衛星通信技術研究

徐永太 中國信息通信研究院工程師

發展策略

衛星通信技術研究

徐永太 中國信息通信研究院工程師

衛星通信系統大致可分為衛星移動通信系統、衛星固定通信系統。現有的衛星系統中能夠劃入衛星移動通信系統范圍的包括北斗衛星系統、海事衛星系統、銥星衛星系統等。衛星移動通信系統由移動通信衛星、信關站（或稱關口站、關口地球站）、終端、核心網、運控系統組成，能夠提供短報文、定位、語音、數據傳輸等通信服務。衛星固定通信系統一般由空間段（通信衛星）、地面段（關口站和地球站）、跟蹤遙測及指令分系統和監控管理系統構成，能夠提供通信、廣播、互聯網業務、VSAT通信業務、其他領域的衛星空間段業務等。此外，未來在航空通信領域衛星通信技術也有較廣闊的應用空間。

衛星移動通信系統 衛星固定通信系統 北斗衛星系統 海事衛星系統 銥星衛星系統

1 引言

衛星通信系統根據業務及技術實現方式，大致可分為衛星移動通信系統、衛星固定通信系統。衛星移動通信系統主要由移動通信衛星、信關站（或稱關口站、關口地球站）、終端、核心網、運控系統組成。移動通信衛星可以是同步軌道衛星（如海事衛星），也可以是非同步的中低軌衛星（如銥星）。信關站類似于地面移動通信網中的基站，其與移動通信衛星間的鏈路稱為饋電鏈路，使用衛星固定業務頻率（如C波段、Ku波段），在通信過程中，信關站要始終保持對星（如使用定向天線）、信關站與核心網設備相連，進而接入公網中。終端一般位于衛星天線形成的某一波束（類似于地面移動通信網中的小區）中，其與移動通信衛星間的鏈路稱為接入鏈路，使用衛星移動業務頻率（如L波段、S波段），在通信過程中，終端不要求對準衛星。在具有多個信關站的情況下，一般由運控系統統一進行資源分配。目前，主要的衛星移動通信系統有北斗衛星、海事衛星（Inmarsat）、歐星（Thuraya）、銥星（Iridium）、全球星（GlobalStar）。

衛星固定通信系統一般由空間段（通信衛星）、地面段（關口站和地球站）、跟蹤遙測及指令分系統和監控管理系統4大部分組成（見圖1）。通信衛星主要起無線中繼站的作用，通過星上轉發器轉發地球站的信號。跟蹤遙測及指令分系統對衛星進行跟蹤測量，并進行軌道修正和位置姿勢保持。監控管理系統對通信性能進行監測和控制，以保證本系統正常通信，并符合不同衛星通信系統間的協調要求。關口站是衛星通信系統的核心，負責衛星通信系統與公眾網的連接，提供傳輸信道，關口站可以認為是一種特殊的地球站。地球站負責將來自地面網絡的信息發送到衛星，并接收來自衛星的信息，傳送給相應的地面網絡用戶。

2 衛星移動通信系統

2.1 北斗衛星通信系統

北斗衛星導航系統包括北斗一號和北斗二號兩代導航系統。其中，北斗一號是用于中國及其周邊地區的區域導航系統，北斗二號是類似美國GPS的全球衛星導航系統。“北斗一號”系統具備雙向通信功能，而已對外發布信令接口規范的“北斗二號”系統主要用于定位導航領域，終端設備不具備發射模塊，不存在接入現有通信系統的問題。

“北斗一號”衛星系統由我國自主研發，利用地球同步衛星為用戶提供全天候、區域性的衛星導航系統，在服務區內提供3項主要功能：

（1）定位：快速確定用戶所在點的地理位置，向用戶及主管部門提供導航信息。在標校站覆蓋區定位精度可達到20m，無標校站覆蓋區定位精度優于100m。

圖1 衛星移動通信系統結構

（2）通信：用戶與用戶、用戶與中心控制系統之間均可實現最多120個漢字的雙向簡短數字報文通信，并可通過信關站與互聯網、移動通信系統互通。

（3）授時：中心控制系統定時播發授時信息，為定時用戶提供時延修正值。授時精度可達100ns（單向授時）和20ns（雙向授時）。

“北斗一號”衛星系統由空間衛星、地面中心站、用戶終端和標校站4部分組成，其中空間部分由地球同步衛星組成，執行地面中心站與用戶終端之間的雙向無線電信號中繼任務。每顆衛星的主要載荷是變頻轉發器，以及覆蓋定位通信區域點的全球波束或區域波束天線。

