今日移動(dòng)通信衛(wèi)星發(fā)展

龐之浩

（北京空間科技信息研究所，北京 100086）

今日移動(dòng)通信衛(wèi)星發(fā)展

龐之浩

（北京空間科技信息研究所，北京 100086）

由于衛(wèi)星移動(dòng)通信具有不受地理障礙約束和用戶運(yùn)動(dòng)限制的優(yōu)勢(shì)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)海洋、山區(qū)和高原等地區(qū)近乎無(wú)縫的覆蓋，能滿足各類用戶對(duì)移動(dòng)通信覆蓋性的需求，為此，它已成為衛(wèi)星通信發(fā)展的主要潮流之一。目前，高、低軌道移動(dòng)通信衛(wèi)星正并存發(fā)展，它們各有所長(zhǎng)，且都在不斷更新?lián)Q代，以提高性能和競(jìng)爭(zhēng)力。

移動(dòng)通信衛(wèi)星；技術(shù)狀態(tài)；衛(wèi)星能力；發(fā)展趨勢(shì)

1　靜止軌道移動(dòng)通信衛(wèi)星

1.1衛(wèi)星總體概述

最早問(wèn)世的移動(dòng)通信衛(wèi)星是靜止軌道移動(dòng)通信衛(wèi)星，至今已發(fā)展了四代。第一代靜止軌道移動(dòng)通信衛(wèi)星采用全球波束，容量較小；第二代靜止軌道移動(dòng)通信衛(wèi)星開(kāi)始采用區(qū)域波束，并通過(guò)頻率復(fù)用技術(shù)增加容量；第三代靜止軌道移動(dòng)通信衛(wèi)星能形成上百個(gè)點(diǎn)波束，載荷采用數(shù)字化，可實(shí)現(xiàn)用戶間的直接通信以及靈活分配衛(wèi)星的功率、帶寬和波束；第四代靜止軌道移動(dòng)通信衛(wèi)星采用輔助地面組件（ATC）等技術(shù)為用戶提供天地融合的衛(wèi)星-地面移動(dòng)通信系統(tǒng)，提供4G服務(wù)。

目前，在軌提供業(yè)務(wù)的主要是第三代、第四代靜止軌道移動(dòng)通信衛(wèi)星，其中，第三代衛(wèi)星的主要技術(shù)特征是采用多波束形成技術(shù)、大型通信衛(wèi)星平臺(tái)技術(shù)、大型可展開(kāi)天線技術(shù)、星上處理和交換技術(shù)，其典型衛(wèi)星是國(guó)際移動(dòng)衛(wèi)星-4（Inmarsat-4）、阿聯(lián)酋的“瑟拉亞”（Thuraya）衛(wèi)星和印尼的“格魯達(dá)”（Gaurda）衛(wèi)星；第四代衛(wèi)星的主要技術(shù)特征是采用地基波束成形技術(shù)（GBBF）、大型可展開(kāi)天線技術(shù)、輔助地面組件技術(shù)等，其典型衛(wèi)星是美國(guó)地網(wǎng)星-1（TerreStar-1）、天地通-1（SkyTerra-1）和中圓軌道-G1（ICO-G1，又叫DBSD G1）衛(wèi)星。

第三代、第四代靜止軌道移動(dòng)通信衛(wèi)星之所以都采用大型可展開(kāi)天線技術(shù)，是為了增強(qiáng)衛(wèi)星性能，縮小用戶終端的尺寸，其中第四代衛(wèi)星的天線更大。未來(lái)，衛(wèi)星通信終端與地面通信終端的兼容性還將進(jìn)一步提高，從而能大大增加衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)進(jìn)軍地面無(wú)線通信市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力。

第四代采用的輔助地面組件技術(shù)是一種用于衛(wèi)星移動(dòng)通信的輔助地面基站，能夠解決衛(wèi)星信號(hào)在高樓林立的城市以及室內(nèi)覆蓋性不佳的問(wèn)題。衛(wèi)星和大量輔助地面基站組合在一起可以很好實(shí)現(xiàn)大區(qū)域無(wú)縫覆蓋，終端可以自動(dòng)地在輔助地面基站和衛(wèi)星之間進(jìn)行無(wú)縫切換，即在有地面網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地區(qū)使用地面網(wǎng)絡(luò)，在沒(méi)有地面網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地區(qū)使用衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，從而大大降了低用戶的使用成本，也吸引了地面移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商的關(guān)注。該技術(shù)在發(fā)生自然災(zāi)害或地面通信設(shè)施覆蓋不到的極限環(huán)境下，更能發(fā)揮巨大的作用。

