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Ka频段多点波束卫星通信系统发展趋势分析
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郑晓天李集林刘海客于雪晖林墨航天恒星科技有限公司
关键词:Ka频段星座静止轨道AnikF2
摘要:Ka频段多点波束卫星通信系统有星座组网、全球覆盖、星上交换等实现方式;也有静止轨道、区域覆盖、透明转发等实现方式。前一种方式波束覆盖灵活可调,通信质量高,技术复杂,容量受限;后一种方式技术简单可靠,容量大,波束覆盖相对固定。本文通过对Ka频段多点波束卫星通信系统发展的梳理,以及射频技术和数据通信技术发展对卫星通信发展影响的分析,指出就将来一段时间而言,后一种方式是Ka频段多点波束卫星通信系统发展的主流。
1.序言
自从1945年Clarke提出卫星通信的想法后,卫星通信已经走过了60多年的发展历程。最近二十年Ka频段多点波束卫星通信系统发展迅猛,但其发展道路也充满了曲折。本文通过研究梳理Ka频段多点波束卫星通信系统发展[来自www.Lw5U.coM]历程,就未来发展趋势进行分析预测,希望对我国相关领域的发展提供借鉴。
2.卫星通信发展概述
如果以1945年Clarke提出卫星通信的设想作为卫星通信的开端,20年后1965年第一颗商业通信卫星EarlyBird成功发射;约20年之后在1984年第一个商用VSAT系统在沃尔玛成功投入使用;再过20年到2004年DVB-S2标准正式推出。回顾卫星通信发展历史,每隔20年卫星通信必然会发生重大变革。
1957年前苏联发射了人类第一颗人造卫星SputnikI。虽然SputnikI只能发射信标信号,但它证明通过卫星进行通信是可行的。随后EchoI和EchoII采用无源反射的方式进行了卫星通信实验。紧接着分别在1962年和1963年TelstarI和TelstarII发射成功,上述卫星都携带了一个带宽50MHz的C频段转发器,采用太阳能电池和蓄电池供电,进行了跨大西洋电视直播和电话通信演示。在1965年之前,美苏发射了大量的的通信卫星进行实验,但都集中于中低轨道。直到1965年4月16日,第一颗投入商业运行的静止轨道通信卫星INTELSATI也称作EarlyBird发射升空。该卫星由Hughes公司负责制造,由Intelsat负责运营。EarlyBird携带两个25MHz带宽的C频段转发器,能够提供480路语音信道[2,3]。从此以后到80年代中期,静止轨道卫星容量越来越大,能够提供上万路的的话音和几十套电视节目,但其基本工作模式和技术没有本质变化。1985年Hughes公司为Wal-Mart建设了世界上第一个商用VSAT系统,这是卫星通信系统一次重大的变革,被《财富》杂志评为20世纪最具有意义的20个战略决策之一[4]。VSAT系统不仅仅是通信频段的变化和终端天线的小型化,更重要的是实现了基于卫星的双向交互式通信,实现了卫星通信的一次飞跃。随后几十年基于静止轨道卫星的VSAT发展迅猛,但是其固有的大延时制约了其在当时条件下的发展。所以后来移动通信卫星利用其轨道高度低,延迟小,信号损耗小和全球覆盖的优势,迅速得到了发展。而当时光纤通信技术存在诸多缺陷,在这种背景下铱星和GlobarStar基于全球覆盖的卫星通信网看起来前途光明。但在其通信网络建成之后,地面光纤性能大幅度提升,即使跨海光缆的性价比也远远优于LEO卫星通信。因此铱星正式运营没多久就破产,被美国军方收购。1993年美国NASA先进通信技术卫星(ACTS)发射升空[1],此后十年是Ka频段多点波束卫星发展的高潮,各种卫星通信方案相继提出。
3.Ka频段星座组网全球覆盖卫星通信系统
在Ka频段多点波束卫星理论进行了20多年研究,并通过ACTS行了大量试验之后,人们迫不及待将其进行商业化推广应用。在上世界末和20世纪初,在全球范围内规划了大量的宽带卫星通信系统,包括LEO、MEO和GEO卫星,如图1所示[2]:
Astrolink[3,4]–该卫星系统包括9个GEOKa频段卫星。其上行频率为28.35-28.8GHz和29.25-30.0GHz。下行频率为19.7-20.2GHz。该系统的目标是提供基于卫星网络的高速多媒体通信。Astrolink采用星上处理(onboardProcessingOBP)以提升系统的效率,并采用星上交换(onboardSwitchOBS)提升系统的灵活性。该系统能够向端站提供从16kb/s到9.6Mb/s的数据传输速率。并且端站采用90cm碟形天线就能够支持384kb/s的上行数据速率。
Cyberstar[4,5]-Cyberstar卫星星座包含3颗Ka频段GEO卫星。该卫星系统旨在向网络服务提供商(Internet
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