衛星通信發展展望

張俊祥

(通信網信息傳輸與分發技術重點實驗室，河北石家莊050081)

0 引言

第2次世界大戰促進了導彈和微波技術的發展，這2種技術的綜合開創了衛星通信的應用。1957年蘇聯成功發射第1顆人造衛星(sputnik)，標志著人類進入了空間時代。衛星通信經過了60年代的發展初期，70～80年代的成熟期，90年代的低速發展期。進入新世紀以后，受地面通信網絡技術的啟發和影響，以衛星移動通信和多媒體衛星通信［1，2］技術為代表把衛星通信又帶入了一個新的發展時期。衛星平臺技術、數字信號處理技術和器件技術的發展，能夠使得新一代衛星通信系統采用更為復雜的星上和地面技術，以技術的復雜度換來了系統容量的擴展。

1 歷史回顧

衛星通信的發展初期有下面幾個典型試驗為標志:1958年美國艾森海威爾總統通過SCORE衛星廣播發表圣誕祝福，1960年發射回聲衛星(ECHO)，并利用COURIER衛星進行存儲—轉發傳輸試驗;1962年第1顆同步衛星SYNCOM發射成功。1964年國際衛星通信組織(INTELSAT)成立，1965年第1顆商用同步衛星INTELSATⅠ(或“早鳥”)發射成功，標志著商用衛星通信進入實用階段。這時的衛星工作在C頻段，衛星通信地球站尺寸較大，天線口徑達30 m，采用模擬的FM/FDMA技術體制，這就是衛星通信發展的初期［3］。

70年代到80年代中期是衛星通信發展的成熟時期，這個階段發展的典型標志是衛星大功率、Ku頻段投入使用，多址接入方式多樣化，開發了SCPC、IDR、IBS以及TDMA等方式，調制制度以恒包羅的PSK數字調制為主要方式。這個時期衛星通信的應用仍然以面向干線通信應用為主。

進入80年代，隨著衛星功率的提高、集成電路技術、射頻器件技術以及編碼和調制等數字信號處理技術的成熟，VSAT應運而生，使得衛星通信的應用可以面向小型用戶并得到了迅速的普及。

進入90年代以“銥”系統為代表的低軌星座移動衛星通信系統，代表了當時民用衛星通信技術的最高水平。但由于受到地面光纖和地面蜂窩移動技術發展的影響，整個衛星通信市場進入了低速增長期。

2 新的發展時期

衛星通信經歷了90年代中期以后短暫的失落期，也就是在這個期間卻醞釀著一個衛星通信新時期的到來。進入新世紀以后，衛星通信從系統到技術都進行了革命性的升級換代。這個時期Ka頻段得到廣泛應用，系統的發展主要從2個方面比較突出，支持手持機的窄代移動衛星通信系統以及支持個人用戶的寬帶多媒體系統。這些系統主要有下面一些特征［4］。

2.1 技術方面

①系統設計理念變化:衛星通信系統從開始時的點到點應用，到簡單組網應用，再到現在的復雜網絡，從系統設計理念上，有一個從技術層面到應用和運營層面的轉變;技術的復雜性使得系統管理復雜化，卻帶來了應用的簡單化。

②衛星平臺和載荷技術得到大力發展:這個時期衛星平臺分大衛星和小衛星，大衛星平臺越來越大，在軌工作壽命提高(15年以上)，衛星提供的功率大大提高(能給載荷提供萬瓦以上的功率)，衛星載荷重量提高(達上千公斤)。在小衛星平臺方面向小型化、低成本和一箭多星發射的方向發展。

由于平臺能力的提升，衛星有效載荷能力得到提高，星載大型可展開天線和相控陣天線得到應用，有效地提高了衛星的G/T值和EIRP。數字多波束形成、數字信道化器技術的采用以及星上處理和交換能力的提高，更提升了衛星能力。單顆衛星的轉發器數量從最初的幾個，到后來的幾十個，現在則可以到數百個甚至上千個。

③點波束和頻率復用技術的應用:衛星通信在受到地面網絡擠壓的同時也從地面網絡技術的發展上吸取經驗，新型衛星通信系統基本都采用了點波束覆蓋，單顆衛星的波束數量從幾十個到幾百個，通過點波束間的頻率復用，使得系統的可用帶寬得到提高，甚至一個新型衛星提供的可用帶寬相當于5～20顆上一代衛星提供的帶寬，從而使得系統容量提高并降低運營成本和用戶使用成本。

