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中国第一颗高通量通信卫星揭秘:远超你想象!

2017-04-13 19:03:00 科普中国 谢博 分享
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2017年4月12日,我国首颗高通量通信卫星(HTS)实践13号用长征3号乙运载火箭成功发射升空。

该卫星采用了Ka频段、激光通信和电推进等一系列新技术,通信总容量超过20兆比特/秒,从而超过了我国此前研制的所有通信卫星容量的总和,这标志我国卫星通信进入高通量时代,实现了真正意义上的自主通信卫星宽带应用,填补了我国在该领域的空白。

在完成试验验证以后,该卫星将纳入“中星”系列进行业务运行,命名为中星16号,这也将对我国卫星通信产业的发展起到极大的促进作用。

实践-13,图片来源作者

何谓高通量通信卫星?

什么叫高通量通信卫星呢?简单地讲,高通量通信卫星就是在使用相同频率资源的条件下通信容量比常规通信卫星高数倍甚至数十倍的通信卫星。

这种卫星又叫高吞吐量通信卫星,主要特点是采用了频率复用、多点波束 等先进技术。

其中虽然卫星所使用的点波束覆盖范围仅为300~700千米(常规通信卫星的宽波束覆盖范围在2000千米左右),但其好处是可通过减小天线波束的孔径角,提高卫星天线的增益,从而实现不同波束之间频率的复用,提高卫星系统的通信容量。

通信容量指一套通信设备的通信能力。随通信设备类型的不同,其内涵略有不同,但通常是指其数据传输速率。

常规通信卫星一般通信容量不到10吉比特/秒,而2016年升空的美国回声星19号通信容量达220吉比特/秒,星上共配置138个用户波束,这是目前全球通信容量最大的单星系统,它可同时为200万用户提供服务。

卫星多个点波束示意图,图片来自作者

高通量通信卫星与宽带通信卫星很类似,但又不完全相同。

前者是以点波束和频率复用为标志,能运行在任何频段(但目前大多采用Ka频段),通信容量大小取决于分配的频谱和频率复用次数,能提供固定、广播和移动等各类商业卫星通信服务。

后者是以Ka频段、大容量、提供宽带互联网接入为标志,开辟了卫星互联网接入的新业务。

点波束是指一束集中的高功率卫星信号,它仅覆盖一个小的区域,在这个区域之外检测不到该信号,它也不干扰相同波长的使用。

其优点是能实现频率复用,提高天线的收发增益。但由于点波束覆盖范围小,因此要想实现大范围的区域覆盖,需要大量点波束,且点波束之间能不断切换连通。

频率复用就是使同一频率覆盖不同的区域,以充分利用频率资源,卫星通信常采用极化复用和地区隔离相结合的方式来重复使用频率,扩展卫星通信的容量。

实践13号卫星在我国高轨卫星领域首次采用了多口径多波束天线、固面反射器高形面精度控制等一系列先进技术,并且首次将空间技术试验和示范应用相结合,提供双向宽带通信示范化运营服务。

高通量通信卫星有很高的经济优势,因为一颗通信总容量超过100吉比特/秒的高通量通信卫星,其卫星建造、火箭发射、发射保险的费用与常规通信卫星持平,但1吉比特/秒的成本仅是一颗常规通信卫星的1/50。

其带宽通信成本与地面网络的带宽通信成本相当,使卫星通信服务提供商能够提供与地面4G网络服务抗衡的包月服务资费。

为此,近年来在全球掀起了研制和发射高通量通信卫星的高潮。

至今,全球已有近50颗高通量通信卫星在轨运行,未来2年还将发射近20颗高通量通信卫星,届时,全球高通量通信卫星总容量将达到1400吉比特/秒。

在“十三五”期间,我国也将研制和发射多颗高通量通信卫星,实践13号就是其中的首颗。

实践-13,图片来源作者

首次应用Ka频段

实践13号卫星首次在我国卫星上应用了Ka频段多波束宽带通信系统,那么,卫星采用Ka频段通信有什么优势呢?

