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Ka频段军事卫星通信应用  

2015-09-14 17:50:27|  分类: 宇航工程 |  标签: |举报 |字号 订阅

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Ka频段军事卫星通信应用 - kktt - 长缨在手  敢缚苍龙
 
朱贵伟(北京空间科技信息研究所)

自20世纪70年代军用Ka频段卫星通信频率划分以来,其大带宽、高吞吐量的优势就一直吸引着军方。20世纪90年代中期,美国率先在其“全球广播系统”(GBS)中采用Ka频段,并搭载在“特高频后继星”(UFO)上,于1998年开始服役。然而,GBS系统仅使用了一小部分Ka频段频率资源,而Ka频段在军事通信卫星上的广泛应用则是在21世纪以后,典型的卫星系统共包括美国的“宽带全球卫星通信”卫星(WGS)、欧洲的“雅典娜-费多思”卫星(Athena-Fidus)和阿联酋的“阿联酋卫星”(Yahsat),等等。本文以军事通信卫星系统为对象,分析Ka频段的应用情况。

一、概述

Ka频段是指K频段以上的部分,即K-above,是指26.5~40GHz的微波频段。根据国际电联(ITU)的划分,供军事卫星和民用卫星使用的频谱资源分别为1GHz和2.5GHz,具体见表1。

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*指代一区的频率分配。
表1 ITU对Ka频段频谱资源的分配

战场广播、高清图像和视频传输、无人机等空基情侦监平台等新应用的出现,对传统X频段提出了更高的要求,同时也为Ka频段的应用带来了契机。然而,新频段的应用总是伴随着机遇与挑战,而Ka频段的优势和劣势也相对较为明显,具体如下所述。

优势一:可用频谱更宽,支持跟高吞吐量。Ku频段的频谱资源大约为上行链路2GHz、下行链路1.3GHz,实际单颗卫星可用的连续频谱不足0.5GHz。反观Ka频段,上行链路和下行链路各有3.5GHz资源可用。在相同的带宽效率前提下,显然Ka频段可以支持更高的传输速率,在支持动态视频方面更加具有优势。

优势二:成本效益更高。Ka频段卫星大多采用点波束(商业卫星3dB波束宽度一般为0.5°~1.5°,军事卫星波束宽度相对较大),因而可以采用频率复用技术。空间复用使得可用频率资源更多,使得整星吞吐量提升1~2个数量级,从而使单位带宽的成本降低。

优势三:支持更小口径终端。由基本物理学原理可知,频率越高、波长越短,因而可以使用更小口径、更轻质量的终端,进而支持肩负式、移动平台应用。另一方面,窄波束的EIRP和G/T相对更高,也能够支持小口经终端高速传输。例如,与Ku频段相比,使用窄点波束的Ka频段的整体链路质量可提升6~10dB。

优势四:更好的抗干扰性能。由于频谱范围更宽,Ka频段通过跳频或直接序列扩频等技术可实现更强的抗干扰特性。例如,Ku频段转发器带宽为54MHz,而Ka频段则可以达到125MHz,因此,采用相同扩频技术条件下,干扰余量可至少提升3dB。

劣势一:必须满足ITU对于邻星干扰的限制。随着在轨通信卫星数量的增多以及Ka频段日益广泛的应用,邻星干扰的问题日益突出。对小口径终端来说,控制天线旁瓣功率,使其不会对GEO邻近卫星产生干扰的难度较大,因而只能限制总功率,从影响地对空最高传输速率。而且,当地面终端、特别是陆地终端处于移动过程中,受冲击和振动影响,对机械天线的指向精度要求就会更高。

劣势二:雨衰更严重。微波传输的一大障碍就是大气,雨、雾、云、冰、雪、冰雹等气象条件都会使微波信号产生损耗。而Ka频段面临的雨衰问题要比C、Ku等成熟频段严重得多,特别是热带降雨频繁的地区。例如,根据实测数据,在保证99%链路可用性的条件下,新加坡地区下行链路雨衰损耗Ku频段为2.6dB,而Ka频段高达12dB。传统上采用提高链路余量来保证可用性,近年来自适应编码调制、主站空间分集、上行链路功率自动控制等技术逐渐得到广泛的研究和关注。

