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卫星系统新技术在中国的应用发展(二)

2/14/2005来源:卫星通信人气:9542

  (15)星间链路新技术

  对卫星星际链路而言卫星光通信技术倍受重视。美国、欧洲、日本等对此极为关注,并进行了较深入的研究,根本原因在于激光星际通信有一系列优越性:此为超越无线电频谱范围的光波新电磁谱领域,有宽广的频谱带宽,并有比地面fso更合适的传输环境,可大幅度提高卫星通信潜在容量能力;可大大减少卫星通信设备的体积与重量并增加其保密防护能力 ,可大大节省不必要的地球站多跳卫星中继转接而实现广域大跨距GEO单跳连接,达到降低时延、降低系统设备成本的重要目的。其基本技术包括光Tx/Rx技术,相应收、发天线实际上就是一个光学望远镜,可采用卡塞格伦型反射式或透射式天线;光信标技术,以确保信号波束的瞄准、捕捉与跟踪;调制解调、多址连接及网络与信号处理技术,调制解调可有IM-DD、组合脉位调制CPPM、SPSK、DCPSK、CPSK、CPM及CQAM等,光滤波、波分复用WDM技术,卫星轨道面内、面间星际光环网技术;对多址连接而言,自由空间光码分多址SO-CDMA技术很有吸引力,它具有很强的抗背景噪声的能力,并有利于解决全网同步及支持异步通信与突发业务的能力。

  (16) 农村及边缘地区应用的卫星通信新技术

  对实现农村及边缘地区的普遍服务而言,卫星通信毫无疑问为一种最有用武之地的强有力的手段。中国的情况非常明显,中国农村人口占全国人口2/3,涉及全国30多个省、市、自治区约24万个行政村的家家户户的切身利益,亦涉及缩小东西部的地区发展水平差距这一宏伟的战略目标。中国西部大开发将涉及全国覆盖域的70%,而人口则不足30%的广大稀路由区域,解决这种情况下的信息通信事业的发展手段,唯有卫星通信最为合适。2000年8月我国新疆邮电管理局就购置了1050套Gilat Dialaway VSAT终端以解决新疆边远区域的公众电话需求问题。美国公司ParaGea Communications在这方面给人们留有深刻的印象,该公司新开发的Terra SatTM-Ⅱ农村电话VSAT系统集中使用了新的信号处理及先进协议改进与网络管理技术,以多路话音为主,同时考虑提供FAX及将来可能需要连接Internet的数据应用,每一安装用户线可取得最低的价格。该公司也具有话音压缩能力达1:(14~16)的DCME技术。Terra Sat-Ⅱ系统利用TDM/TDMA星型网络结构,整个网络是可扩展的,具有设置8~128kbit/s多重TDM/TDMA载波的能力,从而可使操作者及终端用户能灵活设置网络结构以适应指定网络的业务流量需求。该网络还可改变结构为分布式星型结构,主站设备可直接通过E1或T1线路连接至PSTN。主站上设置有网络管理系统(NMS),与SNMP兼容,可控制所有系统及部件,履行呼叫处理,并容易与现有计费平台集成。每个Terra Sat-Ⅱ远端站包含一个用户友好的室内单元(IDU),具有专利型传真旁路及具协议欺骗技术支持的话带数据传输技术,以提供较高的成功率及比市面现有产品更快的对传真及数据呼叫的连接速度。而且此IDU单元结构紧凑,亦为现有业界所见尺寸很小者。

