我國高低軌衛星移動通信發展定位思考

呂子平，張更新，梁 鵬，盧 敏

（1.中國電信集團衛星通信有限公司，北京 100191；2.中國人民解放軍理工大學通信工程學院，南京 210007）

我國高低軌衛星移動通信發展定位思考

呂子平1，張更新2，梁 鵬1，盧 敏1

（1.中國電信集團衛星通信有限公司，北京 100191；2.中國人民解放軍理工大學通信工程學院，南京 210007）

本文通過對GEO和LEO兩類衛星移動通信系統在技術特點、業務能力及發展趨勢等方面的綜合分析比較，認為在我國未來的衛星移動通信系統發展中，二者都是不可或缺的，當以定位用戶切實需求，優勢互補、協同發展。

衛星移動通信；GEO；LEO；發展定位

1　引言

衛星移動通信系統（MSS）是指利用通信衛星實現為手持移動用戶之間或手持移動用戶與固定用戶之間，提供區域或全球范圍的話音、數據、短信等服務的通信系統。

2　高低軌衛星移動通信發展現狀

根據衛星運行軌道類型，目前國際上的衛星移動通信可以分為：地球同步軌道（GEO）衛星移動通信系統和低軌（LEO）衛星移動通信系統。

2.1 高軌衛星移動通信發展

GEO移動通信衛星是最早研制的移動通信衛星，由于運行在地球同步軌道，GEO系統單星覆蓋范圍大、星體相對固定，只要3顆衛星就可實現除南北極之外的全球覆蓋。目前，GEO系統的典型代表包括海事-4（Inmarsat-4）系統、舒亞拉（Thuraya）系統。Inmarsat-4系統共有4顆在軌衛星（含1顆備份星），可覆蓋除南北極外的全球所有地區，其推出的BGAN（寬帶全球區域網）業務可以在全球范圍同時提供語音和寬帶數據服務，共享IP數據最高速率可達492kb/s；Thuraya系統則是由中東阿聯酋建立的一個區域性移動通信系統，共發射了3顆衛星，覆蓋范圍包括歐洲、中東、亞太、北非等地區，其多模手持終端可同時兼容衛星、GSM和GPS業務，不但可提供9.6kb/s的衛星數據傳輸，還可提供達60kb/s的地面移動數據包業務（GMPRS）。

隨著業務需求和科技水平的不斷提高，GEO系統也在發展升級，主要表現有：

（1）在加強通信能力方面，從最開始采用容量較小的全球波束；然后采用區域波束，并通過頻率復用技術來擴大容量；再到如今采用多波束成形技術可實現上百個點波束。并且為更好地支持手持移動終端，GEO衛星必須克服其由于長傳輸距離造成的強信道衰落問題，也就對其功率和天線提出更高要求。近年來發射的GEO移動通信衛星都采用了超過10kW的大功率衛星平臺和口徑約20m的大型可展開天線。

（2）在改善業務靈活性方面，星上處理和交換、數字化多波束成形等技術，可根據用戶需求靈活分配衛星波束、功率和帶寬，實現了對系統資源的高效利用。此外，與地面移動通信融合也是未來發展的主要趨勢，新一代GEO系統采用的輔助地面組件（ATC）技術，通過采用與地面系統一致的工作頻段和空中接口，實現用戶終端可根據網絡覆蓋狀況，自動地在衛星網絡和地面網絡之間進行無縫切換。

2.2 低軌衛星移動通信發展

與GEO衛星不同，LEO衛星單星覆蓋面積較小，且相對地面在高速移動中，因此LEO系統的空間段需要在若干個軌道面布置十幾到幾十顆衛星，并通過星間或星地鏈路構成星座方式，才能實現全球覆蓋的連續通信。目前，國際上成功運營過的LEO系統包括：美國銥星（Iridium）系統、全球星（Globalstar）系統和美國軌道通信（Orbcomm）系統。前二者的工作頻率在1GHz以上，主要提供話音通信和中低速率的數據傳輸業務；Orbcomm系統工作頻率在1GHz以下，主要提供低成本、低速率的Email、雙向尋呼和傳真等窄帶數據通信業務。由于市場定位和商業運營等一些原因，以上三大LEO系統在上世紀都歷經了一段時期的沒落，目前，這些系統都通過部署和啟動下一代移動通信衛星計劃“強勢回歸”。其中，全球星系統完成24顆Globalstar-2衛星的發射，軌道通信系統完成18顆OG-2衛星的發射，銥星系統也計劃在2016年開始Iridium-NEXT衛星的發射。相比于第一代，第二代的LEO系統無論是傳輸速率還是系統容量都有大幅度提升，呈現出寬窄帶應用結合的特點。例如，銥星系統在原有窄帶語言的移動數據速率由一代最高128kb/s發展到二代最高可達1.5Mb/s，同時還將提供最高達8Mb/s的Ka頻段寬帶業務。

