中国西部地区专用通信卫星系统构想

· 文|中国空间技术研究院通信卫星事业部 佟金成 毛新宏 杨显强

中国西部地区幅员辽阔、地域广袤，随着改革开放的深入发展，西部地区凭借丰富的物产资源，在国民经济中发挥了越来越重要的作用。同时，西部地区仍面临着基础设施相对落后的现状，信息产业基础设施和信息化水平落后于东部地区，制约了当地的经济发展。信息产业建设一直是西部大开发的重要组成部分，卫星通信凭借广域覆盖、对地面基础设施依赖少的特点，在中国西部地区的金融、能源、应急通信、安全维稳等领域可以发挥重要作用。

一、西部地区特征及需求分析[1]

西部地区地域广阔，占全国面积50%以上；地理环境差，多沙漠、多高原、多高山、地形环境复杂、交通不方便；气候环境差，高海拔地区长期积雪、昼夜温差大、部分区域沙漠化严重、自然灾害频发，地面线路维护成本高。

西部地区人口分布不均衡，地广人稀，除了部分省会、首府等大城市外，人口多分散居住；工业基础较差，相对不发达，国民生产总值较低，人均收入低于全国平均水平。但西部地区物产资源丰富，近年来勘探发现，西部地区蕴藏丰富的石油、煤炭、有色金属、风力资源，但受自然环境及基础设施的制约，保障条件差，开发难度较大。

西部地区是少数民族聚居区，主要包括藏、维吾尔、回、哈萨克等民族，各民族具有明确宗教信仰。

西部地区存在分裂势力，以民族独立为借口从事破坏活动，如东突、藏独等。西部地区与众多亚洲国家接壤，由于历史原因造成部分区域存在领土争端、边境线复杂，存在领土冲突的风险。

二、卫星通信特点及卫星技术

卫星通信具有覆盖范围广的特性，理论上利用3颗静止轨道卫星，即可实现对全球中低纬度地区的全覆盖。在卫星视场范围内的地面终端可通过卫星转发进行点到点或点到多点的多址通信。

卫星通信在远距离通信上具有地面微波、光纤通信无法比拟的优势，建站费用和运行费用不因地面站之间的距离远近而变化，且不易受地面自然环境的影响。

随着航天工业的飞速发展，通信卫星能够在较短的时间内快速设计、制造并发射，目前民商用通信卫星研制周期通常不超过3年。

卫星通信目前正在向高频段、大容量发展，Ku、Ka频段的载荷带宽可高达几百兆到几个吉赫兹，若结合频率复用、极化复用技术，系统容量可进一步扩大，可支持各种类型的多媒体业务，如语音、图像、视频等。可应用的领域可涵盖通信、广播、教育、医疗、气象、交通、金融、安全等各方面。

随着空间微波技术的发展，转发器的末级功放功率正在逐步增加，例如Ku频段可采用150W、Ka频段可采用100W射频输出的行放，并可将多路末级功放进行功率合成提高转发器的输出功率，同时利用高增益的点波束形成覆盖区，可以实现较高的等效全向辐射功率（EIRP），提高系统容量，并减小终端尺寸。

动态功率调整技术可以实现不同波束下的功率调整，可将星上功率资源调整到业务量大的波束，提高系统的效率。

通过设置可移动波束来满足移动覆盖区的要求，星上设置天线转动控制器及驱动机构，在地面指令的控制下，将天线转到用户需要的指向，形成可移动覆盖区，可增加系统的灵活性。

相控阵天线具有能够辐射大功率，数据传输速率高，能够迅速、灵敏、准确地进行波束控向，以及能够搜索、截获、识别、跟踪多个目标等优点，因此其在地基、空基等领域已经得到较为广泛的应用。随着空间技术的发展，以及卫星通信抗干扰、波束在轨重构、多波束以及波束快速扫描等应用需求的不断提升，相控阵天线在航天领域的应用被广泛关注。

星上基带交换技术从交换方式上可分为电路交换和分组交换，电路交换即按照时隙进行基带信息交换，分组交换常用的有ATM交换和IP交换。与传统的透明转发及交链方式相比，星上基带交换技术可以实现更灵活的路由交换，提高系统使用效率。

三、西部专用卫星通信系统构想

1. 专用通信卫星系统的基本思路

中国目前已有的广播、直播卫星系统在覆盖区上已实现对西部地区的覆盖，但从应用模式的角度看主要业务领域为电视广播、远程医疗、远程教育等。由于采用全国土覆盖，赋形天线通常对业务量较大、雨衰较大的东南部国土地区进行加权，西部地区覆盖区天线增益相对较小。因此，常规卫星系统不足以支持西部地区较小口径地面终端接入，一定程度上影响了系统使用的便利性。笔者为此提出发展西部地区专用的通信卫星系统，不采用长期以来的全国覆盖的方式，通过利用高增益点波束、可动点波束、相控阵天线技术、星上路由交换技术等实现灵活地域覆盖，满足西部特定用户需求。本系统可服务于：①西部地区主要金融机构与北京总部、上海金融中心之间的数据通信；②西部地区石油、煤炭、有色金属工程单位与总部的多媒体通信；③西部地区自然灾害突发地区抗震救灾及灾后重建的应急通信；④西部地区突发事件地区与省会、首府、首都之间的特种通信。

