衛(wèi)星移動通信發(fā)展現狀及趨勢

余風平，陳 侃

（中國交通通信信息中心，北京 100011）

衛(wèi)星移動通信發(fā)展現狀及趨勢

余風平，陳 侃

（中國交通通信信息中心，北京 100011）

本文首先分析了目前全球主要衛(wèi)星移動通信的發(fā)展現狀，重點介紹了海事衛(wèi)星和銥星，然后展望了未來衛(wèi)星移動通信的發(fā)展趨勢。

衛(wèi)星移動通信；海事衛(wèi)星；國際移動衛(wèi)星公司

1　引言

衛(wèi)星通信是以空間衛(wèi)星作為中繼載體的一種通信方式，是在地面微波中繼通信和空間電子技術的基礎上發(fā)展起來的，上世紀六十年代中期，衛(wèi)星通信技術走向成熟。按照國際電信聯盟（ITU）的規(guī)定，衛(wèi)星通信業(yè)務可分為兩類，即衛(wèi)星固定通信業(yè)務（FSS）和衛(wèi)星移動通信業(yè)務（MSS）。本文將主要介紹衛(wèi)星移動通信的發(fā)展現狀，并就其發(fā)展趨勢進行展望。

2　衛(wèi)星移動通信發(fā)展現狀

2.1移動通信衛(wèi)星分類

衛(wèi)星移動通信的頻率資源非常有限，由幾家主要的衛(wèi)星移動運營商形成了壟斷，按照衛(wèi)星移動通信軌道分布的情況，下面分別進行簡要介紹。

2.1.1 同步軌道移動通信衛(wèi)星

最早問世的移動通信衛(wèi)星是同步軌道移動通信衛(wèi)星，從上世紀七十年代至今已經發(fā)展了幾代，經歷從模擬到數字，從窄帶到寬帶，從電路交換到IP交換，從單波束到多點波束，實現了跨越式發(fā)展。世界主要的同步軌道移動通信衛(wèi)星系統有海事衛(wèi)星和銥星。

海事衛(wèi)星是由國際移動衛(wèi)星公司（Inmarsat）運營的全球移動通信衛(wèi)星系統，從上世紀八十年代至今已經發(fā)展了四代L波段的衛(wèi)星通信系統。它通過有限的頻率資源，使用按需分配多址接入的方式為全世界提供了近50萬個通信終端的服務。它可以提供傳統的移動話音業(yè)務、低速數據業(yè)務、高速互聯網接入，以及全球海上遇險與安全服務。4 顆Inmarsat-4衛(wèi)星是目前Inmarsat系統的主力軍，相比Inmarsat-3容量大20倍，可以提供全球寬帶局域網（BGAN）業(yè)務，并支持手持機通話業(yè)務。Inmarsat-4每顆衛(wèi)星有193個窄點波束、19個區(qū)域波束、1個全球波束，信道總數超過600個，可支持用戶最高數據速率達到800kb/s。

阿聯酋的瑟拉亞（Thuraya）衛(wèi)星由美國波音公司制造，第一顆衛(wèi)星Thuraya-1于2000年10月發(fā)射升空，2003年和2008年陸續(xù)發(fā)射了Thuraya-2與Thuraya-3。Thuraya衛(wèi)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成形技術，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的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。地面使用的多模手機可以兼容衛(wèi)星、GSM和GPS業(yè)務。近年來瑟拉亞開始發(fā)展寬帶數據業(yè)務，共享IP可以實現最高444kb/s通信速率。

2.1.2 低軌道移動通信衛(wèi)星

由于同步軌道移動通信衛(wèi)星存在軌道高、路徑長、鏈路損耗大、傳輸時延長、單星成本高等弱點，加上同步軌道資源緊張，同步軌道衛(wèi)星在兩極地區(qū)有盲區(qū)不能實現真正全球覆蓋，為此，20世紀90年代中期起，一些低軌道衛(wèi)星應運而生。典型的低軌道移動通信衛(wèi)星系統主要有銥星（Iridium）、全球星（Globalstar）、軌道通信衛(wèi)星（Orbcomm）等。

