IT時(shí)代是否還繼續(xù)需要衛(wèi)星通信
1、衛(wèi)星通信的必要性
眾所周知,衛(wèi)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(zāi)情通信能力。
最近,無論是光纜還是蜂窩移動(dòng)通信的地面通信系統(tǒng)都有極大的發(fā)展,由此導(dǎo)致了一些人對(duì)衛(wèi)星通信將來的作用產(chǎn)生了質(zhì)疑�，F(xiàn)就衛(wèi)星通信系統(tǒng)的必要性作一說明。
第一,衛(wèi)星通信與地面通信系統(tǒng)的建設(shè)應(yīng)當(dāng)協(xié)調(diào)發(fā)展。理由之一,地面通信系統(tǒng)因受地形地域限制,不能覆蓋所有地區(qū)。這一問題在發(fā)展中國家普遍存在,即使是在日本,也還有10%左右的小城鎮(zhèn)無法使用地面蜂窩移動(dòng)通信。毋庸諱言,利用衛(wèi)星通信覆蓋范圍廣的優(yōu)勢,這一問題便可迎刃而解。理由之二,抗御自然災(zāi)害離不開衛(wèi)星通信。這一點(diǎn)通過以下事例的教訓(xùn)便可清楚地說明:1995年,日本Hanshin/Awaji地區(qū)發(fā)生大地震,死亡人數(shù)超過6 000人;2000年,日本Tokai地區(qū)發(fā)生洪災(zāi);2000年日本Miyake島火山爆發(fā),居住在島上的人們?nèi)渴枭?大量火山灰從天而降。在這些災(zāi)害中還有另外一種事故。比如1984年,東京發(fā)生了一起電纜大火,大約9 000門話路中斷時(shí)間長達(dá)17小時(shí)。此外,在1999年的科索沃戰(zhàn)爭中,銥星(Iridium)系統(tǒng)發(fā)揮了非常重要的通信作用。
第二,通信衛(wèi)星仍然是空間商業(yè)化成功的惟一一例。最近以來人們對(duì)因特網(wǎng)的需求迅速增長。全球超過11%的Internet服務(wù)商(ISP)在使用衛(wèi)星。在過去的3年中,衛(wèi)星互連網(wǎng)市場增長了8倍。此外,到2007年,寬帶衛(wèi)星在互連網(wǎng)接入服務(wù)市場的份額有望占到30%,擁有5000萬用戶,到2010年,年產(chǎn)值可達(dá)150億美元。盡管未來發(fā)展趨勢尚不確定,但衛(wèi)星通信將因用戶需求的迅速增長而增長。
第三,當(dāng)20世紀(jì)90年代初地面光纖通信應(yīng)用開始超過衛(wèi)星通信時(shí),有人就認(rèn)為,如果衛(wèi)星與光纖同時(shí)使用而不是只用其中之一的話,通信業(yè)務(wù)供大于求的時(shí)代即將到來。此外,在需要發(fā)展高速率、大容量衛(wèi)星觀點(diǎn)的支持下,研制Gbit量級(jí)容量的衛(wèi)星提上議事日程。還有,試驗(yàn)表明,通過衛(wèi)星鏈路進(jìn)行高數(shù)據(jù)率傳輸以及通過異步傳輸模式(ATM)與光纖實(shí)現(xiàn)無縫連接是沒有問題的。
2、由政府支持研發(fā)的必要性
出于滿足通信衛(wèi)星發(fā)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(duì)其衛(wèi)星通信的研發(fā)政策進(jìn)行了調(diào)整,但仍然重視和支持衛(wèi)星通信新技術(shù)的研發(fā)。政府部門應(yīng)當(dāng)保留IT基礎(chǔ)設(shè)施技術(shù)的潛力,以便使衛(wèi)星系統(tǒng)與地面系統(tǒng)得以協(xié)調(diào)發(fā)展。此外還應(yīng)具備能夠研究和編制通信衛(wèi)星規(guī)范的技術(shù)力量,還要保護(hù)政府發(fā)展衛(wèi)星通信的潛在能力。政府部門應(yīng)當(dāng)把費(fèi)時(shí)較多的研發(fā)工作當(dāng)作自己的一項(xiàng)職責(zé)來對(duì)待。
政府部門應(yīng)當(dāng)具有一支IT技術(shù)創(chuàng)新的隊(duì)伍,也就是說政府必須能夠吸引優(yōu)秀的IT研究人員和工程技術(shù)人員。從國際合作的角度看,這一點(diǎn)也是很有必要的,因?yàn)橹挥型ㄟ^國際合作,才能不斷縮小發(fā)展中國家與發(fā)達(dá)國家的差距。如上所述,衛(wèi)星通信是抵御自然災(zāi)害的重要措施,政府還應(yīng)當(dāng)發(fā)展包括應(yīng)急通信在內(nèi)的通信基礎(chǔ)設(shè)施。
衛(wèi)星通信的發(fā)展前景
1、三代通信衛(wèi)星的研制方案
盡管地面通信系統(tǒng)的通信速率近年來在以每年4倍的速度增長,但為了協(xié)調(diào)發(fā)展,衛(wèi)星通信必須在速度上與之保持一致,這就要求衛(wèi)星通信的速度也必須快速增長,因此對(duì)衛(wèi)星通信具有高速率和更大容量的要求今后還將更加強(qiáng)烈。就此而言,有必要對(duì)今后30年的因特網(wǎng)衛(wèi)星及其發(fā)展?fàn)顩r予以考慮(如下表所示)。
