廣播衛星系統應用現狀與發展趨勢

王曉海，周宇昌

（空間電子信息技術研究院空間微波技術重點實驗室，西安 710100）

1 廣播衛星

廣播衛星是指直接向用戶轉播音頻、視頻和數據等信息的通信衛星。根據國際電信聯盟（ITU）的定義，廣播衛星是運營衛星電視廣播業務的衛星，其主要功能是為地面電視運營商提供節目源。廣播衛星是一種專用的通信衛星，主要用于電視廣播，具有信息單向傳輸、一發多收特點。廣播衛星是衛星廣播系統的重要組成部分，是空間廣播的發射臺。

2 廣播衛星系統應用現狀[1]-[26]

2.1 GBS系統[1]-[2]

美國在1994年為滿足戰場信息化對衛星通信帶寬的需求，特別是戰區內的通信需求，發展了全球廣播服務（Global Broadcast Service，GBS）系統。1995年4月，提出了GBS系統的任務需求文件，向戰區內提供寬帶單向軍事信息廣播業務，包括情報、圖像、地圖和視頻等數據傳輸，用戶終端較小，成本較低。

整個GBS的發展規劃為3個階段：第1階段為能力試驗階段，租用商用衛星上的一個轉發器，購買有限數量的商用終端，使用商用頻段，對GBS概念和操作進行試驗和驗證，曾應用于波黑戰爭中。第2階段為搭載實用階段，利用搭載在UFO-8、9和10衛星上的GBS載荷，提供全球范圍的實用戰場信息廣播業務。第3階段在總結前2個階段的經驗的基礎上，將GBS系統與MILSATCOM體系有效集成為一體。不論哪個階段，GBS系統都包括3大部分：廣播管理段，提供系統與數據提供者之間的接口，建立并管理廣播信息流，使信息傳送到所需的注入點；空間段，提供衛星傳輸和覆蓋能力；終端段，接收衛星傳送的廣播信息，提供用戶接口。目前，美軍有3個衛星廣播管理/主注入站，分別位于弗吉尼亞州Nor folk、意大利西西里島的Sigonel la和夏威夷的Wahiawa。有2個戰區注入站，機動部署到戰區，快速傳送戰區專用信息。目前已經部署了超過300套接收設備，包括地面接收設備、潛艇接收設備和艦載接收設備等。

為節省成本和縮短進度，美國選擇了在UFO窄帶軍事通信衛星上的搭載方案。GBS采用4臺130W的Ka頻段轉發器，每臺數據率24Mb/s，上/下行頻率30/20GHz，每顆衛星GBS系統的總容量為96Mb/s。Ka頻段接收機對每個上行頻率進行放大和變頻。輸入復用器（IMUX）采用共鳴腔帶通濾波器組件實現信道化。轉發器控制單元（TCU）提供自動增益控制（AGC），可消除因氣象條件或注入站EIRP變化等引起的接收信號變化，保持微波功率放大器（MPA）工作在飽和狀態，同時也提高了系統的抗干擾性能。微波功率放大器由2個65W行波管放大器組成，通過1個通用電子功率調節器（EPC）控制。

系統有2部接收天線，3部發射天線。2部接收天線，其中1部為固定天線，1部為可控點波束天線。3部發射天線為相互獨立的可控點波束天線，其中2部為窄點波束天線，1部為寬點波束天線。

按照地面指令，由交換矩陣實現天線與轉發器間的切換，可以將接收天線的信號路由至任意或全部轉發器。

GBS是一個基于商用衛星技術的單向高速衛星通信系統，與全球指揮控制系統（Global Command Control System，GCCS）等重要國防信息基礎設施互聯，成為美國重要的空間支持力量而被納進國家安全空間體系。

