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1、低轨道卫星通道的军事应用pcrd曲嘶b曙tbedovcopmontShrILLS.fmilitarylow-orbitmtlJtomm,ication.Db咖目Bniorcy,life?rimmingpedodandstood.flow-orbit鞴.山坼andtbc叩茁vcra弘dk>w-ocbiL柏油hm岫脑址出吐t叫玎u岫bnr肚a帕forl吼1taJrymlqrm删somaaridcai豫n4u蕾dlw一堪戗IlatlJleccmmc.dcatonareat”咀K瑚岫im出诅ry躁mmur妇咖.1ow-obiL靖叫m唧m妇嘶.mte.ta伽糟驴re,ca一,概述地球卫星按照卫星离
2、地面最大高度h的大小.通常分为4类:(1)低地球轨道(LEOLowEarthOrbit)卫星:b.5000km,运行周期在4小时以下;(2)中地球轨道卫星:50O0krn<h<20000kin,运行周期约3l2小时(3)高地球轨道卫星:h,-20000km,运行周期大于l2小时;(4)同步地球轨道卫星:这是高轨道卫星的个特铡.h=35788.8km.运行周期t奉文于1992年5月20日收到.等于23时56分4.09秒(平均太阳时).卫星接重量又可分为:超大功率卫星,极大功率卫星,大功率卫星,中功率卫星,低功率卫星,小型卫星,经济壅卫星,微型卫星和烟盒式卫星.它们的轨道重量分别为:1
3、8000k以上,200018000,15002000kg,10001500kg,5O01000l(g,250500ks,100”250kS,l0lO0ks,10kS以下.轻型卫星(ughtSatetlit)则是泛指尺寸比较小,重量比较轻,功能比较单纯,制造比较简单,价格比较便宜,发射比较容易的卫星.LEO卫星通信通常就是使用轻型卫星,与其相应的地球站通常为背负式或便携式甚至为手持式.这种地球站比VSAT(VerySallApartu硎naJ)站更轻,更小,更简单,其天线往往不是面天线而是很短的挠性一25鞭天线.3O多年来.通信卫星的发展趋势是:体积越来越大,重量越来越重,转发器数量越来越多,功
4、能越来越复杂,功率越来越大,已经获得了巨大的成功但近年来随着军事战术通信需求和全球个人通信需求的急剧增加.低轨道轻型卫星又重新受到人们的青陕,但这决不是向卫星发展初期的返祖”和回退,而是建立在微电子技术,傲计算机技术,微机械技术的基础上的质的飞跃,是一种全新的卫垦通信技术.鉴于同步轨道卫星发射围难,费用高,时延长,传输损耗大,可容纳的卫星数量十分有限,难于对抗有意的摧毁等,人们期望有一种低轨道的静止卫星,为此曾提出两个设想方案是锚卫星(AnchorSateLlite),是把一颗锚卫星用高强度绳索悬挂在近36000km高度的同步卫星匕,其运行周期与同步卫星完全相同,美国宇航局计划在90年代进行实
5、验I二是蛛网卫星(Spidersat),此卫星重量极轻,有面积很大的蛛网天线,安置在地面上空800kin对地静止的轨道上.这两种设想有可能在下一个世纪得以实现,但并不具有现实的意义.相比之下,LE星出现故障或被摧毁.是无损大局的,而且敌方要摧毁整个卫一26一星簇;其代价是极其昂贵的.(4)轻型卫星用量大,更新快,所以适合于批量生产,加快工业化步伐.(5)地球站设备简单,便于”动中通”.另外由于电波传输损耗小,时延小.通信犹如地面通信一样方便,自然;二,LEO卫星通信发展情况1990年美国发射MACSAT卫星,重68kg.轨度高度740kin,星上可存储1.2兆字节的文件或图象数据,该星在199
