卫星传输技术,现代战争胜负的重要因素,获得制信息权的最佳利器

"眼有明兮耳有聪,能于千里决雌雄。神机才动情先泄,密计方行事已空。"这是《封神演义》第90回开头的一首诗,赞颂的是两个十分神奇的人:一个叫高明,外号"千里眼",能看千里之遥;一个叫高觉,外号"顺风耳",能听千里之远。由于他俩有如此神通,遂对姜子牙的设计、布阵一清二楚,结果把所向披靡的西周军队打败了好几回。姜子牙不得不用"红旗招展"和"锣鼓齐鸣"的办法施加干扰,才敢议论军机大事。这当然是一个神话。然而,在卫星通信问世之后,这一神话奇迹般地变成了现实。

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联合国军士兵正在使用海事卫星电话

今天,人们凭借卫星电话可以听到地球上任何地方的声音,凭借卫星电视能看到地球上的任何角落,凭借电视电话还可耳闻目睹对方的音容笑貌。卫星通信这一新型的通信手段,克服了地域的阻碍和千山万水的限制,不但为人们交往提供了便捷的通信工具,更重要的是,它为军事上提供了传递信息、分析敌情的绝妙手段,成了军事指挥员名符其实的"千里眼"、"顺风耳"。

一、卫星通信的发展

自从无线电报问世以来,军队便将无线电通信视为掌上明珠,并想方设法不断加以发展,以便更有效地为军事斗争服务。现代条件下作战,要求通信手段要尽可能通得"快"、"好"、"多"、"远"。"快",是说通信时效性要高,必须适应战场变化急剧、作战进程快的特点;"好",是指通信质量要高,必须适应复杂的电磁环境;"多"是指通信容量要大,必须适应诸军兵种参战的指挥需要;"远"是对通信距离而言,必须适应远距的越级指挥。面对这些苛刻的要求,无线电通信家族的无线电台、无线电接力和散射通信等成员真是一筹莫展。

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能不能想一种办法,把接力站搬到宇宙空间去呢?最早提出这一设想的是英国空军的一位叫阿瑟·C·克拉克的军官,1945年10月,他在英国《无线电》杂志上发表了一篇题为《地球外的中继站》的文章。不过,要把接力站搬到太空去,也并非是轻而易举的事情。为此,科学家们曾进行了多方面的探索和近20年的艰苦努力,终于在1962年实现了这个愿望。

第一颗能将从地面传来的信号放大后转发的通信卫星叫"中继1号"。它是美国在1962年12月13日发射的。就是这颗卫星,在次年11月23日进行美、日两国间电视转播试验时,及时地播放了肯尼迪遇刺的重大新闻,因而给人们留下了极为深刻的印象。一般认为,19"年4月6日世界上第一颗半试验、半实用的卫星"晨鸟号"的发射成功,标志着卫星通信时代的开始。

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美军通信卫星

目前,用于通信的卫星多被发射到离地球赤道36000km的高空,运行在一个绕地球旋转的圆形轨道上。它们绕地球一周所需的时间约为24h,正好与地球自转的周期相同,因而我们从地球上观察这些卫星,就像是静止的一样。"静止卫星"也就因此而得名。

通信卫星居高临下,所发射的电波能将地球表面40%的地域覆盖。因此,三颗等间隔分布在大西洋、太平洋和印度洋上空的通信卫星,其电波几乎能将整个地球覆盖起来。正是基于这样的一个原理,只需三颗通信卫星,便能实现全球通信。

可以说,卫星通信是微波接力通信向太空的延伸,是在微波接力通信技术和空间技术的基础上发展起来的一门新兴的通信技术,是这两大技术互相结合的产物。通信卫星则是设在太空的无人值守的微波接力站。

二、卫星通信的结构

卫星通信是指车辆、舰船、飞机及单兵在运动中利用卫星作为中继器进行的通信。

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通信卫星系统

卫星通信系统由通信卫星网、测控站、网管和众多的移动站组成。通信卫星可利用具有大型天线的大型同步轨道卫星,也可利用众多中、低轨道运行的小型卫星。测控站对卫星的定点位置或运行轨道测量跟踪和进行控制管理。网管站是本系统和其它通信网络连接的枢纽。网络管理中心协调各站的正常工作,以保证本卫星通信网正常运转。系统中可以有不同类型的移动站。

