地球靜止軌道衛(wèi)星Ka 頻段資源使用情況分析

劉帥 毛敏

（國(guó)家無(wú)線電監(jiān)測(cè)中心深圳監(jiān)測(cè)站 廣東省深圳市 518000）

當(dāng)前，隨著商業(yè)航天和5G 時(shí)代的到來(lái)，衛(wèi)星頻率資源日益緊張，地球赤道上空有限的地球同步衛(wèi)星軌位幾乎已被各國(guó)占滿。這迫使人們尋找和開(kāi)發(fā)更高頻段來(lái)滿足新的通信需求；Ka 頻段以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)能被應(yīng)用在衛(wèi)星通信領(lǐng)域，在通信衛(wèi)星中采用Ka 頻段，可以獲得較寬的工作頻帶，增加通信容量，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)較窄的波束，從而獲得高的EIRP 值，減小地面終端天線尺寸。而且，相對(duì)于已經(jīng)十分擁擠的C、Ku 波段，Ka 波段的干擾較小，便于衛(wèi)星的軌道位置和頻率關(guān)系的協(xié)調(diào)。而元器件以及工藝水平的提高也對(duì)Ka 波段的發(fā)展起到了一定的加速作用。

文章首先介紹了全球搭載Ka 頻段衛(wèi)星的概況和分析了近些年發(fā)射搭載Ka 頻段衛(wèi)星的發(fā)展趨勢(shì)；然后闡述了近些年我國(guó)靜止軌道衛(wèi)星搭載Ka 頻段的使用情況；接著以深圳為監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)深圳上空可視弧范圍內(nèi)搭載了Ka 頻段靜止軌道衛(wèi)星的監(jiān)測(cè)情況進(jìn)行分析；最后總結(jié)分析了全球以及中國(guó)搭載Ka 頻段靜止軌道衛(wèi)星的發(fā)展和不足，并給出未來(lái)發(fā)展的建議。

1 Ka頻段概述

Ka 頻段是電磁頻譜的微波頻段的一部分，Ka 頻段的頻率范圍為26.5-40GHz。Ka 代表著K 的正上方（K-above），換句話說(shuō)，該頻段直接高于K 波段。Ka 頻段也被稱作30/20GHz 頻段，通常用于衛(wèi)星通信。Ka 頻段最重要的一個(gè)特點(diǎn)就是頻帶較寬，C 頻段的可用帶寬一般為500MHz-800MHz；Ku 頻段的可用帶寬為500MHz-1000MHz；而Ka頻段的可用帶寬可達(dá)到3500MHz。因此，Ka 頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)可為高速衛(wèi)星通信、千兆比特級(jí)帶寬數(shù)字傳輸、高清晰度電視（HDTV）、衛(wèi)星新聞采集（SNG）、VSTA 業(yè)務(wù)、直接到戶（DTH）業(yè)務(wù)及個(gè)人衛(wèi)星通信等新業(yè)務(wù)提供一種嶄新的手段。Ka 頻段的缺點(diǎn)是雨衰較大，對(duì)器件和工藝的要求較高。在Ka 頻段頻率下，用戶終端的天線尺寸主要不是受制于天線增益，而是受制于抑制其它系統(tǒng)干擾的能力。表1 為無(wú)線頻段的劃分。

表1：無(wú)線頻段劃分表

與傳統(tǒng)的衛(wèi)星通信頻段相比，Ka 頻段具有以下特性：

1.1 可用頻帶寬，吞吐量高

Ka 頻段范圍比其他頻段更寬，具有吞吐量高的特點(diǎn)，可以提供更寬的頻譜資源以實(shí)現(xiàn)更多的數(shù)據(jù)傳輸。

從申請(qǐng)頻率許可的角度來(lái)說(shuō)，低頻譜已被大量開(kāi)發(fā)，新的商業(yè)衛(wèi)星公司進(jìn)入需要與相應(yīng)的主體進(jìn)行頻率協(xié)調(diào)，獲得通行權(quán)。雖然Ka 頻段頻率的使用可能也需要協(xié)調(diào)，但至少避免了傳統(tǒng)頻段的擁擠和飽和。

