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                    專題
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                    《兵器知識》

                    開博時間:2016-07-01 14:43:00

                    以普及兵器科技知識,提高中國全民國防觀念,為實現國防現代化,特別是武器現代化服務為辦刊宗旨,面向中國廣大青少年軍事愛好者,廣泛宣傳兵器科技知識,大力普及軍事高新技術,介紹世界軍事科研生產情況,展示各國武器裝備風貌,宣傳中國兵器工業發展道路和成就。

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                    美國軍用通信衛星更新換代

                    2013-08-12 21:41:00

                     

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                    2012年初,美國太空與導彈系統中心把“先進極高頻”(AEHF)軍用通信衛星指揮權轉交給空軍太空司令部第14空軍。首顆“先進極高頻”是2010814日用“宇宙神”-5火箭發射的,標志著美國軍用通信衛星邁出更新換代第二步,用于取代現役的“軍事星”(Milstar)衛星系統。但該衛星上天后肼推力器異常,不得不使用氙離子流體霍爾推進器執行了500多次點火來變軌,直到20111024日才進入預定的地球靜止軌道。

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                    現代戰爭生命線

                    軍用通信衛星專門用于軍事通信,為部隊建立全球戰略和戰術通信網,包括戰略和戰術通信衛星。戰略通信衛星為全球戰略指揮和控制提供通信和情報傳輸,通信終端通常是一些大型的固定地面站。戰術通信衛星提供地區性戰術通信,主要為軍用飛機、艦船、車輛,乃至小分隊或單兵等作戰個體提供通信服務,通信終端通常是一些小型的機動地面站甚至是便攜式通信收發機。目前,戰略通信與戰術通信正朝相結合的方向發展。

                    從原理上講,軍用通信衛星與民用通信衛星是一樣的,都是作為無線電中繼站轉發無線電信號,實現地球用戶終端之間或與航天器的通信,傳輸電話、電報、電視、傳真和數據的信息。但由于軍用通信聯絡要求迅速、準確、保密和連續,軍用通信衛星常采用不同的通信體制以及擴頻、跳頻和自適應天線調零等技術,改變天線波束寬窄和指向,實行星上信號交換和處理以及星間鏈路,調整發射功率和接收靈敏度,強化遙控指令系統等一系列措施。所以,軍用通信衛星比民用通信衛星可靠性高、生存能力強、抗干擾性好、機動靈活性大,并可減少對地面站的依賴。它不僅能使廣泛散布的武器平臺與作戰部隊有效集成,還可讓“觀測、判斷、決策、行動”環路所需的平均時間達到最短。

                    按頻率分,軍用通信衛星可分為特高頻(UHF,3003000 兆赫茲)、超高頻(SHF,3~30 吉赫茲)和極高頻(EHF,30300吉赫茲3類。特高頻衛星成本低,但易受干擾,超高頻衛星比特高頻衛星抗干擾能力強。極高頻衛星波束窄,容量大,抗干擾和抗截收能力最強,可提供的頻帶也寬,易于實現星上處理,最為先進,能為部隊提供保密、抗干擾通信,減少受核爆炸影響出現的信號閃爍和衰落, 大大縮小和減輕系統使用的部件尺寸和重量,具有支持全面戰爭的能力,是今后的發展方向。它也能大大減輕現有頻譜擁擠現象,利用較小的天線陣進行定向發射,降低敵方截收概率;星上天線具有調零功能,大大提高衛星發射信號的抗干擾能力;具有星上信號處理能力,降低了地面設備的復雜性;具有星上自主控制能力,在沒有地面設施支援的情況下能持久運行。

                    現在,軍用通信衛星已被譽為現代戰爭的生命線,戰場上70%以上的通信是靠軍用通信衛星來完成的。它使信息迅速、安全、靈活的傳輸,實現全球無縫覆蓋,從而奪得和確保制信息權,從根本上改變了現代軍事作戰的方式。至今,美國、俄羅斯、英國、意大利、德國等均擁有軍用通信衛星,其中以美國的軍用通信衛星陣容最為整齊、技術最為先進。理論和實戰均已證明,戰術通信衛星加上各種小型、輕量、便攜式移動通信終端,將成為未來軍用通信的重要組成部分。

                     

                    三類超級通信兵

                    美國軍用通信衛星可分為寬帶、受保護和窄帶3 類。寬帶系統強調大容量;受保護系統著重抗干擾、保密及核生存能力;窄帶系統則重點支持需要語音或低數據速率通信的用戶,以及移動用戶和小型終端的用戶。

