衛星通信技術及其展望

楊 丹，黃 寧

（中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081）

0 引 言

當前全球衛星通信產業格局已經發生很大變化，傳統的衛星行業正在向高通量、靈活性以及運維智能化等方面快速發展。高軌衛星出于對軌道資源、應用場景、整體成本等方面的考慮，大規模布置的難度較大。低軌衛星星座系統依靠成本低、廣覆蓋、可彈性搭載等優勢逐漸興起，并且其對互聯網接入的支持，得到了市場的關注和國家的支持。

隨著衛星通信技術的發展，以及社會對“互聯網+”和隨時隨地接入互聯網需求的增加，高、低軌通信衛星網絡的建立被注入了新的活力[1]。

1 衛星通信技術網絡構成及作用

傳統的通信衛星在衛星通信網絡中扮演著無線電通信中繼站的角色，是衛星通信網絡的空間部分，其主要功能是為多種類型的地球通信站轉播無線電信號，從而實現星-地間的超長距離通信。

衛星通信可以在短時間內實現大量信息的有效傳輸，根據信號載體的不同，衛星通信方式通常有微波通信與激光通信。

傳統的微波通信，其衛星通信系統主要包含以下內容。一是信號接收子系統，主要包括接收天線、星載變頻器，完成上行微波信號的接收。二是信號轉發子系統，主要包括解調載荷、交換載荷、調制載荷，完成模擬數字（Analog to Digital，AD）、交換以及數字模擬（Digital to Analog，DA）等信號處理。三是信號發射子系統，主要包括發射天線、星載變頻器。

比較先進的激光通信，其衛星通信系統主要包含以下內容。一是信號接收子系統，光學天線及光接收機是關鍵構件，其既可以實現信號接收功能，而且可以結合實際情況將信號進行光電轉換，進而達到信號傳遞的目的。二是信號轉發子系統，在光電轉換的基礎上，基于電信號完成交換等處理。三是信號發射子系統，主要功能是實現信號的轉換和發射，信號發射分為2 個部分，分別為信標光以及信號光。四是捕獲跟蹤子系統。以實現對信號的有效跟蹤為目標，基于信標光的瞄準、跟蹤與捕獲等工作，實現信號光的對準，確保信號能夠在激光通信載荷之間進行雙向傳輸[2]。

2 衛星通信傳播特性

根據衛星軌道的高度不同，由低到高，衛星分為低軌道（Low Earth Orbit，LEO）、中軌道（Medium Earth Orbit，MEO）、地球同步軌道（Geosynchronous Orbit，GEO）、太陽同步軌道（Sun Synchronous Orbit，SSO）以及傾斜地球同步軌道（Inclined GeoSynchronous Orbit，IGSO）5類，合計實現了觀測、通信、導航等應用，而其中可用于穩定通信的是GEO 和LEO 這2 種。

2.1 GEO 特點

（1）延遲大。通信站與同步衛星之間的距離大于35 786 km，即便是信號是以光速傳輸，傳輸時延也需要0.3 s 的時間，所以要得到對方的答復，需要大約0.6 s 的時間，這就使得衛星通信的速度比陸地上的通信慢。

（2）鏈路損耗大。即星-地的相對距離帶來的自由空間損耗，頻段越高則損耗越大，為了應對這一點，鏈路載荷和地面鏈路設備都要有很高的技術指標要求。

（3）多普勒效應小。同步衛星相對地面的靜止，帶來的多普勒頻移非常輕微。

（4）通信容量大。GEO通信衛星依托于大型平臺，體積大、載荷多，單星可以支持更高能力的通信載荷。

2.2 LEO 特點

（1）延遲小。通信站與低軌衛星之間的距離在2 000 km 以內，星-地通信更加快捷。

（2）鏈路損耗小。星-地距離較小，信號在無線傳輸時受到的自由空間損耗也會相應減小，便于地面終端的小型化研制。

（3）多普勒效應大。低軌衛星通信中該現象尤其明顯，星-地的相對位移可簡單理解為余弦模型，造成頻率的非線性漂移，地面終端需要專門算法進行補償，否則通信效果變差，甚至引發失鎖而通信失敗。

（4）通信容量小。低軌衛星每軌次對地面站的有效覆蓋時間為10 min 左右，其通信的高效性是依托于星座的建立，且平臺相對小型化，因此其通信容量雖然在逐步提高，但是遠未達到GEO 的能力。

