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Ka波段在卫星中的应用及发展

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随着商业航天和5G时代的到来,卫星的频率资源日益紧张,用户对数据传输的带宽和速度要求越来越高,这迫使卫星制造和运营商寻找、开发更高的无线通信频段来满足新的需求,Ka波段开始更多的进入人们的视野。

Ka波段是电磁频谱中频率范围在26.5-40GHz之间的波段,介于超高频(SHF)和极高频(EHF)之间,通信带宽远超过C、X、Ku等波段。首先,本文将介绍Ka波段的自身特点,然后重点阐述Ka波段在通信卫星和遥感卫星领域中的应用现状及发展趋势。

01 Ka波段特点

与S、C、X等传统卫星通信频段相比,Ka波段具有以下特性:

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1.可用频带宽,吞吐量高

如图1所示,Ka波段范围比其他频段更宽,具有吞吐量高的特点,可以提供更宽的频谱资源以实现更多的数据传输。

相较于低频段而言,Ka波段开发启用的时间更晚,因此频率资源相对没有那么拥挤。如C频段的一般可用带宽为500MHz~800MHz;Ku频段的可用带宽为500MHz~1000MHz;而Ka波段的可用带宽可达到3500MHz。

从申请频率许可的角度而言,低频谱已被大量开发,新的商业卫星公司进入需要与相应的主体进行频率协调,获得通行权。虽然Ka波段频率的使用可能也需要协调,但至少避免了传统频段的拥挤和饱和。

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2.终端设备和星上载荷体积小

由于频率高,卫星天线的增益可以做得较大,用户终端可以做得更小更轻便,这有利于面向C端用户的推广和应用。

对于地面系统而言,在接收指标要求相同的前提下,Ka波段的天线口径显著小于低频段的天线,而地面天线的口径是决定地面系统投入成本的主要因素之一。地面天线口径变小,可以提供更经济更灵活的地面数据接收服务。

另一方面,Ka波段星上天线和发射器的尺寸也更小,对于卫星方而言,更容易减少航天器的整体重量和体积,降低了发射成本,使卫星能够搭载更多有效载荷。

3.雨衰大

除了通信频带宽、终端体积小等显著优势外,Ka波段也存在一定的不足,由于频率高、波长短,绕过障碍物的能力较差,受云层、降雨、雾霾等天气影响较为明显,给多降雨地区Ka波段的使用带来了一定难度。为了在雨天/阴天也能满足正常的数据容量需求,往往需要接收比实际需要更多的容量,以补偿被削弱的信号。

02 Ka波段在通讯卫星中的应用

基于Ka高频段吞吐量高,数据传输量更大的特点,能够使通信卫星为终端消费者提供低延时、高速率的数据连接服务,从本世纪初开始通信卫星运营商开始加大对Ka波段的投资,建造发射一系列Ka波段卫星。

与其他工作频段的通信卫星一样,Ka波段通信卫星主要面向的市场是地面通信网络覆盖不到的区域,作为地面通信网络系统的补充。主要应用场景包括:偏远地区的语音短信服务、海上/机上互联网连接服务、社区互联网服务、应急通信、电视广播服务、物联网数据传输、公司/政府机构内网等。

GEO轨道Ka波段通信卫星技术发展较为成熟,商业模式清晰,业务市场存在较多竞争者。但受其卫星数量和轨道限制,GEO卫星的覆盖范围有限,区域性运营商居多。表1列出了目前在轨运营中的Ka波段GEO通信卫星。

表1.在轨运营中的Ka波段GEO通信卫星

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除上述全Ka波段卫星外,也有同时工作于Ka/Ku频段或C频段的高通量GEO卫星,主要用于提供卫星电视广播服务,包括加拿大Telesat公司的Anik F2、F3,欧洲卫星公司(SES)的AMC15、16和Serius 4/Astra 4A,国际通信卫星公司(Intelsat)的Galaxy-28/Intelsat Americas 8/Telstar 8等。

相较于发展成熟的GEO通信卫星,LEO宽带卫星星座仍处于探索阶段,但发展前景值得期待。虽然近期一网公司陷入破产风波,SpaceX公司的星链计划仍然备受瞩目,今年3月发射了第六组卫星,目前在轨卫星数量达到360颗。此外,铱星公司的第二代铱星系统于2018年进入了商业化运营阶段,主要提供覆盖全球的语音和数据服务。国内的Ka波段低轨宽带卫星计划包括航天科技“鸿雁”星座、航天科工“虹云”星座、银河航天低轨移动通信星座等,目前上述3个星座也均成功发射了首发星。在宽带卫星星座系统中,Ka波段既用于下行馈电链路也用于星间链路。

