卫星通信技术的发展和应用

文_闵士权 中国卫星通信集团公司

卫星通信是地球站之间或航天器与地球站之间利用通信卫星转发信号的无线电通信，主要包括卫星固定通信、卫星移动通信、卫星直接广播和卫星中继通信四大领域。前三者是地球站之间利用通信卫星转发器转发信号的无线电通信，后者是航天器与地球站之间利用通信卫星转发器转发信号的无线电通信。

卫星通信是现代通信技术的重要成果，也是航天技术应用的重要领域。它具有覆盖面大、频带宽、容量大、适用于多种业务、性能稳定可靠、机动灵活、不受地理条件限制、成本与通信距离无关等优点。40多年来，它在国际通信、国内通信、国防通信、移动通信和广播电视等领城得到了广泛应用。

据粗略统计，至2009年底地球静止轨道上约有280多颗通信、广播卫星以及跟踪和数据中继卫星为全球用户提供固定通信、移动通信、广播电视服务，以及航天器数据中继服务；低轨道上约有150多颗小卫星组成3个全球覆盖的通信系统为全球用户提供移动通信服务；另有3颗大椭圆轨道卫星组成的区域覆盖广播系统为移动用户提供多媒体广播服务。

据美国富创（Futron）咨询公司在2009年6月公布的《2009年度卫星产业状况》报告给出的2003～2008年全球商用卫星通信产业销售收入情况统计数据知：整个卫星通信产业销售额是逐年稳步上升的，由2003年743亿美元上升到2008年的1444亿美元，其平均年增长率为14.2%；整个卫星通信产业包含卫星制造、发射保险、卫星服务和地面设备制造四大类，其中卫星服务业销售额最大，2008年为840亿美元；整个卫星服务业包含卫星固定通信、卫星移动通信和卫星直接广播三大类，其中又以卫星直接广播业销售额最大，2008年为673亿美元。

从《2009年度卫星产业状况》报告中还可知：至2008年底，全球商用通信卫星拥有宽带通信终端为100万台；移动通信终端为190万台；直播电视终端为13360万台；移动音频广播接收终端为2040万台；移动电视接收终端为130万台。

卫星通信技术的发展和应用是卫星通信产业发展的推动力。本文拟从卫星通信系统网络、卫星通信线路频段、卫星通信体制、卫星轨道和星座、卫星天线波束覆盖、卫星转发器、通信卫星平台、通信地球站诸方面来介绍全球商用卫星通信技术发展和应用概况。

卫星通信系统网络发展

卫星通信系统以网络结构形式提供服务。现代卫星通信网络基本上可分两类。一类是单星组成的卫星通信网络，另一类是多星组成的卫星通信网络。各种网络又以业务不同可分固定通信业务网络、移动通信业务网络和电视直播业务网络。

图1 典型的VSAT卫星通信网拓扑结构

现以单星固定通信业务VSAT卫星通信系统为例来阐述卫星通信网拓扑结构的发展。最早使用的通信网是星状网，现已发展到多种网络结构。典型的VSAT卫星通信网拓扑结构如图1所示。图中a为星状网，b为网状网，c为星状与网状混合网，d为卫星通信链路与地面通信链路混合网之一（VSAT站作网关），e为卫星通信链路与地面通信链路混合网之二（VSAT站作远端用户）。

多星组成的静止轨道卫星通信网络有提供国际固定通信业务的全球覆盖的国际卫星（Intelsat）系统和提供国际移动通信业务的全球覆盖的国际海事卫星（Inmarsat）系统。这两个系统网络由各自分布于三大洋上空的静止卫星、全球各地的地球站和辅助地面线路组成。多星组成的低轨道卫星通信网络有提供移动通信业务的全球覆盖的铱（Iridium）系统、全球星（Globalstar）系统和轨道通信（ORBCOMM）系统。这些系统网络由各自分布于低轨道上数10颗卫星、全球各地的地球站和辅助地面线路组成。其中铱系统各星之间还建立了星间链路。