6、1年的海湾战争中进行了文件及军需申请单的传送.美国陆,海,空军分别正在研制和实验自已的LEO卫垦通信系统,主要用于数据通信美国MOTOROLA公司1990年6月26日宣布了用77颗LEO卫星组成的覆盖全球的”铱通信网计划,拟于1996年建戒.瑞典计划发射LEO邮政通信卫星,工作于L频段.欧洲航天局(ESA)拟建立3040颗LEO卫星的通信和定位系统.前苏联1991年】月发射了”信息者一】号”LEO卫星,轨道高度1000km.用于进行国内空间通信.前苏联国际创新公司曾宣布用32颗LB0卫星组成覆盖全球的01sN(俄文为KOCKOH)通信网计划,拟于1994年建成.英国,日本,加拿大等国都在研制自
7、己的LEO卫星通信系统.西方还有许多大公司也提出了各自不同的全球LEO卫星通信方案.英国海军1991年提出了由数百个垒球大小的LEO卫星组成的通信系统设想台湾1991年也提出了发射一个LEO通信卫星的计划.甚至于一些大学和业余爱好者组织也要发射L皿卫星,以便于实现计算机联网通信.应该密切注视国际动向,跟踪研究先进技术,以高起点,大视野,深层次,低费用研制出适合我国我军使用的新型卫星移动通信网,也使我国在国际社会中占有自己应有的一席之地.三,LEO卫星的寿命地球卫星除了受地球i力作用外还要受到许多其它因素的扰动,如地球形状不规则,地质分布不均匀,地球引力场位异常,太阳的引力,月亮的引力,太阳光辐
8、射的光压力地球周围大气的阻力等.对于LEO卫星来说,由于轨道高度低,日,月引力的影响减弱.而地球不规则扰动引力和大气阻力的影响增强,太阳光压的大小不殖卫星的高度变化,但反射光压随卫星高度的降低而增强.大气阻力对LEO卫星影响很大,它会使卫星的高度逐渐下降,特剐是远地点高度下降得更快,使轨道长半轴减小,并使卫星运行韵椭圆轨道逐渐圆化.其原因是在近地点处卫星速度最大.大气又最密.卫星所受阻力也最大.阻力使近地点卫星动能消耗,以致卫星再没有足够的能量达到原来的远地点高度睫着卫星高度的下降.卫星运行的平均速度提高,运行周期缩短.随着卫星高度的降低.大气钓阻力进一步增加.当卫星进入高度约为t00km的近
9、圆轨道时,卫星落入较稠密的大气中,阻力急剧增加,卫星高度迅速下降,最后般于大气中.实践表明,当卫星高度在700kin以下时,大气阻力将严重影响轨道参数,缩短卫星的在轨寿命;丽当卫星高度超过10O01o-n是,可以忽略大气阻力对卫星寿命的影响.为了更直观地表明大气阻力对卫星寿命的影响,表1给出了卫星圆轨道高度与卫星在轨寿命的相关效据.表1卫星轨道高度和畴命(当卫星驻量为10.直径为lm时)表1中的数据只是提供了一种趋势和参考数量级,具体情况还蔫具体分析.卫星体积越小重量越轻,则可能寿命越长.或者说可允许配置于更低的轨道上.但霸的大多数LE0通信卫星是配置于约1000km高度的轨道上.对于椭圆轨道
10、卫星寿命也可按此加以推理.LEO卫星在轨寿命可能比同步卫星要差一些,但其性能价格比高,在有些场合是同步卫星无法取代的.所以它仍不失为同步轨道大卫星舳一种重要补充.四,LEO通信卫星的工作区域对于用户来讲,十分关心卫星的工作区域,地面覆盖区域,用户可见卫星的区域,用户可通信时间等.鉴于LEO卫星与同步卫星的不同.下面针对LFO卫星分别加以论述并给出相应的计算公式.1.用户可见卫星的毽域(1)用户可见卫星的极限区域其定义为地面上的用户按照几何关系可观测到卫星的最大空域.用户对卫星的最一27图l用户可见卫星的极限区域小仰角为.当卫星S出现在用户的u地平线以上时,用户u才可能与卫星进行通信.当卫星距地