  整个系统网络结构为星形、分布星型式准网状型,系统容量>10000个远隔站,射频频段可为Ku、C或扩展C,调制解调器收发工作模式可为连续型或突发型,调制解调器用全SP收发技术,调制方式为O-QPSK,调制速率8~128kbit/s,调制解调器调谐步长1Hz,中频频率远端站为L频段,主站为70MHz,前向纠错为卷积编码、Viterbi译码。远端站话音信道数为1、4、8路,也可提供数据信道;话音速率8kbit/s,满足G.729长途质量要求;回波抵消符合G.165要求;话带数据速率4.8kbit/s(V.32)、7.2kbit/s(V.32bis)或9.6kbit/s可选;天线尺寸Ku频段为0.6m/0.95m/1.2m/1.8m,C或扩充频段为1.8m/2.4m;射频功率Ku频段为0.5W至2W,C或扩充C频段为2~5W,射频单元内含PLL及LNB。远端站信令为脉冲式/DTMF,或环路启动/地面启动型;主站信令为R2,DTMF,C5型。主站设备中外向载波数1 ~N结构可变;PTT接口E1/T1;回波抵消对每一E1/T1直至128ms,符合G.165/G.168要求;NNS用户接口中GUI及java为基础的语言,等等[2]。

  在此较详细地介绍ParaGea Terra Sat-Ⅱ新系统的主要目的是想为农村卫星通信难题提供一种新系统、新设备进展的信息参考,也还有许多卫星农村通信网络的成功示例,包括上述Gilat系统及INTELSAT DAMA VSAT与WLL混合结构系统等。

  (17) 全球卫星导航系统新技术

  如上所述,WRC-2000对RNSS的频率资源扩展的支持为全球卫星导航业务进一步发展奠定了良好的基础。对此美国GPS系统、俄罗斯Glonass系统及欧洲Galileo系统以及中国在GEO北斗卫星测定系统基础上进一步改进的第二代卫星定位系统, 包括MEO与GEO、HEO卫星星座的联合运作,均将进一步引入一系列卫星导航新技术,以增强其原有系统或新建系统的技术性能、功能与应用能力。

  Galileo系统的独立开发是出于保护欧洲集团自身战略利益的考虑,因为尽管美国政府宣布取消“有选择的可用性”(SA)后,GPS提供的精度约为10m、同步精度可达500ns左右。但是,人们无法保证情况会继续如此而不变,因为美国政府可以在任何时候在不发出通知的情况下改变有关条件。美国国防部亦无意放弃其对GPS的独家控制,并于2000年末开始了其第三代系统GPS-Ⅲ的研究工作,从而欧盟认为没有Galileo系统即无法保证在欧洲安全有效地为老百姓提供交通运输及通信、导航等领域的最基本功能,更不要说国防,无疑,国防需求正成为GPS的消费大户已不言自明。

  一些消息透露,美国GPS-Ⅲ系统不仅采用点波束信号以加强照射功率,而且将全面更新24颗MEO星座的系统结构,采用全新的HEO+GEO的33颗卫星星座结构,已由波音及洛克希德—马丁公司于2000年11月开始了概念探索研究,包括新型轨道、卫星设计、发射、测控及管理技术,美国国防部希望GPS-Ⅲ卫星在轨寿命能更长,并希望星上原子钟精度由目前的±80ns提高至±2 0ns。

  Galileo系统由30颗MEO卫星组成系统星座覆盖全球,其中一个主要挑战为时间标准及时间同步。Galileo取用星载超稳銣主时钟,但由地上铯时钟对其更新,轨道计算将在地上进行。此系统结构的优点是将整体复杂性分配至星、地结构双方,从而使系统大为简化,并有较灵便的性能增强活力。Galileo系统的第一颗卫星计划于2004年发射,整个系统于2008年投入运行。其业务性能标准定位精度横/纵向分别可达4/8m、定时精度为30~50ns,20年间可用性可达99.50%,高精度场合在保证上述同样可用性精度前提下可使其横/纵向定位精度高达0.1m。与现有GPS系统比较有明显提高。从国防战略上Galileo系统可使欧洲摆脱对GPS的依赖;从政治与市场角度讲,这像空中客车与波音的关系那样,提供了另一种权力平衡的选择;再有,从经济层面看,它将带来诸多增值应用,给欧洲及全球经济增长带来活力。