在航空卫星通讯机载站的使用上,20世纪80年代以来,随着超大规模集成电路、微波固态功率放大器、高增益低旁瓣小型天线和分组交换技术的发展,VSAT卫星通信广泛应用于地空卫星通信。VSAT卫星通信是指一类具有甚小口径天线的小型远端小站与一个大型中心站协同工作,组成一个VSAT卫星通信网。

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VSAT卫星通信网的组成

小站可做得很小、很简单,便于装在军用飞机上,能进行话音、数据、传真、图像等业务的通信。VSAT地空卫星通信最大缺点是信号经过两跳(用户—星体—中心站—星体—用户),时延较长,一问一答延迟时间达1.1s。由于飞机在做高速运动,因此机载远端站的天线必须首先要满足飞机空气动力学方面的要求,另外还要求天线能自动跟踪、多普勒频移校正和考虑机上电磁兼容等问题。

卫星通信的工作频段选择是一个十分重要的问题,必须考虑其电波应能穿过电离层,传播损耗和其它附加损耗应尽可能小,同时具有较宽的可用频段以及技术可行性。在卫星移动通信系统中,移动站一般使用低增益宽波束,它接收到的来波有直射波、地面反射波和散射波。这三种来波合成,会使移动站接受信号电平发生相当大的随机起伏,产生所谓的"多径衰落",多径衰落严重时可使通信中断。

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静止轨道(geo)卫星与低轨道(leo)卫星

卫星通信系统有不同的分类方法。按卫星波束覆盖区域,可分为区域性卫星移动通信系统和全球卫星移动通信系统;按服务对象,可分为陆地卫星移动通信系统、航海卫星移动通信系统和航空卫星移动通信系统:按所用通信卫星的类型来分,可分为静止轨道(GEO)卫星移动通信系统和中/低高度轨道(MEO,LEO)卫星移动通信系统,而目前中/低高度轨道在卫星移动通信系统中发展最为显著。

无论GEO, MEO或LEO卫星通信的发展体现了本世纪末卫星通信的两个特点:一是面向移动电话服务,亦即窄带话音/数据服务的低轨(LEO)卫星应用;二是面向高速率信息高速公路的宽带数据服务,亦即Ka和Ku频段的低轨(LEO)卫星应用。但应注意到,在发展区域性移动电话和数据业务时,仍然不能忽视静止卫星CGEO)的成熟技术和有利条件,GEO卫星系统仍将平行地发展。

三、未来的战术通信卫星

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海湾战争中的美军战机

当前的国际形势表明,打世界大战,尤其是打核大战的可能性越来越小,但局部战争日渐增多,所以,未来作战对战术通信的需求日益增大。在海湾战争中,尽管美国和北约动用了所有军用乃至商用通信卫星,但仍未能满足战场需求,原因是这些卫星的容量有限、抗干扰能力差,只能用于军团级以上,无法解决战区之间的广泛联络和指挥控制问题。

  • (一)新一代"军事星"

对美国来说,要把以前陈兵欧洲的局面转变到以美国本土为基地,就至少有25%的兵力具有全球应急能力,以适应各种作战环境。要做到这一点,其关键是要有强大的战术通信能力,靠快速、可靠和超视距的战术通信卫星迅速集结和远征。理论和实战均已证明,战术通信卫星再加上各种小型、轻量、便携式移动通信终端,将成为未来军事通信的重要组成部分。

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美军第二代"军事星"

所以,美国军方正急切等待装有中速率有效载荷的第二代"军事星"早日升空。它比第一代"军事星"的通信容量增加了10。倍,而且一个新用户只需几分钟就能与卫星联通,并有轨道机动能力,这些对实战非常有用。它不依赖地面站,用户接收终端天线的直径可小到14cm,使全球任何一地的美军能与战术指挥官联系,进行各种情况下的战术指挥。例如,用于传输侦察卫星的图像,给美军飞机下命令;能防截听,特别适合于潜艇使用。该星将主要为美国海军和陆军提供话音通信,为国防部和有关指挥当局传送图像数据,也为小型战术部队服务。它综合了DSCS-3,UFO和第一代"军事星"各自的优点,能在不同的终端平台之间提供前所未有的互通能力,使生成和分发命令的时间由过去的几小时缩短为几分钟。在海湾战争期间,由于缺乏卫星通信能力,美国空军有时不得不依靠飞机及人工拷贝方式,将有关命令传送、分发给部队。

