此次发射的卫星是中国通信技术试验系列卫星的

2019-11-07 14:32 来源:未知

监制:中国科学院计算机网络信息中心

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9月12日23时42分,我国在西昌卫星发射中心用长征三号乙运载火箭,成功将通信技术试验卫星一号送入太空。

想必很多人在出差或旅游中都遇到过这样的情况:在飞机、高铁等快速移动的交通工具上,或者在边远山区、远洋船舶上时,手机信号时断时续,甚至根本就没有信号。在信息时代,当互联网已经融入人们的生活,手机信号时断时续不仅会影响人们的日常工作,还极大地限制了人们的社交和娱乐。

近期,卫星通信新技术的迅速发展和通信商业市场需求的不断增长,极大地促进了卫星通信业务和通信模式的创新发展,使当前成为卫星通信历史上最活跃的时期之一。

9月12日23时42分,中国在西昌卫星发射中心用长征三号乙运载火箭,成功将通信技术试验卫星一号送入太空。此次发射的卫星是中国通信技术试验系列卫星的首颗星,主要用于开展Ka频段宽带通信技术试验。

不过,随着中国卫星通信技术的进一步发展,在飞机、高铁上,用手机或笔记本电脑接入网络进行商务活动,在远洋游轮上给亲朋好友发邮件,在偏远山区与家人视频聊天将不再遥远。

从1964年在美国成立了国际通信卫星组织INTELSAT,并于次年发射了第一颗商用通信卫星以来,卫星通信技术及其应用蓬勃发展,取得了巨大的成功。

卫星通信使用到的频段涵盖L、S、C、Ku、Ka等频段。目前地球赤道上空有限的地球同步卫星轨位几乎已被各国占满,C和Ku频段的卫星轨位十分紧张,这两个频段内的频率也被大量使用,且C和Ku频段的频率工作范围相对有限。而Ka频段的频率工作范围要大数倍,在现代军事和民用通信上都有广泛的应用前景。

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除了在军事领域中发挥着关键性的作用以外,卫星通信已经成为了人们生活中不可或缺的一部分:为人们提供丰富多彩的电视广播和语音广播,为地面蜂窝网络尚未部署的偏远地区、海上和空中提供必要的通信,为发生自然灾害的区域提供宝贵的应急通信,为欠发达或人口密度低的地区提供互联网接入等。

本次执行发射任务的长征三号乙运载火箭是由中国运载火箭技术研究院抓总研制的。这是中国长征系列运载火箭的第208次发射。

技术限制使卫星通信难以普及

卫星通信与地面通信方式相比主要具有以下特点:

中国航天报2014年9月17日曾报道过Ka频段高通量通信卫星的研发情况。

一直以来,传统的卫星通讯受到频段、发射功率、天线尺寸等因素的影响,能够满足普通老百姓日常使用的普适性卫星通信网络在技术上难度很大,截至目前,卫星通信的用户基本锁定于军队、政府、金融机构,以及一些实力雄厚的跨国公司。

覆盖范围广:地球静止轨道(GEO)卫星距离地面35 786 km,只需要三颗GEO卫星就能覆盖全球除两极以外的所有区域;

中国卫通集团有限公司副总工程师沈永言在接受该报采访时介绍,卫星通信使用到的频段目前涵盖L、S、C、Ku、Ka等频段。这些频段就类似架设在太空与地球之间的多条行车道,信息通过叠加在某一频段内的载波上进行传送,从而实现端到端的通信。这其中,信息就相当于乘客,载波就相当于汽车或渡船。

根据香农定理,信息传输能力与带宽和发射功率成正比,与背景噪音功率成反比。这里先解释一下带宽,一般信道都有一个最高的信号频率和最低的信号频率,只有在这两个频率之间的信号才能通过这个信道,这两个频率的差值就叫做这个信道的带宽,用来打个比喻的话,带宽好比是信息公路的宽度。

通信系统容量大:卫星频率资源相当丰富,能提供宽带通信服务,并可方便地向更高频段扩展;

沈永言说,频段的范围就相当于公路的宽度,直接影响到信息传输的速度和数量。他介绍,不同的频段有不同的特点。一般来说,频段越低,电波进入雨层中引起的衰减越小,绕射能力越强,对终端天线的方向性要求也低,它较适合用于移动通信环境,但缺点是带宽较小。而频段越高,情况正好相反。人们早期使用的L、S频段就处于低端,传递话音、文字等低速率信息不成问题,但很难满足当今社会多媒体视频等宽带内容的传输需求。而C、Ku频段相对较高,它们传输容量较大,是目前卫星通信领域的主流频段。