二、军事通信卫星应用现状

截至2015年4月底,国外在轨GEO通信卫星共计390颗,其中军事通信卫星81颗,占比20%以上。一般来说,军事通信卫星使用的频段主要有UHF频段、X频段、Ka频段和EHF频段。其中UHF和X频段的使用最早、也最为广泛,分别满足战术移动通信和战略宽带通信的需求。20世纪90年代开始,EHF频段和Ka频段开始得到应用,前者主要解决高保密安全通信,后者则是面向宽带应用。

由于现役军事通信卫星上均搭载多种频段载荷,如果仅从频段的角度来看,应用UHF频段的卫星占比约50%,应用X频段的卫星占比约50%,应用EHF频段的卫星占比约25%,应用Ka频段的卫星占比约为40%。虽然Ka频段应用比例较高,但是其中存在不同的用途,例如可用于EHF频段的下行链路、可用作馈电链路等等,前者的典型卫星包括“军事星”(Milstar)和“先进极高频”卫星(AEHF),后者的典型则包括“移动用户目标系统”卫星(MUOS)。本文以上行下行链路均为Ka频段为主要对象进行研究,因此,以Ka频段为主用频段的卫星目前相对较少,不足20颗,具体如表2所示。

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表2 Ka频段在轨通信卫星

由表2可以看出,Ka频段在美国应用最为成熟,自20世纪90年代至今,共计8颗卫星在轨运行,而且Ka频段已成为主用频段。此外,欧洲、俄罗斯、以色列、韩国、阿联酋、澳大利亚等国,也开始使用Ka频段,但使用量相对较少,属于在多频段卫星上搭载少量转发器,例如澳大利亚的Optus-C1卫星搭载了4路Ka频段转发器、阿联酋的Yahsat-1A卫星搭载了1路Ka频段转发器。

三、典型系统与应用

从通信安全的角度来看,军事通信卫星系统一般可以分为三个层次:第一层是核心层,即具备抗干扰与抗核加固能力,承担重要的战略通信任务,一般采用EHF和X频段;第二层是军事专用层,不具备较强的抗干扰能力,但专为军事需求设计,一般采用UHF、X和军用Ka频段;第三层是民用专用层,主要针对民商用途设计,一般采用L、C、Ku和民用Ka频段。而目前大部分Ka频段应用也主要是在第二层,军事专用层。

从应用角度来看,Ka频段既可以用于战场与后方基地之间的固定连接,也可以支持战场小口径移动终端的互联。典型应用包括大范围的战场态势广播、宽带战场通信、无人机数据回传等等领域,下面结合不同的卫星系统分别进行介绍。

 1.美军GBS战场广播系统

自海湾战争以来,美军发现大量诸如战场地图等数字信息难以有效传递到前线战场,甚至较低层级的战术部队,当时的卫星通信带宽不足以支持战场信息化需求。因此,美军自1991年开始研究向战区内提供宽带单向军事信息广播业务,包括情报、图像、地图和视频等数据,主要面向低成本的小型用户终端。在经过商业搭载试用以后,美军在UFO-8、9和10三颗卫星上搭载了GBS载荷,开始在全球范围内提供战场信息广播业务。

GBS系统包括3大部分:①广播管理段,提供系统与数据提供者之间的接口,建立并管理广播信息流,使信息传送到所需的注入点;②空间段,提供卫星传输和覆盖能力;③终端段,接收卫星传送的广播信息,提供用户接口。图1。

目前美军有3个固定的卫星广播管理/主注入站,分别位于弗吉尼亚州诺福克海军基地、意大利的西西里岛和夏威夷的瓦西阿瓦。此外,还有5个战区注入站(陆军3个、空军2个),机动部署到战区,快速传送战区专用信息。目前已经部署了超过1000套接收设备,包括地面接收设备、潜艇接收设备和舰载接收设备等。

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图1 美军GBS系统体系架构

UFO卫星上搭载的GBS载荷共有4路转发器,配合2个接收波束和3个发射波束使用。接收波束中,1个为固定波束,指向固定的主注入站;1个为可控波束,指向战区机动注入站。发射波束中,2个为窄波束,地面覆盖直径500海里,提供24Mbit/s下传速率;1个为宽波束,地面覆盖直径3700km,提供1.5Mbit/s下传速率。目前,随着WGS系统的部署,GBS服务逐步过渡到WGS卫星上,而WGS卫星对此进行了升级,单路转发器可以支持高达45Mbit/s的下行单向广播传输速率。

2.美军WGS系统支持无人机数据回传

21世纪以来的局部战争表明,无人机在区域监视侦察方面的作用日益突出,而高清图像和视频的传输也越来越需要大容量卫星通信手段的支持。在WGS卫星开始部署之前,美军主要依靠商业Ku频段和部分租用的X频段卫星容量来为无人机提供数据回传服务。