2.2 應用方面

①面向用戶和業務需求的變化:從面向節點和團體小用戶到面向大量的個人用戶。由于可用帶寬增加，使得系統對用戶數量的支持能力大大提高(比如一個同步衛星移動通信系統能夠支持200萬個用戶)，從而形成規模效益。通信業務從以前的主要以話音業務為主轉變為以視頻、數據、Internet和話音等綜合業務，形成通信業務與廣播、點播業務相結合。

②移動衛星通信方面支持手持機:現在無論是低軌星座系統還是同步軌道的系統，都能做到支持手持機之間的通信，手持機的大小基本和地面蜂窩系統的手機可比擬。有的系統還支持雙模或多模手機。

③在寬帶多媒體衛星通信方面支持便攜的小型終端:0.5 m口徑以下的小型化終端支持信息下載速率可達每秒幾十兆比特。

2.3 典型系統

2.3.1 移動通信系統

90年代末以來相繼出現了十數個移動衛星通信系統的計劃，這些系統各有特點，按衛星軌道高度可分為低軌、中軌和高軌系統;按覆蓋范圍有區域系統和全球系統等。比較有代表性的系統有以下幾個［5］。

(1)靜止軌道衛星移動通信系統

靜止軌道衛星移動通信系統中，提供全球覆蓋的有國際移動衛星通信系統(Inmarsat)，提供區域覆蓋的亞洲蜂窩衛星系統(ACeS)、瑟拉亞(Thuraya)衛星系統和SkyTerra系統等。

①國際移動衛星系統

Inmarsat系統是由國際移動衛星公司經營的全球衛星移動通信系統。自1982年開始經營以來，該系統衛星已發展到第4代。現在Inmarsat是世界上唯一能為海、陸、空各行業用戶提供全球化、全天候、全方位公眾通信和遇險安全通信服務的系統。

② ACeS系統

ACeS系統是由印度尼西亞等國家建立起來的區域性個人衛星移動通信系統，覆蓋東亞、東南亞和南亞地區。ACeS系統能夠向地面上固定式、移動式、便攜式和手持式等各類用戶終端提供話音、傳真、低速數據以及因特網服務等業務。

③ Thuraya系統

Thuraya系統是一個由總部設在阿聯酋阿布扎比的Thuraya衛星通信公司建立的區域性靜止衛星移動通信系統。Thuraya系統的衛星網絡覆蓋包括歐洲、北非、中非、南非大部、中東、中亞、南亞和東亞的部分地區等110個國家和地區，約涵蓋全球1/3的區域，可以為23億人口提供衛星移動通信服務。Thuraya系統終端整合了衛星、GSM、GPS 3種功能，向用戶提供語音、短信、數據(上網)、傳真和GPS定位業務。

④ SkyTerra系統

SkyTerra公司(原稱MSV:Mobile Satellite Ventures)的SkyTerra系統通過結合衛星和地面技術，在全美國范圍內提供3G-LTE無線寬帶網絡。現有的支持WiFi的設備，如PC、筆記本等，可以通過數據卡、嵌入式Modem和路由器等連接到衛星網絡。系統的另一個特點是采用了輔助地面組件技術(ACT技術)，通過它的應用，可以實現衛星網絡與地面網絡的無縫集成，用戶在衛星網絡與地面網絡之間可以實現透明的轉換。

(2)中軌道衛星移動通信系統

中軌道衛星移動通信系統軌道高度約為10 000 km，中軌衛星移動通信系統中最廣為人知的是Odyssey系統和ICO系統，另外歐空局也曾設計了一個MAGSS-14系統，但由于一些商業原因，它們均已被取消或到目前仍未成功運行。

(3)低軌道衛星移動通信系統

低軌系統信號路徑衰耗小，信號時延短，可做到真正的全球覆蓋。因此低軌衛星移動通信系統廣受關注，典型的低軌衛星移動通信系統有Iridium和Globalstar。

①Iridium系統

銥系統星座由66顆軌道高度為780 km的低軌衛星組成，1998年11月開始商業運營。該系統可實現包括兩極地區的全球覆蓋。星上采用多點波束相控陣天線并進行再生處理和交換。星間具有星際鏈路，是最先進的低軌衛星通信系統。Iridium提供電話、傳真、數據和尋呼等業務，用戶終端有手持、車載和固定終端。

