美國空軍為高級極高頻衛星開發新能力

+ 李 妍 志英編譯

目前，美國空軍正在開發極高頻系統，該系統是美國下一代軍事戰略和戰術中繼系統，可向美軍及全球盟軍可抗毀、受保護的通信。正式運行時，極高頻系統將由4個衛星、一個地面任務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人員提供聯合的、可互操作的和有保證的連接能力。這種極高頻系統還可作為一種智能交換系統，可根據用戶要求建立、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、數據、電傳或者進行傳真通信。極高頻通信衛星系統之所以能夠成功的一個關鍵因素是其能夠提供可靠的、高速的、安全的、抗干擾的、抗毀的戰術通信能力，而極高頻波束成形網絡（BFN）又是實現這些星載系統和能力的關鍵。

一、基本概況

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

極高頻衛星星座是在“軍事星”星座的能力上加以構建的，因而可與“軍事星”星座的通信系統實現互操作。此星座不僅能夠提供相當于“軍事星”星座10倍的數據吞吐量，而且還能同時提供“軍事星”星座的低數據速率（LDR）和中數據速率（MDR）波形以及新極高頻衛星極數據速率（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窄帶通信，從而能在該系統的全部帶寬內進行移動通信。此外，極高頻衛星還具備防核能力，因此可提供抗毀的受保護的通信能力，因而不會導致戰術或者戰略環境下的性能降級，因此該星座系統可為陸、海、空作戰人員提供全面的服務。

二、極高頻波束成形網絡概念與工作原理

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

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。設想你將一個乒乓球舉到一臂遠的距離來阻擋你視野內的太陽光直射入眼。現在設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揮持續的阻塞作用。這樣你的視野內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時波束成形網絡的運行方式。不友好的信號如敵軍發射器信號則可被阻斷（實施零陷），這樣便可為視野內的其他區域提供清晰通信，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的。射頻信號的采樣可在多個端口完成，這些數據可被用來調節多個信道的多個相位和振幅，并能激發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星業務。這些“零陷器”的尺寸和形狀可以進行實時控制，以適應各類發射。來自各端口的合成信號隨后會進行組合來提供射頻數據流，以實施進一步的處理、解調和譯碼。波束成形網絡系統可提供有保證的通信來應對敵意干擾機以及友軍干擾源。

三、極高頻波束成形網絡的應用前景

極高頻波束成形網絡系統是基于EMS技術公司的設計理念進行設計的，該設計始創于“軍事星”星座，類似的波束成形網絡最早于20世紀90年代中期進行開發并交付使用。波束成形網絡的微波部分是一種波導系統，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成。EMS公司開發的精密鐵氧體相移器和交換機被用來實現射頻控制要素。使用鐵氧體可實現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絡，從而可將指令視作輸入信號并轉換成特殊的理想配置來實現與信號波形跳頻的同步。所以，波束成形網絡可利用冗余來實現自身系統的高可靠性。

霍尼威爾EMS公司目前正在不斷地進行技術開發來提供各種系統，以解決作戰人員對基于衛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公司所開發的軍用波束成形網絡能力也正被應用于商業通信和直播衛星中。

商用波束成形網絡可提供與極高頻應用相似的能力，無需復雜波形便可阻止干擾信號以及非授權訪問。隨著軍方越來越多地租用全球衛星通信容量，開發極高頻波束成形網絡將能從很大程度上緩解未來軍方對持續安全通信的大量需求。