對(duì)發(fā)展我國(guó)衛(wèi)星移動(dòng)通信的有關(guān)思考

文 張更新 甘仲民 李廣俠

解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院衛(wèi)星通信重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

1 概述

我國(guó)現(xiàn)已建成世界上最大的光纖、地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，在地面通信技術(shù)水平上己與世界同步，擁有世界上最大的用戶群。但是整個(gè)通信系統(tǒng)過(guò)分依賴地面基礎(chǔ)設(shè)施，當(dāng)災(zāi)難突發(fā)，地面設(shè)施遭到破壞后，通信網(wǎng)必將癱瘓。我國(guó)沒(méi)能形成空間通信保障網(wǎng)絡(luò)，是國(guó)家信息基礎(chǔ)設(shè)施的明顯缺失。

我國(guó)幅員遼闊，地質(zhì)條件復(fù)雜，氣候多變，容易突發(fā)自然災(zāi)害。1998年的大洪水，2008年初的大雪災(zāi)以及“5·12”汶川大地震，充分暴露了我國(guó)應(yīng)急通信能力低下的問(wèn)題。事實(shí)已經(jīng)證明，依靠地面通信網(wǎng)和我國(guó)現(xiàn)有衛(wèi)星通信系統(tǒng)不能滿足突發(fā)事件中的應(yīng)急通信需求。建立一個(gè)區(qū)域覆蓋為主、兼顧全球的衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)是一種有效的解決手段，不僅能夠解決我國(guó)邊遠(yuǎn)地區(qū)通信問(wèn)題，也能夠在我國(guó)地面通信網(wǎng)覆蓋范圍之外及地面網(wǎng)遭到毀壞的地區(qū)提供各類應(yīng)急通信和機(jī)動(dòng)通信保障。

因此，衛(wèi)星移動(dòng)通信是一種大有可為的通信方式，在我國(guó)具有廣闊的應(yīng)用前景。

2 衛(wèi)星移動(dòng)通信的系統(tǒng)組成及特點(diǎn)

衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)是指利用通信衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)移動(dòng)用戶之間或移動(dòng)用戶與固定用戶之間相互通信的一個(gè)通信系統(tǒng)。利用衛(wèi)星來(lái)進(jìn)行移動(dòng)通信，具有覆蓋范圍大、作用距離遠(yuǎn)、組網(wǎng)靈活、通信費(fèi)用基本與距離無(wú)關(guān)、不受地面現(xiàn)有設(shè)備的限制、受地形地物影響小等突出優(yōu)點(diǎn)，在過(guò)去幾十年內(nèi)得到了迅速發(fā)展。

按照所起作用的不同，衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)可以劃分為空間、運(yùn)控和應(yīng)用等三個(gè)分系統(tǒng)（如圖1），其中空間分系統(tǒng)包括一顆或多顆通信衛(wèi)星，這些衛(wèi)星既可以運(yùn)行在對(duì)地靜止軌道(GEO)或傾斜地球同步軌道（IGSO），也可以運(yùn)行在非地球同步軌道(non-GSO)，如中等高度地球軌道(MEO)、低高度地球軌道(LEO)和高橢圓軌道(HEO)衛(wèi)星等；運(yùn)控分系統(tǒng)通常指衛(wèi)星測(cè)控中心、網(wǎng)絡(luò)操作中心和各類關(guān)口站等保持網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行所需的各類地面控制站；應(yīng)用分系統(tǒng)是指各類用戶地球站，如手持終端，車（機(jī)、船）載終端，便攜終端等。

與衛(wèi)星固定通信相比，衛(wèi)星移動(dòng)通信在技術(shù)上主要有如下特點(diǎn)：

（1）衛(wèi)星功率有限與移動(dòng)站低天線增益之間的矛盾十分突出。為實(shí)現(xiàn)“動(dòng)中通”，移動(dòng)站一般采用弱方向性天線，造成移動(dòng)站的接收系統(tǒng)品質(zhì)因子(G/T)值很小，這勢(shì)必要求衛(wèi)星能夠向覆蓋區(qū)提供很高的有效全向輻射功率(EIRP)，才能確保一條鏈路的通信質(zhì)量，因此，衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)一般是典型的功率受限系統(tǒng)；

