Ka波段通信衛(wèi)星發(fā)展應(yīng)用現(xiàn)狀

　　王 琦

　　近年來(lái)，衛(wèi)星通信應(yīng)用Ka波段的情況越來(lái)越多，表現(xiàn)出了通信衛(wèi)星新的發(fā)展趨勢(shì)。著名的國(guó)際太空咨詢機(jī)構(gòu)Euroconsult在其最近的《衛(wèi)星通信與廣播市場(chǎng)觀察》(第16版)中指出，“2018年，Ka波段需求將占衛(wèi)星容量總需求的14%，主要采用Ku和C波段的軍事衛(wèi)星通信也將被推向Ka波段。”在通信衛(wèi)星中采用Ka波段，可以獲得較寬的工作頻帶，增加通信容量，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)較窄的波束，從而獲得高的EIRP值，減小地面終端天線尺寸。而且，相對(duì)于已經(jīng)十分擁擠的C、Ku波段，Ka波段的干擾較小，便于衛(wèi)星的軌道位置和頻率關(guān)系的協(xié)調(diào)。而元器件以及工藝水平的提高，也對(duì)Ka波段的發(fā)展起到了一定的加速作用。

　　1. Ka波段概述

　　Ka波段是電磁頻譜的微波波段的一部分，Ka波段的頻率范圍為26.5-40GHz。Ka代表著K的正上方(K-above)，換句話說(shuō)，該波段直接高于K波段。Ka波段也被稱作30/20 GHz波段，通常用于衛(wèi)星通信。Ka波段最重要的一個(gè)特點(diǎn)就是頻帶較寬，C頻段的一般可用帶寬為500MHz～800MHz；Ku頻段的可用帶寬為500MHz～1000MHz；而Ka頻段的可用帶寬可達(dá)到3500MHz。因此，Ka波段衛(wèi)星通信系統(tǒng)可為高速衛(wèi)星通信、千兆比特級(jí)寬帶數(shù)字傳輸、高清晰度電視(HDTV)、衛(wèi)星新聞采集(SNG)、VSAT業(yè)務(wù)、直接到戶(DTH)業(yè)務(wù)及個(gè)人衛(wèi)星通信等新業(yè)務(wù)提供一種嶄新的手段。Ka波段的缺點(diǎn)是雨衰較大，對(duì)器件和工藝的要求較高。在Ka波段頻率下，用戶終端的天線尺寸主要不是受制于天線增益，而是受制于抑制其它系統(tǒng)干擾的能力。

　　1.1 早期試驗(yàn)研究情況

　　1974年，美國(guó)NASA就曾在Fairchild(仙童公司)研制的ATS-6(應(yīng)用技術(shù)衛(wèi)星-6)上進(jìn)行過(guò)20、30GHz連續(xù)波和多個(gè)單音的傳播試驗(yàn)，開(kāi)辟了Ka波段衛(wèi)星傳播和通信試驗(yàn)的先河。1976年，美國(guó)用一枚火箭同時(shí)發(fā)射了LES 8、9(林肯試驗(yàn)衛(wèi)星8、9)，它不僅與地球站進(jìn)行了Ka波段的傳播試驗(yàn)，而且還建立了衛(wèi)星間Ka波段試驗(yàn)鏈路。

　　日本在開(kāi)發(fā)衛(wèi)星通信的初期，就將目標(biāo)定在了Ka波段。1977年4月，日本發(fā)射了與美國(guó)合作研制的ETS-II(工程試驗(yàn)衛(wèi)星II)，并于1977年12月發(fā)射了自己的實(shí)驗(yàn)通信衛(wèi)星CS-1(通信衛(wèi)星-1)，該衛(wèi)星載荷有6臺(tái)Ka波段轉(zhuǎn)發(fā)器。接著，日本于1983年2月和8月分別發(fā)射了CS-2(2A、2B)商用衛(wèi)星。其中2A位于同步軌道130°E，屬于工作星，2B作為備份星位于135°E。CS-2不但是日本的第一顆商用通信衛(wèi)星，也是世界上第一顆搭載Ka波段轉(zhuǎn)發(fā)器的實(shí)用通信衛(wèi)星，載有6臺(tái)Ka波段轉(zhuǎn)發(fā)器，2臺(tái)C波段轉(zhuǎn)發(fā)器，采用二次變頻體制，中頻頻率1.8GHz。后來(lái)，日本于1988年發(fā)射了CS-3A、3B兩顆衛(wèi)星， Ka波段轉(zhuǎn)發(fā)器增加到l5臺(tái)，采用單波束天線。其Ka波段轉(zhuǎn)發(fā)器的主要特點(diǎn)是：采用了與CS-2不同的一次變頻體制，直接進(jìn)行上下行頻率轉(zhuǎn)換。

