2.7 宽带卫星通信系统

2.7.1 系统简介

宽带卫星通信系统包含国防卫星通信系统（DSCS）、全球广播业务（GBS）系统、宽带全球卫星（WGS）系统和先进宽带系统（AWS）。

1.DSCS

DSCS是美军战略战术公用的军事卫星通信系统。该卫星通信系统计划起始于1966年的初始防御卫星通信系统（IDSCS）。在DSCS-1卫星发射成功后，DSCS-2、DSCS-3卫星紧随其后，历经三代的发展，到2003年，该计划共发射56颗卫星。DSCS-3首颗卫星于1982年发射，至2003年8月，计划的14颗卫星全部发射完毕，其现已经完全取代了DSCS-2。

DSCS星座由5颗工作的和4颗备份的DSCS-3卫星组成。星座位于赤道上空36000km处的地球静止轨道，覆盖范围为南、北纬75°之间。星座在东太平洋、西大西洋、东大西洋、印度洋和西太平洋5个区域提供通信服务。其后续计划是宽带全球卫星（WGS）系统，此计划以前称为宽带填隙卫星系统。

DSCS-3卫星以超高频（SHF）通信为主，在14颗卫星中，前10颗卫星中每颗卫星的通信总容量为100Mbps，后4颗卫星对SHF频段有效载荷进行了增强，使每颗卫星的通信总容量增加为200Mbps。

DSCS为美国的陆、海、空三军提供了安全可靠的全球通信服务，是美国军事超高频通信卫星网络的重要组成部分。其典型的应用包括全球军事指挥和控制、危机管理、情报和早期预警数据的中继、威胁监视，以及监视信息、外交通信等。

2.GBS系统

GBS系统是美国国防部根据未来信息战的需求，在商用卫星直播业务的基础上发展的用于军用信息传输业务的系统。它可为广大军事用户提供多媒体信息（如图像、地图、气象数据、后勤供应和空中飞行管制信息等）的连续、高速和单向传输。GBS系统与美国国防部已有系统通信能力的比较如表2-28所示。由表2-28可知，GBS系统将大幅度提高军事信息的传输速率，因此，美国国防部根据信息化作战需求，在商用直播卫星技术的基础上发展了GBS系统。

GBS系统分3个阶段实施。

第一阶段为1996—1998财年，任务是利用商业直播卫星进行技术试验，提出初步的试验方案，制定文件，租用商业卫星提供全球广播业务服务。

第二阶段为1998—2006财年，任务是将GBS有效载荷搭载在海军的三颗UFO（UFO-8/9/10）卫星上，提供初步的军事全球广播业务能力；设计制造用户终端和信息管理系统，将GBS系统接入国防信息基础设施，并完成与各种大容量信息源的连接。

第三阶段从2006财年开始，此阶段是组成具有全球覆盖能力星座的发展阶段。该阶段计划将全球广播业务有效载荷搭载在宽带全球卫星和先进宽带卫星上，使其具有全球覆盖的大容量视频和数据通信能力，能够满足美国国防部未来空间系统的整体要求，并保证与现有地面部分和信息管理系统完全兼容。在这个阶段结束后，GBS系统的空间段将提供对全球的近实时广播，每颗卫星的下行数据传输速率将达到Gbps量级；广播管理段具备资源自动分配能力；主注入站（PIP）的上行速率将达到Gbps量级，战区注入站（TIP）的上行速率将达到24Mbps。

3.WGS系统

WGS系统以前称为宽带填隙卫星系统，这是因为最初考虑到DSCS-3和更大容量的系统需求之间存在缝隙，所以利用WGS来填补这个缝隙。美军在以往实战经验的基础上，认为确保容量是美国军用宽带通信的主要目标。目前军用宽带需求由DSCS-3、GBS系统和商业系统所支撑，这些系统与规划中的WGS系统一起，构成了中间过渡的宽带系统，其最终将演变为AWS。

WGS系统不仅是DSCS-3、GBS系统两个宽带系统的延续和补充，而且其通信能力也有所提高，如表2-29所示。

WGS系统主要由空间段、地面控制段和用户段三部分组成。空间段包括多颗卫星；地面控制段主要用于控制卫星、传输和管理用户业务，以及管理和控制通信资源；用户段由各种用户终端组成。

WGS系统架构如图2-39所示，从图中还可以看到其与DSCS-3和GBS系统间的关系。

4.AWS

AWS是为了满足国防和情报界对宽带的需求及中继通信系统的需要而设计的。AWS是一种高容量通信系统，该系统由3颗卫星组成。该系统卫星工作在高容量的SHF频段和Ka频段，并使用激光卫星通信技术。Ka频段包括单向的全球广播业务有效载荷和双向的通信有效载荷。该系统将作为DSCS、GBS系统和WGS系统的后续系统。

