● 文|北京空間科技信息研究所 朱貴偉

技術(shù)進(jìn)展 Technology Progress

Ka頻段軍事衛(wèi)星通信應(yīng)用

● 文|北京空間科技信息研究所 朱貴偉

自20世紀(jì)70年代軍用Ka頻段衛(wèi)星通信頻率劃分以來(lái)，其大帶寬、高吞吐量的優(yōu)勢(shì)就一直吸引著軍方。20世紀(jì)90年代中期，美國(guó)率先在其“全球廣播系統(tǒng)”（GBS）中采用Ka頻段，并搭載在“特高頻后繼星”（UFO）上，于1998年開始服役。然而，GBS系統(tǒng)僅使用了一小部分Ka頻段頻率資源，而Ka頻段在軍事通信衛(wèi)星上的廣泛應(yīng)用則是在21世紀(jì)以后，典型的衛(wèi)星系統(tǒng)共包括美國(guó)的“寬帶全球衛(wèi)星通信”衛(wèi)星（WGS）、歐洲的“雅典娜-費(fèi)多思”衛(wèi)星（Athena-Fidus）和阿聯(lián)酋的“阿聯(lián)酋衛(wèi)星”（Yahsat），等等。本文以軍事通信衛(wèi)星系統(tǒng)為對(duì)象，分析Ka頻段的應(yīng)用情況。

一、概述

Ka頻段是指K頻段以上的部分，即K-above，是指26.5～40GHz的微波頻段。根據(jù)國(guó)際電聯(lián)（ITU）的劃分，供軍事衛(wèi)星和民用衛(wèi)星使用的頻譜資源分別為1GHz和2.5GHz，具體見表1。

表1 ITU對(duì)Ka頻段頻譜資源的分配

戰(zhàn)場(chǎng)廣播、高清圖像和視頻傳輸、無(wú)人機(jī)等空基情偵監(jiān)平臺(tái)等新應(yīng)用的出現(xiàn)，對(duì)傳統(tǒng)X頻段提出了更高的要求，同時(shí)也為Ka頻段的應(yīng)用帶來(lái)了契機(jī)。然而，新頻段的應(yīng)用總是伴隨著機(jī)遇與挑戰(zhàn)，而Ka頻段的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)也相對(duì)較為明顯，具體如下所述。

優(yōu)勢(shì)一：可用頻譜更寬，支持更高吞吐量。Ku頻段的頻譜資源大約為上行鏈路2GHz、下行鏈路1.3GHz，實(shí)際單顆衛(wèi)星可用的連續(xù)頻譜不足0.5GHz。反觀Ka頻段，上行鏈路和下行鏈路各有3.5GHz資源可用。在相同的帶寬效率前提下，顯然Ka頻段可以支持更高的傳輸速率，在支持動(dòng)態(tài)視頻方面更加具有優(yōu)勢(shì)。

優(yōu)勢(shì)二：成本效益更高。Ka頻段衛(wèi)星大多采用點(diǎn)波束（商業(yè)衛(wèi)星3dB波束寬度一般為0.5°～1.5°，軍事衛(wèi)星波束寬度相對(duì)較大），因而可以采用頻率復(fù)用技術(shù)?？臻g復(fù)用使得可用頻率資源更多，使得整星吞吐量提升1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，從而使單位帶寬的成本降低。

優(yōu)勢(shì)三：支持更小口徑終端。由基本物理學(xué)原理可知，頻率越高、波長(zhǎng)越短，因而可以使用更小口徑、更輕質(zhì)量的終端，進(jìn)而支持肩負(fù)式、移動(dòng)平臺(tái)應(yīng)用。另一方面，窄波束的EIRP和G/T相對(duì)更高，也能夠支持小口徑終端高速傳輸。例如，與Ku頻段相比，使用窄點(diǎn)波束的Ka頻段的整體鏈路質(zhì)量可提升6～10dB。