基于資源和成本等方面的考慮，當前各大國積極探索低軌衛星的發展。低軌衛星盡管單星覆蓋能力較弱，但可以星座組網的方式彌補，進而實現全球范圍的覆蓋。

高低軌衛星聯合組網是發展各自優點的未來發展趨勢。GEO 和LEO 各有優勢，在能力上相互補充，復合型的軌道可形成更靈活的覆蓋方案，根據服務需求和覆蓋區域內的業務量，動態分配業務資源。

3 國內低軌通信衛星發展現狀

中國航天雖然起步較晚，但發展迅速，隨著“虹云”“鴻雁”“天象”“寬帶節點”等衛星的相繼發射成功，我國低軌寬帶通信衛星系統的建設邁出了實質性的一步。

目前，5G 通信的使用仍然處于初始階段，基站的有限性致使網絡通信質量有待提升。低頻段5G 難以滿足現階段人們對通信的要求，高平段5G 不單單能夠具有良好的穩定性，而且不易干擾、傳輸效率快，但是也存在諸多劣勢。例如，5G通信容易出現信號衰減，傳輸范圍受到限制，高頻率的電磁波不能夠穿越障礙物，在通信過程中極易交流不暢，由此5G 通信體驗感還有待提升。5G 技術的出現為人們提供了更多便利，推動了諸多行業的發展，但是在發展過程中所出現的弊端不可忽視，針對出現的問題，采取有效的手段予以解決。其中高頻段5G 毫米波技術就能夠有效提升5G傳輸強度，但是隨之而來也面臨著傳輸距離短、覆蓋面小等問題。為此，可以采取提升信號發射功率、增加5G 基站數量等手段，利用基站擴大5G 信號覆蓋范圍，保證人們在任何地段都能夠實現無損交流。

層出不窮的應用與技術悄然生息地改變人們的生活方式，移動互聯網用戶群體的攀升給通信技術帶來了更大的挑戰。在通信技術的創新與發展過程中，衛星通信行業整體呈現波動的發展態勢。5G 通信技術的出現為衛星通信行業提供了更多發展的可能，在5G 通信技術的普及下，人們也更加關注本行業的發展。5G 通信技術能夠快速適應低頻到高頻的過渡，所應用的3.3 ～3.6 GHz、4.8 ～5.0 GHz 頻段受到大眾的認可，由于5G 技術自身的限制，致使其應用過程中面臨著覆蓋面狹窄的問題，Massive 多輸入多輸出（Multi Input Multi Output，MIMO）技術卻為其奠定了技術保障，加速了我國通信技術的發展。隨我國的移動網絡使用用戶群體增多，在5G 技術出現以后，衛星通信行業內部競爭更加激烈，技術更新速度邁上新的臺階。

面向應用，其提供服務的場景集中在以下幾個方面。

（1）物聯網。依托于低軌衛星星座廣覆蓋的特點，物流、農業、工程科考等對流量較低的產業將成為衛星物聯網重要的應用方向。基于衛星的寬帶連接，穩定的網絡能幫助作業成果的傳輸和處理，提升工作效率和安全性。

（2）特殊應用。基于空天地一體化的構建，通過導航增強和頻譜監測等功能遙感載荷的使用，可實現全天候對重點地區的監控，提升對目標的預判和干預能力，并能有效協助作戰和防御。

（3）航運、航天安全。基于AIS/ADS-B 載荷的搭載，記錄遠洋航運和客機飛行的航行記錄，監控的實時性將加強該行業的安全性，提高作業效率。

（4）應急通信。軌衛星的全覆蓋和快響應，便于對無人區、特殊地形、應急災害區等的實時通信，快速反饋信息，提高作業效率和相關部署。

4 衛星通信技術的應用分析

衛星通信網絡的組成包含通信衛星以及眾多地球站，在功能方面包括管理網絡和業務網絡。管理網絡能夠起到分配資源以及監控系統運轉的效果，業務網絡可以滿足用戶基本的通信需求，其功能較為簡單，不能夠進行網絡狀態的獲取以及對用戶的信息進行感知。實際上，不同衛星通信網絡間都屬于獨立運行的狀態，信息無法實現互動，讓信息通信資源不能夠得到更好的利用，并無法達到多個網絡結合運轉。只有將衛星通信網與無限網絡技術相結合，才能夠構成衛星通信網絡。

