面向極地通信技術的發展應用研究

李亞昊 李丙瑞 竇銀科 陳燕 張維哲

極地與人類生活區域之間的距離較遠，目前的大部分通信手段都難以覆蓋。此外，極地惡劣的氣候條件、海水的侵蝕與極寒低溫也給通信設備的穩定性帶來巨大的挑戰。與此同時，極區的高強度磁場與太陽輻射也使得傳統的通信手段失效。又由于積雪海冰以及復雜的地形條件，通信基站的建立也十分困難。因此亟須建設廣泛高效的通信網，保障極區科研人員、工程師的任務完成和人身安全。

早期的極地通信主要通過無線電進行，短波技術的應用尤其廣泛。近年來，隨著衛星通信技術的不斷進步，衛星網絡也在極地通信的領域中發揮著重要作用。

極地通信技術發展歷程

無線電通信

早期的極地通信手段主要是無線電通信。

1970年代末，無線電通信中的甚高頻通信技術發展迅速。甚高頻通信系統采用調幅工作方式，工作于 156～174兆赫茲頻段，有效作用范圍較短，只在目視范圍之內，作用距離隨高度而變化，在港口生產中得到廣泛應用[1]。至2005年底，幾乎所有的海上船舶都配備了甚高頻設備。未來天地一體化的甚高頻數據交換系統絡（VHF Data Exchange System），簡稱VDES，可覆蓋全球，為兩極數據通信服務。但是受到極區次折射影響，其作用距離將在一定程度上有所縮短。

中高頻無線電是全球海上遇險與安全系統地面網絡的主要通信方式，可在衛星無法覆蓋的南北極提供通信服務。高頻無線電有時也被稱為短波，頻率一般為3～30兆赫茲。1901年，馬可尼使用短波實現了跨大西洋的無線電通信。當短波以天波形式傳播時，不易被電離層吸收，易于被電離層反射。經過一次反射后，短波的跳躍距離可以達到100～4000千米。經過電離層和大地的幾次連續的反射，傳播距離更遠[2]。同時，短波通信設備使用方便，組網靈活，價格低廉，抗毀性強，這些優點支撐著短波通信的戰略地位。然而短波通信的帶寬（單位時間內通過鏈路的數據量）不大，通常只有十幾到幾十千比特/秒，難以支持大體積數據的傳輸，適合作為備用的極地通信方式，傳輸一些非實時性數據。

隨著技術進步，特別是自適應技術、數字信號處理技術和超大規模集成電路技術的出現，短波通信進入了一個嶄新的發展階段。1980年代末，短波通信設備的銷售額達到了其歷史最高水平。2023年，中國進行第13次北冰洋科學考察，“雪龍二號”搭載著由中國電科22所自主研發的短波接收設備，開展對超遠距離短波信道特性的研究。后續成果將提升我國在北冰洋環境保護等方面的能力，有助于北極科考項目的推進。

衛星通信

由于兩極特殊的地理位置和惡劣的氣候條件，兩極沿岸的地面短波系統的通信能力較弱，數據信息傳輸速度較低，系統穩定性也較差。而衛星通信系統具有覆蓋范圍廣、通信距離遠和傳輸速度快等特點，利用衛星接收機通信已成為極地船舶通航的必備通信手段。

1976年2月，美國在大西洋上空發射了Marisat衛星（海洋衛星），正式開放海事通信。1982年形成了以國際海事衛星組織管理的國際海事衛星組織系統，開始提供全球海事衛星通信服務。此時的衛星多運行于地球同步軌道。衛星軌道面的傾角為零度，距地面高達35 800千米，一顆衛星的覆蓋區可達地球總面積的40% 左右，地面最大跨距可達18 000千米。因此只需三顆衛星的適當配置，就可建立除極區以外的全球通信[3]。國際海事衛星傳輸速率快，通信質量好，可靠性高，通信方式多樣，但是在緯度大于75°的高緯度地區存在通信盲區，無法完全覆蓋極地。

1980年代中期，VSAT衛星通信系統誕生，并逐漸普及。VSAT的全稱可被直譯為“甚小口徑終端”，是由天線直徑小于2.4米的衛星用戶小站和一個樞紐站組成的星狀或網狀的通信網，傳輸速率高達6 兆比特/秒，可提供高品質的數據、語音與圖像。VSAT便于與岸臺建立連接，組網靈活，用戶站天線較小，可以實現點對點或點對面的廣播，目前在海上使用得較為普遍。