了解卫星通信常识的朋友都知道,卫星通信可使用的频段很多,如L、C、Ku、Ka频段等,不同的频段有不同的特点。

频率越低,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,适合用于移动通信环境,但其缺点是带宽小。

而通信中采用的频率越高,其带宽就越宽,传输容量越大,但技术越复杂。

近年来,不少国家都在争相开发、应用Ka频段通信卫星,主要原因是其频带宽、容量大、资源多、覆盖广、成本低、增益大、终端小等。

例如,Ka频段工作范围为26.5~40吉赫兹,远超C频段(3.95~8.2吉赫兹)和Ku频段(12.4~18.0吉赫兹),因此Ka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。

比方说,C和Ku频段的频率工作范围只能行驶30个座位的大巴,而Ka频段的频率工作范围可以跑100个座位的大巴。

另外,由于频率高,所以Ka频段通信卫星天线增益可以很大,从而使其用户终端天线能够做得更小更轻,这就有利于卫星通信用户灵活移动和使用。

简言之,Ka频段通信卫星可广泛用于高速卫星通信、千兆比特级宽带数字传输、高清晰度电视、卫星新闻采集、VSAT业务、直接到户业务及个人卫星等新业务。

随着互联网应用的日益普及、卫星通信带宽需求不断扩大,以及传统C、Ku频段轨位和频率资源的日趋稀缺,通信卫星向Ka频段宽带方向发展就成为一个必然的趋势。

由于实践13号卫星采用了Ka频段通信,所以它不仅容量大,可传送高清视频,而且能使其卫星用户终端做得较小,从而便于装备、携带和使用,无需单独建网,性价比高。

我国现有超过6000万人参与徒步、骑行、自驾游等户外项目,但因为有些户外地区通信信号差甚至没有,所以每月有近千起迷路或失联事件发生。

尤其是当发生水灾、地震和海啸等急突发事件时,一旦地面固定和移动通信业务发生损毁或瘫痪,就不能及时、快速、准确地传递灾情信息,导致损失严重。

但如果游客或受灾民众配备了实践13号卫星的用户终端后,就能随时与卫星建立语音、数据和视频的传输,把途中或灾区的情况在第一时间传递出去,为展开救援提供通信保障,将损失降至最小,发挥“应急通信”的关键作用。

虽然,与目前国际先进的高通量Ka卫星相比,我国首颗高通量卫星实践13号的通信容量、覆盖区域等还相对有限,但它将引领我国高通量卫星通信技术发展。

此后,我国研制和发射的中星18号Ka宽带卫星将对此进行全面的补充和完善。

实践-13,图片来源作者

它还有许多亮点

实践13号还有许多亮点。例如,它是我国首颗实现电推进工程化应用的卫星。

该卫星既装有化学推进分系统,也装有采用氙离子推力器的电推进分系统,后者无需消耗化学推进剂即可完成全寿命期内南北位置保持任务,在轨寿命15年,这对我国高轨卫星来说是具有革命性的技术突破,卫星承载能力显著提升。

我国研制的电推进系统,图片来源作者

电推进系统是用电能加热或电离推进剂,使其加速喷射而产生推力,即是一种把外部电能转换为推进剂喷射动能的火箭。其优点是比化学推进系统的效率高10倍左右,具有比冲高、效率高、省燃料、振动小、成本低、寿命长、较安全和综合性能好等一系列优点。

所以,采用电推进系统的卫星比采用化学推进系统的卫星,在完成同样任务时所需的推进剂少得多,这样就可以显著降低发射质量,从而大幅降低发射成本;明显增加卫星上的有效载荷数量,从而提高商业竞争力;大大增加推进剂携带量,从而延长卫星的使用寿命。

例如,原来一颗卫星需要带3吨的化学推进剂,采用电推进系统之后,其理论极限上只需要带300千克推进剂,这对于卫星减重,增加有效载荷的承载容量的好处是非常大的。

由此可见,电推进系统是一种全新的发展思路,有望成为改变地球静止轨道通信卫星制造市场竞争格局的革命性技术,成为提高通信卫星平台的综合性能和技术水平的重要手段,是地球静止轨道通信卫星的重要发展方向。

这次实践13号采用的是半电推进卫星平台方案。据有关专家介绍,我国已完成了全电推进卫星平台方案的详细设计,其性价比和载荷比达到或略优于国外同类卫星水平。

另外,实践13号也是我国首次在地球同步轨道卫星上开展对地高速激光通信试验的卫星 。卫星激光通信具有通信容量大、传输距离远、保密性好等优点,在高速空间信息网络数据传输方面具有不可替代的作用,是国际科技竞争的重要战略高地。

此前,我国曾在海洋2号卫星上开展过低轨卫星与地面之间的激光通信试验。此次在实践13号卫星上开展高轨卫星与地面的双向激光技术通信,通信速率最高可达到2.4吉比特/秒。

