[科普中国]-国防卫星通信系统

DSCSⅢ卫星通信系统的基本构成

系统主要由星上转发器部分和地球站两大部分组成。

工作于不同频率的每个信道(转发器)，可以通过不同天线接收上行信号，例如信道1可以从61波束天线接收信号，也可以用覆球喇叭天线2接收信号。用多波束时，又可用覆球波束和窄波束来接收。发射时也有相同情况，一个信道的信号可以通过不同天线发向地球站，收发多天线的相互组台交链，使其使用灵活。多波束的运用使其增加了抗干扰性能。其中单信道转发器除能接收uHF(300～400MHz)的信号，尚能接收多波束天线和覆球喇叭2接收的SHF信号，单信道转发器可将其变为225～260MHz发向地球站，或将多波束或覆球喇叭2接收的信号，经40w功放送发射多波束1，或送万向抛物面天线发向地球站，具有UHF和SHF频率交链功能。1

抗干扰措施分析通信体制的多样性带来的抗干扰性DSCSⅢ卫星通信系统在多址联接方式上，不但采用通用的频分多址(FDMA)，时分多址(TDMA)，而且采用了码分多址方式(CDMA)和空分多址方式(SDMA)。码分多址包括直接序列谰相码分多址方式(CDMA/DS)和跳频码分多址(CDMA/FH)。众所周知，这两种通信方式都具有良好的抗干扰特性，特别是对低数据速率的信号可以获得很高增益。在转发器中有可控衰减39dB，真接序列调相码分多址方式尚具有类似smarlAGC的性能，具有抗单一载频干扰的能力。1

SDMA方式是一种星上处理能力。从转发器使用情况的两张表中可以看出，分布在各地方地球站发射的sHF信号，星上即可以用两副覆球波束天线接收，也可以用多波束天线接收。当用多波束天线接收时，可利用其不同波束指向不同的地球站从而实现上行信号的空分。收到来自各波束的信号，可通过星上转发器的开关控制使其进入不同的信道，再通过开关送人不同的发射天线。发射天线包括两副19波束的天线，两副覆球喇叭天线和一副万向抛物面天线。通过对多波束天线的控制，可以使转发器功率放大器输出的信号送人不同波束．从而实现下行信号的空分。由于空分特性使位于其波束照射区外的干扰信号，无能力干扰照射区内的信号。星上收发波束的切换，使某一区域地球站的上行信号经转发而发向另一区域。而发给该站的信号是另一地域地球站发向卫星经转发才指向该区域地球站。而这两个频率是不同的，它们并不一定有特定的关系。因此，对陆基对抗系统采用探测法确定干扰频率成为不可能，从而也增加了抗干扰性。1

多波束天线带来的抗干扰能力(1)DSCSⅢ星上转发器可以利用多波束天线和干扰源定位设备(JLE)确定干扰源的大致方位，所在国家或地区，从而采取关闭干扰源所在的波束快速可选覆盖算法，达到抗干扰目的。也可采用控制波束形成网络，使干扰信号受到抑制，使干扰达不到目的。

(2)多波束天线对接收而言，可以通过对波速相位和幅度的加权，控制其增益快速可选覆盖算法，从而增强对某一信号的接收能力，达到抗干扰目的。对发射而言，多波束的可控性同样可使发向其一地域的信号得到增强，而增强抗干扰能力。另外根据需要对不同信号进行功率分配也能提高其抗干扰能力。1

单信道转发器的抗干扰性能DSCSM单信道转发器，可以通过蝴蝶结型天线接收为300～400MHz上行信号，然后通过转发器将其变为225～260MHz范围的信号，送交叉偶极子发向地面。其中所用信号可能是跳频信号和扩频信号。另外该信道亦可将多波束接收天线和覆球喇叭天线2接收的SHF信号，经单信道转发器变为范围为225～260MHz的信号再发向地球站。也可转变为下行的SHF信号经19波束天线1，或万向抛物面天线发向地球站。由于UHF与SHF的交链也给陆基电子干扰系统带来困难。1

地球站带来的抗干扰性能DSCSⅢ卫星通信地球站品质因数G/T和等效各向同性辐射功率(EIRP)普遍较高，例如重型站天线口径D=18.3m，发射功率P-20KW，EIRP达100dBW以上，G/T值大约为38dB/k。如AN/FSC-9，P=20kW，G/T=38dB/k，EIRP=103dBW，D=18.3m，从而使美国利用其技术优势达到抗干扰的目的。1