圖1 GBS系統體系架構

2.2 MBSAT系統[3]-[6]

2001年，日本的移動廣播公司（MBCO）與美國的勞拉空間系統公司簽訂合同，制造MBSAT衛星。該星于2004年3月13日發射，這是第一顆為日韓移動用戶提供高質量數字業務的多媒體廣播衛星。該衛星重3900kg，星上功率7.5kW，設計壽命12年，軌道位置為144°E。星上有120W的S頻段轉發器，星上的S頻段Ast roMesh反射面天線直徑12m，由美國的TRW公司下屬的Ast ro Space公司負責制造。該衛星接收來自地面廣播中心的Ku頻段信號（13.824-13.883GHz），經過變頻，以S頻段（2630-2655MHz，載頻為2642.5MHz，帶寬為25MHz）和Ku頻段（12.214-12.239GHz）將信號發送到全國范圍內的服務區域，為日本和韓國的移動用戶提供數據、MPEG4視頻和其他數字多媒體信息業務，數據傳輸速率為128kb/s～384kb/s。

MBSAT衛星的技術特點之一，是可提供較高EIRP的下行鏈路信號。為了獲得較高的EIRP，衛星上安裝了大功率的S頻段發射機和一副直徑為12m的S頻段高增益天線。其S頻段的EIRP大于67dBW。這樣，移動終端就可以通過一個小型的全向天線接收到衛星下行鏈路信號。

通過使用MPEG-4和AAC壓縮技術，MBSAT衛星的S頻段有效載荷可以發送數據、CD質量的音頻和TV質量的視頻。該系統可以同時提供60多套音頻節目和10套視頻節目。

為了消除建筑物及隧道內對信號的影響，地面采用了一種名為填縫器（Gap-Filler）的中繼裝置。該裝置有大范圍和小范圍兩種。前者的覆蓋半徑為1km～3km，后者用于覆蓋隧道、地下空間和商廈等建筑物的內部。

圖2 MBSAT系統工作示意

2.3 Sirius系統[7]-[11]

Sirius XM公司的空間段資源包括位于西經85°和西經115°的5顆XM衛星和4顆Sirius FM衛星，即Sir ius FM-1、2、3、5，目前均在軌運行。Sir ius FM-6衛星質量6018kg，壽命末期功率20kW，是第一代Sirius衛星功率的兩倍，定點于GEO西經115.2°位置，壽命15年。Sirius FM-6是Sirius XM公司的第10顆衛星，也是SS/L公司為天狼星XM公司建造的第6顆衛星。前5顆衛星（Sirius FM-1、2、3、5、XM-5）全部采用LS-1300平臺建造。

2000年，美國勞拉空間系統公司為天狼星衛星廣播公司設計和建造了4顆第一代“天狼星”通信衛星。第一代“天狼星”衛星每顆重3800千克，選用“LS-300”衛星平臺，裝載1臺X/S頻段轉發器，采用傳統的拋物面反射天線，2個太陽能帆板各安裝5片，功率容量近20千瓦，設計壽命15年。“天狼星”公司的3顆衛星組成第一個衛星星座，運行在近地點23975千米，遠地點46983千米，傾斜63.4°的軌道上。

2006年，“天狼星”公司委托美國勞拉空間系統公司再建造第二代更加強大的新的地球靜止衛星，用于衛星廣播服務。2008年第4季度，“天狼星FM-5”建造完成；2009年6月30日，俄羅斯將“天狼星-5”送入靜止軌道。“天狼星-5”號重5840千克，應用美國勞拉公司的“LS-300”衛星平臺，裝載1臺X/S頻段轉發器，2個十字架形的太陽能帆板各安裝6片非常漂亮的光伏板，功率容量近20千瓦，設計壽命15年，運行在西經960的靜止軌道。“天狼星-5”裝載上行和下行S頻段轉發器。末期功率達20千瓦以上。

