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        空間太陽能電站涉及空間無線電規(guī)則研究

        2020-11-27 01:54:08江帆侯欣賓許國彩
        國際太空 2020年4期
        關(guān)鍵詞:頻段太陽能無線

        江帆 侯欣賓 許國彩

        1 引言

        空間太陽能發(fā)電是利用發(fā)射大型太陽能衛(wèi)星,在地球靜止軌道吸收太陽能并轉(zhuǎn)化為電能,然后以微波或激光為介質(zhì)把能源傳送回地面的大型天線站(或天線陣群),并最終轉(zhuǎn)為基本電力。利用空間太陽能發(fā)電,可以解決太陽光穿過大氣時因受到吸收和散射而減弱的問題,被認為是能夠解決能源問題的有效途徑之一。作為一個新興技術(shù),當解決了發(fā)電方式、微波輸電等這些制約空間太陽能發(fā)電站的關(guān)鍵技術(shù)之后,對空間太陽能發(fā)電這種新型技術(shù)的合法性和安全性的研究就提上了日程。

        2 國際電信聯(lián)盟關(guān)于無線能量傳輸?shù)囊?guī)則研究

        無線能量傳輸(WPT)技術(shù)是空間太陽能衛(wèi)星的基礎(chǔ),它是將能量以電磁波為載波從空間傳輸?shù)降厍颉3臻g太陽能衛(wèi)星外,無線能量傳輸技術(shù)還廣泛應用于其他很多領(lǐng)域,在以國際電信聯(lián)盟(ITU,簡稱國際電聯(lián))為主的國際主流平臺范圍內(nèi)得到廣泛研究。

        國際電聯(lián)是主管信息通信技術(shù)等相關(guān)事務的聯(lián)合國機構(gòu),負責分配和管理全球無線電頻譜與衛(wèi)星軌道資源,制定全球電信標準,促進全球電信發(fā)展。國際電聯(lián)下分多個部門和若干工作組和研究組,負責研究各類與無線電相關(guān)的議題。其中,ITU-R WP1A工作組的研究領(lǐng)域為頻譜工程技術(shù),當前正就“無線能量傳輸”開展相關(guān)研究(課題號為ITU-R 第210-3/1)。這項議題最初提出該課題的時間是1997年,之后幾經(jīng)修改,終于在2012年確定了研究內(nèi)容和研究時間表。具體研究內(nèi)容如下:

        1)適合開展無線能量傳輸?shù)念l譜使用類別;

        2)適合開展無線能量傳輸?shù)念l段;

        3)采取措施,以保證包括射電天文業(yè)務在內(nèi)的無線電通信業(yè)務免受無線能量傳輸操作的影響。

        為解決以上問題,需在以下方面開展研究,包括:

        1)已經(jīng)使用無線能量傳輸技術(shù)開發(fā)出的應用;

        2)使用無線能量傳輸技術(shù)進行的無線電波發(fā)射所具有的技術(shù)特性;

        3)無線能量傳輸?shù)娜驑藴驶闆r研究。

        目前國際電聯(lián)已就以上問題制定了研究計劃時間表,并就某些問題達成了一致,形成了相關(guān)建議書和報告。大體來說,WPT 應用可分為三種類型:

        1)通過較寬的波束把功率傳輸給近距離的多個用戶,如移動筆記本電腦、移動電話等。這種應用傳輸?shù)牟ㄊ鴮挾群艽?,因此需要研究其是否會對其他無線電業(yè)務造成干擾,也需要研究其是否會對人體造成危害。

        2)在接觸的區(qū)域進行無線能量傳輸。因為在這種應用類型中,電磁波能量是對接觸區(qū)域或離得很近的區(qū)域進行傳播,因此不需要對這種應用做過多的規(guī)則限制。

        3)利用窄波束對單個用戶進行短/長距離的無線能量傳輸。太陽能發(fā)電衛(wèi)星的無線能量傳輸即屬于這種類型的應用。由于這種場景的傳輸功率非常高,需要特別研究對其他無線電業(yè)務的干擾或者對人類的危害,還要采取一定的安全防護機制。