② Globalstar系統

全球星系統星座由48顆軌道高度為1 414 km的低軌衛星組成，1999年開始商業運營。星上采用透明轉發、多波束天線，用戶鏈路采用L/S頻段，饋電鏈路為C/X頻段，向用戶提供尋呼、傳真、短數據和定位等業務。用戶終端有手持、車載、機載和船載等移動終端，以及半固定和固定終端。

2.3.2 寬帶多媒體系統

具有代表性的寬帶多媒體衛星有阿尼克-F2(Anik-F2)、iPSTAR及太空之路-3(Spaceway-3)等衛星。

(1)阿尼克-F2系統

阿尼克-F2衛星是2004年7月發射的加拿大電信衛星公司(Telesat)經營的世界上第1顆面向大眾消費者的商用寬帶衛星，它具有94臺轉發器，其中C頻段24臺、Ku頻段32臺、Ka頻段38臺，其中Ka頻段還有38個點波束，小部分轉發器有星上處理功能。

(2)IPSTAR系統

IPSTAR是泰國的Shin衛星公司為滿足Internet和多媒體業務在2005年8月11日發射的衛星，波束覆蓋亞太地區22個國家，使用頻率為Ku/Ka混合頻段，可為亞太地區提供84個Ku頻段點波束，3個Ku頻段賦形波束，7個地區廣播波束和18個Ka波段點波束覆蓋。上行信息速率192 kbps～2 Mbps，下行接收4 Mbps/8 Mbps。

(3)SpaceWay系統

美國的“太空之路(SpaceWay)”系統由16顆高軌(GEO)衛星和20顆中軌(MEO)衛星組成。從2005～2007年共發射了3顆衛星，采用Ka頻段，衛星設置了784個下行波束和112個上行波束，SpaceWay-3衛星還進行了星上信號處理。支持0.66 m口徑終端，發射信息速率為16 kbps～6 Mbps，接收信息速率16～30 Mbps。

目前國際上容量最大的2個寬帶衛星系統是美國衛訊公司與美國勞拉公司的衛訊-1(ViaSat-1)和歐洲衛星通信公司的“Ka頻段衛星”(Ka-Sat)。

(4)ViaSat-1系統

ViaSat-1衛星于2011年10月發射，定點在西經115°，設計壽命15年。它采用大容量的Ka頻段點波束技術，有18個信關站，能以更高的速率服務于更多的寬帶用戶，總容量達到130 Gbit/s，超過了現今覆蓋北美的雙向Ka、C和Ku頻段的全部容量之和。

(5)Ka-Sat系統

Ka-Sat衛星于2010年12月發射，也是一顆大容量的Ka頻段寬帶衛星，它采用衛訊公司的“沖浪波束2”(SurfBeam2)系統來支持雙向寬帶服務，該衛星配置了82個點波束，這些點波束與10個信關站相連接，每個點波束容量為900 Mbit/s，總容量超過70 Gbit/s。

這些衛星以多種頻段(C、Ku和 Ka)、多極化(圓和線)和多波束(全球、半球、區域、點波束)分別覆蓋各個服務區。服務區內用戶根據業務需要使用各種體制和標準的地球站，組成各種衛星通信系統。

3 發展展望

進入新世紀以后，衛星通信系統的技術發展和應用水平又一次達到新的高度，新的設計理念和新型技術的采用使得這個傳統的通信手段煥發了活力。從最近幾年的情況來看，衛星通信的發展是面向個人化和寬帶化［6］。展望衛星通信發展的未來，總的趨勢是:

(1)技術復雜、應用簡單

衛星通信系統設計和技術處理具有越來越復雜的趨勢，這是由于空間技術、器件技術和計算機技術等取得了巨大的進步，對于設計一個復雜系統來講顯得更加得心應手。技術的復雜換來操作使用的簡單化，現在衛星終端面向的是沒有衛星通信專業技術知識的個人，這更加有利于衛星通信的推廣應用。為增加用戶容量、提高傳輸帶寬和降低運營成本，必然使得衛星載荷技術越來越復雜。對星載天線、星上處理和星際鏈路都會提出更高的要求，使得星上EIRP和G/T值更高，從而減小用戶終端體積和功耗;星際鏈路和星上交換會使得用戶可以獲得更好的服務質量;更多的天線波束使得頻率復用倍數增加，從而增加用戶容量并降低運營成本。

(2)與地面通信網絡進一步融合

地面通信運營商通過發射衛星補充其網絡覆蓋范圍，原有的衛星移動通信運營商也試圖通過新技術完成對地面網絡的覆蓋。隨著衛星通信容量的擴大和單用戶成本的降低，衛星技術與地面技術的結合越來越普遍。

