國外靜止軌道移動通信衛星技術發展綜述

劉悅 （北京空間科技信息研究所）

移動通信衛星在通信業務領域占據了重要地位，相對于地面移動通信系統，具有覆蓋范圍廣、通信費用與距離無關、不受地理條件限制等優點，能夠實現對海洋、山區和高原等地區近乎無縫的覆蓋，滿足各類用戶對移動通信覆蓋性的需求。

1 靜止軌道移動通信衛星發展簡介

自20世紀70年代以來至今，靜止軌道移動通信衛星已經過了40年的發展歷程。根據技術先進性（代表性），它們大致可以劃分為四代：①第一代衛星采用全球波束，容量非常有限；②第二代衛星采用區域波束，并通過頻率復用技術增加可用容量；③第三代衛星采用百個點波束，可以實現用戶間的單跳通信，并具有靈活分配功率、帶寬和波束的能力；④第四代衛星采用地基波束成形（GBBF）技術、地面輔助組件（ATC）技術構建天地融合的衛星-地面移動通信系統。

第一代靜止軌道移動通信衛星主要提供海事衛星通信服務，其典型系統有：“美國海事通信衛星”（Mar isat）、“歐洲海事通信衛星”（Mar ecs）和國際移動衛星－2（Inmar sat－2）。第二代靜止軌道移動通信衛星的技術進步主要體現在采用了多波束天線，系統能力類似于地面模擬蜂窩移動通信系統，典型的衛星系統有：國際移動衛星－3和加拿大/美國的“移動通信衛星”（MSAT）。目前，全球在役的靜止軌道移動通信衛星主要是第三代衛星，第四代靜止軌道移動通信衛星均在2008年之后發射，代表了未來移動通信衛星的發展方向。

2 第三代靜止軌道移動通信衛星

第三代靜止軌道移動通信衛星部署于2000年之后，主要標志是衛星能夠形成上百個點波束、載荷的數字化，移動用戶間直接通信、能夠靈活分配衛星的功率、帶寬和波束。其典型系統是印度尼西亞的“亞洲蜂窩”（ACeS）系統[衛星名為“格魯達”（Garuda）]、阿聯酋的“瑟拉亞”（Thuraya）系統和國際移動衛星－4系統。第三代移動通信衛星采用的關鍵技術包括：大型可展開天線技術、大型通信衛星平臺技術、多波束形成技術，星上處理和交換技術等。

大型可展開天線技術

第三代衛星移動通信系統的終端尺寸普遍較小，有些已經接近地面蜂窩網絡的手持終端，對于靜止軌道衛星系統來說，為了支持手持移動終端，并且受限于衛星的功率和較長的傳輸距離造成的信道衰落等問題，這就對衛星的增益和等效全向輻射功率（EIRP）提出了較高的要求，先進的衛星移動通信系統多采用大型可展開天線。

大型通信衛星平臺技術

比起傳統的固定通信衛星，移動通信衛星對衛星平臺提出了較高的要求。一般情況下，要求靜止軌道通信衛星平臺能夠支持質量超過800kg的有效載荷，衛星的總功率大約在10k W以上。大型可展開天線對平臺的控制系統提出了更高的要求。

多波束形成技術

第三代衛星移動通信系統多采用星載多波束天線技術，提高覆蓋范圍和頻率的利用率。星上數字波束成形技術是重要的組成部分，可以優化形成波束，改善天線的等效全向輻射功率和G/T值，實現部分的在軌波束重構，并可支持星上單跳業務。其基本原理是通過對多饋源信號的加權求和操作形成多個波束，這些權值稱作波束成形系數。波束成形系數可以根據預先的計算進行預置，也可以根據系統需求進行在軌波束重構。

星上處理和交換技術

目前，主要有3種星上處理和交換的方式：透明轉發、部分星上處理和交換、完全星上處理和交換。其中，大多數衛星采用透明轉發方式，因此技術成熟度最高；缺點是交換需要在地面進行，會產生較大的延遲；完全星上處理和交換通常采用全數字化的方式，因而能夠降低延遲，提高通信效率；缺點是適應性較差，技術難度較大，容易受到宇宙輻射的影響；部分星上處理和交換是二者的折中。

第三代移動通信衛星技術指標

“天地通”衛星

3 第四代靜止軌道移動通信衛星

第四代靜止軌道移動通信衛星部署于2008年前后，第四代的主要標志是衛星系統采用輔助地面組件技術為用戶提供天地融合的4G服務。其典型衛星是2010年發射的“天地通”（Sk y Ter r a）衛星、2009年發射的“地網星”（Ter r eStar）和2008年發射的DBSD－G1[原中圓軌道－G1（ICO－G1）]衛星。輔助地面組件技術通過衛星移動通信的地面輔助基站，能夠解決衛星信號在高樓林立的城市以及室內覆蓋性不佳的問題，衛星和大量輔助地面組件基站組合在一起可以很好地實現大區域無縫覆蓋，終端可以自動地在輔助地面組件基站和衛星之間進行無縫切換。

