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摘 要：本文介绍了Ｋａ波段的基本概 念：Ｋａ波段通信卫星的发展历史，研发特 点和应用情况；并对现有的Ｋａ波段卫星通 信系统进行了整理归纳，有助于人们全面 系统地了解Ｋａ波段卫星的发展情况。 关键宇：Ｋａ波段；通信卫星；现状 Ｋａ波段通信卫星发展应用现状 王琦 王毅凡 近年来，卫星通信应用Ｋａ波段的情况越来越多，表 段的频率范围为２６．５—４０ＧＨｚ。Ｋａ代表着Ｋ的正上方 现出了通信卫星新的发展趋势。著名的国际太空咨询机构 （Ｋ—ａｂｏｖｅ），换句话说，该波段直接高于Ｋ波段。Ｋａ Ｅｕｒｏｃｏｎｓｕｌｔ在其最近的《卫星通信与广播市场观察》（第１６ 波段也被称作３０／２０ ＧＨｚ波段，通常用于卫星通信。 版）中指出， “２０１８年，Ｋａ波段需求将占卫星容量总需求 Ｋａ波段最重要的一个特点就是频带较宽，Ｃ频段的一般 的１４％，主要采用Ｋｕ和Ｃ波段的军事卫星通信也将被推向Ｋａ 可用带宽为５００ＭＨｚ～８００ＭＨｚ；Ｋｕ频段的可用带宽 波段。”在通信卫星中采用Ｋａ波段，可以获得较宽的工作频 为５００ＭＨｚ～１０００ＭＨｚ；而Ｋａ频段的可用带宽可达到 带，增加通信容量，同时还可以实现较窄的波束，从而获得 ３５００ＭＨｚ。因此，Ｋａ波段卫星通信系统可为高速卫星通信、高的ＥＩＲＰ值，减小地面终端天线尺寸。而且，相对于已经十 千兆比特级宽带数字传输、高清晰度电视（ＨＤＴＶ）、卫星 分拥挤的Ｃ、Ｋｕ波段，Ｋａ波段的干扰较小，便于卫星的轨道 新闻采集（ＳＮＧ）、ＶＳＡＴ业务、直接到户（ＤＴＨ）业务及 位置和频率关系的协调。而元器件以及工艺水平的提高，也 个人卫星通信等新业务提供一种崭新的手段。Ｋａ波段的缺点 是雨衰较大，对器件和工艺的要求较高。在Ｋａ波段频率下， 对Ｋａ波段的发展起到了一定的加速作用。 用户终端的天线尺寸主要不是受制于天线增益，而是受制于 １．Ｉ （ａ波段曩述 ａ波 Ｋａ波段是电磁频谱的微波波段的 部分，Ｋ ． 抑制其它系统干扰的能力。 表１为无线波段的划分。 表１为无线波段的划分
频体制，直接进行上下行频率转换。 欧空局于１９９０年７月发射了Ｋａ波段的奥林 巴斯（ＯＬＹＭＰＵＳ）通信卫星。意大利也较早 地开发利用Ｋａ波段卫星ＩＴＡＬＳＡＴ（意大利卫 星），该星为意大利第一颗国内通信卫星，于 １９９１年发射，载有三类有效载荷，其中两类用 于Ｋａ波段点对点通信，包括多波束系统和全球 波束系统，多波束系统有６台Ｋａ波段转发器， Ａ－］￣０．９Ｇｂｉｔ／ｓ的数据传输能力。 １．２ Ｋａ波段卫星的起伏发展阶段 ２０世纪末，随着全球信息高速公路的发 展，众多的Ｋａ波段计划纷纷出台。１９９７年美 国联邦通信委员会（ＦＣＣ）对１３家公司发放了 Ｋａ波段卫星通信系统许可证。