優(yōu)勢(shì)四：更好的抗干擾性能。由于頻譜范圍更寬，Ka頻段通過(guò)跳頻或直接序列擴(kuò)頻等技術(shù)可實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)的抗干擾特性。例如，Ku頻段轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬為54MHz，而Ka頻段則可以達(dá)到125MHz，因此，在采用相同擴(kuò)頻技術(shù)條件下，干擾余量可至少提升3dB。

劣勢(shì)一：必須滿足ITU對(duì)于鄰星干擾的限制。隨著在軌通信衛(wèi)星數(shù)量的增多以及Ka頻段日益廣泛的應(yīng)用，鄰星干擾的問(wèn)題日益突出。對(duì)小口徑終端來(lái)說(shuō)，控制天線旁瓣功率，使其不會(huì)對(duì)GEO鄰近衛(wèi)星產(chǎn)生干擾的難度較大，因而只能限制總功率，從而影響地對(duì)空最高傳輸速率。而且，當(dāng)?shù)孛娼K端、特別是陸地終端處于移動(dòng)過(guò)程中，受沖擊和振動(dòng)影響，對(duì)機(jī)械天線的指向精度要求就會(huì)更高。

劣勢(shì)二：雨衰更嚴(yán)重。微波傳輸?shù)囊淮笳系K就是大氣，雨、霧、云、冰、雪、冰雹等氣象條件都會(huì)使微波信號(hào)產(chǎn)生損耗。而Ka頻段面臨的雨衰問(wèn)題要比C、Ku等成熟頻段嚴(yán)重得多，特別是熱帶降雨頻繁的地區(qū)。例如，根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，在保證99%鏈路可用性的條件下，新加坡地區(qū)下行鏈路雨衰損耗Ku頻段為2.6dB，而Ka頻段高達(dá)12dB。傳統(tǒng)上采用提高鏈路余量來(lái)保證可用性，近年來(lái)自適應(yīng)編碼調(diào)制、主站空間分集、上行鏈路功率自動(dòng)控制等技術(shù)逐漸得到廣泛的研究和關(guān)注。

二、軍事通信衛(wèi)星應(yīng)用現(xiàn)狀

截至2015年4月底，國(guó)外在軌GEO通信衛(wèi)星共計(jì)390顆，其中軍事通信衛(wèi)星81顆，占比20%以上。一般來(lái)說(shuō)，軍事通信衛(wèi)星使用的頻段主要有UHF頻段、X頻段、Ka頻段和EHF頻段。其中UHF和X頻段的使用最早、也最為廣泛，分別滿足戰(zhàn)術(shù)移動(dòng)通信和戰(zhàn)略寬帶通信的需求。20世紀(jì)90年代開始，EHF頻段和Ka頻段開始得到應(yīng)用，前者主要解決高保密安全通信，后者則是面向?qū)拵?yīng)用。

由于現(xiàn)役軍事通信衛(wèi)星上均搭載多種頻段載荷，如果僅從頻段的角度來(lái)看，應(yīng)用UHF頻段的衛(wèi)星占比約50%，應(yīng)用X頻段的衛(wèi)星占比約50%，應(yīng)用EHF頻段的衛(wèi)星占比約25%，應(yīng)用Ka頻段的衛(wèi)星占比約為40%。雖然Ka頻段應(yīng)用比例較高，但是其中存在不同的用途，例如可用于EHF頻段的下行鏈路、可用作饋電鏈路等等，前者的典型衛(wèi)星包括“軍事星”（Milstar）和“先進(jìn)極高頻”衛(wèi)星（AEHF），后者的典型則包括“移動(dòng)用戶目標(biāo)系統(tǒng)”衛(wèi)星（MUOS）。本文以上行下行鏈路均為Ka頻段為主要對(duì)象進(jìn)行研究，因此，以Ka頻段為主用頻段的衛(wèi)星目前相對(duì)較少，不足20顆，具體如表2所示。