自1985年我國第一個南極科考站——長城站建立以來，在很長一段時間內一直使用著短波通信。1986年，長城站裝備了第一部海事終端。2008—2009年的第25次南極考察期間，長城站和中山站衛星通信系統被先后建成并投入使用。我國租用了同步軌道衛星IS-903，將長城站納入VSAT全球衛星通信網，將極區的通信內容借由地面站傳輸至衛星，再下行到接收地面站，最終通過國際國內專線到達中國極地研究中心。為解決衛星的帶寬瓶頸，上海電信公司采用最新的載波疊加技術，將前后向的兩個信號頻譜疊加在一起，使用戶收發信號的帶寬擴大了2倍，成倍提高衛星鏈路的傳輸速率[4]。2013年，我國搭建起南極的第一個移動通信網絡，實現了3G信號登陸南極，內陸覆蓋范圍達到8000米，對海方向覆蓋范圍達到15 000米[5]。

2020年7月，北斗三號衛星導航系統正式開通，標志著中國成為世界上第三個獨立擁有全球衛星導航系統的國家。北斗三號系統采用混合星座模式，由30顆衛星組成[6]。通信能力達到14 000比特/次，既能傳輸漢字，又能傳輸語音和圖片，還能覆蓋北極航道水域。

靜止軌道衛星難以實現兩極的無縫覆蓋，無法全面滿足兩極科學考察的需要。隨著衛星技術的發展，極軌衛星、低軌衛星等新型衛星技術出現在人們的視野。極軌衛星主要采用近極地太陽同步軌道，衛星軌道平面和太陽光線保持固定交角，能運行到南北極區上空，實現實時觀測和通信應用。

極地通信技術展望

近年來，隨著國內生活水平大幅提高，國際形勢日益復雜，在民用和軍事市場的雙重需求下，極地通信技術的革新已勢在必行。美國“星鏈”系統作為當前技術最先進的低軌衛星通信系統，在美軍軍事應用領域中的顛覆性影響值得我國高度關注。在西方強國實施高科技封鎖的背景下，加快低軌衛星通信系統的建設迫在眉睫。此外，對于空間軌道的爭奪愈發激烈，在“星鏈”已經搶先占據大部分中低軌“黃金”軌位的情況下，我國必須加強對軌道資源和通信頻率資源的開發利用。在這個信息化時代，還要充分利用計算機技術等手段，對現有的極地通信裝備進行升級改造，為科考人員的生命安全和中國極地科考事業保駕護航[10]。

[1]楊美霄， 李淵， 丁懷元， 等. 為我所短波、特高頻通信發展史自豪——專家回顧電信一所短波、特高頻通信發展史. 電信快報， 2007， 3： 14-16.

[2]鄒國良， 葉建成. 實現地球空間極地短波通信設計與仿真研究.計算機仿真， 2015， 32（5）： 226-229， 269.

[3]黃玉琴. 基于擴頻ALOHA的衛星隨機接入擁塞控制研究. 合肥工業大學， 2021.

[4]沈偉民. 南極衛星通信系統的組網和維護. 電信網技術， 2015， 9： 59-69.

[5]中國電信天翼移動通信服務在南極開通——結束我國在南極沒有移動通信運營的歷史. 信息化建設， 2014， 2： 60.

[6]王輝， 楊銳， 李金亮， 等. 極地天基綜合信息保障系統發展展望.上海航天（中英文）， 2021， 38（S1）： 1-7.

[7]宋飛， 馮旭哲. Argos系統的發展現狀與趨勢. 海洋預報， 2012， 29（6）： 98-102.

[8]蔣季. 面向局部高容量和廣域補充覆蓋的低軌衛星通信系統星座設計. 北京郵電大學， 2019.

[9]劉法龍. 銥衛星通信業務發展分析及思考. 衛星應用， 2021， 11： 43-49.

[10]徐小濤， 李建國， 劉鵬. “星鏈” 衛星移動通信系統的發展現狀及啟示. 國防科技， 2022， 43（2）： 15-19， 117.

關鍵詞：極地科考 極區通信 低軌衛星 星鏈 ■