空間太陽能電站涉及空間無線電規(guī)則研究

江帆 侯欣賓 許國彩

1 引言

空間太陽能發(fā)電是利用發(fā)射大型太陽能衛(wèi)星，在地球靜止軌道吸收太陽能并轉(zhuǎn)化為電能，然后以微波或激光為介質(zhì)把能源傳送回地面的大型天線站（或天線陣群），并最終轉(zhuǎn)為基本電力。利用空間太陽能發(fā)電，可以解決太陽光穿過大氣時因受到吸收和散射而減弱的問題，被認(rèn)為是能夠解決能源問題的有效途徑之一。作為一個新興技術(shù)，當(dāng)解決了發(fā)電方式、微波輸電等這些制約空間太陽能發(fā)電站的關(guān)鍵技術(shù)之后，對空間太陽能發(fā)電這種新型技術(shù)的合法性和安全性的研究就提上了日程。

2 國際電信聯(lián)盟關(guān)于無線能量傳輸?shù)囊?guī)則研究

無線能量傳輸（WPT）技術(shù)是空間太陽能衛(wèi)星的基礎(chǔ)，它是將能量以電磁波為載波從空間傳輸?shù)降厍?。除空間太陽能衛(wèi)星外，無線能量傳輸技術(shù)還廣泛應(yīng)用于其他很多領(lǐng)域，在以國際電信聯(lián)盟（ITU,簡稱國際電聯(lián)）為主的國際主流平臺范圍內(nèi)得到廣泛研究。

國際電聯(lián)是主管信息通信技術(shù)等相關(guān)事務(wù)的聯(lián)合國機構(gòu)，負(fù)責(zé)分配和管理全球無線電頻譜與衛(wèi)星軌道資源，制定全球電信標(biāo)準(zhǔn)，促進全球電信發(fā)展。國際電聯(lián)下分多個部門和若干工作組和研究組，負(fù)責(zé)研究各類與無線電相關(guān)的議題。其中，ITU-R WP1A工作組的研究領(lǐng)域為頻譜工程技術(shù)，當(dāng)前正就“無線能量傳輸”開展相關(guān)研究（課題號為ITU-R 第210-3/1）。這項議題最初提出該課題的時間是1997年，之后幾經(jīng)修改，終于在2012年確定了研究內(nèi)容和研究時間表。具體研究內(nèi)容如下：

1）適合開展無線能量傳輸?shù)念l譜使用類別；

2）適合開展無線能量傳輸?shù)念l段；

3）采取措施，以保證包括射電天文業(yè)務(wù)在內(nèi)的無線電通信業(yè)務(wù)免受無線能量傳輸操作的影響。

為解決以上問題，需在以下方面開展研究，包括：

1）已經(jīng)使用無線能量傳輸技術(shù)開發(fā)出的應(yīng)用；

2）使用無線能量傳輸技術(shù)進行的無線電波發(fā)射所具有的技術(shù)特性；

3）無線能量傳輸?shù)娜驑?biāo)準(zhǔn)化情況研究。

目前國際電聯(lián)已就以上問題制定了研究計劃時間表，并就某些問題達成了一致，形成了相關(guān)建議書和報告。大體來說，WPT 應(yīng)用可分為三種類型：

1）通過較寬的波束把功率傳輸給近距離的多個用戶，如移動筆記本電腦、移動電話等。這種應(yīng)用傳輸?shù)牟ㄊ鴮挾群艽螅虼诵枰芯科涫欠駮ζ渌麩o線電業(yè)務(wù)造成干擾，也需要研究其是否會對人體造成危害。

2）在接觸的區(qū)域進行無線能量傳輸。因為在這種應(yīng)用類型中，電磁波能量是對接觸區(qū)域或離得很近的區(qū)域進行傳播，因此不需要對這種應(yīng)用做過多的規(guī)則限制。

3）利用窄波束對單個用戶進行短/長距離的無線能量傳輸。太陽能發(fā)電衛(wèi)星的無線能量傳輸即屬于這種類型的應(yīng)用。由于這種場景的傳輸功率非常高，需要特別研究對其他無線電業(yè)務(wù)的干擾或者對人類的危害，還要采取一定的安全防護機制。