它采取一系列先進技術，包括9米展開式反射天線。“天狼星-5”沒有采用傳統的天線系統，而是金光閃閃的可展開式網狀反射天線，達到高密度傳輸，提供比上一代“天狼星”衛星近一倍的廣播能力。2013年10月25日，美國天狼星XM廣播公司（英文簡稱Sirius XM）的Sirius FM-6衛星搭乘俄羅斯的“質子”號火箭成功發射。Sirius FM-6衛星由美國勞拉空間系統公司（SS/L）建造，是Sirius XM公司現役衛星之中功率最高、質量最大的商業通信衛星。Sirius FM-6用于接替即將壽命到期的FM-1和FM-2衛星。配置與“天狼星-5”基本相同，衛星攜帶X頻段上行鏈路有效載荷和S頻段下行鏈路有效載荷，衛星也裝備一個9米展開式網狀反射天線，2個十字架形的太陽能帆板，末期功率達20千瓦，它是世界上功率最強大的衛星。衛星投入運營之后將提高Sirius XM公司服務性能和提供額外的備用能力。

圖3 “天狼星FM6”通信衛量

2.4 ABS系統[12]-[16]

1999年9月，亞洲廣播衛星-1（ABS-1）成功發射并定點于75°E軌道上。該星原名洛馬1號（LMT-1），后因2006年，洛克希德·馬丁公司（Lockheed Martin Space System Company，LMT）被亞洲廣播衛星公司（ABS）收購，故更名至此。

ABS-1衛星具有44個大功率轉發器，其中C頻段28個轉發器，Ku頻段16個轉發器。C頻段擁有能夠覆蓋半個地球以及全球的A波束和B波束，Ku頻段則分為北波束和南波束。

2014年2月6日，ABS-2由阿里安-5運載火箭成功發射。

ABS-2衛星采用LS-1300平臺，其發射質量超過6000kg，攜帶89臺轉發器，包括32臺C頻段轉發器、51臺Ku頻段轉發器和6臺Ka頻段轉發器。衛星的設計壽命超過15年，是一顆高功率、大容量衛星，整星容量接近7.6GHz。ABS-2衛星定點于75°（E）軌道位置。該軌道位置是亞洲廣播衛星公司的主要軌道位置，目前ABS-1、1A、2I等多顆衛星均位于該位置。ABS-2衛星投入運營之后，可為亞太、非洲、歐洲和中東等地區提供電視直播、多媒體接入、通信和其他數據傳輸服務。衛星可形成10個不同波束，其中6個高功率Ku頻段波束用于提供東半球的直播到戶（DTH）服務；3個C頻段波束用于非洲和東南亞地區的網絡業務；1個Ka頻段波束主要覆蓋中東與北非地區，用于商業和軍事應用。

2015年3月1日，美國太空探索技術（Space X）公司的獵鷹9 號運載火箭將美國衛星制造商波音網絡與空間系統公司（Boeing）研制的亞洲廣播衛星-3A衛星（ABS-3A）送入太空，ABS-3A衛星攜帶24路C頻段和24路Ku頻段轉發器，設計壽命15年，整星質量約2200千克，計劃定點于西經3°軌道位置。

2016年6月15日，波音衛星系統公司（BSS）制造的亞洲廣播衛星-2A（ABS-2A）由獵鷹-9（Falcon-9）火箭成功發射。

圖4 ABS-2衛星展開地面試驗

2.5 Outernet計劃[17]-[24]

2014年，美國媒體發展投資基金（MDIF）發起了外聯網（Outernet）項目，該項目計劃借助數以百計的人造衛星為全球提供全天候的免費Wi-Fi接入。Outernet整個衛星系統架構十分簡單：首先是利用低成本、批量化生產的立方體小衛星構成空間段；其次是尋求NASA等航天部門幫助，得到低價的衛星發射服務；最后是選擇內容提供商，通過地面網絡上傳給衛星，再借助于衛星向全球免費廣播無線信號。

MDIF計劃向近地軌道發射150余顆立方體衛星，并在地面建立基站向衛星發射數據流，在衛星上使用基于用戶數據報（UDP）的Wi-Fi多播技術，將解析后的數據轉換為無線網絡傳播到世界各地。值得注意的是，Outernet衛星網絡并不等同于Wi-Fi，因為它僅提供單向的廣播服務，而非地面互聯網的交互服務。其播發內容包括國際地區新聞、英國文化協會課程、軟件、音樂、視頻、各語種維基百科等內容，同時援救部門也可以通過Outernet接入緊急通信頻道。同時，由于國際電信聯盟（ITU）并未對微型衛星使用頻段作出規定，Outernet計劃使用的頻段與Wi-Fi頻段相同，若實現雙向通信，衛星將極易受到地面無線網絡的干擾。此外，考慮到播發信息安全，Outernet能否得到各國政府支持，也是該計劃需要考慮的重要因素。

