空间太阳能电站涉及空间无线电规则研究

江帆 侯欣宾 许国彩

1 引言

空间太阳能发电是利用发射大型太阳能卫星，在地球静止轨道吸收太阳能并转化为电能，然后以微波或激光为介质把能源传送回地面的大型天线站（或天线阵群），并最终转为基本电力。利用空间太阳能发电，可以解决太阳光穿过大气时因受到吸收和散射而减弱的问题，被认为是能够解决能源问题的有效途径之一。作为一个新兴技术，当解决了发电方式、微波输电等这些制约空间太阳能发电站的关键技术之后，对空间太阳能发电这种新型技术的合法性和安全性的研究就提上了日程。

2 国际电信联盟关于无线能量传输的规则研究

无线能量传输（WPT）技术是空间太阳能卫星的基础，它是将能量以电磁波为载波从空间传输到地球。除空间太阳能卫星外，无线能量传输技术还广泛应用于其他很多领域，在以国际电信联盟（ITU,简称国际电联）为主的国际主流平台范围内得到广泛研究。

国际电联是主管信息通信技术等相关事务的联合国机构，负责分配和管理全球无线电频谱与卫星轨道资源，制定全球电信标准，促进全球电信发展。国际电联下分多个部门和若干工作组和研究组，负责研究各类与无线电相关的议题。其中，ITU-R WP1A工作组的研究领域为频谱工程技术，当前正就“无线能量传输”开展相关研究（课题号为ITU-R 第210-3/1）。这项议题最初提出该课题的时间是1997年，之后几经修改，终于在2012年确定了研究内容和研究时间表。具体研究内容如下：

1）适合开展无线能量传输的频谱使用类别；

2）适合开展无线能量传输的频段；

3）采取措施，以保证包括射电天文业务在内的无线电通信业务免受无线能量传输操作的影响。

为解决以上问题，需在以下方面开展研究，包括：

1）已经使用无线能量传输技术开发出的应用；

2）使用无线能量传输技术进行的无线电波发射所具有的技术特性；

3）无线能量传输的全球标准化情况研究。

目前国际电联已就以上问题制定了研究计划时间表，并就某些问题达成了一致，形成了相关建议书和报告。大体来说，WPT 应用可分为三种类型：

1）通过较宽的波束把功率传输给近距离的多个用户，如移动笔记本电脑、移动电话等。这种应用传输的波束宽度很大，因此需要研究其是否会对其他无线电业务造成干扰，也需要研究其是否会对人体造成危害。

2）在接触的区域进行无线能量传输。因为在这种应用类型中，电磁波能量是对接触区域或离得很近的区域进行传播，因此不需要对这种应用做过多的规则限制。

3）利用窄波束对单个用户进行短/长距离的无线能量传输。太阳能发电卫星的无线能量传输即属于这种类型的应用。由于这种场景的传输功率非常高，需要特别研究对其他无线电业务的干扰或者对人类的危害，还要采取一定的安全防护机制。

尽管针对太阳能发电卫星的无线能量传输技术已经纳入了国际电联的研究范畴之中，对功率和传输距离也有了初步的估计，但经过多年的研究后却并没有确定其使用的频率范围。此外，国际电联给出了上述研究的截止日期，即完成上述研究应在2019年之前。但从目前的研究进展和成果来看，2019年之前，国际电联只能就部分内容完成研究并形成研究报告，涉及到较为复杂的无线能量传输技术，如本文所研究的涉及空间太阳能发电卫星无线能量传输技术，研究时间恐怕需要增加10年甚至更长。

3 空间太阳能电站可用频率分析

无线电频率是无线能量传输的媒介，在开展太阳能电站无线能量传输研究时，必须首先确定电波频段范围。《无线电规则》是国际电联对国际无线电通信管理的基本法规之一，定义了42 种无线电业务的频率划分规定，是包括我国在内的众多电联成员国合理、经济、有效使用无线电频率资源的重要法规依据。尽管目前为止，在《无线电规则》中并没有为空间太阳能卫星的无线能量传输预留一席之地，但包括美国国家航空航天局（NASA）在内的多数国家和组织都将该研究的频段定在了2.45GHz 或者5.8GHz，即利用《无线电规则》中为工业、科学和医疗（ISM）划分的频段。在国际电联目前的研究中，无线能量传输相关的应用也暂时使用了ISM 频段。