例如，洛克希 德・马丁公司的Ａｓｔｒｏｌｉ ｎｋ系统，计划用５颗地 球静止轨道卫星提供高数据速率通信业务，具 有星间链路；Ｔｅｌｅｄｅｓｉｃ系统则计划在１ ３７５公 里的ｌ２个圆轨道面上布署２８８颗卫星；另外就是 劳拉公司的Ｃｙｂｅｒｓｔａｒ系统，由３颗卫星组成； ＨＣＩ的Ｇａｌａｘｙ／Ｓｐａｃｅｗａｙ，由２Ｏ颗星组成；ＧＥ 美国公司的ＧＥ Ｓｔａｒ系统，由９颗卫星组成； 晨星公司的Ｍｏｒｎｉｎｇ Ｓｔａｒ系统，由４颗卫星组 成；而著名的移动卫星“铱”系统的星间链路 也采用了Ｋａ波段技术。此外，欧空局、日本、 德国、加拿大、韩国等也都推出了自己的Ｋａ波 段计划，如法国的Ｓｋｙｂｒｉ ｇｅ；韩国为２０００年奥 林匹克运动会和２００２年世界杯电视转播而计划 发射的Ｋｏｒｅａｓａｔ一３（韩星一３）等。 １． １早期试验研究情况 的ＡＴＳ一６（应用技术卫星一６）上进行过２０、３０ＧＨｚ连续波 一 与此同时，数据中继卫星也开始大量应用Ｋａ波段。因 美国计划从２０００年开始使用的第二代跟踪与数据中继卫 １９７４年，美国ＮＡＳＡ就曾在Ｆａｉｒｃｈｉｌｄ（仙童公司）研制 为太空中不存在雨衰，因此Ｋａ波段是太空传输的最佳选择之 。 和多个单音的传播试验，开辟了Ｋａ波段卫星传播和通信试验 星，增加Ｋａ波段星问链路和馈电链路，其最大反向数据率可 ｔ／ｓ。欧空局的计划分为两个部分，一个是“高级中 的先河。１９７６年，美国用一枚火箭同时发射了ＬＥＳ ８、９（林 达６５０Ｍｂｉ Ｓ）”，另一个是数据中继卫星 肯试验卫星８、９），它不仅与地球站进行了Ｋａ波段的传播试 继和技术试验卫星（ＡＲＴＥＭＩ （ＤＲＳ），在星间链路和馈电链路上都使用了Ｋａ波段传输技 验，而且还建立了卫星间Ｋａ波段试验链路。 日本在开发卫星通信的初期，就将目标定在了Ｋａ波段。 术。日本发射了两颗名为数据中继测试卫星（ＤＲＴＳ），其中 １９７７年４月，日本发射了与美国合作研制的ＥＴＳ—ＩＩ（工程 在星间链路和馈电链路中使用了Ｋａ波段转发器技术，最大反 ｔ／ｓ。 试验卫星ＩＩ），并于１９７７年１２Ｙ］发射了自己的实验通信卫星 向数据率可达３００Ｍｂｉ 然而，因为本世纪初光缆对卫星通信产业所产生的巨大 ＣＳ一１（通信卫星一１），该卫星载荷有６台Ｋａ波段转发器。接 着，日本于１９８３年２月和８月分别发射了ＣＳ－２（２Ａ、２Ｂ）商 冲击，使得Ｋａ波段卫星的发展遇到前所未有的挫折。许多Ｋａ 用卫星。其中２Ａ位于同步轨道１３０。Ｅ，属于工作星，２Ｂ作 波段项目被无限期地延长。 为备份星位于１３５。Ｅ。ＣＳ一２不但是日本的第一颗商用通信卫 星，也是世界上第一颗搭载Ｋａ波段转发器的实用通信卫星， 载有６台Ｋａ波段转发器，２台Ｃ波段转发器，采用二次变频体 ２．Ｋａ波段试验卫星 技术试验卫星是用于卫星工程技术和空间应用技术的原 理性或工程性试验的人造地球卫星，对卫星技术的发展具有 制，中频频率１．８ＧＨｚ。后来，日本于１９８８年发射了ＣＳ一３Ａ、 ３Ｂ两颗卫星，Ｋａ波段转发器增加到ｌ５台，采用单波束天线。 很大的推动作用。人们曾较为全面地开展了针对Ｋａ波段卫星 其Ｋａ波段转发器的主要特点是：采用了与ＣＳ一２不同的一次变 的试验，著名的有美国的ＡＣＴＳ（先进通信技术卫星）和日
本期视点 Ｉ ｎｔ ｅｌ ｓａｔ Ｇ ２ ８ 一，ｒ。
