美国卫星通信装备发展现状与趋势

美国卫星通信装备发展现状与趋势

卫星通信具有通信距离远、覆盖范围大、信号质量高、通信能力强等特点。它可以满足军事通信对流动性和灵活性的要求。这是美国军事战略和战术通信的主要手段。卫星通信装备可以双向传送数据、语音、图像等各种信息,不但使各作战单元能够共享情报、监视与侦察信息,还能有效地提高指挥控制能力,把美国本土、战区、战场和各作战单元无缝地集成在一起,进一步提升了全球信息栅格(globalinformationgrid,GIG)的作用。有鉴于卫星通信在军事上的作用不断增大,美军以创新性军事转型作战理论为指导,对卫星通信装备不断进行研发、改进、测试、演习和部署,努力推进GIG建设。结合美军卫星通信装备发展现状,研究美军卫星通信装备的发展趋势和技术特点,对于发展我国军事卫星通信装备有重要借鉴意义。1建造航空母舰设备的特点1.1卫星通信和digGIG总体架构主要由5个层次组成:基础设施层、通信设施层、计算设施层、全球设施层和应用设施层,如图1所示。其中通信设施层主要实现信息在用户、信息生成与处理设备、中间通信实体之间的传递,卫星通信是该层的主要组成部分。图1中的第四层即为由通信卫星组成的全球覆盖层4。在管理和具体实施上,GIG由各军种独立负责执行。各军种都有自己的GIG计划:海军有“武力网”(FORCENet),空军有“C2集群”(C2Constellation),陆军有“陆战网”(LandWarNet),它们彼此通过GIG接口互连。这3个网络都包含通信卫星、空中卫星通信平台和地面卫星通信网络,通过3个网络的互连和集成,卫星通信系统最终融入了GIG。1.2战术通信s现有系统中,只有Milstar-1侧重于战略应用,Milstar-2、DSCS(defensesatellitecommunicationsystem)和GBS(globalbroadcastingsystem)虽然具有战略通信的功能,但都以战术通信为主。同时,美军各军种、各级部队都装备了大量机载、车载和单兵便携式卫星通信终端,并提高了互操作性和兼容性,实现了广泛分布的多种战场信息网络系统互连互通。几个未来卫星通信系统项目则更是突出了战术通信的主体地位。战术卫星通信发展的重点是给高机动性作战单元部署高带宽、超视距动中通能力。美军现在正重点发展旅及旅以下的作战单元的动中通能力,使这些作战单元在高机动性作战的同时,仍然具有良好的连通能力和态势感知能力。1.3将海上通信系统纳入《部队指挥体系》,进行螺旋式发展目前,卫星通信装备的发展主流是围绕着网络中心战和GIG进行的,同时也因战场上的紧急需要开展临时装备的研发和部署。例如:将于2007年完全装备到部队的“C2动中通网络数字超视距中继系统”,就是联合战术无线电系统部署之前海军陆战队使用的一种过渡通信手段。在战场紧急需求与美军长期发展计划之间经常产生冲突的情况下,美军各方达成了共识,即坚持为所有部队部署新能力的长期战略,但必须进行螺旋式发展。发展的目标是使烟囱式系统消失,这是国防部网络中心战长期计划的基础。2美国卫星通信设备发展技术重点为不断提升武器装备的作战性能,美军在武器装备建设中十分重视新技术的开发与应用。2.1采用ip技术的高带宽链路当前的卫星通信系统主要工作在电路交换模式,这种模式不但限制了可访问信息源的数量,也使战术超视距通信过程很复杂。对比之下,在卫星通信上使用TCP/IP技术能使数据以高速率传输,应用前景非常广阔。目前美国Tachyon网络股份有限公司生产了使用IP技术的高带宽链路的便携式设备,上行数据传输速率为512kb/s,下行传输速率为2Mb/s。驻伊拉克的美军第11航空团在2003年配备了该系统。美军未来的转型卫星通信系统(transformationalsatellitecommunicationsystem,TSCS)空间和地面网络将支持用户在国防部平台上全部使用IP协议自由、快速地进行信息交互。TSCS卫星装载有因特网协议路由器,2个作战单元之间只需要一次传输即可完成数据通信,如图2所示。利用星载路由器,TSCS可以方便地链接到互联网,空间网将成为地面网络的扩展,从而使地面部队和天基系统实现双向智能通信。2.2共享平台-卫星通信激光通信具有高带宽、高数据率、安全性好和设备灵巧便捷等特点,是美军转型通信体系结构(transformationalcommunicationarchitecture,TCA)的关键技术之一。