Ka频段军事卫星通信应用

航天 · 2016-11-22 23:46:09

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。　　表1 ITU对Ka频段频谱资源的分配

*指代一区的频率分配。　　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。　　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。

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。

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。

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。　　……　　上文选自《卫星应用》，如需详情请查阅该期刊。

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