将战场态势尽收眼底：全面解读美国先进极高频军事卫星

国外航天 · 2016-10-31 18:36:30

前不久，美国空军正式批准对其先进极高频卫星通信系统进行通信测试，并向盟国开放数据终端，加拿大成为首个使用该卫星进行通信的国际合作伙伴。这标志着历时多年的建设，先进极高频系统终于完成美军内部联网测试，开始向盟军提供通信服务。　　　　先进极高频卫星也叫第三代“军事星”，其信息传输能力是现役第二代“军事星”的10倍，军方操作人员所获得的带宽将增大5倍，且体积更小，更耐用，成本更低，每颗先进极高频卫星的成本约是“军事星”的1/2。它可以给战区指挥官提供高安全性的、抗干扰的、不易截获的通信服务，可满足实时图像、战场地图和跟踪数据传输等战术通信需求。　　　　项目建设过程一波三折　　　　耗资巨大的先进极高频卫星项目建设过程历经坎坷，颇费了一番周折。早在1999年，先进极高频卫星项目就开始上马，因为不断变化的军事需求，项目进度一再拖延。2004年和2006年，先进极高频项目因为保密和抗干扰要求两次被修改设计。首颗卫星先进极高频-1原定于2008年发射，却因为成本和技术问题被推迟两年。2010年8月14日，先进极高频-1终于由“宇宙神-5”火箭托举着升入太空。　　　　然而，就在地面操作人员启动远地点液体发动机几秒钟之后，这个大推力的主发动机竟然失败了。经过故障排查，专家们判定可能是发动机的推进剂线路被堵塞，不能继续工作了。此时的卫星面临着两个危险，第一个危险是近地点的稀薄空气摩擦，使卫星每天降低大约2.5千米高度，如果不及时调整，要不了多久这颗卫星就要坠入大气层烧毁；另一个危险则是低轨道大量的太空碎片。为拯救这颗卫星，他们决定启用星上另外两个小推力发动机，一个只有主发动机推力1/20的反作用发动机组和另一个只能提供0.02千克推力的氙离子流体霍尔推进器。地面操作人员采用缓慢推进的方式，用氙离子流体霍尔推进器把卫星逐步逼近到预定的地球静止轨道上去。　　　　经过500多次点火，历时14个月的时间，这颗卫星终于从死亡线上拉了回来。在2011年11月份，卫星被定轨在预定的位置上。幸运的是，卫星并没有因为主发动机故障而影响功能，其推进剂燃料也保留充分，仍然能够确保服役14年。当然，为了首先对先进极高频-1进行充分的检验，并防止再出现同样的故障，美军方还是决定延期后续的先进极高频-2与先进极高频-3卫星发射。2012年5月4日，由洛克希德？马丁公司为美国空军研制的先进极高频-2卫星才在“宇宙神-5号”火箭的搭载下发射升空。这已经使先进极高频卫星星座的组网运行整整推迟了5年。　　　　支持网络中心战需求　　　　先进极高频卫星项目是美军近十年来规模最大的太空项目之一。这个由美国与加拿大、英国和荷兰之间合作的国际项目，原计划单星成本在6亿美元，后续成本却一升再升，已经突破10亿美元，加上地面终端，整个项目建成则要耗费上百亿美元。 　　　　为什么要花费这样的代价去建设卫星通信网络？这与美军在本世纪初提出的“网络中心战”作战理论是分不开的。基于“网络中心战”的作战理论，作战部队将能够承担多样化任务，具备灵活反应能力，能够基于战场环境的变化迅速做出调整。而这种灵活反应能力则严重依赖于对战场环境、气象条件、敌我友三方态势的精确把握。虽然在地面战场已经有光纤、微波通信系统能够提供高速通信，但是对于美军的全球作战任务来说，军用卫星通信系统仍然居于不可替代的地位。据统计，美军战场通信中的70%是由军用卫星系统承担的。 　　　　然而，卫星传输带宽瓶颈与处理能力不足一直是美军提高作战效率的最大制约。在海湾战争时，特别详细的作战命令甚至要用飞机航母上去。这种“黄牛拉大炮”的作战方式显然不适应信息化条件下快速反应的需要，令美军大为不满。之后，美军致力于提高军用卫星通信能力，先后发展了两代“军事星”，第二代“军事星”极高频通信速率为每秒100兆比特。这样的速度传输作战指令已经绰绰有余，不过按照美军提出的“像游戏一样打仗”，作战人员戴上头盔就可以把整个战场态势尽收眼底，这样的速度仍然难以实现战场态势和视频的实时传输。 　　　　我们知道，电磁波的频率越高，传播信息的容量就越大，且波长越短，波形定向能力越强，越不易被截获和受到干扰。正因如此，先进极高频卫星单星通信总容量从第二代“军事星”的每秒40兆比特提高到每秒430兆比特，同步信道数量增加2―3倍，1颗先进极高频卫星的通信能力就超过了5颗第二代“军事星”卫星通行容量的总和。 　　　　