发射机功率的方法，是与使用开关矩阵模式工作相结合的。 ２．２． ２中继器模式 ＷＩＮＤＳ支持中继器模式的再生式中继应用和弯管模式 ＡＣＴＳ星上留有８ｄＢ的下行链路功率余量；而地站的上行发射 功率余量则高达１８ｄＢ，可根据需要调整其发射功率电平。对 应用。两种中继器模式都是基于ＳＳ—ＴＤＭＡ（卫星交换时分 于基带处理的工作模式，下行链路遇到降雨衰落时，是用晴 多址）技术。在弯管模式中，卫星接收的上行信号通过变频 １ＧＨｚ， 天下的３ｄＢ余量来补偿的。此外，还有３ｄＢ来自利用卷积编码 和功率放大后，便作为下行信号发射。频率带宽为１．２ＧＨｚ发射通信信号。在再生式中继器模 的编码增益；６ｄＢ来自对数据的降低。对于上行链路，晴天时 中继器可最大以１． 的链路余量为５ｄＢ。因上，根据编码及降低数据速率，总的备 式中，上行信号首先在卫星里解调为基带信号，然后再次调 制，并作为下行信号发射。因此，中继器还能提供各种各样 余量为１５ｄＢ。 ２．２ ＷＩ ＮＤＳ卫星 的弯管转发器所不提供的附加功能，包括交换功能和卫星数 ＮＤＳ再生式中继器模式应用的是ＡＴＭ（异 该卫星是世界上第一颗实现星上ＡＴＭ交换的宽带卫星， 字处理功能。ＷＩ 第一次实现了卫星吉比特通信，第一次采用了收发Ｋａ频段的相 步传输模式）信元。转换开关查寻ＡＴＭ信元中的通过载荷有 控阵天线，独具特色的综合采用了弯管式、再生式、混合式三 目标地球终端地址信息的ＡＴＭ头，并根据信元头中输出信息 种工作模式，各项技术都堪称卫星通信技术的里程碑。 ２．２． １天线 功率放大器。这部特殊的高功率放大器采用的是一部具有８个 输入端口和８个输出端口的３００Ｗ的多端口放大器（ＭＰＡ）。 ＭＰＡ是典型的内置功率放大的放大器，它内置了８套输出线 性功率大约为５０Ｗ的行波管放大器（ＴｗＴＡ）。通过设定每 确定下行波束。因此，来自一个地球终端而又要发往两个或 更多地球终端的数据，如果是作为批数据发射向卫星，就能 ＷＩＮＤＳ配备了一套大口径多波束天线（ＭＢＡ）和一部高 够交换到卫星内合适的波束中。 个输入端口的信号功率，能够为每个输出端口任意地控制最 高达３００Ｗ的输出信号功率。为了充分利用这一特性，ＭＰＡ 能够灵活地对下雨地区（雨衰）分配高功率，对晴朗地区的 波束就分配较低的功率。ＭＰＡ以这种方式实现了发射功率 的最有效利用，这是一套对任何通信卫星都非常有价值的资 产。根据多载波放大性能而假定的配置，ＴｗＴＡ的操作点设 定在线性区域。 １９７ ６Ｈｚ ２Ｑ２６Ｈｚ 匾 薹薹 薹蓁 Ｊ ． Ｉ ．Ｉ／ ∞ Ｉ Ｉ／／ ．ｘ Ｉ 髓Ｉｌｌ ＰＯＩ，Ｙ Ｊ ｌ 奏 蚕 赛 热鸟 卫星Ｋａ转发器配置