  欧洲卫星导航系统推进的另一个现实举措为“欧洲静止导航叠加系统”(EGNOS)的区域卫星定位扩充系统,它充分兼容利用GPS及Glonass的既有系统能力,再加上三颗GEO卫星(Inmarsat AOR-E、Inmarsat、IOR及Artemis)进行扩充处理信息在全欧洲发布。以满足要求极高的民航、水上、陆路交通所需的性能要求。对RNP(所需导航性能)类别APVII即可使其横/纵向定位精度提高至16/7.7m,进一步对CAT1可提高到16/4m,可用性亦可由GPS的83.92%~99.85%提高至99.00%~99.99%。

  (18) 超大卫星及超小卫星的技术挑战

  建造大卫星甚至超大卫星(Megabirds)还是较小卫星哪一种更好是一个永恒争议的话题,因为它与市场需求、火箭能力与价格、发射保险、以及投资风险等一系列不确定的因素综合关联。但是, 有一点是肯定的,就降低卫星制造价格而言,“批量生产”及“平台标准化”是两个最重要解决途径[4] ,而且,超大卫星及超小卫星从市场及技术的未来潜在战略价值来看均有其独特的重要性与挑战性。

虽然,LEO/MEO/GEO/HEO卫星的大小之分可由多种角度予以定义,但较多是从重量入手进行定义,其界面常取1000kg,以上统称为大卫星(Large Satellite),以下统称为小卫星(Small Satellite)。小卫星又可细分为下述六类:500~1000kg的称为小卫星(Smallsat),100 ~500kg的称为更小卫星(Minisat),10~100kg的称为微卫星(Microsat),1~10kg的称为纳卫星(Nanosat),0.1~1kg的称为皮卫星(Picosat),小于0.1kg的称为飞卫星(Femtosat)。

  实际的一个超大卫星示例为Alcatel公司宇航部制造的Astra 1K卫星,它是世界上迄今为止最大的通信卫星。其建造目的是为执行欧洲卫星公司(SES)的三项艰巨任务:以前所未有的容量能力替代以前发射的3颗Astra在轨卫星和充当4颗Astra在轨卫星的备份;扩展地理覆盖域,其方法为利用两个波束的频率复用,一个波束覆盖整个欧洲大陆,包括中欧、东欧及独联体CIS,另一个波束覆盖伊比利安半岛,每一波束最多能同时支持24个转发器;使用Ka频段增加SES Astra的回程信道系统(ARCS) 它是继Astra1H卫星后第二颗携带Ka频段有效负荷来开通不对称双向通信的卫星系统,它除了作为Astra1H卫星Ka频段有效负荷的备份外,还扩展了ARCS的覆盖范围,与中、东欧和CIS欧洲部分Ku频段覆盖范围相重叠,而且其上行链路波束带宽可从0~480MHz以40MHz为间隔灵活分配,以适应不断变化的市场需求。Astra 1K卫星使用了目前最大的Apacebus TM 3000B平台,提供最先进的卫星通信技术,功率大、通用性及安全性高、寿命长、指向精度高,可使此卫星在“直播到户”的DTH业务的接收方面比竞争对手胜出一筹,并为基于卫星的多媒体应用业务打开了新的路子。由于强的平台支撑能力及多重频率复用,整个卫星的转发器数高达144个。卫星的重量5250kg;卫星太阳能电池总功率高达20kW,即使卫星使用结束时亦可达13kW;卫星寿命13至19年;卫星本体高度7.6m,总的卫星载荷最大重量680kg;110W星上Ku频段行波管总数58个;下行链路能力112个信道;星上射频波导管总数>1000个;星上可容纳装备10个不同天线;卫星发射火箭必须用推力最大的PRoton-d-l-e。由这些数据即可理解此类超大卫星的庞大程度与超凡能力。