11、面高度为H时,用户可见卫星的极限区域如图1所示,图中阴影区即是.通常用该区域所对应的地球中心角来表示该区域的大小.B的计算公式如下:=oos一R甭(1)式中1t=6378米,为地球的半径.图2用户期察卫星的不同仰詹(2)用户可见.卫星的实际区域实际上.当用户以不同的仰角观察卫星一28一圈s用户可.卫星的宴际区域时,用户的接收信号具有不同的信嗓比.伸角a越小,电波穿过大气层的路径越长,电波衰减大.用户接收到的有用信号就小,而接收到的大气噪声却变大,从而使用户的接收信嗓比变差.仰角越低,这种恶化越严重,不同仰角的传输路径如图2所示,可见仰角越小则电波穿过大气层的传输路径越长.为了避免用户接收信嗓比
12、严重恶化,在卫星通信中常设置一个仰角低限6,一般6=10.,用户天线指向卫星的仰角a必须大于或等于6才能正常进行通信.鄢么与6相应的用户可见卫星的区域即谓之为实际区域,如图3的阴影区所示.与该区域相对应的地球中心角之一半为:=eos-,()一6(2)卫星的工作区域乖地面覆盖区域(1)卫星的极限工作区域和扳限地面覆盖区域假设卫星天线的半功率角抽足够大,用户对卫星的最小仰角等于.那么卫星的极限工作区域(即卫星可见地球的最大范围)如图4中阴影区所示的圆锥体,而卫星对地面的极限覆盖区域则是,圆锥体的下沿所包围的地球表面卫星的极限工作区域和极限地面覆盖区域所相应的地球中心角是一样的,均为2,而8.c.s
13、(3)与之相应的卫星天线半功率角为20,而.一90.一890.一.一P,.-I盖区域.在这里是甩户仰角的条件比较宽松,而卫星天线半功率角的条件比较苛刻,成为限制卫星实际工作区域和实际地面覆盖区域的主要条件,其区域如图6所示相应的计算公式为:(2)当用户最低仰角等于仰角低限(即=6)而卫星天线半功率角足够大时,卫星的实际工作区域和实际地面覆盖区域.因为卫星的实际工作区域和地面覆盖区域大小既受限于用户的仰角低限大小.又受限于卫星天线的半功率角大小,这两个条件中如果那个条件严格,就成了制约该区域的主要条件.在这时用户的仰角就是主要条件,此时卫星的实际工作区域和实际地面覆盖区域如图5所示.相应的计算公
14、式为:图5用户仲角受眼时卫星舶实际工作区域和实两电面覆盖区域n_l(一(7)同样可以利用公式(5)计算出实际地面覆盖区的直径.当用户地心联线UO和卫星地心联线SO之间的地心角,最小的时候,用户对卫星的仰角a达到最大值e.,这时用户U离卫星星下点so的距离最近,这个最小的地心角,特别用来表示.e_与的关系如图7所示.而e_与之间的计算公式如下:一29(南隅)一em(7)e.与的关系曲线如图8所示,可见当越小时.e.越大,如果用户u就在星下点S.处,此=0.,则l-一9O.大多数情况下>,这种情况如图g所示.其,角与用户位置,卫星位置之间的关系式如下:o皤V=咖呻十c岱s(一)(8)式中:一
15、分别为用户的经度和纬度;,惦分别为卫星的经度和纬度.4.用户可通信时问用户可通信时间是指用户看见卫星的有效时间,它是考虑了用户对卫星的仰角在圈6卫星天线半功率角受限时卫星的实圈7与却的关系圈仰角低限以上.卫星波束半功率角也有限的情况,这些因素最终体现在用户可见卫星的实际区域所对应的地心角2.上,如图10所示.匿中用户的经纬度为和,卫星在地球上的地速(即卫星星下点在地球表面的轨迹)为so(-)一so).当卫星星下点为s?时,星下点和用户问的地心角为B,卫星开始进入用户可通信的视界.而卫星星下点为S.E)时,星下点和用户间的地心角为最小值两.卫星星下点为s.,时,星下点和用户间的地心角又等于8,此