配置有许多波束的多波束系统要求具备链接两个或更多 接收及发射波束的功能，因此可以随意地在两地间建立通信 链路。ＷＩＮＤＳ配置有由许多４ＧＨｚ波段模拟开关组成的交换 矩阵，该系统根据时间（最小中断时间为２ｍｓ）以接收和发 射波束合成模式进行交换。接收交换矩阵选择上行波束，发 射交换矩阵选择下行波束。如果交换矩阵的交换模式设置被 固定了下来，也可以实现持续的波通信。交换模式通过网络 管理中心（ＮＭＣ）进行加载。因为波束交换功能，ＷＩＮＤＳ能 直接以高速数据速率链接大量的地球终端，组建网状网络。 ３．Ｋａ波段商用卫墨 从２００５年开始，以北美地区为代表，Ｋａ波段进入了新的 发展时期，发射升空了一些有影响的Ｋａ波段卫星，推动了相 关业务的开展。著名的国际卫星产业咨询机构北方天空研究 所（ＮＳＲ）于２００６年认为， “卫星宽带业务于２００５年进入了 新时代，尽管挑战依然存在，但产业的收入将在２０１０年达到 Ａｎｉｋ Ｆ２ Ｋ嫩段覆盖图 ４０亿美元。”从目前的情况来看，Ｋａ波段的卫星通信技术的 应用领域主要用于高清电视、宽带因特网连接两大类，而宽 带因特网连接还包括远程医疗、远程教学、远端ＶＳＡＴ组网 率先传输大量的本地高清电视频道，这１２个指定市场是：纽 和电子商务等业务。高清电视转播领域既有全Ｋａ频段卫星， 约、洛杉机、芝加哥、费城、波士顿、旧金山、达拉斯、华 也有Ｋａ／Ｋｕ／Ｃ等多频段混合载荷卫星，而宽带因特网连接领 盛顿、亚特兰大、底特律、休斯顿和坦帕（Ｔａｍｐａ）。 域则大多是Ｋａ／Ｋｕ／Ｃ等多频段混合载荷卫星。 ３．１． ２ Ｓｐａｃｅｗａｙ Ｆ２ ３。１ Ｋａ波段高清直播卫星 ３．１．１ Ｓｐａｃｅｗａｙ Ｆ１ Ｓｐａｃｅｗａｙ Ｆ２目前定轨在９９．１。Ｗ。Ｓｐａｃｅｗａｙ Ｆ２卫星载 荷情况与Ｓｐａｃｅｗａｙ Ｆ１相同，于２００５年ｌ１月１６日发射升空， Ｓｐａｃｅｗａｙ Ｆ１目前定轨在１０２．８。Ｗ。美国直播电视公司 该卫星是ＤｉｒｅｃＴＶ公司当时计划发射的４颗高功率大容量的新 （Ｄｉｒｅｃ Ｔｖ）首颗Ｋａ波段高清电视直播卫星Ｓｐａｃｅｗａｙ Ｆ １于 代全Ｋａ波段高清电视直播卫星的第２颗卫星，后面２颗卫星 一 ２００５年４月２６日进入预定轨道，从此开辟了Ｋａ波段高清电视 是ＤｉｒｅｃＴＶ １０和ＤｉｒｅｃＴＶ ｌ１。这４颗Ｋａ波段的直播卫星都采 直播的先河，ＤｉｒｅｃＴＶ的直播卫星服务将进入高清电视的新 用先进的点波束技术，未来全部投入运行后将为全美国电视 时代。Ｓｐａｃｅｗａｙ Ｆ１］Ｚ星选用波音７０２大型卫星平台，载荷 家庭用户提供１５００个以上的本地高清电视频道、１５０个国家 有７２台Ｋａ波段转发器，是为数不多的全Ｋａ频段卫星，在轨 高清电视频道以及其他先进的节目服务。 设计寿命１ ２年，发射重量达６０８０公斤，从而成为当时世界上 ３．１．３ ＤＩＲＥＣＴＶ １Ｏ、１ １ 最重的直播卫星；Ｓｐａｃｅｗａｙ Ｆ １为美国１ ２４＂最大的指定市场 ＤＩＲＥＣＴＶ １０目前定轨在１０２．８。Ｗ，ＤＩ ＲＥＣＴＶ １１定轨 在９９．２。Ｗ。ＤＩ ＲＥＣＴＶ １０、ｌ１的制造商为波音公司，这是 一 对 “孪生”卫星，卫星平台为波音７０２，综合了３２台有源和 １２台备份Ｋａ波段行波管放大器（ＴｗＴＡ）。在卫星的Ｋａ波 段天线中，有两个天线的直径为２．８米。ＤＩ ＲＥＣＴＶ １０于２００７ 年７月７日发射升空，ＤＩＲＥＣＴＶ １１于２００８年３月１９日发射升 空，信道编码均为ＭＰＥＧ一４。