圖1 衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的組成

（2）電波傳播情況復(fù)雜，系統(tǒng)是在非高斯信道中工作的。由于移動(dòng)站采用低增益天線(也即弱方向性)并在移動(dòng)中通信，這決定了其瞬時(shí)傳播環(huán)境的不確定性，在通信過(guò)程中信號(hào)會(huì)遭受到多徑效應(yīng)、陰影效應(yīng)和多普勒效應(yīng)等，這要求系統(tǒng)能夠采取相應(yīng)的對(duì)抗措施，比如，采用適當(dāng)?shù)姆旨绞?、糾錯(cuò)編碼方式和調(diào)制解調(diào)方式等；

（3）眾多的用戶共享有限的衛(wèi)星(頻率與功率)資源。由于衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的特點(diǎn)之一是大量移動(dòng)站共享有限的衛(wèi)星功率與頻率資源，為確保對(duì)資源的有效利用，支持大量用戶的同時(shí)通信，需要進(jìn)行星體一體化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)高效而靈活的組網(wǎng)傳輸和資源調(diào)度；

（4）移動(dòng)臺(tái)要求高度的機(jī)動(dòng)性，故小型化具有十分重要的意義。終端小型化中最重要的是適應(yīng)各類移動(dòng)臺(tái)結(jié)構(gòu)要求的天線和射頻部件的小型化，高穩(wěn)定度的頻率源和高效率的功率放大器也是影響小型化的重要因素。

3 國(guó)內(nèi)外衛(wèi)星移動(dòng)通信的發(fā)展概況

縱觀這些年來(lái)國(guó)際上衛(wèi)星移動(dòng)通信的發(fā)展歷程，可以分為二條主線，即基于GEO衛(wèi)星建立移動(dòng)通信系統(tǒng)和基于LEO衛(wèi)星建立移動(dòng)通信系統(tǒng)，兩條發(fā)展主線的典型系統(tǒng)及其特點(diǎn)如表1所示。至今我國(guó)尚無(wú)自建的商用衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)，長(zhǎng)期以來(lái)主要依靠國(guó)外系統(tǒng)提供衛(wèi)星移動(dòng)通信業(yè)務(wù)。

2009年7月發(fā)射升空的Terre-Star-1衛(wèi)星是最新發(fā)射的一顆用于衛(wèi)星移動(dòng)通信的衛(wèi)星，使用LS-1300S衛(wèi)星平臺(tái)，發(fā)射重量6910kg，整星功率14.2kW，其S波段轉(zhuǎn)發(fā)器能產(chǎn)生500個(gè)以上點(diǎn)波束，天線展開(kāi)后口徑18m?？梢耘c地面基站和標(biāo)準(zhǔn)無(wú)線設(shè)備進(jìn)行通信聯(lián)系，為北美的鄉(xiāng)村、城市和其它偏遠(yuǎn)地區(qū)提供衛(wèi)星移動(dòng)通信服務(wù)。

已經(jīng)建成的三個(gè)LEO衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)均已宣布了其二代星座發(fā)展方案。

2006年12月全球星公司宣布由歐洲阿爾卡特－阿拉尼亞公司開(kāi)始研制第二代全球星，總共耗資6.61億歐元，其中約6.2億用于衛(wèi)星的設(shè)計(jì)和制造，單星的成本僅為1700萬(wàn)美元，4100萬(wàn)歐元用于發(fā)射服務(wù)和發(fā)射支持服務(wù)，衛(wèi)星壽命延長(zhǎng)至15年、重量增加至700公斤、整星功率從1000瓦提高到1700瓦。