盡管針對太陽能發(fā)電衛(wèi)星的無線能量傳輸技術(shù)已經(jīng)納入了國際電聯(lián)的研究范疇之中，對功率和傳輸距離也有了初步的估計，但經(jīng)過多年的研究后卻并沒有確定其使用的頻率范圍。此外，國際電聯(lián)給出了上述研究的截止日期，即完成上述研究應(yīng)在2019年之前。但從目前的研究進展和成果來看，2019年之前，國際電聯(lián)只能就部分內(nèi)容完成研究并形成研究報告，涉及到較為復(fù)雜的無線能量傳輸技術(shù)，如本文所研究的涉及空間太陽能發(fā)電衛(wèi)星無線能量傳輸技術(shù)，研究時間恐怕需要增加10年甚至更長。

3 空間太陽能電站可用頻率分析

無線電頻率是無線能量傳輸?shù)拿浇?，在開展太陽能電站無線能量傳輸研究時，必須首先確定電波頻段范圍?！稛o線電規(guī)則》是國際電聯(lián)對國際無線電通信管理的基本法規(guī)之一，定義了42 種無線電業(yè)務(wù)的頻率劃分規(guī)定，是包括我國在內(nèi)的眾多電聯(lián)成員國合理、經(jīng)濟、有效使用無線電頻率資源的重要法規(guī)依據(jù)。盡管目前為止，在《無線電規(guī)則》中并沒有為空間太陽能衛(wèi)星的無線能量傳輸預(yù)留一席之地，但包括美國國家航空航天局（NASA）在內(nèi)的多數(shù)國家和組織都將該研究的頻段定在了2.45GHz 或者5.8GHz，即利用《無線電規(guī)則》中為工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療（ISM）劃分的頻段。在國際電聯(lián)目前的研究中，無線能量傳輸相關(guān)的應(yīng)用也暫時使用了ISM 頻段。

ISM 的定義

《無線電規(guī)則》第1.15 款將ISM 應(yīng)用定義為“能在局部范圍內(nèi)產(chǎn)生射頻能量，并利用這種能量為工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)療、民用或類似領(lǐng)域提供服務(wù)的設(shè)備或器械的運用，但不包括電信領(lǐng)域內(nèi)的運用”。

從定義上說，由于無線能量傳輸使用的無線電波是不攜帶任何信號、信息、圖片的，是一種不同于以往傳統(tǒng)的無線通信模式的新型傳輸方式，同時空間太陽能衛(wèi)星的無線能量傳輸是為工業(yè)應(yīng)用的，是符合《無線電規(guī)則》對ISM 應(yīng)用的定義的，但是截至到目前，沒有任何規(guī)則條款明確表明空間太陽能衛(wèi)星的無線能量傳輸屬于ISM 應(yīng)用。

頻段及相關(guān)規(guī)定

根據(jù)《無線電規(guī)則》第5.138 條款，下列頻段：6765 ～6795kHz，433.05 ～434.79MHz，61 ～61.5GHz，122 ～123GHz，244 ～246GHz 指定給ISM 使用。

根據(jù)《 無線 電規(guī)則》 第5.150 條款， 列頻段：13553 ～13567kHz，26957 ～27283kHz，40.66 ～40.70MHz,902 ～928MHz,2400 ～2500MHz，5725 ～5875MHz，24 ～24.25GHz 也 指 定 給ISM使用，這些頻段內(nèi)工作的無線電通信業(yè)務(wù)必須承受由于這些應(yīng)用可能產(chǎn)生的有害干擾。在這些頻段內(nèi)ISM設(shè)備須按照第15.13 款規(guī)定進行操作。

對于ISM 設(shè)備可能產(chǎn)生的干擾問題，《無線電規(guī)則》第15.13 條款的規(guī)定為：各主管部門應(yīng)該采取一切可行和必要的步驟，以保證使ISM 所用設(shè)備的輻射最小，并保證在指定由這些設(shè)備使用的頻段之外，這些設(shè)備的輻射電平不會對按照本規(guī)則條款運用的無線電通信業(yè)務(wù)，特別是無線電導(dǎo)航或任何其他安全業(yè)務(wù)造成有害干擾。

