今日移動通信衛星發展

龐之浩

（北京空間科技信息研究所，北京 100086）

今日移動通信衛星發展

龐之浩

（北京空間科技信息研究所，北京 100086）

由于衛星移動通信具有不受地理障礙約束和用戶運動限制的優勢，可實現對海洋、山區和高原等地區近乎無縫的覆蓋，能滿足各類用戶對移動通信覆蓋性的需求，為此，它已成為衛星通信發展的主要潮流之一。目前，高、低軌道移動通信衛星正并存發展，它們各有所長，且都在不斷更新換代，以提高性能和競爭力。

移動通信衛星；技術狀態；衛星能力；發展趨勢

1　靜止軌道移動通信衛星

1.1衛星總體概述

最早問世的移動通信衛星是靜止軌道移動通信衛星，至今已發展了四代。第一代靜止軌道移動通信衛星采用全球波束，容量較小；第二代靜止軌道移動通信衛星開始采用區域波束，并通過頻率復用技術增加容量；第三代靜止軌道移動通信衛星能形成上百個點波束，載荷采用數字化，可實現用戶間的直接通信以及靈活分配衛星的功率、帶寬和波束；第四代靜止軌道移動通信衛星采用輔助地面組件（ATC）等技術為用戶提供天地融合的衛星-地面移動通信系統，提供4G服務。

目前，在軌提供業務的主要是第三代、第四代靜止軌道移動通信衛星，其中，第三代衛星的主要技術特征是采用多波束形成技術、大型通信衛星平臺技術、大型可展開天線技術、星上處理和交換技術，其典型衛星是國際移動衛星-4（Inmarsat-4）、阿聯酋的“瑟拉亞”（Thuraya）衛星和印尼的“格魯達”（Gaurda）衛星；第四代衛星的主要技術特征是采用地基波束成形技術（GBBF）、大型可展開天線技術、輔助地面組件技術等，其典型衛星是美國地網星-1（TerreStar-1）、天地通-1（SkyTerra-1）和中圓軌道-G1（ICO-G1，又叫DBSD G1）衛星。

第三代、第四代靜止軌道移動通信衛星之所以都采用大型可展開天線技術，是為了增強衛星性能，縮小用戶終端的尺寸，其中第四代衛星的天線更大。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，從而能大大增加衛星通信業務進軍地面無線通信市場的競爭力。

第四代采用的輔助地面組件技術是一種用于衛星移動通信的輔助地面基站，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基站組合在一起可以很好實現大區域無縫覆蓋，終端可以自動地在輔助地面基站和衛星之間進行無縫切換，即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，從而大大降了低用戶的使用成本，也吸引了地面移動運營商的關注。該技術在發生自然災害或地面通信設施覆蓋不到的極限環境下，更能發揮巨大的作用。

1.2第三代典型衛星

現在，可用于國際衛星移動通信業務的靜止軌道移動通信衛星只有國際移動通信衛星，現有大約10顆衛星在軌工作，其中包括第二代移動通信衛星——國際移動衛星-3、第三代移動通信衛星——國際移動衛星-4。2013年發射的首顆國際移動衛星-5主要用于寬帶多媒體通信，它屬于第四代還是第五代目前尚無定論。

“國際移動衛星”是由國際移動衛星公司運營的全球移動通信衛星系統。它通過有限的帶寬頻率資源，使用需分多址方式為全世界提供了將近15萬只通信終端的服務業務。它可提供傳統的移動話音業務、低速率數據業務、高速互聯網接入，以及全球海上遇險與安業務全服務。2005年～2008年期間發射的4顆國際移動衛星-4由歐洲阿斯特留姆公司研制，是目前國際衛星移動通信的“主力軍，比國際移動衛星-3容量大20倍，可提供全球寬帶局域網（BGAN）業務，并支持手持機通話業務。每顆國際移動衛星-4上裝有1個直徑9m的展開式大型天線，可產生228個點波束、19個區域波束、1個L頻段全球波束和1個C頻道全球波束，數據傳輸速率最高為432kb/s。其信道總數超過600個，每個信道帶寬為200kHz。由于該衛星采用星上處理技術在波束間進行信道重分配，所以可通過組合產生寬帶信道，更好地與功率和帶寬資源相匹配。國際移動衛星-4綜合了高低端多種業務模式，采用高效的頻率復用技術，在有限L頻段的帶寬資源情況下，實現了容量和多樣化的雙佳選擇。它所采用的新技術可最大限度地節約衛星資源、提高有效功率，使得用戶終端小型化、綜合一體化以及通信高質量和系統高可用度得到有效保證。

