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战术卫星通信技术及作战应用

时间:07-31 00:00 阅读:135次 转载来源:战略前沿技术

摘要:远望智库:与智者同行,为创新加速专家库 | 人才库 | 企业库 | 项目库 | 投资机构库 | 招商信息库来源:电科小氙编译:阮贝娜1简 介当军事行动超出一个步兵连的战斗指挥控制范围时,超视距通信就显得尤为重要。小范围的地理区域通常可以通过视距VHF或UHF战斗网无线电实现通信。然而对于更高级梯队来说,需要

远望智库:与智者同行,为创新加速

专家库 | 人才库 | 企业库 | 项目库 | 投资机构库 | 招商信息库

来源:电科小氙

编译:阮贝娜

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简   介

当军事行动超出一个步兵连的战斗指挥控制范围时,超视距通信就显得尤为重要。小范围的地理区域通常可以通过视距VHF或UHF战斗网无线电实现通信。然而对于更高级梯队来说,需要跨越的地理范围更大,远距离通信需求也就加大了。

除了部队分级体系的垂直层级以外,不同的特种应用也依赖超视距通信手段。特种作战部队、远程侦察巡逻队、炮兵和联合火力观察员就是传统地面战斗的典型实例。城市和山区作战中,由于视距通信会被地面杂波和地形阻断,对超视距通信的需求更高。

传统超视距通信手段是HF无线电。这是一种鲁棒通信手段,只要有地波或电离层传播,它就能工作。但它需要高功率放大器(导致设备体积大、重量重和能耗高)和物理尺寸很大的天线,因而限制了其移动性。此外,尽管HF无线电足以进行话音传输,但数据吞吐量通常非常有限,要实现更高数据率,除了会有频谱管理问题外,还必须使用功率更高、尺寸更大的天线来支持高阶调制解调。

有一种方法可以解决上述问题。可以使用VHF或UHF进行超视距传输,只需加入中继即可。这样,发射机和接收机之间的无线电传播始终是视距传播,利用最佳定位的中继站确保信息传播越过障碍。这些中继站对于链路和网络的运行至关重要,因此它们是首要攻击目标,对它们的保护是重中之重。此外,这些站点的地理位置越高,覆盖半径就越大。综合考虑这两个因素,我们不难发现,部署中继器的最佳位置其实是在卫星上。

战术卫星是指在战场或作战区域中,直接用于军事行动指挥控制的卫星通信装备、服务和程序。战术卫星地面站使用的是专用军事装备,针对士兵的战场使用进行了优化。除战术通信外,军事卫星通信还包括从作战区域或战场到国家本土、或者距前线很远的上级指挥部的回传;原始情报或监视数据的高速率传输,通常还包括对未参与直接作战的部队和司令部的卫星通信支持。从技术上讲,这类卫星通信是通过类似于民用VSAT网络的系统实现的。

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技   术

2.1  UHF战术卫星

一般来说,战术卫星运行于UHF波段,尤其是225.000-399.995MHz波段范围。哈里斯公司制造的AN/PRC-117和-152电台就是属于这一波段硬件。现在也出现了一些采用军用Ka波段的应用,比如Rockwell Collins公司生产的单信道抗干扰背负式终端(AN/PSC-11 SCAMP)。

UHF战术卫星可以运行于专用单信道模式,利用一条物理无线电信道直接支持某一指定任务。这种情况下,会分配5或25kHz信道专门用于指定电台网。地面站在部署前就配置完毕(包括信道数量或频率,以及加密)。由于无论实际业务如何,该无线电频谱都专用于此项任务,因此这种模式只有在信道持续活跃或需要立即无条件访问信道时使用。

DAMA(按需分配多址)是UHF战术卫星的另一运行模式,这一模式采用特殊地面站,称作DAMA控制器,这种地面站可按终端请求为其分配时隙。这一模式的应用条件是:需要传输的业务是间歇性的,而地面终端的数量却很大。与专用单信道模式相比,DAMA模式能够使潜在战术卫星用户数量增加4到20倍,具体数量取决于访问控制方案和实际业务模式。然而需要控制器本身就是DAMA的劣势,并且还需要进行专门的管理培训才能对其进行配置。

专用单信道战术卫星的另一类不同的应用情境是通过卫星将地面电台网中继到偏远的作战区域;这种方式实际上将原本因距离或其它传播障碍而分隔的两个电台网融合为一个。

总的来说,战术卫星很适合“动中通”或“驻停通”运行。然而在此类情境中,原本用于静态传输的高定向性天线需要更换为主瓣更宽的天线,并且需用更高功率的放大器补偿增益损失。

