空間太陽能電站涉及空間無線電規則研究

江帆 侯欣賓 許國彩

1 引言

空間太陽能發電是利用發射大型太陽能衛星，在地球靜止軌道吸收太陽能并轉化為電能，然后以微波或激光為介質把能源傳送回地面的大型天線站（或天線陣群），并最終轉為基本電力。利用空間太陽能發電，可以解決太陽光穿過大氣時因受到吸收和散射而減弱的問題，被認為是能夠解決能源問題的有效途徑之一。作為一個新興技術，當解決了發電方式、微波輸電等這些制約空間太陽能發電站的關鍵技術之后，對空間太陽能發電這種新型技術的合法性和安全性的研究就提上了日程。

2 國際電信聯盟關于無線能量傳輸的規則研究

無線能量傳輸（WPT）技術是空間太陽能衛星的基礎，它是將能量以電磁波為載波從空間傳輸到地球。除空間太陽能衛星外，無線能量傳輸技術還廣泛應用于其他很多領域，在以國際電信聯盟（ITU,簡稱國際電聯）為主的國際主流平臺范圍內得到廣泛研究。

國際電聯是主管信息通信技術等相關事務的聯合國機構，負責分配和管理全球無線電頻譜與衛星軌道資源，制定全球電信標準，促進全球電信發展。國際電聯下分多個部門和若干工作組和研究組，負責研究各類與無線電相關的議題。其中，ITU-R WP1A工作組的研究領域為頻譜工程技術，當前正就“無線能量傳輸”開展相關研究（課題號為ITU-R 第210-3/1）。這項議題最初提出該課題的時間是1997年，之后幾經修改，終于在2012年確定了研究內容和研究時間表。具體研究內容如下：

1）適合開展無線能量傳輸的頻譜使用類別；

2）適合開展無線能量傳輸的頻段；

3）采取措施，以保證包括射電天文業務在內的無線電通信業務免受無線能量傳輸操作的影響。

為解決以上問題，需在以下方面開展研究，包括：

1）已經使用無線能量傳輸技術開發出的應用；

2）使用無線能量傳輸技術進行的無線電波發射所具有的技術特性；

3）無線能量傳輸的全球標準化情況研究。

目前國際電聯已就以上問題制定了研究計劃時間表，并就某些問題達成了一致，形成了相關建議書和報告。大體來說，WPT 應用可分為三種類型：

1）通過較寬的波束把功率傳輸給近距離的多個用戶，如移動筆記本電腦、移動電話等。這種應用傳輸的波束寬度很大，因此需要研究其是否會對其他無線電業務造成干擾，也需要研究其是否會對人體造成危害。

2）在接觸的區域進行無線能量傳輸。因為在這種應用類型中，電磁波能量是對接觸區域或離得很近的區域進行傳播，因此不需要對這種應用做過多的規則限制。

3）利用窄波束對單個用戶進行短/長距離的無線能量傳輸。太陽能發電衛星的無線能量傳輸即屬于這種類型的應用。由于這種場景的傳輸功率非常高，需要特別研究對其他無線電業務的干擾或者對人類的危害，還要采取一定的安全防護機制。

盡管針對太陽能發電衛星的無線能量傳輸技術已經納入了國際電聯的研究范疇之中，對功率和傳輸距離也有了初步的估計，但經過多年的研究后卻并沒有確定其使用的頻率范圍。此外，國際電聯給出了上述研究的截止日期，即完成上述研究應在2019年之前。但從目前的研究進展和成果來看，2019年之前，國際電聯只能就部分內容完成研究并形成研究報告，涉及到較為復雜的無線能量傳輸技術，如本文所研究的涉及空間太陽能發電衛星無線能量傳輸技術，研究時間恐怕需要增加10年甚至更長。

3 空間太陽能電站可用頻率分析

無線電頻率是無線能量傳輸的媒介，在開展太陽能電站無線能量傳輸研究時，必須首先確定電波頻段范圍。《無線電規則》是國際電聯對國際無線電通信管理的基本法規之一，定義了42 種無線電業務的頻率劃分規定，是包括我國在內的眾多電聯成員國合理、經濟、有效使用無線電頻率資源的重要法規依據。盡管目前為止，在《無線電規則》中并沒有為空間太陽能衛星的無線能量傳輸預留一席之地，但包括美國國家航空航天局（NASA）在內的多數國家和組織都將該研究的頻段定在了2.45GHz 或者5.8GHz，即利用《無線電規則》中為工業、科學和醫療（ISM）劃分的頻段。在國際電聯目前的研究中，無線能量傳輸相關的應用也暫時使用了ISM 頻段。