1.2第三代典型衛(wèi)星

現(xiàn)在，可用于國(guó)際衛(wèi)星移動(dòng)通信業(yè)務(wù)的靜止軌道移動(dòng)通信衛(wèi)星只有國(guó)際移動(dòng)通信衛(wèi)星，現(xiàn)有大約10顆衛(wèi)星在軌工作，其中包括第二代移動(dòng)通信衛(wèi)星——國(guó)際移動(dòng)衛(wèi)星-3、第三代移動(dòng)通信衛(wèi)星——國(guó)際移動(dòng)衛(wèi)星-4。2013年發(fā)射的首顆國(guó)際移動(dòng)衛(wèi)星-5主要用于寬帶多媒體通信，它屬于第四代還是第五代目前尚無(wú)定論。

“國(guó)際移動(dòng)衛(wèi)星”是由國(guó)際移動(dòng)衛(wèi)星公司運(yùn)營(yíng)的全球移動(dòng)通信衛(wèi)星系統(tǒng)。它通過(guò)有限的帶寬頻率資源，使用需分多址方式為全世界提供了將近15萬(wàn)只通信終端的服務(wù)業(yè)務(wù)。它可提供傳統(tǒng)的移動(dòng)話音業(yè)務(wù)、低速率數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、高速互聯(lián)網(wǎng)接入，以及全球海上遇險(xiǎn)與安業(yè)務(wù)全服務(wù)。2005年～2008年期間發(fā)射的4顆國(guó)際移動(dòng)衛(wèi)星-4由歐洲阿斯特留姆公司研制，是目前國(guó)際衛(wèi)星移動(dòng)通信的“主力軍，比國(guó)際移動(dòng)衛(wèi)星-3容量大20倍，可提供全球?qū)拵Ь钟蚓W(wǎng)（BGAN）業(yè)務(wù)，并支持手持機(jī)通話業(yè)務(wù)。每顆國(guó)際移動(dòng)衛(wèi)星-4上裝有1個(gè)直徑9m的展開(kāi)式大型天線，可產(chǎn)生228個(gè)點(diǎn)波束、19個(gè)區(qū)域波束、1個(gè)L頻段全球波束和1個(gè)C頻道全球波束，數(shù)據(jù)傳輸速率最高為432kb/s。其信道總數(shù)超過(guò)600個(gè)，每個(gè)信道帶寬為200kHz。由于該衛(wèi)星采用星上處理技術(shù)在波束間進(jìn)行信道重分配，所以可通過(guò)組合產(chǎn)生寬帶信道，更好地與功率和帶寬資源相匹配。國(guó)際移動(dòng)衛(wèi)星-4綜合了高低端多種業(yè)務(wù)模式，采用高效的頻率復(fù)用技術(shù)，在有限L頻段的帶寬資源情況下，實(shí)現(xiàn)了容量和多樣化的雙佳選擇。它所采用的新技術(shù)可最大限度地節(jié)約衛(wèi)星資源、提高有效功率，使得用戶終端小型化、綜合一體化以及通信高質(zhì)量和系統(tǒng)高可用度得到有效保證。

鏈接：國(guó)際移動(dòng)衛(wèi)星-5由美國(guó)波音衛(wèi)星系統(tǒng)公司研制，將總共發(fā)射4顆，用于提供全球首個(gè)高速移動(dòng)寬帶服務(wù)，以及高質(zhì)量的視頻、語(yǔ)音和數(shù)據(jù)服務(wù)。它與現(xiàn)有L頻段移動(dòng)通信衛(wèi)星不同，采用Ka頻段點(diǎn)波束設(shè)計(jì)，每顆衛(wèi)星攜帶 72 臺(tái)轉(zhuǎn)發(fā)器，能夠形成 89 個(gè)固定點(diǎn)波束和 6 個(gè)可轉(zhuǎn)向波束，滿足高密集地區(qū)市場(chǎng)應(yīng)用需要，響應(yīng)全球熱點(diǎn)事件。通過(guò)國(guó)際移動(dòng)衛(wèi)星-5，用戶能夠享受 5/50 Mb/s 的數(shù)據(jù)下載速度，實(shí)現(xiàn)全球無(wú)縫寬帶漫游。海事/陸地終端的口徑能夠達(dá)到 60cm/1m，航空終端的口徑能夠達(dá)到30cm & 60cm的量級(jí)。