表2 Ka頻段在軌通信衛(wèi)星

由表2可以看出，Ka頻段在美國(guó)應(yīng)用最為成熟，自20世紀(jì)90年代至今，共計(jì)8顆衛(wèi)星在軌運(yùn)行，而且Ka頻段已成為主用頻段。此外，歐洲、俄羅斯、以色列、韓國(guó)、阿聯(lián)酋、澳大利亞等國(guó)，也開始使用Ka頻段，但使用量相對(duì)較少，屬于在多頻段衛(wèi)星上搭載少量轉(zhuǎn)發(fā)器，例如澳大利亞的Optus-C1衛(wèi)星搭載了4路Ka頻段轉(zhuǎn)發(fā)器、阿聯(lián)酋的Yahsat-1A衛(wèi)星搭載了1路Ka頻段轉(zhuǎn)發(fā)器。

三、典型系統(tǒng)與應(yīng)用

從通信安全的角度來(lái)看，軍事通信衛(wèi)星系統(tǒng)一般可以分為三個(gè)層次：第一層是核心層，即具備抗干擾與抗核加固能力，承擔(dān)重要的戰(zhàn)略通信任務(wù)，一般采用EHF和X頻段；第二層是軍事專用層，不具備較強(qiáng)的抗干擾能力，但專為軍事需求設(shè)計(jì)，一般采用UHF、X和軍用Ka頻段；第三層是民用專用層，主要針對(duì)民商用途設(shè)計(jì)，一般采用L、C、Ku和民用Ka頻段。而目前大部分Ka頻段應(yīng)用也主要是在第二層，軍事專用層。

從應(yīng)用角度來(lái)看，Ka頻段既可以用于戰(zhàn)場(chǎng)與后方基地之間的固定連接，也可以支持戰(zhàn)場(chǎng)小口徑移動(dòng)終端的互聯(lián)。典型應(yīng)用包括大范圍的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)廣播、寬帶戰(zhàn)場(chǎng)通信、無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)回傳等等領(lǐng)域，下面結(jié)合不同的衛(wèi)星系統(tǒng)分別進(jìn)行介紹。

1．美軍GBS戰(zhàn)場(chǎng)廣播系統(tǒng)

自海灣戰(zhàn)爭(zhēng)以來(lái)，美軍發(fā)現(xiàn)大量諸如戰(zhàn)場(chǎng)地圖等數(shù)字信息難以有效傳遞到前線戰(zhàn)場(chǎng)，甚至較低層級(jí)的戰(zhàn)術(shù)部隊(duì)，當(dāng)時(shí)的衛(wèi)星通信帶寬不足以支持戰(zhàn)場(chǎng)信息化需求。因此，美軍自1991年開始研究向戰(zhàn)區(qū)內(nèi)提供寬帶單向軍事信息廣播業(yè)務(wù)，包括情報(bào)、圖像、地圖和視頻等數(shù)據(jù)，主要面向低成本的小型用戶終端。在經(jīng)過(guò)商業(yè)搭載試用以后，美軍在UFO-8、9和10三顆衛(wèi)星上搭載了GBS載荷，開始在全球范圍內(nèi)提供戰(zhàn)場(chǎng)信息廣播業(yè)務(wù)。

GBS系統(tǒng)包括3大部分：①?gòu)V播管理段，提供系統(tǒng)與數(shù)據(jù)提供者之間的接口，建立并管理廣播信息流，使信息傳送到所需的注入點(diǎn)；②空間段，提供衛(wèi)星傳輸和覆蓋能力；③終端段，接收衛(wèi)星傳送的廣播信息，提供用戶接口，見圖1。

目前美軍有3個(gè)固定的衛(wèi)星廣播管理/主注入站，分別位于弗吉尼亞州諾?？撕＼娀?、意大利的西西里島和夏威夷的瓦西阿瓦。此外，還有5個(gè)戰(zhàn)區(qū)注入站（陸軍3個(gè)、空軍2個(gè)），機(jī)動(dòng)部署到戰(zhàn)區(qū)，快速傳送戰(zhàn)區(qū)專用信息。目前已經(jīng)部署了超過(guò)1000套接收設(shè)備，包括地面接收設(shè)備、潛艇接收設(shè)備和艦載接收設(shè)備等。

圖1 美軍GBS系統(tǒng)體系架構(gòu)