ISM 的定義

《無線電規則》第1.15 款將ISM 應用定義為“能在局部范圍內產生射頻能量，并利用這種能量為工業、科學、醫療、民用或類似領域提供服務的設備或器械的運用，但不包括電信領域內的運用”。

從定義上說，由于無線能量傳輸使用的無線電波是不攜帶任何信號、信息、圖片的，是一種不同于以往傳統的無線通信模式的新型傳輸方式，同時空間太陽能衛星的無線能量傳輸是為工業應用的，是符合《無線電規則》對ISM 應用的定義的，但是截至到目前，沒有任何規則條款明確表明空間太陽能衛星的無線能量傳輸屬于ISM 應用。

頻段及相關規定

根據《無線電規則》第5.138 條款，下列頻段：6765 ～6795kHz，433.05 ～434.79MHz，61 ～61.5GHz，122 ～123GHz，244 ～246GHz 指定給ISM 使用。

根據《 無線 電規則》 第5.150 條款， 列頻段：13553 ～13567kHz，26957 ～27283kHz，40.66 ～40.70MHz,902 ～928MHz,2400 ～2500MHz，5725 ～5875MHz，24 ～24.25GHz 也 指 定 給ISM使用，這些頻段內工作的無線電通信業務必須承受由于這些應用可能產生的有害干擾。在這些頻段內ISM設備須按照第15.13 款規定進行操作。

對于ISM 設備可能產生的干擾問題，《無線電規則》第15.13 條款的規定為：各主管部門應該采取一切可行和必要的步驟，以保證使ISM 所用設備的輻射最小，并保證在指定由這些設備使用的頻段之外，這些設備的輻射電平不會對按照本規則條款運用的無線電通信業務，特別是無線電導航或任何其他安全業務造成有害干擾。

與其他業務的兼容性分析

在《無線電規則》中，2.45GHz 和5.8GHz 還劃分給了除ISM 應用外的其他業務，其中也包括衛星導航等涉及到人身安全的業務，在世界范圍內有著廣泛的應用。與這些業務的兼容性分析是未來太陽能電站選頻的重點工作。通過兼容性分析，確定傳輸的功率限值，帶外發射限值要求，以及其他工作限制條件等。

（1）2400 ～2500MHz 頻段

該頻段內劃分的業務包括固定、移動、無線電定位、衛星移動業務以及衛星無線電測定業務。

2400 ～2483.5GHz 頻段是短距離無線移動通信的重點頻段，人們日常所使用的無線技術標準（如：ZigBee、藍牙、WiFi 等）都工作在這個頻段。

2483.5 ～2500MHz 頻段目前的主要業務劃分給衛星移動業務和衛星無線電測定業務。美國的全球星星座系統就是使用這段頻率開展衛星移動業務的代表，歐洲的伽利略衛星導航系統和我國的北斗衛星導航系統則是使用這一頻率開展衛星無線電測定業務的典型代表。鑒于衛星導航是可能涉及到人身安全的業務，且業務區為全球覆蓋，因此建議太陽能電站選擇頻率時避開這段頻率。

（2）5725 ～5875MHz 頻段

該頻段內劃分的業務包括無線電定位、衛星固定、固定、移動業務。不停車電子收費系統和智能交通中的短距離通信系統是該頻段固定和移動業務中最廣泛的兩種應用。

5725 ～5850MHz 頻段是點對點或點對多點擴頻通信系統、高速無線局域網、寬帶無線接入系統、藍牙技術設備及車輛無線自動識別系統等無線電臺站的共用頻段。

5850 ～5875MHz 頻段是包括我國在內的大部分通信衛星所使用的頻段（工程上通常稱C 頻段），而這些通信衛星大部分位于與空間太陽能衛星相同的地球靜止軌道。據粗略統計，在地球靜止軌道上空幾乎每隔2°就有一顆包含5.8GHz 頻段的衛星（太平洋上空除外），目前在全球上空的C 頻段衛星已經超過了100 顆。