美國(guó)為印尼和阿聯(lián)酋研制并發(fā)射的“格魯達(dá)”和 “瑟拉亞”地球靜止軌道移動(dòng)通信衛(wèi)星可為個(gè)人手機(jī)提供區(qū)域移動(dòng)通信服務(wù)，它們都裝有直徑12m多的大型高功率天線，可形成上百個(gè)點(diǎn)波束，使其EIRP大大提高。

印尼的“格魯達(dá)”由美國(guó)洛馬公司研制，于2000年2月12日發(fā)射，是世界首顆支持手持機(jī)移動(dòng)通信的地球靜止軌道通信衛(wèi)星，裝有兩副直徑12m的收發(fā)大型傘狀天線，利用L頻段與用戶終端進(jìn)行通信；采用星基波束成形技術(shù)，形成收發(fā)各140個(gè)點(diǎn)波束，可實(shí)現(xiàn)20倍的頻率復(fù)用，能容納200萬(wàn)個(gè)用戶，具有1萬(wàn)路同時(shí)通話的容量，可為地面移動(dòng)用戶以及地面通信網(wǎng)絡(luò)無(wú)法覆蓋的固定用戶提供話音、傳真、數(shù)據(jù)和尋呼等移動(dòng)通信業(yè)務(wù)，地面用的手機(jī)由愛(ài)立信公司制造。

2000年10月20日，美國(guó)波音公司為阿聯(lián)酋研制的瑟拉亞-1衛(wèi)星升空，它是世界上第二顆地球靜止軌道區(qū)域個(gè)人移動(dòng)通信衛(wèi)星。2003年和2008年又陸續(xù)發(fā)射了瑟拉亞-2，3。“瑟拉亞”衛(wèi)星使用了增強(qiáng)的有源相控陣天線與數(shù)字信號(hào)處理器相結(jié)合的多波束形成技術(shù)，可以改變波束指向，實(shí)現(xiàn)波束變形，進(jìn)行信道組合與切換，從而能夠根據(jù)地面通信容量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。其收發(fā)共用天線的直徑為12.25m。整星具有13，750路同時(shí)通話的容量。地面使用的多模式手機(jī)可兼容衛(wèi)星、GSM和GPS業(yè)務(wù)。

多波束形成技術(shù)可以優(yōu)化形成波束，改善天線的EIRP和G/T值，實(shí)現(xiàn)部分的在軌波束重構(gòu)，并可支持星上單跳業(yè)務(wù)。其基本原理是通過(guò)對(duì)多饋源信號(hào)的加權(quán)求和操作形成多個(gè)波束，這些權(quán)值稱作波束成形系數(shù)。波束成形系數(shù)可以根據(jù)預(yù)先的計(jì)算進(jìn)行預(yù)置，也可以根據(jù)系統(tǒng)需求進(jìn)行在軌波束重構(gòu)。

1.3第四代典型衛(wèi)星

2008年4月14日發(fā)射的美國(guó)中圓軌道-G1是首顆使用DVB-SH標(biāo)準(zhǔn)的移動(dòng)視頻廣播衛(wèi)星，天線直徑15.8m。它首次使用了地基波束成形技術(shù)，可以形成250個(gè)發(fā)送及250個(gè)接收的S頻段波束。其用戶鏈路采用與地面移動(dòng)3G系統(tǒng)相近的頻率，以有利于與地面系統(tǒng)的互聯(lián)互通，也有效地提高了頻譜的利用率。該衛(wèi)星主要面向汽車等移動(dòng)載體提供實(shí)時(shí)的移動(dòng)視頻、數(shù)據(jù)等業(yè)務(wù)，同時(shí)也向手持終端（如手機(jī)）提供移動(dòng)多媒體業(yè)務(wù)。

所謂地基波束成形技術(shù)是將數(shù)字波束成形技術(shù)與其他數(shù)字處理技術(shù)放到地面上進(jìn)行工作的方式。使用地基波束成形技術(shù)的衛(wèi)星，星上的有效載荷僅需要天線及相關(guān)的射頻網(wǎng)絡(luò)，所有的處理工作均交由地面信關(guān)站進(jìn)行處理，并可根據(jù)用戶需求形成數(shù)目不同、且各自獨(dú)立的頻段發(fā)射點(diǎn)波束和接收點(diǎn)波束，滿足用戶實(shí)際需要，靈活分配衛(wèi)星容量及帶寬，節(jié)省星上資源，增強(qiáng)衛(wèi)星可靠性。

