中國西部地區專用通信衛星系統構想

· 文|中國空間技術研究院通信衛星事業部 佟金成 毛新宏 楊顯強

中國西部地區幅員遼闊、地域廣袤，隨著改革開放的深入發展，西部地區憑借豐富的物產資源，在國民經濟中發揮了越來越重要的作用。同時，西部地區仍面臨著基礎設施相對落后的現狀，信息產業基礎設施和信息化水平落后于東部地區，制約了當地的經濟發展。信息產業建設一直是西部大開發的重要組成部分，衛星通信憑借廣域覆蓋、對地面基礎設施依賴少的特點，在中國西部地區的金融、能源、應急通信、安全維穩等領域可以發揮重要作用。

一、西部地區特征及需求分析[1]

西部地區地域廣闊，占全國面積50%以上；地理環境差，多沙漠、多高原、多高山、地形環境復雜、交通不方便；氣候環境差，高海拔地區長期積雪、晝夜溫差大、部分區域沙漠化嚴重、自然災害頻發，地面線路維護成本高。

西部地區人口分布不均衡，地廣人稀，除了部分省會、首府等大城市外，人口多分散居住；工業基礎較差，相對不發達，國民生產總值較低，人均收入低于全國平均水平。但西部地區物產資源豐富，近年來勘探發現，西部地區蘊藏豐富的石油、煤炭、有色金屬、風力資源，但受自然環境及基礎設施的制約，保障條件差，開發難度較大。

西部地區是少數民族聚居區，主要包括藏、維吾爾、回、哈薩克等民族，各民族具有明確宗教信仰。

西部地區存在分裂勢力，以民族獨立為借口從事破壞活動，如東突、藏獨等。西部地區與眾多亞洲國家接壤，由于歷史原因造成部分區域存在領土爭端、邊境線復雜，存在領土沖突的風險。

二、衛星通信特點及衛星技術

衛星通信具有覆蓋范圍廣的特性，理論上利用3顆靜止軌道衛星，即可實現對全球中低緯度地區的全覆蓋。在衛星視場范圍內的地面終端可通過衛星轉發進行點到點或點到多點的多址通信。

衛星通信在遠距離通信上具有地面微波、光纖通信無法比擬的優勢，建站費用和運行費用不因地面站之間的距離遠近而變化，且不易受地面自然環境的影響。

隨著航天工業的飛速發展，通信衛星能夠在較短的時間內快速設計、制造并發射，目前民商用通信衛星研制周期通常不超過3年。

衛星通信目前正在向高頻段、大容量發展，Ku、Ka頻段的載荷帶寬可高達幾百兆到幾個吉赫茲，若結合頻率復用、極化復用技術，系統容量可進一步擴大，可支持各種類型的多媒體業務，如語音、圖像、視頻等。可應用的領域可涵蓋通信、廣播、教育、醫療、氣象、交通、金融、安全等各方面。

隨著空間微波技術的發展，轉發器的末級功放功率正在逐步增加，例如Ku頻段可采用150W、Ka頻段可采用100W射頻輸出的行放，并可將多路末級功放進行功率合成提高轉發器的輸出功率，同時利用高增益的點波束形成覆蓋區，可以實現較高的等效全向輻射功率（EIRP），提高系統容量，并減小終端尺寸。

動態功率調整技術可以實現不同波束下的功率調整，可將星上功率資源調整到業務量大的波束，提高系統的效率。

通過設置可移動波束來滿足移動覆蓋區的要求，星上設置天線轉動控制器及驅動機構，在地面指令的控制下，將天線轉到用戶需要的指向，形成可移動覆蓋區，可增加系統的靈活性。

相控陣天線具有能夠輻射大功率，數據傳輸速率高，能夠迅速、靈敏、準確地進行波束控向，以及能夠搜索、截獲、識別、跟蹤多個目標等優點，因此其在地基、空基等領域已經得到較為廣泛的應用。隨著空間技術的發展，以及衛星通信抗干擾、波束在軌重構、多波束以及波束快速掃描等應用需求的不斷提升，相控陣天線在航天領域的應用被廣泛關注。

星上基帶交換技術從交換方式上可分為電路交換和分組交換，電路交換即按照時隙進行基帶信息交換，分組交換常用的有ATM交換和IP交換。與傳統的透明轉發及交鏈方式相比，星上基帶交換技術可以實現更靈活的路由交換，提高系統使用效率。

三、西部專用衛星通信系統構想

1. 專用通信衛星系統的基本思路

中國目前已有的廣播、直播衛星系統在覆蓋區上已實現對西部地區的覆蓋，但從應用模式的角度看主要業務領域為電視廣播、遠程醫療、遠程教育等。由于采用全國土覆蓋，賦形天線通常對業務量較大、雨衰較大的東南部國土地區進行加權，西部地區覆蓋區天線增益相對較小。因此，常規衛星系統不足以支持西部地區較小口徑地面終端接入，一定程度上影響了系統使用的便利性。筆者為此提出發展西部地區專用的通信衛星系統，不采用長期以來的全國覆蓋的方式，通過利用高增益點波束、可動點波束、相控陣天線技術、星上路由交換技術等實現靈活地域覆蓋，滿足西部特定用戶需求。本系統可服務于：①西部地區主要金融機構與北京總部、上海金融中心之間的數據通信；②西部地區石油、煤炭、有色金屬工程單位與總部的多媒體通信；③西部地區自然災害突發地區抗震救災及災后重建的應急通信；④西部地區突發事件地區與省會、首府、首都之間的特種通信。