移動衛星通信的發展朝著支持多用戶并與地面系統互操作等的方向發展，現有衛星移動通信系統中的手持機支持地面的移動通信網絡，未來的移動衛星通信系統還會朝著與3G和4G相結合的方向發展，并做到和地面系統的相互支持。寬帶多媒體系統朝著應用終端更加小型化和便攜的方向發展，從空間段來講支持高軌、中軌和低軌系統的聯合組網，從應用段來講支持高速Internet數據下載、視頻廣播和點播等業務。

(3)與其他衛星信息系統的融合

目前衛星移動通信與衛星定位兩者都獲得了很好的發展，而兩者之間服務的結合也成為一種新的趨勢。多個衛星移動通信系統終端可支持基于GPS的衛星定位服務，而我國的“北斗”導航衛星系統在提供導航定位服務的同時，還可提供短報文通信服務。隨著衛星定位的應用越來越廣泛，衛星定位服務與衛星移動通信相結合也將越來越普遍。

隨著技術發展，衛星平臺的能力會進一步提升，利用移動通信衛星搭載各類載荷可實現對地觀測，情報收集、處理和分發，形成綜合航天信息系統，這在未來的科學研究和軍事綜合信息系統上都有廣泛的應用前景。

(4)向更高的頻段發展

未來的衛星通信還會向著Q/U頻段，甚至激光鏈路的方向發展，用來支持大型節點的高速數據或國際干線間的點到點傳輸。

(5)衛星通信終端將向智能化的方向發展

隨著器件、處理器能力的更加強大，衛星通信終端數字化處理會向中頻甚至射頻前移，衛星通信終端和計算機融為一體，終端可以通過對不同衛星網絡的信號分析進行選擇性入網，而不再受某種體制和網絡的限制。

從長遠來看，地球上大部分的陸地和海洋是地面網絡永遠覆蓋不到的地方，衛星通信是一個不可替代的通信手段。衛星通信產業是一個高投入、高風險的產業。衛星通信系統是國家關鍵的基礎設施，是高精尖技術，對經濟、社會發展和國家安全至關重要，在處理各類突發事件和應急保障方面保持通信暢通是綜合國力的體現，也體現國家在高新技術領域的綜合實力。我們正面臨著衛星通信系統和技術換代升級的新發展機遇期，同時也帶來了巨大挑戰，因此衛星通信技術和產業的發展應該:

①以國家的意志投入、扶植和培育衛星通信產業的發展，制定產業發展規劃，理清產業和技術發展思路;②通信衛星軌道位置和使用頻譜是稀缺資源，需站在戰略高度，各部門通力合作在ITU規則之下制定我國的長遠發展策略;③制定產業發展鼓勵政策，鼓勵民營資本積極參與到衛星通信的產業中來，形成有序的競爭機制;④ 加強衛星通信及相關專業人才隊伍的培養和建設。

4 結束語

以支持手持終端為特征的移動衛星通信和以支持小口徑終端個人應用的寬帶多媒體衛星通信是衛星通信領域2個重要的發展方向。衛星通信在與地面網絡競爭的同時，也在不斷地吸收地面通信網絡發展的先進技術，并走向與地面網絡的互補和融合。與國外的先進水平相比，我國在衛星通信領域，無論從設計觀念還是從技術上都還存在著較大的差距。在關鍵技術方面，技術先進國家對我們有很多出口限制，立足于自力更生是一條唯一正確的道路。

［1］ GERARD MARAL.Satellite Communication Systems——Systems，Techniques and Technology(Fourth Edition)［M］.USA:WILLEY＆SONs LTD，2001.

［2］ 呂海寰，蔡劍銘，甘仲民，等.衛星通信系統［M］.北京:人民郵電出版社，1994.

［3］ WHITEFIELD D，GOPAL R，ARNOLD S.Spaceway Now and in the Future:On-Board IP Packet Switching Satellte Communication Network［C］∥Milcom，MILCOM 2006，2006:1-7.

［4］ 王毅凡，王琦.通信衛星發展現狀及趨勢分析［J］.國際視窗，2010(7):22-25.

［5］ 徐烽，陳鵬.國外衛星移動通信新進展與發展趨勢［J］.電訊技術，2011，51(6):156-161.

［6］ 閔士權，朱曼潔.衛星通信現狀與發展［C］∥中國衛星應用大會，2008:451-463.