下一代銥系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀與分析

苗 青，蔣照菁，王 闖

（1.中國人民解放軍78167 部隊(duì)，成都 610000；2.國防科技大學(xué)，長沙 410000；3.陸軍工程大學(xué)，南京 210007）

1 發(fā)展概述

銥（Iridium）系統(tǒng)概念提出于20 世紀(jì)80 年代末，1991 年摩托羅拉公司正式?jīng)Q定建設(shè)該網(wǎng)絡(luò)，1998年完成整個(gè)項(xiàng)目的建設(shè)，可實(shí)現(xiàn)全球無縫覆蓋，系統(tǒng)總耗資57億美元，歷經(jīng)17個(gè)月的運(yùn)營后，由于收入遠(yuǎn)不如預(yù)期，于2000年3月正式宣布破產(chǎn)。2000年12月銥系統(tǒng)得到美國國防部防務(wù)信息系統(tǒng)局簽發(fā)的7200萬美元合同，于2001年3月28日完成重組，又重新開始運(yùn)營業(yè)務(wù)。銥系統(tǒng)的業(yè)務(wù)增長是當(dāng)時(shí)所有的衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)中最快的，2002年至2007年達(dá)到年均31%的增長率，市場(chǎng)份額為26%，僅次于Inmarsat 衛(wèi)星通信系統(tǒng)。通過拓展科學(xué)探測(cè)等新型應(yīng)用領(lǐng)域，2004年銥系統(tǒng)開始盈利。

隨著全球業(yè)務(wù)量的不斷增加，第一代銥系統(tǒng)由于壽命將至已經(jīng)不能繼續(xù)完成全球覆蓋，為實(shí)現(xiàn)對(duì)新興市場(chǎng)的進(jìn)一步占領(lǐng)，2007年2月，下一代銥系統(tǒng)計(jì)劃啟動(dòng)，即Iridium Next，其總投資預(yù)期為29億美元。Iridium Next 是在銥系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行建設(shè)的第二代系統(tǒng)，其主要目標(biāo)是：提高數(shù)據(jù)傳輸速率，提供更好的話音質(zhì)量，支持頻帶的靈活分配，采用端到端的IP 技術(shù)，以及提供更強(qiáng)的業(yè)務(wù)和設(shè)備。同時(shí)，Iridium Next 繼續(xù)保持目前66顆衛(wèi)星互聯(lián)的低軌道星座架構(gòu)和全球覆蓋，并保證與第一代銥系統(tǒng)的手持終端、設(shè)備和應(yīng)用具有后向兼容性。此外，Iridium Next首次提出了搭載載荷（Hosted Payload）服務(wù)。

按照最初計(jì)劃，Iridium Next 系統(tǒng)要從2007 年動(dòng)工進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)，在2012年完成對(duì)其他有效載荷的招標(biāo)和優(yōu)化裝配，在2015年至2017年之間完成衛(wèi)星的發(fā)射入軌。但由于克里米亞問題而暫時(shí)擱置了衛(wèi)星的發(fā)射，而后將首批星的發(fā)射任務(wù)轉(zhuǎn)由太空探索技術(shù)公司（SpaceX）完成，延期至2016年7月發(fā)射。在此過程中，由于衛(wèi)星又出現(xiàn)載荷軟件方面的原因而將發(fā)射計(jì)劃推遲至2016年10月。同年9月，SpaceX 公司的獵鷹9運(yùn)載火箭在進(jìn)行阿莫斯－6衛(wèi)星發(fā)射準(zhǔn)備時(shí)，試驗(yàn)出現(xiàn)異常，火箭發(fā)生爆炸，星箭俱毀，直接影響了衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)界對(duì)獵鷹－9火箭的信心。導(dǎo)致一直推遲到2017年1月14日才開始發(fā)射第一批10顆Iridium Next 衛(wèi)星。隨著2019年1月11日SpaceX 公司的獵鷹9號(hào)火箭從范登堡空軍基地發(fā)射升空，最后10顆衛(wèi)星進(jìn)入了軌道位置，總共發(fā)射了75顆Iridium Next 衛(wèi)星，至此，完成了Iridium Next 衛(wèi)星的發(fā)射，具備了Iridium Next 系統(tǒng)的完全操作能力，能夠完全取代第一代銥系統(tǒng)。

