中國西部地區(qū)專用通信衛(wèi)星系統(tǒng)構(gòu)想

· 文|中國空間技術(shù)研究院通信衛(wèi)星事業(yè)部 佟金成 毛新宏 楊顯強(qiáng)

中國西部地區(qū)幅員遼闊、地域廣袤，隨著改革開放的深入發(fā)展，西部地區(qū)憑借豐富的物產(chǎn)資源，在國民經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮了越來越重要的作用。同時，西部地區(qū)仍面臨著基礎(chǔ)設(shè)施相對落后的現(xiàn)狀，信息產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施和信息化水平落后于東部地區(qū)，制約了當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展。信息產(chǎn)業(yè)建設(shè)一直是西部大開發(fā)的重要組成部分，衛(wèi)星通信憑借廣域覆蓋、對地面基礎(chǔ)設(shè)施依賴少的特點(diǎn)，在中國西部地區(qū)的金融、能源、應(yīng)急通信、安全維穩(wěn)等領(lǐng)域可以發(fā)揮重要作用。

一、西部地區(qū)特征及需求分析[1]

西部地區(qū)地域廣闊，占全國面積50%以上；地理環(huán)境差，多沙漠、多高原、多高山、地形環(huán)境復(fù)雜、交通不方便；氣候環(huán)境差，高海拔地區(qū)長期積雪、晝夜溫差大、部分區(qū)域沙漠化嚴(yán)重、自然災(zāi)害頻發(fā)，地面線路維護(hù)成本高。

西部地區(qū)人口分布不均衡，地廣人稀，除了部分省會、首府等大城市外，人口多分散居?。还I(yè)基礎(chǔ)較差，相對不發(fā)達(dá)，國民生產(chǎn)總值較低，人均收入低于全國平均水平。但西部地區(qū)物產(chǎn)資源豐富，近年來勘探發(fā)現(xiàn)，西部地區(qū)蘊(yùn)藏豐富的石油、煤炭、有色金屬、風(fēng)力資源，但受自然環(huán)境及基礎(chǔ)設(shè)施的制約，保障條件差，開發(fā)難度較大。

西部地區(qū)是少數(shù)民族聚居區(qū)，主要包括藏、維吾爾、回、哈薩克等民族，各民族具有明確宗教信仰。

西部地區(qū)存在分裂勢力，以民族獨(dú)立為借口從事破壞活動，如東突、藏獨(dú)等。西部地區(qū)與眾多亞洲國家接壤，由于歷史原因造成部分區(qū)域存在領(lǐng)土爭端、邊境線復(fù)雜，存在領(lǐng)土沖突的風(fēng)險。

二、衛(wèi)星通信特點(diǎn)及衛(wèi)星技術(shù)

衛(wèi)星通信具有覆蓋范圍廣的特性，理論上利用3顆靜止軌道衛(wèi)星，即可實(shí)現(xiàn)對全球中低緯度地區(qū)的全覆蓋。在衛(wèi)星視場范圍內(nèi)的地面終端可通過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)進(jìn)行點(diǎn)到點(diǎn)或點(diǎn)到多點(diǎn)的多址通信。

衛(wèi)星通信在遠(yuǎn)距離通信上具有地面微波、光纖通信無法比擬的優(yōu)勢，建站費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用不因地面站之間的距離遠(yuǎn)近而變化，且不易受地面自然環(huán)境的影響。

隨著航天工業(yè)的飛速發(fā)展，通信衛(wèi)星能夠在較短的時間內(nèi)快速設(shè)計、制造并發(fā)射，目前民商用通信衛(wèi)星研制周期通常不超過3年。

衛(wèi)星通信目前正在向高頻段、大容量發(fā)展，Ku、Ka頻段的載荷帶寬可高達(dá)幾百兆到幾個吉赫茲，若結(jié)合頻率復(fù)用、極化復(fù)用技術(shù)，系統(tǒng)容量可進(jìn)一步擴(kuò)大，可支持各種類型的多媒體業(yè)務(wù)，如語音、圖像、視頻等?？蓱?yīng)用的領(lǐng)域可涵蓋通信、廣播、教育、醫(yī)療、氣象、交通、金融、安全等各方面。

隨著空間微波技術(shù)的發(fā)展，轉(zhuǎn)發(fā)器的末級功放功率正在逐步增加，例如Ku頻段可采用150W、Ka頻段可采用100W射頻輸出的行放，并可將多路末級功放進(jìn)行功率合成提高轉(zhuǎn)發(fā)器的輸出功率，同時利用高增益的點(diǎn)波束形成覆蓋區(qū)，可以實(shí)現(xiàn)較高的等效全向輻射功率（EIRP），提高系統(tǒng)容量，并減小終端尺寸。

動態(tài)功率調(diào)整技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)不同波束下的功率調(diào)整，可將星上功率資源調(diào)整到業(yè)務(wù)量大的波束，提高系統(tǒng)的效率。