2.2  UHF战术卫星向L波段扩展

UHF战术卫星的实际作战应用受到卫星容量不足的限制。由于卫星上的天线通常可覆盖可视范围内的半个地球,并且地面天线的波束相当宽,因而频率复用能力有限。因此,单纯添加能力相似的新卫星并无显著效果。Inmarsat公司认识到这一问题,与英国制造商Spectra公司合作,提出了一种解决方案,即在作战安全限制允许的情况下,将军事部队的部分UHF业务分流到Inmarsat的民用L波段卫星上。这种服务称为L-TAC,而使用L-TAC服务所需要的装备称为“弹弓”(SlingShot)。

图1  SlingShot系统示意图

L-TAC服务由Inmarsat的I-4卫星提供,这些卫星还提供商业宽带全球区域网(BGAN)、航空高速宽带(SwiftBroadBand)以及海事宽带(FleetBroadBand)服务。这些卫星是能力很强的高功率卫星,但没有像军用卫星那样进行过加固。另一方面,这些卫星生成的是点波束,因此能够在半球覆盖区域内提供空间隔离,能够针对地基干扰提供一定的保护。

与上述商业服务不同,L-TAC不是用后付费,而是由用户先实际租用卫星容量,且分配的卫星容量一直可用,这与UHF服务相同。在专用单信道模式或DAMA模式中,由用户负责根据所租用的容量设计和部署通信网络,DAMA模式中的DAMA控制器也由用户负责。   

L-TAC和UHF战术卫星最大的区别是实现了基于点波束的频率复用,这意味着租用的带宽仅在点波束内(地面直径约1000km)或区域波束内(地面直径约3000km)可用。Inmarsat可根据用户需求配置定制覆盖范围,在卫星覆盖的半球内连接邻近或远离点波束。这样覆盖范围就能适应作战区域需求,而在该区域外频率仍然可重复使用。

图2  L-TAC波束覆盖(上为点波束,下为区域波束)

L-TAC地面终端仍使用现有UHF战术卫星电台,减少了装备种类和后勤需求,简化了训练和部署工作。由于这些电台运行于UHF波段,而卫星运行于L波段,要使系统能够工作,需要采用变频器和相匹配的天线。SlingShot装置在基础电台天线连接器处对UHF频谱进行透明转换,然后再向卫星发射。在接收侧,SlingShot将L波段信号下变频到UHF波段,这样基础电台就能够像处理原生UHF业务一样处理该UHF信号。SlingShot并不会限制基础电台的能力和服务(例如话音或数据传输,或加密)。

图3  SlingShot与现有电台连接示意图

用军用电台传输加密作战指控控制业务要满足三个信息安全准则,即机密性、完好性以及在卫星和相关地面基础设施受到攻击(动能攻击、电磁攻击或网络攻击)时保持可用。在这些情境下,只有军用UHF卫星能够提供充分服务。但是在其他时候,比如训练期间或非战争军事活动期间,L-TAC和SlingShot对士兵来说是十分有用的工具。L-TAC的另一个特性是工作频率比UHF卫星高得多,人为和自然障碍物造成的衰减和遮蔽效应也比UHF波段高。对于天线来讲唯一要考虑的问题是面向卫星的自由传播路径,天线可以安装到面向敌人的地面传播受阻的地方,防止信号进入敌方的电子战接收机,从而保护我方不被探测、测向以及截获。这种阻隔在L波段比UHF波段更容易实现。

总之,L-TAC、SlingShot和军事战术卫星电台的组合可以提供弹性、有保证服务,只是加固措施不如军事卫星通信。

图4  多波束L-TAC示意图

如上所述,容量管理由用户方负责,Inmarsat则提供一条透明无线电信道。容量管理分为三种:空域、频域和时域。空域容量管理是指匹配点波束与作战区域。当某一点波束无法覆盖所需区域时,Inmarsat可连接任意所需数量的点波束。频域容量管理是指根据信息传输需求、指挥控制结构以及无线电波形,将25kHz带宽作为一个整体分配给某一任务,或将其分割成多个5kHz的小频段,同时支持多项任务。对于更大型的作战任务而言,一条25kHz的信道可能不够,可从服务供应商处订购两条甚至三条信道。时域容量管理是指将在某个任务内将多条信道分配给多个实际行动,必要时还可重新分配给不同用户群体。

2.3  军事VSAT

军事VSAT一般运行于X波段,但当卫星通信服务基础设施未受到威胁时,往往也会使用运行于C或Ku波段的商业VSAT服务。目前,也在兴起高通量Ka波段服务。

由于UHF战术卫星的信道带宽有限,此类系统的实际数据吞吐量通常为64kbps或更低,甚至不到1kbps(用于海上指挥控制系统时)。这使得UHF战术卫星不适于传输原始情报或监视数据,也不适于传输指挥官在形成作战计划时会使用的大量背景信息。相反,军事VSAT很适合此类应用,因为军事VSAT采用高功率放大器和孔径相对更大的天线,可实现几MHz带宽信道,能够支持10Mbps以上的数据传输。这意味着军事VSAT更适合连接已部署指挥部以及情报/监视数据汇聚节点。