地面中心站主要由無線電信號發射和接收，整個工作系統的監控和管理，由數據存儲、交換、傳輸和處理，時頻和電源等各功能部件組成。地面中心站連續地產生和發射無線電測距信號，接收并快速捕獲用戶終端轉發來的響應信號，完成全部用戶定位數據的處理工作和通信數據的交換工作，把計算得到的用戶位置和經過交換的通信內容，通過空間衛星分別送給有關用戶。

用戶終端能夠接收地面中心站經衛星轉發的測距信號，并向衛星發射應答信號，此信號經衛星轉發到中心站進行數據處理。根據執行的任務不同用戶終端分為定位通信終端、衛星測軌終端、差分定位標準站終端、氣壓測高標準站終端、校時終端、集團用戶管理站終端等。

標校站為附近的終端用戶提供更高精度的定位結果，協助中心站獲取精確的衛星位置觀測量。

“北斗二號”（英文簡稱BDS）曾用名COMPASS，“北斗衛星導航系統”一詞一般用來特指第二代系統。此衛星導航系統的發展目標是對全球提供無源定位，與全球定位系統相似。

北斗衛星導航系統致力于向全球用戶提供高質量的定位、導航和授時服務，包括開放服務和授權服務兩種方式。開放服務是向全球免費提供定位、測速和授時服務，定位精度10m，測速精度0.2m/s，授時精度10ns。授權服務是為有高精度、高可靠衛星導航需求的用戶提供定位、測速、授時和通信服務以及系統完好性信息。

“北斗二號”系統保留并兼容了“北斗一號”系統，由空間段、地面段和用戶段3部分組成（見圖2）。

空間段包括5顆靜止軌道衛星和30顆非靜止軌道衛星。地球靜止軌道衛星分別位于東經58.75°、80°、110.5°、140°和160°。非靜止軌道衛星由27顆中圓軌道衛星和3顆同步軌道衛星組成。

地面段包括主控站、衛星導航注入站和監測站等若干個地球站。主控站主要任務是收集各個監測站段觀測的數據，進行數據處理，生成衛星導航電文和差分完好性信息，完成任務規劃與調度，實現系統運行管理與控制等。注入站主要任務是在主控站的統一調度下，完成衛星導航電文、差分完好性信息注入和有效載荷段控制管理。監測站接收導航衛星信號，發送給主控站，實現對衛星段跟蹤、監測，為衛星軌道確定和時間同步提供觀測資料。

用戶段包括北斗系統用戶終端以及與其他衛星導航系統兼容的終端。因為“北斗二號”系統保留并兼容了“北斗一號”系統，所以“北斗二號”系統像GPS、GLONASS、GALILEO系統一樣，為用戶提供衛星無線電導航及定位服務。

2.2 海事衛星通信系統

海事衛星通信系統是由海事衛星組織主導建立的衛星通信系統。國際海事衛星組織（英文縮寫為“Inmarsat”），總部位于倫敦，目前已經發展為一個有近百個成員國的國際衛星移動通信組織，約在143個國家擁有4萬多臺各類衛星通信設備。中國作為創始成員國之一，由中國交通部和中國交通通信中心分別代表中國參加了該組織。

Inmarsat移動通信系統由空間段、網控中心、網絡協調站、衛星地球站和衛星終端組成，其系統架構如圖3所示。

圖2 北斗二代系統架構示意圖

空間段即指在軌道中運行的海事衛星。網控中心（NCC）設在英國倫敦總部，負責監測協調和控制網絡內所有衛星的操作運行。同時，網控中心還對各地球站的運行情況進行監視，協助網絡協調站對有關運行事務進行協調。網絡協調站（NCS），在每個洋區至少有一個地球站兼作網絡協調站，并由它來完成該洋區內衛星通信網絡必要的信道控制和分配工作。其任務是：分配話音類信道和高速數據信道；在一個公共申請信道上轉發收自岸站電傳信道上的分配信息；對所有終端發布國際移動衛星業務通告；有線處理遇險信息。地球站，介于通信衛星和陸地通信網之間，實現路上用戶與移動站之間的通信，常建在海岸附近，故常被稱為岸站。北京國際移動衛星地面站也是我國唯一一座國際移動衛星系統地面岸站。衛星終端是指安裝在船舶、飛機上的衛星地球站終端以及手持機等，也是用戶使用的設備，在不同的業務應用中，衛星終端可能是機載站、手持機等。

圖3 海事衛星系統架構示意圖

海事衛星為我國用戶提供全球、全時、全天候的Inmarsat-C/B/M/Mini-M/M4/F和BGAN、FleetBroadband、SwiftBroadband以及IsatPhone業務，涉及海上、陸地和航空3大領域。

