号称“超级路由器”,这颗卫星让你上网不断线|了不起的中国制造

导语
实践十三号是中国首颗高通量通信卫星,得益于Ka频段通信载荷,实践十三号的通信总容量能达到20G,超过了中国之前研制的所有通信卫星容量的总和。它可以将宽带通信的“触角”延伸到以往网络信号无法到达的地方,让你在中国的每一个角落都能随时随地上网。

近年来,中国陆续发射并成功投入使用了多颗通信卫星,应用了目前世界上最前沿的通信卫星技术,卫星种类包括了广播电视直播卫星、高通量宽带卫星、移动通信卫星、数据中继卫星等多种。

尤其是在去年四月份,中国成功发射了首颗高通量通信卫星——实践十三号,该卫星的通信总容量超过20G,意味着中国实现了自主通信卫星的宽带应用。这颗卫星在今年年初完成了在轨测试和相关试验工作(完成试验后被命名为中星16号),已成功交付使用,未来将会为祖国健康工作15年。

下面就为大家介绍一下这颗卫星上的特色试验激光通信技术、高通量通信系统及其特有的黑科技。

(一)为了实现激光通信,实践十三号是怎么扬长避短的?

与无线电通信的原理类似,激光通信也要把通信信号调制到激光光束上,利用带有通信信号的激光来传输信息,不过,它的通信效果要好得多。

由于产生激光的过程是原子受激发光,而受激辐射产生的光子的频率、相位、前进方向等都是一样的,因此,激光本身具有单色性好、相干性强、方向性强的特点,从它一出现,研究人员就意识到将激光应用到通信技术上能使信息速度和密度方面的表现超过无线电。

无线激光通信示意图

激光的特点也决定了其作为通信手段有无线电通信无法比拟的三大优势:

首先,光的波长更短,频率更高,所以它每秒能携带更多的信息,这使得光通信容量非常大。

其次,因为激光的方向性强,光束发散角非常小,几乎可以看作是平行的光线,所以其远距离传输的发散面很小,这就使得激光通信用到的发射天线和接收天线都可以设计得小巧轻便。

此外,采用不可见激光通信,在不知晓其传播方向的前提下,是无法截获信号的,同时激光的频率极高,也加大了破译难度,如果再配合量子加密技术,激光通信的保密性可以实现大幅度提高。

不过,要实现激光通信,需要克服几个问题:

首先是信号衰减问题。

光的传播是不需要介质的,而如果在介质中传播就无法避免衰减。大气作为常见的传播介质,其中存在的大气分子、尘埃颗粒等都会使光产生严重衰减,同时空气对流引起的大气湍流更会对激光传输的光束造成偏折、扩散等影响,使得通信过程不稳定。

其次是信号接收的问题。

前面说到,激光因为方向性强,可以把接收和发射装置设计得很小巧,但这也给设备之间如何对准和进行发射和接收带来了一定难度,这一过程对设备的稳定性和精度提出了很高的要求。

大气对激光的削弱

美国宇航局在2013年第一次利用激光将蒙娜丽莎的图像发射到大约390,000公里外的月球勘测器上时,就用到了类似于纠错码算法的方法来补偿大气对激光的干扰。

之后的2014年,他们在国际空间站上进行了一次空对地激光通信试验,数据传输速度为每秒400兆比特。两次试验均为单向的激光通信。

而中国这次在实践十三号卫星上进行的则是难度更大的高轨星地激光双向通信,信号传输速率高达5千兆比特,处于国际最领先的地位。

空间激光通信示意图

高速和双向通信只是其一,此次的激光通信还攻克了多项国际难题,比如前面提到的发射与接受装置的对接难题。

本次试验实现了相距4万公里高度的卫星与地面站的光束高精度捕获,信号传输链路跟踪稳定,在卫星运动、平台抖动、复杂空间环境等因素的影响下,能够保证光束信号的快速锁定和稳定跟踪,平均捕获时间2.5秒,1小时跟踪稳定度为100%;同时还保证了600兆比特、1.25千兆比特、2.5千兆比特、5千兆比特多种数据率的激光通信质量可靠,误码率低。

(二)利用Ka频段通信,信号传递再也没有盲区了

实践十三号的激光卫星试验采用多项中国自主创新的先进技术,对高速激光通信中信息接收与转发、远距离通信大气影响补偿等多项关键技术进行了验证,为后续军民业务应用奠定了基础,而这也仅是实践十三号众多亮点中的一个,作为中国首颗高通量通信卫星,实践十三号在未来还需要肩负起“宽带中国”互联网接入需求的战略使命。

得益于卫星上搭载的Ka频段通信载荷,实践十三号通信总容量达到了20G,超过了中国之前研制的所有通信卫星容量的总和。

Ka波段是频率在27-40GHz范围的电磁波信号,具有频率高、可用频率资源丰富、传输速率高的特点,同时采用多点波束技术,可以缩小终端设备尺寸,加之卫星轨位资源丰富,是未来卫星通信系统的发展重点。

实践十三号具有26个用户点波束和3个馈电波束,能够快捷组网、高速接入,而且容量大、成本低,可以随时随地将宽带通信的“触角”延伸到无线网络信号无法覆盖或光缆无法到达的地方,基本上覆盖了整个中国和近海海域,解决了中国由于幅员辽阔、地形复杂造成的信息传递盲区问题,加快了信息化进程的推进。

实践十三号让你随时随地保持网络连接

该卫星可支持地面用户最高150兆的下载速率和12兆的上行速率使用需求,无论你地处偏远的小山村,还是广袤无垠的大草原,或是远离大陆的海岛,都可以在这颗卫星的帮助下,时刻保持网络在线,切实感受信息化的中国。