4.1 網絡感知技術的應用

針對衛星通信網絡體系來講，網絡感知技術分為2 個部分：網絡特性感知和網絡承載業務特性感知。第一部分資源占有狀況的感知資源利用概率作為依托，該系統能夠讓閑置很久的網絡資源得到有限的利用，還能夠將各項網絡資源進行動態調整。在無線網絡中所具有的衛星網特性感知一般根據業務協議以及網絡種類作為支持，能夠全方位掌控網絡層面信息[3]。

4.2 智能化決策技術的應用

對于普通無線通信網絡技術來講，智能化是無線網絡技術的主要特點。智能化決策技術的有效運用，能夠快速實現對用戶和環境的分析，進而達到智能化的標準，衛星通信網絡在運行的過程中，人力、物力以及財力上花費較大，不但增加了運行成本，還需要對系統的穩定性進行思考，避免其影響到整體的系統穩定性。通過無線網絡技術能夠促進智能化發展，讓目前的資源得到有效的整合，從而減小人為的影響因素。智能化技術能夠達到用戶的要求，還能夠結合系統目標，讓資源配置得到完善，能夠實現與環境條件的自動配置。

4.3 環境感知技術的應用

如果想提高衛星通信系統抗干擾能力，以及使衛星通信線路穩定性提升，必須具備感知電磁環境，仔細明確頻譜特征信息，保證其抗干擾的效果。對于衛星通信網絡，環境感知技術成為無線網絡技術中的關鍵技術。但是，網絡傳輸過程中存在眾多干擾因素，因此就需要采取有效的措施，確保信號能夠有效的傳輸。

4.4 衛星異構網絡融合技術的應用

目前，為適應多樣化發展的網絡，衛星通信終端網絡就是根據硬件和環境條件的改變采用各種接入模式的網絡，從而對不同網絡資源都能夠有效的運用。讓網絡資源得到合理結合，無線網絡技術能夠憑借感知技術匹配用戶的需要，從而增強網絡適配性。衛星遠端站必須通過中心感知信息和指令進行網絡匹配。對各種感知信息進行研究，能夠根據中心站尋求相應的舉措，從而有效地對網絡負載作出評估，再結合衛星異構網絡環境，通過感知技術來分析網絡特征以及用戶特征，有效配置資源，從而為用戶提供相適應的網絡通信，讓資源得到合理利用[4]。

5 衛星通信技術的未來發展趨勢

對于衛星通信網絡而言，在進行衛星傳輸階段，經常會涉及下行鏈路與上行鏈路，在實際應用使用過程中，應當及時關注和重視安全問題，業務傳輸層所遇到的安全問題與安全威脅更多的是來自于鏈路層干擾問題。若鏈路層受到干擾，則會對衛星通信業務傳輸產生嚴重影響，進而導致衛星通信網絡系統無法投入正常運行。針對鏈路層安全威脅問題，應當在信道終端應用新型抗干擾技術，通過應用新型抗干擾技術，既能夠提高其抗干擾性，又可以有效打破原有技術約束，進而提高抗開擾效果。在實際的衛星通信網絡系統業務傳輸層防范安全威脅時，應當合理應用多種抗干擾方案，逐漸克服和改善傳統抗干擾方案與技術存在的局限性與缺陷，提升鏈路層的實際抗干擾能力，保障衛星能夠更加平穩運行。由于多種抗干擾技術間具有一定的互通性，在實際應用階段，應當對比分析多種抗干擾技術，實現多種抗干擾技術互補[5]。

衛星通信技術的未來發展是以新發展理念為引領，以技術創新為驅動，以信息網為基礎，相關工作人員應當積極學習其他項目的成功經驗，吸取其優點和特色，并根據自己的實際情況，做到優劣互補，各取所長，推動技術的創新。要加強網絡技術的運用，把局域網、電話撥號等通信手段當作上行鏈路，把資料傳送、下載等作為下行鏈路，使地面使用者與因特網實現互聯互通，隨時進行資訊傳送。

目前我國衛星發射主要以導航和遙感類型為主，通信衛星數量相對偏少。伴隨高通量衛星帶動寬帶衛星通信業務蓬勃發展，我國低軌通信衛星行業有望進入快車道，衛星發射數量上升空間巨大。

6 結 論

衛星通信行業的發展對于我國社會經濟發展，甚至綜合國力有直接影響，衛星通信行業的發展已經不僅僅是行業本身的任務，而是社會發展的重要任務之一。相關人員需基于衛星通信行業的發展現狀，優化相應的設備，充分發揮出我國社會主義現代化強國優勢，和我國實體經濟的高效發展，把握好當前的發展機遇，提高衛星通信行業的社會價值，促進相關行業的健康可持續性發展。