  另一极超小卫星示例为纳卫星。纳卫星基于纳米技术(Nanotechnology),纳卫星及微纳航天器实际上是由微型器件与纳米器件构成的系统级应用。微型卫星定义为所有卫星系统及子系统都全面体现微型制造技术,并可实现一种实用功能,其重量为小于等于10g,纳卫星是一种其尺寸减小到接近最低限度的微型卫星,其重量为1~10g,其功能有赖于一种分布式星座结构来实现。它是一种以近年来发展起来的微型机电一体化系统(MEMS)和由多个MEMS组成的专用集成微型装置(ASIM)为基础的全新概念卫星,从而其重量可降至10g以下。纳卫星系统对灵活的应急通信、侦察和星座组网方面有其极大的潜在优势。由于其重量轻,可不用高成本运载工具发射,分布式星座结构可多次发射、并易修复替补,可大大降低此系统经济损失和失败风险,其生存能力及可靠性可很高。同时,纳卫星研制毋需大型设施支撑,可分散于大学、研究所实验室中进行,这些均有利于降低研发费用及成本。在具体应用前景方面,美国宇航局NASA的研究报告指出,在太阳同步轨道的18个等间隔的轨道面上各自等间隔地以一定方式分布排列功能不同的36颗纳卫星,共计648颗卫星组成其分布式卫星系统,就能保证在任何时刻覆盖地球上的任意一点。报告还称,1000颗1W左右的低功率纳卫星设置在不同轨道上可构成一个相控阵雷达系统,能产生有很强方向性的1kW左右的强射频射束。当然,应该指出,纳卫星系统的分布式星座结构增加了系统复杂性,对不同纳卫星间的连接、数据传送及系统功能协调与网络管理等均将面临更高的技术要求与更新的挑战。

4 应用机遇及发展策略考虑

4.1 在中国的应用机遇

一些应用机遇是明显的、并已初露头角,另一些则是潜在特别重要,但目前尚未实现,需要努力争取。

·卫星BSS(DBS,DAB,DTH)及DVB-ip视频应用,包括家用及个人应用。

·宽带卫星无线接入及宽带卫星固定/可搬移-游牧式半移动/移动通信,可用于可行各业,包括个人应用。

·远程教学应用。中国是利用INTELSAT卫星建成世界上第一个最大的卫星远程教学网络的国家;现今利用先进的IP平台为基础的多媒体远程教学亦取得了重要进展,并具有良好的节目规划。

·卫星遥感及气象预报,包括卫星数据广播及卫星电话/视频会议。

·卫星导航及包括联合运用GIS和地面移动通信网络支持的全球定位与卫星无线电测定。

·卫星农村通信。特别是对中国的(中)西部大开发及边远稀路由通信有巨大潜在市场前景。

·卫星对特种事件的重要支持能力,卫星的灾难援救和环境污染控制作用,包括诸如卫星对航空、海事及探险等的独特三维覆盖应用能力。

·卫星的科学研究及空间研究。

·卫星发射、保险业务为两大产业,卫星空间段及地面段设备制造中国目前基础尚差,但在卫星业界有巨大市场潜力。

·卫星军事应用大有可为。美国对此特别重视,为维持其超级大国地位,它建设了世界上最先进及最庞大的国防卫星系统,包括其GPS及铱系统的联合运用。

因此,卫星通信的应用机遇极其广泛,从公网至专网,从天上至地面,从海洋,至大漠之中, 及高山之巅,遍及每个角落及各行各业。

4.2 相关发展策略考虑

(1) 加强卫星业务、应用与产业发展的规划

上述卫星新技术、新业务发展状况及频谱资源规划与应用前景充分提示人们,作为一个在全球社会中越来越起主要大国作用的我国,应充分重视发展卫星业务、应用与产业的战略重要性,对此,首先是信息产业部综合规划部门,要联手部内外相关部门,制订、落实有效的我国卫星业务、应用与产业发展规划,包括宽带卫星业务、直播卫星业务、GPS卫星增值业务、卫星移动通信业务与商用卫星运营紧密联手的国防卫星业务,以及其它各行各业运用的各类卫星应用业务的发展规划,以有效利用我国有限的轨道/频谱资源,及适应进入WTO后的国内外环境运行形势需求,等等。