                    在寬帶系統方面,美國先后發射了3代“國防衛星通信系統”(DSCS)衛星,以及裝載在“特高頻后繼星”(UFO)上的“全球廣播業務”(GBS)系統。這些衛星數據傳輸速率較高,主要用戶是固定和移動的陸基終端,還有一些大型軍艦和飛機上的終端等。其中第3代“國防衛星通信系統”裝有6臺超高頻轉發器,總帶寬500兆赫,是世界上首顆采用電子切換超高頻多波束天線的衛星,有較強的抗干擾生存能力,用于為美國指揮機關和作戰部隊之間提供高質量的保密通信和高速數據傳輸。

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                    用“國防衛星通信系統”通話

                    “全球廣播業務”系統的工作方式與商用電視直播衛星類似,是一種高速單向的廣播通信系統,可直接向世界各地的戰區作戰人員提供大量信息,有“智能推”和“用戶取”兩種服務方式,前者把新聞、天氣等標準節目和戰區通報等定期播發,后者是部隊“點播”的特殊信息。這兩種工作方式的組合有巨大潛能,可極大提高聯合作戰部隊的戰斗力,增加信息傳遞速度。其寬頻帶及高速傳輸能力,可使大型作戰文件的傳輸由過去幾小時變為現在幾秒鐘,因而能協同美國海軍的巡航導彈在發射前的最后一分鐘進行最終目標修正;也可把來自衛星或無人機的各類數據傳送給遠航的艦艇,而以前的海軍“艦隊衛星通信”要達到這種能力還比較勉強。在海灣戰爭時,特別詳細的作戰命令必須用飛機送到航母上,而同樣詳細的作戰命令若用“全球廣播業務”可在1 分鐘內送達。

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                    “全球廣播業務”可為美軍傳遞大量信息

                    現在,美國正用“寬帶全球衛星通信”(WGS)衛星替換“國防衛星通信系統”衛星和“全球廣播業務”,并降低美國政府對商業衛星通信服務的依賴?!皩拵蛐l星通信”的信息傳輸能力是“國防衛星通信系統”的10倍,工作壽命10~15,目前已發射4顆,從2012年起還將發射3顆,為三軍提供通信支持。該衛星工作在X頻段和Ka頻段,能夠提供其它軍用通信衛星系統所不能提供的許多重要作戰特征,為美軍及其聯軍在目前世界上所有戰區提供高容量X頻段和Ka頻段通信,極大地提高美軍在KaX頻段的通信能力,增強美軍士兵執行海、陸、空任務的能力。例如,該衛星擁有18個可重新配置的覆蓋區,以及具備向不同覆蓋區進行廣播和多點廣播的傳送能力,并且能夠連接位于任意區域和所有區域的用戶,即使他們處于不同工作頻率。

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                    “寬帶全球衛星通信”有效載荷框圖

                    在受保護系統方面,美國先后發射了6顆“軍事星”衛星,是世界上首顆采用數字處理和調頻技術的衛星,抗摧毀和生存能力強。前2顆為第1代“軍事星”,采用了抗核加固、抗干擾和極高頻等技術,具備在核戰爭條件下的生存能力。后4顆為第二代“軍事星”,放棄了核加固能力,以降低制造費用和難度,但在第一代“軍事星”192條低速率信道的基礎上增加了321.5兆比特/秒的中速率信道,以適應當前戰術用戶的需求;還增加了自適應調零天線,具有很高的靈活性和抗干擾、防截獲、防偵收能力。美國從2010年起用“先進極高頻”替換“軍事星”,容量是“軍事星”的12倍,可同時用于戰略和戰術通信。

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                    偽裝后的“軍事星”保密、移動、抗干擾、高可靠通信終端

                    窄帶系統方面,美國先后發射了“艦隊衛星通信”衛星、“租賃衛星”和“特高頻后繼星”。目前在軌服役的“特高頻后繼星”先后發射了11顆,每顆可提供39個信道,并為艦隊廣播業務提供高保密鏈路。這些衛星雖然同屬一個系列,但仍在不斷改進。美國從2012216日開始發射“ 移動用戶目標系統”(MUOS),以替換“特高頻后繼星”,信息傳輸能力提高10倍,容量提高15倍,主要為海軍服務。

                     

                    “先進極高頻”衛星

                    新服役的美國“先進極高頻”軍用通信衛星也叫第3代“軍事星”,用于替換第2代“軍事星”。其信息傳輸能力是現役第2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據量,能夠支持戰術軍用通信。另外,每顆“先進極高頻”的成本約是“軍事星”的1/2,造價5.8億美元,壽命預計為15年。

