地球静止轨道卫星Ka 频段资源使用情况分析

刘帅 毛敏

（国家无线电监测中心深圳监测站 广东省深圳市 518000）

当前，随着商业航天和5G 时代的到来，卫星频率资源日益紧张，地球赤道上空有限的地球同步卫星轨位几乎已被各国占满。这迫使人们寻找和开发更高频段来满足新的通信需求；Ka 频段以其独特的优势能被应用在卫星通信领域，在通信卫星中采用Ka 频段，可以获得较宽的工作频带，增加通信容量，同时还可以实现较窄的波束，从而获得高的EIRP 值，减小地面终端天线尺寸。而且，相对于已经十分拥挤的C、Ku 波段，Ka 波段的干扰较小，便于卫星的轨道位置和频率关系的协调。而元器件以及工艺水平的提高也对Ka 波段的发展起到了一定的加速作用。

文章首先介绍了全球搭载Ka 频段卫星的概况和分析了近些年发射搭载Ka 频段卫星的发展趋势；然后阐述了近些年我国静止轨道卫星搭载Ka 频段的使用情况；接着以深圳为监测点，对深圳上空可视弧范围内搭载了Ka 频段静止轨道卫星的监测情况进行分析；最后总结分析了全球以及中国搭载Ka 频段静止轨道卫星的发展和不足，并给出未来发展的建议。

1 Ka频段概述

Ka 频段是电磁频谱的微波频段的一部分，Ka 频段的频率范围为26.5-40GHz。Ka 代表着K 的正上方（K-above），换句话说，该频段直接高于K 波段。Ka 频段也被称作30/20GHz 频段，通常用于卫星通信。Ka 频段最重要的一个特点就是频带较宽，C 频段的可用带宽一般为500MHz-800MHz；Ku 频段的可用带宽为500MHz-1000MHz；而Ka频段的可用带宽可达到3500MHz。因此，Ka 频段卫星通信系统可为高速卫星通信、千兆比特级带宽数字传输、高清晰度电视（HDTV）、卫星新闻采集（SNG）、VSTA 业务、直接到户（DTH）业务及个人卫星通信等新业务提供一种崭新的手段。Ka 频段的缺点是雨衰较大，对器件和工艺的要求较高。在Ka 频段频率下，用户终端的天线尺寸主要不是受制于天线增益，而是受制于抑制其它系统干扰的能力。表1 为无线频段的划分。

表1：无线频段划分表

与传统的卫星通信频段相比，Ka 频段具有以下特性：

1.1 可用频带宽，吞吐量高

Ka 频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。

从申请频率许可的角度来说，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 频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。

1.2 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的较大，用户终端可以做的更小更轻便，这有利于面向客户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频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 频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的有效载荷。

1.3 雨衰大

除了通信频带宽、终端体积小等显著优势外，Ka 频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，给多降雨地区频段的使用带来了一定难度。为了在阴雨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。

2 全球搭载Ka频段静止轨道卫星情况分析

地球静止轨道属于地球同步轨道的一种，是位于地球赤道上方的正圆形轨道，距地面高度为35786 千米。在静止轨道上运行的卫星便称为“静止轨道卫星”。为了避免频率干扰，当前同一频段、覆盖区域相同或部分重叠的对地静止卫星必须间隔一定的距离。这就意味着轨道位置是有限的，因此，静止轨道上运行的卫星数量也是一定的。再加上近年来卫星C/Ku 频段资源逐渐饱和，不得不迫使人们使用更高频段开展业务，卫星新型业务向Ka 频段发展应用成为趋势，也预示着卫星无线电监测将向更高频段监测趋势发展。

目前公开资料显示，截至2022 年3 月，全球共有公开记录的搭载了Ka 频段静止轨道卫星142 颗，其中在轨卫星107 颗，占比达75.35%；计划发射卫星10 颗，占比达7.04%；已退役卫星8 颗，占比达5.63%。全球搭载有Ka 频段的静止轨道卫星状态统计如表2 所示。