如果要把信息传输能力提升上去,比较现实的做法是提升“信息公路”的宽度,或者提升信号的发射功率。不过,过去信息传递路径相对有限,而且非常宝贵,“信息公路”的宽度天然受到限制。而受技术水平限制,信号的发射功率的提升也不是无节制的。因此,无线传输能力也会有一个上限。

快速向市场提供服务:建立地面通信设施迅速,开展新的业务和应用周期短;

为什么世界各国都在争相开发应用Ka频段卫星通信?

当有限的资源面临庞大的用户,自然会导致上网就卡,甚至会出现无法接入的情况——在机场、宾馆、大礼堂等公共场所,经常遭遇公共WIFI始终难以接入,或虽然接入,但堪称龟速的情况。

灵活性高:卫星通信系统的建立不受地理条件限制,无论是大城市还是偏远山区或是海岛都可建立通信,且通信距离与成本无关;

据中国航天科技集团公司科技委顾问、中国工程院院士张履谦介绍,一是C和Ku频段的卫星轨位十分紧张,地球赤道上空有限的地球同步卫星轨位几乎已被各国占满;这两个频段内的频率也被大量使用,迫使人们寻找、开发更高频段来满足新的通信需求。

同样的情况也会出现在无线通信中,而这也是无线通信不适合大数据量传输的根本原因。即便WIFI、LTE等被媒体炒得火热,但有线通信才是数据传输的大动脉,所谓5G通信也是以有线通信为基础,实现数据的高速传输。

灾难容忍性强:在自然灾害如地震、台风发生时仍能提供稳定的通信;

二是Ka频段卫星通信优势明显:其一,Ka频段工作范围远超C频段和Ku频段,可以利用的频带更宽,更能适应高清视频等应用的传输需要;其二,由于频率高,卫星天线增益可以做得较大,用户终端天线可以做得更小更轻,这有利于灵活移动和使用;其三,运用多波束技术和相控阵技术,可以让卫星上的天线灵活地改变指向,以满足对多点通信和星上交换的应用需要。

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通信链路传输时延大:信号在GEO卫星与地面之间往返传输的时间约为0.25 s,对时间敏感度高的应用如语音通话会受到通信延迟的影响;

Ka频段宽带卫星通信容量到底有多大?沈永言打了个比方:C和Ku频段的频率工作范围相对有限,只能行驶30个座位的大巴,而Ka频段的频率工作范围要大数倍,可以跑100个座位的大巴。此外,多点波束和频率复用技术的运用相当于将单层大巴车改装成了多层巴士,这使得卫星通信容量得以数十倍甚至百倍以上的增加。

正是因此,卫星通信只能服务少数人,但用户数量少又带来价格过高的问题。比如美国当年的铱星计划,铱星移动通信系统最多只能满足50万用户的语音通信,而且由于用户体验非常一般,实际用户远远达不到这个数字,受巨大的研发费用、系统建设费用和维护费用拖累,铱星背上了沉重的债务负担,最终不得不申请破产,由美国军方当了接盘侠。

通信链路传输衰减大:通信链路传输距离很远,造成了信号衰减较大,且高频段易受雨衰、雪衰等不利天气影响;

基于此,越来越多的国家把研究重心放在了Ka频段宽带卫星通信的开发运用上。国外对于Ka频段宽带卫星通信研究早在上世纪八九十年代就已开始。

由此可见,过去的卫星通信仅仅只是作为补充的形式而存在,更多的卫星通信服务于军队、政府、金融机构,以及一些实力雄厚的跨国公司,无法向老百姓提供普适性服务。

信号视距传播:采用高频段信号通信,传输易受障碍物影响。

2005年,美国WildBlue通信公司发射了世界上第一颗全Ka频段宽带通信卫星并开始试点应用。统计资料显示,目前全球在轨的全Ka频段宽带通信卫星有20余颗,2016年全球Ka频段商用通信卫星将达50颗左右。

中国高通量卫星技术取得突破

然而,长期以来卫星通信一直作为地面固定、无线或移动通信系统的一种补充通信方式。例如,早期的卫星通信只是用在海运领域,这是由于地面通信网络受限于覆盖范围和技术,无法在海上提供服务。

