衛星移動通信系統關鍵技術探究

賈衛紅

（鶴壁天海電子信息系統有限公司 河南 鶴壁 458000）

1 引言

社會的發展大大推動了移動通信業務的發展，人們對移動通信服務的依賴程度越來越高，同時要求也越來越高。單純依靠地面移動通信系統已然無法滿足需求，發展衛星移動通信事業非常有必要。衛星有著巨大的覆蓋面積，僅僅需要3顆同步衛星便可以完成除北極之外所有地區的通信服務，可以滿足人們近距離和洲際通信的需求[1]。就目前的衛星移動通信系統來說，若是按照軌道來劃分，可以分為3種，即靜止軌道（GEO）、低軌道（LEO）、中軌道（MEO）。以其中的LEO系統為例來說，其擁有傳輸延時的特性，且路徑損耗小，更易實現全球覆蓋。在技術應用方面，目前所使用的技術以星上處理技術、天線技術、星間鏈路為主，有很好的應用優勢。為更好地促進衛星移動通信系統的發展，進一步明確和掌握衛星移動通信系統關鍵技術的應用要點尤為關鍵，要給予高度的重視。

2 衛星移動通信系統介紹

按照衛星運行軌道的不同，目前實現衛星移動通信服務的技術主要有兩種，一種是借助LEO來實現全球性的移動通信，最為典型的系統有兩種，即全球星（Globalstar）和銥星（Iridium）；另外一種是借助GEO和大型可展開多波束天線技術來實現全球性的移動通信，最為典型的系統有兩種，即澳大利亞衛星移動通信系統Mobilesat系統、北美衛星移動系統MSAT。

GEO與LEO兩種系統因為軌道高度有所不同，且衛星數量與質量方面也存在較大的差異，因而兩種系統有著較為顯著的風格特點，集中體現在傳輸性能、系統性能、衛星性能和成本經費。在傳輸性能上，GEO的傳輸延時可以達到半毫秒量級，實時性較差，且傳輸過程中的損耗會很大，而LEO的傳輸延時可以達到10毫秒量級，有很好的實時性能力，且傳輸過程所產生的能耗小。在系統性能上，GEO的系統建設相對來說較為簡單，與地面對星容易，不需要一些復雜性的跟蹤控制系統。更為重要的一點是，借助單顆衛星便可以有效開展業務。而LEO系統整體有著較高的復雜性，且難度大，需要完美的跟蹤控制系統。另外，只有當所有的衛星在軌道內運行時，才可以實現提供全球移動通信服務的目的。在成本費用方面，GEO的使用壽命較長，日常維護費用較低，有很高的性價比。而LEO無論是衛星研制還是維護費用均有一定的復雜性，且所花費的費用高于GEO。總的來說，兩種衛星移動通信系統有著各自顯著的優勢與不足，在使用時需要充分考慮這些因素，若是要實現人口密集區域的移動通信服務，則可以優先考慮使用GEO系統，若是要建立無縫覆蓋的移動通信系統，則可以優先考慮使用LEO系統。

3 衛星移動通信系統關鍵技術的應用要點

3.1 星上處理技術

對于移動通信系統來說，所存在的傳輸延時、傳輸質量不佳和系統容量低的問題往往會導致移動通信質量受限，為很好地解決這一類問題，要求衛星必須擁有星上交換、調制解調、波束成型等諸多的星上處理能力。目前來看，衛星移動通信系統中的星上處理技術主要有3種，即星上處理交換、全透明轉發、部分處理交換。星上處理技術可以通過數字的方式來實現，其顯著優勢在于有很高的資源利用率，且通信服務的實時性顯著，但也存在著一些突出的缺點，比如當前的技術體制還不夠成熟，導致實際應用時的適應性不足，且極易受到空間輻射的影響，導致穩定性和可靠性較差[2]。結合當前階段我國的衛星事業發展情況來看，星上處理技術應用在GEO衛星系統上還無法有效實現，但要想解決衛星通信傳輸延時這一不足，必須發展好星上處理技術。對于LEO衛星系統來說，因為無法在全球范圍內建立信關站，因而必須使用星上處理技術，以此來實現全球范圍內的移動通信。

3.2 天線技術

通信衛星天線的發展經歷了很長的時間，在此過程中出現了很多形式的天線，包括標準圓的簡單天線、反射器賦形的天線與多饋源波束賦形的天線、多波束成型大天線。以多波束成型大天線為例來說，當前有較為廣泛的應用，尤其是在GEO系統中應用效果良好，比如Thuraya系統的12.25 m口徑天線，可以產生250～300個波束，再比如InmarsatⅣ系統也采用了多波束天線。對于LEO衛星系統來說，其天線設計主要有4種形式，即雙柵、但饋源、正交、反射器賦形，比如Globalstar系統采用了S波段的有源相控陣天線。

就目前天線技術的應用與發展來看，可以有效提升頻譜利用率的途徑主要有3種，一種是利用天線的波束成形，一種是多點波束蜂窩結構，另一種是智能天線技術。3種途徑均可以很好地實現頻率再利用的目標。若是選擇將天線技術與多址技術有機結合起來，勢必可以很好地提升衛星通信上行與下行的通信能力，尤其是可以提升衛星通信下行的通信能力。

