江帆 侯欣賓 許國(guó)彩

1 引言

空間太陽(yáng)能發(fā)電是利用發(fā)射大型太陽(yáng)能衛(wèi)星，在地球靜止軌道吸收太陽(yáng)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(yáng)能發(fā)電，可以解決太陽(yáng)光穿過(guò)大氣時(shí)因受到吸收和散射而減弱的問(wèn)題，被認(rèn)為是能夠解決能源問(wèn)題的有效途徑之一。作為一個(gè)新興技術(shù)，當(dāng)解決了發(fā)電方式、微波輸電等這些制約空間太陽(yáng)能發(fā)電站的關(guān)鍵技術(shù)之后，對(duì)空間太陽(yáng)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(guó)際電信聯(lián)盟關(guān)于無(wú)線能量傳輸?shù)囊?guī)則研究

無(wú)線能量傳輸（WPT）技術(shù)是空間太陽(yáng)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?。除空間太陽(yáng)能衛(wèi)星外，無(wú)線能量傳輸技術(shù)還廣泛應(yīng)用于其他很多領(lǐng)域，在以國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU,簡(jiǎn)稱(chēng)國(guó)際電聯(lián)）為主的國(guó)際主流平臺(tái)范圍內(nèi)得到廣泛研究。

國(guó)際電聯(lián)是主管信息通信技術(shù)等相關(guān)事務(wù)的聯(lián)合國(guó)機(jī)構(gòu)，負(fù)責(zé)分配和管理全球無(wú)線電頻譜與衛(wèi)星軌道資源，制定全球電信標(biāo)準(zhǔn)，促進(jìn)全球電信發(fā)展。國(guó)際電聯(lián)下分多個(gè)部門(mén)和若干工作組和研究組，負(fù)責(zé)研究各類(lèi)與無(wú)線電相關(guān)的議題。其中，ITU-R WP1A工作組的研究領(lǐng)域?yàn)轭l譜工程技術(shù)，當(dāng)前正就“無(wú)線能量傳輸”開(kāi)展相關(guān)研究（課題號(hào)為ITU-R 第210-3/1）。這項(xiàng)議題最初提出該課題的時(shí)間是1997年，之后幾經(jīng)修改，終于在2012年確定了研究?jī)?nèi)容和研究時(shí)間表。具體研究?jī)?nèi)容如下：

1）適合開(kāi)展無(wú)線能量傳輸?shù)念l譜使用類(lèi)別；

2）適合開(kāi)展無(wú)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(wù)在內(nèi)的無(wú)線電通信業(yè)務(wù)免受無(wú)線能量傳輸操作的影響。

為解決以上問(wèn)題，需在以下方面開(kāi)展研究，包括：

1）已經(jīng)使用無(wú)線能量傳輸技術(shù)開(kāi)發(fā)出的應(yīng)用；

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

3）無(wú)線能量傳輸?shù)娜驑?biāo)準(zhǔn)化情況研究。

目前國(guó)際電聯(lián)已就以上問(wèn)題制定了研究計(jì)劃時(shí)間表，并就某些問(wèn)題達(dá)成了一致，形成了相關(guān)建議書(shū)和報(bào)告。大體來(lái)說(shuō)，WPT 應(yīng)用可分為三種類(lèi)型：

1）通過(guò)較寬的波束把功率傳輸給近距離的多個(gè)用戶，如移動(dòng)筆記本電腦、移動(dòng)電話等。這種應(yīng)用傳輸?shù)牟ㄊ鴮挾群艽?，因此需要研究其是否?huì)對(duì)其他無(wú)線電業(yè)務(wù)造成干擾，也需要研究其是否會(huì)對(duì)人體造成危害。

2）在接觸的區(qū)域進(jìn)行無(wú)線能量傳輸。因?yàn)樵谶@種應(yīng)用類(lèi)型中，電磁波能量是對(duì)接觸區(qū)域或離得很近的區(qū)域進(jìn)行傳播，因此不需要對(duì)這種應(yīng)用做過(guò)多的規(guī)則限制。

3）利用窄波束對(duì)單個(gè)用戶進(jìn)行短/長(zhǎng)距離的無(wú)線能量傳輸。太陽(yáng)能發(fā)電衛(wèi)星的無(wú)線能量傳輸即屬于這種類(lèi)型的應(yīng)用。由于這種場(chǎng)景的傳輸功率非常高，需要特別研究對(duì)其他無(wú)線電業(yè)務(wù)的干擾或者對(duì)人類(lèi)的危害，還要采取一定的安全防護(hù)機(jī)制。