UFO衛(wèi)星上搭載的GBS載荷共有4路轉(zhuǎn)發(fā)器，配合2個(gè)接收波束和3個(gè)發(fā)射波束使用。接收波束中，1個(gè)為固定波束，指向固定的主注入站；1個(gè)為可控波束，指向戰(zhàn)區(qū)機(jī)動(dòng)注入站。發(fā)射波束中，2個(gè)為窄波束，地面覆蓋直徑92.6km(500 n mile)，提供24Mbit/s下傳速率；1個(gè)為寬波束，地面覆蓋直徑3700km，提供1.5Mbit/s下傳速率。目前，隨著WGS系統(tǒng)的部署，GBS服務(wù)逐步過(guò)渡到WGS衛(wèi)星上，而WGS衛(wèi)星對(duì)此進(jìn)行了升級(jí)，單路轉(zhuǎn)發(fā)器可以支持高達(dá)45Mbit/s的下行單向廣播傳輸速率。

2.美軍WGS系統(tǒng)支持無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)回傳

21世紀(jì)以來(lái)的局部戰(zhàn)爭(zhēng)表明，無(wú)人機(jī)在區(qū)域監(jiān)視偵察方面的作用日益突出，而高清圖像和視頻的傳輸也越來(lái)越需要大容量衛(wèi)星通信手段的支持。在WGS衛(wèi)星開始部署之前，美軍主要依靠商業(yè)Ku頻段和部分租用的X頻段衛(wèi)星容量來(lái)為無(wú)人機(jī)提供數(shù)據(jù)回傳服務(wù)，見圖2。

圖2 美軍WGS衛(wèi)星支持空基情偵監(jiān)數(shù)據(jù)回傳

WGS衛(wèi)星是美軍新一代寬帶軍事通信衛(wèi)星，采用X和Ka頻段進(jìn)行通信。衛(wèi)星采用先進(jìn)的數(shù)字信道化技術(shù)和相控陣天線技術(shù)，可形成9個(gè)X頻段和10個(gè)Ka頻段波束。WGS衛(wèi)星可利用的頻譜為X頻段500MHz、Ka頻段1GHz，根據(jù)頻率規(guī)劃分為數(shù)個(gè)125MHz信道。由于帶寬較大、波束較窄（1.5°）且可以移動(dòng)，因而在支持無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)回傳方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

WGS-1～3衛(wèi)星可利 用125MHz帶寬 支 持137Mbit/s的無(wú)人機(jī)傳輸速率，但是隨著機(jī)載傳感器性能的提升，這一速率已經(jīng)逐漸難以滿足需求。而WGS-1衛(wèi)星在軌測(cè)試期間表明，在125MHz信道上使用16APSK調(diào)制可以實(shí)現(xiàn)440Mbit/s的傳輸速率，也為WGS支持無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)回傳的能力提升提供了機(jī)遇。

在WGS-4～6衛(wèi)星上，增加了射頻旁路能力，專門滿足無(wú)人機(jī)傳輸需求，并且對(duì)天線配置進(jìn)行了改進(jìn)。利用現(xiàn)有的Ka頻段可控碟形天線最多可支持6個(gè)獨(dú)立接入，另有1個(gè)Ka頻段可控碟形天線專門用于星地鏈路。由于WGS在ITU的申請(qǐng)中已經(jīng)包含了Ka頻段反向極化的資源，因此可以充分利用Ka頻段的反向極化資源支持無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)避免干擾，減輕對(duì)其他戰(zhàn)術(shù)用戶的影響。升級(jí)之后，單鏈路支持無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)回傳的最低速率為274Mbit/s，如果采用高階調(diào)制，傳輸速率還會(huì)更高。

3．法國(guó)和意大利Athena-FIDUS支持戰(zhàn)場(chǎng)通信

在發(fā)展新一代軍事通信衛(wèi)星方面，法國(guó)與意大利選擇了國(guó)際合作的方式，并且開始向Ka頻段邁進(jìn)。Athena-FIDUS，全稱為“歐洲聯(lián)軍戰(zhàn)場(chǎng)接入——法意軍民兩用衛(wèi)星”，是面向網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)場(chǎng)而發(fā)展的軍事通信衛(wèi)星，支持陸?？崭黝愖鲬?zhàn)平臺(tái)和應(yīng)用，見圖3。