        盡管針對太陽能發(fā)電衛(wèi)星的無線能量傳輸技術(shù)已經(jīng)納入了國際電聯(lián)的研究范疇之中,對功率和傳輸距離也有了初步的估計,但經(jīng)過多年的研究后卻并沒有確定其使用的頻率范圍。此外,國際電聯(lián)給出了上述研究的截止日期,即完成上述研究應在2019年之前。但從目前的研究進展和成果來看,2019年之前,國際電聯(lián)只能就部分內(nèi)容完成研究并形成研究報告,涉及到較為復雜的無線能量傳輸技術(shù),如本文所研究的涉及空間太陽能發(fā)電衛(wèi)星無線能量傳輸技術(shù),研究時間恐怕需要增加10年甚至更長。

        3 空間太陽能電站可用頻率分析

        無線電頻率是無線能量傳輸?shù)拿浇?,在開展太陽能電站無線能量傳輸研究時,必須首先確定電波頻段范圍?!稛o線電規(guī)則》是國際電聯(lián)對國際無線電通信管理的基本法規(guī)之一,定義了42 種無線電業(yè)務的頻率劃分規(guī)定,是包括我國在內(nèi)的眾多電聯(lián)成員國合理、經(jīng)濟、有效使用無線電頻率資源的重要法規(guī)依據(jù)。盡管目前為止,在《無線電規(guī)則》中并沒有為空間太陽能衛(wèi)星的無線能量傳輸預留一席之地,但包括美國國家航空航天局(NASA)在內(nèi)的多數(shù)國家和組織都將該研究的頻段定在了2.45GHz 或者5.8GHz,即利用《無線電規(guī)則》中為工業(yè)、科學和醫(yī)療(ISM)劃分的頻段。在國際電聯(lián)目前的研究中,無線能量傳輸相關(guān)的應用也暫時使用了ISM 頻段。

        ISM 的定義

        《無線電規(guī)則》第1.15 款將ISM 應用定義為“能在局部范圍內(nèi)產(chǎn)生射頻能量,并利用這種能量為工業(yè)、科學、醫(yī)療、民用或類似領(lǐng)域提供服務的設備或器械的運用,但不包括電信領(lǐng)域內(nèi)的運用”。

        從定義上說,由于無線能量傳輸使用的無線電波是不攜帶任何信號、信息、圖片的,是一種不同于以往傳統(tǒng)的無線通信模式的新型傳輸方式,同時空間太陽能衛(wèi)星的無線能量傳輸是為工業(yè)應用的,是符合《無線電規(guī)則》對ISM 應用的定義的,但是截至到目前,沒有任何規(guī)則條款明確表明空間太陽能衛(wèi)星的無線能量傳輸屬于ISM 應用。

        頻段及相關(guān)規(guī)定

        根據(jù)《無線電規(guī)則》第5.138 條款,下列頻段:6765 ~6795kHz,433.05 ~434.79MHz,61 ~61.5GHz,122 ~123GHz,244 ~246GHz 指定給ISM 使用。

        根據(jù)《 無線 電規(guī)則》 第5.150 條款, 列頻段:13553 ~13567kHz,26957 ~27283kHz,40.66 ~40.70MHz,902 ~928MHz,2400 ~2500MHz,5725 ~5875MHz,24 ~24.25GHz 也 指 定 給ISM使用,這些頻段內(nèi)工作的無線電通信業(yè)務必須承受由于這些應用可能產(chǎn)生的有害干擾。在這些頻段內(nèi)ISM設備須按照第15.13 款規(guī)定進行操作。

        對于ISM 設備可能產(chǎn)生的干擾問題,《無線電規(guī)則》第15.13 條款的規(guī)定為:各主管部門應該采取一切可行和必要的步驟,以保證使ISM 所用設備的輻射最小,并保證在指定由這些設備使用的頻段之外,這些設備的輻射電平不會對按照本規(guī)則條款運用的無線電通信業(yè)務,特別是無線電導航或任何其他安全業(yè)務造成有害干擾。