2.7.2 DSCS-3卫星

DSCS-3卫星由前通用电子公司（现洛克希德-马丁公司）承建。首颗卫星于1992年发射，且全部卫星已于2003年发射完毕。

DSCS星座有5颗工作卫星和4颗在轨备份卫星，覆盖全球。DSCS-3卫星外形如图2-40所示，卫星的主要技术性能如表2-30所示，卫星有效载荷结构框图如图2-40所示。

DSCS-3卫星转发器频率配置与天线使用方式如表2-31所示。

在表2-31中，多波束接收天线是一副可控的、包含61个波束的多波束天线，该天线有波束成形网络。成形网络可形成和控制61个独立波束中每个波束的相对幅度与相位，从而形成不同大小、不同形状和不同方位的波束。为了抗干扰，其可在一个选定方向上形成零增益，并对干扰源自动定位。天线的波束受地面控制，以对特定用户提供最佳覆盖，或者产生零点来对付敌方的有意干扰。

在表2-31中，两副多波束发射天线各是一副可控的、包含19个波束的多波束天线，为了防窃听，可通过地面控制实现波束切换。

卫星EHF频段的5副发射天线与6台转发器以各种方式组合输出的EIRP如表2-32所示，EHF频段的3副接收天线与6台转发器联合工作时接收端的G/T如表2-33所示。通过地面对星上各天线与转发器的控制，可形成不同的系统结构，以满足不同用户的要求。

连接两副收发分离的UHF天线的单信道转发器（SCT）有效载荷是用于空军专用卫星通信-2（AFSATCOM-2）系统的，其转发器是再生处理转发器。为了满足不断增长的军事需求，DSCS-3的最后4颗卫星做了增强能力改进，称为延长使用寿命计划（SLEP）。SLEP型卫星使用了灵敏度更高的低噪声放大器，其转发器全部更新成了50W的行波管放大器。SLEP型卫星的通信容量提高了200%，可支持更小的终端，并将数据传输速率提高了30%。据美军评估，SLEP型卫星对战术用户的支持能力提高了700%。

2.7.3 DSCS-3用户终端

DSCS-3用户终端的主要技术特性如表2-34所示。

2.7.4 GBS有效载荷

GBS系统无独立的卫星，其有效载荷搭载在UFO（UFO-8/9/10/11）卫星上。搭载在UFO卫星上的GBS有效载荷结构框图如图2-42所示，GBS有效载荷的主要技术性能如表2-35所示。

GBS有效载荷采用4台130W的Ka频段转发器，每台数据传输速率为24Mbps，每颗卫星总容量为96Mbps。转发器控制单元（TCU）提供自动增益控制（AGC），可消除因气象条件或注入站EIRP变化等引起的接收信号变化，保持微波功率放大器（MPA）工作在饱和状态，同时提高了系统的抗干扰性能。

GBS有效载荷配置1副固定接收天线和1副可控的接收天线，允许宽带数据从固定站上行链路或移动站上行链路发射信号。

除有效载荷之外，GBS还配有全球覆盖的连续波信标，用于地球站的上行信号电平控制和自主跟踪。

2.7.5 GBS系统

1.系统架构

GBS系统架构如图2-43所示。整个系统包括空间段和地面段（含发射部分和接收部分，即应用系统）两段。

2.应用系统简介

（1）广播管理分系统：负责管理和控制GBS系统，对来自国家及战区的信息进行接收、分组组装及分发协调，还具备资源自动分配能力，以提高资源利用率。这部分包括两个功能单元：发送广播管理单元和接收广播管理单元。发送广播管理单元的主要目的是为每个GBS转发器形成最终的上行节目数据流。发送广播管理单元将按优先次序构成时间表来进行传送服务，以及处理特别用户的节目要求。接收广播管理单元与接收终端相连接，用来接收各种转发器的数据流，随后这些数据流在被解密并分解成单元数据流和文件后分送给用户系统。

（2）注入站位于图2-43中的发射部分，负责集中、组织、控制来自广播管理段的广播数据流，并发往GBS，有主注入站（PIP）和战区注入站（TIP）两种。前者为固定站，每颗卫星设置一个覆盖区，负责将GBS情报、数字地图、气象数据及管理数据发送给GBS，其最低上行速率为94Mbps；后者是移动站，用于把总司令和战区司令向战区战斗部队下达的战区特别信息直接发送给GBS，其最低上行速率为6Mbps。主注入站和战区注入站的主要技术性能如表2-36所示。

（3）用户终端位于图2-43中的接收部分，包括接收终端、解密设备和广播管理设备。接收终端接收GBS信号，解密设备只供应使用加密广播信号的用户，广播管理设备将解密后的广播信号转化为视频或其他格式以供使用。用户终端包括固定地面接收终端、便携地面接收终端、舰载接收终端、水下接收终端和机载接收终端。对所有接收终端的要求：当广播数据传输速率处于稳定的状态时，能够在无人值守的情况下工作；既能接收UFO卫星的20.2～21.2GHz频段的信号，又能接收一个以上的商用卫星频段的信号。