2009年發(fā)射的美國(guó)地網(wǎng)星-1是世界上首顆能用地面終端直接通信的衛(wèi)星，也是目前世界最重的通信衛(wèi)星，發(fā)射質(zhì)量6，910kg，由美國(guó)勞拉公司研制。其上直徑達(dá)18m的大型S頻段天線可生成數(shù)百個(gè)波束。它采用了輔助地面組件技術(shù)，可在衛(wèi)星信號(hào)被建筑物所遮擋的地區(qū)提供覆蓋；它利用頻譜復(fù)用技術(shù)構(gòu)建混和網(wǎng)絡(luò)，形成真正的“星地聯(lián)合”，提供高質(zhì)量、低成本、無(wú)縫隙的網(wǎng)絡(luò)，為北美地區(qū)的鄉(xiāng)村、城市和其他偏遠(yuǎn)地區(qū)提供了2GHz的移動(dòng)話音、數(shù)據(jù)通信、監(jiān)視和信息等業(yè)務(wù)。由于采用S頻段，地網(wǎng)星-1避開(kāi)了“GPS干擾問(wèn)題”，因而成為目前最成功運(yùn)行的天地融合系統(tǒng)。2015年～2016年，美國(guó)還將發(fā)射全球最重的衛(wèi)星地網(wǎng)星-2，整星重量超過(guò) 6，900kg。

2010年11月14日發(fā)射的天地通-1衛(wèi)星天線口徑達(dá)22m，是目前直徑最大的在軌通信衛(wèi)星天線。該衛(wèi)星利用輔助地面組件技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)天地融合的寬帶移動(dòng)通信服務(wù)，還采用了高功率固態(tài)功率放大器等先進(jìn)技術(shù)，是目前美國(guó)最先進(jìn)的L頻段移動(dòng)衛(wèi)星。天地通-1與地面4G網(wǎng)絡(luò)組成了天地融合的移動(dòng)通信系統(tǒng)，即在地面網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地區(qū)使用地面蜂窩，在地面覆蓋不到的地區(qū)使用衛(wèi)星。

2　低軌道移動(dòng)通信衛(wèi)星

2.1衛(wèi)星總體概述

靜止軌道移動(dòng)通信衛(wèi)星存在一些不足，例如，軌道高、路徑長(zhǎng)，因而鏈路損耗大，傳輸時(shí)延長(zhǎng)，不宜于個(gè)人移動(dòng)通信；單星成本太高，一旦發(fā)射失敗損失慘重；靜止軌道資源很緊張；這種衛(wèi)星不能實(shí)現(xiàn)真正的全球覆蓋，在兩極有盲區(qū)。為此，從20世紀(jì)90年代中期起，一批移動(dòng)通信低軌道衛(wèi)星陸續(xù)投入建造。

低軌道移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)由衛(wèi)星星座、地球信關(guān)站、系統(tǒng)控制中心、網(wǎng)絡(luò)控制中心和用戶單元組成。其中的衛(wèi)星都是小衛(wèi)星，一般運(yùn)行在高500km～1，500km的軌道，故可以克服靜止軌道衛(wèi)星的種種不足，如衛(wèi)星體積小、重量輕、造價(jià)低、制造周期短、可批量生產(chǎn)；衛(wèi)星之間互為備份、損失較小；地面終端設(shè)備簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉，便于攜帶；由于軌道高度低，所以可以消除使用靜止衛(wèi)星工作時(shí)存在的電話傳輸延遲等問(wèn)題；能進(jìn)行全球無(wú)縫隙個(gè)人移動(dòng)通信。

之所以采用星座方式工作，是由于低軌道衛(wèi)星覆蓋面積小，為了實(shí)現(xiàn)全球覆蓋，連續(xù)通信，所以要采用由多顆小衛(wèi)星組成的星座方式運(yùn)行。它是在若干軌道平面上布置多顆衛(wèi)星，使用各種通信鏈路將各個(gè)軌道平面上的衛(wèi)星聯(lián)結(jié)起來(lái)。整個(gè)星座形成一個(gè)大型平臺(tái)，在地球表面形成蜂窩狀服務(wù)小區(qū)，服務(wù)區(qū)內(nèi)用戶至少被一顆衛(wèi)星覆蓋，用戶可以隨時(shí)接入系統(tǒng)。

根據(jù)工作頻段和服務(wù)內(nèi)容的不同，低軌道移動(dòng)通信衛(wèi)星系統(tǒng)又可分為小低軌（Little LEO）和大低軌（Big LEO）兩種。前者由廉價(jià)小衛(wèi)星組成，工作頻率在1GHz以下，能提供低成本、低數(shù)據(jù)傳輸率（10kb/s）的Email和雙向?qū)ず舻日瓗?shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)，美國(guó)“軌道通信衛(wèi)星”（Orbcomm）屬于此類。后者由24顆以上的小衛(wèi)星組成星座，工作頻率在1GHz～2GHz，能提供話音和中高速率的數(shù)傳以及全球個(gè)人通信業(yè)務(wù)，美國(guó) “銥”（Iridium）衛(wèi)星和“全球星”（Globalstar）屬于此類。它們均采用一箭多星方式發(fā)射。