表2：全球搭载有Ka 频段的静止轨道卫星状态统计表

另外，统计全球公开记录的地球静止轨道卫星总数为585 颗，其中在轨卫星有354 颗，占比达60.51%；计划发射卫星21 颗，占比达3.59%；退役卫星102 颗，占比达17.44%。全球静止轨道卫星状态统计如表3 所示。

表3：全球静止轨道卫星状态统计表

分析可得搭载了Ka 频段的静止轨道卫星占全球所有静止轨道卫星的比例为24.27%；另外，全Ka 频段卫星仅有36 颗，这其中还包括脱轨和漂移的3 颗，也就是真正在运行和计划发射的仅有33 颗，占全球所有静止轨道卫星的比例仅为5.64%。这也说明Ka 频段静止轨道卫星还有较大发展空间。

2.1 全球计划发射搭载Ka频段静止轨道卫星情况

2021 年年中至2023 年底，包括美国、英国、印尼、马来西亚、西班牙、阿根廷、以色列等国家计划再发射至少10 颗携带Ka 频段有效载荷或Ka 频段全频段卫星。需要说明的是本文统计计划发射是从2021 年年中开始统计，主要是由于暂时无法考证2021 年计划发射卫星是否发射成功。部分计划发射卫星情况如表4 所示。

表4：计划发射搭载Ka 频段静止轨道卫星情况

2.2 近年来全球发射搭载Ka频段静止轨道卫星情况

近年来，卫星频率资源日益紧张，传统的C、Ku 等频段已接近饱和，再加上地球赤道上空有限的地球同步卫星轨位几乎已被各国占满。Ka 频段以其独特的优势逐渐被人们重视，进入21 世纪以来，发射搭载Ka 频段的卫星逐渐增多，2014 年至今总共发射和计划发射搭载Ka 频段卫星数量为75 颗，占目前全球所有搭载Ka 频段静止轨道卫星总量的53%，已超过半数。图1 为近年来发射搭载Ka 频段静止轨道卫星情况趋势图。

图1：近年来发射搭载Ka 频段静止轨道卫星情况趋势图

3 中国搭载Ka频段静止轨道卫星情况

亚洲七号卫星是我国首个搭载Ka 波段转发器载荷的商业静止轨道卫星平台，于2011 年11 月发射升空，配备了一个Ka 波段波束，另外还搭载有28 个C 波段及17 个Ku 波段转发器，覆盖区域广，包括亚洲、大洋洲全境、非洲和欧洲部分地区、东亚和南亚等地区。它还可用于为亚洲四号和亚洲五号卫星提供备用支持。不过亚洲七号是由美国劳拉空间系统公司设计及建造的，该卫星采用可靠的SSL1300 卫星平台，具备高度的灵活性。

中星16 号卫星是我国自主研发的首颗静止轨道高通量通信卫星，于2017 年4 月成功发射，首次应用Ka 频段多波束宽带通信系统，通信总容量超过20Gbps，超过中国此前研制的通信卫星容量总和。该卫星设计有26 个用户点波束和3 个馈电波束，覆盖我国除西北、东北的大部分陆地和近海近300-600 公里海域。中星16 号卫星的成功发射是我国建设航天强国的重要标志性成就，中国从此叩开了通信卫星“高通量时代”的大门。

亚太6C 卫星于2018 年5 月发射升空，该卫星由我国自主研发设计，设计寿命15 年；搭载了1 路Ka 频段转发器，另外还搭载了32 路C 频段转发器和20 路Ku 频段转发器，在这三个频段提供了8 个波束覆盖区，转发器系统具备复杂的波束切换和波束交链功能，85%的转发器可在不同波束间切换。亚太6C 是目前东方红四号平台民商用系列卫星中可同时工作的转发通道数量和可用转发通道数量最多的卫星。业务覆盖了高功率的广播电视、直播到户、VSAT、移动基站回传、航空机载通信等。

4 静止轨道卫星Ka频段监测结果分析

为了更好地掌握各国Ka 频段静止轨道卫星在我国的覆盖情况和信号发射情况，以深圳为监测点对深圳可视弧范围内的Ka 频段静止轨道卫星进行监测。

4.1 监测方法简介

监测应该避开雨衰、日凌和沙尘天气时间段，本次监测采用的是0.9mKa 一键寻星系统。在开展监测前，需要利用已知能接收到卫星信标的卫星作为校准卫星对系统进行校准。标校的目的是使反射面天线相对于底座的方位角、俯仰角和相对于地理正北方向的方位角、俯仰角保持一致。具体做法是选择已知卫星信标、对准已知卫星，在正常接收卫星信标的情况下，系统自动计算并校准磁偏角。图2 是监测流程图。