相較于第一代銥系統(tǒng)，Iridium Next 系統(tǒng)的造價(jià)降低了將近一半，傳輸速度有數(shù)百倍的提高，其手持終端支持的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)將從現(xiàn)有的2.4kb/s 增加到最高1.5Mb/s，部分大型固定終端可達(dá)到8Mb/s。相應(yīng)的通信資費(fèi)也會(huì)有較大下降，第一代銥系統(tǒng)每分鐘通話費(fèi)在1997年為5美元、在下一代銥系統(tǒng)建成之后下降為25美分每分鐘。此外，Iridium Next 與第一代相比另一個(gè)不同點(diǎn)在于，每顆銥星上都額外搭載了50千克的其他載荷，以實(shí)現(xiàn)通信以外的既定需求。

2 系統(tǒng)組成

Iridium Next 系統(tǒng)是由81顆衛(wèi)星構(gòu)成的低軌移動(dòng)通信衛(wèi)星星座，包括66顆工作星，9顆在軌備份星和6顆地面?zhèn)浞菪恰Ｅc第一代銥系統(tǒng)一樣，Iridium Next 的衛(wèi)星軌道高度為780km，傾角為86.4°，衛(wèi)星分布在6個(gè)軌道面上，每個(gè)軌道面上均勻分布著11顆星。其中軌道1和6是反向軌道，間距22°，其余軌道為同向軌道，間距31.6°。

衛(wèi)星采用泰雷茲-阿萊尼亞航天公司新一代中低軌衛(wèi)星公用平臺(tái)ELiTe Bus-1000，采用三軸穩(wěn)定方式，收攏尺寸3.1m×2.4m×1.5m，展開后太陽能電池翼展9.4m，發(fā)射質(zhì)量860kg，發(fā)電功率2200W，設(shè)計(jì)壽命12.5年，任務(wù)壽命可達(dá)15年。

圖1 Iridium Next衛(wèi)星天線配置示意圖

在通信有效載荷方面，Iridium Next 衛(wèi)星與第一代衛(wèi)星基本相同，但是各方面性能均有所提升。衛(wèi)星上搭載再生型處理轉(zhuǎn)發(fā)器，與第一代衛(wèi)星采用三副天線產(chǎn)生用戶波束不同，第二代衛(wèi)星配備一副L 頻段相控陣天線，可產(chǎn)生48個(gè)口徑為400km 的點(diǎn)波束，采用時(shí)分雙工（TDD）體制來分別進(jìn)行收發(fā)，如圖1所示。Ka 頻段的天線主要用于星地饋電鏈路，上行30GHz、下行20GHz。此外，第二代衛(wèi)星同樣具備Ka 頻段星間鏈路，采用23GHz 頻段，2副可控、2副固定天線，同樣采用時(shí)分雙工體制。測(cè)控鏈路為Ka 頻段，通過全向天線來實(shí)現(xiàn)。

3 業(yè)務(wù)應(yīng)用

Iridium Next 是在銥系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行建設(shè)的第二代系統(tǒng)，能提高數(shù)據(jù)傳輸速率，提供更好的話音質(zhì)量，支持頻帶的靈活分配，采用端到端的IP 技術(shù)，從而提供了更強(qiáng)的業(yè)務(wù)能力。Iridium Next 與一代系統(tǒng)使用的手持終端、設(shè)備和應(yīng)用保持后向兼容性。銥星公司在Iridium Next 系統(tǒng)的基礎(chǔ)上推出了Iridium Certus 服務(wù)，可提供的L 波段業(yè)務(wù)包括從22kb/s 至1408kb/s 的不同速率業(yè)務(wù)，可為不同的需求提供服務(wù)，從業(yè)務(wù)種類來看，又可分為海事業(yè)務(wù)、航空業(yè)務(wù)、陸地移動(dòng)業(yè)務(wù)、政府企業(yè)業(yè)務(wù)以及物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)等。除此之外，其官方提出可通過調(diào)度饋電鏈路為大型的固定站終端提供Ka 頻段的最高8Mb/s 的傳輸速率。Iridium Certus 將為銥星物聯(lián)網(wǎng)提供一個(gè)新型的強(qiáng)大的平臺(tái)，以更高速率、更小尺寸的收發(fā)器、更寬的帶寬以及對(duì)現(xiàn)有數(shù)據(jù)服務(wù)的持續(xù)支持為全球的資產(chǎn)跟蹤、流量管理、遠(yuǎn)程監(jiān)控、指揮和控制以及其他智能數(shù)據(jù)應(yīng)用開辟新的方法。