低軌道移動(dòng)通信衛(wèi)星系統(tǒng)在歷經(jīng)了20世紀(jì)的“沒(méi)落”之后現(xiàn)已“強(qiáng)勢(shì)回歸”，美國(guó)三大低軌移動(dòng)通信衛(wèi)星星座目前正在更新?lián)Q代。

2.2小低軌衛(wèi)星星座

“軌道通信”是目前全球第一個(gè)也是惟一一個(gè)廣域、分組交換、雙向短數(shù)據(jù)低軌小衛(wèi)星通信系統(tǒng)，用于短數(shù)據(jù)通信，具有投資少、周期短、兼?zhèn)渫ㄐ藕投ㄎ荒芰Α⑿l(wèi)星重量輕（43kg）、用戶終端小巧便攜、星座運(yùn)行時(shí)自動(dòng)化程度高、自主功能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。其用戶終端與信關(guān)站之間的通信通過(guò)低軌道衛(wèi)星星座來(lái)實(shí)現(xiàn)，信關(guān)站連入撥號(hào)網(wǎng)絡(luò)或?qū)＞€網(wǎng)絡(luò)，與因特網(wǎng)和X.25 等網(wǎng)絡(luò)相連。

美國(guó)第一代“軌道通信”衛(wèi)星由軌道科學(xué)公司研制。其主星座由4個(gè)軌道面組成，每個(gè)軌道面上部署8顆衛(wèi)星，軌道高度825km，軌道面之間的間隔為45°。1995年發(fā)射首顆衛(wèi)星，1998年組成星座開(kāi)始正式提供商業(yè)服務(wù)。1995年～1999年共發(fā)射35顆衛(wèi)星，第一代衛(wèi)星完成組網(wǎng)。

每顆“軌道通信”上裝有7臺(tái)用戶上行鏈路接收機(jī)，1臺(tái)用戶下行鏈路發(fā)射機(jī)，2臺(tái)信關(guān)站上行鏈路接收機(jī)，1臺(tái)信關(guān)站下行鏈路發(fā)射機(jī)，1臺(tái)時(shí)間同步信號(hào)發(fā)射機(jī)。衛(wèi)星的3副四臂螺旋天線均安裝在可伸展支桿上，其中1副為VHF頻段信關(guān)站天線，另1副為VHF頻段用戶天線，還有1副為UHF頻段授時(shí)天線。

該衛(wèi)星每小時(shí)可以處理7.7萬(wàn)條短信，在美國(guó)可以滿足330萬(wàn)終端設(shè)備的需要。除了短信外，其定位功能主要由衛(wèi)星上的GPS分系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，可以提供星上導(dǎo)航和時(shí)間同步功能。

美國(guó)還計(jì)劃建立由18顆衛(wèi)星組成的第二代“軌道通信”衛(wèi)星星座。其每顆衛(wèi)星將配備一套增強(qiáng)的通信有效載荷，用戶數(shù)量比第一代最多可增至12倍，數(shù)據(jù)傳輸率更快，傳輸量更大。衛(wèi)星擬配備自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（AIS）有效載荷，接收與報(bào)告來(lái)自配備了自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的海上船只的信號(hào)，它在海上船只的避碰、助航、搜尋、救助等各方面有著廣泛的應(yīng)用。第二代“軌道通信”衛(wèi)星講具有向后兼容特性，第一代“軌道通信”用戶的通信設(shè)備可與第二代衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)無(wú)縫鏈接。

2.3大低軌衛(wèi)星星座

“銥”星座的特點(diǎn)是具有星間鏈路和星上處理功能，不需通過(guò)地球站中繼便可靈活、高質(zhì)量地進(jìn)行個(gè)人全球移動(dòng)通信，但成本高。“全球星”星座沒(méi)有星間鏈路和星上處理功能，對(duì)地面設(shè)施依賴性大，只能提供存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)通信，但容易實(shí)施、投資小是它的優(yōu)勢(shì)。它們都已經(jīng)投入使用。