盡管針對(duì)太陽(yáng)能發(fā)電衛(wèi)星的無(wú)線能量傳輸技術(shù)已經(jīng)納入了國(guó)際電聯(lián)的研究范疇之中，對(duì)功率和傳輸距離也有了初步的估計(jì)，但經(jīng)過(guò)多年的研究后卻并沒(méi)有確定其使用的頻率范圍。此外，國(guó)際電聯(lián)給出了上述研究的截止日期，即完成上述研究應(yīng)在2019年之前。但從目前的研究進(jìn)展和成果來(lái)看，2019年之前，國(guó)際電聯(lián)只能就部分內(nèi)容完成研究并形成研究報(bào)告，涉及到較為復(fù)雜的無(wú)線能量傳輸技術(shù)，如本文所研究的涉及空間太陽(yáng)能發(fā)電衛(wèi)星無(wú)線能量傳輸技術(shù)，研究時(shí)間恐怕需要增加10年甚至更長(zhǎng)。

3 空間太陽(yáng)能電站可用頻率分析

無(wú)線電頻率是無(wú)線能量傳輸?shù)拿浇?，在開(kāi)展太陽(yáng)能電站無(wú)線能量傳輸研究時(shí)，必須首先確定電波頻段范圍?！稛o(wú)線電規(guī)則》是國(guó)際電聯(lián)對(duì)國(guó)際無(wú)線電通信管理的基本法規(guī)之一，定義了42 種無(wú)線電業(yè)務(wù)的頻率劃分規(guī)定，是包括我國(guó)在內(nèi)的眾多電聯(lián)成員國(guó)合理、經(jīng)濟(jì)、有效使用無(wú)線電頻率資源的重要法規(guī)依據(jù)。盡管目前為止，在《無(wú)線電規(guī)則》中并沒(méi)有為空間太陽(yáng)能衛(wèi)星的無(wú)線能量傳輸預(yù)留一席之地，但包括美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）在內(nèi)的多數(shù)國(guó)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(wú)線電規(guī)則》中為工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療（ISM）劃分的頻段。在國(guó)際電聯(lián)目前的研究中，無(wú)線能量傳輸相關(guān)的應(yīng)用也暫時(shí)使用了ISM 頻段。

ISM 的定義

《無(wú)線電規(guī)則》第1.15 款將ISM 應(yīng)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(xué)、醫(yī)療、民用或類(lèi)似領(lǐng)域提供服務(wù)的設(shè)備或器械的運(yùn)用，但不包括電信領(lǐng)域內(nèi)的運(yùn)用”。

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

頻段及相關(guān)規(guī)定

根據(jù)《無(wú)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(wú)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(wú)線電通信業(yè)務(wù)必須承受由于這些應(yīng)用可能產(chǎn)生的有害干擾。在這些頻段內(nèi)ISM設(shè)備須按照第15.13 款規(guī)定進(jìn)行操作。

對(duì)于ISM 設(shè)備可能產(chǎn)生的干擾問(wèn)題，《無(wú)線電規(guī)則》第15.13 條款的規(guī)定為：各主管部門(mén)應(yīng)該采取一切可行和必要的步驟，以保證使ISM 所用設(shè)備的輻射最小，并保證在指定由這些設(shè)備使用的頻段之外，這些設(shè)備的輻射電平不會(huì)對(duì)按照本規(guī)則條款運(yùn)用的無(wú)線電通信業(yè)務(wù)，特別是無(wú)線電導(dǎo)航或任何其他安全業(yè)務(wù)造成有害干擾。

與其他業(yè)務(wù)的兼容性分析

在《無(wú)線電規(guī)則》中，2.45GHz 和5.8GHz 還劃分給了除ISM 應(yīng)用外的其他業(yè)務(wù)，其中也包括衛(wèi)星導(dǎo)航等涉及到人身安全的業(yè)務(wù)，在世界范圍內(nèi)有著廣泛的應(yīng)用。與這些業(yè)務(wù)的兼容性分析是未來(lái)太陽(yáng)能電站選頻的重點(diǎn)工作。通過(guò)兼容性分析，確定傳輸?shù)墓β氏拗担瑤獍l(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(wù)包括固定、移動(dòng)、無(wú)線電定位、衛(wèi)星移動(dòng)業(yè)務(wù)以及衛(wèi)星無(wú)線電測(cè)定業(yè)務(wù)。

2400 ～2483.5GHz 頻段是短距離無(wú)線移動(dòng)通信的重點(diǎn)頻段，人們?nèi)粘Ｋ褂玫臒o(wú)線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（如：ZigBee、藍(lán)牙、WiFi 等）都工作在這個(gè)頻段。

