如何通过IntelsatEpicKu频段卫星，完成机载情报监视和侦察任务

　　关于通过IntelsatEpic Ku频段卫星
　　完成机载情报、监视和侦察任务的介绍
　　文 | 任家熙 郭威
　　01 前言
　　在新冠疫情的催化下，百年未有之大变局加速演进，世界进入动荡变革期，大国博弈与战略竞争重新回到国际政治舞台的中心，与此同时，国家间政治经济矛盾催生的地区性军事冲突风险也在不断上升。
　　面对日趋复杂的安全形势和日渐严峻的安全威胁，世界大国都在加强国防建设，军备竞赛似有卷土重来之势。机载情报、监视和侦察（AirborneIntelligence SurveillanceReconnaissance，AISR）能力作为联合全域作战的重要支撑，是军事能力体系的重要组成部分。快速发展的新技术，不断涌现的新平台，以及日益增加的ISR需求，让很多国家的国防部门加大了对于AISR的预算支出，AISR市场已经迎来一个令人兴奋的拐点。
　　指挥、控制、通信、计算机、情报、监视和侦察（Command,Control, Communication, Computers, Intelligence, Surveillance,Reconnaissance,C4ISR）系统在完成超出可视距离任务时，主要依靠军用和商用卫星在X，Ku和Ka频段实现数据传输。Ku频段商用卫星如今已成为执行有人和无人机载情报、监视和侦察（AirborneIntelligence, Surveillance andReconnaissance，AISR）任务的主力军。
　　为适应未来的业务需求，减轻各种威胁以及满足预算要求，C4ISR系统需要实现更高的吞吐量、保护能力以及负载能力。IntelsatEpic卫星的多点波束技术可以实现更高吞吐量和通信效率，并且支持使用已经部署的卫星通信基础设施。下文将介绍IntelsatEpic Ku频段卫星是如何高效地完成机载情报、监视和侦察（AISR）任务的。
　　02 正文
　　通过与传统Ku频段系统进行比较，本文结合使用AISR系统在独特性和移动性管理方面的需求，对于IntelsatEpic卫星的体系架构进行了介绍。通过针对有人和无人任务场景下使用有代表性AISR系统的情况介绍，并与传统Ku频段和宽带全球卫星通信（WidebandGlobal SATCOM，WGS）系统在Ka频段的性能进行比较，对IntelsatEpic卫星进行了详细的性能分析。结果表明，IntelsatEpic Ku频段卫星可以为执行AISR任务提供良好的承载能力，能够很好地支撑下一代军用Ku/ Ka频段C4ISR基础设施。
　　总体介绍
　　如今，执行AISR任务的主要成本源于商用卫星通信（COMSAT）系统的带宽租赁费用，包括Ku频段。美国国防部指南建议未来的AISR系统同时支持商用的Ku频段和军用的Ka频段卫星通信系统[1]。本文通过与传统商用Ku频段和军用Ka频段系统的比较，分析和预测了AISR在IntelsatEpic卫星上的性能。Epic是Intelsat的新一代卫星平台，可以在不牺牲用户对于业务单元和硬件控制的情况下，提供全球高通量卫星通信服务。IntelsatEpic卫星利用C、Ku和Ka频段、宽波束、点波束和频率复用技术来提供一系列以客户为中心的服务。
　　一、IntelsatEpic卫星
　　1、系统架构
　　IntelsatEpic是一系列多点波束，频率复用率高的卫星[2]。卫星波束通常包括用户波束、关口站波束、宽波束和点波束。其中，用户波束和宽波束使用标准的Ku频段频率，关口站波束和点波束使用C频段和其它频段的频率，此外还提供了全球性的Ka频段波束。用户/宽波束与关口站/点波束之间的频率分集可以实现波束覆盖范围和带宽的最大化。该分集允许关口站/点波束与用户/宽波束对同一地区进行覆盖，而不会影响任何波束中的可用带宽。
　　关口站/点波束与用户/宽波束之间没有固定的连接。通过星上的数字交换矩阵，可以将任何上行链路的用户波束，宽波束，关口站波束或点波束连接到任何下行链路的用户波束，宽波束，关口站波束或点波束。支持包括环回在内的所有波束连接排列。关口站波束和点波束可以看作是高通量波束，可根据需要提供与任何用户波束或宽波束的连接能力。用户和宽波束主要用于远程终端，而关口站波束主要用于主站或电信关口站地面设备的中转和传输。尽管各种波束是为预期用途而量身定制的，但是所有站型（主站、控制站和远端站等）都可以在所有波束类型中运行。IS-33e的波束分布如下图1、2和3所示。