鏈接：國際移動衛星-5由美國波音衛星系統公司研制，將總共發射4顆，用于提供全球首個高速移動寬帶服務，以及高質量的視頻、語音和數據服務。它與現有L頻段移動通信衛星不同，采用Ka頻段點波束設計，每顆衛星攜帶 72 臺轉發器，能夠形成 89 個固定點波束和 6 個可轉向波束，滿足高密集地區市場應用需要，響應全球熱點事件。通過國際移動衛星-5，用戶能夠享受 5/50 Mb/s 的數據下載速度，實現全球無縫寬帶漫游。海事/陸地終端的口徑能夠達到 60cm/1m，航空終端的口徑能夠達到30cm & 60cm的量級。

美國為印尼和阿聯酋研制并發射的“格魯達”和 “瑟拉亞”地球靜止軌道移動通信衛星可為個人手機提供區域移動通信服務，它們都裝有直徑12m多的大型高功率天線，可形成上百個點波束，使其EIRP大大提高。

印尼的“格魯達”由美國洛馬公司研制，于2000年2月12日發射，是世界首顆支持手持機移動通信的地球靜止軌道通信衛星，裝有兩副直徑12m的收發大型傘狀天線，利用L頻段與用戶終端進行通信；采用星基波束成形技術，形成收發各140個點波束，可實現20倍的頻率復用，能容納200萬個用戶，具有1萬路同時通話的容量，可為地面移動用戶以及地面通信網絡無法覆蓋的固定用戶提供話音、傳真、數據和尋呼等移動通信業務，地面用的手機由愛立信公司制造。

2000年10月20日，美國波音公司為阿聯酋研制的瑟拉亞-1衛星升空，它是世界上第二顆地球靜止軌道區域個人移動通信衛星。2003年和2008年又陸續發射了瑟拉亞-2，3。“瑟拉亞”衛星使用了增強的有源相控陣天線與數字信號處理器相結合的多波束形成技術，可以改變波束指向，實現波束變形，進行信道組合與切換，從而能夠根據地面通信容量變化靈活地控制波束的方向和功率，提高覆蓋范圍和頻率的利用率。其收發共用天線的直徑為12.25m。整星具有13，750路同時通話的容量。地面使用的多模式手機可兼容衛星、GSM和GPS業務。

多波束形成技術可以優化形成波束，改善天線的EIRP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。

1.3第四代典型衛星

2008年4月14日發射的美國中圓軌道-G1是首顆使用DVB-SH標準的移動視頻廣播衛星，天線直徑15.8m。它首次使用了地基波束成形技術，可以形成250個發送及250個接收的S頻段波束。其用戶鏈路采用與地面移動3G系統相近的頻率，以有利于與地面系統的互聯互通，也有效地提高了頻譜的利用率。該衛星主要面向汽車等移動載體提供實時的移動視頻、數據等業務，同時也向手持終端（如手機）提供移動多媒體業務。

所謂地基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，并可根據用戶需求形成數目不同、且各自獨立的頻段發射點波束和接收點波束，滿足用戶實際需要，靈活分配衛星容量及帶寬，節省星上資源，增強衛星可靠性。

2009年發射的美國地網星-1是世界上首顆能用地面終端直接通信的衛星，也是目前世界最重的通信衛星，發射質量6，910kg，由美國勞拉公司研制。其上直徑達18m的大型S頻段天線可生成數百個波束。它采用了輔助地面組件技術，可在衛星信號被建筑物所遮擋的地區提供覆蓋；它利用頻譜復用技術構建混和網絡，形成真正的“星地聯合”，提供高質量、低成本、無縫隙的網絡，為北美地區的鄉村、城市和其他偏遠地區提供了2GHz的移動話音、數據通信、監視和信息等業務。由于采用S頻段，地網星-1避開了“GPS干擾問題”，因而成為目前最成功運行的天地融合系統。2015年～2016年，美國還將發射全球最重的衛星地網星-2，整星重量超過 6，900kg。

2010年11月14日發射的天地通-1衛星天線口徑達22m，是目前直徑最大的在軌通信衛星天線。該衛星利用輔助地面組件技術來實現天地融合的寬帶移動通信服務，還采用了高功率固態功率放大器等先進技術，是目前美國最先進的L頻段移動衛星。天地通-1與地面4G網絡組成了天地融合的移動通信系統，即在地面網絡覆蓋的地區使用地面蜂窩，在地面覆蓋不到的地區使用衛星。

