IT時代是否還繼續需要衛星通信
1、衛星通信的必要性
眾所周知,衛星通信的核心能力包括:(1)覆蓋范圍廣;(2)具有廣播能力;(3)建立通信鏈路迅速;(4)帶寬寬;(5)災情通信能力。
最近,無論是光纜還是蜂窩移動通信的地面通信系統都有極大的發展,由此導致了一些人對衛星通信將來的作用產生了質疑。現就衛星通信系統的必要性作一說明。
第一,衛星通信與地面通信系統的建設應當協調發展。理由之一,地面通信系統因受地形地域限制,不能覆蓋所有地區。這一問題在發展中國家普遍存在,即使是在日本,也還有10%左右的小城鎮無法使用地面蜂窩移動通信。毋庸諱言,利用衛星通信覆蓋范圍廣的優勢,這一問題便可迎刃而解。理由之二,抗御自然災害離不開衛星通信。這一點通過以下事例的教訓便可清楚地說明:1995年,日本Hanshin/Awaji地區發生大地震,死亡人數超過6 000人;2000年,日本Tokai地區發生洪災;2000年日本Miyake島火山爆發,居住在島上的人們全部疏散,大量火山灰從天而降。在這些災害中還有另外一種事故。比如1984年,東京發生了一起電纜大火,大約9 000門話路中斷時間長達17小時。此外,在1999年的科索沃戰爭中,銥星(Iridium)系統發揮了非常重要的通信作用。
第二,通信衛星仍然是空間商業化成功的惟一一例。最近以來人們對因特網的需求迅速增長。全球超過11%的Internet服務商(ISP)在使用衛星。在過去的3年中,衛星互連網市場增長了8倍。此外,到2007年,寬帶衛星在互連網接入服務市場的份額有望占到30%,擁有5000萬用戶,到2010年,年產值可達150億美元。盡管未來發展趨勢尚不確定,但衛星通信將因用戶需求的迅速增長而增長。
第三,當20世紀90年代初地面光纖通信應用開始超過衛星通信時,有人就認為,如果衛星與光纖同時使用而不是只用其中之一的話,通信業務供大于求的時代即將到來。此外,在需要發展高速率、大容量衛星觀點的支持下,研制Gbit量級容量的衛星提上議事日程。還有,試驗表明,通過衛星鏈路進行高數據率傳輸以及通過異步傳輸模式(ATM)與光纖實現無縫連接是沒有問題的。
2、由政府支持研發的必要性
出于滿足通信衛星發展的需要,更是出于滿足美國航宇局(NASA)自身通信需求的考慮,NASA對其衛星通信的研發政策進行了調整,但仍然重視和支持衛星通信新技術的研發。政府部門應當保留IT基礎設施技術的潛力,以便使衛星系統與地面系統得以協調發展。此外還應具備能夠研究和編制通信衛星規范的技術力量,還要保護政府發展衛星通信的潛在能力。政府部門應當把費時較多的研發工作當作自己的一項職責來對待。
政府部門應當具有一支IT技術創新的隊伍,也就是說政府必須能夠吸引優秀的IT研究人員和工程技術人員。從國際合作的角度看,這一點也是很有必要的,因為只有通過國際合作,才能不斷縮小發展中國家與發達國家的差距。如上所述,衛星通信是抵御自然災害的重要措施,政府還應當發展包括應急通信在內的通信基礎設施。
衛星通信的發展前景
1、三代通信衛星的研制方案
盡管地面通信系統的通信速率近年來在以每年4倍的速度增長,但為了協調發展,衛星通信必須在速度上與之保持一致,這就要求衛星通信的速度也必須快速增長,因此對衛星通信具有高速率和更大容量的要求今后還將更加強烈。就此而言,有必要對今后30年的因特網衛星及其發展狀況予以考慮(如下表所示)。
未來30年擬建的通信衛星
第一點,衛星更新換代以10年為單位,這似乎是周期長了些,但卻是合理的。第二點,同樣是因特網衛星,還分為固定、廣播和移動通信,這樣一來,衛星固定業務就不是惟一的考慮。第三點,第1代因特網衛星將優先發展區域及國內通信業務,第2代與第1代相比,更強調其全球通信能力。就此而言,應當對第2代所涉及的環形星座衛星系統、地球靜止軌道衛星及與低地球軌道(LEO)衛星的連接等問題加以研究。第四點,因為是大型衛星,因特網衛星每5～7年才發射一次。毋庸諱言,應當在大型衛星的發射間隙,通過每1～3年發射一批小型衛星,以加快衛星技術的發展。小型衛星計劃將包括衛星基礎設施試驗、定位技術以及LEO技術。實現航天相關技術與IT技術的協調發展是非常重要的。
2、衛星通信能力的發展目標
地面通信系統的容量年年都有大幅度的增長。衛星容量的增長速度應當與地面相一致,盡管完全的一致是不可能的。衛星不僅可以用作骨干網,還可以用作固定通信或移動通信的支網。由此可以設想衛星在骨干網容量中至少占1%。