1.2 終端設(shè)備和星上載荷體積小

由于頻率高，衛(wèi)星天線的增益可以做的較大，用戶終端可以做的更小更輕便，這有利于面向客戶端用戶的推廣和應(yīng)用。

對(duì)于地面系統(tǒng)而言，在接收指標(biāo)要求相同的前提下，Ka頻段的天線口徑顯著小于低頻段的天線，而地面天線的口徑是決定地面系統(tǒng)投入成本的主要因素之一。地面天線口徑變小，可以提供更經(jīng)濟(jì)更靈活的地面數(shù)據(jù)接收服務(wù)。

另一方面，Ka 頻段星上天線和發(fā)射器的尺寸也更小，對(duì)于衛(wèi)星方而言，更容易減少航天器的整體重量和體積，降低了發(fā)射成本，使衛(wèi)星能夠搭載更多的有效載荷。

1.3 雨衰大

除了通信頻帶寬、終端體積小等顯著優(yōu)勢(shì)外，Ka 頻段也存在一定的不足，由于頻率高、波長(zhǎng)短，繞過(guò)障礙物的能力較差，受云層、降雨、霧霾等天氣影響較為明顯，給多降雨地區(qū)頻段的使用帶來(lái)了一定難度。為了在陰雨天也能滿足正常的數(shù)據(jù)容量需求，往往需要接收比實(shí)際需要更多的容量，以補(bǔ)償被削弱的信號(hào)。

2 全球搭載Ka頻段靜止軌道衛(wèi)星情況分析

地球靜止軌道屬于地球同步軌道的一種，是位于地球赤道上方的正圓形軌道，距地面高度為35786 千米。在靜止軌道上運(yùn)行的衛(wèi)星便稱為“靜止軌道衛(wèi)星”。為了避免頻率干擾，當(dāng)前同一頻段、覆蓋區(qū)域相同或部分重疊的對(duì)地靜止衛(wèi)星必須間隔一定的距離。這就意味著軌道位置是有限的，因此，靜止軌道上運(yùn)行的衛(wèi)星數(shù)量也是一定的。再加上近年來(lái)衛(wèi)星C/Ku 頻段資源逐漸飽和，不得不迫使人們使用更高頻段開(kāi)展業(yè)務(wù)，衛(wèi)星新型業(yè)務(wù)向Ka 頻段發(fā)展應(yīng)用成為趨勢(shì)，也預(yù)示著衛(wèi)星無(wú)線電監(jiān)測(cè)將向更高頻段監(jiān)測(cè)趨勢(shì)發(fā)展。

目前公開(kāi)資料顯示，截至2022 年3 月，全球共有公開(kāi)記錄的搭載了Ka 頻段靜止軌道衛(wèi)星142 顆，其中在軌衛(wèi)星107 顆，占比達(dá)75.35%；計(jì)劃發(fā)射衛(wèi)星10 顆，占比達(dá)7.04%；已退役衛(wèi)星8 顆，占比達(dá)5.63%。全球搭載有Ka 頻段的靜止軌道衛(wèi)星狀態(tài)統(tǒng)計(jì)如表2 所示。

表2：全球搭載有Ka 頻段的靜止軌道衛(wèi)星狀態(tài)統(tǒng)計(jì)表

另外，統(tǒng)計(jì)全球公開(kāi)記錄的地球靜止軌道衛(wèi)星總數(shù)為585 顆，其中在軌衛(wèi)星有354 顆，占比達(dá)60.51%；計(jì)劃發(fā)射衛(wèi)星21 顆，占比達(dá)3.59%；退役衛(wèi)星102 顆，占比達(dá)17.44%。全球靜止軌道衛(wèi)星狀態(tài)統(tǒng)計(jì)如表3 所示。

表3：全球靜止軌道衛(wèi)星狀態(tài)統(tǒng)計(jì)表

分析可得搭載了Ka 頻段的靜止軌道衛(wèi)星占全球所有靜止軌道衛(wèi)星的比例為24.27%；另外，全Ka 頻段衛(wèi)星僅有36 顆，這其中還包括脫軌和漂移的3 顆，也就是真正在運(yùn)行和計(jì)劃發(fā)射的僅有33 顆，占全球所有靜止軌道衛(wèi)星的比例僅為5.64%。這也說(shuō)明Ka 頻段靜止軌道衛(wèi)星還有較大發(fā)展空間。

