IT时代是否还继续需要卫星通信

　　1、卫星通信的必要性

　　众所周知,卫星通信的核心能力包括:(1)覆盖范围广;(2)具有广播能力;(3)建立通信链路迅速;(4)带宽宽;(5)灾情通信能力。

　　最近,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,由此导致了一些人对卫星通信将来的作用产生了质疑。现就卫星通信系统的必要性作一说明。

　　第一,卫星通信与地面通信系统的建设应当协调发展。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,即使是在日本,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,抗御自然灾害离不开卫星通信。这一点通过以下事例的教训便可清楚地说明:1995年,日本Hanshin/Awaji地区发生大地震,死亡人数超过6 000人;2000年,日本Tokai地区发生洪灾;2000年日本Miyake岛火山爆发,居住在岛上的人们全部疏散,大量火山灰从天而降。在这些灾害中还有另外一种事故。比如1984年,东京发生了一起电缆大火,大约9 000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(Iridium)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的惟一一例。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,卫星互连网市场增长了8倍。此外,到2007年,宽带卫星在互连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增长。

　　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。

　　2、由政府支持研发的必要性

　　出于满足通信卫星发展的需要,更是出于满足美国航宇局(NASA)自身通信需求的考虑,NASA对其卫星通信的研发政策进行了调整,但仍然重视和支持卫星通信新技术的研发。政府部门应当保留IT基础设施技术的潜力,以便使卫星系统与地面系统得以协调发展。此外还应具备能够研究和编制通信卫星规范的技术力量,还要保护政府发展卫星通信的潜在能力。政府部门应当把费时较多的研发工作当作自己的一项职责来对待。

　　政府部门应当具有一支IT技术创新的队伍,也就是说政府必须能够吸引优秀的IT研究人员和工程技术人员。从国际合作的角度看,这一点也是很有必要的,因为只有通过国际合作,才能不断缩小发展中国家与发达国家的差距。如上所述,卫星通信是抵御自然灾害的重要措施,政府还应当发展包括应急通信在内的通信基础设施。

　　卫星通信的发展前景

　　1、三代通信卫星的研制方案

　　尽管地面通信系统的通信速率近年来在以每年4倍的速度增长,但为了协调发展,卫星通信必须在速度上与之保持一致,这就要求卫星通信的速度也必须快速增长,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。就此而言,有必要对今后30年的因特网卫星及其发展状况予以考虑(如下表所示)。

　　未来30年拟建的通信卫星

　　第一点,卫星更新换代以10年为单位,这似乎是周期长了些,但却是合理的。第二点,同样是因特网卫星,还分为固定、广播和移动通信,这样一来,卫星固定业务就不是惟一的考虑。第三点,第1代因特网卫星将优先发展区域及国内通信业务,第2代与第1代相比,更强调其全球通信能力。就此而言,应当对第2代所涉及的环形星座卫星系统、地球静止轨道卫星及与低地球轨道(LEO)卫星的连接等问题加以研究。第四点,因为是大型卫星,因特网卫星每5～7年才发射一次。毋庸讳言,应当在大型卫星的发射间隙,通过每1～3年发射一批小型卫星,以加快卫星技术的发展。小型卫星计划将包括卫星基础设施试验、定位技术以及LEO技术。实现航天相关技术与IT技术的协调发展是非常重要的。

　　2、卫星通信能力的发展目标

　　地面通信系统的容量年年都有大幅度的增长。卫星容量的增长速度应当与地面相一致,尽管完全的一致是不可能的。卫星不仅可以用作骨干网,还可以用作固定通信或移动通信的支网。由此可以设想卫星在骨干网容量中至少占1%。

　　第1代因特网卫星,即Gbit卫星或空间因特网(i-space)卫星每个通道的通信容量为1.2Gbit,全部通信容量大约为6Gbit。另一方面,日本将于2005年发射的iP-STAR计划拥有总量为50Gbit的通信容量,因此,有理由设想第1代因特网卫星的总容量为几个到几十个Gbit(5～50Gbit)。

　　就第2代而言,假定其通信容量是第1代的10倍,则要达到几十到几百个Gbit(50～500Gbit)。第3代又将是第2代的10倍,达到几百至几千个Gbit(500Gbit～5Tbit)。尽管这样的目标可能高得难以实现,但为了保证卫星在未来IT环境中具备竞争力,进行这样的评估是必要的。现有的普通卫星无法实现第3代因特网卫星的通信功能,因此需要一个大型地球静止轨道平台,并需要进行相应的技术攻关。尽管目前有些项目还不十分明确,但第3代因特网卫星需要一个地球静止轨道平台却是非常清楚的。

　　就因特网卫星的重量来说,第1代大约为3t,第2代10～30t,第3代是大型地球静止轨道平台,重几百t。要降低卫星的重量,应当通过元器件的小型化、轻量化来解决。

　　卫星技术研发的方法与项目

　　1、通信卫星的研发方法

　　通信卫星研发的方法应具有以下4个目标:

　　(1)通信卫星研发不仅对其他空间项目有吸引力,对其他科学技术的应用也有价值。所谓其他科技项目,包括IT技术、纳米技术和生物相关技术等高科技。空间技术项目的综合性、多学科性,使得其发展可以带动和促进上述高科技的研究与发展。

　　(2)发展具有价格竞争力的商用系统。商业应用领域包括卫星通信设施及地面设备。通信卫星应当具备与地面系统有竞争力的特征。

　　(3)带动自然科学、社会科学及风险投资业的发展。包括通信卫星在内的空间系统的各种技术,其中包括许多涉及面广的技术,为风险投资业的发展提供了许多机遇。

　　(4)实现投资渠道的多元化。

　　另外,加强与世界各国的联合研究也很重要。只有加强国际合作才能缩小发展中国家与发达国家的差距。

　　2、通信卫星技术研发的项目

　　空间因特网卫星的建成要靠许多技术的发展。需要发展的技术包括以下各项:

　　(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。

　　(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,加之雨衰因素,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(80/70 GHz)。

　　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Gbit,10个Gbit,甚至100个Gbit。空间-地球段如果采用光通信,即使是沙漠腹地的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3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。

　　(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(super multi-beam antenna)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:

　　a)超大尺寸可展开天线;

　　b)通过一组卫星的编队飞行组成一副虚拟的超大尺寸天线;

　　c)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。可以想见所有纳米技术的研发在这一领域都能有用武之地。

　　(5)卫星的超小型化

　　卫星的重量与数据传输速率几乎是正比关系。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。

　　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。此外卫星通信之外的内容,如超小型化的地球站(可携带的)、卫星定位技术、在轨维修技术也应当予以考虑。
于2005年发射的iP-STAR计划拥有总量为50Gbit的通信容量,因此,有理由设想第1代因特网卫星的总容量为几个到几十个Gbit(5～50Gbit)。