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图2 美军WGS卫星支持空基情侦监数据回传

WGS卫星是美军新一代宽带军事通信卫星,采用X和Ka频段进行通信。卫星采用先进的数字信道化技术和相控阵天线技术,可形成9个X频段和10个Ka频段波束。WGS卫星可利用的频谱为X频段500MHz、Ka频段1GHz,根据频率规划分为数个125MHz信道。由于带宽较大、波束较窄(1.5°)且可以移动,因而在支持无人机数据回传方面具有独特的优势。

WGS-1~3卫星可利用125MHz带宽支持137Mbps的无人机传输速率,但是随着机载传感器性能的提升,这一速率已经逐渐难以满足需求。而WGS-1卫星在轨测试期间表明,在125MHz信道上使用16APSK调制可以实现440Mbit/s的传输速率,也为WGS支持无人机数据回传的能力提升提供了机遇。

在WGS-4~6卫星上,增加了射频旁路能力,专门满足无人机传输需求,并且对天线配置进行了改进。利用现有的Ka频段可控碟形天线最多可支持6个独立接入,另有1个Ka频段可控碟形天线专门用于星地链路。由于WGS在ITU的申请中已经包含了Ka频段反向极化的资源,因此可以充分利用Ka频段的反向极化资源支持无人机数据传输,同时避免干扰,减轻对其他战术用户的影响。升级之后,单链路支持无人机数据回传的最低速率为274Mbit/s,如果采用高阶调制,传输速率还会更高。

  3.法国和意大利Athena-FIDUS支持战场通信

在发展新一代军事通信卫星方面,法国与意大利选择了国际合作的方式,并且开始向Ka频段迈进。Athena-FIDUS,全称为“欧洲联军战场接入——法意军民两用卫星”,是面向网络中心战场而发展的军事通信卫星,支持陆海空各类作战平台和应用。

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图3 Athena- FIDUS 军事通信网络

Athena- FIDUS卫星将民用技术应用于Ka和EHF频段,从而降低带宽成本,虽然不具备较强的抗干扰能力,但整星吞吐量达到3Gbit/s,接近美军WGS卫星的性能水平。卫星采用Spacebus-4000B2平台研制,发射质量3.4吨,功率4.9kW,设计寿命15年。星上有效载荷分为法国和意大利两部分,其中:法国载荷为11路Ka频段转发器,1个固定波束覆盖法国,另有6个可移动波束;意大利载荷包括11路Ka/EHF转发器,1个固定波束覆盖意大利,另有2个可移动波束。作为一颗军民两用卫星,Athena-Fidus在意大利方面的应用主要包括五大类:①意大利国土及周边地区的宽带接入,星状网;②意大利国土及周边地区的宽带接入,网状网,通过星上处理载荷实现单跳通信;③境外战场宽带接入,高速率广播、战场部队双向通信等等;④意大利国土与境外战场间无人机数据回传;⑤从意大利国土向境外战场广播遥感图像或数据。

在意大利有效载荷中,固定波束对应6路转发器,包括2路透明转发器(Ka/Ka和EHF/Ka,满足星状网组网需求)和4路处理型转发器(Ka/Ka和EHF/Ka,满足网状网组网需求)。两个可移动波束均为Ka/Ka频段,半功率波束宽度为1.5°,地面覆盖区域直径约950km,实现境外战场与本土的互联,单链路速率要求为2Mbit/s,单波束支持700部终端。

四、结束语

在网络中心站需求的推动下,战场信息化的程度越来越高,从而对卫星通信的需求也日益增长。在此背景下,Ka频段在军事领域的大规模应用的趋势日趋明显。不仅现役Ka频段军事卫星系统的应用逐步深入和改进,未来也将会有更多的军事系统采用Ka频段,这一点在ITU自2005年以来Ka频段卫星网络申请数量剧增上可以得到佐证。

另一方面,随着军事通信环境的日益复杂,通信对抗的可能更加突出,从而对现役无抗干扰能力或抗干扰能力较低的卫星系统提出了更高的要求。近年来,美军一直在积极论证防护战术波形,可以在较宽的频谱资源上进行扩调频,从而在不对卫星进行改动的情况下,实现整个系统的抗干扰能力,这也将从侧面推动Ka频段在军事卫星通信领域的广泛应用。

《卫星应用》2015.7
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