　　IntelsatEpic卫星支持在转发器带宽内的多个子信道中建立波束间的连接。一个点波束可以同时拥有多个连接。例如，用户波束＃7可能拥有一个26MHz的自身环回连接，一个与关口站＃1交互的26MHz连接，一个与关口站＃2交互的13MHz连接，以及一个与另一用户波束交互的13MHz连接等。由于Epic卫星系统处于不断发展中，波束连通性在卫星的整个生命周期内也会发生改变，以适应不断变化的需求。
　　用户波束频率和极化的选择被用来最大化波束间的隔离效果。较好的波束隔离效果可以转化为更高的接收信噪比（SNR），从而带来更高的卫星通信效率，通常以每兆赫兹（MHz）卫星频率资源传输的每秒兆比特率（Mbps）表示。根据已知和预期需求，某些用户波束被分配了与标称值不同的带宽。迄今为止，IntelsatEpic卫星上的大多数波束已经固定了覆盖区域，可以按需对覆盖区域进行移动和调整的可移控波束仍在计划中。
　　IntelsatEpic卫星支持开放的体系架构，用户可以基于上述的波束连接性，在其所需的网络拓扑结构（例如星状，网状，分布式星状）中部署自己心仪的地面平台。开放式架构还允许用户自主选择支持的数据速率，以及决定他们的网络是以专用还是共享方式运行。选择Ku频段作为用户波束有很多原因：
　　●存在庞大的Ku频段终端部署基础用户群，需要持续支持并不断提高性能；
　　●与传统的宽波束Ku频段卫星的兼容性，支持终端跨多个卫星平台运行；
　　●相比Ka频段更好的抗雨衰性能；
　　●当使用相同大小的点波束时，性能比Ka频段更好[3]。
　　如果证明确有市场需求的话，未来的IntelsatEpic卫星可能也会使用Ka频段用户波束。
　　多点波束和高频率复用技术的运用可以有效地缓解干扰，那些有意或无意的干扰者必须在同一波束内以才能产生干扰。如果在波束之外，卫星波束陡峭的滚降系数将提供好的隔离效果。此外，运行在交叉连接（例如，用户到关口站）方式下的波束更不易被检测到，因为在上行波束中的传输在该波束中是看不到的，而只能在地理位置上相距遥远的其他交叉连接波束中才能看到。
　　星上数字交换矩阵提供了另一层抗干扰保护。当检测到干扰时，可对星上交换矩阵进行设置，使其阻断干扰进一步传播的可能，这样干扰就可以被终止于卫星之中，或被切换到专门用于监视的波束和频率上。完成此操作后，可以将所期待的发射机的载波调谐到没有干扰的上行链路频段，并通过交换矩阵，下行连接到计划的频率上。
　　最后，就保护能力而言，更宽的带宽支持范围更宽广的受保护波形，并提供更佳的保护性能。IntelsatEpic卫星用户波束的转发器在名义上的带宽比传统Ku频段卫星上典型的36、54或72MHz以及InmarsatI-5全球业务波束上的32MHz都要更宽[4]。
　　IntelsatEpic卫星被设计为Intelsat现有固定卫星网络的补充和叠加。它们并不是要取代宽波束卫星，而是在需要高容量和高性能的地方进行扩展。Epic卫星将会被完全集成到Intelsat的现有卫星舰队和全球IntelsatOne地面网络中。
　　迄今为止，Intelsat已经承诺制造5颗Epic级别卫星，还有更多处于计划阶段。Intelsat将不断评估和更新其卫星发展战略，Epic卫星是该进程中不可或缺的组成部分。
　　2、与传统Ku频段卫星的比较
　　本节讨论IntelsatEpic卫星与传统的宽波束Ku频段卫星之间的性能差异，重点介绍了Epic用户波束的性能指标。IntelsatEpic卫星上用户波束的边缘EIRP为55dBW。相比之下，IS-IX卫星上的传统Ku频段点波束的峰值性能为53dBW。IntelsatEpic卫星用户波束的峰值为59dBW，在标称上超出其边缘值4dB。
　　换句话说，在整个IntelsatEpic卫星的用户波束覆盖范围内，卫星的EIRP可媲美甚至超过传统IS-IXKu频段点波束在波束峰值处提供的EIRP。类似于EIRP，IntelsatEpic卫星提供的G/T性能在整个用户波束覆盖区域内也可以媲美甚至超过传统卫星的波束峰值性能。传统IS-IXKu频段点波束在波束峰值处名义上提供9dB/K的G/T，IntelsatEpic卫星的用户波束在波束边缘提供8dB/K的G/T，在波束峰值则可以达到13dB/K。
　　3、在AISR中的应用
　　执行AISR任务通常要求使用较小的，发射接收性能处于劣势的天线终端。这种需求是受尺寸，重量和功率（Size,Weight and Power, SWaP）以及其他实际操作限制而造成的。IntelsatEpic卫星提供的高EIRP和G/T性能对于这些天线终端则是非常有利的。