與其他業(yè)務(wù)的兼容性分析

在《無線電規(guī)則》中，2.45GHz 和5.8GHz 還劃分給了除ISM 應(yīng)用外的其他業(yè)務(wù)，其中也包括衛(wèi)星導(dǎo)航等涉及到人身安全的業(yè)務(wù)，在世界范圍內(nèi)有著廣泛的應(yīng)用。與這些業(yè)務(wù)的兼容性分析是未來太陽能電站選頻的重點工作。通過兼容性分析，確定傳輸?shù)墓β氏拗?，帶外發(fā)射限值要求，以及其他工作限制條件等。

（1）2400 ～2500MHz 頻段

該頻段內(nèi)劃分的業(yè)務(wù)包括固定、移動、無線電定位、衛(wèi)星移動業(yè)務(wù)以及衛(wèi)星無線電測定業(yè)務(wù)。

2400 ～2483.5GHz 頻段是短距離無線移動通信的重點頻段，人們?nèi)粘Ｋ褂玫臒o線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（如：ZigBee、藍牙、WiFi 等）都工作在這個頻段。

2483.5 ～2500MHz 頻段目前的主要業(yè)務(wù)劃分給衛(wèi)星移動業(yè)務(wù)和衛(wèi)星無線電測定業(yè)務(wù)。美國的全球星星座系統(tǒng)就是使用這段頻率開展衛(wèi)星移動業(yè)務(wù)的代表，歐洲的伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和我國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)則是使用這一頻率開展衛(wèi)星無線電測定業(yè)務(wù)的典型代表。鑒于衛(wèi)星導(dǎo)航是可能涉及到人身安全的業(yè)務(wù)，且業(yè)務(wù)區(qū)為全球覆蓋，因此建議太陽能電站選擇頻率時避開這段頻率。

（2）5725 ～5875MHz 頻段

該頻段內(nèi)劃分的業(yè)務(wù)包括無線電定位、衛(wèi)星固定、固定、移動業(yè)務(wù)。不停車電子收費系統(tǒng)和智能交通中的短距離通信系統(tǒng)是該頻段固定和移動業(yè)務(wù)中最廣泛的兩種應(yīng)用。

5725 ～5850MHz 頻段是點對點或點對多點擴頻通信系統(tǒng)、高速無線局域網(wǎng)、寬帶無線接入系統(tǒng)、藍牙技術(shù)設(shè)備及車輛無線自動識別系統(tǒng)等無線電臺站的共用頻段。

5850 ～5875MHz 頻段是包括我國在內(nèi)的大部分通信衛(wèi)星所使用的頻段（工程上通常稱C 頻段），而這些通信衛(wèi)星大部分位于與空間太陽能衛(wèi)星相同的地球靜止軌道。據(jù)粗略統(tǒng)計，在地球靜止軌道上空幾乎每隔2°就有一顆包含5.8GHz 頻段的衛(wèi)星（太平洋上空除外），目前在全球上空的C 頻段衛(wèi)星已經(jīng)超過了100 顆。

4 用頻建議

盡管目前空間太陽能電站的候選頻段鎖定在了2.45GHz 和5.8GHz 兩個頻段，但是必須注意的是，目前空間太陽能在《無線電規(guī)則》中還不是一個合法的應(yīng)用，無論選擇哪一個頻段，都必須通過國際電聯(lián)將該應(yīng)用合法化，使之在《無線電規(guī)則》中有一個合法的地位，才能最終合法使用。在目前這個階段，需要重點分析哪個頻段最合適進行空間太陽能傳輸，之后再在國際規(guī)則層面通過各種會議將這個最適合的頻段納入國際規(guī)則的范疇體系。

2.45GHz 頻段

這個頻段目前主要是應(yīng)用于無線局域網(wǎng)等熱點使用，和另一個目前的候選頻段相比，2.45GHz 更適合應(yīng)用于空間太陽能的無線能量傳輸。因為通常情況下，無線局域網(wǎng)一般應(yīng)用于人口密度較大的地區(qū)，而太陽能電站的地面接收站必然會選址于一個相對空曠、人煙稀少的地區(qū)，同時由于占地面積較大（典型整流天線口徑為4km），因此可以利用地理隔離的方法與無線局域網(wǎng)所部署的地區(qū)隔開,這樣不會產(chǎn)生頻率的干擾，同時也避免了對人體有害輻射以及造成不必要的生態(tài)危害等。