通信范围全覆盖对于抢险救灾的好处更是不言而喻。08年的汶川大地震暴露了中国应急通信中的痛点,而有了实践十三号,自然灾害发生后,即使地面固定和移动通信设施遭到损毁,也不至于让灾区的通信陷入瘫痪。

而且,由于采用了频率更高的Ka频段通信,尺寸更小的用户终端可以随身装备携带,通信过程也无需单独建网;更快的数据传输速度能够让配备了这种用户终端的灾区民众及时把灾区的情况以语音、数据和视频的形式传递出去,为后续及时开展救援打下基础,这同时也保证了户外运动爱好者和电力行业从业者的通信畅通和户外出行安全。

除了能够保障野外通信顺畅,Ka宽带卫星对机载、船载、铁路等高速移动体的互联网接入更是福音,可以说是真正实现了“全天候”的宽带通信。

高铁和飞机为人们的出行带来了极大的方便,但是想要在旅途中随时与网络连接却很困难,高铁列车行进过程中,信号切换过于频繁,需要在不同区域的通信基站间进行切换,所以手机信号时断时续,而飞机机舱内想要上网则更难。不过,这些问题在高通量卫星实践十三号面前都不是事。

多波束设计的高通量卫星系统

不同于传统C(4-8GHz)、Ku(12-18 GHz)频段大覆盖卫星靠一根天线完成整个区域内的信号传递,实践十三号拥有多波束设计,可以在不同波束之间反复切换。

目前,中国已经成功突破通信卫星的多波束无缝切换技术,再加上通信终端自动跟踪捕获等技术,可以让高速移动的车辆、轮船、飞机等移动载体随时随地保持网络连接,彻底改善乘客的上网体验。

(三)携带电推进系统和满血配置,卫星可以多出数百公斤的载荷

作为东方红三号B平台全配置的首发星,实践十三号的成功投入使用,标志着中国卫星通信进入高通量通信时代,更为重要的是,卫星的推进系统携带了四台200毫米口径的氙离子电推进发动机(LIPS-200),可以保证它为祖国健康工作15年。

推进系统之于卫星,就如同发动机之于汽车,卫星想要在复杂的太空环境干扰下保持稳定的预设轨道,必须依靠推进系统提供动力。

以往大多数卫星的推进系统采用化学推进剂保持位置,化学推进剂的比冲小(单位推进剂量产生的冲量叫做比冲),需要携带大量化学推进剂,这限制了卫星的有效载荷。

卫星需要靠推进系统保持位置对准

实践十三号卫星作为中国首颗电推进工程化应用的卫星,采用了比化学推进系统更加高级的电推进系统。这种系统利用高电压来电离推进剂,并将电离的推进器加速后喷出,以此产生推力,比冲比化学推进更高,保持位置时所消耗的推进剂更少。

电推进技术是未来人类进行深空星际飞行的一种比较理想的推进方法,其运用电磁加速原理,可以获得相较于化学燃料高出1-2个数量级的排气速度,比冲可以达到几千到一万秒(化学推进的比冲只有几百)。

同时,尾喷气体的比冲可以从百秒提高到千秒,对工质消耗的影响最为显著。在同样的速度增量要求下,较大的喷气速度意味着较小的发射质量与有效质量的比值,也就是说采用电推进能显著增加有效载荷,而且速度增量越大,这种优势越明显。

传统卫星需要携带3吨左右的化学推进剂,其中超过600公斤推进剂被用来保持南北位置保持,而实践十三号卫星的电推进系统只需带100公斤的氙气就可以顺利完成这一任务,这为提升实践十三号有效载荷、进行激光通信等试验打下了坚实基础。

虽然电推进的原理不难,但想要应用到卫星上,却需要克服许多技术难题。

首先,该系统使用的氙气需要在1000伏的电压下电离,然后再从加速栅极喷射出来。1000伏电压对于使用100伏电压的卫星系统已经是高压了,这次中国发射实践十三号卫星就面临了元器件在真空、等离子、高压环境中长时间工作的技术难题。

同时,中国还专门为这颗采用离子电推进技术的高轨卫星准备了一套不同于传统化学推进技术的在轨卫星测控管理系统,充分保障系统可靠性,实现通信卫星载荷的灵活配置。

电推进原理示意图

除此之外,为了让实践十三号卫星上搭载更多的有效载荷,东方红三号B平台还首次采用了满血配置,并配备了综合电子、高效热控、锂离子蓄电池等先进技术。

得益于大量国产抗辐照集成电路的应用,该平台采用的新一代综合电子系统重量仅为东方红四号平台电子设备的一半左右;同时,平台上的星载锂电子蓄电池也比原有镍氢电池重量减少了一半。这两项技术可以为卫星“腾”出数百公斤的载荷,之后也会推广应用到其他型号的卫星上。

结语

实践十三号卫星是中国多代航天人心血的积累,为中国发展高通量卫星通信技术打下了基础,对于提升中国卫星平台技术水平和推动中国商业卫星进一步国产化有很深远的意义。

在未来,依托实践十三号的高通量通信卫星技术,配合为高铁、船舶、飞机野外设备等方面特别研制的卫星移动通信终端产品,中国将会构建起新的高宽带移动通信系统,在飞机机舱内、高速运行的高铁上,甚至偏远的山区,便捷高速上网将成为现实。

作为世界上认知度最高的标签,中国制造(Made in China)正寻求战略升级。「了不起的中国制造」专栏,力邀行业权威、资深玩家,呈现他们眼中的中国创新之路。

(本文来源:网易新闻)