“銥星”(Iridium)衛(wèi)星通信系統是美國摩托羅拉公司設計的全球移動通信系統。1987年提出第一代銥星通信星座系統；1992年“銥星”衛(wèi)星開始研發(fā)；1997年5月5日，第一批5顆“銥星”衛(wèi)星在范登堡空軍基地升空；1998年11月銥星系統在全球投入運營。通過多年的摸索，銥星公司改換思路，走低價、普及、平民化的道路，逐步開始盈利。2007年銥星公司宣布進行新一代銥星的研發(fā)工作，將在2016年開始衛(wèi)星發(fā)射，并于2017年提供服務。

全球星是由美國勞拉公司和高通公司倡導發(fā)起的衛(wèi)星移動通信系統，由48顆衛(wèi)星組成。從1998年2月到2000年2月，經過14次發(fā)射，第一代全球星衛(wèi)星星座建成并開始提供服務，在全球范圍（不包括南北極）向用戶提供無縫隙覆蓋的、低價的衛(wèi)星移動通信業(yè)務，業(yè)務包括話音、傳真、數據、短信息、定位服務等。由于全球星系統沒有星間鏈路，是一個星型結構的通信系統，所有用戶通信均需要通過地面關口站進行交換處理，因此其服務覆蓋范圍受地面基礎設施的限制。第二代的全球星已于2013年2月正式完成與第一代的更新換代，可以運行至2025年,可以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和地面應用，為視頻流和寬帶數據業(yè)務提供更好的網絡管理。

軌道通信（Orbcomm）是目前全球第一個也是惟一一個廣域、分組交換、雙向段數據低軌小衛(wèi)星通信系統，用于短數據通信，同時兼?zhèn)涠ㄎ荒芰?使用其通信服務的企業(yè)和政府機構能夠有效跟蹤、監(jiān)測、控制擁有的固定或流動資產。美國第一代Orbcomm系統由位于4個軌道面上的35顆衛(wèi)星組成，1998年組成星座并正式提供商業(yè)服務。Orbcomm公司已投資2.3億美元建設二代衛(wèi)星系統,今年將發(fā)射第二批11顆衛(wèi)星，完成組網。第二代衛(wèi)星系統可支持用戶數量是第一代衛(wèi)星的12倍，數據傳輸速率更快，傳輸量更大。衛(wèi)星擬配備AIS自動識別系統有效載荷，接受與報告來自配備了AIS的海上船只的信號，它將在海上船只避碰、助航、搜尋、救助等各方面有著廣泛應用。第二代Orbcomm衛(wèi)星星座具有向下兼容性，第一代用戶通信終端設備可與第二代衛(wèi)星實現無縫鏈接。

2.2衛(wèi)星移動通信市場現狀

目前，根據2014年披露的數據，全球共有五家主要的衛(wèi)星移動通信運營商，其中Inmarsat占據了市場一半的份額，處于絕對優(yōu)勢地位。傳統衛(wèi)星移動通信公司也認識到了市場上對于寬帶數據通信需求的不斷增長，由于MSS帶寬資源的限制，現在只能提供類似于陸地移動通信3G的服務，而對于4G及更高速率業(yè)務的需求暫時心有余而力不足。Inmarsat正跳出傳統的業(yè)務市場劃分思維，即將推出Ka波段的寬帶通信業(yè)務，實現MSS和FSS的跨界。而Iridium和Orbcomm則另辟蹊徑，著眼AIS這類小數據業(yè)務發(fā)展。