4 用頻建議

盡管目前空間太陽能電站的候選頻段鎖定在了2.45GHz 和5.8GHz 兩個頻段，但是必須注意的是，目前空間太陽能在《無線電規則》中還不是一個合法的應用，無論選擇哪一個頻段，都必須通過國際電聯將該應用合法化，使之在《無線電規則》中有一個合法的地位，才能最終合法使用。在目前這個階段，需要重點分析哪個頻段最合適進行空間太陽能傳輸，之后再在國際規則層面通過各種會議將這個最適合的頻段納入國際規則的范疇體系。

2.45GHz 頻段

這個頻段目前主要是應用于無線局域網等熱點使用，和另一個目前的候選頻段相比，2.45GHz 更適合應用于空間太陽能的無線能量傳輸。因為通常情況下，無線局域網一般應用于人口密度較大的地區，而太陽能電站的地面接收站必然會選址于一個相對空曠、人煙稀少的地區，同時由于占地面積較大（典型整流天線口徑為4km），因此可以利用地理隔離的方法與無線局域網所部署的地區隔開,這樣不會產生頻率的干擾，同時也避免了對人體有害輻射以及造成不必要的生態危害等。

要選定2.45GHz 作為空間太陽能電站的無線能量傳輸頻率，需要開展理論和試驗研究，確定空間太陽能電站接收站選址的原則，如與公眾區域的隔離距離、隔離措施，以及與之相關的一些規則要求，包括發射功率、帶外功率限值要求等。確立這些，可以有效地解決與其他業務，特別是無線移動業務的同頻干擾問題。

5.8GHz 頻段

由于這個頻段是包括我國在內的大部分通信衛星所使用的頻段，而這些通信衛星大部分位于地球靜止軌道，與空間太陽能衛星所在軌道相同。使用這個頻段的優勢在于，目前通信衛星上的射頻組件經過長期的在軌驗證都已經成熟，如星上行放、固放等器件，不需要另行研制。同時，缺點也是非常明顯的，必須與其他衛星開展頻率兼容。空間太陽能電站功率較普通通信衛星相比更大，因此一旦發生干擾，必將影響其他衛星的正常通信。但由于空間太陽能電站射頻傳輸使用的帶寬較窄，可以與其他衛星分頻使用。

其他頻段

《無線電規則》規定了30Hz 到300GHz 的無線電頻率使用規則，但是從無線傳輸的角度來講，頻率越低波長越長，對于無線電波的傳輸來說大氣吸收較小，空間環境的影響相對較小，因此更有利于空間傳播，這也就是為什么大部分理論研究都將2.45GHz 和5.8GHz 作為傳播頻率的原因。隨著無線技術的發展，各種業務用頻形勢都非常緊張，以至于目前在《無線電規則》所分配的常規頻段之內幾乎沒有所謂的“空白”頻段。10GHz 以上的頻率，由于頻段較高波長短，在空間傳播時受到氧原子、水汽的吸收損耗過大，不適宜應用于空間太陽能的無線能量傳輸。而在10GHz 以下的甚高頻（VHF）頻段（100 ～200MHz）、特高頻（UHF）頻段（300 ～400MHz）、L 頻段（1 ～2GHz）、S 頻段（2 ～3GHz）、C 頻段（3 ～5GHz），等，大多為5 ～6 種業務共用一個頻段，其中空間業務和地面業務同頻共用的形式比比皆是，根據2GHz 附近空間業務的頻率劃分情況可以看出已經擁擠不堪，若再加上地面業務與之共用的情況，則情況更不容樂觀。

5 總結

空間太陽能發電衛星是人類為了應對日益緊迫的地球能源危機而提出的，清潔，無污染，取之不盡。但是，這項技術從提出設想到現在已超過30年，到現在也還沒有進入實質的研發階段。同樣的，與空間太陽能發電衛星相關的無線電相關規則體系目前也處于研究的起步階段，盡管研究了多年，在研究體系中卻僅僅只保留了一個項目編號，并沒有具體的研究計劃時間表。

目前各國在開展空間太陽能研究時使用的2.45GHz 和5.8GHz 兩個頻段在使用上尚不合法，這兩個頻段目前看來已經劃分給了空間和地面的多種無線電業務。考慮到空間太陽能發電這種特殊使用，以后無論是使用目前的兩個“熱門”候選頻段，還是為其新劃分頻段，都需要針對這種使用制定更為具體和特殊的規則要求。對于空間太陽能電站涉及的空間無線電規則研究，仍然任重而道遠。