面向極地通信技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用研究

李亞昊 李丙瑞 竇銀科 陳燕 張維哲

極地與人類生活區(qū)域之間的距離較遠(yuǎn)，目前的大部分通信手段都難以覆蓋。此外，極地惡劣的氣候條件、海水的侵蝕與極寒低溫也給通信設(shè)備的穩(wěn)定性帶來巨大的挑戰(zhàn)。與此同時(shí)，極區(qū)的高強(qiáng)度磁場(chǎng)與太陽輻射也使得傳統(tǒng)的通信手段失效。又由于積雪海冰以及復(fù)雜的地形條件，通信基站的建立也十分困難。因此亟須建設(shè)廣泛高效的通信網(wǎng)，保障極區(qū)科研人員、工程師的任務(wù)完成和人身安全。

早期的極地通信主要通過無線電進(jìn)行，短波技術(shù)的應(yīng)用尤其廣泛。近年來，隨著衛(wèi)星通信技術(shù)的不斷進(jìn)步，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)也在極地通信的領(lǐng)域中發(fā)揮著重要作用。

極地通信技術(shù)發(fā)展歷程

無線電通信

早期的極地通信手段主要是無線電通信。

1970年代末，無線電通信中的甚高頻通信技術(shù)發(fā)展迅速。甚高頻通信系統(tǒng)采用調(diào)幅工作方式，工作于 156～174兆赫茲頻段，有效作用范圍較短，只在目視范圍之內(nèi)，作用距離隨高度而變化，在港口生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用[1]。至2005年底，幾乎所有的海上船舶都配備了甚高頻設(shè)備。未來天地一體化的甚高頻數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)絡(luò)（VHF Data Exchange System），簡(jiǎn)稱VDES，可覆蓋全球，為兩極數(shù)據(jù)通信服務(wù)。但是受到極區(qū)次折射影響，其作用距離將在一定程度上有所縮短。

中高頻無線電是全球海上遇險(xiǎn)與安全系統(tǒng)地面網(wǎng)絡(luò)的主要通信方式，可在衛(wèi)星無法覆蓋的南北極提供通信服務(wù)。高頻無線電有時(shí)也被稱為短波，頻率一般為3～30兆赫茲。1901年，馬可尼使用短波實(shí)現(xiàn)了跨大西洋的無線電通信。當(dāng)短波以天波形式傳播時(shí)，不易被電離層吸收，易于被電離層反射。經(jīng)過一次反射后，短波的跳躍距離可以達(dá)到100～4000千米。經(jīng)過電離層和大地的幾次連續(xù)的反射，傳播距離更遠(yuǎn)[2]。同時(shí)，短波通信設(shè)備使用方便，組網(wǎng)靈活，價(jià)格低廉，抗毀性強(qiáng)，這些優(yōu)點(diǎn)支撐著短波通信的戰(zhàn)略地位。然而短波通信的帶寬（單位時(shí)間內(nèi)通過鏈路的數(shù)據(jù)量）不大，通常只有十幾到幾十千比特/秒，難以支持大體積數(shù)據(jù)的傳輸，適合作為備用的極地通信方式，傳輸一些非實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)。

隨著技術(shù)進(jìn)步，特別是自適應(yīng)技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和超大規(guī)模集成電路技術(shù)的出現(xiàn)，短波通信進(jìn)入了一個(gè)嶄新的發(fā)展階段。1980年代末，短波通信設(shè)備的銷售額達(dá)到了其歷史最高水平。2023年，中國進(jìn)行第13次北冰洋科學(xué)考察，“雪龍二號(hào)”搭載著由中國電科22所自主研發(fā)的短波接收設(shè)備，開展對(duì)超遠(yuǎn)距離短波信道特性的研究。后續(xù)成果將提升我國在北冰洋環(huán)境保護(hù)等方面的能力，有助于北極科考項(xiàng)目的推進(jìn)。

衛(wèi)星通信

由于兩極特殊的地理位置和惡劣的氣候條件，兩極沿岸的地面短波系統(tǒng)的通信能力較弱，數(shù)據(jù)信息傳輸速度較低，系統(tǒng)穩(wěn)定性也較差。而衛(wèi)星通信系統(tǒng)具有覆蓋范圍廣、通信距離遠(yuǎn)和傳輸速度快等特點(diǎn)，利用衛(wèi)星接收機(jī)通信已成為極地船舶通航的必備通信手段。

1976年2月，美國在大西洋上空發(fā)射了Marisat衛(wèi)星（海洋衛(wèi)星），正式開放海事通信。1982年形成了以國際海事衛(wèi)星組織管理的國際海事衛(wèi)星組織系統(tǒng)，開始提供全球海事衛(wèi)星通信服務(wù)。此時(shí)的衛(wèi)星多運(yùn)行于地球同步軌道。衛(wèi)星軌道面的傾角為零度，距地面高達(dá)35 800千米，一顆衛(wèi)星的覆蓋區(qū)可達(dá)地球總面積的40% 左右，地面最大跨距可達(dá)18 000千米。因此只需三顆衛(wèi)星的適當(dāng)配置，就可建立除極區(qū)以外的全球通信[3]。國際海事衛(wèi)星傳輸速率快，通信質(zhì)量好，可靠性高，通信方式多樣，但是在緯度大于75°的高緯度地區(qū)存在通信盲區(qū)，無法完全覆蓋極地。

