面向极地通信技术的发展应用研究

李亚昊 李丙瑞 窦银科 陈燕 张维哲

极地与人类生活区域之间的距离较远，目前的大部分通信手段都难以覆盖。此外，极地恶劣的气候条件、海水的侵蚀与极寒低温也给通信设备的稳定性带来巨大的挑战。与此同时，极区的高强度磁场与太阳辐射也使得传统的通信手段失效。又由于积雪海冰以及复杂的地形条件，通信基站的建立也十分困难。因此亟须建设广泛高效的通信网，保障极区科研人员、工程师的任务完成和人身安全。

早期的极地通信主要通过无线电进行，短波技术的应用尤其广泛。近年来，随着卫星通信技术的不断进步，卫星网络也在极地通信的领域中发挥着重要作用。

极地通信技术发展历程

无线电通信

早期的极地通信手段主要是无线电通信。

1970年代末，无线电通信中的甚高频通信技术发展迅速。甚高频通信系统采用调幅工作方式，工作于 156～174兆赫兹频段，有效作用范围较短，只在目视范围之内，作用距离随高度而变化，在港口生产中得到广泛应用[1]。至2005年底，几乎所有的海上船舶都配备了甚高频设备。未来天地一体化的甚高频数据交换系统络（VHF Data Exchange System），简称VDES，可覆盖全球，为两极数据通信服务。但是受到极区次折射影响，其作用距离将在一定程度上有所缩短。

中高频无线电是全球海上遇险与安全系统地面网络的主要通信方式，可在卫星无法覆盖的南北极提供通信服务。高频无线电有时也被称为短波，频率一般为3～30兆赫兹。1901年，马可尼使用短波实现了跨大西洋的无线电通信。当短波以天波形式传播时，不易被电离层吸收，易于被电离层反射。经过一次反射后，短波的跳跃距离可以达到100～4000千米。经过电离层和大地的几次连续的反射，传播距离更远[2]。同时，短波通信设备使用方便，组网灵活，价格低廉，抗毁性强，这些优点支撑着短波通信的战略地位。然而短波通信的带宽（单位时间内通过链路的数据量）不大，通常只有十几到几十千比特/秒，难以支持大体积数据的传输，适合作为备用的极地通信方式，传输一些非实时性数据。

随着技术进步，特别是自适应技术、数字信号处理技术和超大规模集成电路技术的出现，短波通信进入了一个崭新的发展阶段。1980年代末，短波通信设备的销售额达到了其历史最高水平。2023年，中国进行第13次北冰洋科学考察，“雪龙二号”搭载着由中国电科22所自主研发的短波接收设备，开展对超远距离短波信道特性的研究。后续成果将提升我国在北冰洋环境保护等方面的能力，有助于北极科考项目的推进。

卫星通信

由于两极特殊的地理位置和恶劣的气候条件，两极沿岸的地面短波系统的通信能力较弱，数据信息传输速度较低，系统稳定性也较差。而卫星通信系统具有覆盖范围广、通信距离远和传输速度快等特点，利用卫星接收机通信已成为极地船舶通航的必备通信手段。

1976年2月，美国在大西洋上空发射了Marisat卫星（海洋卫星），正式开放海事通信。1982年形成了以国际海事卫星组织管理的国际海事卫星组织系统，开始提供全球海事卫星通信服务。此时的卫星多运行于地球同步轨道。卫星轨道面的倾角为零度，距地面高达35 800千米，一颗卫星的覆盖区可达地球总面积的40% 左右，地面最大跨距可达18 000千米。因此只需三颗卫星的适当配置，就可建立除极区以外的全球通信[3]。国际海事卫星传输速率快，通信质量好，可靠性高，通信方式多样，但是在纬度大于75°的高纬度地区存在通信盲区，无法完全覆盖极地。

1980年代中期，VSAT卫星通信系统诞生，并逐渐普及。VSAT的全称可被直译为“甚小口径终端”，是由天线直径小于2.4米的卫星用户小站和一个枢纽站组成的星状或网状的通信网，传输速率高达6 兆比特/秒，可提供高品质的数据、语音与图像。VSAT便于与岸台建立连接，组网灵活，用户站天线较小，可以实现点对点或点对面的广播，目前在海上使用得较为普遍。