表1 衛(wèi)星移動通信市場占有率

3　典型衛(wèi)星移動通信系統

作為同步、低軌道衛(wèi)星的代表，下面將分別就海事衛(wèi)星、銥星的系統特點、發(fā)展現狀做重點分析闡述。

3.1海事衛(wèi)星

自1979年Inmarsat成立，隨著通信技術發(fā)展的日新月異，用戶對衛(wèi)星通信的需求也在不斷增長變化，在迎合滿足用戶需求的同時，海事衛(wèi)星也在循序漸進的穩(wěn)步向前。至今，Inmarsat衛(wèi)星系統已發(fā)展至第五代，在保證提供安全性移動性優(yōu)異的L波段業(yè)務同時，跨界轉戰(zhàn)Ka波段提供高容量、高帶寬業(yè)務。經過不斷的技術升級和發(fā)展，Inmarsat衛(wèi)星從第一代的模擬信號，發(fā)展到第二、三代的數字信號，再到第四代的寬帶通信，直到今天第五代更高寬帶的高速數據通信。海事衛(wèi)星追隨著技術、適應著時代、充分發(fā)揮著自身的特長，持續(xù)不斷地為全球提供公益和商用的無縫通信服務。

目前，Inmarsat正在準備研發(fā)第六代衛(wèi)星，其主要目標是將自己開發(fā)六代星的核心模塊和射頻授權給相應終端廠商，降低行業(yè)進入門檻，提供更豐富的產品線。同時，通過軟件無線電、芯片集成的方式，實現終端的小型化、價格平民化，提供更加豐富、市場接受度更高的應用。六代星現確定使用L波段，計劃設計三顆地面靜止軌道衛(wèi)星?？紤]到四代星將在2023年達到預期壽命，計劃2019年發(fā)射第一顆衛(wèi)星，2022年完成星群部署。另外，六代星還將搭載Ka波段載荷，實現對五代星的補充覆蓋。另外，Inmarsat還與歐洲陸地移動電信運營商合作，建設S波段衛(wèi)星與地面基站混合組網的通信系統，滿足歐洲不斷增長的航空通信需求。

Inmarsat在2015年實現總收入12.74億美元，與2014年12.86億美元相比出現小幅下降，但基本保持穩(wěn)定。按照不同業(yè)務板塊劃分，其中海上市場占收入份額51%，政府市場24%，企業(yè)市場14%，航空市場11%。針對傳統的L波段業(yè)務，2015年收入8.32億美元，連續(xù)3年實現增長。

3.2銥星

第一代“銥星”衛(wèi)星通信系統使用66顆衛(wèi)星，分布在6條軌道上，軌道平面間隔30°，組成衛(wèi)星星座。銥系統的最大特點是采用了星際鏈路，星際鏈路采用Ka頻段，每個衛(wèi)星可以同時和同軌道內的前后各一顆衛(wèi)星及左右相鄰軌道中的各一顆衛(wèi)星交叉相連。由于第一代銥星已經服役快20年，到了生命周期末期，同時為了持續(xù)保障整個系統的通信能力，銥星公司正計劃啟用第二代銥星系統。第二代“銥星”星座（Iridium-NEXT）共計81顆，包括66顆在軌正式衛(wèi)星，6顆在軌備份衛(wèi)星，剩余9顆衛(wèi)星在地面?zhèn)}庫備用。銥星公司計劃在2017年完成第二代銥系統的星座部署，在此之前現有的“銥星”衛(wèi)星星座保持運行，直到第二代“銥星”全面運作。第二代“銥星”衛(wèi)星提供L頻段速度高達1.5Mb/s通信能力，適應了信息化時代對于帶寬的需求，提升了市場競爭力。

除了傳統的L波段通信載荷外，第二代“銥星”內置“ADS-B”載荷。ADS-B是自動相關監(jiān)視廣播的簡稱，顧名思義，系統無需人工操作或者詢問，可以自動地從相關機載設備獲取參數向其他飛機或地面站廣播飛機的位置、高度、速度、航向、識別號等信息，以供管制員對飛機狀態(tài)進行監(jiān)控。銥星公司與加拿大、意大利、丹麥和愛爾蘭空中導航服務提供商(ANSP)成立合資公司Aireon，提供ADS-B全球服務。根據第二代銥星發(fā)射計劃，Aireon預計將在2018年提供全球無縫隙的ADS-B數據服務。