通信速率可变带来的扰干扰性在通信受到干扰时，降低通信速率可以在不改变功率的情况下，提高信号到达接收端的功率谱密度。例如其以PCM 48kb/s通信时，可在6路到96路变化，因此可获12dB增益，数据速率从5Mb/s可变到16kb/s，可获增益为12dB以上，皆可提高抗干扰能力。1

国防卫星通信系统的主要任务卫星通信正在军事上得到广泛应用，并取得显著的实战效益，第三代国防卫星通信系统(DSCSⅢ)是美军重要的卫星通信系统，它完成的任务包括：①国家指挥当局、国防通信局与联合司令部和特种司令部之间的通信；②预警机和战区飞机间的通信；③支援应急事件或局部战争的高容量、高可靠性通信；④以宽带信道来保证高质量的高速数据或高分辨率图形和图像的保密传输，快速传送传感器数据；⑤提供其它传输手段不便完成的远距离通信和支援海军的舰岸通信。考虑到卫星通信的暴露性和易扰性，为确保DSCSⅢ卫星通信的安全畅通，DSCSⅢ卫星通信系统采取了诸多抗干扰措施。1

美军宽带全球卫星通信系统的发展美国的军事通信卫星系统无疑是当今世界上功能最完善、最强大的通信卫星系统，但是，面对不断发展的信息获取、处理和分发需求，其能力已明显不足。鉴于此，美国防部于2001年12月至2002年7月制定了卫星通信转型研究计划，对美军未来的卫星通信发展进行了研究和规划，宽带全球卫星通信系统（WGS）便是其发展重点之一。2

研发背景国防卫星通信系统（DSCS）是美军的一个可提供超高频（SHF）及军用X频段宽带和抗干扰通信的通用军事卫星通信系统，可为美海、陆、空三军提供安全可靠的全球通信服务，是美军超高频通信卫星网络的重要组成部分，也是美国防部、战略空军和海军舰队进行指挥控制的一个重要军用卫星通信系统。但随着时间的推移，美军在全球的作战需求有了大幅增长，特别是美军在伊拉克和阿富汗战争中的大规模部署，是通信需求急剧增长最明显的原因，当然，即使没有这些战争，新的数据生成监视与侦察工具，尤其是无人机、无人战斗飞行器所产生的通信需求也刺激了这种需求的急剧增长。因此，数据传输速率仅为0.25Gb/s的国防卫星通信系统星座已远远不能满足需求，急需升级换代，在这种背景下，宽带全球卫星通信系统星座计划应运而生。该卫星星座将不仅是国防卫星通信系统的延续和补充，而且还将大幅提高通信能力，也是近段时间内美军开发的通信容量最大的卫星系统，并将最终取代美国防卫星通信系统——国防部过去二十多年使用的卫星通信主干系统。2

宽带全球卫星通信系统星座计划发射6颗卫星，首星已于2007年10月发射升空，全面提供宽带服务则要到2017年以后。届时，每颗宽带全球卫星的传输速率可达2.4~3.6Gb/s，与国防卫星通信系统相比，通信容量将提高10倍以上，不仅可为话音、数据和图像通信提供充足的带宽，而且整个星座可覆盖南、北纬65°之间的19个独立的地区。宽带全球卫星通信系统的有效载荷工作在X和Ka频段。X频段与国防卫星通信系统兼容，因此，对美国防部来说，有效载荷的工作又都了一个新领域——Ka频段，正如波音公司宽带全球卫星通信系统计划副主管麦克·沙维特罗说：“宽带全球卫星通信系统第一次提供了军用Ka频段能力，这是一个新的领域。宽带全球卫星通信系统可以提供比国防卫星通信系统大得多的容量，就是因为它有一个额外的工作频段。”2

美军宽带全球卫星通信系统的发展历程20世纪90年代，美军对卫星通信的需求快速增长，五角大楼首先将这种宽带卫星构想为“从国防卫星通信系统向尚未定义的、更加强大的星座进行过渡的桥梁”。因此，该星座最初被命名为宽带填隙卫星系统。2007年1月，空军官员将该计划重新命名为宽带全球卫星通信系统，将其地位从填隙卫星提升为军事卫星通信干线。