2.专用通信卫星系统设想

西部地区专用通信卫星系统包括空间段和地面段组成，其中空间段为1颗静止轨道通信卫星，地面段由关口站及业务终端组成。

（1）空间段

空间段设置1颗静止轨道卫星，星上设置固定点波束、可移动点波束、相控阵波束来实现对重点城市、热点区域的覆盖。卫星采用Ka频段，该频段具有天线增益高、通信带宽宽的优点。

卫星设置6个固定点波束和4个可移动点波束，及2个相控阵波束。 6个固定点波束分别覆盖北京、上海、西安、成都、拉萨、乌鲁木齐。上述城市设立关口站，可以实现卫星系统与地面的互联互通，同时也可满足各覆盖区内终端与上述区域内总部之间的业务通信，波束宽度0.5°，每个波束覆盖国土面积约8万平方千米。星上采用多馈源共用反射面方式来实现多点波束覆盖，并结合动态功率分配技术，根据业务量需求和链路衰减调整各波束功率分配,覆盖示意图如图1。

>> 图1 固定点波束覆盖示意图

>> 图2 可移动点波束覆盖示意图

>> 图3 相控阵天线模型

4个可移动点波束可根据地面指令驱动天线转动，到达指定覆盖区，波束宽度0.5°，覆盖国土面积约8万平方千米，覆盖区可根据需求在国土范围内改变，也可通过4个频分的点波束交叠覆盖形成联合覆盖区。覆盖示意图如图2。

2个相控阵波束可在地球视场范围内进行扫描，可支持热点地区波束驻留，用于实现特殊通信要求。天线的收、发模块如图3所示，为做到小型轻量化，放大器和移相器采用单片微波集成电路制作，图中上半部分为发射天线，下半部分为接收天线，两天线分别排列多阵元的方锥形喇叭[3]，调整好各阵元的相位可对波束方向进行控制。

星上设置路由交换，采用子带交换或者基带交换体制，实现各波束内、波束之间信息的灵活交换，并预留各波束与北京波束的双向通道，确保重要信息能够传送到北京。

卫星有效载荷主要技术参数如表1。

表1 有效载荷基本参数

（2）地面段

地面段包括关口站及地面终端。关口站采用大口径天线和高功率功放，可以实现较高速率卫星网络与地面的互联互通，完成各波束内终端与总部之间的数据传输。关口站计划分布在北京和上海2个固定点波束内。关口站采用大站的形式，并可集成卫星通信系统的业务平台、网络管理、网络协议转换等功能。关口站组成示意图如图4所示。

>> 图4 关口站组成示意图

地面终端采用中小口径天线，可承担传输中低速率业务通信，分布在固定波束、可移动点波束及相控阵波束覆盖区内，具有灵活、便携、可移动的特性，可快速开展应用。为了适应西部地区气候环境及野外使用需求，终端应支持太阳能充电，并要求具有一定的抗寒、抗风加固能力。

地面终端根据速率不同对应不同尺寸的口径，按照16kbit/s～2Mbit/s上行速率、100Mbit/s下行速率，终端天线口径不超过0.6m。地面终端示意如图5所示。

>> 图5 地面终端示意图

（3）系统应用模式

在本卫星通信系统下，各波束内拟设定以下功能。

固定多点波束覆盖北京、上海及西部4个主要城市，在系统中主要用于卫星网络与地面互联互通，用于设置关口站、金融、能源公司总部或重要分支机构，用于提供各类型业务平台，网管中心或网管代理，用于将救灾、突发事件态势及时传送到指挥中心。固定波束主要覆盖大城市，可采用较大口径终端，传输高速信号。

可移动点波束用于覆盖需要通信的区域，具有灵活特性，适用于金融服务、野外工程作业、突发自然灾害地区、边境冲突或突发事件地区快速建立通信。波束下支持较小口径终端，传输中低速率信号，支持多媒体信息传输。

相控阵波束具有电扫描特性，覆盖区可快速移动，扫描范围大，结合TDMA体制，适用于更广阔区域的联合通信，可在常规业务需求超过在固定点波束、可移动点波束传输能力的情况下，提供通信信道,也可为边境冲突、突发事件或其他业务提供专门的通信链路。各波束内、波束之间可建立点到点、点到多点的通信，下行支持波束内广播，便于终端接收。

[1]陈汝斌.西部开发卫星通信的优势.第二届全国西部卫星应用技术研讨会,2001年

[2]王秉钧,王少勇,田宝玉.现代卫星通信系统.电子工业出版社,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.