第1代因特網衛星,即Gbit衛星或空間因特網(i-space)衛星每個通道的通信容量為1.2Gbit,全部通信容量大約為6Gbit。另一方面,日本將于2005年發射的iP-STAR計劃擁有總量為50Gbit的通信容量,因此,有理由設想第1代因特網衛星的總容量為幾個到幾十個Gbit(5～50Gbit)。
就第2代而言,假定其通信容量是第1代的10倍,則要達到幾十到幾百個Gbit(50～500Gbit)。第3代又將是第2代的10倍,達到幾百至幾千個Gbit(500Gbit～5Tbit)。盡管這樣的目標可能高得難以實現,但為了保證衛星在未來IT環境中具備競爭力,進行這樣的評估是必要的。現有的普通衛星無法實現第3代因特網衛星的通信功能,因此需要一個大型地球靜止軌道平臺,并需要進行相應的技術攻關。盡管目前有些項目還不十分明確,但第3代因特網衛星需要一個地球靜止軌道平臺卻是非常清楚的。
就因特網衛星的重量來說,第1代大約為3t,第2代10～30t,第3代是大型地球靜止軌道平臺,重幾百t。要降低衛星的重量,應當通過元器件的小型化、輕量化來解決。
衛星技術研發的方法與項目
1、通信衛星的研發方法
通信衛星研發的方法應具有以下4個目標:
(1)通信衛星研發不僅對其他空間項目有吸引力,對其他科學技術的應用也有價值。所謂其他科技項目,包括IT技術、納米技術和生物相關技術等高科技。空間技術項目的綜合性、多學科性,使得其發展可以帶動和促進上述高科技的研究與發展。
(2)發展具有價格競爭力的商用系統。商業應用領域包括衛星通信設施及地面設備。通信衛星應當具備與地面系統有競爭力的特征。
(3)帶動自然科學、社會科學及風險投資業的發展。包括通信衛星在內的空間系統的各種技術,其中包括許多涉及面廣的技術,為風險投資業的發展提供了許多機遇。
(4)實現投資渠道的多元化。
另外,加強與世界各國的聯合研究也很重要。只有加強國際合作才能縮小發展中國家與發達國家的差距。
2、通信衛星技術研發的項目
空間因特網衛星的建成要靠許多技術的發展。需要發展的技術包括以下各項:
(1)跟蹤研究新的衛星通信系統
這里描述的空間因特網衛星的概念,僅僅是從必要的通信容量的角度來論述的。為建立起整個系統,在未來系統的發展中,還要提出許多新的概念和設想。例如,一個綜合了衛星與高軌道平臺系統(HAPS)的新系統對未來利用光通信的極高數據率通信就很重要。
(2)發展新頻段及光通信
現有兩種通信鏈路。一種是空間-地球鏈路,另一種是空間-空間鏈路。在空間-空間鏈路上,通過光通信可實現大容量數據傳輸。但對于空間-地球來說,由于無線電波要穿過大氣,加之雨衰因素,大容量通信不易實現。通過采用比Ka更高的頻段可實現通過無線電波的大容量通信。應當發展V波段(50/40GHz)等毫米波段,也可以考慮發展W波段(80/70 GHz)。
發展光通信是實現大容量通信的首選。將來的通信速度可達5個Gbit,10個Gbit,甚至100個Gbit。空間-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場。而且,高軌道平臺系統還可在地球-空間通信中起到中繼站的作用。這可能是第3代因特網衛星實現極高數據傳輸速率將要采取的一個方案。
(3)高級的天線
如果采用無線電波,天線總是衛星通信系統的一項關鍵技術。具有極高數據傳輸速率的系統必須發展高增益天線,即大尺寸天線及多波束天線,特別是超多波束天線(super multi-beam antenna)是未來衛星通信的一項關鍵技術。相關的3項技術列舉如下:
a)超大尺寸可展開天線;
b)通過一組衛星的編隊飛行組成一副虛擬的超大尺寸天線;
c)通過采用新的波束構成方法建成一副超多波束天線。
(4)發展超高速/光學轉發器
為建成高數據率通信系統,需要一個重量輕、超高速的轉發器。就此而言,任何新設備或光學技術應用都是必要的。可以想見所有納米技術的研發在這一領域都能有用武之地。
(5)衛星的超小型化
衛星的重量與數據傳輸速率幾乎是正比關系。輕量化的衛星平臺技術對未來發展極高數據率衛星至關重要。這一技術包括輕量化的太陽能電源系統和輕量化的平臺系統兩項內容。此外納米技術將來會有所應用。
6)其他技術
與地球站有關的技術也是必要的。地球站做得越小,我們使用衛星通信就越簡便。為滿足這一要求,需要建立雙向通信體制,還要考慮非對稱通信方法。此外衛星通信之外的內容,如超小型化的地球站(可攜帶的)、衛星定位技術、在軌維修技術也應當予以考慮。
于2005年發射的iP-STAR計劃擁有總量為50Gbit的通信容量,因此,有理由設想第1代因特網衛星的總容量為幾個到幾十個Gbit(5～50Gbit)。