2.3.1“銥”衛(wèi)星星座

美國(guó)洛馬公司研制的第一代“銥”衛(wèi)星于1997年5月5日首次發(fā)射，1998年11月1日正式提供移動(dòng)通信業(yè)務(wù)。它是世界上第一個(gè)低軌道話音移動(dòng)通信系統(tǒng)，由66顆運(yùn)行在6個(gè)極軌衛(wèi)星組成，每個(gè)軌道平面上分布11顆衛(wèi)星和1顆備份星，軌道傾角為86.4°，軌道高度為780km，。每顆衛(wèi)星在與地面用戶終端及信關(guān)站進(jìn)行通信的同時(shí)，每顆衛(wèi)星有四條星間交叉連接鏈路，與星座中的其他衛(wèi)星進(jìn)行相互間的通信，形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。

每顆“銥”衛(wèi)星發(fā)射質(zhì)量690kg，裝有3副主任務(wù)相控陣天線，每副天線可提供16個(gè)L/S頻段通信波束。衛(wèi)星還裝有4副Ka頻段星間鏈路天線，其中兩副用于軌道面內(nèi)通信，另外2副用于軌道面之間的通信；4副Ka頻段星地通信天線，用于衛(wèi)星與地面信關(guān)站之間的通信。單星通信容量為1，100條信道。“銥”衛(wèi)星和用戶單元間上下行鏈路使用L 頻段，衛(wèi)星間鏈路及其與信關(guān)站的上下行鏈路則使用Ka頻段。

采用星際鏈路是“銥”衛(wèi)星系統(tǒng)的一大特點(diǎn)，它用于在相鄰衛(wèi)星之間提供可靠、高速的通信。所有衛(wèi)星協(xié)調(diào)工作共同構(gòu)成一個(gè)空中傳輸交換網(wǎng)絡(luò)，使得任一衛(wèi)星覆蓋區(qū)內(nèi)的任何用戶通過(guò)星際鏈路就可以與其他覆蓋區(qū)內(nèi)的任何用戶進(jìn)行通信，而無(wú)需地面設(shè)備進(jìn)行中繼。即使用戶處在一個(gè)附近沒(méi)有信關(guān)站的波束中，由于星際鏈路的存在，用戶終端仍能通過(guò)多條路徑與系統(tǒng)中的信關(guān)站進(jìn)行通信。這多條路徑方式大大提高了系統(tǒng)的抗干擾和抗摧毀能力。

“銥”衛(wèi)星系統(tǒng)與用戶之間的通信采用蜂窩設(shè)計(jì)，但與地面蜂窩移動(dòng)通信不同，“銥”衛(wèi)星使用點(diǎn)波束，每顆衛(wèi)星的星上相控陣天線形成48個(gè)點(diǎn)波束，點(diǎn)波束構(gòu)成連續(xù)的六角形圖形，在地球表面形成L頻段的48個(gè)蜂窩小區(qū)網(wǎng)，在地球表面飛速移動(dòng)。每個(gè)小區(qū)的直徑為689km，48個(gè)點(diǎn)波束組合起來(lái)，可以構(gòu)成直徑為4，700km的覆蓋區(qū)，“銥”衛(wèi)星用戶可以看到一顆衛(wèi)星的時(shí)間約為10min。因此，在地面最小仰角為8.2°的條件下，“銥”衛(wèi)星系統(tǒng)形成了全球的連續(xù)覆蓋。

目前，美國(guó)國(guó)防部是“銥”衛(wèi)星系統(tǒng)最大的用戶，“銥”衛(wèi)星手機(jī)為海外作戰(zhàn)的美軍官兵廣泛使用，主要用于戰(zhàn)斗員之間的通信和美軍中央司令部物資運(yùn)輸監(jiān)測(cè)。英國(guó)國(guó)防部等部門(mén)也先后成為該系統(tǒng)的用戶。

第二代“銥”衛(wèi)星——“銥星下一代”（Iridium-NEXT）目前正由歐洲泰雷茲-阿萊尼亞航天公司研制，計(jì)劃于 2015年～2017 年之間發(fā)射。其主要特點(diǎn)是：無(wú)縫隙的替換現(xiàn)有星座，以確保業(yè)務(wù)的連續(xù)性；保持“銥”衛(wèi)星系統(tǒng)服務(wù)的全球覆蓋、安全、可用和通信的低延遲特性；能在速度、帶寬和靈活性方面提供新的增強(qiáng)能力，最高數(shù)據(jù)下載速率可達(dá)30Mb/s。