4 搭載載荷（Hosted Payload）

銥星公司是2011年搭載載荷聯(lián)盟（Hosted Payloads Alliance）的創(chuàng)始人，出任了第一任董事長，并將組織發(fā)展壯大，現(xiàn)在已經(jīng)有17個(gè)行業(yè)領(lǐng)先的公司成為其成員。

相較于以前的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，Iridium Next 系統(tǒng)是第一個(gè)搭載其他有效載荷（Hosted Payload）的商業(yè)系統(tǒng)。作為有效載荷搭載聯(lián)盟的重要成員，銥星公司利用星座的全球無縫覆蓋及星間鏈路的傳輸能力，策劃了多個(gè)有效載荷搭載方案。Iridium Next 搭載載荷空間較大，可支持總質(zhì)量達(dá)50kg 的有效載荷、安裝空間為40cm×70cm×30cm，提供平均90W、峰值200W 的功率，數(shù)據(jù)速率最高可達(dá)1Mb/s。目前已經(jīng)確定搭載的載荷包括：Aireon 公司的廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視（Automatic Dependent Surveillance Broadcast，ADS-B），提供航空交通管制服務(wù)；Harris 和exactEarth 公司的全球船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)AIS（Automatic Identification System），為全球的船只提供定位跟蹤服務(wù)；以及用來觀測(cè)全球氣象水文的GEOScan（Group on Earth Observations Scan）。不同業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)和傳感器遙測(cè)和指控?cái)?shù)據(jù)可以通過Ka 頻段的星間鏈路、星地之間的饋電鏈路傳送到地面。不過，在極端緊急情況下，Iridium Next 系統(tǒng)會(huì)關(guān)閉搭載載荷，以維護(hù)整個(gè)銥星衛(wèi)星的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

相對(duì)于以前單獨(dú)的某顆氣象或監(jiān)測(cè)衛(wèi)星，在銥星上搭載載荷可以有以下優(yōu)點(diǎn)：一是前所未有的空間和時(shí)間覆蓋：66顆互聯(lián)衛(wèi)星可以實(shí)現(xiàn)全球覆蓋；二是低延遲：搭載載荷的數(shù)據(jù)可以以很低的時(shí)延傳輸?shù)降孛婊蛱幚碇行模蝗怯脩艨刂疲和ㄟ^銥星的設(shè)備或其他信關(guān)站實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收集和載荷的無縫訪問；四是成本效益：只需要一個(gè)專門系統(tǒng)的一部分成本即可；五是獨(dú)一性：在未來幾十年很難會(huì)有類似的系統(tǒng)。

在多載荷的裝載集成中提出了SensorPod 的思想，即一個(gè)虛擬容器（機(jī)箱），里面包括多個(gè)部分，用于裝載多個(gè)小型的有效載荷。SensorPod 可以根據(jù)不同的需求進(jìn)行布置，以支持許多不同的客戶需求。SensorPod 也可以根據(jù)具體情況進(jìn)行擴(kuò)展，以適應(yīng)特定的客戶有效載荷需求。搭載載荷包括主要的靠近地球側(cè)的傳感器以及次要的傳感器。客戶可以根據(jù)需要使用一個(gè)或多個(gè)有效載荷填充每個(gè)SensorPod，只要它們保持在傳感器總體積、質(zhì)量、功率和通信能力配額之內(nèi)。所有有效載荷由一個(gè)電源通過外部線束提供和調(diào)節(jié)電力和通信能力。