16、时卫星将走出用户可通信视界.用户可通信视界所对应的地心角为2Au,其计算公式为:Au=o()(9)30(赛)圈8h与蜥的关系曲线若卫星在圆轨道上绕地球运行的角速度为co,那末用户利用该卫星可通信时间问隔为:一2Au:r.璺gIzu=(蒜)圈9用户和卫星阃的心角t因为已经假设卫星轨道为圆形,若卫星至地心的距离(即轨道半径)为a,则有:圆球.卫星在这种无扰动力或摄动力作用的条件下,运行完全符合开普勒三定律.卫星的运动总是服从万有引力定律的.可以把它看成是受中心力作用的质点运动.根据万有引力定律,地球对卫星作用的中心力为:FGM7m=m(14)式中:G=6.66846210一”km/ks?S2,万有
17、引力常数;M=5.97741410uIcg,地球的质量;GM一3986l3.52kin/s,开普勒常数im卫星的质量;r两个质点间,即卫星至地心的距离.开普勒第一定律:卫星以地球中心为一焦点,作二次曲线运动.由此可知,卫星的运行轨道一般是椭圆形.但在特殊情况下也可以是圆形,此时地心就是卫星轨道的圆心.卫一31星的糖圆轨道如图儿所示.BDSl0t一c?,F0E图u地球卫星的帏匮轨道该轨遭的平面极坐标表达式为:再:古聂(15)式中:r卫星至地心的距离;P半焦弦;e撼圆的偏一痒;E轨道半径与极轴之间的夹角.一P_(19)椭圆轨道的半焦距C-ae=一2一eP(2o)椭圆轨道的偏.C-gCr一.i一干一
18、32一h县一lhh+h县+2R(21)撼圆轨道的半焦弦P=a(1一e.)一堕(22)开普勒第二定律:连接卫星与地心的矢径在单位时间内所扫过的面积相等.即卫星在摊圆轨道运行时,它在远地点的速度最小,而在近地点的速度最大.当在圆形轨道E运行时,卫星作匀速圆周运动.由机械能守恒原理可推出卫星在轨道上任意位置的瞬时速度为:厂一v(一言)423)而在圆形轨道的匀速为;广=-一rV.一(詈一1)Y/a424)对匮形轨道来说hha=H,放a一-hA+he+RH+R.F-.一所以v一詈一百(25)开普勒第三定律:卫星绕地球公转周期的平方与椭圆半长轴的立方成正比.即当卫星在半长轴为a的椭圆轨道上运行时,其运行周
19、期为:zn?(26)式中半长轴a的单位为公里.同祥,对于圆形轨道来说;aH+RR是地球半径,通常取为6378公里,于是式(26)变为,T.:.矗.(H+6378)9.9518510(H+6378)(秒)=1.65864l0(H+6378)*(分)一2.7644l04H+6378)(时)427)现在.我们假设有一颗LEO卫星围绕地球作匀速圆周运动,当卫星在离地面不同的高度H(单位为公里)飞行时,可按式427)求出圆形轨道运行圊期To和按式(25)求出运行速度vo,同时按式(3)求出卫星的极限工作区域和极限地面覆盖区域所对应的地心角2B.并将这些计算结果一并歹入表2.表2LED卫星在离地球表面不同
20、高度作匀速圆周运动时的运行周期,运行速度,极限覆盖地面地心角HanV拈(I锄)(Ion)(mia)(km/s)(度)O6盯884.48497.90s6010o6,7886.1796844320-1620065丁88&48977.78452&33366780咀51537260341800692S560766舱39.56500B8789461187.B】弛43.96600697896.68277.55817.87700707898.7684504551.3.80o71781oo.868.97.,52054.6290072丁8l02.98114007575910007378105.1
21、1397.35C360.36n7178107.25827.301062.12007578109.,1687.252765.371啪7B781l15897205367.6611007丌8111.77691588Bg.83j5o078丁8115.9781113271.892000a378l27.1928897780.8530009378150.6321519694.30|0001o3丁82.79531975l04165o00113785551hx”5.0l89111.8】6000123783l8069bxr5.6748117.9710000163785.7942br.933t134.16l5o00