自1985年我国第一个南极科考站——长城站建立以来，在很长一段时间内一直使用着短波通信。1986年，长城站装备了第一部海事终端。2008—2009年的第25次南极考察期间，长城站和中山站卫星通信系统被先后建成并投入使用。我国租用了同步轨道卫星IS-903，将长城站纳入VSAT全球卫星通信网，将极区的通信内容借由地面站传输至卫星，再下行到接收地面站，最终通过国际国内专线到达中国极地研究中心。为解决卫星的带宽瓶颈，上海电信公司采用最新的载波叠加技术，将前后向的两个信号频谱叠加在一起，使用户收发信号的带宽扩大了2倍，成倍提高卫星链路的传输速率[4]。2013年，我国搭建起南极的第一个移动通信网络，实现了3G信号登陆南极，内陆覆盖范围达到8000米，对海方向覆盖范围达到15 000米[5]。

2020年7月，北斗三号卫星导航系统正式开通，标志着中国成为世界上第三个独立拥有全球卫星导航系统的国家。北斗三号系统采用混合星座模式，由30颗卫星组成[6]。通信能力达到14 000比特/次，既能传输汉字，又能传输语音和图片，还能覆盖北极航道水域。

静止轨道卫星难以实现两极的无缝覆盖，无法全面满足两极科学考察的需要。随着卫星技术的发展，极轨卫星、低轨卫星等新型卫星技术出现在人们的视野。极轨卫星主要采用近极地太阳同步轨道，卫星轨道平面和太阳光线保持固定交角，能运行到南北极区上空，实现实时观测和通信应用。

极地通信技术展望

近年来，随着国内生活水平大幅提高，国际形势日益复杂，在民用和军事市场的双重需求下，极地通信技术的革新已势在必行。美国“星链”系统作为当前技术最先进的低轨卫星通信系统，在美军军事应用领域中的颠覆性影响值得我国高度关注。在西方强国实施高科技封锁的背景下，加快低轨卫星通信系统的建设迫在眉睫。此外，对于空间轨道的争夺愈发激烈，在“星链”已经抢先占据大部分中低轨“黄金”轨位的情况下，我国必须加强对轨道资源和通信频率资源的开发利用。在这个信息化时代，还要充分利用计算机技术等手段，对现有的极地通信装备进行升级改造，为科考人员的生命安全和中国极地科考事业保驾护航[10]。

[1]杨美霄， 李渊， 丁怀元， 等. 为我所短波、特高频通信发展史自豪——专家回顾电信一所短波、特高频通信发展史. 电信快报， 2007， 3： 14-16.

[2]邹国良， 叶建成. 实现地球空间极地短波通信设计与仿真研究.计算机仿真， 2015， 32（5）： 226-229， 269.

[3]黄玉琴. 基于扩频ALOHA的卫星随机接入拥塞控制研究. 合肥工业大学， 2021.

[4]沈伟民. 南极卫星通信系统的组网和维护. 电信网技术， 2015， 9： 59-69.

[5]中国电信天翼移动通信服务在南极开通——结束我国在南极没有移动通信运营的历史. 信息化建设， 2014， 2： 60.

[6]王辉， 杨锐， 李金亮， 等. 极地天基综合信息保障系统发展展望.上海航天（中英文）， 2021， 38（S1）： 1-7.

[7]宋飞， 冯旭哲. Argos系统的发展现状与趋势. 海洋预报， 2012， 29（6）： 98-102.

[8]蒋季. 面向局部高容量和广域补充覆盖的低轨卫星通信系统星座设计. 北京邮电大学， 2019.

[9]刘法龙. 铱卫星通信业务发展分析及思考. 卫星应用， 2021， 11： 43-49.

[10]徐小涛， 李建国， 刘鹏. “星链” 卫星移动通信系统的发展现状及启示. 国防科技， 2022， 43（2）： 15-19， 117.

关键词：极地科考 极区通信 低轨卫星 星链 ■