载、舰载、车载和便携终端与现有的控制系统和终端《DSCS和GBS系统的用户终端)是兼容的.并且也能向上升级可以和现有的及新的X频段的GBS终端互通。

预计2010年前，美国军方将从多家公司订购1700个WGS卫星的地面宽带终端这些宽带终端可在几个频带使用。例如从Then公司为WGS采购了价值2200万美元的新型Ka频段地面终端KaSAT.这是一种轻型移动式战术军用卫星通信小型终端系统其上行链路频率为30一31 GHz，下行链路频率为20~21GHz从ITT工业公司采购了价值8900万美元的50个Ka频段地面终端及技术支持；从哈里斯(Harris)公司采购了200个轻型、大容量、高效能的地面4频段终端，它可用于WGS， DSCS，未来的“先进宽带系统“( Advanced Wideband SystemAWS）、商业卫星系统等卫星的通信业务。另外t在未来10年内美国陆军还将采购军用多频段/多模式集成卫星终端(MIST)。它能提供高达几兆每秒的移动通信容量。

总之WGS系统能满足美军更快速、更高效地获取信息的需求提高了固定、机动和移动用户的访问容量。各种平台、陆海空部队及其指挥官都能够利用wcs进行快速、实时地信息访问1。

发展历程美国WGS计划是1997年8月美国国防部提出的新一代宽带通信卫星。目的是在新一代更先进的通信卫星系统投入应用之前，对美国空军的DSCS和海军的全球广播业务《GBS)系统的工作进行补充和加强。

2001年1月美国国防部选定波音公司作为WGS系统的主承包商和总系统集成商之后波音公司与其他卫星通信业巨头签订了子承包合同‘哈里斯(Harris )公司负责提供WGS通信地面终端、Ka频段天线分系统，以及为卫星一地面终端接口校验提供系统技术支持ITT工业公司负责卫星通信网络的管理与控制系统、有效载荷的控制部分的集成诺斯洛普·格鲁曼公司负责WGS通信网络规划软件和系统安全工程：国际科学应用公司 ( SAIC )对WGS系统工程提供全面支持。

2008年末美国国防部长办公室决定WGS系统星座由六颗卫星扩大到8颗卫星.国防部长办公室确定未来需要让星座保留8颗运行卫星。2009年国防部将购买WGS-7， WGS-8和WGS-9，预计在2010财年授出合同。2008年12月17日，空军实施选项合同购买第六颗宽带卫星。WGS-1已经在2007年10月由宇宙神一5火箭发射.WGS-2也于2009年4月由宇宙神一5火箭发射。空军太空司令部(AFSPACE 1计划在2009年7月使用德尔它一4火箭发射第三颗卫星WGS-31。当前已有6颗W GS卫星升空，第10颗卫星也已经采购。美军还希望再采购2颗，形成由12颗卫星组成的星座，全面入轨要到2018年左右。

W GS系统是美军贯彻渐进式、螺旋式、性能逐步提高采办原则进行发展的典型计划。该星座前3颗为基本型第一批次(BLOCK I)，已交付美国空军使用；从第4颗卫星起为第二批次(BLOCK II )，增加了无线电旁路设备，带宽将成倍增加；从第8颗起，系统还将进一步升级，增加新的数字信道选择器，继续提高卫星容量2。

技术特点与能力水平W GS系统是美军有史以来功率最大、容量最大的宽带军事通信卫星系统。一颗单星相当于现役DSCS-3的10倍。WGS卫星采用了诸多先进技术，能力水平有了显著提高，一些新技术在军用通信卫星领域尚为首次使用。

1. WGS是美军容量最大的宽带卫星通信系统

WGS卫星采用带宽较大的超高频(SHF)波段的X频段与极高频(EHF)波段的Ka频段，通信容量为1.2-3.6吉比/秒，瞬时最高容量可达4.875吉比/秒，使其具备了语音、数据、图像等多媒体信息高速率传输能力。该卫星将DSCS-3与3颗“特高频后继卫星”(UFO)载荷“全球广播服务”(GBS)的功能合二为一，其中X频段替代DSCS-3功能，为美国政府与军队首脑机关提供固定宽带通信；Ka频段替代UFO的GBS功能，为美军提供视频以及音频广播服务。