圖3 Athena- FIDUS 軍事通信網(wǎng)絡(luò)

Athena- FIDUS 衛(wèi)星將民用技術(shù)應(yīng)用于Ka和EHF頻段，從而降低帶寬成本，雖然不具備較強(qiáng)的抗干擾能力，但整星吞吐量達(dá)到3Gbit/s，接近美軍WGS衛(wèi)星的性能水平。衛(wèi)星采用Spacebus-4000B2平臺(tái)研制，發(fā)射質(zhì)量3.4t，功率4.9kW，設(shè)計(jì)壽命15年。星上有效載荷分為法國(guó)和意大利兩部分，其中：法國(guó)載荷為11路Ka頻段轉(zhuǎn)發(fā)器，1個(gè)固定波束覆蓋法國(guó)，另有6個(gè)可移動(dòng)波束；意大利載荷包括11路Ka/EHF轉(zhuǎn)發(fā)器，1個(gè)固定波束覆蓋意大利，另有2個(gè)可移動(dòng)波束。作為一顆軍民兩用衛(wèi)星，Athena-Fidus在意大利方面的應(yīng)用主要包括五大類：①意大利國(guó)土及周邊地區(qū)的寬帶接入，星狀網(wǎng)；②意大利國(guó)土及周邊地區(qū)的寬帶接入，網(wǎng)狀網(wǎng)，通過(guò)星上處理載荷實(shí)現(xiàn)單跳通信；③境外戰(zhàn)場(chǎng)寬帶接入，高速率廣播、戰(zhàn)場(chǎng)部隊(duì)雙向通信,等等；④意大利國(guó)土與境外戰(zhàn)場(chǎng)間無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)回傳；⑤從意大利國(guó)土向境外戰(zhàn)場(chǎng)廣播遙感圖像或數(shù)據(jù)。

在意大利有效載荷中，固定波束對(duì)應(yīng)6路轉(zhuǎn)發(fā)器，包括2路透明轉(zhuǎn)發(fā)器（Ka/Ka和EHF/Ka，滿足星狀網(wǎng)組網(wǎng)需求）和4路處理型轉(zhuǎn)發(fā)器（Ka/Ka和EHF/Ka，滿足網(wǎng)狀網(wǎng)組網(wǎng)需求）。兩個(gè)可移動(dòng)波束均為Ka/Ka頻段，半功率波束寬度為1.5°，地面覆蓋區(qū)域直徑約950km，實(shí)現(xiàn)境外戰(zhàn)場(chǎng)與本土的互聯(lián)，單鏈路速率要求為2Mbit/s，單波束支持700部終端。

四、結(jié)束語(yǔ)

在網(wǎng)絡(luò)中心站需求的推動(dòng)下，戰(zhàn)場(chǎng)信息化的程度越來(lái)越高，從而對(duì)衛(wèi)星通信的需求也日益增長(zhǎng)。在此背景下，Ka頻段在軍事領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用的趨勢(shì)日趨明顯。不僅現(xiàn)役Ka頻段軍事衛(wèi)星系統(tǒng)的應(yīng)用逐步深入和改進(jìn)，未來(lái)也將會(huì)有更多的軍事系統(tǒng)采用Ka頻段，這一點(diǎn)在ITU自2005年以來(lái)Ka頻段衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)申請(qǐng)數(shù)量劇增上可以得到佐證。

另一方面，隨著軍事通信環(huán)境的日益復(fù)雜，通信對(duì)抗的可能更加突出，從而對(duì)現(xiàn)役無(wú)抗干擾能力或抗干擾能力較低的衛(wèi)星系統(tǒng)提出了更高的要求。近年來(lái)，美軍一直在積極論證防護(hù)戰(zhàn)術(shù)波形，可以在較寬的頻譜資源上進(jìn)行擴(kuò)調(diào)頻，從而在不對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行改動(dòng)的情況下，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的抗干擾能力，這也將從側(cè)面推動(dòng)Ka頻段在軍事衛(wèi)星通信領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

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