        與其他業(yè)務的兼容性分析

        在《無線電規(guī)則》中,2.45GHz 和5.8GHz 還劃分給了除ISM 應用外的其他業(yè)務,其中也包括衛(wèi)星導航等涉及到人身安全的業(yè)務,在世界范圍內(nèi)有著廣泛的應用。與這些業(yè)務的兼容性分析是未來太陽能電站選頻的重點工作。通過兼容性分析,確定傳輸?shù)墓β氏拗?,帶外發(fā)射限值要求,以及其他工作限制條件等。

        (1)2400 ~2500MHz 頻段

        該頻段內(nèi)劃分的業(yè)務包括固定、移動、無線電定位、衛(wèi)星移動業(yè)務以及衛(wèi)星無線電測定業(yè)務。

        2400 ~2483.5GHz 頻段是短距離無線移動通信的重點頻段,人們?nèi)粘K褂玫臒o線技術(shù)標準(如:ZigBee、藍牙、WiFi 等)都工作在這個頻段。

        2483.5 ~2500MHz 頻段目前的主要業(yè)務劃分給衛(wèi)星移動業(yè)務和衛(wèi)星無線電測定業(yè)務。美國的全球星星座系統(tǒng)就是使用這段頻率開展衛(wèi)星移動業(yè)務的代表,歐洲的伽利略衛(wèi)星導航系統(tǒng)和我國的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)則是使用這一頻率開展衛(wèi)星無線電測定業(yè)務的典型代表。鑒于衛(wèi)星導航是可能涉及到人身安全的業(yè)務,且業(yè)務區(qū)為全球覆蓋,因此建議太陽能電站選擇頻率時避開這段頻率。

        (2)5725 ~5875MHz 頻段

        該頻段內(nèi)劃分的業(yè)務包括無線電定位、衛(wèi)星固定、固定、移動業(yè)務。不停車電子收費系統(tǒng)和智能交通中的短距離通信系統(tǒng)是該頻段固定和移動業(yè)務中最廣泛的兩種應用。

        5725 ~5850MHz 頻段是點對點或點對多點擴頻通信系統(tǒng)、高速無線局域網(wǎng)、寬帶無線接入系統(tǒng)、藍牙技術(shù)設備及車輛無線自動識別系統(tǒng)等無線電臺站的共用頻段。

        5850 ~5875MHz 頻段是包括我國在內(nèi)的大部分通信衛(wèi)星所使用的頻段(工程上通常稱C 頻段),而這些通信衛(wèi)星大部分位于與空間太陽能衛(wèi)星相同的地球靜止軌道。據(jù)粗略統(tǒng)計,在地球靜止軌道上空幾乎每隔2°就有一顆包含5.8GHz 頻段的衛(wèi)星(太平洋上空除外),目前在全球上空的C 頻段衛(wèi)星已經(jīng)超過了100 顆。

        4 用頻建議

        盡管目前空間太陽能電站的候選頻段鎖定在了2.45GHz 和5.8GHz 兩個頻段,但是必須注意的是,目前空間太陽能在《無線電規(guī)則》中還不是一個合法的應用,無論選擇哪一個頻段,都必須通過國際電聯(lián)將該應用合法化,使之在《無線電規(guī)則》中有一個合法的地位,才能最終合法使用。在目前這個階段,需要重點分析哪個頻段最合適進行空間太陽能傳輸,之后再在國際規(guī)則層面通過各種會議將這個最適合的頻段納入國際規(guī)則的范疇體系。

        2.45GHz 頻段

        這個頻段目前主要是應用于無線局域網(wǎng)等熱點使用,和另一個目前的候選頻段相比,2.45GHz 更適合應用于空間太陽能的無線能量傳輸。因為通常情況下,無線局域網(wǎng)一般應用于人口密度較大的地區(qū),而太陽能電站的地面接收站必然會選址于一個相對空曠、人煙稀少的地區(qū),同時由于占地面積較大(典型整流天線口徑為4km),因此可以利用地理隔離的方法與無線局域網(wǎng)所部署的地區(qū)隔開,這樣不會產(chǎn)生頻率的干擾,同時也避免了對人體有害輻射以及造成不必要的生態(tài)危害等。