通過設(shè)置可移動波束來滿足移動覆蓋區(qū)的要求，星上設(shè)置天線轉(zhuǎn)動控制器及驅(qū)動機(jī)構(gòu)，在地面指令的控制下，將天線轉(zhuǎn)到用戶需要的指向，形成可移動覆蓋區(qū)，可增加系統(tǒng)的靈活性。

相控陣天線具有能夠輻射大功率，數(shù)據(jù)傳輸速率高，能夠迅速、靈敏、準(zhǔn)確地進(jìn)行波束控向，以及能夠搜索、截獲、識別、跟蹤多個目標(biāo)等優(yōu)點(diǎn)，因此其在地基、空基等領(lǐng)域已經(jīng)得到較為廣泛的應(yīng)用。隨著空間技術(shù)的發(fā)展，以及衛(wèi)星通信抗干擾、波束在軌重構(gòu)、多波束以及波束快速掃描等應(yīng)用需求的不斷提升，相控陣天線在航天領(lǐng)域的應(yīng)用被廣泛關(guān)注。

星上基帶交換技術(shù)從交換方式上可分為電路交換和分組交換，電路交換即按照時隙進(jìn)行基帶信息交換，分組交換常用的有ATM交換和IP交換。與傳統(tǒng)的透明轉(zhuǎn)發(fā)及交鏈方式相比，星上基帶交換技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)更靈活的路由交換，提高系統(tǒng)使用效率。

三、西部專用衛(wèi)星通信系統(tǒng)構(gòu)想

1. 專用通信衛(wèi)星系統(tǒng)的基本思路

中國目前已有的廣播、直播衛(wèi)星系統(tǒng)在覆蓋區(qū)上已實(shí)現(xiàn)對西部地區(qū)的覆蓋，但從應(yīng)用模式的角度看主要業(yè)務(wù)領(lǐng)域為電視廣播、遠(yuǎn)程醫(yī)療、遠(yuǎn)程教育等。由于采用全國土覆蓋，賦形天線通常對業(yè)務(wù)量較大、雨衰較大的東南部國土地區(qū)進(jìn)行加權(quán)，西部地區(qū)覆蓋區(qū)天線增益相對較小。因此，常規(guī)衛(wèi)星系統(tǒng)不足以支持西部地區(qū)較小口徑地面終端接入，一定程度上影響了系統(tǒng)使用的便利性。筆者為此提出發(fā)展西部地區(qū)專用的通信衛(wèi)星系統(tǒng)，不采用長期以來的全國覆蓋的方式，通過利用高增益點(diǎn)波束、可動點(diǎn)波束、相控陣天線技術(shù)、星上路由交換技術(shù)等實(shí)現(xiàn)靈活地域覆蓋，滿足西部特定用戶需求。本系統(tǒng)可服務(wù)于：①西部地區(qū)主要金融機(jī)構(gòu)與北京總部、上海金融中心之間的數(shù)據(jù)通信；②西部地區(qū)石油、煤炭、有色金屬工程單位與總部的多媒體通信；③西部地區(qū)自然災(zāi)害突發(fā)地區(qū)抗震救災(zāi)及災(zāi)后重建的應(yīng)急通信；④西部地區(qū)突發(fā)事件地區(qū)與省會、首府、首都之間的特種通信。

2.專用通信衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)想

西部地區(qū)專用通信衛(wèi)星系統(tǒng)包括空間段和地面段組成，其中空間段為1顆靜止軌道通信衛(wèi)星，地面段由關(guān)口站及業(yè)務(wù)終端組成。

（1）空間段

空間段設(shè)置1顆靜止軌道衛(wèi)星，星上設(shè)置固定點(diǎn)波束、可移動點(diǎn)波束、相控陣波束來實(shí)現(xiàn)對重點(diǎn)城市、熱點(diǎn)區(qū)域的覆蓋。衛(wèi)星采用Ka頻段，該頻段具有天線增益高、通信帶寬寬的優(yōu)點(diǎn)。

衛(wèi)星設(shè)置6個固定點(diǎn)波束和4個可移動點(diǎn)波束，及2個相控陣波束。 6個固定點(diǎn)波束分別覆蓋北京、上海、西安、成都、拉薩、烏魯木齊。上述城市設(shè)立關(guān)口站，可以實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星系統(tǒng)與地面的互聯(lián)互通，同時也可滿足各覆蓋區(qū)內(nèi)終端與上述區(qū)域內(nèi)總部之間的業(yè)務(wù)通信，波束寬度0.5°，每個波束覆蓋國土面積約8萬平方千米。星上采用多饋源共用反射面方式來實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)波束覆蓋，并結(jié)合動態(tài)功率分配技術(shù)，根據(jù)業(yè)務(wù)量需求和鏈路衰減調(diào)整各波束功率分配,覆蓋示意圖如圖1。