22、2188.64o8l啦r.31811|2820000263聘11.8431蝴1S互02250003l吕78l5.3652b咖s642156.5,13000036盯819.18051ur310215吼803500O虬8226781038162.27哪8&g|2164.6256.3.0747162.60如果LEO卫星砸绕地球按椭圆轨道运行,亦可按本文所给公式计算其轨道有关参数,只是计算麻烦一些,特别是卫星按椭圆外,从式(1)和式(3)可见,用户可见卫星的极限区域和卫星覆盖地面的极限区域在概念上是不同的,面在数值上是相等的.查表2可知,当卫星距地面高度为1000kin时,28=60.36=,
23、即8=30.1酽,再由式(5)即可计算出其极限地面覆盖区的直径为x=222.631=6719km,即两个用户利用该卫星进行直接通信的最大距离为6719km.同理按照公式一盖,可求出用户可见.卫星轨道的最大长度为z2(6378+1000)60.36一360=7772.58kin对于作匀速圆周运动的卫星,其速度为:=7.35kin/s所以用户可见卫星的最长时间为:AT=兰:1057.5秒:17.6分这里忽略了仰角低限的限翩,卫星波束半功率角的限制,也忽略了用户随地球自转的影响,并认为=.但上述计算却给出了数量级豹概念.比较严格的计算应按式(10)进行,将各种影响都体现在地心角中了.一33六,低轨卫
24、星通信的军事应用对军事通信而畜,LEO卫星通信部署快,费用低,覆盖面大,使用简单,特别适合于指挥员个人通信,在局部战争和地区危机中能有效地发挥作用.另外,世界的军事对峙正在由地面,低空转向高空,准能夺得制天权.谁就能改变军事力量的对比,LEO卫星通信能为空间战场提供广泛的通信保障,因而发展LEO卫星通信具有重大的国防意义LEO卫星通信兼备了同步卫星通信和地面通信二者的优点.它既适合予稀路由,轻业务量,恶劣地理环境下的分散用户的通信需求.又类似于地面通信的简单和有效,为用户提供远距离的类似于地面蜂窝网移动通信的服务.它不仅能在战争中,也能在地震,台风,水灾,火灾等自然灾害中提供临时的特别通信保障
25、.LEO卫星通信可为军事指挥和后勤保障提供话音,数据,传真,图象的双向通信,也可为探险,勘察,攫l绘等提供应急通信.也可为时统,警报,气象等提供单向广播式通信,还可为情报,核爆电磁脉冲,战场统计等提供单向数据采集服务,当然也可以实现电子邮政和计算机通信.如果发射多颗LEO卫星组成一个星簇通信网,还可以实现更多的功能.例如:利用星地链路和星际链路实现更远距离甚至全球的通信,你只需要知道对方的电话号码而无需知道他在什么地方,随时随地靠呼号即可联络i可在很大的域内建立无线电寻呼通信还可兼备卫星无线电定位业务,类似于全球定位系统(GPS).也就是税它为通信,定位,报知的一体化提供了实现的可能性和简易性
26、.如果限于财力,物力,只发射几个甚至一个LEO卫星,尽管不能实现任何时间任一34一何地点的全球通信,但仍然具有巨大的军事意义.当两用户处于同个卫星束覆盖区时可直接进行通信,不在同个波束覆盖区时可通过星际链路通信或由卫星进行存贮转发式通信.当卫星轨道为1000km左右时,卫星运行周期为100分钟左右,每天大约可通信十多次,每次可能十分钟左右.这在非常时期当然是十分宝贵的了对于战略导弹部队来说,LEO卫星通信同样具有重大意义:(1)是平,战结合的通信手段.颗LEO卫星可以覆盖我国的大部分地区.平时它可作为同步卫星通信的补充,一旦有战争,它可立即提供比同步卫星更安全,更保密,更机动,更抗干扰的通信保