2.1 全球計(jì)劃發(fā)射搭載Ka頻段靜止軌道衛(wèi)星情況

2021 年年中至2023 年底，包括美國(guó)、英國(guó)、印尼、馬來(lái)西亞、西班牙、阿根廷、以色列等國(guó)家計(jì)劃再發(fā)射至少10 顆攜帶Ka 頻段有效載荷或Ka 頻段全頻段衛(wèi)星。需要說(shuō)明的是本文統(tǒng)計(jì)計(jì)劃發(fā)射是從2021 年年中開(kāi)始統(tǒng)計(jì)，主要是由于暫時(shí)無(wú)法考證2021 年計(jì)劃發(fā)射衛(wèi)星是否發(fā)射成功。部分計(jì)劃發(fā)射衛(wèi)星情況如表4 所示。

表4：計(jì)劃發(fā)射搭載Ka 頻段靜止軌道衛(wèi)星情況

2.2 近年來(lái)全球發(fā)射搭載Ka頻段靜止軌道衛(wèi)星情況

近年來(lái)，衛(wèi)星頻率資源日益緊張，傳統(tǒng)的C、Ku 等頻段已接近飽和，再加上地球赤道上空有限的地球同步衛(wèi)星軌位幾乎已被各國(guó)占滿。Ka 頻段以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)逐漸被人們重視，進(jìn)入21 世紀(jì)以來(lái)，發(fā)射搭載Ka 頻段的衛(wèi)星逐漸增多，2014 年至今總共發(fā)射和計(jì)劃發(fā)射搭載Ka 頻段衛(wèi)星數(shù)量為75 顆，占目前全球所有搭載Ka 頻段靜止軌道衛(wèi)星總量的53%，已超過(guò)半數(shù)。圖1 為近年來(lái)發(fā)射搭載Ka 頻段靜止軌道衛(wèi)星情況趨勢(shì)圖。

圖1：近年來(lái)發(fā)射搭載Ka 頻段靜止軌道衛(wèi)星情況趨勢(shì)圖

3 中國(guó)搭載Ka頻段靜止軌道衛(wèi)星情況

亞洲七號(hào)衛(wèi)星是我國(guó)首個(gè)搭載Ka 波段轉(zhuǎn)發(fā)器載荷的商業(yè)靜止軌道衛(wèi)星平臺(tái)，于2011 年11 月發(fā)射升空，配備了一個(gè)Ka 波段波束，另外還搭載有28 個(gè)C 波段及17 個(gè)Ku 波段轉(zhuǎn)發(fā)器，覆蓋區(qū)域廣，包括亞洲、大洋洲全境、非洲和歐洲部分地區(qū)、東亞和南亞等地區(qū)。它還可用于為亞洲四號(hào)和亞洲五號(hào)衛(wèi)星提供備用支持。不過(guò)亞洲七號(hào)是由美國(guó)勞拉空間系統(tǒng)公司設(shè)計(jì)及建造的，該衛(wèi)星采用可靠的SSL1300 衛(wèi)星平臺(tái)，具備高度的靈活性。

中星16 號(hào)衛(wèi)星是我國(guó)自主研發(fā)的首顆靜止軌道高通量通信衛(wèi)星，于2017 年4 月成功發(fā)射，首次應(yīng)用Ka 頻段多波束寬帶通信系統(tǒng)，通信總?cè)萘砍^(guò)20Gbps，超過(guò)中國(guó)此前研制的通信衛(wèi)星容量總和。該衛(wèi)星設(shè)計(jì)有26 個(gè)用戶點(diǎn)波束和3 個(gè)饋電波束，覆蓋我國(guó)除西北、東北的大部分陸地和近海近300-600 公里海域。中星16 號(hào)衛(wèi)星的成功發(fā)射是我國(guó)建設(shè)航天強(qiáng)國(guó)的重要標(biāo)志性成就，中國(guó)從此叩開(kāi)了通信衛(wèi)星“高通量時(shí)代”的大門。