美军计划在无人机、大型地面站和装有光学通信载荷的卫星之间利用激光进行通信,地面部队则将继续使用射频设备进行通信。激光技术将用来把大量的射频链路、无人机传感器链路和空间链路集合在一起,组成可以在空间移动的大型通信管道25。在激光通信终端领域,美国的贝尔试验室开展了“相干通信、成像和目标锁定”项目研究,目的是对支持高速、长程激光通信的新技术进行验证。现在该项目已进入了设备制造阶段,全部工作预定在2006年3月完成。2.3背景interpersonal,救助“报水平”的海上数据,从海上施工动中通是移动通信的简称,即移动体之间或者移动体与固定体之间的通信。美国军事科技文献中的动中通通常指同步卫星的移动通信应用,具有覆盖区域广、不受地形地域限制、传输线路稳定可靠的优点,能够真正地实现超视距、宽带、移动通信,是美军发展的热点技术。目前美军宽带超视距的动中通通信系统主要集中在师级指挥控制系统,现在开始出现向旅和旅以下的作战单元配备的趋势。2003年美实施“伊拉克自由行动”期间,101空降师501信号营配备了5个新的多信道卫星终端,每个终端能够以8Mb/s的速率传输信息。新的海军多波段终端(Navymultibandterminal,NMT)是按几十兆比特的运行速度设计的动中通通信终端11,而将来的转型通信卫星(transformationsatellite,TSAT)使用1英尺(0.3048m)的卫星天线能够以1.5Mb/s数据率链接1500辆动中通战车进行通信。未来的TSCS开始工作以后,由于激光通信承担了主要的数据传输任务,重要的无线频谱资源就可以用于给战场上旅以下高机动性作战单元提供所需要的动中通能力。其目标是使移动的车载1英尺(0.3048m)口径卫星通信终端能与T-1链路连接,数据一旦抵达战场,就经无线中继传输给单兵,使单兵的便携设备能够接收来自美国本土数据中心来的数据26。3发展逐渐趋向标准化、智能化、软件化和高兼容性从整体情况来看,美军卫星通信装备的发展逐步趋于标准化、智能化、软件化、轻小型化和高兼容性,装备性能将更加优良,以适应未来信息化战争的更高要求。3.1sca和nmt当前美军对商业卫星链路的依赖度高达80%,相应地使用了许多商用现货技术,这些技术没有统一的标准,系统间的互操作性很差。此外,以前建设的军用卫星通信系统也存在兼容性差、无法互操作的问题。有鉴于此,美军方一直致力于制定一套设计标准,以便对不同系统的操作进行协调。美国国防部的软件通信体系结构(softwarecommunicationsarchitecture,SCA)是开发商用和军用无线电通信软件的全球权威性标准。雷声公司目前正在开发SCA标准的2.2.1版本。随着美军对各系统间可互操作的要求加强,卫星通信终端的开发也开始使用SCA作为通信软件开发的标准,图3中显示了与SCA兼容的卫星通信终端部署数量呈上升趋势。SCA是一种开放的体系结构,不仅能满足当前任务的需要,还能与美军未来的通信系统(如宽带填隙卫星)实现互操作。美国海军已经委托雷声公司设计一种通信体系结构,其信号形式能与SCA兼容,支持2GHz以上的通信能力,有可能成为海军未来终端的开发标准。美国海军正按照这种信号设计海军的多波段终端——NMT。NMT带宽更高、兼容性更强,能与现在的及未来的卫星通信系统兼容12。此外,美国空军的超视距终端家族(thefamilyofadvancedbeyond-line-of-sightterminals,FAB-T)项目也是基于SCA标准开发的。3.2“智能接收”阶段现有通信卫星主要还是作为转发器使用,由地面控制发送信息的内容、时间和速度,称为“智能推送”,而未来的军事卫星通信系统将进入到“智能接收”阶段,复杂度大大增加。后续的转型通信卫星将具有更加复杂的星上处理软件,能够针对特定的下行和上行链路需求自动做出反应。海军的NMT可以和下一代卫星进行通信并自动请求特定的服务和带宽,如“先进极高频”(advancedEHF,AEHF)卫星就可以直接对来自用户终端的请求做出回答,并根据优先级提供点对点通信和网络服务。3.3fab-t和sca中特定系统的通信软件为了提高系统升级速度、节省开支,出现了卫星通信装备的软件化趋势。