大型可展開天線技術

第四代衛星需要支持較小的移動終端，因為普遍采用了大型可展開天線。其中，地網星－1衛星是世界上首顆能用地面網級的終端直接通信的衛星。DBSD－G1、地網星－1和天地通－1衛星均采用了由哈里斯公司研制的折疊肋式大型可展開網狀天線，天線口徑分別為12m、18m和22m。

基于地面的波束成形技術

針對第三代衛星普遍采用的星上波束成形技術的不足，為了降低星上的復雜度，提高穩定度，第四代衛星普遍采用了地基波束成形技術。基于地面的波束成形技術是將數字波束成形技術與其他數字處理技術放到地面上進行工作的方式。使用地基波束成形技術的衛星，星上的有效載荷僅需要天線及相關的射頻網絡，所有的處理工作均交由地面信關站進行處理，并且可以根據用戶需求，形成數目不同的、且各自獨立的頻段發射點波束和接收點波束，提供用戶實際需要，靈活地分配衛星容量及帶寬；同時節省星上資源，增強衛星的可靠性。

基于輔助地面組件的天地融合網絡技術

第四代衛星采用了基于輔助地面組件技術的天地融合的網絡架構中，整個衛星移動通信網絡由2個相對獨立的網絡構成：天基網絡和輔助地面網絡。天基網絡由衛星（1顆或2顆）和衛星信關站組成。采用2顆衛星的空間段設計主要是為了通過空間分集來增強鏈路能力，提高鏈路余量，減小終端尺寸，用戶可以選用與手機類似大小的終端。

系統的地面網絡由大量的輔助地面組件基站和基站控制中心構成，該基站主要致力于為室內或高樓林立處的手機用戶提供通信服務。網絡控制中心負責對衛星網絡和基站之間進行實時協調控制，從而使終端在系統的控制下自動地在衛星網絡和地面網絡之間進行無縫切換。輔助地面組件基站并非衛星信號的簡單中繼器，而是用于構成完整的輔助地面網絡，即使沒有衛星，用戶在大量輔助地面組件基站覆蓋的服務區仍然能夠享受移動通信服務。

4 技術進步與市場需求共促衛星移動通信的發展

從國外衛星移動通信的發展來看，衛星移動通信的技術革新不是孤立存在的，與市場的發展有著巨大的聯系。

技術進步帶動了市場發展

衛星移動通信系統、衛星和地面終端的技術進步之所以對市場產生著根本性的影響，是因為技術進步可以催生新的業務，并且得到更加經濟實惠的新產品。

第四代移動通信衛星技術指標

目前，許多靜止軌道移動通信衛星使用了超過20m口徑的天線，這大大增強了衛星的性能，降低了用戶終端的尺寸。這使得用戶能夠享受到小型化的衛星移動終端（與地面移動終端大小差不多）。許多新興的衛星移動業務采用了與地面無線通信標準非常類似的標準，只需要對現有地面終端的芯片和天線做出稍許調整即可實現衛星通信。未來，衛星通信終端與地面通信終端的兼容性還將進一步提高，運營商只需對地面通信終端的生產線進行調整和修改就能生產衛星通信終端，此舉大大增加了衛星通信業務進軍地面無線通信市場的競爭力。

采用輔助地面組件技術的雙模手持終端，能夠使得用戶在衛星網絡和地面網絡間隨時切換，在有地面網絡覆蓋的地區使用地面網絡，在沒有地面網絡覆蓋的地區使用衛星網絡，大大降低了用戶的使用成本，也同時吸引了地面移動運營商的關注。隨著技術的不斷成熟完善和規模化的生產與銷售，這種雙模終端的制造成本將會逐漸下降，直至普通用戶能夠接受的價格。此外，在發生自然災害導致地面通信基礎設施毀壞和在沙漠、海洋等地面通信設施覆蓋不到的極限環境下，雙模終端也能發揮巨大的作用。

基于互聯網協議（IP）的手持設備也能夠提供下一代的應用和服務，如移動視頻、音頻和數據廣播功能。在這個方面，衛星通信由于起步較晚，比地面移動通信更具有優勢。這是因為地面移動通信系統往往受限于現有的網絡和標準。目前的衛星通信業務大多只能提供話音、窄帶數據、基本的視頻業務，但衛星和地面站的技術進步能夠使得衛星運營商提供高速數據接入業務和高質量視頻業務。

市場需求促進了技術革新

另一方面，市場需求的發展進一步促進了技術革新。隨著用戶數量的增加和寬帶業務的發展，衛星容量不足問題顯現出來，因此，衛星采用了地面頻率復用和增加衛星的波束數量來解決相關問題，這就要求衛星具有干擾消除技術和靈活的路由策略，避免信號干擾。同時，移動通信衛星所采用的多達上百個的點波束對衛星的功率和天線提出了很高的要求。因此，近年來發射的移動通信衛星多采用大功率的衛星平臺和口徑在20m左右的大天線。