ISM 的定义

《无线电规则》第1.15 款将ISM 应用定义为“能在局部范围内产生射频能量，并利用这种能量为工业、科学、医疗、民用或类似领域提供服务的设备或器械的运用，但不包括电信领域内的运用”。

从定义上说，由于无线能量传输使用的无线电波是不携带任何信号、信息、图片的，是一种不同于以往传统的无线通信模式的新型传输方式，同时空间太阳能卫星的无线能量传输是为工业应用的，是符合《无线电规则》对ISM 应用的定义的，但是截至到目前，没有任何规则条款明确表明空间太阳能卫星的无线能量传输属于ISM 应用。

频段及相关规定

根据《无线电规则》第5.138 条款，下列频段：6765 ～6795kHz，433.05 ～434.79MHz，61 ～61.5GHz，122 ～123GHz，244 ～246GHz 指定给ISM 使用。

根据《 无线 电规则》 第5.150 条款， 列频段：13553 ～13567kHz，26957 ～27283kHz，40.66 ～40.70MHz,902 ～928MHz,2400 ～2500MHz，5725 ～5875MHz，24 ～24.25GHz 也 指 定 给ISM使用，这些频段内工作的无线电通信业务必须承受由于这些应用可能产生的有害干扰。在这些频段内ISM设备须按照第15.13 款规定进行操作。

对于ISM 设备可能产生的干扰问题，《无线电规则》第15.13 条款的规定为：各主管部门应该采取一切可行和必要的步骤，以保证使ISM 所用设备的辐射最小，并保证在指定由这些设备使用的频段之外，这些设备的辐射电平不会对按照本规则条款运用的无线电通信业务，特别是无线电导航或任何其他安全业务造成有害干扰。

与其他业务的兼容性分析

在《无线电规则》中，2.45GHz 和5.8GHz 还划分给了除ISM 应用外的其他业务，其中也包括卫星导航等涉及到人身安全的业务，在世界范围内有着广泛的应用。与这些业务的兼容性分析是未来太阳能电站选频的重点工作。通过兼容性分析，确定传输的功率限值，带外发射限值要求，以及其他工作限制条件等。

（1）2400 ～2500MHz 频段

该频段内划分的业务包括固定、移动、无线电定位、卫星移动业务以及卫星无线电测定业务。

2400 ～2483.5GHz 频段是短距离无线移动通信的重点频段，人们日常所使用的无线技术标准（如：ZigBee、蓝牙、WiFi 等）都工作在这个频段。

2483.5 ～2500MHz 频段目前的主要业务划分给卫星移动业务和卫星无线电测定业务。美国的全球星星座系统就是使用这段频率开展卫星移动业务的代表，欧洲的伽利略卫星导航系统和我国的北斗卫星导航系统则是使用这一频率开展卫星无线电测定业务的典型代表。鉴于卫星导航是可能涉及到人身安全的业务，且业务区为全球覆盖，因此建议太阳能电站选择频率时避开这段频率。

（2）5725 ～5875MHz 频段

该频段内划分的业务包括无线电定位、卫星固定、固定、移动业务。不停车电子收费系统和智能交通中的短距离通信系统是该频段固定和移动业务中最广泛的两种应用。

5725 ～5850MHz 频段是点对点或点对多点扩频通信系统、高速无线局域网、宽带无线接入系统、蓝牙技术设备及车辆无线自动识别系统等无线电台站的共用频段。

5850 ～5875MHz 频段是包括我国在内的大部分通信卫星所使用的频段（工程上通常称C 频段），而这些通信卫星大部分位于与空间太阳能卫星相同的地球静止轨道。据粗略统计，在地球静止轨道上空几乎每隔2°就有一颗包含5.8GHz 频段的卫星（太平洋上空除外），目前在全球上空的C 频段卫星已经超过了100 颗。