卫星通信线路频段发展

最早的商用通信卫星使用的通信频段是C频段，后又向下扩展到S、L、UHF、VHF频段，向上扩展到X、Ku、Ka频段。未来还要扩展到V频段等更高的频段，还可能使用激光。据不完全统计现有商用卫星通信系统使用的频率资源示例如表1所示。表1中卫星通信馈电线路是指中心站、关口站、上行站与卫星间通信线路。显然，线路所取频率愈高，可用带宽愈大，传输容量也就愈大，它最适用于高速率数据传输和多媒体通信；频率愈高，对相同的波束宽度，天线尺寸愈小，重量愈轻，更利于星上使用。

表1中星间线路是指卫星与卫星之间通信线路，已应用于低轨道全球覆盖铱星卫星移动通信系统，其功能和特点是：地球上任意两点之间通信可通过星间线路而不通过地面线路实现直达通信；用户与关口站之间不同时看到同一颗卫星时，可通过星间线路建立通信线路；可简化关口站结构和减少关口站数量；有利于地面管理中心对整个卫星通信系统统一管理。

表1 现有商用卫星通信系统使用的频率资源示例

卫星通信体制发展

卫星通信体制是指卫星通信系统的工作方式，即所采用的信号传输方式、信号处理方式和信号交换方式等。它由基带信号形式、信源编码方式、差错控制方式、基带信号传输方式、基带信号多路复用方式、信号调制方式、多址方式和信道分配与交换方式等各部分组成，每一部分又有不同方式需选择，是一个较复杂的结构。

例如基带信号传输方式有单路单载波（SCPC）和多路单载波（MCPC）；基带信号多路复用方式有频分多路复用（FDM）和时分多路复用（TDM）；纠错编码方式有卷积编码、Turbo编码、外码里德-所罗门（RS）码＋内码卷积码的级联编码、外码BCH码＋内码低密度奇偶校验码（LDPC）的级联编码等；常用信号调制方式有模拟信号的调频（FM），数字信号的相位偏移调制（BPSK、QPSK、8PSK、16APSK、32APSK等）、正交幅度调制（8 Q A M、16QAM、64QAM）等；多址方式有频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）、码分多址（CDMA）、空分多址（SDMA）及它们间组合；信道分配方式有预定分配（PA）、按需分配（DA）、动态分配（DYA）、随机分配（RA）等。

通信体制的先进性主要体现在节省射频信号带宽和功率，提高信号传输质量和可靠性。

当今卫星通信体制标准主要是卫星运营商或产品生产商制订的企业标准，另有少量的行业标准和国家标准，国际组织制订的标准至今仅为DVB-S、DVB-RCS和DVB-S2标准。采用此种标准的VSAT系统也就一定意义上代表了发展方向。基于DVB协议的VSAT系统国内外产品的基本体制是外向信道传输体制为DVB-S/S2，载波工作方式为TDM；内向信道传输体制为DVBRCS，载波工作方式为MF-TDMA。图2为DVB-S2通信体制结构型式。标准中采用了先进的编码和调制技术，还提供了可变编码调制（VCM）和自适应编码调制（ACM）工作模式，系统支持高清晰度电视、交互电视、互联网接入、VoIP等业务。

图2 DVB-S2通信体制结构型式

卫星轨道和星座发展

最早的商用通信卫星采用静止轨道单星工作。现已由静止轨道卫星扩大为多种轨道卫星，单星工作发展为多星组成星座工作。现有卫星主要工作于3种轨道类型：静止轨道、大椭圆轨道和低轨道。静止轨道卫星基本上有3类：单星独立组网区域覆盖工作（大多数卫星）；多星共位组网区域覆盖工作（例如东经19.2°轨道位置7星共位）；多星异位组网全球覆盖工作（国际通信卫星、国际海事卫星等）。大椭圆轨道多星组网全时区域覆盖的卫星系统仅为3颗天狼星组成的美国移动广播系统。低轨道多星组网全球覆盖的卫星系统为3个移动通信系统。图3给出了通信卫星各种轨道和星座示意图。