这项试验成功后,将标志着我国在该领域的研究达到国际先进水平。

卫星激光通信的信息传输能力远大于目前的卫星微波通信的信息传输能力,可把数据传输速率提高10~100倍,使卫星具有前所未有的极大信息传输能力,能从太空传回视频及高精度测量数据,有效解决现代卫星技术发展所带来的数据传输瓶颈问题。

激光通信设备还有体积小、重量低、能耗少等优点。 该技术将来有可能演变成高速太空互联网,被认为“有潜力给太空通信带来革命性改变”。

实践-13,图片来源作者

应用前景广泛

实践13号卫星有26个用户点波束,能够覆盖我国除西北、东北的大部分陆地和近海百千米以上海域。

用户终端可以方便快速地接入网络,下载和回传速率最高分别达到150兆比特/秒和12兆比特/秒,可实现真正意义上的卫星宽带通信应用,填补我国在该领域的技术空白。

地面无线网络信号覆盖不到或光缆宽带接入达不到的地方,都可以通过实践13号卫星方便地接入网络。

该卫星通信系统空间段卫星资源、地面段网络系统及业务运营系统采用天地一体化设计,以及卫星网络与地面网络的互联互通,用户无需建设主站,仅需购买终端站就可使用宽带卫星服务,终端站通过卫星的用户波束接入所属信关站,为用户节省了网络建设的投资。

此卫星系统可支持宽带接入、基站回传、视频内容分发、视频新闻采集、机载/船载/车载通信、企业联网、应急通信等方面的应用;除支持固定终端外,还支持机载、车载和船载等移动终端的应用,能够实现跨波束自动无缝切换。其3个信关站可支持30万终端接入,并可扩展至百万量级。

例如,用实践13号卫星可以助力运营商实现无缝“动中通”。“动中通”是指车辆、轮船、飞机等移动载体在运动过程中的卫星通信保障。

据统计,我国平均每天的飞机乘客超过120万人,平均每天的铁路客运量达到760万人,但乘客的上网体验却非常不佳:飞机机舱内无法上网,高铁列车上手机信号时断时续,游轮驶离港口后变成信息孤岛,乘客随时随地上网的需求长期得不到满足。

以上问题是由于地面移动网络无法实现全面覆盖,或即使能覆盖,但因跨越不同区域导致切换过于频繁,所以难以为高速交通工具提供服务。由于实践13号卫星采用天地一体化设计理念。

其中一项重要业务就是提供高速“动中通”,通过多波束无缝切换配合机载、车载或船载终端的自动跟踪捕获功能,所以可以为航空、航运、铁路等各类交通工具上的乘客联通世界,彻底改善上网体验。

我国幅员辽阔、地形复杂,在山区、沙漠、草原、海洋等地方,信息传递仍然存在盲区,同时,受我国东西部经济发展不均衡以及地理条件的限制,部分地区的宽带接入设施远远落后于其他地区。如何消除“网络鸿沟”已经是我国在信息化时代亟待解决的重要问题之一。

在这些地区铺设地面或移动网络,存在很多无法克服的障碍。而实践13号高通量卫星则不受地面条件限制,可以凭借其快捷组网、高速接入的特点以及低成本优势,很好地解决这一问题。

这得益于卫星的大容量,实践13号可以为这些地区的用户提供优良的宽带服务。

延伸阅读

今年,我国还计划发射实践18号、中星9号A等另外5颗通信卫星。其中实践18号是首颗采用东方红5号新一代大容量试验卫星平台的卫星。

我国第5代通信卫星平台东方红5号,整星输出功率为28千瓦,有效载荷重量1500千克,有效载荷功率18千瓦,可承载120台通信转发器(目前东方红4号卫星平台最多装46台通信转发器),卫星平台设计寿命16年,主要性能指标超过目前现役的国际主流卫星平台。

按照2015年国务院批准的《国家民用空间基础设施中长期发展规划(2015-2025年)》安排,至“十四五”,我国将新增建设22颗通信广播卫星,其中全新研制的通信卫星有5颗,包括L移动多媒体广播卫星、大容量宽带通信卫星、超大容量宽带通信卫星、高承载比宽带通信卫星、全球移动通信星座科研星等。

例如,超大容量宽带通信卫星主要用于满足教育部提出的远程教育容量需求,同时兼顾远程医疗、应急救灾等公益应用,并牵引个人和企业宽带多媒体接入等商业应用,采用东方红号卫星平台,整星容量超过100兆比特/秒,达到了国际宽带卫星领先水平,对于促进我国宽带卫星技术进步和产业发展以及推动国际宽带卫星市场开拓具有重大意义。

采用东方红-5的超大容量宽带通信卫星模型,图片来源作者

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