（1）GEOScan（Group on Earth Observations Scan）。2011年3月27日至30日，在美國馬薩諸塞州安納波利斯舉行了GEOScan規(guī)劃研討會(huì)。GEOScan 的主要思路為66個(gè)Iridium Next 衛(wèi)星上的System Science 傳感器和Hosted Sensor 套件，將其集成在14厘米×20厘米×20厘米大小的標(biāo)準(zhǔn)SensorPod 里，其質(zhì)量為5千克。

GEOScan 是安裝在Iridium-Next 衛(wèi)星上的輕型傳感器套件，可通過各種傳感器獲取環(huán)境監(jiān)測(cè)和氣候科學(xué)數(shù)據(jù)。該項(xiàng)目通過利用銥星提供的機(jī)會(huì)，部署了一系列的全球傳感器來獲得數(shù)據(jù)，從而對(duì)地球和空間科學(xué)方面做出了巨大貢獻(xiàn)。GEOScan 可利用Iridium-Next 星座的全球無縫覆蓋特性，進(jìn)行大規(guī)模密集的全球地球科學(xué)觀測(cè)，從而解決需要全球多點(diǎn)同時(shí)觀測(cè)的問題。

GEOScan 的具體目標(biāo)是在全球的角度上測(cè)量地球瞬時(shí)向外的輻射量，從而探究其與云、沙塵暴和火山活動(dòng)等快速變化自然現(xiàn)象之間的關(guān)系，以及他們對(duì)于氣候的長期影響。GEOS 可以在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)間和空間分辨率下測(cè)量全球質(zhì)量通量的變化，以揭示地球水循環(huán)、冰凍圈和氣候的變化趨勢(shì)。空間環(huán)境傳感器負(fù)責(zé)測(cè)量地球的輻射帶和等離子體環(huán)境，具有前所未有的覆蓋范圍，為推動(dòng)空間天氣現(xiàn)象的大規(guī)模全球重新配置過程提供新的見解。

（2）AIS（船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)）。Harris 和exactEarth

公司已經(jīng)形成了一個(gè)戰(zhàn)略聯(lián)盟，提供新的先進(jìn)的數(shù)據(jù)服務(wù)，將有助于更快、更準(zhǔn)確地跟蹤海運(yùn)船舶。AIS 服務(wù)將首次提供不間斷的實(shí)時(shí)全球覆蓋，使客戶能夠可靠地跟蹤世界各地船只的位置，這有助于提高效率、可靠性和安全性。AIS 用于海上船只發(fā)送和接收VHF 頻段信息，包含標(biāo)識(shí)、位置、航向和速度，以便監(jiān)測(cè)船舶運(yùn)動(dòng)和避免碰撞以及在緊急情況下進(jìn)行警報(bào)。這些信號(hào)可以通過船與船或者船與岸之間傳輸，以便對(duì)局部區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測(cè)，部署天基的AIS 載荷可以對(duì)地面站進(jìn)行廣泛覆蓋和數(shù)據(jù)傳輸，以監(jiān)測(cè)大片海域。

在Iridium-Next 上部署的AIS 載荷將首次提供不間斷的實(shí)時(shí)和全球覆蓋，使客戶能夠可靠地跟蹤船只的位置。AIS 載荷采用了Harris 公司的AppSTAR 可重配置載荷技術(shù)，利用銥星的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)路由到地面網(wǎng)絡(luò)的中央網(wǎng)關(guān)，可以實(shí)現(xiàn)以不到一分鐘的時(shí)間延遲向客戶提供AIS 數(shù)據(jù)。

（3）ADS-B（廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視）。銥星運(yùn)營商通過新的合資企業(yè)Aireon 公司將ADS-B 接收機(jī)作為其下一代衛(wèi)星星座的托管有效載荷，通過每臺(tái)商用飛機(jī)發(fā)送的自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視廣播信號(hào)為ANSP（空中航行服務(wù)提供商）提供全球?qū)崟r(shí)飛機(jī)監(jiān)控。