也可实现军事VSAT卫星动中通应用,但十分浪费卫星带宽,因为小天线的无线电特性相对较差,因此应该仅在十分必要的情况下使用(例如机载指挥所或移动情报平台)。

然而,由于卫星容量是一种既稀缺又昂贵的资源(即使允许加入民用容量),因此必须考虑使用地面通信技术,例如使用HF电台代替战术卫星,以及用对流层散射中继替代军事VSAT,从而减轻卫星系统的负担,并使通信规划者能使用卫星系统支持真正需要的任务。

3
作 战 应 用

3.1 空-地融合——近空支援或医疗/伤员撤退

传统上,空地通信通过UHF波段视距连接实现。在实际情况中,地理和作战环境会严重限制这种视距连接,在城市或山区地形以及飞机(以直升机为代表)必须低空飞行时更是如此。

战术卫星可将通信距离扩展到支援飞机起飞的航空基地或前线作战基地,这样机组成员就能够在任意部队需要时随时直接连接到联合终端攻击控制员(JTAC),联合火力观察员(JFO)或末段引导操作人员,双方均可实现效率最大化。最重要的是,地面操作人员能够尽可能多地向机组成员提供他们掌握的信息,由于可以更早启动简报工作,因此不受时间限制;机组成员可以最大程度地使用地形掩护飞行,防止被敌军探测和攻击,同时接收甚至转发来自后方的战术情报。

针对医疗/伤员撤退场景,可利用战术卫星不断向接近的飞机报告伤员状态,也可利用战术卫星在伤员空运途中向接收伤员的医疗设施报告状态信息。

3.2 地-地融合——短程战术网扩展

传统上,地面部队的战术指挥控制通过VHF波段视距连接或HF地波传播实现。同样,尽管VHF波段更具弹性,但仍受环境因素影响。然而,链路几何布局问题和地形障碍只能通过升高天线高度克服,但在实践中,当电台由士兵携带或装在移动车辆上时,这种方式并不可行。在传统部队合同作战中,当班、排、连被分级组织起来并相应部署时,通信距离就在VHF范围内。而在和平支援行动中,情况却有所不同,这种情境中有时作战区域要大得多,有时部队会作为前方部署的掩护或警戒力量部署到其上级部队的地理边界之外。这些情境对VHF通信而言,距离过远;但对HF通信而言,需要传输的信息过多,带宽不足。

在这种情境下,部队内部的无线电网络可以采用地面VHF或UHF,辐射功率要尽可能低,使敌人难以进行测向。同时,可以通过战术卫星提供部队指挥官及更高级梯队指挥部之间的连接。利用地形掩护和定向天线(可行时)最大程度降低被敌方探测到的概率。

3.3 战术卫星-军事VSAT融合——面向战役或战略指挥部的回传

当作战区域远离上级梯队指挥控制机构时,部队与指挥机构可能不在同一卫星覆盖区内。当使用L-TAC点波束时,可能出现这种情况;当部队部署在海外时,甚至采用UHF也会发生这种情况。具有战略意义的军事行动有时需要来自位于本土的指挥控制机构的近实时监督和决策。这种情况下,卫星通信是在作战部队、战场中的指挥机构以及本土之间建立连接的唯一可行解决方案。为实现远距离通信,有时甚至是洲际通信,需要在多种卫星通信网络之间进行转发。

由于L-TAC服务费是基于点波束数量定价的,除考虑与作战和覆盖范围相关条件外,从经济因素考虑,也会优先考虑通过军事VSAT实现回传连接,而不是采用赋形L-TAC波束。

3.4 机载指挥所作战

机载指挥所是联合部队指挥部(JFC)的一个指挥控制单元,也是总指挥所(MCP)的一部分。另外,JFC的前线指挥所(FCP)也会设一个部署在直升机上的移动指挥单元(MCE)。例如有些是由旅级指挥部运行的设在直升机上的机载指挥所,美陆军的陆军机载指挥控制系统(A2C2S)就是一个典型例子。A2C2S是为伊拉克战争设计的,而Inmarsat的BGAN则用于民用服务。军用Ka波段高通量链路能够替代BGAN,战术卫星也能和高性能波形一起使用(通过UHF或L-TAC),提供高达64kbps的数据率,这与陆地VHF战斗网电台速率相当或者更快。

4
结   语

许多作战场景都需要超视距通信,而卫星通信是提供超视距通信的重要手段。战术卫星通常运行于UHF波段,但由于实际作战中容量的限制,也逐渐扩展到了L波段,而军事VSAT则一般运行于X波段。对于某些国家来说,由于缺乏可用的卫星容量,并不经常有战术卫星可用,但其需求却十分巨大。这类国家可以租用商用卫星服务提供战术通信,而Inmarsat公司开发的L-TAC服务就是一种可用于战术通信的商业卫星服务。

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