Q/V波段通信衛(wèi)星發(fā)展歷程及應(yīng)用現(xiàn)狀

陳 棋，陳鈺羽

（國(guó)家無線電監(jiān)測(cè)中心云南監(jiān)測(cè)站，云南 昆明 650031）

0 引言

隨著各國(guó)航天工業(yè)迅猛發(fā)展和用戶需求驟增，對(duì)通信衛(wèi)星系統(tǒng)提出大通信容量、高數(shù)據(jù)傳輸速率和超寬帶的需求，衛(wèi)星頻譜和軌道資源的需求也不斷增加，通信衛(wèi)星常規(guī)使用的C和Ku等微波資源趨于飽和，未來衛(wèi)星通信亟須向Q/V、太赫茲以及激光等更高頻段擴(kuò)展。同時(shí)由于Q/V頻段衛(wèi)星通信具有高帶寬、波束定向性好、干擾源少等優(yōu)勢(shì)，已成為下一代超高通量衛(wèi)星系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。

1 Q/V頻段通信衛(wèi)星系統(tǒng)概述

Q/V頻段電磁波屬于毫米波，Q頻段范圍為30~50 GHz，V頻段則和50~75 GHz相對(duì)應(yīng)，低端頻段有部分與Ka頻段（26.5~40 GHz）重疊[1]。Q/V頻段通信衛(wèi)星系統(tǒng)電磁波具有空間傳播方向性好、干擾少、傳播穩(wěn)定等特點(diǎn)，適用于高速率、大容量數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ判l(wèi)星。Q/V頻段通信衛(wèi)星系統(tǒng)如圖1所示[2]。

圖1 Q/V頻段通信衛(wèi)星系統(tǒng)

2 Q/V頻段通信衛(wèi)星應(yīng)用場(chǎng)景

由于Q/V頻段通信衛(wèi)星具備通信容量大、覆蓋范圍廣、運(yùn)行成本低等獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，其應(yīng)用場(chǎng)景也在不斷地深化和拓展。

關(guān)口站鏈路通信。目前正在運(yùn)行的高通量衛(wèi)星和已規(guī)劃的非靜止軌道衛(wèi)星，主要采用Q/V波段作為饋線鏈路和Ka波段作為用戶鏈路，改變了采用Ka頻段作為關(guān)口站鏈路的傳統(tǒng)通信方式，釋放出的Ka頻段用于用戶終端通信[3]，有效提高了傳輸速率。

星間鏈路通信。目前絕大多數(shù)的非靜止軌道衛(wèi)星星座都以星間鏈路為主，除采用激光通信之外，V頻段星間鏈路通信衛(wèi)星早在Milstar星座系統(tǒng)中得以應(yīng)用，選擇Q/V頻段作為星間鏈路通信具備很強(qiáng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和吸引力[3]。

地面移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)回程。Q/V頻段作為ETH頻段探索使用最前沿，如突破了衛(wèi)星通信和地面5G移動(dòng)通信融合的技術(shù)壁壘，將有效發(fā)揮其高通量數(shù)傳特性，可實(shí)現(xiàn)NGSO衛(wèi)星的大容量地面網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)回傳[1]。

超高速率寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入?？赏ㄟ^Q/V頻段衛(wèi)星直接接入超高速衛(wèi)星寬帶互聯(lián)網(wǎng)，提供20 Mbps以上的業(yè)務(wù)傳輸速率和應(yīng)用于基站數(shù)據(jù)回傳業(yè)務(wù)、8K超高清新聞采集、8K超高清視頻點(diǎn)播等業(yè)務(wù)[1]。

3 Q/V頻段通信衛(wèi)星的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)

3.1 國(guó)外Q/V頻段通信衛(wèi)星發(fā)展現(xiàn)狀

Q/V頻段通信鏈路受天氣因素影響較大，且預(yù)算龐大，最初僅應(yīng)用于軍用衛(wèi)星通信領(lǐng)域。最具代表性是始于20世紀(jì)80年代的美軍“軍事星”（Milstar）系統(tǒng)，是全球首個(gè)應(yīng)用EHF、快跳頻等新技術(shù)的衛(wèi)星系統(tǒng)。該系列衛(wèi)星裝有2副1.8米V頻段星間鏈路天線，其主力頻段是星地通信40 GHz頻段和星間通信60 GHz頻段，數(shù)據(jù)傳輸速率為10 Mbps。在Milstar系統(tǒng)引領(lǐng)下，美軍之后也研制了“先進(jìn)極高頻”（AEHF）GEO衛(wèi)星星座系統(tǒng)，其星間鏈路通信頻率仍為60 GHz，系統(tǒng)也配備了用于高速數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)的Q頻段通信載荷[3]。