ADS-B 是支持雷達(dá)式分離標(biāo)準(zhǔn)的下一代商業(yè)監(jiān)控技術(shù)。在2010年以前，ADS-B 是一個(gè)陸基系統(tǒng)，主要部署在北美、澳大利亞和歐洲等高空飛行區(qū)域，而在海洋、山脈、偏遠(yuǎn)地區(qū)和極地地區(qū)的重要航空區(qū)域仍然基本沒有部署。

在基于地面的ADS-B 系統(tǒng)概念中，每架飛機(jī)的Mode-S 轉(zhuǎn)發(fā)器用1090MHz 頻段隨時(shí)播報(bào)自己的GPS 位置以及身份標(biāo)識(shí)、地面軌跡、地面速度和高度等其他信息。地面上的接收機(jī)接收該信息并發(fā)送到空中交通管制顯示器。ADS-B 信息可用于增強(qiáng)現(xiàn)有的雷達(dá)技術(shù)或替代雷達(dá)技術(shù)。ADS-B 可提供飛機(jī)之間以及飛機(jī)與地面之間的通信，ADS-B 提供的信息增強(qiáng)了飛行員的交通意識(shí)，允許更優(yōu)化的飛行水平，從而節(jié)省燃料。因而，ADS-B 已成為空中交通管制（ATC）的重要組成部分，其用途與雷達(dá)提供的信息相同。ADS-B 將在不久的將來成為所有飛機(jī)的強(qiáng)制性要求，并且很有可能最終淘汰傳統(tǒng)的雷達(dá)，純粹依賴于ADS-B，因?yàn)槠浣邮諜C(jī)更容易維護(hù)。然而，陸基的ADS-B 網(wǎng)絡(luò)受到地面ADS-B塔臺(tái)的限制，無法監(jiān)測(cè)在海洋或全球偏遠(yuǎn)地區(qū)的航班。目前，超過70%的地球，包括海洋和偏遠(yuǎn)的空域，沒有現(xiàn)有的空中交通管制。

Harris 公司在Iridium-Next 系統(tǒng)每顆衛(wèi)星上搭載了ADS-B 1090的有效載荷，該載荷體積小、功率低，通過分享銥星的空間能力和地面設(shè)施，避免了建造和發(fā)射單獨(dú)衛(wèi)星的成本，因而以極小的耗資發(fā)揮了巨大的貢獻(xiàn)。在任何時(shí)間可以同時(shí)跟蹤超過10，000架飛機(jī)，系統(tǒng)將以低于8秒的更新速率將數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇罩薪煌ü苤浦行模瑫r(shí)延不超過1.5秒。

基于空間的ADS-B 網(wǎng)絡(luò)將改變空中交通管理能力，在全球100%的地區(qū)提供空中交通監(jiān)控和航班跟蹤。實(shí)現(xiàn)的功能有：一是全球控制：為空中交通管制員提供準(zhǔn)確的全球?qū)崟r(shí)、可見性的飛機(jī)和飛行；二是全球覆蓋：在沒有雷達(dá)系統(tǒng)、地球上到處存在的遠(yuǎn)洋、極地、遠(yuǎn)程和廣大欠發(fā)達(dá)地區(qū)，提供超出常規(guī)的航空控制能力；三是全球安全：實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地顯示任何飛機(jī)和航線附近的空氣流量，從而提高世界各地的安全性；四是全球優(yōu)化：提供一個(gè)低成本效益的解決方案，優(yōu)化飛行軌跡和高度，提高效率和燃油經(jīng)濟(jì)性，并減少延遲和擁塞。

5 結(jié)束語

相較于近年來提出的各種低軌互聯(lián)網(wǎng)星座系統(tǒng)，銥系統(tǒng)具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，即占據(jù)著移動(dòng)通信的黃金頻段--L 頻段。目前，Iridium Next 系統(tǒng)已投入使用，預(yù)計(jì)其在未來將得到更加廣泛的應(yīng)用。此外，在Iridium Next 基礎(chǔ)上，銥星公司進(jìn)一步推出了Iridium Prime 計(jì)劃，該計(jì)劃將提供一種完全的有效載荷服務(wù)，相比于Iridium Next 衛(wèi)星，在Iridium Prime 衛(wèi)星上將不安裝L 波段的通信載荷，從而使其搭載載荷的容量可擴(kuò)充四倍。