        要選定2.45GHz 作為空間太陽能電站的無線能量傳輸頻率,需要開展理論和試驗研究,確定空間太陽能電站接收站選址的原則,如與公眾區(qū)域的隔離距離、隔離措施,以及與之相關(guān)的一些規(guī)則要求,包括發(fā)射功率、帶外功率限值要求等。確立這些,可以有效地解決與其他業(yè)務,特別是無線移動業(yè)務的同頻干擾問題。

        5.8GHz 頻段

        由于這個頻段是包括我國在內(nèi)的大部分通信衛(wèi)星所使用的頻段,而這些通信衛(wèi)星大部分位于地球靜止軌道,與空間太陽能衛(wèi)星所在軌道相同。使用這個頻段的優(yōu)勢在于,目前通信衛(wèi)星上的射頻組件經(jīng)過長期的在軌驗證都已經(jīng)成熟,如星上行放、固放等器件,不需要另行研制。同時,缺點也是非常明顯的,必須與其他衛(wèi)星開展頻率兼容??臻g太陽能電站功率較普通通信衛(wèi)星相比更大,因此一旦發(fā)生干擾,必將影響其他衛(wèi)星的正常通信。但由于空間太陽能電站射頻傳輸使用的帶寬較窄,可以與其他衛(wèi)星分頻使用。

        其他頻段

        《無線電規(guī)則》規(guī)定了30Hz 到300GHz 的無線電頻率使用規(guī)則,但是從無線傳輸?shù)慕嵌葋碇v,頻率越低波長越長,對于無線電波的傳輸來說大氣吸收較小,空間環(huán)境的影響相對較小,因此更有利于空間傳播,這也就是為什么大部分理論研究都將2.45GHz 和5.8GHz 作為傳播頻率的原因。隨著無線技術(shù)的發(fā)展,各種業(yè)務用頻形勢都非常緊張,以至于目前在《無線電規(guī)則》所分配的常規(guī)頻段之內(nèi)幾乎沒有所謂的“空白”頻段。10GHz 以上的頻率,由于頻段較高波長短,在空間傳播時受到氧原子、水汽的吸收損耗過大,不適宜應用于空間太陽能的無線能量傳輸。而在10GHz 以下的甚高頻(VHF)頻段(100 ~200MHz)、特高頻(UHF)頻段(300 ~400MHz)、L 頻段(1 ~2GHz)、S 頻段(2 ~3GHz)、C 頻段(3 ~5GHz),等,大多為5 ~6 種業(yè)務共用一個頻段,其中空間業(yè)務和地面業(yè)務同頻共用的形式比比皆是,根據(jù)2GHz 附近空間業(yè)務的頻率劃分情況可以看出已經(jīng)擁擠不堪,若再加上地面業(yè)務與之共用的情況,則情況更不容樂觀。

        5 總結(jié)

        空間太陽能發(fā)電衛(wèi)星是人類為了應對日益緊迫的地球能源危機而提出的,清潔,無污染,取之不盡。但是,這項技術(shù)從提出設想到現(xiàn)在已超過30年,到現(xiàn)在也還沒有進入實質(zhì)的研發(fā)階段。同樣的,與空間太陽能發(fā)電衛(wèi)星相關(guān)的無線電相關(guān)規(guī)則體系目前也處于研究的起步階段,盡管研究了多年,在研究體系中卻僅僅只保留了一個項目編號,并沒有具體的研究計劃時間表。

        目前各國在開展空間太陽能研究時使用的2.45GHz 和5.8GHz 兩個頻段在使用上尚不合法,這兩個頻段目前看來已經(jīng)劃分給了空間和地面的多種無線電業(yè)務。考慮到空間太陽能發(fā)電這種特殊使用,以后無論是使用目前的兩個“熱門”候選頻段,還是為其新劃分頻段,都需要針對這種使用制定更為具體和特殊的規(guī)則要求。對于空間太陽能電站涉及的空間無線電規(guī)則研究,仍然任重而道遠。

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