(2) 充分巩固WRC-2000捍卫我国权益取得的成果,积极迎接新一届CPM会议及WRC-20003的到来 应充分珍惜与利用WRC-2000大会来之不易的BSS卫星轨道/频谱规划及RNSS频谱资源扩展等重要成果,以积极务实态度加速推进中国的BSS(DBS,DAB,DTH)及DVB-IP工作,妥善处理好意识形态规则政策要求、安全保障具体策略与技术保障措施支撑, 视频消费产业发展、航天、火箭发射产业联手发展等综合得益平衡,加速我国GEO/LEO等多层星座GPS综合平台及其普遍应用的开发,包括积极展开互利多赢的国际合作在内,充分挖掘GPS的产业增值效益, 并真正加固卫星系统对我国国防事业的实际支持作用,从而以积极务实的姿态迎接新一届CPM及WRC-2003会议的到来。

  4.3 加强规模实力是卫星事业发展与竞争的基础

  从全球情况看, 6个最大的西方卫星运营商大约控制着全球卫星运营的50%以上的份额;而卫星制造业中,西方五大制造商Boeing、Lockheed Martin、SS/Lora Alcatel、Astrium占全球份额的85%,预计今后几年内此五家份额将增至95%左右,其余仅占5%。

  另一方面,就VSAT及宽带卫星业务经营来看,加强其规模实力尤为重要。就美国情况而言,较大规模的VSAT网络用户均达5~6万,而我国有三四十家VSAT运营商,很多网络规模在3000用户以下, 甚至只有数百户,  因此,以中国卫星通信集团公司及进一步深化改革开放为契机,尽快加速我国卫星运营商的规模实力与必要的国际合作进程,就适应严峻的国际、国内竞争环境,为发展我国卫星通信事业作出贡献而言尤为重要。商用卫星制造及火箭发射技术亦必须走加强国内外合作、增强规模化实力发展途径这唯一出路。

  4.4 正确处理好市场驱动与技术驱动的关系,充分重视技术驱动重要性

  Iridium为代表的GMP系统的失利及i-Mode的成功表明,正确处理好市场驱动与技术驱动的基本关系是最重要的因素。因此在积极开发新技术的同时,必须首先着力研究其市场走向,把握其走势,并能适时地切入与占领市场。虽然一项新技术的出现往往会造就一代新产品,推动市场进一步发展,但新技术有无生命力,归根结蒂必须要有其市场定位,并接受市场检验。在把握好这一基本关系前提下,考虑到卫星产业是浓缩高技术于一体的新产业,尤其要重视各类对频谱/轨道有效利用及卫星产业发展产生更新换代、举一反三作用的新技术。在市场定位确定好的前提下,充分利用上述一系列卫星系统新技术,真正形成满足某种市场应用的“杀手锏” 技术,是复杂、严峻竞争环境中的制胜法宝,在满足基本性能要求基础上,加强智能化、自适应化,操作简便,价格便宜将成为市场竞争的第一驱动力。

  4.5 具体规划与落实好西部大开发的卫星系统发展与应用

  西部大开发是我国面向21世纪的重大战略决策,对缩小我国东西部差距,增强我国新世纪的综合国力,开发扩展国内市场需求与资源利用均有极为重要的现实意义与长远战略意义。西部大开发涉及我国70%以上地域分布12个省、市、自治区及较贫困的边陲少数民族区域,是解决“村村通电话”、“村村通广播电视”最困难的部分,用卫星通信这一有效手段解决了西部大开发通信问题,也就实质上解决了我国的农村通信问题与普遍服务问题。此外,要解决西部大开发的科技、教育、信息平台先行,宽带卫星通信依然是一种重要手段。而且就资源调查与宏观科学决策而言,卫星遥感(rss)、卫星定位(GPS)以及卫星电子地图与地理信息系统(GIS)这“3S”技术均离不开卫星技术。因此,从普遍服务基金至西部大开发政策倾斜等如何具体规划与落实好西部大开发的卫星系统发展与应用确属搞好西部大开发的当务之急,我们均应该为此献计献策。