亞太6C 衛(wèi)星于2018 年5 月發(fā)射升空，該衛(wèi)星由我國(guó)自主研發(fā)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)壽命15 年；搭載了1 路Ka 頻段轉(zhuǎn)發(fā)器，另外還搭載了32 路C 頻段轉(zhuǎn)發(fā)器和20 路Ku 頻段轉(zhuǎn)發(fā)器，在這三個(gè)頻段提供了8 個(gè)波束覆蓋區(qū)，轉(zhuǎn)發(fā)器系統(tǒng)具備復(fù)雜的波束切換和波束交鏈功能，85%的轉(zhuǎn)發(fā)器可在不同波束間切換。亞太6C 是目前東方紅四號(hào)平臺(tái)民商用系列衛(wèi)星中可同時(shí)工作的轉(zhuǎn)發(fā)通道數(shù)量和可用轉(zhuǎn)發(fā)通道數(shù)量最多的衛(wèi)星。業(yè)務(wù)覆蓋了高功率的廣播電視、直播到戶、VSAT、移動(dòng)基站回傳、航空機(jī)載通信等。

4 靜止軌道衛(wèi)星Ka頻段監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

為了更好地掌握各國(guó)Ka 頻段靜止軌道衛(wèi)星在我國(guó)的覆蓋情況和信號(hào)發(fā)射情況，以深圳為監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)深圳可視弧范圍內(nèi)的Ka 頻段靜止軌道衛(wèi)星進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

4.1 監(jiān)測(cè)方法簡(jiǎn)介

監(jiān)測(cè)應(yīng)該避開(kāi)雨衰、日凌和沙塵天氣時(shí)間段，本次監(jiān)測(cè)采用的是0.9mKa 一鍵尋星系統(tǒng)。在開(kāi)展監(jiān)測(cè)前，需要利用已知能接收到衛(wèi)星信標(biāo)的衛(wèi)星作為校準(zhǔn)衛(wèi)星對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)。標(biāo)校的目的是使反射面天線相對(duì)于底座的方位角、俯仰角和相對(duì)于地理正北方向的方位角、俯仰角保持一致。具體做法是選擇已知衛(wèi)星信標(biāo)、對(duì)準(zhǔn)已知衛(wèi)星，在正常接收衛(wèi)星信標(biāo)的情況下，系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算并校準(zhǔn)磁偏角。圖2 是監(jiān)測(cè)流程圖。

圖2：Ka 頻段靜止軌道衛(wèi)星監(jiān)測(cè)流程圖

4.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

在深圳地區(qū)監(jiān)測(cè)50°E 至172°E 的30 個(gè)軌位(由于地理位置與天線等相關(guān)因素，其他軌位的衛(wèi)星超過(guò)可視弧范圍，無(wú)法對(duì)星)的34 顆Ka 頻段靜止軌道衛(wèi)星的下行信號(hào)，共監(jiān)測(cè)到8 顆衛(wèi)星的信號(hào)。需要注意的是僅在深圳監(jiān)測(cè)并不能完全反映Ka 頻段靜止軌道衛(wèi)星的所有覆蓋情況。

根據(jù)對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的分析，下面主要就兩顆典型的衛(wèi)星頻譜圖及覆蓋圖進(jìn)行分析。

衛(wèi)星Inmarsat-5F4，軌道位置56.5E，總共有89 個(gè)Ka波段波束，為太平洋地區(qū)提供高達(dá)50Mbps 的高速寬帶移動(dòng)衛(wèi)星通信服務(wù)。監(jiān)測(cè)到該星信標(biāo)信號(hào)，頻率為20.68GHz，在左旋圓極化和右旋圓極化均監(jiān)測(cè)到該信標(biāo)信號(hào)，頻譜圖如圖3(a)所示。此外，它的S67DL 波束覆蓋深圳，覆蓋圖如圖3(b)所示，在該星上監(jiān)測(cè)到調(diào)制信號(hào)，信號(hào)頻段為19.7-20.7GHz，頻譜圖如圖3(c)所示，極化方式為左旋圓極化。