>> 圖1 固定點(diǎn)波束覆蓋示意圖

>> 圖2 可移動點(diǎn)波束覆蓋示意圖

>> 圖3 相控陣天線模型

4個可移動點(diǎn)波束可根據(jù)地面指令驅(qū)動天線轉(zhuǎn)動，到達(dá)指定覆蓋區(qū)，波束寬度0.5°，覆蓋國土面積約8萬平方千米，覆蓋區(qū)可根據(jù)需求在國土范圍內(nèi)改變，也可通過4個頻分的點(diǎn)波束交疊覆蓋形成聯(lián)合覆蓋區(qū)。覆蓋示意圖如圖2。

2個相控陣波束可在地球視場范圍內(nèi)進(jìn)行掃描，可支持熱點(diǎn)地區(qū)波束駐留，用于實(shí)現(xiàn)特殊通信要求。天線的收、發(fā)模塊如圖3所示，為做到小型輕量化，放大器和移相器采用單片微波集成電路制作，圖中上半部分為發(fā)射天線，下半部分為接收天線，兩天線分別排列多陣元的方錐形喇叭[3]，調(diào)整好各陣元的相位可對波束方向進(jìn)行控制。

星上設(shè)置路由交換，采用子帶交換或者基帶交換體制，實(shí)現(xiàn)各波束內(nèi)、波束之間信息的靈活交換，并預(yù)留各波束與北京波束的雙向通道，確保重要信息能夠傳送到北京。

衛(wèi)星有效載荷主要技術(shù)參數(shù)如表1。

表1 有效載荷基本參數(shù)

（2）地面段

地面段包括關(guān)口站及地面終端。關(guān)口站采用大口徑天線和高功率功放，可以實(shí)現(xiàn)較高速率衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面的互聯(lián)互通，完成各波束內(nèi)終端與總部之間的數(shù)據(jù)傳輸。關(guān)口站計劃分布在北京和上海2個固定點(diǎn)波束內(nèi)。關(guān)口站采用大站的形式，并可集成衛(wèi)星通信系統(tǒng)的業(yè)務(wù)平臺、網(wǎng)絡(luò)管理、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)換等功能。關(guān)口站組成示意圖如圖4所示。

>> 圖4 關(guān)口站組成示意圖

地面終端采用中小口徑天線，可承擔(dān)傳輸中低速率業(yè)務(wù)通信，分布在固定波束、可移動點(diǎn)波束及相控陣波束覆蓋區(qū)內(nèi)，具有靈活、便攜、可移動的特性，可快速開展應(yīng)用。為了適應(yīng)西部地區(qū)氣候環(huán)境及野外使用需求，終端應(yīng)支持太陽能充電，并要求具有一定的抗寒、抗風(fēng)加固能力。

地面終端根據(jù)速率不同對應(yīng)不同尺寸的口徑，按照16kbit/s～2Mbit/s上行速率、100Mbit/s下行速率，終端天線口徑不超過0.6m。地面終端示意如圖5所示。

>> 圖5 地面終端示意圖

（3）系統(tǒng)應(yīng)用模式

在本衛(wèi)星通信系統(tǒng)下，各波束內(nèi)擬設(shè)定以下功能。

固定多點(diǎn)波束覆蓋北京、上海及西部4個主要城市，在系統(tǒng)中主要用于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面互聯(lián)互通，用于設(shè)置關(guān)口站、金融、能源公司總部或重要分支機(jī)構(gòu)，用于提供各類型業(yè)務(wù)平臺，網(wǎng)管中心或網(wǎng)管代理，用于將救災(zāi)、突發(fā)事件態(tài)勢及時傳送到指揮中心。固定波束主要覆蓋大城市，可采用較大口徑終端，傳輸高速信號。

可移動點(diǎn)波束用于覆蓋需要通信的區(qū)域，具有靈活特性，適用于金融服務(wù)、野外工程作業(yè)、突發(fā)自然災(zāi)害地區(qū)、邊境沖突或突發(fā)事件地區(qū)快速建立通信。波束下支持較小口徑終端，傳輸中低速率信號，支持多媒體信息傳輸。

相控陣波束具有電掃描特性，覆蓋區(qū)可快速移動，掃描范圍大，結(jié)合TDMA體制，適用于更廣闊區(qū)域的聯(lián)合通信，可在常規(guī)業(yè)務(wù)需求超過在固定點(diǎn)波束、可移動點(diǎn)波束傳輸能力的情況下，提供通信信道,也可為邊境沖突、突發(fā)事件或其他業(yè)務(wù)提供專門的通信鏈路。各波束內(nèi)、波束之間可建立點(diǎn)到點(diǎn)、點(diǎn)到多點(diǎn)的通信，下行支持波束內(nèi)廣播，便于終端接收。

[1]陳汝斌.西部開發(fā)衛(wèi)星通信的優(yōu)勢.第二屆全國西部衛(wèi)星應(yīng)用技術(shù)研討會,2001年

[2]王秉鈞,王少勇,田寶玉.現(xiàn)代衛(wèi)星通信系統(tǒng).電子工業(yè)出版社,2004年1月

[3]Yasuo Nakamura.Development results of a proto flight model of the Ka-band active phased array antenna for WINDS.Antennas and Propagation, 2006. EuCAP 2006.