美國空軍為高級極高頻衛(wèi)星開發(fā)新能力

+ 李 妍 志英編譯

目前，美國空軍正在開發(fā)極高頻系統(tǒng)，該系統(tǒng)是美國下一代軍事戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)中繼系統(tǒng)，可向美軍及全球盟軍可抗毀、受保護的通信。正式運行時，極高頻系統(tǒng)將由4個衛(wèi)星、一個地面任務(wù)控制中心和用戶終端組成，可為處在各種軍事行動沖突級別的作戰(zhàn)人員提供聯(lián)合的、可互操作的和有保證的連接能力。這種極高頻系統(tǒng)還可作為一種智能交換系統(tǒng)，可根據(jù)用戶要求建立、保持、重新配置以及分拆所需的通信電路，并能提供加密話音、數(shù)據(jù)、電傳或者進行傳真通信。極高頻通信衛(wèi)星系統(tǒng)之所以能夠成功的一個關(guān)鍵因素是其能夠提供可靠的、高速的、安全的、抗干擾的、抗毀的戰(zhàn)術(shù)通信能力，而極高頻波束成形網(wǎng)絡(luò)（BFN）又是實現(xiàn)這些星載系統(tǒng)和能力的關(guān)鍵。

一、基本概況

已歸于霍尼威爾公司麾下的EMS技術(shù)公司國防與空間處近日宣布，根據(jù)與諾斯羅普·格魯曼公司簽署的合同，他們已開始為第4顆極高頻衛(wèi)星構(gòu)建高級極高頻波束成形網(wǎng)絡(luò)，又名“零陷器”。此衛(wèi)星的所屬合同方為洛克西德·馬丁公司，極高頻衛(wèi)星項目的主承包商和整體空間系統(tǒng)管理方。諾斯羅普·格魯曼公司只負責(zé)構(gòu)建高級極高頻衛(wèi)星有效載荷，該有效載荷由處理器、天線、射頻子系統(tǒng)和交鏈系統(tǒng)構(gòu)成。首顆極高頻衛(wèi)星已于2010年10月14日送入軌道運行，并于2011年秋天實現(xiàn)了聯(lián)機使用。

極高頻衛(wèi)星星座是在“軍事星”星座的能力上加以構(gòu)建的，因而可與“軍事星”星座的通信系統(tǒng)實現(xiàn)互操作。此星座不僅能夠提供相當(dāng)于“軍事星”星座10倍的數(shù)據(jù)吞吐量，而且還能同時提供“軍事星”星座的低數(shù)據(jù)速率（LDR）和中數(shù)據(jù)速率（MDR）波形以及新極高頻衛(wèi)星極數(shù)據(jù)速率（XDR）波形。該星座具備抗干擾能力、低探測概率（LPD）、低截獲概率（LPI）以及高級加密等防護能力。另外，這些波形可通過跳頻方式實現(xiàn)窄帶通信，從而能在該系統(tǒng)的全部帶寬內(nèi)進行移動通信。此外，極高頻衛(wèi)星還具備防核能力，因此可提供抗毀的受保護的通信能力，因而不會導(dǎo)致戰(zhàn)術(shù)或者戰(zhàn)略環(huán)境下的性能降級，因此該星座系統(tǒng)可為陸、海、空作戰(zhàn)人員提供全面的服務(wù)。

二、極高頻波束成形網(wǎng)絡(luò)概念與工作原理

極高頻波束成形網(wǎng)絡(luò)是一種Q頻段（EHF）上行鏈路衛(wèi)星射頻接收網(wǎng)絡(luò)，屬于高分辨率天線覆蓋系統(tǒng)的一個組成部分，可為每顆衛(wèi)星提供兩點波束能力。該天線一般能對其全視野內(nèi)的信號進行接收，但波束成形網(wǎng)絡(luò)還可對其視野內(nèi)的干擾信號實施一種“零陷”能力。一旦運行后，極高頻波束成形網(wǎng)絡(luò)將可以使所有視野內(nèi)的干擾機變成零陷，是名副其實的“零陷器”。該功能是通過對視野內(nèi)的多個射頻接收端口進行疊加和組合來提供射頻數(shù)據(jù)流而實現(xiàn)的。每個射頻接收端口都可探測干擾信號，干擾一旦出現(xiàn)，這種“零陷器”便可對視野內(nèi)的干擾源實施阻塞。