图3 通信卫星各种轨道和星座示意图

卫星天线波束覆盖发展

最初的商用静止通信卫星天线采用全球波束覆盖；后发展为单重或双重频率复用单椭圆波束覆盖、多椭圆波束覆盖；然后又发展为单重或双重频率复用赋形波束覆盖；现已发展为多重频率复用蜂窝状多点波束覆盖；还发展为波束指向、形状、输出功率可变覆盖，以及上述各种波朿的混合覆盖。低轨道全球覆盖星座其各颗卫星采用多重频率复用蜂窝状多点波束覆盖。图4给出了通信卫星天线波束覆盖示意图。蜂窝状多点波束覆盖的优点是采用点波束可提高天线增益，从而增大EIRP和G/T使用户终端小型化，实现手持机通信；多点波束还可通过空分隔离实现频率多次复用，增大总带宽提高卫星通信容量。

图4 通信卫星天线波束覆盖示意图

卫星转发器发展

最早的商用通信卫星使用的转发器为透明转发器，现有大部分通信卫星仍使用透明转发器，少数通信卫星使用了处理转发器。透明转发器是对接收信号只进行放大、变频和再放大的转发器；处理转发器是对接收信号的调制-解调制式或多址方式进行加工处理的一种转发器。

透明转发器按在卫星上变频的次数，又可分为一次变频转发器和二次变频转发器（如图5所示）。

图5 透明转发器方框图

处理转发器按其信号处理功能又可分信息处理转发器、空间交换转发器以及由前两种转发器功能集成组成的空间交换和信息处理转发器。其中信息处理转发器功能是将收到的上行频率信号，经解调得到基带信号，进行再生、编码识别、帧结构重新排列等处理，再用下行频率发向地球站；空间交换转发器功能是将多波束接收的信号进行交换，其中信号处理单元主要是交换矩阵网络。它可采用微波交换矩阵网络，也可采用基带交换矩阵网络。图6给出了通信卫星处理转发器方框图。

图6 通信卫星处理转发器方框图

通信卫星处理转发器功能和特点：通过对信号解调和再生，可去掉上行线路中叠加在信号上的噪声，提高整个通信链路的传输质量；通过对信号的解调和再调制，进行上下链路分开设计，可使上下链路实行不同的调制体制和多址方式，以降低传输要求和地面设备的复杂性；通过星上信号处理，可实现用户线路的信道、频率、功率和波束的动态分配，以使卫星资源得到最佳利用；通过前向链路与后向链路信号处理器连接，可实现移动用户之间一跳通信，以避免双跳引起的长时延；通过星上信号处理，可建立星间通信链路，以实现卫星星间联网等。

目前有代表性星上采用处理转发器的通信卫星有：2007年8月发射的美国卫星太空之路-3（Spaceway-3），星上采用Ka频段再生处理转发器，发射天线采用2m直径1500单元相控阵多点波束天线。2008年3月发射的日本超高速因特网卫星（WINDS），其中超高速多媒体通信业务使用星上再生交换（ATM交换、因特网路由转换）Ka频段转发器。