据悉，ＤｉｒｅｃＴＶ总共有１３０多个 高清频道，而ＤｉｒｅｃＴＶ一１１现在就广播了５０多个高清频道。 ３．１． ４ ＡＭＣ一１５、１６ ＡＭＣ—ｌ ５目前定轨在１ ０ ５。ｗ，ＡＭＣ一１ ６定轨在 ８５．０。Ｗ。ＡＭＣ一１５、１６分别为ＳＥＳ Ａｍｅｒｉｃａ公司的第一、 二颗Ｋａ波段的卫星，两颗卫星均由洛克希德・马丁公司制 造，卫星平台同为Ａ２１００ＡＸ。卫星拥有１２台１２３ＭＨｚ的Ｋａ波 段转发器，同时还拥有２４台３６ＭＨｚ的Ｋｕ波段转发器。ＡＭＣ—
一 Ｙａｂｓａｔ １＾Ｋ嫩段覆盖区域 ６、定轨在１ｌ１． １。ｗ的ｗＩＬＤＢＬＵＥ－１、定轨在的１１６。Ｅ ３．２． ２ Ｓｐａｃｅｗａｙ一３ Ｓｐａｃｅｗａｙ一３目前定轨在９５。Ｗ。Ｓｐａｃｅｗａｙ一３的制造 ＡＢＳ一７（原Ｋｏｒｅａｓａｔ－３）、定轨在１１３。Ｅ的Ｋｏｒｅａｓａｔ 一５等 商为波音公司，其平台为波音７０２，发射时间为２００７年８月１４ 卫星。 日，重量为６０７５公斤。为休斯网络系统公司提供宽带因特网 ４．Ｋａ波段军用卫墨 业务。休斯网络公司是世界领先的ＶＳＡＴ设备制造商，随着 ４．１“军事星”系统（ＭＩＬＳＴＡＲ） “军事星”（ＭＩＬＳＴＡＲ）是美军的战略军用通信卫星， Ｓｐａｃｅｗａｙ一３卫星的成功发射，休斯网络公司开启了Ｋａ频段 卫星宽带服务领域的先河。Ｓｐａｃｅｗａｙ一３卫星容量非常大，为 １９９４年２月至２００３年４月间共发射了５颗，目前在轨运行的有 ｌ ０Ｇｂｉｔ／ｓ。 ３． ２．３ Ｉｎｔｅｌｓａｔ Ｇ２８ ４Ｎ卫星，分别位于东、西太平洋、大西洋和印度洋上空， 是美陆、海、空三军共用的战略和战术相结合的军事卫星通 “军事星” Ｉｎｔｅｌｓａｔ Ｇ２８目前定轨在８９．０。Ｗ。Ｉｎｔｅｌｓａｔ Ｇ２８（原名为 信系统，具有很强的通信、抗干扰和生存能力。ＩＡ一８或Ｇａｌａｘｙ ２８），是Ｉｎｔｅｌｓａｔ的一颗通信卫星，于２００５年 工作频率分为ＵＨＦ￣Ｅ ＩＥＨＦ两个波段，ＵＨＦ波段的上行频率为 ６月２３日发射升空，定轨于８９。ｗ，服务于北美市场。它由劳 ２９０—３２０ＭＨｚ，下行频率为２４０－２７０ＭＨｚ；ＥＨＦ波段的上行 拉空间系统公司制造，其平台为ＦＳ一１３００。Ｉｎｔｅｌｓａｔ Ｇ２８是当 频率为４３．５－４５．５ＧＨｚ，下行频率为２Ｏ．２—２１．２ＧＨｚ。 时最先进的卫星。其技术特点是先进的热处理技术，如可配 “军事星”卫星通信系统有效载荷分两个部分：低数据 置的散热器和热循环管道和用于电子姿态保持的固定等子推 率（ＬＤＲ）和中数据率（ＭＤＲ）有效载荷。ＬＤＲ有效载荷有１９２个 ５Ｍｂ／ｓ，每个信道为２．４ｋｂ／ｓ；ＭＤＲ有效载 进器。其多频段载荷包括２８台Ｃ波段转发器、３６台Ｋｕ波段转 信道，数据率为０．发器和２４台Ｋａ波段转发器。 ３．２． ４ Ｓｕｐｅｒｂｉｒｄ一４ 荷有３２个信道，数据率为４８Ｍｂ／ｓ，每个信道为１．５４４Ｍｂ／ｓ。 “军事星”卫星通信系统有５０个ＥＨＦ转发器，１个ｕＨＦ转发 Ｓｕｐｅｒｂｉｒｄ一４目前定轨在１６２．０。Ｅ。Ｓｕｐｅｒｂｉ