　　歐空局于l990年7月發(fā)射了Ka波段的奧林巴斯(OLYMPUS)通信衛(wèi)星。意大利也較早地開(kāi)發(fā)利用Ka波段衛(wèi)星ITALSAT(意大利衛(wèi)星)，該星為意大利第一顆國(guó)內(nèi)通信衛(wèi)星，于1991年發(fā)射，載有三類有效載荷，其中兩類用于Ka波段點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，包括多波束系統(tǒng)和全球波束系統(tǒng)，多波束系統(tǒng)有6臺(tái)Ka波段轉(zhuǎn)發(fā)器，具有0.9Gbit/s的數(shù)據(jù)傳輸能力。

　　1.2 Ka波段衛(wèi)星的起伏發(fā)展階段

　　20世紀(jì)末，隨著全球信息高速公路的發(fā)展，眾多的Ka波段計(jì)劃紛紛出臺(tái)。l997年美國(guó)聯(lián)幫通信委員會(huì)(FCC)對(duì)13家公司發(fā)放了Ka波段衛(wèi)星通信系統(tǒng)許可證。例如，洛克希德•馬丁公司的Astrolink系統(tǒng)，計(jì)劃用5顆地球靜止軌道衛(wèi)星提供高數(shù)據(jù)速率通信業(yè)務(wù)，具有星間鏈路；Teledesic系統(tǒng)則計(jì)劃在1375公里的l2個(gè)圓軌道面上布署288顆衛(wèi)星；另外就是勞拉公司的Cyberstar系統(tǒng)，由3顆衛(wèi)星組成；HCI的Galaxy/Spaceway，由20顆星組成；GE美國(guó)公司的GE Star系統(tǒng)，由9顆衛(wèi)星組成；晨星公司的Morning Star系統(tǒng)，由4顆衛(wèi)星組成；而著名的移動(dòng)衛(wèi)星“銥 系統(tǒng)的星間鏈路也采用了Ka波段技術(shù)。此外，歐空局、日本、德國(guó)、加拿大、韓國(guó)等也都推出了自己的Ka波段計(jì)劃，如法國(guó)的Skybrige；韓國(guó)為2000年奧林匹克運(yùn)動(dòng)會(huì)和2002年世界杯電視轉(zhuǎn)播而計(jì)劃發(fā)射的Koreasat-3(韓星-3)等。

　　與此同時(shí)，數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星也開(kāi)始大量應(yīng)用Ka波段。因?yàn)樘�空中不存在雨衰，因此Ka波段是太空傳輸?shù)淖罴堰x擇之一。美國(guó)計(jì)劃從2000年開(kāi)始使用的第二代跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星。增加Ka波段星間鏈路和饋電鏈路，其最大反向數(shù)據(jù)率可達(dá)650Mbit/s。歐空局的計(jì)劃分為兩個(gè)部分，一個(gè)是“高級(jí)中繼和技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星(ARTEMIS)”，另一個(gè)是數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星(DRS)，在星間鏈路和饋電鏈路上都使用了Ka波段傳輸技術(shù)。日本發(fā)射了兩顆名為數(shù)據(jù)中繼測(cè)試衛(wèi)星(DRTS)，其中在星間鏈路和饋電鏈路中使用了Ka波段轉(zhuǎn)發(fā)器技術(shù)，最大反向數(shù)據(jù)率可達(dá)300Mbit/s。

　　然而，因?yàn)楸臼兰o(jì)初光纜對(duì)衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)所產(chǎn)生的巨大沖擊，使得Ka波段衛(wèi)星的發(fā)展遇到前所未有的挫折。許多Ka波段項(xiàng)目被無(wú)限期地延長(zhǎng)。

　　2. Ka波段試驗(yàn)衛(wèi)星

　　技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星是用于衛(wèi)星工程技術(shù)和空間應(yīng)用技術(shù)的原理性或工程性試驗(yàn)的人造地球衛(wèi)星，對(duì)衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展具有很大的推動(dòng)作用。人們?cè)�較為全面地開(kāi)展了針對(duì)Ka波段衛(wèi)星的試驗(yàn)，著名的有美國(guó)的ACTS(先進(jìn)通信技術(shù)衛(wèi)星)和日本的WINDS衛(wèi)星(寬帶互聯(lián)網(wǎng)工程試驗(yàn)和演示衛(wèi)星)。