此外，多功能融合也成為LEO系統的發展趨勢之一。在原有話音和數據業務基礎上，LEO系統都在積極拓展新的業務功能，包括第二代銥星系統計劃搭載可將GPS定位精度提高至厘米級的iGPS有效載荷，以及面向航空通信和監測業務的ADS-B載荷；第二代軌道衛星則通過增加AIS載荷，提供海上資產的跟蹤和管理業務。

3　高低軌衛星移動通信分析

從上述介紹來看，GEO系統和LEO系統在技術上各具特點，各自的業務方向也不盡相同。首先，從技術來看，GEO衛星具有的星體相對固定、單星覆蓋范圍廣、單星信道數量多等優勢，使得它成為全球大多數衛星移動通信系統的首選。但同時，這類衛星也存在著制約系統性能和服務質量的不利因素，包括存在兩極通信盲區、特定地形通信困難、系統頑存性弱、傳輸時延長等。而LEO系統在這些方面正好與GEO系統互為補充：由多顆衛星組成的LEO星座可以實現真正意義上的全球無縫覆蓋，并保證在高緯度和高山峽谷等復雜地形區域下通信不間斷；同時，若部分節點損壞，系統整體不失效，仍具備全球通信能力；此外，LEO系統的時效性更佳，有利于信息的及時可靠傳輸。因此，LEO衛星移動通信系統的建設是不可或缺的。

從業務來看，表1給出了2013～2015近三年排名前五的衛星移動通信系統的年報收入情況，以及SIA給出的全球衛星移動通信收入情況［4］。

表1　衛星移動通信系統的年報收入和全球衛星移動通信收入

進一步結合各家的具體收入情況，可得到以下分析：

（1）GEO系統和LEO系統的并存發展趨勢。盡管表1的數據顯示以Iridium為代表的LEO系統總體比以Inmarsat為代表的GEO系統運營狀況差，其主要原因是Inmarsat較早占領的海上市場保持平穩增長，每年為其貢獻超過50%的收入。但就目前發展來看，新一代LEO系統正在利用其全球無縫覆蓋的優勢積極拓展海上業務；此外，還在飛越北極航線的航空器監視和通信方面，對GEO系統發起了強有力的挑戰。

（2）以M2M業務為主的Orbcomm收入近年來呈快速增長。隨著“物聯網”概念的興起，M2M被認為是其四大關鍵支撐技術之一，基于M2M的應用市場正在全球范圍快速增長。利用衛星通信的廣域覆蓋性和自主靈活性，若與多種具有感知、信息采集功能的地面物聯終端有機結合，可形成空天地一體化的信息獲取與傳輸系統，將在遠程設備監控、實時資產管理、工業自動化等方面發揮關鍵作用。

（3）目前，主要的幾家衛星移動通信系統在全球衛星移動通信總收入中的占比較低，大約只有一半。隨著技術水平的不斷提高，新興的一批衛星移動通信系統發展迅速，少數幾家老牌公司或組織并不能完全壟斷和把持市場，衛星移動通信未來還有巨大的發展空間和潛力。

4　我國高低軌衛星移動通信發展定位

經過數十年發展，我國衛星產業已經取得長足進步，在軌衛星數已成為全球第二。隨著我國國際地位的不斷提升，軍隊信息化建設和各行業信息化建設的速度日益加快，對外交流和國際貿易等活動的逐漸廣泛，衛星產業承擔著國家信息化建設高速發展中越來越重要的支柱角色。但就目前來看，主要優勢集中在衛星遙感和衛星導航領域，而在應用空間最大的衛星通信領域嚴重滯后。截至2013年年底，中國1.53萬家境內投資者在境外設立2.54萬家直接對外企業，分布在184個國家（地區），對外直接投資累計凈額超過6，600億美元，各類外派勞務人員超過70萬人。通過對我國國民經濟18個主要應用行業的調研和統計分析，預計我國未來衛星移動通信覆蓋范圍需求將從國土擴展至全球，潛在用戶數量達到300萬，公眾用戶產品年市場容量110億元。為保障我國海外人員的生命財產安全、國家全球化的經濟利益，建設我國自主可控、全球覆蓋的衛星移動通信系統既是迫切需要，也是必然選擇。