圖3

衛(wèi)星Intelsat 33e，軌道位置60E，它搭載了Ka 全球波束，波束覆蓋圖如圖4(a)所示。監(jiān)測(cè)時(shí)接收到該星的信標(biāo)信號(hào)，頻率為20.7GHz，在左旋圓極化和右旋圓極化均監(jiān)測(cè)到該信標(biāo)信號(hào)，頻譜圖如圖4(b)所示。未在該星上監(jiān)測(cè)到調(diào)制信號(hào)。

圖4

衛(wèi)星Inmarsat-5F1，軌道位置63E，主要用于覆蓋印度洋地區(qū)和亞洲部分地區(qū)，為這些地區(qū)提供高達(dá)50Mbps 的高速寬帶移動(dòng)衛(wèi)星通信服務(wù)。監(jiān)測(cè)時(shí)接收到該星的信標(biāo)信號(hào)，頻率為20.68GHz，在左旋圓極化和右旋圓極化均監(jiān)測(cè)到該信標(biāo)信號(hào)，頻譜圖如圖5(a)。該星的S81DL 和S87DL 波束覆蓋深圳，覆蓋圖如圖5(b)所示，同時(shí)監(jiān)測(cè)到該星的下行調(diào)制信號(hào)，信號(hào)頻段為19.577-20.1GHz，頻譜圖如圖5(c)所示。

圖5

5 總結(jié)

從上述數(shù)據(jù)中可以看出，無(wú)論從在軌衛(wèi)星數(shù)量還是計(jì)劃發(fā)射衛(wèi)星數(shù)量上來(lái)看，我國(guó)Ka 頻段通信衛(wèi)星在國(guó)際上均落后于美國(guó)、英國(guó)、加拿大等通信大國(guó)。因此，我國(guó)首先需要對(duì)已申報(bào)的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資源儲(chǔ)備進(jìn)行匯總分析，明確當(dāng)前可用于發(fā)展Ka 頻段衛(wèi)星通信的頻率軌位資源，將資源儲(chǔ)備與應(yīng)用規(guī)劃相結(jié)合。在明確衛(wèi)星通信需求的前提下，盡快發(fā)射Ka 頻段通信衛(wèi)星，及時(shí)搶占Ka 頻段頻率和軌道資源，為今后寬帶衛(wèi)星通信應(yīng)用打牢基礎(chǔ)。

另外，從全球所發(fā)射的Ka 頻段靜止軌道衛(wèi)星數(shù)量占比在所有衛(wèi)星中的占比還較低，全Ka 頻段衛(wèi)星數(shù)量更少，說(shuō)明Ka 頻段靜止軌道衛(wèi)星還有較大發(fā)展空間。不過(guò)從最近幾年發(fā)射的搭載了Ka 頻段靜止軌道衛(wèi)星的數(shù)量上看總體呈上升趨勢(shì)，尤其是2014 年至今發(fā)射的衛(wèi)星占總發(fā)射數(shù)量的半數(shù)以上，說(shuō)明世界各國(guó)對(duì)Ka 頻段靜止軌道衛(wèi)星的重視程度越來(lái)越高，我國(guó)也應(yīng)順應(yīng)發(fā)展趨勢(shì)對(duì)Ka 頻段衛(wèi)星引起重視。

從在深圳對(duì)可視弧范圍內(nèi)的Ka 頻段靜止軌道衛(wèi)星監(jiān)測(cè)可以粗略看出Ka 頻段頻譜利用率還較低，當(dāng)前C 和Ku 等頻段利用已接近飽和，對(duì)Ka 頻段的開(kāi)發(fā)利用迫在眉睫，未來(lái)還應(yīng)不斷探索Ka 頻段的頻譜利用。

此外，我國(guó)還應(yīng)當(dāng)著力開(kāi)展Ka 頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究，重點(diǎn)圍繞寬帶衛(wèi)星通信體制、抗干擾技術(shù)、星上處理、多址技術(shù)和調(diào)制技術(shù)、信道編碼技術(shù)等方面開(kāi)展研究，有利于促使航天科技和衛(wèi)星通信獨(dú)特優(yōu)勢(shì)的充分發(fā)揮，占據(jù)衛(wèi)星通信技術(shù)的前沿位置，并促進(jìn)我國(guó)寬帶多媒體信息高速網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。