2014年開(kāi)始的下一代“銥”系統(tǒng)將以全新的面貌出現(xiàn)，雖然仍有66顆LEO衛(wèi)星組成星座，但衛(wèi)星重量增加到850kg，其中通信載荷294kg，對(duì)地觀測(cè)載荷約50kg；采用IP技術(shù)使系統(tǒng)更容易與現(xiàn)有的系統(tǒng)和應(yīng)用進(jìn)行集成；支持GPS增強(qiáng)功能，稱為IGPS；能夠后向兼容現(xiàn)有終端和設(shè)備；并且搭載了對(duì)地觀測(cè)載荷。

4 發(fā)展我國(guó)衛(wèi)星移動(dòng)通信的必要性和可行性分析

在偏遠(yuǎn)地區(qū)，地面網(wǎng)絡(luò)的廣泛覆蓋仍然遙遙無(wú)期；在沿海島嶼眾多的地方，建設(shè)地面網(wǎng)絡(luò)非常困難；在發(fā)達(dá)地區(qū)的某些偏遠(yuǎn)地區(qū)同樣沒(méi)有地面蜂窩網(wǎng)的覆蓋；野外勘探、飛機(jī)、遠(yuǎn)洋運(yùn)輸船只、遠(yuǎn)離城市旅游探險(xiǎn)的人以及緊急搜索、救援人員等都需要一種不受地域、天氣限制的移動(dòng)通信手段；西部地區(qū)疆域廣闊，但多為荒漠和戈壁，人煙稀少，衛(wèi)星移動(dòng)通信將顯示出獨(dú)具的優(yōu)勢(shì)；尤其是發(fā)生重大毀滅性自然災(zāi)害的地區(qū)，地面網(wǎng)絡(luò)多數(shù)會(huì)遭到破壞，衛(wèi)星移動(dòng)通信可能是唯一幸存的通信手段。

表1 衛(wèi)星移動(dòng)通信的發(fā)展路線

我國(guó)衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的主要應(yīng)用領(lǐng)域包括：

（1）重點(diǎn)行業(yè)的語(yǔ)音通信：如軍隊(duì)、公安、武警、消防、交通管理、石油勘探、礦山開(kāi)采、海關(guān)緝私、海上客貨運(yùn)輸、漁業(yè)作業(yè)、鐵道建設(shè)勘測(cè)、電信和電力線路維護(hù)等；

（2）特殊行業(yè)的應(yīng)急通信：如森林防火、海難、空難以及地震和洪水等自然災(zāi)害的搶險(xiǎn)救災(zāi)以及公安武警邊防等；

（3）重點(diǎn)行業(yè)的數(shù)據(jù)通信：如石油管道、電力線路、燃?xì)夤艿?、防汛抗旱、水文海洋資料、森林防護(hù)、環(huán)境狀態(tài)、氣象、地震等的監(jiān)測(cè)，運(yùn)輸行業(yè)的定位和調(diào)度等；

（4）偏遠(yuǎn)地區(qū)的通信：目前我國(guó)尚有近8萬(wàn)個(gè)行政村未通電話。這些行政村大多位于我國(guó)的山區(qū)和西部邊遠(yuǎn)地區(qū)；

（5）軍事通信：衛(wèi)星移動(dòng)通信是解決信息化條件聯(lián)合作戰(zhàn)的有效通信保障手段之一。

我國(guó)已經(jīng)具備了通信衛(wèi)星的制造和發(fā)射能力，衛(wèi)星通信在我國(guó)已得到廣泛使用并且具備了相當(dāng)?shù)男l(wèi)星通信系統(tǒng)研制和運(yùn)行能力。

所有這些都表明，發(fā)展我國(guó)自主的衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)不僅是必要的，也是可行的，具有廣泛應(yīng)用前景的。

5 發(fā)展我國(guó)衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)需明確的一些問(wèn)題

要討論發(fā)展我國(guó)的衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)，首先需要明確下列幾個(gè)問(wèn)題：