简言之,"军事星"系统是20世纪90年代后期和21世纪初美国军用通信网络的基础,是美国指挥、控制与通信系统中最重要的发展项目,与80年代美国发展洲际导弹计划的重要性相当,它被评为20世纪90年代世界空间舞台的十大明星之一。

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先进极高频(aehf)卫星系统

美国现又开始研制第3代"军事星",它又称"先进极高频系统",即对极高频频段技术进行改进,其中包括星上有效载荷处理技术、60GHZ星间链路技术、轻型多功能通信天线的组合阵列和宽带频率合成技术等。其星座包括4颗可相互交叉通信的卫星,它们覆盖南北纬65度间的广大地区,每颗星有50多个信道,传输速率最高可达500 Mbit/s, 2006年开始发射。该星比前两代"军事星"体积小,但能处理更多的通信数据,尤其是其成本大大下降,故是未来战术部队的生命线。

  • (二)全球广播系统

现代信息战包含信息获取、传输和加工3个环节,目前最弱的是中间一环节传输,它已成为军用通信系统的"瓶颈"。1993年,美国商用数字电视直播卫星的问世,给军用通信卫星的发展提供了新思路。为了给美军提供革命性的信息战能力,美国于1995年决定发展"全球广播系统"(GBS)。它不替代美军现有的通信卫星系统,而是通过把大量信息快速分发给用户的服务,来扩展现有通信卫星的能力。

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"全球广播系统"(GBS)

其工作方式与商用电视直播卫星类似,是一种高速单向的广播通信系统,可直接向世界各地的战区作战人员提供大量信息,有"智能推"和"用户取"两种服务方式,前者把新闻、天气等标准节目和战区通报等定期播发,后者是部队"点播"的特殊信息。这两种工作方式的组合有巨大潜能,可极大提高联合作战部队的战斗力,增加信息传递速度。其宽频带及高速传输能力,可使大型作战文件的传输由过去几小时变为现在几秒钟,因而能协同美国海军的巡航导弹在发射前的最后l min进行最终目标修正;也可把来自卫星或无人飞机的各类数据传送给远航的舰艇,而目前的海军通信卫星要达到这种能力还比较勉强。

在海湾战争时,特别详细的作战命令必须用飞机运到航母上,而同样详细的作战命令若用GBS则可在一分钟内送达。

GBS最显著的特点就是有极强的战术用户支持能力和多点广播能力。战术用户通过便携式终端,就能随时随地得到各类大量信息,从而大大提高信息保障能力,掌握战争的主动权。因此,它可称得上是超豪华神经系统。

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海湾战争中的美军

GBS计划分3个阶段实施:第1阶段是在商用卫星上试验第2阶段是在3颗UFO卫星上装GBS转发器第3阶段是发射专用GBS卫星。现已完成第2阶段,并投入实战,例如在空袭南联盟行动中,美国利用UFO-9的GBS转发器,从本土向战区传送了大量侦察情报和后勤保障信息。

未来军用通信卫星的发展趋势是:采用更高的频段,更完善的星上处理技术,使星上天线更好地适应战术变化的需求,提供灵活的覆盖范围和抗干扰性,具备为生存而重构网络的能力,以及更有效的按需分配技术和抗辐射、抗实际攻击的能力。选择更高频段可使天线波束变窄,频带宽,实现跳频范围大,减少信息被截和受干扰的可能性,使地面天线等设备小型化,通信终端更加机动灵活。采用星上计算机处理技术可使卫星能独立运行,并根据需要改变卫星轨道位置,更有效地传送卫星数据。

总之,在现代战争中,通信已成为事关战争胜败的重要战略因素,交战双方谁先获得制信息权谁就占据主动权,而军用通信卫星则是传输信息的最佳利器,其价值连城,前景十分广阔。


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