要選定2.45GHz 作為空間太陽能電站的無線能量傳輸頻率，需要開展理論和試驗研究，確定空間太陽能電站接收站選址的原則，如與公眾區(qū)域的隔離距離、隔離措施，以及與之相關(guān)的一些規(guī)則要求，包括發(fā)射功率、帶外功率限值要求等。確立這些，可以有效地解決與其他業(yè)務(wù)，特別是無線移動業(yè)務(wù)的同頻干擾問題。

5.8GHz 頻段

由于這個頻段是包括我國在內(nèi)的大部分通信衛(wèi)星所使用的頻段，而這些通信衛(wèi)星大部分位于地球靜止軌道，與空間太陽能衛(wèi)星所在軌道相同。使用這個頻段的優(yōu)勢在于，目前通信衛(wèi)星上的射頻組件經(jīng)過長期的在軌驗證都已經(jīng)成熟，如星上行放、固放等器件，不需要另行研制。同時，缺點也是非常明顯的，必須與其他衛(wèi)星開展頻率兼容。空間太陽能電站功率較普通通信衛(wèi)星相比更大，因此一旦發(fā)生干擾，必將影響其他衛(wèi)星的正常通信。但由于空間太陽能電站射頻傳輸使用的帶寬較窄，可以與其他衛(wèi)星分頻使用。

其他頻段

《無線電規(guī)則》規(guī)定了30Hz 到300GHz 的無線電頻率使用規(guī)則，但是從無線傳輸?shù)慕嵌葋碇v，頻率越低波長越長，對于無線電波的傳輸來說大氣吸收較小，空間環(huán)境的影響相對較小，因此更有利于空間傳播，這也就是為什么大部分理論研究都將2.45GHz 和5.8GHz 作為傳播頻率的原因。隨著無線技術(shù)的發(fā)展，各種業(yè)務(wù)用頻形勢都非常緊張，以至于目前在《無線電規(guī)則》所分配的常規(guī)頻段之內(nèi)幾乎沒有所謂的“空白”頻段。10GHz 以上的頻率，由于頻段較高波長短，在空間傳播時受到氧原子、水汽的吸收損耗過大，不適宜應(yīng)用于空間太陽能的無線能量傳輸。而在10GHz 以下的甚高頻（VHF）頻段（100 ～200MHz）、特高頻（UHF）頻段（300 ～400MHz）、L 頻段（1 ～2GHz）、S 頻段（2 ～3GHz）、C 頻段（3 ～5GHz），等，大多為5 ～6 種業(yè)務(wù)共用一個頻段，其中空間業(yè)務(wù)和地面業(yè)務(wù)同頻共用的形式比比皆是，根據(jù)2GHz 附近空間業(yè)務(wù)的頻率劃分情況可以看出已經(jīng)擁擠不堪，若再加上地面業(yè)務(wù)與之共用的情況，則情況更不容樂觀。

5 總結(jié)

空間太陽能發(fā)電衛(wèi)星是人類為了應(yīng)對日益緊迫的地球能源危機而提出的，清潔，無污染，取之不盡。但是，這項技術(shù)從提出設(shè)想到現(xiàn)在已超過30年，到現(xiàn)在也還沒有進入實質(zhì)的研發(fā)階段。同樣的，與空間太陽能發(fā)電衛(wèi)星相關(guān)的無線電相關(guān)規(guī)則體系目前也處于研究的起步階段，盡管研究了多年，在研究體系中卻僅僅只保留了一個項目編號，并沒有具體的研究計劃時間表。

目前各國在開展空間太陽能研究時使用的2.45GHz 和5.8GHz 兩個頻段在使用上尚不合法，這兩個頻段目前看來已經(jīng)劃分給了空間和地面的多種無線電業(yè)務(wù)。考慮到空間太陽能發(fā)電這種特殊使用，以后無論是使用目前的兩個“熱門”候選頻段，還是為其新劃分頻段，都需要針對這種使用制定更為具體和特殊的規(guī)則要求。對于空間太陽能電站涉及的空間無線電規(guī)則研究，仍然任重而道遠。