1980年代中期，VSAT衛(wèi)星通信系統(tǒng)誕生，并逐漸普及。VSAT的全稱可被直譯為“甚小口徑終端”，是由天線直徑小于2.4米的衛(wèi)星用戶小站和一個(gè)樞紐站組成的星狀或網(wǎng)狀的通信網(wǎng)，傳輸速率高達(dá)6 兆比特/秒，可提供高品質(zhì)的數(shù)據(jù)、語音與圖像。VSAT便于與岸臺(tái)建立連接，組網(wǎng)靈活，用戶站天線較小，可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或點(diǎn)對(duì)面的廣播，目前在海上使用得較為普遍。

自1985年我國第一個(gè)南極科考站——長(zhǎng)城站建立以來，在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)一直使用著短波通信。1986年，長(zhǎng)城站裝備了第一部海事終端。2008—2009年的第25次南極考察期間，長(zhǎng)城站和中山站衛(wèi)星通信系統(tǒng)被先后建成并投入使用。我國租用了同步軌道衛(wèi)星IS-903，將長(zhǎng)城站納入VSAT全球衛(wèi)星通信網(wǎng)，將極區(qū)的通信內(nèi)容借由地面站傳輸至衛(wèi)星，再下行到接收地面站，最終通過國際國內(nèi)專線到達(dá)中國極地研究中心。為解決衛(wèi)星的帶寬瓶頸，上海電信公司采用最新的載波疊加技術(shù)，將前后向的兩個(gè)信號(hào)頻譜疊加在一起，使用戶收發(fā)信號(hào)的帶寬擴(kuò)大了2倍，成倍提高衛(wèi)星鏈路的傳輸速率[4]。2013年，我國搭建起南極的第一個(gè)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了3G信號(hào)登陸南極，內(nèi)陸覆蓋范圍達(dá)到8000米，對(duì)海方向覆蓋范圍達(dá)到15 000米[5]。

2020年7月，北斗三號(hào)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式開通，標(biāo)志著中國成為世界上第三個(gè)獨(dú)立擁有全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國家。北斗三號(hào)系統(tǒng)采用混合星座模式，由30顆衛(wèi)星組成[6]。通信能力達(dá)到14 000比特/次，既能傳輸漢字，又能傳輸語音和圖片，還能覆蓋北極航道水域。

靜止軌道衛(wèi)星難以實(shí)現(xiàn)兩極的無縫覆蓋，無法全面滿足兩極科學(xué)考察的需要。隨著衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，極軌衛(wèi)星、低軌衛(wèi)星等新型衛(wèi)星技術(shù)出現(xiàn)在人們的視野。極軌衛(wèi)星主要采用近極地太陽同步軌道，衛(wèi)星軌道平面和太陽光線保持固定交角，能運(yùn)行到南北極區(qū)上空，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)觀測(cè)和通信應(yīng)用。

極地通信技術(shù)展望

近年來，隨著國內(nèi)生活水平大幅提高，國際形勢(shì)日益復(fù)雜，在民用和軍事市場(chǎng)的雙重需求下，極地通信技術(shù)的革新已勢(shì)在必行。美國“星鏈”系統(tǒng)作為當(dāng)前技術(shù)最先進(jìn)的低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)，在美軍軍事應(yīng)用領(lǐng)域中的顛覆性影響值得我國高度關(guān)注。在西方強(qiáng)國實(shí)施高科技封鎖的背景下，加快低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)的建設(shè)迫在眉睫。此外，對(duì)于空間軌道的爭(zhēng)奪愈發(fā)激烈，在“星鏈”已經(jīng)搶先占據(jù)大部分中低軌“黃金”軌位的情況下，我國必須加強(qiáng)對(duì)軌道資源和通信頻率資源的開發(fā)利用。在這個(gè)信息化時(shí)代，還要充分利用計(jì)算機(jī)技術(shù)等手段，對(duì)現(xiàn)有的極地通信裝備進(jìn)行升級(jí)改造，為科考人員的生命安全和中國極地科考事業(yè)保駕護(hù)航[10]。

[1]楊美霄， 李淵， 丁懷元， 等. 為我所短波、特高頻通信發(fā)展史自豪——專家回顧電信一所短波、特高頻通信發(fā)展史. 電信快報(bào)， 2007， 3： 14-16.

[2]鄒國良， 葉建成. 實(shí)現(xiàn)地球空間極地短波通信設(shè)計(jì)與仿真研究.計(jì)算機(jī)仿真， 2015， 32（5）： 226-229， 269.

[3]黃玉琴. 基于擴(kuò)頻ALOHA的衛(wèi)星隨機(jī)接入擁塞控制研究. 合肥工業(yè)大學(xué)， 2021.

[4]沈偉民. 南極衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組網(wǎng)和維護(hù). 電信網(wǎng)技術(shù)， 2015， 9： 59-69.

[5]中國電信天翼移動(dòng)通信服務(wù)在南極開通——結(jié)束我國在南極沒有移動(dòng)通信運(yùn)營的歷史. 信息化建設(shè)， 2014， 2： 60.

[6]王輝， 楊銳， 李金亮， 等. 極地天基綜合信息保障系統(tǒng)發(fā)展展望.上海航天（中英文）， 2021， 38（S1）： 1-7.

[7]宋飛， 馮旭哲. Argos系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì). 海洋預(yù)報(bào)， 2012， 29（6）： 98-102.

[8]蔣季. 面向局部高容量和廣域補(bǔ)充覆蓋的低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)星座設(shè)計(jì). 北京郵電大學(xué)， 2019.

[9]劉法龍. 銥衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)發(fā)展分析及思考. 衛(wèi)星應(yīng)用， 2021， 11： 43-49.

[10]徐小濤， 李建國， 劉鵬. “星鏈” 衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及啟示. 國防科技， 2022， 43（2）： 15-19， 117.

關(guān)鍵詞：極地科考 極區(qū)通信 低軌衛(wèi)星 星鏈 ■