銥星與Harris公司達成協議，利用二代銥星的剩余空間搭載Harris公司的AppSTAR的可配置載荷平臺，提供衛(wèi)星AIS服務。Harris已經與全球AIS數據服務商exactEarth在2015年達成協議，在第二代銥星搭載58個AIS載荷，使用exactEarth公司AIS算法，通過VHF頻段實現海上AIS信號的無縫覆蓋。exactEarth現已擁有8顆低軌道AIS衛(wèi)星，計劃還將發(fā)射2顆。

截至2015年底，銥星用戶數超過78.2萬，五年年均增長率13%，營業(yè)收入4.114億美元，實現小幅度提升。

4　衛(wèi)星移動通信發(fā)展趨勢

4.1多元化業(yè)務

隨著衛(wèi)星移動通信的發(fā)展，傳統的語音、數據、短信功能已經不能滿足越來越高的數據和通信的要求，未來的衛(wèi)星移動通信系統功能更多樣化。比如，ADS-B數據服務和AIS船舶監(jiān)視功能，基于衛(wèi)星的ADS-B監(jiān)視能為飛機提供完全的連續(xù)的天基監(jiān)視與控制，尤其是在缺少地面接收站的海洋和偏遠地區(qū)，將發(fā)揮重要作用，實現飛行軌跡和高度的優(yōu)化，提高航空公司的運行和燃料效率，同時顯著降低世界各國空管機構（ANSPs）的基礎設施成本。

4.2融合式發(fā)展

從最初的單獨組網到多網互聯發(fā)展，借助地面通信網絡的優(yōu)勢，實現與地面通信網絡的互聯互通和在多制式網絡中的相互漫游，最后組成無縫覆蓋全球的通信系統。同時，面向用戶多樣性信息需求，提出多要素融合應用模式，發(fā)展天地一體化信息融合共性理論，建立信息融合應用模型，突破相關關鍵技術并制定標準，形成安全、可靠、標準的多源空間信息融合體系架構，推動天、空、地、海信息的融合應用和產業(yè)化發(fā)展。

4.3多頻段互補

隨著日益增加的帶寬需求和高速數據處理需求，衛(wèi)星通信朝著寬帶化、IP化發(fā)展，衛(wèi)星移動通信系統使用高頻段已經成為一種趨勢，各種頻段的系統相繼出現，并將共同存在，同時，在通信保障上還可以根據頻段的自身特點形成互補。InmarsatGX業(yè)務通過采用Ka波段寬帶通信技術與四代星L波段超強抗干擾通信技術的黃金組合，克服了諸多衛(wèi)星通信系統中存在的全球覆蓋性差、通信質量受不良天氣影響明顯、通信帶寬低等問題，為陸、海、空三大領域提供真正意義上的全球、全時、全天候的寬帶數據、語音的通信服務。

5　結束語

在衛(wèi)星通信迅速發(fā)展的形勢下，衛(wèi)星移動通信是未來無所不在的個人通信不可或缺的手段，市場潛力巨大。同時，衛(wèi)星移動通信正在往多頻段、多功能和一體化的方向發(fā)展。

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

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

[3] 細說低軌道衛(wèi)星．衛(wèi)星界

The Latest Development Status and Trends of Mobile Satellite Communication

Yu Fengping, Chen Kan
(China Transport Telecommunications & Information Center, Beijing, 100011)

This paper introduces the latest development status of the main mobile satellite communication in the world, especially elaboratesInmarsat and Iridium, then discusses the trends of mobile satellite communication.

Mobile Satellite Communication; Maritime Satellite; Inmarsat

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2016.11.010

TN927+.23

A

1672-7274（2016）11-0034-04