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                    組裝完畢的首顆“先進極高頻”衛星

                    該衛星的主承包商是美國洛馬公司,總共研制5顆,能給戰區指揮官提供高安全,抗干擾,不易截獲、探測到的通信服務,可滿足實時圖像、戰場地圖和跟蹤數據等戰術軍事通信的需求,將成為美國國防部在軍用衛星通信(MILSAT?COM)體系結構中期階段使用的骨干。

                    “先進極高頻”采用A2100 衛星平臺,每顆星發射質量約6 600千克,入軌質量4 100千克,比采用波音-702平臺的“寬帶全球衛星通信”衛星還大10%以上。它采用了“軍事星”上已有的擴頻、跳頻、星間鏈路和星上處理等技術,所以能增強路由選擇,根據用戶優先級別來提供點對點通信以及網絡服務,通過星間通信實現全球服務,并有非常強的戰場生存能力,減小了對地面支持系統的依賴程度和地面破壞攻擊的可能性,即便在地面控制站被破壞后,整個系統仍能自主工作半年以上。新的星間鏈路將在數倍于“軍事星”數據速率的條件下運行?!跋冗M極高頻”還采用了相控陣天線、波束成形網絡、毫米波單元(AMU)和電推進系統等新技術。

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                    “先進極高頻”衛星裝有多副通信天線

                    為滿足戰爭的特殊需要,“先進極高頻”一共攜帶有14部天線。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限,以確保和以往的衛星系統的兼容。

                    此前的衛星是采用機械方式來改變波束反射面的,所以只能使波束在某一個時刻屬于某一個用戶。而“先進極高頻”是通過電子方式來改變射頻波束指向的,能很便捷使用戶之間的波束瞬間跳變,衛星的上行相控陣天線可直接接收來自地面終端的信號。這一工作頻率為44兆赫茲的相控陣天線采用一種先進的半導體材料——銦的磷化物,使天線的噪聲更低,信號更加清晰。各個“先進極高頻”衛星之間利用卡塞格倫星間鏈路天線實現通信,該天線饋源能在60吉赫茲的頻率上以5%的帶寬實現單脈沖跟蹤。其積分信道可以同時用于收發,差分信道只是用于接收的跟蹤信道。

                    由諾格公司研制的“波束成形網絡”(BFNs)可使“先進極高頻”衛星天線自動調零,以便對付潛在的干擾,而在波束覆蓋范圍內的合法用戶將能正常使用衛星。這種抗干擾功能不需要由地面控制和干涉。

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                    美國101空降師學習使用接收“先進極高頻”衛星信號的保密移動抗干擾可靠型戰術終端

                    星上有超過100 個射頻模塊和近10 000個地面射頻模塊中使用了新的毫米波單元自動封裝模式,能減小每個單元的尺寸和重量,使裝配實現自動化,并大大削減成本。

                    它采用氙離子流體霍爾推進器,所以可少攜帶很多推進燃料,從而承載較多的有效載荷。不過,用這種推進器變軌,定點時間比較長,正常情況下需要100天左右。

                    “先進極高頻”衛星是在第2代“軍事星”低數據率載荷(LDR)和中數據率載荷(MDR)的基礎上,增加了擴展數據率載荷(XDR),能提供高數據率傳輸服務,同時擴大其覆蓋區范圍。該星單星通信總容量從第2代“軍事星”的40兆比特/秒提高到430兆比特/秒,同步信道數量增加2 3倍。這樣的傳輸速率可允許戰術軍事通信系統傳輸準實時視頻、戰場地圖和目標數據。

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                    軍用單信道抗干擾可搬移式衛星終端

                    “先進極高頻”的極高頻通信速率超過1吉比特/秒,第一代和第二代的分別為75千比特/秒和100兆比特/秒。

                    “先進極高頻”用于戰術通信數據速率是8.192兆比特/秒(2 代“軍事星”為1.544 兆比特/),用于戰略通信的數據速率是19.2千比特/秒,可以服務6 000個終端和4 000個網絡(比第2 代“軍事星”多2 500 ),并同時提供50個下行鏈路信道。按照這個容量,新系統在點波束數量上將有近10倍增長,極大地提高了用戶接入能力?!跋冗M極高頻”的點波束更小,功率更高,提高了通信的可靠性和數據率,極大地降低了敵方偵聽和干擾的可能性。