（1）服務(wù)區(qū)問(wèn)題：全球、區(qū)域或國(guó)內(nèi)。從目前情況看，我國(guó)要建設(shè)的應(yīng)該是一個(gè)覆蓋中國(guó)及其附近地區(qū)的區(qū)域衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)；

（2）軌道類型：是GEO、MEO、LEO或IGSO。如果服務(wù)區(qū)只要求是國(guó)內(nèi)和區(qū)域，則采用GEO應(yīng)該更經(jīng)濟(jì)，就如ACeS和Thuraya那樣；如果是全球的，LEO就具有一定的競(jìng)爭(zhēng)力；

（3）用戶終端的類型：是手持機(jī)式還是便攜式？從目前情況看，支持手持機(jī)應(yīng)該是一種基本要求；

（4）業(yè)務(wù)類型：寬帶還是窄帶？從我國(guó)目前的技術(shù)發(fā)展水平看，從支持9.6kbps以下的窄帶業(yè)務(wù)開(kāi)始是合理的，逐步發(fā)展到支持幾百kbps的寬帶業(yè)務(wù)傳輸能力；

（5）市場(chǎng)定位：由于衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)單位造價(jià)和用戶終端費(fèi)用都要比地面通信網(wǎng)高，其業(yè)務(wù)難以被地面通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)的普通用戶所接受，其市場(chǎng)定位應(yīng)該是地面通信的延伸和補(bǔ)充，主要服務(wù)于地面通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋不到的區(qū)域，著重滿足應(yīng)急通信和軍事通信的需要；

（6）經(jīng)營(yíng)方式：在地面網(wǎng)高度發(fā)達(dá)，并且已有多個(gè)國(guó)外系統(tǒng)競(jìng)爭(zhēng)的狀態(tài)下，潛在的用戶空間不太大，任何一個(gè)企業(yè)投入巨資去建設(shè)一個(gè)系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行商業(yè)運(yùn)營(yíng)，是要冒很大風(fēng)險(xiǎn)的。因此，在目前的條件下，走軍民結(jié)合的道路，初期投資以軍方為主、長(zhǎng)期運(yùn)行靠商業(yè)服務(wù)所得來(lái)支持是一個(gè)較好發(fā)展策略。

明確了以上幾點(diǎn)，我們認(rèn)為現(xiàn)階段如果要發(fā)展我國(guó)自主的衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)，應(yīng)該具備以下幾個(gè)特點(diǎn)：

（1）區(qū)域覆蓋為主、能夠兼顧全球；

（2）提供窄帶業(yè)務(wù)為主的，逐步過(guò)渡到支持寬帶業(yè)務(wù)；

（3）支持手持機(jī)；

（4）軍民合用，用于地面網(wǎng)的查漏補(bǔ)缺、應(yīng)急通信和軍事通信；

（5）初期投資靠軍隊(duì)，長(zhǎng)期運(yùn)行靠商用。

系統(tǒng)的基本特征是：平時(shí)使用量不大，但需要時(shí)一定要能用。也就是說(shuō)，設(shè)計(jì)時(shí)系統(tǒng)可用度應(yīng)該是一個(gè)主要考慮指標(biāo)，徹底解決“平時(shí)不想用，急時(shí)不好用”的問(wèn)題。

6. 對(duì)我國(guó)衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的發(fā)展建議

參照國(guó)外發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，我國(guó)的衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)也可以選擇兩種發(fā)展方案，即高軌(GEO)方案和低軌(LEO)方案。兩方案的對(duì)比見(jiàn)表2。

7. 總結(jié)

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、國(guó)家安全的需要和科技水平的提高，建立我國(guó)自主的衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)不僅是必要的，而且是可行的。但根據(jù)我國(guó)的國(guó)情，建立一個(gè)完全商用的系統(tǒng)在近期是不太可能的，我們認(rèn)為建立一個(gè)軍民合用的、主要用作為地面通信系統(tǒng)的補(bǔ)充的衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)是一個(gè)相對(duì)現(xiàn)實(shí)、可行的發(fā)展策略。

表2 高軌方案與低軌方案的對(duì)比