海军的NMT使用SCA标准把软件能够实现的功能从硬件中分离出来,使针对特定系统创建的通信软件系统升级和扩展更加容易。FAB-T项目也使用了SCA标准。未来的转型通信系统将采用栅格信息结构,许多功能将由软件来实现。通过设定信号波形和编写能在各种设备上运行的程序,无需更换硬件设备就能进行系统升级,军方可以节约大量设备开发时间和后勤维修费用。图4显示了1985—2011年军事卫星通信各项目中用于软件的实际源代码行呈增长趋势12。3.4fab-t计划美军正在研发和生产多波段卫星通信终端来接收多种卫星的信号。随着技术的进步,终端的兼容能力越来越强,带宽越来越高,如表1所示。雷声公司生产的安全移动抗干扰可靠的战术终端(thesecuremobileanti-jamreliabletacticalterminal,SMART-T)是EHF卫星通信系统终端,装载在高机动多用途轮式车上,以1.5Mb/s的速率传送“军事星”(Milstar)数据。“AEHF”卫星开始工作后,SMART-T还能以比Milstar高4倍的通信能力与之通信。2004年4月,哈里斯公司为美国海军部队提供了轻型可移动多波段卫星通信终端,它是一种工作在C波段、X波段、Ku波段、Ka波段的四波段终端,数据率可达20Mb/s。此外,哈里斯公司为海军开发的NMT是一种供舰船、岸上基站和潜艇使用的多波段卫星通信终端,通过使用NMT的多波段卫星通信信号波形,不但能使美国海军的舰船和地面设备与现有通信卫星通信,还可与各种未来的通信卫星进行通信,数据率为几十Mb/s。空军的FAB-T计划能够为作战人员提供保密、宽带的卫星通信,其目的是开发一系列可重配置、可重编程的军事卫星通信系统,能够适应多个频段,并因通信卫星的不同,其数据率也不同。开始运行时,它将通过AEHF系统提供关键、保密的超视距通信能力。在后续的能力增强型终端中,FAB-T将能陆续与宽带填隙系统等卫星通信系统实现互操作,如图5所示。3.5进展之一:受互联网污染的大气条件可传输技术为了实现射频通信和激光通信的有效结合,DARPA正在进行光和无线电联合链路实验(advancedopticalradiofrequency(RF)combinedlinkexperiment,ORCLE),其软件协议将允许这些网络中的节点根据要传送的消息类型和当前的大气条件自动在两种传输模式之间切换。ORCLE将自由空间激光通信的高速率、无线通信的高可靠性以及智能化的网络管理结合到了一起。这种技术保证了即使是在大气条件或自然障碍物影响了某些链路时,仍然能够进行高质量、可靠的组网通信。光数据链路设计的通信速率是2.5Gb/s,无线战术通用数据链路的速率则为45Mb/s。3.6超视距+移动通信战术通信用户要求通信终端体积小、重量轻,以便于携带和安装。随着技术的进步,目前美军车载天线尺寸已由5m缩小到3m,背负式卫星通信终端的天线尺寸减小到了1.5m。为了满足战术用户对超视距移动通信终端的要求,甚小孔径终端(verysmallapertureterminal,VSAT)技术越来越受到重视。2004年夏天,第3步兵师的后勤人员配备了作战后勤保障甚小孔径终端,这套VSAT系统的下行数据率是2Mb/s,上行数据速率是256kb/s,碟式卫星天线的直径仅为1.2m。不但使工作效率大大提高,且安装携带非常便捷,可以满足机动性要求。为了与部队的高机动性相适应,卫星通信设备的安装也越来越简单快速。现在,一辆悍马指挥控制站车搭建完成需要大约4个月,最快仅需100d。便携式卫星通信装置在数十分钟内即可搭建完成。4标准化结构化发展我国的卫星通信系统正处在快速发展阶段,美国在卫星通信装备上的发展对我军卫星通信装备的开发研制具有重要的借鉴作用。首先,我军卫星通信装备的研制需要做好技术体系的顶层规划设计。顶层规划设计至少应该包括军事需求分析、标准化系列化、可持续分阶段发展、高技术研发与使用等部分。军事需求分析保证了研发的卫星通信装备具有作战实用性;标准化系列化可以减少和避免产生烟囱式系统;可持续分阶段发展保证了每个时间阶段都有可以利用的装备并有后续升级的能力;高技术研发与使用则用以保证技术成果的及时应用,使装备保持较高的技术水平,从而满足高技术作战需要。其次,需要把训练和卫星应用装备研发紧密结合起来,形成二者的良性互动。在野战部队中要积极使用卫星通信装备进行指挥作战训练,提高部队训练装备的科技