面向空临地的毫米波高速传输系统科普介绍

面向空临地的毫米波高速传输系统科普介绍

（国家自然科学基金91938202支持，电子科技大学牵头研发团队授权发布）

1.空天地一体化网络

空天地一体化网络

空间信息网络是以空间平台(如同步卫星或中、低轨道卫星、平流层气球和有人或无人驾驶飞机等)为载体，实时获取、传输和处理空间信息的网络系统。作为国家重要基础设施，空间信息网络在服务远洋航行、应急救援、导航定位、航空运输、航天测控等重大应用的同时，向下可支持对地观测的高动态、宽带实时传输，向上可支持深空探测的超远程、大时延可靠传输，从而将人类科学、文化、生产活动拓展至空间、远洋、乃至深空，是全球范围的研究热点。空间信息网络的发展，受频谱和轨道等资源的限制，难以通过增加空间节点数量和提高节点能力来扩大时空覆盖范围。为从根本上解决现有信息网络全域覆盖能力有限、网络扩展和协同应用能力弱的问题，亟需开展空间信息网络基础理论与关键技术研究，通过新理论、新方法探索，有力支持空间信息服务能力的大幅提升。

2.临近空间对地高速毫米波传输系统

临近空间对地面高速传输系统是空间骨干网络的重要组成部分，是实现空间动态网络高速传输的基础，需要提供类似光纤传输的容量和类似射频传输的移动性，同时能够在云、雨、雾等复杂气象环境中工作，并且尺寸、重量和功率能够满足高空平台载荷要求。

 

与微波频段相比，毫米波频段具有更高的带宽、能够支持更高速的数据传输，而且毫米波信号方向性更好、可以建立更加安全的数据传输链路；与无线光传输相比，毫米波传输对于大气条件要求更低、能传输更远的距离，而且对收发机天线对准的要求更低、对高动态收发机具有更强的鲁棒性。这些优势使得毫米波通信成为战场空空、空地和空海远距离极高速数据传输的重要手段。

图2-1 良好大气条件下陆地链路大气损耗与频率的关系

毫米波传输受大气衰减影响，E波段毫米波处于94GHz大气窗口，在地面大气衰减处于低点，仅为每公里0.3dB，考虑到整个空地的空气分布，在空地传输平均在每公里0.15-0.2dB左右，因此E波段是较为理想的宽带无线通信频段,可用于空空、空地远距离通信。与35GHz大气窗口相比，E波段毫米波具有更大的可用带宽，相同口径天线E波段具有更大的增益，此外，具有更窄工作波束的E波段毫米波在抗干扰抗截获方面具有不可替代的优势。

毫米波远距离极高速传输研究主要面对的两个物理对象是传输信道和射频器件。毫米波传输易受大气吸收和氧衰、雨衰的影响，在E波段空地远距离LoS传输场景中，气象环境对信号传输有负面的影响也可能有正面的影响，信道的气象环境特性对信号传输的影响是系统设计和算法设计的基本限制条件。高频射频器件的研发是电子工程研究的前沿和挑战领域，毫米波高频大带宽射频器件通常有相位噪声、I/Q不平衡、功放非线性、带内平坦度差等硬件非理想特性，这些特性是通信系统设计的另一个基本限制条件。

 

3.临近空间对地E波段毫米波传输样机

空中样机实物图

地面样机图

团队研制了E波段远距离空地传输通信和信道测量设备，包括小型化空中载荷和地面波束跟踪系统，地面10km等效实验，2×2天线双极化传输，双向传输峰值净速率达到15.175Gbps。

E波段远距离传输原理样机地面10km等效实验

在鸿鹄专项的支撑下于2021年9月27日在青海大柴旦地区完成了国内首次平流层气球载荷到地面E波段信道测量和通信实验，在海拔4200米的测试点获得了20公里以上空临地E波段传输信道实际测量数据，并测试了高阶调制的通信性能，单天线双向传输峰值净速率达到7.5876Gbps。

E波段远距离传输原理样机空临地传输实验