美国空军为高级极高频卫星开发新能力

+ 李 妍 志英编译

目前，美国空军正在开发极高频系统，该系统是美国下一代军事战略和战术中继系统，可向美军及全球盟军可抗毁、受保护的通信。正式运行时，极高频系统将由4个卫星、一个地面任务控制中心和用户终端组成，可为处在各种军事行动冲突级别的作战人员提供联合的、可互操作的和有保证的连接能力。这种极高频系统还可作为一种智能交换系统，可根据用户要求建立、保持、重新配置以及分拆所需的通信电路，并能提供加密话音、数据、电传或者进行传真通信。极高频通信卫星系统之所以能够成功的一个关键因素是其能够提供可靠的、高速的、安全的、抗干扰的、抗毁的战术通信能力，而极高频波束成形网络（BFN）又是实现这些星载系统和能力的关键。

一、基本概况

已归于霍尼威尔公司麾下的EMS技术公司国防与空间处近日宣布，根据与诺斯罗普·格鲁曼公司签署的合同，他们已开始为第4颗极高频卫星构建高级极高频波束成形网络，又名“零陷器”。此卫星的所属合同方为洛克西德·马丁公司，极高频卫星项目的主承包商和整体空间系统管理方。诺斯罗普·格鲁曼公司只负责构建高级极高频卫星有效载荷，该有效载荷由处理器、天线、射频子系统和交链系统构成。首颗极高频卫星已于2010年10月14日送入轨道运行，并于2011年秋天实现了联机使用。

极高频卫星星座是在“军事星”星座的能力上加以构建的，因而可与“军事星”星座的通信系统实现互操作。此星座不仅能够提供相当于“军事星”星座10倍的数据吞吐量，而且还能同时提供“军事星”星座的低数据速率（LDR）和中数据速率（MDR）波形以及新极高频卫星极数据速率（XDR）波形。该星座具备抗干扰能力、低探测概率（LPD）、低截获概率（LPI）以及高级加密等防护能力。另外，这些波形可通过跳频方式实现窄带通信，从而能在该系统的全部带宽内进行移动通信。此外，极高频卫星还具备防核能力，因此可提供抗毁的受保护的通信能力，因而不会导致战术或者战略环境下的性能降级，因此该星座系统可为陆、海、空作战人员提供全面的服务。

二、极高频波束成形网络概念与工作原理

极高频波束成形网络是一种Q频段（EHF）上行链路卫星射频接收网络，属于高分辨率天线覆盖系统的一个组成部分，可为每颗卫星提供两点波束能力。该天线一般能对其全视野内的信号进行接收，但波束成形网络还可对其视野内的干扰信号实施一种“零陷”能力。一旦运行后，极高频波束成形网络将可以使所有视野内的干扰机变成零陷，是名副其实的“零陷器”。该功能是通过对视野内的多个射频接收端口进行叠加和组合来提供射频数据流而实现的。每个射频接收端口都可探测干扰信号，干扰一旦出现，这种“零陷器”便可对视野内的干扰源实施阻塞。

这种可对射频微波实施零陷作用的过程就如同使用遮阳板来防止太阳光直射眼睛一样。设想你将一个乒乓球举到一臂远的距离来阻挡你视野内的太阳光直射入眼。现在设想乒乓球的位置和大小可以自动控制，从而可使乒乓球位于你的眼睛和太阳之间来发挥持续的阻塞作用。这样你的视野内的其他景物就不会被屏蔽，能使你看到每一个地方，且不用直视太阳。此过程也就是干扰机出现时波束成形网络的运行方式。不友好的信号如敌军发射器信号则可被阻断（实施零陷），这样便可为视野内的其他区域提供清晰通信，且不会受到干扰机的影响。

这种零陷功能是通过对每个叠加的射频端口的振幅和相位进行单独控制来实现的。射频信号的采样可在多个端口完成，这些数据可被用来调节多个信道的多个相位和振幅，并能激发快速会聚功能来最小化干扰机的影响，从而使用户能够接入卫星业务。这些“零陷器”的尺寸和形状可以进行实时控制，以适应各类发射。来自各端口的合成信号随后会进行组合来提供射频数据流，以实施进一步的处理、解调和译码。波束成形网络系统可提供有保证的通信来应对敌意干扰机以及友军干扰源。

三、极高频波束成形网络的应用前景

极高频波束成形网络系统是基于EMS技术公司的设计理念进行设计的，该设计始创于“军事星”星座，类似的波束成形网络最早于20世纪90年代中期进行开发并交付使用。波束成形网络的微波部分是一种波导系统，由低噪声放大器（LNA）、相位-振幅控制器、射频交换机以及功率合成器构成。EMS公司开发的精密铁氧体相移器和交换机被用来实现射频控制要素。使用铁氧体可实现低损耗射频信号处理，并可提供对输入信号的宽带波束成形控制。所有这些要素都被组合进一种可由电子器件进行控制的网络，从而可将指令视作输入信号并转换成特殊的理想配置来实现与信号波形跳频的同步。所以，波束成形网络可利用冗余来实现自身系统的高可靠性。

霍尼威尔EMS公司目前正在不断地进行技术开发来提供各种系统，以解决作战人员对基于卫星的安全通信的依赖。此外，鉴于有效载荷能够很好地增强军事通信需求，EMS公司所开发的军用波束成形网络能力也正被应用于商业通信和直播卫星中。

商用波束成形网络可提供与极高频应用相似的能力，无需复杂波形便可阻止干扰信号以及非授权访问。随着军方越来越多地租用全球卫星通信容量，开发极高频波束成形网络将能从很大程度上缓解未来军方对持续安全通信的大量需求。