举个例子，用第一代“军事星”传输战斧式巡航导弹的任务命令需要100秒，传输1.1兆大小的空中任务命令需要1.02小时，传输一幅侦察卫星拍摄的可见光图像（24兆）需要22.2小时；用第二代“军事星”传输相同大小的信息只需花0.16秒、5.7秒、2.07分钟；用先进极高频卫星传输相同的信息则仅用0.03秒、1.07秒、23.6秒。 　　　　名符其实的“先进”　　　　作为美国国防部在军用卫星通信体系结构中期阶段使用的骨干，先进极高频卫星通信系统除了具备更为强大的通信能力之外，还采用了大量的先进技术，使其在生存能力、保密性、抗干扰等方面同样非常出色。 　　　　首先，先进极高频卫星采用非常先进的组合推进技术。星上携带3个推力大小不同、传统与电推进相结合的推进系统。随着越来越多的国家掌握航天技术，36000千米高度也变得不再安全。因为静止轨道通信卫星的位置固定、体积较大，难以隐蔽，用低价值的飞行器直接撞击高价值的通信卫星在技术上并不难实现，不失为一种破击体系的好战法。为了降低损失，美军不得不考虑提高通信卫星的生存本领。先进极高频卫星携带的大推力发动机，使其“闪转腾挪”避开恶意撞击的本领。另一个值得关注的是先进极高频卫星所采用的氙离子流体霍尔推进器，就是上文提到的为拯救先进极高频-1卫星立下汗马功劳的微推力发动机。虽然推力很小，但是却有着10倍于传统化学推进系统的比冲值。因此，卫星只需携带少量燃料，就可以保持较长工作寿命。而推进剂燃料的减少则意味着卫星可以携带更多的有效载荷。 　　　　其次，先进极高频卫星采用的抗干扰、抗截获波束控制技术。此前的卫星是采用机械方式来改变电磁波束反射面的，所以只能使得波束在某一个时刻属于某一个用户，波形切换速度慢，控制精度低。而先进极高频卫星则是通过电子方式来改变射频波束的指向，因而其相控阵天线能很便捷地使用户之间的波束瞬间跳变、自由切换。由诺斯洛普？格鲁曼公司研制的“波束成形网络”可使先进极高频卫星天线自动调零，以便对付潜在的干扰，只有在波束覆盖范围之内的合法用户能够正常使用卫星。特别地，这种抗干扰功能不需要由地面控制和干涉，完全由星上处理，极大提高了整个系统的反应速度和抗截获能力。 　　　　其三，先进极高频卫星具有强大的星间传输和星上处理能力。为了提高星间通信能力，先进极高频卫星携带了14副不同形状和用途的通信天线，并用电子管功率放大器取代了行波管功率放大器，使星间通信的波形保真度大幅提高。此前的“军事星”卫星通信系统星间链路的通信速率为10兆比特/秒，先进极高频卫星系统则可以达到60兆比特/秒。这就使得全球范围的远程跨区通信不需要绕行地面中继站点，而全部采用星间通信的方式，既降低了传输时延，又提高了系统的通信吞吐量。同时，这样的通信方式也降低了对地面控制系统的依赖程度，即使地面控制系统遭到破坏，整个卫星星座仍然能够自主运行6个月以上。 　　　　构建空天宽带网络　　　　建成后的先进极高频卫星通信系统将是一个由部署在地球静止轨道上的4颗卫星组成的星座，应用范围极为广泛。系统能在任何时候提供南北纬65度范围内的军事应用，并兼容现有的“军事星”系列终端，支持提供机载、舰载、车载和便携终端，从而建立一套通用的开放式、覆盖天基地基的综合应用体系。 　　　　强大的“动中通”能力是先进极高频卫星最大的亮点，能够为战斗机提供高速宽带通信。据美国诺斯罗普？格鲁门公司网站的报道，该公司于5月23日成功完成了一次极高频卫星通信天线的实际通信验证，证实了它为B-2隐身轰炸机研制的一种新型有源相控阵保形EHF卫星通信天线能够与美国空军在轨的先进极高频卫星通信卫星进行通信。该新型天线能支持战略和战术任务，其创新的无透波罩设计使之能够在不影响B-2飞机主要作战性能的情况下，为该机带来新的通信能力。在验证过程中，诺格公司还成功地验证了EHF波段的“扩展数据传输速率”通信――相当于把多条宽带通路进一步合并使用。这就可以保证B-2飞机始终能够利用先进极高频卫星最先进、最安全的信号传输协议和通信波形。 　　　　通过换装EHF卫星通信系统，B-2隐身轰炸机将能够以比原有卫星通信系统快得多的速度接收和传送战场信息。这样一来，它就能够在飞行中修改任务规划和为武器重新提供瞄准（迄今为止，战斗机的任务信息需在每次飞行之前上载），并与其他飞机和地面部队进行更好的配合。 　　　　我们了解到，美军方总共向洛克希德？马丁公司订购了6颗先进极高频卫星，今年晚些时候还将发射先进极高频-3卫星，先进极高频-4卫星正按计划进行。

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