號稱「超級路由器」，這顆衛星能讓你一直上網不斷線

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出品| 網易新聞

作者| 鴻鵠，科技愛好者

　　近年來，中國陸續發射並成功投入使用了多顆通信衛星，應用了目前世界上最前沿的通信衛星技術，衛星種類包括了廣播電視直播衛星、高通量寬頻衛星、移動通信衛星、數據中繼衛星等多種。

　　尤其是在去年四月份，中國成功發射了首顆高通量通信衛星——實踐十三號，該衛星的通信總容量超過20G，意味著中國實現了自主通信衛星的寬頻應用。這顆衛星在今年年初完成了在軌測試和相關試驗工作（完成試驗後被命名為中星16號），已成功交付使用，未來將會為祖國健康工作15年。

　　下面就為大家介紹一下這顆衛星上的特色試驗激光通信技術、高通量通信系統及其特有的黑科技。

（一）為了實現激光通信，實踐十三號是怎麼揚長避短的？

　　與無線電通信的原理類似，激光通信也要把通信信號調製到激光光束上，利用帶有通信信號的激光來傳輸信息，不過，它的通信效果要好得多。

　　由於產生激光的過程是原子受激發光，而受激輻射產生的光子的頻率、相位、前進方向等都是一樣的，因此，激光本身具有單色性好、相干性強、方向性強的特點，從它一出現，研究人員就意識到將激光應用到通信技術上能使信息速度和密度方面的表現超過無線電。

　　激光的特點也決定了其作為通信手段有無線電通信無法比擬的三大優勢：

　　首先，光的波長更短，頻率更高，所以它每秒能攜帶更多的信息，這使得光通信容量非常大。

　　其次，因為激光的方向性強，光束髮散角非常小，幾乎可以看作是平行的光線，所以其遠距離傳輸的發散面很小，這就使得激光通信用到的發射天線和接收天線都可以設計得小巧輕便。

　　此外，採用不可見激光通信，在不知曉其傳播方向的前提下，是無法截獲信號的，同時激光的頻率極高，也加大了破譯難度，如果再配合量子加密技術，激光通信的保密性可以實現大幅度提高。

　　不過，要實現激光通信，需要克服幾個問題：

　　首先是信號衰減問題。

　　光的傳播是不需要介質的，而如果在介質中傳播就無法避免衰減。大氣作為常見的傳播介質，其中存在的大氣分子、塵埃顆粒等都會使光產生嚴重衰減，同時空氣對流引起的大氣湍流更會對激光傳輸的光束造成偏折、擴散等影響，使得通信過程不穩定。

　　其次是信號接收的問題。

　　前面說到，激光因為方向性強，可以把接收和發射裝置設計得很小巧，但這也給設備之間如何對準和進行發射和接收帶來了一定難度，這一過程對設備的穩定性和精度提出了很高的要求。

　　美國宇航局在2013年第一次利用激光將蒙娜麗莎的圖像發射到大約390,000公里外的月球勘測器上時，就用到了類似於糾錯碼演算法的方法來補償大氣對激光的干擾。之後的2014年，他們在國際空間站上進行了一次空對地激光通信試驗，數據傳輸速度為每秒400兆比特。兩次試驗均為單向的激光通信。

　　而中國這次在實踐十三號衛星上進行的則是難度更大的高軌星地激光雙向通信，信號傳輸速率高達5千兆比特，處於國際最領先的地位。

　　高速和雙向通信只是其一，此次的激光通信還攻克了多項國際難題，比如前面提到的發射與接受裝置的對接難題。

　　本次試驗實現了相距4萬公里高度的衛星與地面站的光束高精度捕獲，信號傳輸鏈路跟蹤穩定，在衛星運動、平台抖動、複雜空間環境等因素的影響下，能夠保證光束信號的快速鎖定和穩定跟蹤，平均捕獲時間2.5秒，1小時跟蹤穩定度為100%；同時還保證了600兆比特、1.25千兆比特、2.5千兆比特、5千兆比特多種數據率的激光通信質量可靠，誤碼率低。

（二）利用Ka頻段通信，信號傳遞再也沒有盲區了

　　實踐十三號的激光衛星試驗採用多項中國自主創新的先進技術，對高速激光通信中信息接收與轉發、遠距離通信大氣影響補償等多項關鍵技術進行了驗證，為後續軍民業務應用奠定了基礎，而這也僅是實踐十三號眾多亮點中的一個，作為中國首顆高通量通信衛星，實踐十三號在未來還需要肩負起「寬頻中國」互聯網接入需求的戰略使命。

　　得益於衛星上搭載的Ka頻段通信載荷，實踐十三號通信總容量達到了20G，超過了中國之前研製的所有通信衛星容量的總和。

　　Ka波段是頻率在27-40GHz範圍的電磁波信號，具有頻率高、可用頻率資源豐富、傳輸速率高的特點，同時採用多點波束技術，可以縮小終端設備尺寸，加之衛星軌位資源豐富，是未來衛星通信系統的發展重點。

　　實踐十三號具有26個用戶點波束和3個饋電波束，能夠快捷組網、高速接入，而且容量大、成本低，可以隨時隨地將寬頻通信的「觸角」延伸到無線網路信號無法覆蓋或光纜無法到達的地方，基本上覆蓋了整個中國和近海海域，解決了中國由於幅員遼闊、地形複雜造成的信息傳遞盲區問題，加快了信息化進程的推進。

　　該衛星可支持地面用戶最高150兆的下載速率和12兆的上行速率使用需求，無論你地處偏遠的小山村，還是廣袤無垠的大草原，或是遠離大陸的海島，都可以在這顆衛星的幫助下，時刻保持網路在線，切實感受信息化的中國。