Ka频段宽带卫星也不是完美无缺,最大的劣势是用户终端和使用费用偏高,这就需要获得国家层面的支持。

2016年8月6日,中国在西昌卫星发射中心成功将天通一号01星发射升空。

卫星通信系统要想在与地面通信系统的竞争中发挥出更重要的作用,还需要克服自身通信特性上的一些不足。例如:对于网络层存在的传输时延长、丢包率高及链路干扰等问题,需要采用新的算法和协议对网络层进行优化,从而使卫星通信适合于个人移动通信和宽带互联网接入;在物理层,由于卫星通信的视距传输特性,限制了部分区域特别是繁华市区的用户接入卫星网络,需要采用新的通信网络架构来推进卫星通信网络和地面通信网络的融合。

2017年4月12日,中国在西昌卫星发射中心采用长征三号乙运载火箭成功发射实践十三号卫星,卫星完成在轨试验后被命名为中星16号。

同时,信息通信技术的发展也促使我们从未来互联网发展的角度来重新定义卫星通信的作用。未来互联网一定是全球“任何地方、任何时间”都无处不在,必须能为社会在紧急情况下提供必要的帮助,而且必须是稳定可靠的。地面蜂窝网络受限于自身的局域覆盖属性,不能有效的满足这些需求。

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因此,未来互联网需要构建和融合两个基本通信网络:由地面蜂窝网络组成的局域网部分和由卫星网络组成的全局网部分。在这种新的通信架构下,卫星通信将充分发挥其全球通信无缝覆盖的优势而发展成为主导地位,不仅仅只是地面移动通信的辅助方式。

这两颗卫星对于中国卫星通信而言意义重大,中星16号是中国第一课高通量通信卫星,通信总容量超过20G,真正意义上实现了自主通信卫星的宽带应用。

近期,卫星通信新技术的迅速发展和通信商业市场需求的不断增长,极大地促进了卫星通信业务和通信模式的创新发展,使当前成为卫星通信历史上最活跃的时期之一。本文总结了卫星通信近期发展的几种新技术,介绍了当前卫星通信的频谱资源使用情况,综述了星地融合通信和卫星宽带通信,并展望了卫星通信的发展趋势。

而天通一号01星则是中国卫星移动通信系统的首发星,也被称为“中国版的海事卫星”,它的成功发射标志着我国迈入卫星移动通信的“手机时代”。

1、卫星通信新技术

中星16号的最大特点就是采用了Ka频段宽带通信技术,换句话说就是采用了新的信息传递路径。这和过去的做法有什么差异呢?打个比方的话,就是原来的公路是4车道,现在中国建设了一条16车道的公路,这就使其具备过去卫星通信系统所不具备的优势。

1.1 多波束天线

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天线技术是卫星通信的关键技术之一,由于卫星通信链路传输距离很远造成了信号衰减很大,例如,GEO卫星的C频段信号的链路衰减通常在200 dB左右。

一是大容量。Ka频段的“信息公路”比过去的“信息公路”更加宽阔。在频率资源更加丰富的情况下,即使信道调制方式不变,卫星通信系统容量也将会大幅提升。

为保证稳定可靠的通信,需要地面站采用高增益天线和高灵敏度接收机,因此天线的尺寸和成本成为限制卫星通信发展的严重障碍。

为了方便理解,还是打一个比方,过去的卫星通信系统是四车道,而且资源已经被大量“老客户”使用,没有多少冗余。而中国这次准备构建的卫星通信系统是16车道,而且没有多少“老客户”。这样一来,频率资源就更丰富,通信容量也更大,相对于以往的卫星通信系统得到数十倍的提升。

早期采用甚小孔径终端技术来缓解这一问题,天线系统由一个大型中心站与大量的小口径天线终端站共同构成一个星型网,利用中心站天线G/T值(天线增益对噪声温度比)高的优势来弥补小站天线因天线口径小、增益低导致链路余量不足的弱点。

二是天线体积小。Ka频段宽带卫星通信系统用户终端尺寸一般在 62cm到 180cm之间,诚然,这个指标对于直接把天线塞进智能手机还力有不逮,但已经远远小于传统卫星通信系统终端天线的尺寸。这使过去只能安装在建筑物上面或者大型车辆上的卫星通信终端走向人们的生活中,甚至在普通的家用SUV上就可以安装。

然而,VSAT天线系统的灵活性不足,并且无法利用频率复用技术来提高频谱效率,卫星通信天线的发展已经转向了多波束天线。

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