  4.6 加强与地面系统紧密有机综合的卫星领域标准化工作及轨道/频谱规划、干扰协调的研究与捍卫国家权益的规则政策工作

  加强与地面系统紧密有机综合的卫星领域标准化工作的研究十分重要。卫星通信的基本定位必然是地面系统的有效支持、补充与延伸,特别是应充分利用其广播、多播能力,广域连接优势及对距离因素不敏感,对地面通信系统未能覆盖延伸的区域,特别是边缘区域及山区、海岛等特种地形、地域,发挥其有效的互补、支撑作用。因此卫星通信系统必须与地面通信系统进行紧密有机的集成综合。从行政与公共关系及财务角度看,卫星通信系统操作者与地面运营商及直接、间接用户间应建立实质性的互利、有效的合作伙伴关系,甚至一体化,以便构成一种真正综合性能/价格比优良的三维立体网络,并实施卫星网络对地面网络受意外事故中断时的有效大容量备份与援救支持。从标准化角度看,应该统一并开放系统接口、协议的全球标准,包括多模终端的有效集成。从技术层面看,这种综合可作层次化安排,一般可分五个等级加以考虑,即:地域综合;业务综合;网络综合;设备综合;系统综合。上述各种综合等级可考虑处于独立共存或全部综合之间,而且,随着此综合等级的递增,可认为每一等级包容着前一低等级的基本特征。

  发展国内/国际卫星系统与业务应用,包括搞好西部大开发,加强卫星轨道/频谱资源的规划与管理是必须先行的工作。而且目前在国际社会中激烈争夺轨道/频谱资源已众所周知,这涉及每一个国家的切身利益。在历届WRC大会上出现的情况即为明证。包括这次WRC-2000大会上,对IMT-2000地面及卫星部分的附加频谱划分,对广播卫星业务1、3区重新规划,对LMDS、HDFS、HAPS等高密度大容量无线接入频率划分,对新一代SS/GPS/RDSS的频段扩展均展开了激烈交锋均为明显示例。因此,在这一严峻的国内外市场竞争格局及国家利益密切相关的环境中,必须切实加强与加速我国卫星轨道/频谱规划及LEO/MEO/GEO卫星系统间及其与地面系统间的干扰协调与台站管理的研究工作,研究频率范围亦应由原先的30GHz左右扩展至100GHz左右,加强适应加入WTO后的全球电信新环境下的规则政策研究,包括全球混合网环境下国家频谱/轨道资源与主权利益保护的策略、政策与法规的研究,以及全球混合网环境下基于经济评估的频谱资源费用的摊分与计算的研究,以及在全球混合网环境下对纸面卫星(Paper Satellite)进行控制的规则与协议及现实处理办法的研究。而且还应适应卫星系统与地面系统紧密综合及多重频率共用与多频段、多模式网络多层平台综合运行环境前提下加强包括MSS在内的卫星系统标准化研究工作及支撑现代无线电管理的先进全国无线电管理信息系统与监测网络的建设工作,其相应数据库应具备多维结构,包括进行界面视频图示由多维电子地理信息数据进行支撑,并力争能对多维、多参数系统结构进行局部、准全局乃至全局频谱/轨道有效利用的优化处理及智能化、自适应化的现代化无线资源管理。充分有效合理利用“十五”规划中我国用于无线电管理建设方面的70亿左右的投资,加速相应无线电管理与技术支撑基础设施的建设工作,使我国无线电管理与无线电监测尽早与国际水平接轨,并步入国际先进行列。

  [作者简介] 陈如明,信息产业部无线电管理局原副局长,主任高级工程师,浙大、清华、北大等大学兼职教授,中国通信学会及中国电子学会会士,我国无线电频率规划专家咨询委员会主任。

摘自《电信科学》