2.可控波束成型天线与数字信道选择器提供灵活的联通性

W GS卫星携带可形成点波束的相控阵与抛物面天线。WGS的13副天线中有12副可形成可控点波束，共形成19个可控点波束，具备向不同覆盖区提供广播和群播能力。数字信道选择器是卫星上最关键的器件，其作用是将模拟信号转化为数字信号，并将卫星通信容量划分成2.6兆赫的1872个子信道，然后对子信道进行信号交换和路由分配处理，使信号可从一个频段交互联通到另一个频段，即X频段上行链路可以链接Ka频段下行链路，Ka频段上行链路可以链接X频段下行链路，为多频段地面终端提供了极大的信息联通灵活性，可连接位于任意区域且处于不同工作频率的用户，也可为星座测控提供非常有效灵活的上行链路频谱监控能力。

3.卫星平台使用氨离子推进系统，有利于卫星轨道机动

WGS卫星采用了氖离子推进的波音BSS-702HP卫星平台，是首个采用氖离子推进系统的军用通信卫星系统。氖离子推进系统的效率比常规的双组元推进剂系统高10倍，4个25厘米的推进系统就可以在转移轨道运行期间消除轨道离心率，有利于轨道机动与轨道维护。此外，WGS卫星的展开式散热器可为有效载荷提供凉爽稳定的热环境，从而提高部件的可靠性与稳定性2。

军事应用WGS系统目前已投入作战使用，初步显示其为美军视频流、远程会议、实时数据传输和高分辨率成像等多媒体信息提供高速率通信。全系统运行后，将使美国和澳大利亚军队通信带宽发生质的飞跃，就如同美国空军宽带卫星通信指挥官唐纳德·罗宾斯指出的“使用宽带全球卫星通信系统后，就等于从拨号上网进入了宽带上网时代”。

1.在常规作战中提供大容量高速率实时通信

WGS系统为美军提供双向X/Ka频段宽带通信、单向Ka频段广播业务。WGS首颗卫星刚发射半年就用于军事行动，这是史无前例的。WGS曾为驻阿富汗、伊拉克和西南亚地区的美军提供作战通信支持。如为“全球鹰”侦察无人机、“捕食者”侦察一打击一体化无人机提供安全、实时链接。3颗WGS卫星就能够支持8架无人机进行通信。WGS系统第一批次的3颗卫星可以137兆比/秒速率同时传输数据，第二批次的前3颗卫星可将“全球鹰”无人侦察机的图像传输速度由137兆比/秒提高到274兆比/秒。WGS还支持“战术级作战人员信息网”(W工N-T)联通。WIN-T除了利用DSCS-3，还租用商用卫星Ku频段进行网络联通。WGS运行后，使W工N-T不再依赖商用通信卫星。WGS不仅为W工N-T提供保密的网络联通，而且提供Ka频段高带宽“动中通”战术通信能力，使W工N-T网络真正实现为野战人员提供移动战术通信。图2为WGS系统的基本架构。

2.形成全球反恐作战网，支持反恐统一军事行动

“全球反恐作战网”由东经174.8度的WGS-1、东经60.5度的W GS-2和东经21.5度的“欧洲通信卫星”W6商用通信卫星组成。覆盖西起德国兰德斯图驻德美军国防网络中心、东至韩国和夏威夷瓦西阿瓦的广大地区。该网络为美军无人作战终端提供了安全数据链路。

3.将使澳大利亚等盟国通信能力获得大幅提升

为解决澳大利亚军队在全球军事行动和应急行动中卫星通信能力严重不足的问题，2007年11月澳大利亚与美国达成协议：美国允许澳大利亚在全球范围使用WGS，而澳大利亚为美国第6颗WGS卫星出资。据报道，WGS已为澳大利亚军队提供了重要的通信服务。第9颗卫星升空后，将使加拿大、丹麦、卢森堡、荷兰与新西兰等国的军事通信能力获得大幅度提升2。

评价与未来发展WGS系统是美军新一代宽带军事通信卫星，是美军向军事转型迈进的第一步它将大大地提高国防部的军事行动能力，加强情报收集和后勤保障能力。提高远程视频电话和语音服务能力改善地理空间图像和战场管理系统，是美军军事通信卫星能力实现数量级跃升的重要里程碑1。

按照美军发射WGS卫星的时间节点，美军在2010年就已具备了吉比/秒量级传输容量的卫星通信能力，到2020年将具备10吉比/秒传输容量的卫星通信能力。WGS是美军实现通信卫星由战略通信向战术通信转型的第一个宽带卫星通信系统。美军不仅要求窄带战术通信卫星支持动中通信，而且也要求宽带全球卫星通信系统在发展以固定通信业务为主的同时，也要具备一定的动中通能力。美军WGS系统与宽带卫星通信安全系统“先进极高频”(AEHF)所具备的宽带动中通传输能力，将共同成为网络中心战实现的基础，实现真正的无节点网络通信。这意味着美军在一体化联合作战中将获得实时的信息传输能力，使“发现即消灭”成为现实2。