2　低軌道移動通信衛星

2.1衛星總體概述

靜止軌道移動通信衛星存在一些不足，例如，軌道高、路徑長，因而鏈路損耗大，傳輸時延長，不宜于個人移動通信；單星成本太高，一旦發射失敗損失慘重；靜止軌道資源很緊張；這種衛星不能實現真正的全球覆蓋，在兩極有盲區。為此，從20世紀90年代中期起，一批移動通信低軌道衛星陸續投入建造。

低軌道移動衛星通信系統由衛星星座、地球信關站、系統控制中心、網絡控制中心和用戶單元組成。其中的衛星都是小衛星，一般運行在高500km～1，500km的軌道，故可以克服靜止軌道衛星的種種不足，如衛星體積小、重量輕、造價低、制造周期短、可批量生產；衛星之間互為備份、損失較小；地面終端設備簡單，造價低廉，便于攜帶；由于軌道高度低，所以可以消除使用靜止衛星工作時存在的電話傳輸延遲等問題；能進行全球無縫隙個人移動通信。

之所以采用星座方式工作，是由于低軌道衛星覆蓋面積小，為了實現全球覆蓋，連續通信，所以要采用由多顆小衛星組成的星座方式運行。它是在若干軌道平面上布置多顆衛星，使用各種通信鏈路將各個軌道平面上的衛星聯結起來。整個星座形成一個大型平臺，在地球表面形成蜂窩狀服務小區，服務區內用戶至少被一顆衛星覆蓋，用戶可以隨時接入系統。

根據工作頻段和服務內容的不同，低軌道移動通信衛星系統又可分為小低軌（Little LEO）和大低軌（Big LEO）兩種。前者由廉價小衛星組成，工作頻率在1GHz以下，能提供低成本、低數據傳輸率（10kb/s）的Email和雙向尋呼等窄帶數據通信業務，美國“軌道通信衛星”（Orbcomm）屬于此類。后者由24顆以上的小衛星組成星座，工作頻率在1GHz～2GHz，能提供話音和中高速率的數傳以及全球個人通信業務，美國 “銥”（Iridium）衛星和“全球星”（Globalstar）屬于此類。它們均采用一箭多星方式發射。

低軌道移動通信衛星系統在歷經了20世紀的“沒落”之后現已“強勢回歸”，美國三大低軌移動通信衛星星座目前正在更新換代。

2.2小低軌衛星星座

“軌道通信”是目前全球第一個也是惟一一個廣域、分組交換、雙向短數據低軌小衛星通信系統，用于短數據通信，具有投資少、周期短、兼備通信和定位能力、衛星重量輕（43kg）、用戶終端小巧便攜、星座運行時自動化程度高、自主功能強等優點。其用戶終端與信關站之間的通信通過低軌道衛星星座來實現，信關站連入撥號網絡或專線網絡，與因特網和X.25 等網絡相連。

美國第一代“軌道通信”衛星由軌道科學公司研制。其主星座由4個軌道面組成，每個軌道面上部署8顆衛星，軌道高度825km，軌道面之間的間隔為45°。1995年發射首顆衛星，1998年組成星座開始正式提供商業服務。1995年～1999年共發射35顆衛星，第一代衛星完成組網。

每顆“軌道通信”上裝有7臺用戶上行鏈路接收機，1臺用戶下行鏈路發射機，2臺信關站上行鏈路接收機，1臺信關站下行鏈路發射機，1臺時間同步信號發射機。衛星的3副四臂螺旋天線均安裝在可伸展支桿上，其中1副為VHF頻段信關站天線，另1副為VHF頻段用戶天線，還有1副為UHF頻段授時天線。

該衛星每小時可以處理7.7萬條短信，在美國可以滿足330萬終端設備的需要。除了短信外，其定位功能主要由衛星上的GPS分系統來實現，可以提供星上導航和時間同步功能。

美國還計劃建立由18顆衛星組成的第二代“軌道通信”衛星星座。其每顆衛星將配備一套增強的通信有效載荷，用戶數量比第一代最多可增至12倍，數據傳輸率更快，傳輸量更大。衛星擬配備自動識別系統（AIS）有效載荷，接收與報告來自配備了自動識別系統的海上船只的信號，它在海上船只的避碰、助航、搜尋、救助等各方面有著廣泛的應用。第二代“軌道通信”衛星講具有向后兼容特性，第一代“軌道通信”用戶的通信設備可與第二代衛星實現無縫鏈接。

2.3大低軌衛星星座

“銥”星座的特點是具有星間鏈路和星上處理功能，不需通過地球站中繼便可靈活、高質量地進行個人全球移動通信，但成本高。“全球星”星座沒有星間鏈路和星上處理功能，對地面設施依賴性大，只能提供存儲轉發通信，但容易實施、投資小是它的優勢。它們都已經投入使用。

