卫星通信的明天

十六、卫星通信的明天

可能有一天，你会收到一封来自火星的电子邮件，或者通过多媒体聆听天籁之声，目睹宇宙万物。

火星探测是近期人类空间探索最重要的内容之一。但在整个计划当中，通信问题一直是火星探测工作的瓶颈，由于对火星频繁的探测需要建立一套有效的星际通信系统。实际上，星际通信可以认为是卫星通信的延伸和发展，且都属于宇宙通信。卫星通信是宇宙无线电通信形式之一，而宇宙通信是指以宇宙飞行体为对象的无线电通信，共有三种形式：

（1）字宙站与地球站之间的通信；

（2）宇宙站之间的通信；

（3）通过宇宙站转发或反射而进行的地球站间的通信。

上述所说的宇宙站是指设在地球大气层以外的宇宙飞行体（如人造卫星、宇宙飞船等）或其他天体上的通信站。

卫星通信属于宇宙无线电通信的第三种形式。显然，要发展太阳系通信、宇宙通信，地球上的卫星通信也要随之同步发展。否则，就会闹出这样的笑话：火星上的电话打到了地球村，结果，受话人在地球村的某个角落，却无法受话。

由此看来，卫星通信的发展真是前景光明。

但是，一度有人对卫星通信的发展前景并不乐观。

上世纪90年代以来一方面随着地面光缆技术的迅速发展，地面通信能够以海量的传输容量和比卫星通信更具竞争力的价格，逐步替代了通信干线业务领域中原先占有一定优势的卫星通信业务，使之丧失了许多传统市场；另一方面，与地面无线蜂窝通信和地面宽带接入技术的进步相比，卫星通信技术面向大众市场应用的技术迟迟未能形成。总之，无论是光缆还是蜂窝移动通信的地面通信系统都有极大的发展，由此导致了一些人一度对卫星通信将来的作用产生了质疑：IT时代是否还继续需要卫星通信？特别是2000年3月18日，铱星背负40多亿美元债务正式破产，这使人们对卫星通信的发展前景产生了更多的怀疑。

卫星通信真的没戏了吗？随后的发展和星际通信的构想证明这种悲观论调完全是杞人忧天。现就采用卫星通信系统的必要性作一说明。

第一，卫星通信一定会与地面通信系统的建设协调发展。理由之一，地面通信系统因受地形地域限制，不能覆盖所有地区。这一问题在发展中国家普遍存在，如在我国，要实现“村村通”离不开卫星通信。即使是在发达国家，如日本，也还有10%左右的小城镇无法使用地面蜂窝移动通信。毋庸讳言，利用卫星通信覆盖范围广的优势，这一问题便可迎刃而解。理由之二，抗御灾害和事故离不开卫星通信。通过以下事例的教训便可清楚地说明这一点：比如1984年，东京发生了一起电缆大火，大约9000门话路中断时间长达17小时。此外，在1999年的科索沃战争中，铱星系统发挥了非常重要的通信作用。

第二，通信卫星仍然是空间商业化成功运作的唯一范例。最近以来人们对因特网的需求迅速增长。全球超过11%的Internet服务商(ISP)在使用卫星。在过去的3年中，卫星互联网市场增长了8倍。此外，到2007年，宽带卫星在互联网接入服务市场的份额有望占到30%，拥有5000万用户，到2010年，年产值可达150亿美元。尽管未来发展趋势尚不确定，但卫星通信将因用户需求的迅速增长而发展。

第三，当20世纪90年代初地面光纤通信应用开始超过卫星通信时，有人就认为，如果卫星与光纤同时使用而不是只用其中之一的话，通信业务供大于求的时代即将到来。此外，在需要发展高速率、大容量卫星观点的支持下，研制吉比特（Gbit）量级容量的卫星提上议事日程。还有试验表明，通过卫星链路进行高数据率传输以及通过异步传输模式(ATM)与光纤实现无缝连接是没有问题的。为此，对卫星通信的发展可归纳为更高、更大、更宽、更小，即更高速率、更大容量、更宽频段，更小型化。为此，需要发展以下各项技术：

(1)跟踪研究新的卫星通信系统

这里描述的空间因特网卫星的概念，仅仅是从必要的通信容量的角度来论述的。为建立起整个系统，在未来系统的发展中，还要提出许多新的概念和设想。例如，一个综合了卫星与高轨道平台系统(HAPS)的新系统对未来利用光通信的极高数据率通信就很重要。因此对卫星通信具有高速率和更大容量的要求今后还将更加强烈。

(2)发展新频段及光通信

现有两种通信链路。一种是空间—地球链路，另一种是空间—空间链路。在空间—空间链路上，通过光通信可实现大容量数据传输。但对于空间—地球来说，由于无线电波要穿过大气，加之雨水因素，大容量通信不易实现。通过采用比Ka更高的频段可实现通过无线电波的大容量通信。应当发展V波段(50/40GHz)等毫米波段，也可以考虑发展W波段(80/70GHz)。