2.專用通信衛星系統設想

西部地區專用通信衛星系統包括空間段和地面段組成，其中空間段為1顆靜止軌道通信衛星，地面段由關口站及業務終端組成。

（1）空間段

空間段設置1顆靜止軌道衛星，星上設置固定點波束、可移動點波束、相控陣波束來實現對重點城市、熱點區域的覆蓋。衛星采用Ka頻段，該頻段具有天線增益高、通信帶寬寬的優點。

衛星設置6個固定點波束和4個可移動點波束，及2個相控陣波束。 6個固定點波束分別覆蓋北京、上海、西安、成都、拉薩、烏魯木齊。上述城市設立關口站，可以實現衛星系統與地面的互聯互通，同時也可滿足各覆蓋區內終端與上述區域內總部之間的業務通信，波束寬度0.5°，每個波束覆蓋國土面積約8萬平方千米。星上采用多饋源共用反射面方式來實現多點波束覆蓋，并結合動態功率分配技術，根據業務量需求和鏈路衰減調整各波束功率分配,覆蓋示意圖如圖1。

>> 圖1 固定點波束覆蓋示意圖

>> 圖2 可移動點波束覆蓋示意圖

>> 圖3 相控陣天線模型

4個可移動點波束可根據地面指令驅動天線轉動，到達指定覆蓋區，波束寬度0.5°，覆蓋國土面積約8萬平方千米，覆蓋區可根據需求在國土范圍內改變，也可通過4個頻分的點波束交疊覆蓋形成聯合覆蓋區。覆蓋示意圖如圖2。

2個相控陣波束可在地球視場范圍內進行掃描，可支持熱點地區波束駐留，用于實現特殊通信要求。天線的收、發模塊如圖3所示，為做到小型輕量化，放大器和移相器采用單片微波集成電路制作，圖中上半部分為發射天線，下半部分為接收天線，兩天線分別排列多陣元的方錐形喇叭[3]，調整好各陣元的相位可對波束方向進行控制。

星上設置路由交換，采用子帶交換或者基帶交換體制，實現各波束內、波束之間信息的靈活交換，并預留各波束與北京波束的雙向通道，確保重要信息能夠傳送到北京。

衛星有效載荷主要技術參數如表1。

表1 有效載荷基本參數

（2）地面段

地面段包括關口站及地面終端。關口站采用大口徑天線和高功率功放，可以實現較高速率衛星網絡與地面的互聯互通，完成各波束內終端與總部之間的數據傳輸。關口站計劃分布在北京和上海2個固定點波束內。關口站采用大站的形式，并可集成衛星通信系統的業務平臺、網絡管理、網絡協議轉換等功能。關口站組成示意圖如圖4所示。

>> 圖4 關口站組成示意圖

地面終端采用中小口徑天線，可承擔傳輸中低速率業務通信，分布在固定波束、可移動點波束及相控陣波束覆蓋區內，具有靈活、便攜、可移動的特性，可快速開展應用。為了適應西部地區氣候環境及野外使用需求，終端應支持太陽能充電，并要求具有一定的抗寒、抗風加固能力。

地面終端根據速率不同對應不同尺寸的口徑，按照16kbit/s～2Mbit/s上行速率、100Mbit/s下行速率，終端天線口徑不超過0.6m。地面終端示意如圖5所示。

>> 圖5 地面終端示意圖

（3）系統應用模式

在本衛星通信系統下，各波束內擬設定以下功能。

固定多點波束覆蓋北京、上海及西部4個主要城市，在系統中主要用于衛星網絡與地面互聯互通，用于設置關口站、金融、能源公司總部或重要分支機構，用于提供各類型業務平臺，網管中心或網管代理，用于將救災、突發事件態勢及時傳送到指揮中心。固定波束主要覆蓋大城市，可采用較大口徑終端，傳輸高速信號。

可移動點波束用于覆蓋需要通信的區域，具有靈活特性，適用于金融服務、野外工程作業、突發自然災害地區、邊境沖突或突發事件地區快速建立通信。波束下支持較小口徑終端，傳輸中低速率信號，支持多媒體信息傳輸。

相控陣波束具有電掃描特性，覆蓋區可快速移動，掃描范圍大，結合TDMA體制，適用于更廣闊區域的聯合通信，可在常規業務需求超過在固定點波束、可移動點波束傳輸能力的情況下，提供通信信道,也可為邊境沖突、突發事件或其他業務提供專門的通信鏈路。各波束內、波束之間可建立點到點、點到多點的通信，下行支持波束內廣播，便于終端接收。

[1]陳汝斌.西部開發衛星通信的優勢.第二屆全國西部衛星應用技術研討會,2001年

[2]王秉鈞,王少勇,田寶玉.現代衛星通信系統.電子工業出版社,2004年1月

[3]Yasuo Nakamura.Development results of a proto flight model of the Ka-band active phased array antenna for WINDS.Antennas and Propagation, 2006. EuCAP 2006.