2.3.2“全球星”星座

1998年2月14日，美國(guó)首次發(fā)射了第一代“全球星”，1999年11月22日完成由48顆第一代“全球星”組成的星座，衛(wèi)星分布在8個(gè)傾角為52°的圓形軌道平面上，相同軌道平面內(nèi)衛(wèi)星間隔為60°，軌道平面間隔45°，軌道高度約為1 414km。該系統(tǒng)在赤道和緯度高于60°的區(qū)域覆蓋率較低。

第一代“全球星”的饋電鏈路采用全球波束，用戶鏈路有16個(gè)點(diǎn)波束，每顆衛(wèi)星可提供2，500條2.4kb/s的信道，波束覆蓋區(qū)直徑約為5，800km。從用戶到衛(wèi)星的返向鏈路采用L頻段，從衛(wèi)星到用戶的前向鏈路采用S頻段，衛(wèi)星和信關(guān)站之間上下行通信鏈路采用C頻段。每個(gè)信關(guān)站可以與4顆衛(wèi)星通信。

“全球星”采用透明轉(zhuǎn)發(fā)方式，信號(hào)調(diào)制、解調(diào)等處理均在地面上進(jìn)行，主要實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星用戶鏈路（L /S頻段）和饋電鏈路（C頻段）信號(hào)之間的聯(lián)通、變頻和放大等功能，S頻段發(fā)射天線和L頻段接收天線均采用有源相控陣天線。

該系統(tǒng)是一個(gè)星形結(jié)構(gòu)的通信系統(tǒng)，所有通信都需通過(guò)信關(guān)站的交換。它能提供話音、定位、傳真和數(shù)據(jù)等商業(yè)業(yè)務(wù)，也為美國(guó)軍隊(duì)提供移動(dòng)通信業(yè)務(wù)。

第二代“全球星”已于2013 年 2 月正式完成與第一代的更新?lián)Q代，可運(yùn)行到2025年。第一代“全球星”的壽命僅有7.5年，第二代的壽命則延長(zhǎng)至15年，發(fā)射重量也從第一代的550kg增加至第2代衛(wèi)星的700kg。第二代“全球星”可提供更大的高峰需求呼叫容量，能為文件傳輸和視頻應(yīng)用提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，并可集成輔助地面組件地面應(yīng)用、視頻流和寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)提供更好的網(wǎng)絡(luò)管理。其主要包括高速率數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、因特網(wǎng)接入業(yè)務(wù)、音頻與視頻廣播業(yè)務(wù)、遠(yuǎn)程文件傳輸以及虛擬私人網(wǎng)絡(luò)等。

3　幾點(diǎn)啟示和未來(lái)前景

由于建造和運(yùn)行低軌道移動(dòng)通信衛(wèi)星星座成本高昂，所以發(fā)展比較緩慢，尤其是“銥“衛(wèi)星系統(tǒng)目前主要用于軍事。為此，發(fā)展低軌道移動(dòng)通信衛(wèi)星要慎重。而靜止軌道移動(dòng)通信衛(wèi)星具有星體比較固定、信道條件比較好的優(yōu)點(diǎn)，用3顆衛(wèi)星就能覆蓋除南北極以外的所有地區(qū)，具有技術(shù)成熟簡(jiǎn)單、投資相對(duì)較小、運(yùn)行維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，所以發(fā)展靜止軌道移動(dòng)通信衛(wèi)星風(fēng)險(xiǎn)較小。其中“國(guó)際移動(dòng)衛(wèi)星”的成功經(jīng)驗(yàn)值得借鑒，例如，準(zhǔn)確地把握市場(chǎng)，根據(jù)市場(chǎng)的需求準(zhǔn)確定位；始終遵循技術(shù)與市場(chǎng)同步推進(jìn)的“雙引擎”機(jī)制，規(guī)避技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)；通過(guò)由分布在86個(gè)國(guó)家的260個(gè)合作伙伴組成的全球性業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)提供服務(wù)。

移動(dòng)通信衛(wèi)星的發(fā)展趨勢(shì)是大天線、大功率，衛(wèi)星的有效載荷發(fā)射功率一般都在10kW以上，所以要發(fā)展大型通信衛(wèi)星平臺(tái)。另外，還要突破和掌握大型可展開(kāi)天線技術(shù)、多波束形成技術(shù)、星上處理和交換技術(shù)、地基波束成形技術(shù)、輔助地面組件技術(shù)等，通過(guò)創(chuàng)新性的技術(shù)進(jìn)步和市場(chǎng)開(kāi)拓模式來(lái)帶動(dòng)市場(chǎng)發(fā)展。