2.6 SkyLAN星簇[25]-[26]

SkyLAN是由歐空局（ESA）主導開發的一個GEO衛星星簇網絡系統，它由一組較小的GEO衛星組成，衛星之間通過星間鏈路實現互聯互操作，從而完成一顆大衛星功能。SkyLAN系統實際上就是一個由多顆GEO衛星組成的空間網絡。它以標準化的星間通信接口為基礎，將通常由單顆通信衛星實現的功能分布到多顆不同的、更小的、處于同一軌道的衛星上。因此，SkyLAN是一個通過ISL交換信息，執行綜合。集成功能的衛星星簇。

意大利的阿爾卡特宇航公司（Alcatel Space）、西班牙的GMV公司、瑞士的康特拉弗斯公司、盧森堡的SES-Astra公司和加拿大的Telesat公司聚集了許多著名的航天業務和航天工程方面的專家，對SkyLAN進行了研究。研究的目標就是為三種不同任務評估SkyLAN概念在技術和財政上可行性。這三種任務是：移動衛星服務（MSS）任務，固定衛星服務FSS（FSS）任務和廣播衛星服務（BSS）任務。選擇這三種任務進行研究是因為它們均需要龐大的軌道資源，而現有的平臺并不能滿足其巨大的需求。MSS任務為全歐洲提供S波段的S-DMB（衛星數字多媒體廣播系統）服務，它是為實現廣播和多播服務而在3G移動網絡基礎上增加的系統。歐洲上空極高功率的衛星能讓移動網絡操作者通過前向鏈路給移動用戶手持終端傳輸豐富的多媒體信息。衛星廣播覆蓋范圍大的特點和它本身所具有的廣播特性，使其對這種S-DMB服務具有很強的適應能力和很高的性價比。但是，S-DMB系統衛星天線1∶3徑和功率消耗都很大，功耗超過14kW，這么大的系統在現有平臺上很難實現。FSS任務系統在全歐洲提供Ka波段多媒體寬帶業務服務。從帶寬和電路數量上來說，只有大容量衛星能達到高性價比的要求，以保證衛星系統從經濟上來說是可行的。該系統的寬帶有效載荷具有復雜的多波束天線，數百個接收、路由和發送通道。另外，為了再生和轉發數字信號，還需要很大的、功能很強的星上處理器。因此，也只有很重的高功率衛星能實現這些功能。