這種可對射頻微波實施零陷作用的過程就如同使用遮陽板來防止太陽光直射眼睛一樣。設(shè)想你將一個乒乓球舉到一臂遠的距離來阻擋你視野內(nèi)的太陽光直射入眼。現(xiàn)在設(shè)想乒乓球的位置和大小可以自動控制，從而可使乒乓球位于你的眼睛和太陽之間來發(fā)揮持續(xù)的阻塞作用。這樣你的視野內(nèi)的其他景物就不會被屏蔽，能使你看到每一個地方，且不用直視太陽。此過程也就是干擾機出現(xiàn)時波束成形網(wǎng)絡(luò)的運行方式。不友好的信號如敵軍發(fā)射器信號則可被阻斷（實施零陷），這樣便可為視野內(nèi)的其他區(qū)域提供清晰通信，且不會受到干擾機的影響。

這種零陷功能是通過對每個疊加的射頻端口的振幅和相位進行單獨控制來實現(xiàn)的。射頻信號的采樣可在多個端口完成，這些數(shù)據(jù)可被用來調(diào)節(jié)多個信道的多個相位和振幅，并能激發(fā)快速會聚功能來最小化干擾機的影響，從而使用戶能夠接入衛(wèi)星業(yè)務(wù)。這些“零陷器”的尺寸和形狀可以進行實時控制，以適應(yīng)各類發(fā)射。來自各端口的合成信號隨后會進行組合來提供射頻數(shù)據(jù)流，以實施進一步的處理、解調(diào)和譯碼。波束成形網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可提供有保證的通信來應(yīng)對敵意干擾機以及友軍干擾源。

三、極高頻波束成形網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用前景

極高頻波束成形網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是基于EMS技術(shù)公司的設(shè)計理念進行設(shè)計的，該設(shè)計始創(chuàng)于“軍事星”星座，類似的波束成形網(wǎng)絡(luò)最早于20世紀(jì)90年代中期進行開發(fā)并交付使用。波束成形網(wǎng)絡(luò)的微波部分是一種波導(dǎo)系統(tǒng)，由低噪聲放大器（LNA）、相位-振幅控制器、射頻交換機以及功率合成器構(gòu)成。EMS公司開發(fā)的精密鐵氧體相移器和交換機被用來實現(xiàn)射頻控制要素。使用鐵氧體可實現(xiàn)低損耗射頻信號處理，并可提供對輸入信號的寬帶波束成形控制。所有這些要素都被組合進一種可由電子器件進行控制的網(wǎng)絡(luò)，從而可將指令視作輸入信號并轉(zhuǎn)換成特殊的理想配置來實現(xiàn)與信號波形跳頻的同步。所以，波束成形網(wǎng)絡(luò)可利用冗余來實現(xiàn)自身系統(tǒng)的高可靠性。

霍尼威爾EMS公司目前正在不斷地進行技術(shù)開發(fā)來提供各種系統(tǒng)，以解決作戰(zhàn)人員對基于衛(wèi)星的安全通信的依賴。此外，鑒于有效載荷能夠很好地增強軍事通信需求，EMS公司所開發(fā)的軍用波束成形網(wǎng)絡(luò)能力也正被應(yīng)用于商業(yè)通信和直播衛(wèi)星中。

商用波束成形網(wǎng)絡(luò)可提供與極高頻應(yīng)用相似的能力，無需復(fù)雜波形便可阻止干擾信號以及非授權(quán)訪問。隨著軍方越來越多地租用全球衛(wèi)星通信容量，開發(fā)極高頻波束成形網(wǎng)絡(luò)將能從很大程度上緩解未來軍方對持續(xù)安全通信的大量需求。