2007年10月10日，美空军发射了首颗宽带全球卫星通信系统，并于2008年春季宣布首颗宽带全球卫星通信系统具备了作战能力。目前，该卫星正在太平洋上空运行，覆盖了从美国西海岸到东南亚的广大区域，以支持美国太平洋司令部。该卫星扩大了通信信道容量，可以提供数百万条路由，可使美海、陆、空及海军陆战队士兵的通信覆盖范围、容量和连接能力发生巨大飞跃。而对战场上的作战人员而言，他们将能够以前所未有的速度处理、接收和发送数据。该卫星的升空使美军徘徊多年的卫星通信能力有了转折性的突破，赋予了美军一定的转型通信能力，使美军的网络中心设想向前迈进了一大步。空军已计划到2013年完成6颗宽带全球卫星通信系统卫星星座的部署，目标是为美军部队提供更快、更鲁棒、大容量的通信能力，为全球美军及盟军提供网络通信能力，并为美军领导层对战术部队实施指挥与控制提供服务。2

2009年4月3日，第二颗宽带全球卫星通信系统发射升空，2009年6月完成了在轨功能测试，其控制权已移交给了美空军，并已于2009年8月21日开始投入使用。该卫星位于美军中央司令部责任区上空，能以史无前例的高速率经由战场上空中继数据域图像，可为阿富汗和伊拉克地区的军事行动提供通信保障。

2009年12月5日，第三颗宽带全球卫星通信系统发射升空，标志着该卫星星座第一阶段工作的结束。该卫星价值3亿美元，重6吨，由美国波音公司建造。它将位于大西洋东部西经12°的轨道区域，可覆盖美国欧洲司令部和非洲司令部的广阔区域，除此之外，还可以为中东地区提供额外的支持。据澳大利亚每日航天网站2010年3月4日报道，该军事通信卫星在通过严格的在轨测试后，美空军已于2010年3月1日接管了对该卫星的控制管理工作，2010年4月将正式投入使用。2

根据与空军签署的合同，波音公司正在建造第二阶段的其余三颗宽带全球卫星通信系统：第四颗宽带全球卫星通信系统目前正处于集成与测试过程中；第五颗已开始进行卫星有效载荷部分的集成；第六颗正在研发并交付卫星的电子装置，该卫星将显著提高整个卫星星座的通信能力和运行灵活性。这三颗卫星预计于2011年和2012年发射。

美军宽带全球卫星通信系统的技术特点宽带全球卫星通信系统将引入新技术，并将带来巨大的附加容量。该星座包括9个X频段波束和10个Ka频段波束，其中8个X频段波束分别由独立的传输和接收相控阵天线负责信息的传送与接收，第9个X频段为反向偏震频段；10个独立可调的Ka频段波束由双工万向架固定式抛物面天线提供，这些增强型连接能力将为全球用户之间的话音、数据和图像通信提供充足的带宽。卫星上最关键的部位是数字信道选择器，这些数字信道可分为1872个子信道，每个信道的传输带宽为2.6MHz，可同时支持多点传输和广播服务，也能为网络控制提供非常有效灵活的上行链路频谱监控能力，从而可以同时覆盖几个不同的用户系统，增加了覆盖范围。2

该系统还采用了军用卫星领域尚未使用过的一些新技术。例如，它第一个使用了氙离子推进系统(XIPS)、三接头砷化镓太阳能电池和带有软热管的展开式散热器等先进技术。氙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的离心率。这些推进系统还可用于轨道维护，并可执行任务寿命期间所要求的位置变化任务。宽带全球卫星通信系统的散热器也特别大，这样就可以为总线和有效载荷提供一种凉爽的、稳定的热环境，提高了部件的可靠性和卫星使用寿命期内的稳定性。

宽带全球卫星通信系统的另外一个技术特点是提供了X频段与Ka频段双向通信服务、单向Ka频段广播服务以及X频段与Ka频段的跨频通信服务。由于具有这种跨频段通信能力，使得其在一个频段上接收到的信号，可以在另外一个频段上进行传送，这种从一个频段向另一个频段发送通信的能力，使得作战人员能够把一个文件或流视频向上发送到一部X频段终端，并向下发送到一部Ka频段终端，反之亦可以。有了这样一种技术，美海、陆、空三军就能利用该系统向全球任何地方快速发送大容量信息，进行X和Ka两个频段间安全保密、抗干扰的跨频通信，使三军部队具有更大的作战灵活性、更强的作战能力和连通性，可完成上一代军事通信卫星所无法提供的许多重要功能。