　　通信範圍全覆蓋對於搶險救災的好處更是不言而喻。08年的汶川大地震暴露了中國應急通信中的痛點，而有了實踐十三號，自然災害發生後，即使地面固定和移動通信設施遭到損毀，也不至於讓災區的通信陷入癱瘓。

　　而且，由於採用了頻率更高的Ka頻段通信，尺寸更小的用戶終端可以隨身裝備攜帶，通信過程也無需單獨建網；更快的數據傳輸速度能夠讓配備了這種用戶終端的災區民眾及時把災區的情況以語音、數據和視頻的形式傳遞出去，為後續及時開展救援打下基礎，這同時也保證了戶外運動愛好者和電力行業從業者的通信暢通和戶外出行安全。

　　除了能夠保障野外通信順暢，Ka寬頻衛星對機載、船載、鐵路等高速移動體的互聯網接入更是福音，可以說是真正實現了「全天候」的寬頻通信。

　　高鐵和飛機為人們的出行帶來了極大的方便，但是想要在旅途中隨時與網路連接卻很困難，高鐵列車行進過程中，信號切換過於頻繁，需要在不同區域的通信基站間進行切換，所以手機信號時斷時續，而飛機機艙內想要上網則更難。不過，這些問題在高通量衛星實踐十三號面前都不是事。

　　不同於傳統C（4-8GHz）、Ku（12-18 GHz）頻段大覆蓋衛星靠一根天線完成整個區域內的信號傳遞，實踐十三號擁有多波束設計，可以在不同波束之間反覆切換。

　　目前，中國已經成功突破通信衛星的多波束無縫切換技術，再加上通信終端自動跟蹤捕獲等技術，可以讓高速移動的車輛、輪船、飛機等移動載體隨時隨地保持網路連接，徹底改善乘客的上網體驗。

（三）攜帶電推進系統和滿血配置，衛星可以多出數百公斤的載荷

　　作為東方紅三號B平台全配置的首發星，實踐十三號的成功投入使用，標誌著中國衛星通信進入高通量通信時代，更為重要的是，衛星的推進系統攜帶了四台200毫米口徑的氙離子電推進發動機（LIPS-200），可以保證它為祖國健康工作15年。

　　推進系統之於衛星，就如同發動機之於汽車，衛星想要在複雜的太空環境干擾下保持穩定的預設軌道，必須依靠推進系統提供動力。

　　以往大多數衛星的推進系統採用化學推進劑保持位置，化學推進劑的比沖小（單位推進劑量產生的衝量叫做比沖），需要攜帶大量化學推進劑，這限制了衛星的有效載荷。

　　實踐十三號衛星作為中國首顆電推進工程化應用的衛星，採用了比化學推進系統更加高級的電推進系統。這種系統利用高電壓來電離推進劑，並將電離的推進器加速後噴出，以此產生推力，比沖比化學推進更高，保持位置時所消耗的推進劑更少。

　　電推進技術是未來人類進行深空星際飛行的一種比較理想的推進方法，其運用電磁加速原理，可以獲得相較於化學燃料高出1-2個數量級的排氣速度，比沖可以達到幾千到一萬秒（化學推進的比沖只有幾百）。

　　同時，尾噴氣體的比沖可以從百秒提高到千秒，對工質消耗的影響最為顯著。在同樣的速度增量要求下，較大的噴氣速度意味著較小的發射質量與有效質量的比值，也就是說採用電推進能顯著增加有效載荷，而且速度增量越大，這種優勢越明顯。

　　傳統衛星需要攜帶3噸左右的化學推進劑，其中超過600公斤推進劑被用來保持南北位置保持，而實踐十三號衛星的電推進系統只需帶100公斤的氙氣就可以順利完成這一任務，這為提升實踐十三號有效載荷、進行激光通信等試驗打下了堅實基礎。

　　雖然電推進的原理不難，但想要應用到衛星上，卻需要克服許多技術難題。

　　首先，該系統使用的氙氣需要在1000伏的電壓下電離，然後再從加速柵極噴射出來。1000伏電壓對於使用100伏電壓的衛星系統已經是高壓了，這次中國發射實踐十三號衛星就面臨了元器件在真空、等離子、高壓環境中長時間工作的技術難題。

　　同時，中國還專門為這顆採用離子電推進技術的高軌衛星準備了一套不同於傳統化學推進技術的在軌衛星測控管理系統，充分保障系統可靠性，實現通信衛星載荷的靈活配置。

　　除此之外，為了讓實踐十三號衛星上搭載更多的有效載荷，東方紅三號B平台還首次採用了滿血配置，並配備了綜合電子、高效熱控、鋰離子蓄電池等先進技術。

　　得益於大量國產抗輻照集成電路的應用，該平台採用的新一代綜合電子系統重量僅為東方紅四號平台電子設備的一半左右；同時，平台上的星載鋰電子蓄電池也比原有鎳氫電池重量減少了一半。這兩項技術可以為衛星「騰」出數百公斤的載荷，之後也會推廣應用到其他型號的衛星上。

結語

　　實踐十三號衛星是中國多代航天人心血的積累，為中國發展高通量衛星通信技術打下了基礎，對於提升中國衛星平台技術水平和推動中國商業衛星進一步國產化有很深遠的意義。

　　在未來，依託實踐十三號的高通量通信衛星技術，配合為高鐵、船舶、飛機野外設備等方面特別研製的衛星移動通信終端產品，中國將會構建起新的高寬頻移動通信系統，在飛機機艙內、高速運行的高鐵上，甚至偏遠的山區，便捷高速上網將成為現實。

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編輯| 孫健航、史文慧

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