                    “軍事星”的星間鏈路通信速率為10兆比特/秒,而“先進極高頻”中可以達到60兆比特/秒。與第2代“軍事星”相比,“先進極高頻”的星間鏈路增強了路由功能和抗干擾能力。

                    具體來說,用第一代“軍事星”傳輸“戰斧”巡航導彈的任務命令需要100秒,傳輸1.1兆大小的空中任務命令需要1.02小時,傳輸一幅偵察衛星拍攝的可見光圖像(24 )需要22.2小時;用第2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;用“先進極高頻”傳輸相同的信息則僅用0.03秒、1.07秒、23.6秒。

                    傳送雷達圖像需要更高的傳輸速率。例如“全球鷹”無人偵察機拍攝的雷達圖像,用“軍事星”傳輸需要4天多,用“先進極高頻”衛星只需2分鐘,而用未來的“轉型通信衛星”(T-SAT)則不到1秒。如果用“軍事星”傳送未來的“空間雷達”衛星獲取的圖像,大約需要一個多月;用“先進極高頻”衛星傳送需要17分鐘,用“轉型通信衛星”則不到1秒。

                    “先進極高頻”能在任何時候提供世界范圍內的軍事應用,并兼容現有的“軍事星”系列終端,支持提供機載、艦載、車載和便攜終端,如:海軍多頻段終端(NMT)、單信道抗干擾可搬移式終端(SCAMP)、保密移動抗干擾可靠型戰術終端(SMART-T)和先進超視距系列終端(FAB-T)以及潛艇高數據速率(Sub-HDR)系統等。其中先進超視距系列終端綜合了以前的2個項目,即機載寬帶終端(AWT)和指令遞送終端替代系統(CPTR),建立了一套通用的開放式、覆蓋天基地基的綜合應用體系。

                    美軍已采購了2 500多套地面終端,包括高、中、低不同數據率的便攜式移動和固定終端。地面系統的天線直徑最大的為3米,最小的可做到幾厘米。

                    因為“先進極高頻”衛星工作在較高的頻段,其用戶終端也在不斷向小型化發展。一種稱為LTCC的技術可把有源和無源的射頻元件以一種多層布局的形式封裝在一個低損耗的絕緣材料中。用LTCC技術所集成的相控陣天線已用于“先進極高頻”終端,使天線更小,損耗更低。

                    總之,“先進極高頻”衛星具備抗干擾、低檢測概率、低截獲概率和先進的加密系統,比“軍事星”支持戰術網絡的能力提高了2倍,能為部隊、戰略防御、戰區導彈防御和空間對抗等提供服務,并可提高與其它軍用網絡和美國盟軍網絡的兼容性。它與“軍事星”不同,支持動中通,提供數據、語音、視頻會議和圖像傳感業務,有效實現實時視頻、戰場地圖和目標數據等的通信,為美國的戰略和戰術力量在各種級別的沖突中提供安全、可靠的全球衛星通信。每顆“先進極高頻”衛星可連接上百個直徑為0.3米的終端天線,把戰場上的所有梯隊連成一個具備太空路由的虛擬網絡。它還能為使用這些快速、精確信息的人們提供實時地圖、目標信息和先進的智能監視和偵察。它也可直接對來自用戶終端的請求做出回答,并根據優先級提供點對點通信和網絡服務。

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                    “先進極高頻”在軌飛行示意圖

                    首顆“先進極高頻”原定在發射3個月后進入地球靜止軌道,不過由于星上液體遠地點發動機在軌道提升過程中出現故障,兩次未能成功點火,所以只能用星上多臺氙離子流體霍爾推進器多次點火來變軌。這些氙離子流體霍爾推進器每天點火時間大約為10小時,每臺只能產生大約0.06磅的推力,合力也只能將“先進極高頻”衛星的近地點每天提升不到50千米,所以大大推遲了首顆“先進極高頻”進入最終預定軌道的時間。

                    美國空軍近日表示,“先進極高頻”軍用通信衛星項目進展順利,目前空軍計劃在2012年發射3顆“先進極高頻”軍用通信衛星,2020 年前全部部署完畢。美國空軍還表示,與“先進極高頻”采用同樣衛星平臺(A2100 衛星平臺,洛馬公司研制)的新一代導彈預警衛星,即2011年升空的首顆“天基紅外系統”地球靜止衛星(SBIRS GEO-1)在延長校驗中表現良好,美國空軍計劃在2013年春天發射第2顆“天基紅外系統”地球靜止衛星。











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