图2：Ka 频段静止轨道卫星监测流程图

4.2 监测结果分析

在深圳地区监测50°E 至172°E 的30 个轨位(由于地理位置与天线等相关因素，其他轨位的卫星超过可视弧范围，无法对星)的34 颗Ka 频段静止轨道卫星的下行信号，共监测到8 颗卫星的信号。需要注意的是仅在深圳监测并不能完全反映Ka 频段静止轨道卫星的所有覆盖情况。

根据对监测结果的分析，下面主要就两颗典型的卫星频谱图及覆盖图进行分析。

卫星Inmarsat-5F4，轨道位置56.5E，总共有89 个Ka波段波束，为太平洋地区提供高达50Mbps 的高速宽带移动卫星通信服务。监测到该星信标信号，频率为20.68GHz，在左旋圆极化和右旋圆极化均监测到该信标信号，频谱图如图3(a)所示。此外，它的S67DL 波束覆盖深圳，覆盖图如图3(b)所示，在该星上监测到调制信号，信号频段为19.7-20.7GHz，频谱图如图3(c)所示，极化方式为左旋圆极化。

图3

卫星Intelsat 33e，轨道位置60E，它搭载了Ka 全球波束，波束覆盖图如图4(a)所示。监测时接收到该星的信标信号，频率为20.7GHz，在左旋圆极化和右旋圆极化均监测到该信标信号，频谱图如图4(b)所示。未在该星上监测到调制信号。

图4

卫星Inmarsat-5F1，轨道位置63E，主要用于覆盖印度洋地区和亚洲部分地区，为这些地区提供高达50Mbps 的高速宽带移动卫星通信服务。监测时接收到该星的信标信号，频率为20.68GHz，在左旋圆极化和右旋圆极化均监测到该信标信号，频谱图如图5(a)。该星的S81DL 和S87DL 波束覆盖深圳，覆盖图如图5(b)所示，同时监测到该星的下行调制信号，信号频段为19.577-20.1GHz，频谱图如图5(c)所示。

图5

5 总结

从上述数据中可以看出，无论从在轨卫星数量还是计划发射卫星数量上来看，我国Ka 频段通信卫星在国际上均落后于美国、英国、加拿大等通信大国。因此，我国首先需要对已申报的卫星网络资源储备进行汇总分析，明确当前可用于发展Ka 频段卫星通信的频率轨位资源，将资源储备与应用规划相结合。在明确卫星通信需求的前提下，尽快发射Ka 频段通信卫星，及时抢占Ka 频段频率和轨道资源，为今后宽带卫星通信应用打牢基础。

另外，从全球所发射的Ka 频段静止轨道卫星数量占比在所有卫星中的占比还较低，全Ka 频段卫星数量更少，说明Ka 频段静止轨道卫星还有较大发展空间。不过从最近几年发射的搭载了Ka 频段静止轨道卫星的数量上看总体呈上升趋势，尤其是2014 年至今发射的卫星占总发射数量的半数以上，说明世界各国对Ka 频段静止轨道卫星的重视程度越来越高，我国也应顺应发展趋势对Ka 频段卫星引起重视。

从在深圳对可视弧范围内的Ka 频段静止轨道卫星监测可以粗略看出Ka 频段频谱利用率还较低，当前C 和Ku 等频段利用已接近饱和，对Ka 频段的开发利用迫在眉睫，未来还应不断探索Ka 频段的频谱利用。

此外，我国还应当着力开展Ka 频段卫星通信系统关键技术研究，重点围绕宽带卫星通信体制、抗干扰技术、星上处理、多址技术和调制技术、信道编码技术等方面开展研究，有利于促使航天科技和卫星通信独特优势的充分发挥，占据卫星通信技术的前沿位置，并促进我国宽带多媒体信息高速网络的基础设施建设。