　　IntelsatEpic卫星可以提供更高的G/T，这意味着现有天线终端的传输速率可以更高，或每传输1Mbps所需要的EIRP更低。由于IntelsatEpic卫星拥有较高的EIRP值，因此出现了一个有趣的现象：如果用户波束的转发器在饱和状态下工作，并且功率在整个可用带宽上获得平均分布，则典型的星间协调门限就会被超越，即下行链路功率谱密度（PSD）会过大，当然，IntelsatEpic卫星是不会以这种方式运行的。
　　转发器将在有足够输出回退（OutputBack-off，OBO）的情况下运行，以确保满足协调门限。这有两方面的重要意义：首先是能够提供较高的下行链路PSD，以及每赫兹频谱更多比特速率（bps/Hz）的高吞吐量，且无需购买更多的频率带宽或功率等价带宽；其次，这样的高下行PSD并不是在卫星转发器处于非线性工作模式下实现的，这对于在下行链路上采用幅度相移键控（APSK）是特别有益的。
　　二、AISR系统与技术
　　AISR卫星网络的典型特征是在其回传链路上（远端站到主站）的吞吐量较高，而在其前向链路（主站到远端站）的吞吐量较低，这种网络架构与传统的Internet冲浪或视频分发模型正好相反。因此，在AISR系统的卫星通信工程中，尤其是回传链路就需要进行特别的考虑。对于大多数系统，回传链路数据传输速率范围为1到20Mbps，其中10Mbps由于能够传输高清全动态视频、HD720p，以及其它应用平台或任务流量，所以格外引人关注。AISR系统可以分为有人和无人两种类型。
　　1、有人AISR系统
　　有人AISR系统通常用于商用飞机机体系统，带有支持ISR收集和发布功能的特殊设备。机身通常会限制天线的尺寸，直径为30至45厘米的基于反射面的天线通常用于Gulfstream和KingAir等较小的平台，更大的机身平台可以支持直径达到1米的天线，低轮廓的相控阵天线也很常见。有人AISR系统通常具有更大的前向链路吞吐量要求，因为流量不仅包括ISR数据，还包括其它基于IP的业务，包括语音和数据。
　　2、无人AISR系统
　　许多国家都拥有无人AISR系统，对于美国国防部而言，TierIII级和IV级无人AISR系统机群[5]是普遍支持卫星通信的，较为常见的天线直径为30厘米至1.2米。示例终端包括使用L-3通信公司的Ku频段卫星通信数据链路的捕食者侦察系统（PredatorReconnaissance System）[6]。回传链路数据流量通常是传感器数据，包括全动态视频（FullMotion Video,FMV），而前向链路数据流量主要是平台发出的指挥或控制命令。未来的传感器和相关任务将需要以更低的成本支持更高的回传链路吞吐量，将现有通信系统过渡到适应未来的卫星通信架构至关重要[5]。
　　3、AISR波形
　　当前正在使用的AISR卫星通信波形有很多种。本文将集中关注DVB-S2波形[7]，将其用于前向链路和回传链路操作以及SCPC网络配置。美国国防部正在向通用波形[5]过渡，而DVB-S2作为一种业已商用化的（Commercialoff the shelf，COTS）技术方法[8,9,10]，鉴于其在传输容量、性能和经济负担等方面的考量，已经成为人们的关注焦点。
　　三、AISR在Epic卫星上的性能
　　1、IntelsatEpic卫星与传统Ku频段卫星的性能比较
　　为了分析IntelsatEpic卫星的性能，本文根据IS-33e的预期性能进行了链路预算分析。所有链路在关口站波束中都有一副7.3米的主站天线，与位于某一用户波束中的远端站进行通信。前向链路（向远端站发送）和回传链路（从远端站回传）均采用DVB-S2格式[11]。
　　表Ⅰ远端站参数
　　对于天线直径在30厘米至1.2米范围内的远端站，分别在波束中央和波束边缘进行了链路预算分析。远端站的性能参数如表I所示。
　　对于在链路预算分析时载波大小的选样，需考虑其分配带宽（BW）与功率等效带宽（PEB）应该相等，以获得最佳的卫星效率，而这尚未考虑偏轴泄漏的限制，偏轴泄漏是指在天线主瓣之外（如旁瓣等），有可能对邻星造成干扰的泄漏发射。通过对若干配置的进一步分析发现，偏轴泄漏对于那些小于76厘米的终端的发射是有制约的。通过对链路预算分析进行调整，则可使得载波的大小和/或卫星资源分配达到预期效果。