包括近些年流行起來的移動視頻廣播在內的帶寬密集型應用，以及運營商為各類用戶、各個地域的用戶提供的靈活的服務，則要求衛星具有靈活分配波束、功率和帶寬的能力，地基波束成形和星上數字波束成形技術很好地解決了這一問題，成為了未來星上載荷發展方向之一。

衛星移動通信系統的技術進步

先進的衛星技術大大提高了系統的服務

伴隨著市場的發展和地面無線通信的技術進步，用戶對于衛星移動終端的移動能力和成本提出了更高的要求，并且更加青睞于與地面移動終端兼容的、能在衛星網絡和地面網絡之間相互切換的雙模衛星終端，這也對衛星上使用的天線提出了很高的要求。

5 未來發展建議

與國外發達國家相比，我國衛星通信技術和設備還有較大差距。尚無自建的國內商用的衛星移動通信系統，現使用的都是外商建設的衛星移動通信系統。一方面我國市場蘊藏了巨大的發展需求；另一方面外商競相進入我國市場，企圖搶占和瓜分“擁有全球最多移動用戶”的我國市場這塊“巨大蛋糕”。因此，我們應該具有超前意識面對未來衛星通信市場的競爭，以便在新一輪衛星通信市場中占得先機，謀求更大的發展空間。

靜止軌道衛星移動通信系統具有星體比較固定、信道條件比較好的優點，采用3顆衛星就能覆蓋除南北極以外的所有地區，具有技術成熟簡單、投資相對較小、運行維護方便等優點，是我國在現階段發展衛星移動通信系統的一種有效的解決方案。

（1）加強靜止軌道衛星相關技術的研究，趕超國外先進衛星

與國外先進靜止軌道移動通信衛星相比，我國通信衛星與國外衛星相比還有很大差距。為此，我們應瞄準國外先進衛星，“苦練內功”，加緊研制高功率、大容量、長壽命、高可靠的大型通信衛星平臺；同時向數字化星上交換、星上處理、多波束覆蓋、地基波束成形，能夠動態分配容量、功率和頻率的先進有效載荷方向發展。

（2）國家應給予相關政策、經費上的支持，促進新一代東方紅－5衛星平臺的立項與研制

移動通信衛星的發展趨勢是大天線、大功率，衛星的有效載荷發射功率一般都在10k W以上，現有的東方紅－4衛星平臺無法滿足未來移動通信衛星的應用需要，因此迫切需要新型大功率平臺的盡快立項與研制。作為同時起步的平臺，歐洲政府在促進“阿爾法平臺”（Alphabus）的發展中發揮了重要作用，其首發星將于2014年發射。因此，我國政府也應給予相關政策、經費上的支持，盡快促進東方紅－5平臺的立項與研制。

（3）抓緊發展戰略機遇期，挖掘國內市場發展潛力

當前世界上擁有移動通信衛星的國家主要是美國、加拿大、阿聯酋、印度尼西亞等國。這些國家有著各自的特點：美、加等國地廣人稀；阿聯酋沙漠廣布；印度尼西亞是“千島之國”，而我國的情況與上述國家也有類似之處。我國地域廣闊、地形復雜，需求分散，企圖完全以地面網絡覆蓋全國是根本不現實的。隨著國家綜合實力的增強，釣魚島爭端、南海問題、未來的航母戰斗群之間的通信等矛盾逐漸突顯出來，對衛星移動的需求日益增加，國內市場蘊藏了巨大的發展潛力。我們應抓緊發展的戰略機遇期，逐步培育市場基礎，釋放國內市場的巨大能量。

（4）創新驅動市場，通過創新性的技術進步和市場開拓模式帶動市場發展

從國外衛星移動通信40年的發展來看，市場的發展與衛星移動通信的技術革新有著巨大的聯系。在我國民用市場尚未成熟的情況下，應不斷提高技術水平，一方面通過技術創新催生市場需求；另一方面通過創新性的市場發展道路尋求突破。比如，在現階段我國可以走軍用、民用、商用衛星相結合的道路，以滿足戰時需求為主，兼顧平時通信需求，實現平戰結合，在滿足我國國土安全需要的基礎上培育民用市場。

（5）加強“天地融合”網絡技術的研究，向小型化、雙模化的用戶終端發展

衛星移動通信系統是作為地面蜂窩系統的補充而存在的，主要用于覆蓋相鄰地面蜂窩網之間的“縫隙”，以及地面蜂窩網不能覆蓋的區域。因此衛星通信系統必須與地面蜂窩通信系統緊密結合，而“天地融合”網絡和“雙模”終端正是這一定位下的必然產物，很難想象單純的衛星通信模式的手持移動終端還會有發展前途。因此，我國應加強網絡融合和終端技術的研究，為我國未來研制“天地融合”系統打下基礎。