此外,MEO通信卫星和GEO通信卫星呈现互补的趋势。例如,在MEO轨道上,目前只有O3b星座正在运营中,该星座每颗卫星配备12个Ka波段天线。自2014年起开始进入商业化运营,2016年被SES公司收购为子公司。该公司计划将在2021年继续发射MEO卫星星座mPower,与其现有GEO卫星相结合,以提供更高速率更低延迟的宽带服务。美国卫讯公司(ViaSat)也提出将在MEO轨道上部署由20颗卫星组成的ViaSat-3星座,结合该公司的GEO卫星容量,以优化用户体验。

03 Ka波段在遥感卫星中的应用

在遥感卫星领域,Ka波段主要用于将搜集到的地球成像传输到地面。随着遥感卫星数据应用商对于卫星数据分辨率的要求越来越高,遥感卫星运营商希望构建一个高性能的卫星星座,能够频繁地、持续不断地搜集大规模地球成像。但制造卫星、确保发射服务并建立遍布全球的地面系统等一系列工作给卫星运营商带来了很大的挑战。提高了星上成像系统的性能,卫星能够搜集大量的数据,却由于数传速率的限制,无法将数据及时有效地传回到地面,使卫星运营商迫切地希望提高卫星数据下行链路的吞吐量。

提高有效下行链路的吞吐量大体有两种模式:一种模式是建造由数百颗卫星组成的星座并建立相应数量的地面站支持庞大的卫星系统,在这种模式下,卫星在获取成像后,离数据获取点最近的地面站将实时接收下行数据。另一种模式是让数据在卫星上短暂存储一段时间,对地面设备进行战略布点并提高下行链路的速率。考虑到战略和经济方面的可行性,显然第二种模式更为合理。而Ka波段数据传输量大的特点,能够满足遥感卫星的高数传需求。

国防科工局《遥感和空间科学卫星无线电频率资源使用规划(2019-2025年)》指出,鼓励Ka、Q/V等更高频段频率的应用,主要用于适应未来大规模星座等复杂系统的任务需求。在数传频率使用方面,中低速数传任务一般使用X频段(8025-8400MHz或8400-8500MHz)开展;高数据速率数传一般选择Ka波段(25.5-27GHz)。另外,鼓励数传和测控频率使用采用一体化设计,通过数传下行频率传输遥测信号,提高频谱利用率。

根据国际电联频段划分,25.5—27GHz范围内的1.5GHz的带宽可用于卫星地球探测业务,而该带宽为X频段相应业务可用频段的四倍。国际上,遥感卫星数传同样一般采用X频段,采用Ka波段的数传案例较少。本文以美国创企Astro Digital公司运营的Corvus-BC地球遥感星座为例,分析Ka波段数传现状。该星座目前由10颗卫星组成,星上数据存储量为1TB,每日成像容量为1.2TB,在卫星过境的10多分钟内,下行速率可达到35Mb/s-2.2Gb/s。卫星过境期间可根据轨道位置和下行信号强度调整速率,使空对地数据传输量达到最高值。此外,跟踪低轨遥感卫星对于地面天线指向精度的要求较高,一般需要开启自动跟踪模式。Astro Digital公司通过与挪威KSAT公司合作,从设计上提高了星上天线和地面天线的匹配度,使得星上天线的波束宽度比地面天线更宽。因此,地面天线可以在不使用自动跟踪模式的情况下精准跟踪天线,如图2所示,图中紫色为卫星天线的波束,黄色为地面天线波束。

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图2. 卫星天线与地面天线波束示意图

04 卫星频段发展趋势

虽然目前Ka波段及以上的甚高频段卫星通信的发展尚未达到广泛应用的阶段,但众多卫星公司已向频率监管部门申请了V频段(下行37.5-42GHz;上行47.2-50.2GHz和50.4-51.4GHz)的使用权。2017年FCC收到了多家公司的V频段使用申请,计划在中低轨道部署不同规模的V频段或Ka/V频段卫星星座,作为对现有Ka波段网络的补充。


表2.为V频段具体申请情况统计

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申请更高频段的使用权很大程度上是出于抢先占领频率资源的动机,但也从另一个侧面反映出了未来卫星工作频段向更高频段发展的趋势。如果未来技术上能够得到突破,克服高频段的劣势,甚高频段将重新定义高吞吐量卫星。


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