其中，Inmarsat-C是海事衛星的標準業務，能夠覆蓋太平洋和印度洋兩個洋區。Inmarsat-C系統可提供電傳、數據、傳真、普通報文、數據報告、增強群呼、遇險服務。目前，北京地面站可以為用戶提供PSTN、PSDN、ISDN、EMAIL、TCP/IP等多種陸地用戶接口功能。Inmarsat-F系統，包括Inmarsat-B/M/Mini-M/M4/ Fleet系列，能夠提供覆蓋全球4個洋區的電話、傳真、電傳、遇險專線、ISDN數據、移動數據包交換服務（MPDS）業務。Inmarsat手持機（IsatPhone）可提供在I-4衛星下進行語音通信服務。其通信終端為目前全球最小的手持衛星通信終端。Inmarsat寬帶全球區域網（BGAN）具有寬帶網絡接入、移動實時視頻直播、兼容3G等多種前衛通信能力，承載最高達492kbit/s的高速互聯網接入、話音、傳真、ISDN、短信、語音信箱等多種業務應用模式。InmarsatFleetF77、F55和F33是為滿足海事應用中不斷增加的對電子郵件和數據傳輸的要求而設計的一系列船用通信服務。支持語音、傳真、移動ISDN（F77和F55服務速度達64kbit/s）以及移動分組數據業務。InmarsatSwift64是針對企業專用商務機市場提供，這一服務可提供高質量語音和64kbit/s移動ISDN（綜合業務數字網）數據傳輸。

2.3 銥星衛星通信系統

銥星系統是美國摩托羅拉公司1987年提出設計的全球移動通信系統。衛星可以覆蓋全球，用戶用手持話機直接接通衛星進行通信。

銥星系統的最大特點是，通過衛星之間的接力來實現全球通信。它與目前使用的靜止軌道衛星通信系統相比較有3大優勢：一是軌道低，傳輸速度快，信息損耗小，通信質量大大提高；二是銥星系統不需要專門的地面接受站，每部移動電話都可以與衛星聯絡，這就使地球上人跡罕至、通信落后的邊遠地區、自然災害現場都變得暢通無阻；三是真正意義上的全球無縫隙覆蓋，相比于地球同步軌道衛星通信系統，銥星不僅可以覆蓋南北緯70°之間的區域，更能完全覆蓋高緯度極地區域，且通信效果尤佳。

銥星系統包括4個組成部分：用戶單元、衛星星座、系統控制站和關口站（Gateway）。

用戶單元負責向用戶提供業務，銥星的用戶單元除傳統的陸地手機用戶外，還包括航海、航空移動用戶以及地面的蜂窩通信網，同時還增加了一些固定用戶。包括手持機、車載終端、機載終端、船載終端和可搬移式終端等。

衛星星座包括66顆主要衛星，組成一個覆蓋全球的L頻段蜂窩小區（波束）群，用于向移動用戶提供業務。銥星系統的原始設計為7條距離地面780km，傾角為86°的近極圓軌道，每條軌道上均勻分布11顆小型智能衛星，這些衛星通過微波鏈路形成全球網絡。后來為了減少投資和簡化結構，銥星系統軌道高度降為765km，軌道數降為6條，相應的衛星數目也降至66顆（外加7顆空中備用星）。

每顆衛星并不只是承擔轉發任務的中繼器，而是整個通信網絡中的一個交換和路由分配節點，也就是說銥星系統具有星上處理和交換能力，系統具有星間鏈路，這也是銥星系統最大的特點。

星間鏈路通俗來講就是衛星與衛星之間的鏈路。銥星系統中的每顆衛星具有4條星際鏈路，其中兩條與前后兩顆衛星相聯，屬相同軌道面內的星際鏈路，其余兩條與左右兩顆衛星相聯，屬不同軌道間的星際鏈路。銥星系統的星間鏈路采用Ka頻段（22.55～23.55GHz），中心頻率是23.28GHz，信道間隔為25MHz。銥星系統具有星上處理和星上交換能力，它能實現呼叫處理、路由分配和交換、移動管理、頻率資源管理、安全保密、網絡管理等網絡功能，再加上星際鏈路，使得銥星系統內的衛星之間具有空間交換和路由選擇的功能。

系統控制部分是銥衛星系統的中央管理部分。它提供全球運作支持和衛星群的控制服務，傳遞衛星跟蹤數據到網關部分，負責控制衛星星座及為衛星計算和裝載頻率計劃和路由信息。所有的銥星衛星以及整個網絡的管理和控制都是由系統控制部分負責完成的。主要任務包括衛星星座的管理、網絡管理以及通信管理。

關口站負責呼叫建立、連接到地面PSTN和衛星星座。與衛星星座的連接是用工作在Ka頻段的高增益拋物面跟蹤天線來實現的；與PSTN的連接是經由到國際交換中心（ISC）的中斷線來實現的，在該中斷線上使用PCM傳輸和7號信令系統（SS7）或多頻互控響應（MFCR2）信令。