另一方面，我國幅員遼闊、地形復雜、氣候多變、自然災害高發，如“98”抗洪、“512”汶川大地震等均暴露出單純地面通信系統的脆弱性，衛星移動通信在搶險、救災和應急通信中有著不可替代性。同時，目前我國的地面移動通信網僅能覆蓋15%的國土面積，許多落后邊遠地區的地面基礎通信仍然缺失，若采用傳統地面通信方式覆蓋面積巨大的偏遠地區及領海，經濟壓力巨大。針對這些地面通信系統的“短板”，在統籌規劃建設我國的自主衛星移動通信系統時，需要同時考慮以我國及周邊地區作為高容量熱點區域，這不僅是我國新時期國家戰略的客觀要求、經濟社會建設協調發展的必然趨勢，也是有效解決我國邊遠地區通信、有效應對各類自然災害威脅和彰顯負責任大國形象的需要。

而由于GEO衛星和LEO衛星在設計思想、技術手段、應用領域等方面都存在明顯區別，分別代表了衛星移動通信領域內兩種不同的發展方向，各有其優勢和不足，任何一方都不可能完全代替另一方。因此，LEO衛星系統和GEO衛星系統作為互為補充的關系，應當要協調發展。

由于GEO系統單星即可提供服務，可考慮先以我國及周邊地區為主要覆蓋范圍，逐步向全球中低緯度覆蓋的發展思路。而LEO衛星系統即可作為其補充，提供全球范圍無縫覆蓋的通信保障，尤其是高緯度地區和高山峽谷等特殊區域。此外，LEO系統還應發揮其在航空、航海通信與監視等方面的優勢，提供在全球范圍的實時ADS-B和AIS應用服務。在未來衛星移動通信發展中，可以考慮以LEO系統發展寬帶互聯網接入能力，除我國及周邊熱點區域外，應滿足可全球動態調配，實現為突發事件應急區域的用戶提供寬帶通信服務；GEO衛星系統則服務于普通區域，吸收更大用戶容量。

5　結束語

在衛星通信迅速發展的形勢下，衛星移動通信是實現未來無所不在的個人通信的必要手段之一，其中需要包括高軌和低軌衛星移動通信系統的同步發展。衛星移動通信在我國尚有巨大的潛在市場，當以實現衛星通信的高費效比，開展移動通信、寬帶接入、航海航空通信和管理等多種業務，努力發展符合我國國情、著力用戶實際需求的衛星移動通信系統。

［1］ 龐之浩．今日移動通信衛星發展．數字通信世界，2015（03）：63-69

［2］ 劉思楊．衛星移動通信系統發展現狀及趨勢．現代電信科技，2014（7）：23-28

［3］ 呂子平，梁鵬，陳正君，韓淼．衛星移動通信發展現狀及展望．衛星應用，2016（1）：48-55

［4］ http：//www.sia.org/state-of-the-satellite-industry-report/.

［5］ 張更新，甘仲民，牛鑫．論高低軌道在我國未來衛星通信中的應用．數字通信世界，2006（10）：56-59

［6］ 沈永言．全球空間信息基礎設施的發展態勢與我國衛星通信的發展思路．第十二屆衛星通信學術年會論文集，2016：31-38

The Development and Orientation of China's GEO and LEO Mobile Satellite Communications

Lv Ziping1， Zhang Gengxin2， Liang Peng1， Lu Ming1
（1.China Telecom Satellite Communications Limited， Beijing， 100191；2. PLA University of Science and Technology， Nanjing， 210007）

The GEO system and the LEO system， to be the two major arms of MSS， are advancing together while giving full play to their favorable conditions. This paper makes a comprehensive analysis of the two systems by comparing their technical characteristics， service capabilities and development trends. It is believed that both of the GEO system and the LEO system will be the indispensable parts of our coming mobile satellite system and should develop complementarily and synergistically to target the practical user requirements.

mobile satellite communication； GEO； LEO； development and orientation

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2016.07.011

TN927+.23 文獻標示碼：A

1672-7274（2016）07-0026-03