星地聯(lián)合是衛(wèi)星移動(dòng)通信的發(fā)展方向。衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)主要用于覆蓋相鄰地面蜂窩網(wǎng)之間的“縫隙”，以及地面蜂窩網(wǎng)不能覆蓋的區(qū)域。因此，衛(wèi)星通信系統(tǒng)必須與地面蜂窩通信系統(tǒng)緊密結(jié)合。專家通過(guò)分析、研究移動(dòng)通信衛(wèi)星發(fā)展后，已提出了 “天上一顆（或一組）衛(wèi)星，地上一張網(wǎng)絡(luò)，天地融合”的思路，已開(kāi)發(fā)出來(lái)并投入使用的輔助地面組件就是一項(xiàng)天地融合的專利技術(shù)，可解決衛(wèi)星信號(hào)在高樓林立的城市以及室內(nèi)覆蓋性不佳的問(wèn)題，很好實(shí)現(xiàn)大區(qū)域無(wú)縫覆蓋。未來(lái)衛(wèi)星移動(dòng)通信取得商業(yè)成功的關(guān)鍵就是實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外無(wú)縫覆蓋，終端可以自動(dòng)地在輔助地面組件基站和衛(wèi)星之間進(jìn)行無(wú)縫切換。

輔助地面組件技術(shù)有三大特點(diǎn)：一是衛(wèi)星和輔助地面基站復(fù)用同一頻段，使用幾乎相同的空中接口信號(hào)格式，因此無(wú)需雙模終端；二是終端的天線、體積和軟硬件水平保持和現(xiàn)有的地面網(wǎng)終端相當(dāng)，即使終端正和衛(wèi)星進(jìn)行通信也無(wú)需專用外置天線；三是衛(wèi)星并不限制空中接口信號(hào)形式，地面的3G，4G等移動(dòng)通信空中接口可以通過(guò)衛(wèi)星鏈路運(yùn)行，衛(wèi)星不會(huì)在地面技術(shù)的快速發(fā)展中很快失去作用。利用以上特點(diǎn)，并結(jié)合高效的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)，未來(lái)衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)可以真正做到大容量、高數(shù)據(jù)率以及室內(nèi)外無(wú)縫覆蓋，將在移動(dòng)通信業(yè)務(wù)和災(zāi)害應(yīng)急通信等方面發(fā)揮重要作用。

另外，固定與移動(dòng)通信衛(wèi)星業(yè)務(wù)之間的界限正逐漸模糊，海事和航空移動(dòng)業(yè)務(wù)已成為未來(lái)發(fā)展熱點(diǎn)。隨著智能手機(jī)、平板電腦等移動(dòng)電子設(shè)備和社交網(wǎng)絡(luò)等互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的普及，利用衛(wèi)星向乘客提供寬帶網(wǎng)絡(luò)接入的衛(wèi)星航空和海事寬帶業(yè)務(wù)正悄然興起。固定天線尺寸的減小和移動(dòng)終端數(shù)據(jù)率的提高，固定與移動(dòng)通信衛(wèi)星業(yè)務(wù)領(lǐng)域間的差異正不斷縮小，國(guó)際移動(dòng)衛(wèi)星公司的全球高速移動(dòng)寬帶業(yè)務(wù)的推出，使得用戶下載速度能夠達(dá)到50Mb/s，衛(wèi)訊公司下一代衛(wèi)訊-2（ViaSat-2）衛(wèi)星將瞄準(zhǔn)海運(yùn)和海空市場(chǎng)，并與JetBlue等一系列航空公司簽署戰(zhàn)略協(xié)議；2015年，國(guó)際通信衛(wèi)星公司計(jì)劃部署“史詩(shī)”（Epic）系列Ku頻段大容量衛(wèi)星，它將顯示移動(dòng)衛(wèi)星寬帶化、寬帶衛(wèi)星移動(dòng)化的趨勢(shì)。預(yù)計(jì)在未來(lái)10年，衛(wèi)星航空/海事寬帶將成為衛(wèi)星移動(dòng)業(yè)務(wù)的重要市場(chǎng)。

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龐之浩，中國(guó)空間技術(shù)研究院北京空間科技信息研究所《國(guó)際太空》雜志執(zhí)行主編、編審，中國(guó)衛(wèi)星通信廣播電視用戶協(xié)會(huì)首席航天專家，中國(guó)通信學(xué)會(huì)衛(wèi)星通信委員會(huì)委員，主要研究方向?yàn)楦櫋⒎治鍪澜绾教炜萍及l(fā)展動(dòng)態(tài)，主持編輯、出版《國(guó)際太空》月刊，普及航天科技知識(shí)。