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

（2）5725 ～5875MHz 頻段

該頻段內(nèi)劃分的業(yè)務(wù)包括無(wú)線電定位、衛(wèi)星固定、固定、移動(dòng)業(yè)務(wù)。不停車(chē)電子收費(fèi)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(dòng)業(yè)務(wù)中最廣泛的兩種應(yīng)用。

5725 ～5850MHz 頻段是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)擴(kuò)頻通信系統(tǒng)、高速無(wú)線局域網(wǎng)、寬帶無(wú)線接入系統(tǒng)、藍(lán)牙技術(shù)設(shè)備及車(chē)輛無(wú)線自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)等無(wú)線電臺(tái)站的共用頻段。

5850 ～5875MHz 頻段是包括我國(guó)在內(nèi)的大部分通信衛(wèi)星所使用的頻段（工程上通常稱(chēng)C 頻段），而這些通信衛(wèi)星大部分位于與空間太陽(yáng)能衛(wèi)星相同的地球靜止軌道。據(jù)粗略統(tǒng)計(jì)，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(guò)了100 顆。

4 用頻建議

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

2.45GHz 頻段

這個(gè)頻段目前主要是應(yīng)用于無(wú)線局域網(wǎng)等熱點(diǎn)使用，和另一個(gè)目前的候選頻段相比，2.45GHz 更適合應(yīng)用于空間太陽(yáng)能的無(wú)線能量傳輸。因?yàn)橥ǔＧ闆r下，無(wú)線局域網(wǎng)一般應(yīng)用于人口密度較大的地區(qū)，而太陽(yáng)能電站的地面接收站必然會(huì)選址于一個(gè)相對(duì)空曠、人煙稀少的地區(qū)，同時(shí)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(wú)線局域網(wǎng)所部署的地區(qū)隔開(kāi),這樣不會(huì)產(chǎn)生頻率的干擾，同時(shí)也避免了對(duì)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(yáng)能電站的無(wú)線能量傳輸頻率，需要開(kāi)展理論和試驗(yàn)研究，確定空間太陽(yáng)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(wù)，特別是無(wú)線移動(dòng)業(yè)務(wù)的同頻干擾問(wèn)題。

5.8GHz 頻段

由于這個(gè)頻段是包括我國(guó)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(yáng)能衛(wèi)星所在軌道相同。使用這個(gè)頻段的優(yōu)勢(shì)在于，目前通信衛(wèi)星上的射頻組件經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的在軌驗(yàn)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(shí)，缺點(diǎn)也是非常明顯的，必須與其他衛(wèi)星開(kāi)展頻率兼容?？臻g太陽(yáng)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(yáng)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(wú)線電規(guī)則》規(guī)定了30Hz 到300GHz 的無(wú)線電頻率使用規(guī)則，但是從無(wú)線傳輸?shù)慕嵌葋?lái)講，頻率越低波長(zhǎng)越長(zhǎng)，對(duì)于無(wú)線電波的傳輸來(lái)說(shuō)大氣吸收較小，空間環(huán)境的影響相對(duì)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(wú)線技術(shù)的發(fā)展，各種業(yè)務(wù)用頻形勢(shì)都非常緊張，以至于目前在《無(wú)線電規(guī)則》所分配的常規(guī)頻段之內(nèi)幾乎沒(méi)有所謂的“空白”頻段。10GHz 以上的頻率，由于頻段較高波長(zhǎng)短，在空間傳播時(shí)受到氧原子、水汽的吸收損耗過(guò)大，不適宜應(yīng)用于空間太陽(yáng)能的無(wú)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(wù)共用一個(gè)頻段，其中空間業(yè)務(wù)和地面業(yè)務(wù)同頻共用的形式比比皆是，根據(jù)2GHz 附近空間業(yè)務(wù)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(wù)與之共用的情況，則情況更不容樂(lè)觀。

5 總結(jié)

空間太陽(yáng)能發(fā)電衛(wèi)星是人類(lèi)為了應(yīng)對(duì)日益緊迫的地球能源危機(jī)而提出的，清潔，無(wú)污染，取之不盡。但是，這項(xiàng)技術(shù)從提出設(shè)想到現(xiàn)在已超過(guò)30年，到現(xiàn)在也還沒(méi)有進(jìn)入實(shí)質(zhì)的研發(fā)階段。同樣的，與空間太陽(yáng)能發(fā)電衛(wèi)星相關(guān)的無(wú)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(gè)項(xiàng)目編號(hào)，并沒(méi)有具體的研究計(jì)劃時(shí)間表。

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