2.3.1“銥”衛星星座

美國洛馬公司研制的第一代“銥”衛星于1997年5月5日首次發射，1998年11月1日正式提供移動通信業務。它是世界上第一個低軌道話音移動通信系統，由66顆運行在6個極軌衛星組成，每個軌道平面上分布11顆衛星和1顆備份星，軌道傾角為86.4°，軌道高度為780km，。每顆衛星在與地面用戶終端及信關站進行通信的同時，每顆衛星有四條星間交叉連接鏈路，與星座中的其他衛星進行相互間的通信，形成一個網絡。

每顆“銥”衛星發射質量690kg，裝有3副主任務相控陣天線，每副天線可提供16個L/S頻段通信波束。衛星還裝有4副Ka頻段星間鏈路天線，其中兩副用于軌道面內通信，另外2副用于軌道面之間的通信；4副Ka頻段星地通信天線，用于衛星與地面信關站之間的通信。單星通信容量為1，100條信道。“銥”衛星和用戶單元間上下行鏈路使用L 頻段，衛星間鏈路及其與信關站的上下行鏈路則使用Ka頻段。

采用星際鏈路是“銥”衛星系統的一大特點，它用于在相鄰衛星之間提供可靠、高速的通信。所有衛星協調工作共同構成一個空中傳輸交換網絡，使得任一衛星覆蓋區內的任何用戶通過星際鏈路就可以與其他覆蓋區內的任何用戶進行通信，而無需地面設備進行中繼。即使用戶處在一個附近沒有信關站的波束中，由于星際鏈路的存在，用戶終端仍能通過多條路徑與系統中的信關站進行通信。這多條路徑方式大大提高了系統的抗干擾和抗摧毀能力。

“銥”衛星系統與用戶之間的通信采用蜂窩設計，但與地面蜂窩移動通信不同，“銥”衛星使用點波束，每顆衛星的星上相控陣天線形成48個點波束，點波束構成連續的六角形圖形，在地球表面形成L頻段的48個蜂窩小區網，在地球表面飛速移動。每個小區的直徑為689km，48個點波束組合起來，可以構成直徑為4，700km的覆蓋區，“銥”衛星用戶可以看到一顆衛星的時間約為10min。因此，在地面最小仰角為8.2°的條件下，“銥”衛星系統形成了全球的連續覆蓋。

目前，美國國防部是“銥”衛星系統最大的用戶，“銥”衛星手機為海外作戰的美軍官兵廣泛使用，主要用于戰斗員之間的通信和美軍中央司令部物資運輸監測。英國國防部等部門也先后成為該系統的用戶。

第二代“銥”衛星——“銥星下一代”（Iridium-NEXT）目前正由歐洲泰雷茲-阿萊尼亞航天公司研制，計劃于 2015年～2017 年之間發射。其主要特點是：無縫隙的替換現有星座，以確保業務的連續性；保持“銥”衛星系統服務的全球覆蓋、安全、可用和通信的低延遲特性；能在速度、帶寬和靈活性方面提供新的增強能力，最高數據下載速率可達30Mb/s。

2.3.2“全球星”星座

1998年2月14日，美國首次發射了第一代“全球星”，1999年11月22日完成由48顆第一代“全球星”組成的星座，衛星分布在8個傾角為52°的圓形軌道平面上，相同軌道平面內衛星間隔為60°，軌道平面間隔45°，軌道高度約為1 414km。該系統在赤道和緯度高于60°的區域覆蓋率較低。

第一代“全球星”的饋電鏈路采用全球波束，用戶鏈路有16個點波束，每顆衛星可提供2，500條2.4kb/s的信道，波束覆蓋區直徑約為5，800km。從用戶到衛星的返向鏈路采用L頻段，從衛星到用戶的前向鏈路采用S頻段，衛星和信關站之間上下行通信鏈路采用C頻段。每個信關站可以與4顆衛星通信。

“全球星”采用透明轉發方式，信號調制、解調等處理均在地面上進行，主要實現衛星用戶鏈路（L /S頻段）和饋電鏈路（C頻段）信號之間的聯通、變頻和放大等功能，S頻段發射天線和L頻段接收天線均采用有源相控陣天線。