发展光通信是实现大容量通信的首选。将来的通信速度可达5个吉比特、10个吉比特，甚至100个吉比特。空间—地球段如果采用光通信，即使是沙漠腹地地球站也可以派上用场。而且，高轨道平台系统还可在地球—空间通信中起到中继站的作用。这可能是第三代因特网卫星实现极高数据传输速率将要采取的一个方案。

激光卫星通信日益重要，它能提供更宽的带宽，可达30吉比特，约是现在可用带宽的十几倍。美国国防部和航空航天局(NASA)正在加强合作，开发激光卫星通信技术。美国第一颗装有激光通信设备的军用卫星很可能是“宽带填隙卫星”(WGS)的最新型号。美国空军计划再采购3颗“宽带填隙卫星”，这3颗卫星上将可能装载激光通信系统，用于验证每颗在轨WGS卫星彼此间直接连通的能力。这种激光通信技术一旦被成功验证，将被军用卫星通信计划更广泛采用，直至使激光通信卫星成为军用通信体系结构的“中心节点”。这将对无人机的发展、部署与使用产生重大影响。

一架“全球鹰”无人机在阿富汗上空执行任务，需要连通3颗卫星，即便如此，还常常发生通信拥挤问题。而激光通信系统则能大大简化空间连接。

转型卫星通信体系结构不久即将出台，并开始转型通信卫星(TCS)计划的竞争。2002年秋，美国空军成立了转型通信办公室，责成它制定未来卫星通信计划，就卫星运行、信息下传和所需地面站等进行顶层设计，以将传统的卫星通信系统与新的先进系统有机结合起来，满足部队对带宽扩展日益增长的需要。

(3)高级的天线

如果采用无线电波，天线总是卫星通信系统的一项关键技术。具有极高数据传输速率的系统必须发展高增益天线，即大尺寸天线及多波束天线，特别是超多波束天线是未来卫星通信的一项关键技术。相关的3项技术列举如下：①超大尺寸可展开天线；②通过一组卫星的编队飞行组成一副虚拟的超大尺寸天线；③ 通过采用新的波束构成方法建成一副超多波束天线。

(4)发展超高速/光学转发器

为建成高数据率通信系统，需要一个重量轻、超高速的转发器。就此而言，任何新设备或光学技术应用都是必要的。

(5)卫星的超小型化

卫星的重量与数据传输速率几乎是成正比关系。轻量化的卫星平台技术对未来发展极高数据率卫星至关重要。这一技术包括轻量化的太阳能电源系统和轻量化的平台系统两项内容。此外纳米技术将来会有所应用。“小而精”是未来科技发展的必然趋势，而小尺寸多用途、高集成度以及高比表面积正是纳米技术区别于其他技术的一个显著特征。人造通信卫星是个庞然大物，重达几吨乃至十几吨，无论制造、运输、发射都会带来许多麻烦，价格也很昂贵。用纳米材料制成的纳米卫星比麻雀略大，重量还不到100g，运输发射容易，一枚小型火箭一次就可以发射数百颗。如果在太阳同步轨道上等间隔地布置648颗纳米通信卫星，就可保证任何人在任何时刻、任何地方与任何人进行通信，使“全球通、通全球”成为现实。此外，纳米卫星制造成本也很便宜，无疑是解决卫星袖珍化的重要手段。

(6)其他技术

与地球站有关的技术也是必要的。地球站做得越小，我们使用卫星通信就越简便。为满足这一要求，需要建立双向通信体制，还要考虑非对称通信方法。此外，超小型化的地球站(可携带的)、卫星定位技术、在轨维修技术也应当予以考虑。

可让人同时进行通话及高速上网的WorldPro1000卫星通信设备如图4-18所示。

卫星通信技术正在向宽带化、IP化、数字化、综合化、个人化以及发挥广播功能的方向转化。例如韩国和日本出现了将卫星广播与地面移动手机相结合的S波段卫星，泰国出现了地面宽带网结合，我国随着政府管制政策的变化，也即将推出直拨卫星来向全国提供广播电视直拨业务。

图4-18　世界最小卫星地球站——WorldPro1000卫星通信设备

随着卫星通信技术的进步和卫星通信能力的提高，卫星通信应用范围愈来愈广泛，服务水平愈来愈提高。在当今地面通信飞速发展的情况下，卫星通信在发展市场中虽然遇到很大的困难和风险，甚至遭受重大挫折，但由于它的不可替代的特点决定了它仍要发展和应用。因此，从全局和长远来看，未来卫星通信的发展前景光明而美好。