　　典型的AISR终端天线直径范围为30厘米至1.2米。下表II中详细列出了位于波束中心的不同尺寸天线的回传链路性能，包括10Mbps固定传输速率和4.1MHz固定卫星资源下的结果。
　　表II. IntelsatEpic卫星的AISR终端性能
　　表III详细列出了表II两个部分中所使用的DVB-S2调制方式和前向纠错（FEC）编码方式，以及相应的卫星效率。
　　表III.7.3米主站天线下的IntelsatEpic卫星效率
　　需要注意的是，表II中的结果是假设卫星效率运行于最大的可能条件下得出的，即每个转发器的总Mbps都是最高的情况。而针对某单一终端EIRP，如果采用效率偏弱的调制方式和编码速率，则有可能获得更高的吞吐量。
　　表II中的发射EIRP值比正常的链路预算分析结果高1dB，以补偿假设存在的1dB天线罩损耗。表II中的HPA功率则是假设HPA的输出和天线法兰盘之间有0.5dB的损耗。如果终端的发射EIRP能力不同于表II中所示的能力，则可以相应地调整数据速率和卫星资源，而卫星效率则保持相同。
　　IntelsatEpic卫星的高G/T使得AISR终端在诸多方面的效率均获得了提升。首先，高G/T可以降低终端的EIRP，以及相应的偏轴泄漏。因此，从45厘米或30厘米直径终端通过IntelsatEpic卫星进行发射时，是不需要对载波进行扩频的。这完全不同于传统的Ku频段卫星，45厘米或30厘米直径的天线通常分别需要2到4倍的扩频。IntelsatEpic卫星无需扩频的特性可直接为用户节省带宽。此外，当使用更高效的调制和编码时，可进一步节省带宽。例如表III中所列的QPSK调制和5/6编码，而非当今常见的QPSK调制和2/3编码。
　　第二个效率增益之处源于这样一个事实：由于具有足够的EIRP能力和偏轴隔离能力，从76厘米或更大一些的终端进行发射时，IntelsatEpic卫星能够轻松地运行于最大的卫星效率，即占用带宽等于功率等效带宽（PEB）。在这样的效率下，任何76厘米或者更大一些的终端，当EIRP为53dBW时，都能够在IntelsatEpic卫星的波束中心和边缘分别实现速率高达40Mbps和8Mbps的上行链路传输。
　　表IV描述了针对不同终端的EIRP，从波束中心和边缘通过IntelsatEpic卫星所能传输的最大回传链路容量。如表II所示，表IV中的数值是运行于最大的卫星bps/Hz效率下获得的。同样对于给定的EIRP，还可以获得以转发器带宽为上限的更高吞吐量，但这将以降低卫星效率为代价。
　　表IV.使用7.3米天线的Epic卫星效率
　　机载卫星通信的常见终端大小为45厘米（18英寸），最大发射EIRP为44dBW。通过现有的Ku频段卫星，终端通常可以实现1.0到1.5Mbps的传输速率，而由于扩频，分别需占用5MHz和7.5MHz的带宽，这些数字是波束边缘和波束中心的名义数值。在IntelsatEpic卫星的波束边缘，4MHz带宽的传输性能可以改善到4Mbps，而在波束中心，5.5MHz带宽的传输性能则可以改善到7.6Mbps。这相当于实现了传输速率的四倍增长，而卫星带宽的占用则同时减少了20%。
　　2、IntelsatEpic与Ka频段系统的性能比较
　　根据[1]，未来的AISR系统将有可能支持商用的Ku频段卫星通信系统，也支持军用Ka频段WGS系统。在文献[7]中，经分析展示了WGS和传统的Eutelsat（欧洲卫星公司）Ku频段卫星通信的链路性能，而重点则在于DVB-S2ACM（自适应编码调制）特性所带来的收益。在本节中，我们把AISR终端和IntelsatEpic卫星纳入进来，对分析进行了更新。用于Ka频段系统的链路预算参数取自[12]。
　　表V比较了具有代表性的AISR系统在IntelsatEpic卫星和在美国国防部WGS系统Ka频段上的性能。链路性能参数在可用度和比特误码率方面保持了一致。正如前文所述，对两种场景进行了探索：一种显示的是当数据速率固定在10Mbps的情况下所需要的卫星资源，另一种则是在卫星资源固定在4.1MHz的情况下所能达到的数据速率。由于具有比传统的Ku频段更高的G/T，IntelsatEpic卫星提供的性能，在所有情况下均不弱于WGS系统Ka频段的最强性能。
　　表V. IntelsatEpic Ku频段与WGSKa频段回传链路对比
　　表V中的结果基于以下条件获得：
　　●Ka频段终端的EIRP，是在对总转发器的容量进行优化的情况下（1.2米，0.76米，0.45米），或者是在受偏轴能量限制的情况（0.3米）所获得的受制于功率的数值；