　　2.1 ACTS衛(wèi)星

　　ACTS是由Martin Astro. Space公司為美國(guó)宇航局(NASA)Lewis研究中心研制的，于1993年發(fā)射升空。ACTS采用了一系列新的技術(shù)，通過(guò)試驗(yàn)論證成功后，將作為未來(lái)通信衛(wèi)星的標(biāo)準(zhǔn)。這些新技術(shù)包括：跳變點(diǎn)波束、星上交換、雨衰補(bǔ)償?shù)取?/p>

　　2.1.1 跳變點(diǎn)波束

　　一般的衛(wèi)星大都是利用寬波束覆蓋，提供相對(duì)低的信號(hào)EIRP，因需要較大的地面接收天線和較大的上行鏈路天線，提高了系統(tǒng)的成本。而點(diǎn)波束卻能將射頻能量集中到具有很小覆蓋區(qū)域的窄波束中去，使衛(wèi)星獲得很高的G/T和EIRP。ACTS采用的點(diǎn)波束有20dB的信號(hào)電平的改善，帶來(lái)的好處是系統(tǒng)中的地球站可用小尺寸天線獲得較高的流量。然而，點(diǎn)波束也存在不足，主要是固定指向點(diǎn)波束在照射較大通信覆蓋區(qū)域時(shí)，其數(shù)量必須大幅增加，再就是靈活性不夠，經(jīng)營(yíng)成本增加。跳變點(diǎn)波束則能很好地解決后一個(gè)問(wèn)題。在ACTS衛(wèi)星中，波束指向位置是基于人口密度、地區(qū)分集數(shù)據(jù)源的可用度與寬帶信道配合而選擇的。除利用開(kāi)關(guān)矩陣的固定波束外，還有利用基帶處理器(BBP)的兩簇跳變點(diǎn)波束。不論是哪一種波束，工作時(shí)都能用某種開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制，按用戶的申請(qǐng)運(yùn)作，對(duì)服務(wù)需要作出響應(yīng)。另外，兩簇跳變點(diǎn)波束以均勻增益覆蓋夏威夷、阿拉斯加和整個(gè)半球。固定和跳變指向的波束都有0.3°的波束寬度；而可控反射面天線口徑較小，其波束寬度為1°。

　　2.1.2 星上交換

　　ACTS有兩種衛(wèi)星星上交換方式：一種是通過(guò)開(kāi)關(guān)矩陣，另一種是通過(guò)具有存儲(chǔ)的基帶處理器。在開(kāi)關(guān)矩陣(MSM)方式中，用它來(lái)連接三個(gè)固定波束或兩簇跳變波束，開(kāi)關(guān)矩陣具有900MHz的帶寬，可提供彎管或動(dòng)態(tài)交換。當(dāng)用于動(dòng)態(tài)交換時(shí)，幀長(zhǎng)為1ms；對(duì)于低數(shù)據(jù)率終端要求較長(zhǎng)靜止時(shí)間的應(yīng)用，則幀長(zhǎng)為32ms。在基帶處理器(BBP)方式中，用來(lái)控制兩簇跳變指向的波束之間的TDMA業(yè)務(wù)。每一跳變波束簇的最大吞吐量為110Mbit/s，每幀1728時(shí)隙。基帶處理器的一個(gè)特有的優(yōu)點(diǎn)是，只有需要訪問(wèn)的那些波束才被激活，即提供按需分配多址(DAMA)信道，從而使衛(wèi)星資源得到最大利用。

　　2.1.3 雨衰補(bǔ)償

　　雨衰是影響Ka波段衛(wèi)星通信可用度的主要因素。為了保證可靠的通信，必須設(shè)法補(bǔ)償因雨衰引起的信號(hào)電平的損失。在ACTS系統(tǒng)中，采用了兩種技術(shù)，一是增加衛(wèi)星和地球站發(fā)射機(jī)功率；另一是降低卷積編碼的碼速率。增加發(fā)射機(jī)功率的方法，是與使用開(kāi)關(guān)矩陣模式工作相結(jié)合的。ACTS星上留有8dB的下行鏈路功率余量；而地站的上行發(fā)射功率余量則高達(dá)18dB，可根據(jù)需要調(diào)整其發(fā)射功率電平。對(duì)于基帶處理的工作模式，下行鏈路遇到降雨衰落時(shí)，是用晴天下的3dB余量來(lái)補(bǔ)償?shù)�。此外，還有3dB來(lái)自利用卷積編碼的編碼增益；6dB來(lái)自對(duì)數(shù)據(jù)的降低。對(duì)于上行鏈路，晴天時(shí)的鏈路余量為5dB。因上，根據(jù)編碼及降低數(shù)據(jù)速率，總的備余量為15dB。