未來30年擬建的通信衛(wèi)星
第一點(diǎn),衛(wèi)星更新?lián)Q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(diǎn),同樣是因特網(wǎng)衛(wèi)星,還分為固定、廣播和移動(dòng)通信,這樣一來,衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)就不是惟一的考慮。第三點(diǎn),第1代因特網(wǎng)衛(wèi)星將優(yōu)先發(fā)展區(qū)域及國內(nèi)通信業(yè)務(wù),第2代與第1代相比,更強(qiáng)調(diào)其全球通信能力。就此而言,應(yīng)當(dāng)對(duì)第2代所涉及的環(huán)形星座衛(wèi)星系統(tǒng)、地球靜止軌道衛(wèi)星及與低地球軌道(LEO)衛(wèi)星的連接等問題加以研究。第四點(diǎn),因?yàn)槭谴笮托l(wèi)星,因特網(wǎng)衛(wèi)星每5～7年才發(fā)射一次。毋庸諱言,應(yīng)當(dāng)在大型衛(wèi)星的發(fā)射間隙,通過每1～3年發(fā)射一批小型衛(wèi)星,以加快衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展。小型衛(wèi)星計(jì)劃將包括衛(wèi)星基礎(chǔ)設(shè)施試驗(yàn)、定位技術(shù)以及LEO技術(shù)。實(shí)現(xiàn)航天相關(guān)技術(shù)與IT技術(shù)的協(xié)調(diào)發(fā)展是非常重要的。
2、衛(wèi)星通信能力的發(fā)展目標(biāo)
地面通信系統(tǒng)的容量年年都有大幅度的增長。衛(wèi)星容量的增長速度應(yīng)當(dāng)與地面相一致,盡管完全的一致是不可能的。衛(wèi)星不僅可以用作骨干網(wǎng),還可以用作固定通信或移動(dòng)通信的支網(wǎng)。由此可以設(shè)想衛(wèi)星在骨干網(wǎng)容量中至少占1%。
第1代因特網(wǎng)衛(wèi)星,即Gbit衛(wèi)星或空間因特網(wǎng)(i-space)衛(wèi)星每個(gè)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(fā)射的iP-STAR計(jì)劃擁有總量為50Gbit的通信容量,因此,有理由設(shè)想第1代因特網(wǎng)衛(wèi)星的總?cè)萘繛閹讉�(gè)到幾十個(gè)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(dá)到幾十到幾百個(gè)Gbit(50～500Gbit)。第3代又將是第2代的10倍,達(dá)到幾百至幾千個(gè)Gbit(500Gbit～5Tbit)。盡管這樣的目標(biāo)可能高得難以實(shí)現(xiàn),但為了保證衛(wèi)星在未來IT環(huán)境中具備競爭力,進(jìn)行這樣的評(píng)估是必要的�，F(xiàn)有的普通衛(wèi)星無法實(shí)現(xiàn)第3代因特網(wǎng)衛(wèi)星的通信功能,因此需要一個(gè)大型地球靜止軌道平臺(tái),并需要進(jìn)行相應(yīng)的技術(shù)攻關(guān)。盡管目前有些項(xiàng)目還不十分明確,但第3代因特網(wǎng)衛(wèi)星需要一個(gè)地球靜止軌道平臺(tái)卻是非常清楚的。
就因特網(wǎng)衛(wèi)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(tái),重幾百t。要降低衛(wèi)星的重量,應(yīng)當(dāng)通過元器件的小型化、輕量化來解決。
衛(wèi)星技術(shù)研發(fā)的方法與項(xiàng)目
1、通信衛(wèi)星的研發(fā)方法
通信衛(wèi)星研發(fā)的方法應(yīng)具有以下4個(gè)目標(biāo):
(1)通信衛(wèi)星研發(fā)不僅對(duì)其他空間項(xiàng)目有吸引力,對(duì)其他科學(xué)技術(shù)的應(yīng)用也有價(jià)值。所謂其他科技項(xiàng)目,包括IT技術(shù)、納米技術(shù)和生物相關(guān)技術(shù)等高科技�？臻g技術(shù)項(xiàng)目的綜合性、多學(xué)科性,使得其發(fā)展可以帶動(dòng)和促進(jìn)上述高科技的研究與發(fā)展。
(2)發(fā)展具有價(jià)格競爭力的商用系統(tǒng)。商業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域包括衛(wèi)星通信設(shè)施及地面設(shè)備。通信衛(wèi)星應(yīng)當(dāng)具備與地面系統(tǒng)有競爭力的特征。