BSS任務在全歐洲提供Ku波段的語音電視廣播服務。盡管現在對衛星電視廣播服務的需求不大，但隨著小廣播公司直接接入衛星需求的增加和特定地區的語音廣播服務需求通常是基于語音和文化的特性，這種情況有望在幾年內改變。而且，未來衛星都希望占據熱點軌道位置，如19.2°E或13°E，并使用分配的所有Ku波段頻譜，以接入大量的用戶，也只有大的高功率衛星能提供這種服務。在以上三種情況下，大衛星面臨技術可行性的限制。接下來自然就考慮到基于SkyLAN概念的衛星星簇了。衛星星簇顯然是一種更加靈活的方法，到目前為止，ESA已經對數個功能分布原理和在數個小衛星上進行資源分配方法進行了評估。評估結果顯示，對于FSS任務，最好的方式是各衛星具有相同的覆蓋范圍和容量，ISL保證每顆衛星覆蓋范圍的全球連接。對于BSS任務，衛星星簇的形成需要兩個步驟，第一是分離星上處理功能并將其放在一顆專用衛星上，第二步將覆蓋范圍和容量分布到各彎管式衛星上。lSL將處理衛星和各彎管式衛星連接起來并擴展各彎管式衛星覆蓋區域。SkyLAN概念對MSS任務的吸引力很小，ISL不會給MSS任務系統帶來任何好處，這種任務的星簇需要的是小衛星之間的協同定位，而不星間連接。因此，該任務不適合SkyLAN概念，所以不予考慮。衛星之間的通信鏈路具有多種拓撲：星型、網狀、環形和總線型。雙環結構是FSS星簇的最好選擇。在雙環拓撲中，ISL是雙向的，數據流能在正反兩個方向上傳輸。這種拓撲的主要優勢是對故障具有更好的健壯性。星簇內所有衛星配置相同，具有相同的軟硬件。雙環拓撲相對網狀和星型拓撲，ISL的數量減少了，在路由上具有更高的靈活性，并且不需要中斷服務就可以添加新的衛星到星簇中。其缺點是，需要很大的ISL載荷，且在每顆交叉衛星（crossed satellite）中需要本地路由，以使數據流能在環中循環流動。具有處理衛星（hub衛星）的星型拓撲更適合于BSS任務。星型拓撲的選擇是由處理衛星的中心角色所決定的，其主要缺點是在hub衛星中，ISL終端數目巨大。整個星簇的軌道布置受備用衛星和SkyLAN定義的影響。在相同軌道窗口通過偏心率和傾角分離實現的協同定位被證明對ISL的操作是不利的。在白天，衛星彼此不斷旋轉，為了保持連續地ISL連接，要求在每顆衛星上布置數個ISL終端，并需要擴展掃描能力和進行復雜的切換。ESA已經評估了軌道布置和位置保持的數個場景，但是沒有一個對SkyLAN概念提出挑戰和質疑。

3 廣播衛星系統發展趨勢[27]、[28]

廣播衛星因其覆蓋面廣以及上世紀90年代以來視頻數字壓縮技術的突破（90∶1），使得投資少、見效快、頻譜利用率高、信號質量高、可靠性高、維護工作量少、運行成本低、接收系統成本低。全球通信廣播衛星需求旺盛，在軌、在研數量快速增長，近5年相繼發射了144顆通信廣播衛星。除傳統固定通信衛星外，高吞吐量通信衛星和下一代全球移動衛星星座等占據了訂單的大部分份額，新興國家和地區的通信市場需求帶動了全球通信廣播衛星市場的繁榮發展。未來，廣播衛星系統主要有以下發展趨勢：

3.1 技術更新換代，研制水平不斷提高

寬帶、視頻、高清電視、移動通信等業務需求決定了大功率、大天線、多點波束、頻率復用等技術得以應用；近5年全球發射的81顆GEO商業通信廣播衛星中50%的發射質量都大于5000kg，大型化發展趨勢明顯。

3.2 平臺承載能力與應用效率顯著提高

以“阿爾法平臺”（Alphabus）為代表的大型衛星平臺和以波音衛星系統-702SP平臺為代表的全電推進平臺是新一代通信廣播衛星平臺的發展方向，大型衛星平臺可支持多達200臺轉發器，有效載荷功率能力達18kW，全電推進平臺衛星2015年3月已完成首發星，并因效率高、成本低而持續受到市場的青睞。

3.3 天地網絡不斷融合

衛星通信與有線電視、寬帶互聯網、移動互聯網四業融合。目前，有線電視、寬帶互聯網、移動互聯網在數字媒體、信息服務行業已經占主流地位，其主要原因是地面網絡天然具有互動性和社交功能，而衛星通信則以單向廣播見長。但是，它們之間具有明顯的互補性。這為它們的相互融合提供了基礎。畢竟，衛星通信、有線電視、寬帶互聯網、移動互聯網都屬于信息服務業，相互融合是共同的發展趨勢，全網絡、全終端、全內容是共同的發展戰略。

3.4 創新技術廣泛運用

衛星通信業是典型的技術密集性行業，技術進步是衛星通信行業發展的主要推動力量。如直播技術、Ka頻段多點波束、衛星移動通信技術等。此外，地面移動通信的成果也在不斷被衛星通信所應用。