3.3 星間鏈路技術

星間鏈路技術可以很好地連接相鄰衛星，屬于一種通信鏈路，其優勢在于可以將星座中的各個衛星連接成為一體，由此可以確保系統內用戶的通信鏈路不再需要地面通信網的支撐。通過應用星間鏈路技術，可以大大提升整個移動通信系統的抗干擾能力和抗摧毀能力，能夠由此擴大系統的覆蓋范圍[3]。就LEO衛星系統來說，其因為覆蓋范圍很小，通常情況下是無法有效設置固定地球站的，而選擇使用星間鏈路技術時，可以此來對衛星加以控制，移動用戶可以通過星間鏈路接入到地面通信網絡中去。目前來看，使用星間鏈路技術的只有一種系統，即LEO衛星的Iridium系統。

就星間鏈路技術的應用形式來說，其主要有兩種形式，即激光通信和微波通信，以微波通信技術的應用最為常見。微波通信技術雖然有著較為廣泛的應用，但實際應用時也存在著一些較為明顯的不足，比如應用過程中極易受到頻帶寬度、體積、價格等多方面因素的影響，因而無法大限度地去提升傳輸速率。對于激光通信來說，其也有顯著的應用優勢，所擁有的寬廣頻譜帶寬可以很好地提升衛星通信的潛在容量，在減少衛星載荷體積和重量中發揮著重要的作用[4]。更為重要的一點是，目前所使用的激光通信技術可以實現廣域大跨越的單跳連接，能夠減小通信延時。但激光通信技術在應用時的缺點也是十分顯著的，比如若是選用激光星間鏈路技術，則要求有著十分良好的衛星姿態控制能力，尤其是要確保衛星姿態始終處于穩定狀態，原因在于衛星姿態一旦不穩定則極易導致移動通信發生中斷。

4 衛星移動通信系統的未來發展

對于一個國家來說，衛星移動通信系統屬于國家通信和航天領域高度發展的重要標志，同時也是一個國家通信基礎設施建設的補充手段，是必須擁有的尖端技術。目前來看，雖然近些年來我國在衛星移動通信系統事業上取得了很好的成效，但與發達國家相比還存在著很大的差距，且星上數字處理技術被一些國家所壟斷。總的來說，我國目前還沒有建設出自主研發的衛星移動通信系統，可以覆蓋到我國的GEO衛星有Aces和Inmarsat系統，但是因為衛星的用戶鏈路多采用L/S波段，如何搶占有限的空間資源與業務尤為關鍵。因此，必須進一步加大衛星移動通信系統的自主研發力度，建設屬于自己的衛星移動通信系統。結合我國當前在衛星移動通信系統建設中的諸多因素，今后衛星移動通信系統建設應該有一個明確的方向。

在衛星移動通信系統建設思路上，要將區域覆蓋作為重點，將兼顧全球作為輔，將寬帶業務作為重點發展業務，并綜合利用LEO和GEO衛星，更好地支持小型的手持終端，確保可以實現實時語音服務。另外，要將滿足軍事通信作為衛星移動通信系統建設與發展的重要目標之一，前期的投資可以依靠軍隊，后續的發展可以通過商用來實現。按照當前我國在衛星移動通信系統建設上所取得的成就來說，衛星移動通信系統的發展是有著很好的技術支撐和資金支撐的，提供服務的能力也大大增強。今后要將衛星移動通信系統的建設工作放在4個點上：（1）促進衛星系統獨立建網；（2）促進衛星移動通信系統可以與地面網絡有更好的融合；（3）拓寬業務；（4）發展好個人移動衛星通信。在衛星系統獨立建網上，今后要降低對地面電信網的依賴程度，并最終不去依賴地面電信網，確保可以直接向公眾提供通信服務。在多業務開發上，目前衛星通信業務已然呈現出多元化的特點，兼容多種服務的綜合衛星業務可以為人們提供更多的優質服務，在地面業務傳輸網中發揮著重要的作用。更為重要的一點是，將衛星移動通信系統與地面通信網聯合使用時，可以打造一種覆蓋全球的海陸空立體通信網絡體系。在個人移動衛星通信發展上，要發揮好衛星移動通信系統覆蓋范圍廣泛、可靠性強、傳輸效率高的優勢，進一步發展好移動通信業務，更好地保證個人移動衛星通信的安全性與穩定性。就當前階段個人移動衛星通信的發展情況來說，在民用領域已經得到了十分廣泛的應用，尤其是在遠洋運輸、航海、石油天然氣勘探、遠程教育、科學考察、林業病蟲害監測中的應用十分普遍和有效。

5 結語

衛星移動通信系統對于一個國家的發展尤為重要，必須積極做好衛星移動通信系統的建設工作。隨著5G技術的發展，其大大提升了衛星移動通信系統的實用性和應用效率，對推動衛星移動通信系統發展有重要的意義。今后要認清楚衛星移動通信系統發展的機遇與挑戰，進一步加大對衛星移動通信系統的研究力度，以此發揮好衛星移動通信系統的諸多優勢。