(3)帶動(dòng)自然科學(xué)、社會(huì)科學(xué)及風(fēng)險(xiǎn)投資業(yè)的發(fā)展。包括通信衛(wèi)星在內(nèi)的空間系統(tǒng)的各種技術(shù),其中包括許多涉及面廣的技術(shù),為風(fēng)險(xiǎn)投資業(yè)的發(fā)展提供了許多機(jī)遇。
(4)實(shí)現(xiàn)投資渠道的多元化。
另外,加強(qiáng)與世界各國的聯(lián)合研究也很重要。只有加強(qiáng)國際合作才能縮小發(fā)展中國家與發(fā)達(dá)國家的差距。
2、通信衛(wèi)星技術(shù)研發(fā)的項(xiàng)目
空間因特網(wǎng)衛(wèi)星的建成要靠許多技術(shù)的發(fā)展。需要發(fā)展的技術(shù)包括以下各項(xiàng):
(1)跟蹤研究新的衛(wèi)星通信系統(tǒng)
這里描述的空間因特網(wǎng)衛(wèi)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(gè)系統(tǒng),在未來系統(tǒng)的發(fā)展中,還要提出許多新的概念和設(shè)想。例如,一個(gè)綜合了衛(wèi)星與高軌道平臺(tái)系統(tǒng)(HAPS)的新系統(tǒng)對(duì)未來利用光通信的極高數(shù)據(jù)率通信就很重要。
(2)發(fā)展新頻段及光通信
現(xiàn)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(shí)現(xiàn)大容量數(shù)據(jù)傳輸。但對(duì)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(shí)現(xiàn)。通過采用比Ka更高的頻段可實(shí)現(xiàn)通過無線電波的大容量通信。應(yīng)當(dāng)發(fā)展V波段(50/40GHz)等毫米波段,也可以考慮發(fā)展W波段(80/70 GHz)。
發(fā)展光通信是實(shí)現(xiàn)大容量通信的首選。將來的通信速度可達(dá)5個(gè)Gbit,10個(gè)Gbit,甚至100個(gè)Gbit�？臻g-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(tái)系統(tǒng)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(wǎng)衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)極高數(shù)據(jù)傳輸速率將要采取的一個(gè)方案。
(3)高級(jí)的天線
如果采用無線電波,天線總是衛(wèi)星通信系統(tǒng)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。具有極高數(shù)據(jù)傳輸速率的系統(tǒng)必須發(fā)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(wèi)星通信的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。相關(guān)的3項(xiàng)技術(shù)列舉如下:
a)超大尺寸可展開天線;
b)通過一組衛(wèi)星的編隊(duì)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(gòu)成方法建成一副超多波束天線。
(4)發(fā)展超高速/光學(xué)轉(zhuǎn)發(fā)器
為建成高數(shù)據(jù)率通信系統(tǒng),需要一個(gè)重量輕、超高速的轉(zhuǎn)發(fā)器。就此而言,任何新設(shè)備或光學(xué)技術(shù)應(yīng)用都是必要的。可以想見所有納米技術(shù)的研發(fā)在這一領(lǐng)域都能有用武之地。
(5)衛(wèi)星的超小型化
衛(wèi)星的重量與數(shù)據(jù)傳輸速率幾乎是正比關(guān)系。輕量化的衛(wèi)星平臺(tái)技術(shù)對(duì)未來發(fā)展極高數(shù)據(jù)率衛(wèi)星至關(guān)重要。這一技術(shù)包括輕量化的太陽能電源系統(tǒng)和輕量化的平臺(tái)系統(tǒng)兩項(xiàng)內(nèi)容。此外納米技術(shù)將來會(huì)有所應(yīng)用。
6)其他技術(shù)
與地球站有關(guān)的技術(shù)也是必要的。地球站做得越小,我們使用衛(wèi)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(duì)稱通信方法。此外衛(wèi)星通信之外的內(nèi)容,如超小型化的地球站(可攜帶的)、衛(wèi)星定位技術(shù)、在軌維修技術(shù)也應(yīng)當(dāng)予以考慮。
于2005年發(fā)射的iP-STAR計(jì)劃擁有總量為50Gbit的通信容量,因此,有理由設(shè)想第1代因特網(wǎng)衛(wèi)星的總?cè)萘繛閹讉�(gè)到幾十個(gè)Gbit(5～50Gbit)。