該系統是一個星形結構的通信系統，所有通信都需通過信關站的交換。它能提供話音、定位、傳真和數據等商業業務，也為美國軍隊提供移動通信業務。

第二代“全球星”已于2013 年 2 月正式完成與第一代的更新換代，可運行到2025年。第一代“全球星”的壽命僅有7.5年，第二代的壽命則延長至15年，發射重量也從第一代的550kg增加至第2代衛星的700kg。第二代“全球星”可提供更大的高峰需求呼叫容量，能為文件傳輸和視頻應用提供更高的數據傳輸速率，并可集成輔助地面組件地面應用、視頻流和寬帶數據業務提供更好的網絡管理。其主要包括高速率數據業務、因特網接入業務、音頻與視頻廣播業務、遠程文件傳輸以及虛擬私人網絡等。

3　幾點啟示和未來前景

由于建造和運行低軌道移動通信衛星星座成本高昂，所以發展比較緩慢，尤其是“銥“衛星系統目前主要用于軍事。為此，發展低軌道移動通信衛星要慎重。而靜止軌道移動通信衛星具有星體比較固定、信道條件比較好的優點，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，所以發展靜止軌道移動通信衛星風險較小。其中“國際移動衛星”的成功經驗值得借鑒，例如，準確地把握市場，根據市場的需求準確定位；始終遵循技術與市場同步推進的“雙引擎”機制，規避技術風險；通過由分布在86個國家的260個合作伙伴組成的全球性業務網絡提供服務。

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10kW以上，所以要發展大型通信衛星平臺。另外，還要突破和掌握大型可展開天線技術、多波束形成技術、星上處理和交換技術、地基波束成形技術、輔助地面組件技術等，通過創新性的技術進步和市場開拓模式來帶動市場發展。

星地聯合是衛星移動通信的發展方向。衛星移動通信系統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。專家通過分析、研究移動通信衛星發展后，已提出了 “天上一顆（或一組）衛星，地上一張網絡，天地融合”的思路，已開發出來并投入使用的輔助地面組件就是一項天地融合的專利技術，可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，很好實現大區域無縫覆蓋。未來衛星移動通信取得商業成功的關鍵就是實現室內外無縫覆蓋，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。

輔助地面組件技術有三大特點：一是衛星和輔助地面基站復用同一頻段，使用幾乎相同的空中接口信號格式，因此無需雙模終端；二是終端的天線、體積和軟硬件水平保持和現有的地面網終端相當，即使終端正和衛星進行通信也無需專用外置天線；三是衛星并不限制空中接口信號形式，地面的3G，4G等移動通信空中接口可以通過衛星鏈路運行，衛星不會在地面技術的快速發展中很快失去作用。利用以上特點，并結合高效的系統網絡管理技術，未來衛星移動通信系統可以真正做到大容量、高數據率以及室內外無縫覆蓋，將在移動通信業務和災害應急通信等方面發揮重要作用。

另外，固定與移動通信衛星業務之間的界限正逐漸模糊，海事和航空移動業務已成為未來發展熱點。隨著智能手機、平板電腦等移動電子設備和社交網絡等互聯網應用的普及，利用衛星向乘客提供寬帶網絡接入的衛星航空和海事寬帶業務正悄然興起。固定天線尺寸的減小和移動終端數據率的提高，固定與移動通信衛星業務領域間的差異正不斷縮小，國際移動衛星公司的全球高速移動寬帶業務的推出，使得用戶下載速度能夠達到50Mb/s，衛訊公司下一代衛訊-2（ViaSat-2）衛星將瞄準海運和海空市場，并與JetBlue等一系列航空公司簽署戰略協議；2015年，國際通信衛星公司計劃部署“史詩”（Epic）系列Ku頻段大容量衛星，它將顯示移動衛星寬帶化、寬帶衛星移動化的趨勢。預計在未來10年，衛星航空/海事寬帶將成為衛星移動業務的重要市場。

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［4］Kirk Pysher. Intelsat 19 failure investigations reveal initial ascent data. Spaceflight， 2012， 6

［5］Chandra Koduru， Bruce Tomei， Steve Sichi， Kevin Suh， Tuan Ha. Advanced Space Based Network using Ground Based Beam Former［C］. 29th AIAA International Communications Satellite Systems Conference （ICSSC-2011）28 November - 01 December 2011

［6］Stephen F. Sichi， Heidi E. Ziegler. Beamforming Architectures for Advanced MSS Network Deployment［C］. 29th AIAA International Communication Satellite System Conference （ICSSC-2011）， 2011

龐之浩，中國空間技術研究院北京空間科技信息研究所《國際太空》雜志執行主編、編審，中國衛星通信廣播電視用戶協會首席航天專家，中國通信學會衛星通信委員會委員，主要研究方向為跟蹤、分析世界航天科技發展動態，主持編輯、出版《國際太空》月刊，普及航天科技知識。