此外， 宽带全球卫星通信系统还能支持多种网络拓扑结构， 其中包括广播中枢辐射、网状和点对点的连通性。在一定条件下， 该卫星的天线模式还具有识别能力， 因而也能提供一定的保护， 避免来自不同距离友军的干扰。2

美军宽带全球卫星通信系统的应用（1）直接应用于作战

美军在首颗宽带全球卫星通信系统发射半年后就用于了军事行动，这在卫星史上是史无前例的，也因此可以看出美军对该卫星星座的重视程度。目前，该卫星已可以向太平洋地区的部队转发通信，极大地满足了这些部队对军用带宽的需求，提升了跨卫星通信信道的通信能力，因此，它在美军的整个通信计划中占有了重要一席，已成为美军重要的军事通信链路。

在作战应用中，宽带全球卫星通信系统Ka频段的效用更为突出。美空军军事卫星通信系统联队副司令戴维·于里克将这种Ka频段的效用比作了眼下普遍流行的直接到家庭的电视广播服务。他认为，Ka频段可以使宽带全球卫星通信系统回传大量信息，并在广阔的地区进行接收。“在已部署的环境下，我们与美国本土的回传连接能力受到了带宽的限制。但通过这种类似‘直播电视’的方式，就可以实现信息的局域化，使信息传播不再受限。”例如，如果伊拉克的兵营有一支200人组成的部队，那么就有一半的人可以不必使用带宽连接后方的中央司令部，而是使用这种“直播电视”容量的方式就可以捕获到整个服务器，并将其传送至巴格达的服务器，无需再回传连接到美国本土就可以获得该信息，因此，大大提高了通信效率。2

（2）直接应用于军事服务

随着宽带全球卫星通信星座的发射升空，美国防部也打算将现行卫星网络从商用卫星带宽向军方拥有的卫星资源迁移，以实现网络的扩展，增强安全性，并降低成本，大大增加用户带宽。向宽带全球卫星通信系统的迁移将为作战人员提供额外的容量，该卫星Ka频段的有效载荷将通过多个易操控的点波束，提供2Gb/s以上的容量，可满足现行和未来的军事卫星通信需求。2

（3）应用于战术级作战人员信息网

战术级作战人员信息网(WIN-T)是美军实现转型的四大计划之一，近年来得到了快速发展。该计划的短期目标是：在宽带全球卫星通信系统可用时，利用其宽带军用Ka频段的通信，减少对商用Ku频段的依赖，相应地提高网络的通信能力和高带宽动中通能力。2

（4）应用于无人机

美空军在伊拉克和阿富汗的无人机（UAV）行动几乎全都依赖于商业卫星通信能力的支援，但美军在最近发布的报告称，在更新型的无人机投入服役后，美军自身拥有的卫星将会承担更为重要的作用，宽带全球卫星通信系统便是其中的重要支持者。

宽带全球卫星通信系统将能以前所未有的速率为无人机提供支持。全部6颗卫星发射完毕后，前3颗将可以支持8架无人机，并以137Mb/s的速率同时传输数据，后3颗增加射频旁路技术，可将来自“全球鹰”无人侦察机上的图像传输速率从137Mb/s提高到274Mb/s。

当然，对无人机的支持只是该卫星星座所提供的其中一种通信能力。此外，它们还可以为美国战略司令部和各作战司令部、战术部队和已部署部队、国防信息系统网、国防分发系统、空中C4I、白宫通信局、国防支持计划局以及美国情报机构提供帮助。2

（5）应用于澳大利亚的主要军事通信计划

目前，澳大利亚国防军在各种环境下的信息交换需求一直在持续增长，但增强型宽带通信带宽仍然是满足澳大利亚这一增长需求的关键。为此，美澳两国于2007年11月签署谅解备忘录，美国允许澳大利亚国防部队在全球范围使用宽带全球卫星通信系统服务，作为交换，澳大利亚将为宽带全球卫星通信系统星座的第六颗卫星提供资金。据美国空军洛杉矶基地2009年11月5日报道，前2颗宽带全球卫星通信系统已经为澳大利亚的部队提供了重要的通信能力。2