圖2 “先進(jìn)極高頻”（AEHF）衛(wèi)星示意圖

隨著電路集成工藝的不斷發(fā)展，Q/V頻段通信衛(wèi)星從成熟的軍事領(lǐng)域轉(zhuǎn)入商用衛(wèi)星市場(chǎng)。20世紀(jì)90年代末，美國(guó)提出了用于商業(yè)寬帶服務(wù)的Q/V頻段的衛(wèi)星系統(tǒng)研制計(jì)劃。歐洲衛(wèi)星工業(yè)界也相繼開展了多項(xiàng)Q/V頻段載荷的研究工作，2013年意大利航天局（ASI）發(fā)射了Alphasat衛(wèi)星，衛(wèi)星搭載了歐洲首個(gè)Q/V頻段通信載荷TDP5（Technology Demonstration Payload5），其載荷包含3個(gè)點(diǎn)波束、2個(gè)可切換的轉(zhuǎn)發(fā)器通道，可以在波束間動(dòng)態(tài)切換無線電波信號(hào)，實(shí)現(xiàn)與地面多個(gè)信關(guān)站間的智能分集[3]。同時(shí)ASI還啟動(dòng)了Q/V頻段高通量系統(tǒng)地面部分連接試驗(yàn)（Q/V-LIFT）項(xiàng)目，該試驗(yàn)主要用于評(píng)估Q/V頻段星地通信可行性，摸清惡劣天氣對(duì)系統(tǒng)性能的影響，為未來打造GEO衛(wèi)星的寬帶通信模式提供數(shù)據(jù)依據(jù)[2]。

2016年3 月，歐洲通信衛(wèi)星公司（Eutelsat）和勞拉空間系統(tǒng)公司（SSL）合作開展通信測(cè)試，測(cè)試證明了Q/V頻段（40~50 GHz）具有推動(dòng)未來太比特衛(wèi)星寬帶計(jì)劃執(zhí)行的潛力，Eutelsat公司因此成為首家成功完成Q/V波段通信測(cè)試的商業(yè)運(yùn)營(yíng)商[4]。

2019年6 月，F(xiàn)CC批準(zhǔn)休斯公司（Hughes）建造、運(yùn)行下一代甚高通量衛(wèi)星，命名為休斯-95W（HNS-95W），容量高達(dá)500 Gbps，是全球首顆提供Q/V頻段通信服務(wù)的商業(yè)衛(wèi)星[4]。

3.2 國(guó)內(nèi)Q/V頻段通信衛(wèi)星發(fā)展現(xiàn)狀

歐美國(guó)家在Q/V頻段衛(wèi)星通信技術(shù)日漸成熟，相比而言，我國(guó)相關(guān)技術(shù)研究還處于初級(jí)階段，但我國(guó)政府高度關(guān)注該技術(shù)的發(fā)展，“十四五”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“多模態(tài)網(wǎng)絡(luò)與通信”重點(diǎn)專項(xiàng)中提出，將研究Q/V頻段寬帶星載相控陣多波束天線技術(shù)，以推動(dòng)我國(guó)Q/V頻段通信產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需求，衛(wèi)星通信企業(yè)也不斷加大Q/V頻段通信產(chǎn)業(yè)的研發(fā)力度。

圖3 銀河航天02批衛(wèi)星在軌模擬圖（來自銀河航天）

銀河航天（北京）科技有限公司作為我國(guó)Q/V頻段衛(wèi)星研制的技術(shù)先鋒，于2020年1月完成了Q/V頻段通信衛(wèi)星的在軌通信試驗(yàn)，并成功實(shí)現(xiàn)了Ka/V/Q頻段星地鏈路通信[5]。2020年3月，航天科技集團(tuán)五院開展了Q/V甚高通量載荷在軌測(cè)試，首次成功實(shí)現(xiàn)了基于Q/V頻段饋電技術(shù)的同步軌道高通量寬帶衛(wèi)星星地通信系統(tǒng)試驗(yàn)[6]。2022年，銀河航天公司發(fā)射了我國(guó)首次批量研制的低軌寬帶通信衛(wèi)星，成功實(shí)現(xiàn)了V頻段低軌衛(wèi)星測(cè)控[7]。

3.3 Q/V頻段通信衛(wèi)星發(fā)展趨勢(shì)

從國(guó)內(nèi)外各大運(yùn)營(yíng)商、研究機(jī)構(gòu)開展的測(cè)試結(jié)果來看，Q/V頻段通信載荷具備超寬帶、大容量、低成本等突出優(yōu)勢(shì)，是新一代高通量寬帶衛(wèi)星的最佳選頻[8]。與此同時(shí)，由于Q/V頻段頻率高，受到雨衰的影響較大，路徑損耗非常大，天線需在超高帶寬下提供高增益和高效率，研究高穩(wěn)定性、抗雨衰的通信鏈路和關(guān)鍵射頻器件，都將成為Q/V頻段的主要技術(shù)發(fā)展方向[9]。

4 結(jié)束語

本文介紹了Q/V頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)、國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和主要應(yīng)用場(chǎng)景，相對(duì)于低頻頻段，Q/V頻段頻譜資源豐富，正處于開發(fā)階段，天線波束方向性強(qiáng)，在軍事及商業(yè)領(lǐng)域備受重視，也是高通量寬帶衛(wèi)星通信的未來發(fā)展方向。然而，Q/V頻段衛(wèi)星通信受雨衰影響較大和毫米波器件制作工藝復(fù)雜等原因，制約了該技術(shù)的發(fā)展。近年來，隨著天線設(shè)計(jì)和射頻器件制造等工程化應(yīng)用不斷開發(fā)，歐美國(guó)家的Q/V頻段載荷技術(shù)日趨成熟，越來越接近實(shí)用推廣階段。我國(guó)的相關(guān)技術(shù)研究尚處于起步階段，也應(yīng)繼續(xù)加強(qiáng)Q/V頻段基礎(chǔ)專題研究，為后續(xù)國(guó)內(nèi)研制超大容量通信衛(wèi)星打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)?！?/p>