27、障.而且一旦遭到摧毁,可迅速实现替换星的发射,从而增加了系统的可靠性.(2)是实现越级通信的廉价手段.实现最高统帅部对导弹发射的直接指挥,以及各级对下的越级指挥,它能提供快速,廉价的越级通信保障.-(3)是最低限度基本应急通信网(MEB心Mim】men虹alfgenc0Imlunicati0nsNetwork)的个重要组成部分.我们曾经研究过在核战争环境下,使用系留气球或直升飞机进行空中转发,以提供最低限度应急通信手段.相比之下,LEO卫星通信比系留气球或直升飞机通信质量好,范围广,价格低.而比之地波应急通信周(GwENGroundwaveE嗍encyNwork),它的通信质量,业务种类,通信
28、容量都占有绝对优势.()是多功能的军事通信手段.它可为深山老林,荒漠边疆的导弹部队提供通信,无线电寻呼,发布预警信息,卫星无线电定位,战场数据采集等综合性服务.(5)为机动作战部队提供了”动中通”的有效手段.七,关键技术(1)卫星小型化技术.例如光纤陀螺,微型机械,微型电源,微型转发器技术,微型高效能天线技术等.(2)LEO卫星发射技术.例如;一箭多垦发射技术,火箭搭载发射技术,专用小卫星发射火箭技术等.(3)卫星轨道预报技术.长期预报要提高精度,短期预报要提高时效.因为对个地球站而言,可通信时间仅数分钟,如果预报误差也为数分钟,就几乎无法使用了.必须使每个用户知道”卫星何时进入我的视界.(4
29、)地球站的微型化技术.人们希望地球站设备像:”大哥大”那样便携,天线最好用激带天线或挠性鞭天线,使用普通5号电池,能实现”动中通”.最好能机两用,一方面是卫星通信的地球站.一方面又可作为地面视距通信的端站.(5)卫星的存贮转发信息技术.使不在同一个时间覆盖区内的用户可经过存贮转发实现延时通信.(6)网络控制技术.(7)信息压缩和信息加密技术.(8)进一步提高卫星的抗摧毁,抗干扰能力,例如采用变轨技术,变频段技术等.参考文献1吕海衰.卫星通信系坑),凡民邮电出版社.990年6月2言中.丁子明.卫星无线电导航.国防工业出版社.1989年7月3现代电信科技,1991年lI期帕【aI删”cm.lIOp
30、a【.IMobileSacS嘲B吐叫1GI-Iz.1992(上接第24页)要求设备轻,小,移动性.携带性,操作简单,使用方便.(3)分布式通信体制的特点战术通信系统采用分布式无中心体制,与有中心体制相比较,主要具有如下特点,即:抗毁能力强,机动性强,协同组网灵活,反应快速,反电子对抗能力高及系统组成简单等.5.外军野战通信的发展方向(1)外军野战通信技术的发展方向外军野战通信技术的发展方向如下;装备镨型化,电台单兵化,信息数字化,业务综合化,翟盏广域化,网络立体化,工作智能化,功能模块化,对抗自适应化,制订标准化等(2)战术通信必将走向删DN通信业务的综合早已成为各国未来新型军事通信网所追求的主要目标.因为在未来的军事通信中,从业务上看,除报,话及数据外,尚需传输各种宽带业务;而从频域上看,将从极低频扩展到光波段.在2000年前后,美,英等几个先进国家可建成NISDN;而从2000年至2010年闾,在大量建设NiSI)N基础上,外军战术通信阿及整个军事通信网将向B-ISDN过渡并发展;预计2010年至2020年间,BISIN的各种技术条件将日趋成熟并开始大量应用.21世纪的军事通信,无论是战术,抑或是战略;无论是有线,抑或是无线;亦无论是固定,抑或是移动,凡军事通信的各种传输手段及各种通信设备,均必将朝着传输速率更高,传输媒介更多,智能功能更完善的军用LSDN方向发展一35