3.支持业务类型

GBS系统的目标是建立高带宽系统，并且完全与末端用户业务融合。为了实现这一目标，其可提供3类端对端业务：数据流业务、存储与转发业务和网络流业务。数据流业务包括视频/音频业务和串口流业务；存储与转发业务包括文件传送业务、电子邮件业务和Web业务；网络流业务包括公用工作图像复制业务、组播业务和互联网业务。

2.7.6 WGS系统

WGS系统的空间段是由10颗卫星组成的星座，每颗卫星有19副天线，形成19个波束覆盖。其中，X频段有8个可控成形波束和1个全球波束，Ka频段有10个指向可控的Ka频段波束。这些波束为南、北纬65°间的美军提供通信服务。

前3颗卫星，即WGS-1、WGS-2、WGS-3命名为WGS Block Ⅰ，随后的4颗卫星，即WGS-4、WGS-5、WGS-6和WGS-7命名为WGS BlockⅡ，最后的WGS-8～10命名为WGS Block ⅡA。后代Block卫星比前代Block卫星在有效载荷技术性能上有所改进。

WGS系统的卫星配置须覆盖全球北纬65°到南纬65°的区域。自2007年10月WGS-1成功发射以来，至2019年3月，已有10颗WGS发射入轨。

WGS外形如图2-44所示。

WGS BlockⅠ的主要技术性能如表2-37所示。

WGS有效载荷对地覆盖天线排列如图2-45所示；WGS有效载荷结构框图如图2-46所示。

卫星的X频段和Ka频段天线借助数字信道化器相互连接，从而使卫星具有独特的灵活性和连通性。WGS采用数字转发器操作技术，上行信号经过X频段和Ka频段接收天线后下变频到中频信号，之后输入到数字信道化器。中频输入信号在数字信道化器经模数转换后，在数字域内进行信道化和交换。数字信道化器可独立路由1753个带宽为2.6MHz的子信道，具有功率效率高和灵活性大等优点。数字信道化器和相控阵天线被当作有效载荷中最重要的部件。通过这些部件，任意覆盖区的上行信号可以传送到任意下行覆盖区，甚至可以向所有覆盖区广播。

图2-47给出了WGS X频段和Ka频段天线覆盖的带宽分配及信道化情况。在图2-47中，WGS将Ka频段1GHz带宽的上500MHz或下500MHz，以及X频段500MHz的带宽在每个天线覆盖区内以125MHz的间隔分成4个。其中，Ka频段的窄波束7、窄波束8和宽波束1天线还具有可变极化能力。从图2-47中可以看出，WGS共有19个天线波束覆盖区，其中Ka频段有10个、X频段有9个（其中一个全球覆盖）。上行共有3种带宽（125MHz、47MHz和50MHz）的39个信道，其中：Ka频段带宽为125MHz的信道有22个；X频段带宽为125MHz的信道有13个，带宽为47MHz的信道有3个，带宽为50MHz的信道有1个。下行与上行对称。

2.7.7 WGS系统宽带通信业务

按照美军的研究论证，WGS系统所提供的宽带通信业务主要有3类：Ka频段全球广播业务；代替DSCS-3卫星的通信业务；无人机数据转发业务。

1.Ka频段全球广播业务

以前美国国防部的卫星全球广播业务是通过搭载在3颗UFO卫星上的Ka频段载荷来实现的。现在WGS提供与UFO卫星的全球广播业务相似的广播能力，不同的是，WGS将提供Ka（30GHz）和X（8GHz）两个全球广播业务注入频段，且频段可交叉。

全球广播业务的任务主要是将由军事指挥机构、战场各种信息情报侦察设备获取的信息汇总管理后，通过位于夏威夷（Hawaii）、诺福克（Norfolk）、西格奈拉（Sigonella）的固定主注入站及位于韩国和美国本土的移动战区注入站注入给卫星，再广播给战区各类作战单元，如军舰、潜艇、装甲车、单兵等。

全球广播业务载荷是从民用领域转入军用领域的，采用DVB-S、DVB-S2的数据格式，早期在Galaxy XR、UFO卫星上使用。随着美军军事信息网络的发展，全球广播业务系统已经纳入美军各战术网络（全球信息栅格、无人机、无线自组织网络）交互的IPv6网络。

2.双向通信业务

发展WGS的一个目的是提供更大带宽的X频段和Ka频段的双向通信，代替DSCS-3卫星，且要发展“动中通”双向通信业务。表2-38所示为双向通信X频段的典型通信地球站的主要特性。

3.无人机通信业务

WGS系统的第二代卫星设计了“射频旁路”模式，可将多个带宽为125MHz的信道集合成2×400MHz的信道，以支持通过无人机的空基情报监视侦察功能。

“全球鹰”无人机为美国国防部和政府提供战场及其他感兴趣地区的可见、红外或偏振等光学图像情报，并可提供环境检测/采样信息，这些信息使得“全球鹰”的通信链路带宽达到274MHz。WGS将利用Ka频段实现与“全球鹰”平台的互联，这足以支持“全球鹰”和其他无人机的图像情报传输。