4 用频建议

尽管目前空间太阳能电站的候选频段锁定在了2.45GHz 和5.8GHz 两个频段，但是必须注意的是，目前空间太阳能在《无线电规则》中还不是一个合法的应用，无论选择哪一个频段，都必须通过国际电联将该应用合法化，使之在《无线电规则》中有一个合法的地位，才能最终合法使用。在目前这个阶段，需要重点分析哪个频段最合适进行空间太阳能传输，之后再在国际规则层面通过各种会议将这个最适合的频段纳入国际规则的范畴体系。

2.45GHz 频段

这个频段目前主要是应用于无线局域网等热点使用，和另一个目前的候选频段相比，2.45GHz 更适合应用于空间太阳能的无线能量传输。因为通常情况下，无线局域网一般应用于人口密度较大的地区，而太阳能电站的地面接收站必然会选址于一个相对空旷、人烟稀少的地区，同时由于占地面积较大（典型整流天线口径为4km），因此可以利用地理隔离的方法与无线局域网所部署的地区隔开,这样不会产生频率的干扰，同时也避免了对人体有害辐射以及造成不必要的生态危害等。

要选定2.45GHz 作为空间太阳能电站的无线能量传输频率，需要开展理论和试验研究，确定空间太阳能电站接收站选址的原则，如与公众区域的隔离距离、隔离措施，以及与之相关的一些规则要求，包括发射功率、带外功率限值要求等。确立这些，可以有效地解决与其他业务，特别是无线移动业务的同频干扰问题。

5.8GHz 频段

由于这个频段是包括我国在内的大部分通信卫星所使用的频段，而这些通信卫星大部分位于地球静止轨道，与空间太阳能卫星所在轨道相同。使用这个频段的优势在于，目前通信卫星上的射频组件经过长期的在轨验证都已经成熟，如星上行放、固放等器件，不需要另行研制。同时，缺点也是非常明显的，必须与其他卫星开展频率兼容。空间太阳能电站功率较普通通信卫星相比更大，因此一旦发生干扰，必将影响其他卫星的正常通信。但由于空间太阳能电站射频传输使用的带宽较窄，可以与其他卫星分频使用。

其他频段

《无线电规则》规定了30Hz 到300GHz 的无线电频率使用规则，但是从无线传输的角度来讲，频率越低波长越长，对于无线电波的传输来说大气吸收较小，空间环境的影响相对较小，因此更有利于空间传播，这也就是为什么大部分理论研究都将2.45GHz 和5.8GHz 作为传播频率的原因。随着无线技术的发展，各种业务用频形势都非常紧张，以至于目前在《无线电规则》所分配的常规频段之内几乎没有所谓的“空白”频段。10GHz 以上的频率，由于频段较高波长短，在空间传播时受到氧原子、水汽的吸收损耗过大，不适宜应用于空间太阳能的无线能量传输。而在10GHz 以下的甚高频（VHF）频段（100 ～200MHz）、特高频（UHF）频段（300 ～400MHz）、L 频段（1 ～2GHz）、S 频段（2 ～3GHz）、C 频段（3 ～5GHz），等，大多为5 ～6 种业务共用一个频段，其中空间业务和地面业务同频共用的形式比比皆是，根据2GHz 附近空间业务的频率划分情况可以看出已经拥挤不堪，若再加上地面业务与之共用的情况，则情况更不容乐观。

5 总结

空间太阳能发电卫星是人类为了应对日益紧迫的地球能源危机而提出的，清洁，无污染，取之不尽。但是，这项技术从提出设想到现在已超过30年，到现在也还没有进入实质的研发阶段。同样的，与空间太阳能发电卫星相关的无线电相关规则体系目前也处于研究的起步阶段，尽管研究了多年，在研究体系中却仅仅只保留了一个项目编号，并没有具体的研究计划时间表。

目前各国在开展空间太阳能研究时使用的2.45GHz 和5.8GHz 两个频段在使用上尚不合法，这两个频段目前看来已经划分给了空间和地面的多种无线电业务。考虑到空间太阳能发电这种特殊使用，以后无论是使用目前的两个“热门”候选频段，还是为其新划分频段，都需要针对这种使用制定更为具体和特殊的规则要求。对于空间太阳能电站涉及的空间无线电规则研究，仍然任重而道远。