　　●根据文献[12]得到的Ka频段卫星性能；
　　●假设调制解调器的实际BER（误码率）在1e-8情况下有1dB的误差；
　　●可用度为99%，根据ITU-Model 7(国际电信联盟7号模型)，终端位于海拔3万英尺高度。
　　03 结论
　　根据无人AISR系统（UnmannedAISRSystem，UAS）的发展路线图文件[1]，无论是在当下还是未来，商用的Ku频段卫星通信都是AISR系统必不可少的组成部分。本文对文献[3]中的结果予以了拓展，确定IntelsatEpic卫星是改进UAS性能和AISR任务的关键性机会。与传统Ku频段宽波束卫星相比，可以确定现有AISR终端的传输数据速率在IntelsatEpic卫星上提高了4倍。
　　在Epic卫星上，现有的小型AISR终端的传输速率可达7.6Mbps，而大型终端的传输速率则可高达237Mbps。本文还对WGS系统Ka频段卫星能力进行了比较，IntelsatEpic卫星在一系列终端尺寸范围内所提供的性能均等于和优于WGS。根据本文的分析结果，相比于传统系统，利用IntelsatEpic和Ka频段WGS系统，未来AISR的任务性能将会得到大大改善。
　　参考文献：
　　[1] Departmentof Defense United States of America, ＂Unmanned systems integratedroadmap (FY2013- 2038),＂ Open Publication Reference Number14-S-0553.
　　[2] IntelsatEpic websites, http://www.Intelsatgeneral.com/ node/642,http://www.Intelsat.com/infrastructure/ Intelsatepicng/, 1 May 2014.
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　　＂Highthroughput Ku-band satellites for aeronautical applications,＂ IEEEMILCOM 2012.
　　[4] G.Nicola, M. Franci, ＂Rocket science made simple - satelliteconnectivity for aviation explained,＂
　　http://www.inmarsat.com/wp-content/uploads/2013/10/Inmarsat_Rocket_Science_Made_Simple.pdf.
　　[5] Headquarters,US Air Force, ＂United States Air Force RPA vector – vision andenabling concepts 2013-2038,＂ February 2014.
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　　[7] B.Bennett, D. Hannan, J. Marshall, R. Gibbons, ＂Link analysis ofcommercial and wideband gapfi ller satellite (WGS) satellites usingDVB-S2 with variable coding and modulation (VCM),＂ IEEE MILCOM2006.
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　　[10] Departmentof Defense United States of America, ＂Wireless CommunicationsWaveform Development and Management,＂ DoDI 4630.09, 3 November2008.
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　　[12] B.Bennett, K. Quock, J. Greeves, M. Nguyen, ＂DoD IP SATCOM transitionto WGS,＂ IEEE MILCOM 2007.