銥星系統的基本連接關系為：用戶單元通過L頻段用戶鏈路和衛星星座進行通信，關口站和系統控制設備通過Ka頻段饋電鏈路與衛星星座進行通信，衛星星座內部利用Ka頻段星際鏈路實現衛星之間的互聯。

銥星系統對用戶開放的業務電話、尋呼、傳真、數據等，能夠實現無縫覆蓋地球上所有的海域、空域和極地，為在海上、空中作業的個人和企業以及那些從事石油天然氣開采、采礦、建筑、伐木、救災搶險、野外旅游的個人和組織提供通信保障。市場涵蓋對通信有特殊需要和身處偏遠地區工作的企業和個人，以及那些希望隨時隨地保持穩定通信的大企業。

3 衛星固定業務通信系統

衛星固定通信系統一般分為空間段、地面段、跟蹤遙測及指令分系統和監控管理系統4部分。

●空間段：通信衛星主要起無線中繼站的作用，通過星上轉發器轉發地球站的信號。

●地面段：關口站是衛星通信系統的核心，負責衛星通信系統與公眾網的連接，提供傳輸信道，關口站可以認為是一種特殊的地球站。地球站負責將來自地面網絡的信息發送到衛星，并接收來自衛星的信息，傳送給相應的地面網絡用戶。

●跟蹤遙測及指令分系統對衛星進行跟蹤測量，并進行軌道修正和位置姿勢保持。

●監控管理系統對通信性能進行監測和控制，以保證本系統正常通信，并符合不同衛星通信系統間的協調要求。

VSAT（Very SmallAperture Terminal，甚小口徑衛星終端站）是衛星固定通信系統中的一個典型應用。其系統架構及網絡拓撲圖如圖4所示，主要包括主站部分、小站部分及用戶終端。

VSAT主站部分：主站的設備配置較遠端小站復雜，發射功率高，天線大。主站單元具體包括：RF端、主站射頻部分，負責衛星信號的收發。VSAT網絡基帶設備：處理衛星信號，包括Modem、復用器和編/解碼器。通過網絡管理平臺進行管理。PBX：程控交換機，用于管理電話通信。關口：用于連接PSTN和Internet。

VSAT小站部分：發射功率低，天線尺寸小。小站單元具體包括：室內單元負責進行天線接收及射頻處理；室內單元負責處理衛星信號。

用戶終端：普通的用戶接入終端（如固定電話、視頻播放器等）。

圖4 VSAT系統架構示意圖

目前，中國固定衛星業務系統提供的業務包括通信、廣播及其他領域的衛星空間段業務，衛星移動通信業務，互聯網業務，VSAT通信業務，基于衛星傳輸技術的話音、數據、多媒體通信業務，地面網絡通信業務，3.5G固定無線接入業務，800M數字集群通信業務，以GPS為主的綜合信息業務，與上述衛星通信業務相關的技術服務和進出口等業務。

4 結束語

衛星移動通信系統、衛星固定通信系統，是衛星通信系統中的兩大類系統。北斗衛星通信系統、海事衛星系統、銥星衛星系統，均屬于衛星移動通信系統。通常移動衛星系統由移動通信衛星、信關站（或稱關口站、關口地球站）、終端、核心網、運控系統組成。能夠提供包括短報文、語音、數據傳輸等通信服務，其中海事衛星系統和銥星衛星系統，在全球范圍內，均廣泛提供通信業務及服務。衛星移動通信系統廣泛使用的頻段包括L波段和S波段。衛星固定通信系統一般由空間段（通信衛星）、地面段（關口站和地球站）、跟蹤遙測及指令分系統和監控管理系統4大部分組成。衛星固定業務頻率主要為C波段和Ku波段，目前電視轉播及我國的村村通工程均有應用。我國提供的固定衛星業務系統提供的業務包括通信、廣播及其他領域的衛星空間段業務，衛星移動通信業務，互聯網業務，VSAT通信業務等。目前，在機載通信領域，衛星移動通信系統和衛星固定通信系統均已開始相關應用，未來在航空通信領域有較廣闊的應用空間。

1 北斗衛星導航系統公開服務性能規范1.0

2 北斗衛星導航系統空間信號接口控制文件1.0

3 北斗衛星導航系統空間信號接口控制文件2.0

4 YD/T 1513-2006.農村VSAT衛星通信網絡/系統技術要求5 YD/T 911-1997.Ku頻段國內衛星通信系統技術要求

6 JT/T 794-2011.道路運輸車輛衛星定位系統車載終端技術要求

7 道路運輸車輛衛星定位系統北斗兼容車載終端技術規范

2014-06-17）