通信卫星平台发展

通信卫星平台按运行轨道类型基本上分低轨道卫星平台和静止轨道卫星平台两类。前者一般为小卫星平台，后者为大卫星平台。以下讨论静止轨道卫星平台发展。

a 静止轨道自旋稳定通信卫星发展示意图

b 静止轨道三轴稳定通信卫星发展示意图

图8 静止轨道三轴稳定通信卫星超大型LS 20.20卫星平台

表2 现代通信卫星发射质量达6吨级大卫星特性示例

自1965年全球第一颗静止轨道通信卫星投入商用至今，静止轨道卫星通信系统的卫星与地球站，其总发展趋向是大卫星小终端。这点对卫星固定通信业务、卫星移动通信业务和卫星直接广播业务三者来说都是如此。整个静止轨道通信卫星发展的历程从一定意义上讲是从小卫星到大卫星发展的过程。最早的商用静止轨道通信卫星是自旋稳定小卫星——国际通信卫星-1，其发射质量仅68kg,现已发射的最大三轴稳定卫星是地网星－1（TerreStar-1），它的发射质量为6910kg。早期的自旋稳定通信卫星平台完成历史任务后，因能源功率满足不了要求，大功率卫星平台就不发展了。现各卫星制造商研制的大功率卫星平台都是三轴稳定的卫星平台，且愈做愈大。小卫星向大卫星发展示意图分别如图7的a和b所示。

近几年发射质量达6吨级三轴稳定的大卫星特性示例如表2所示。现代大卫星正在向大容量、高EIRP、高G/T和增加星上处理能力方向发展。

为了适应发展需求，罗拉空间公司还开发了静止轨道三轴稳定通信卫星超大型LS 20.20卫星平台,其外型如图8所示，该平台可提供150个转发器同时工作，电源功率为17～30KW，发射质量为5000～7000 kg。

静止轨道三轴稳定通信卫星进一步增大有困难时，可发展有多颗相关的卫星组成的“卫星簇”来替代。所谓各卫星相关的“卫星簇”是簇中各卫星处于同一轨道位置，彼此有通信链路直接联结的卫星群。欧空局有关专家对此种卫星簇进行了研究，并被称为SkyLAN（空间局域网）。SkyLAN的基本概念是将一颗大卫星分成数颗小卫星组成卫星簇，各小卫星间用星间链路来完成有关任务，各小卫星集成功能同于大卫星。SkyLAN概念示意图如图9所示，依据这一概念还给出了服务区覆盖全欧洲的宽带多媒体卫星簇和电视直播卫星簇两个设计案例。

通信地球站发展

与通信卫星向大卫星方向发展相反，整个通信卫星地球站发展的历程从一定意义上讲是从大尺寸、大重量的固定地球站到小尺寸、小重量的便携式和手持式用户终端发展的过程。早期最大的固定地球站是天线口径30m的国际通信卫星A型站，如今最小的地球站是卫星移动通信和卫星移动广播电视业务用的手持终端。卫星地球站由大变小发展过程示意如图10所示，现有卫星移动通信手持机如图11a所示，移动广播手持机如图11b所示。现代用户终端正在向小型化、宽带化、综合化和智能化方向发展。

卫星通信发展前景

图9 SkyLAN概念示意图

图10 卫星通信地球站发展示意图

图11 卫星移动通信和移动广播手持机

随着卫星通信技术不断发展，用户终端进一步小型化将使卫星固定通信业务、卫星直接广播业务与卫星移动通信业务区别逐渐缩小；同样由于卫星通信技术发展，通信卫星不经过地面中转也可直播电视节目，通信卫星与广播卫星的区别正在消失；也是由于卫星通信技术发展，卫星广播电视业务由单向广播方式正在向双向交互方式发展，卫星直接广播业务单向通信特性与卫星固定通信业务双向通信特性区别将逐渐缩小；最后还是由于卫星通信技术发展，导致卫星固定通信、卫星移动通信、卫星直接广播3种业务都在往宽带多媒体通信业务方向发展。3种业务同一性增加互异性减小的发展趋势，体现了这3种业务正在往融合方向发展。

随着卫星固定通信、卫星移动通信、卫星直接广播3种业务融合，地面电信网、计算机网和有线电视网三网融合，各种卫星通信网与各种地面通信网互连互通，未来的通信网，必将是一个包含地下的光缆，地面的微波和蜂窝移动通信，低轨道、中轨道以及静止轨道的卫星通信系统组成的服务于全球的混合通信网。它们之间既可以单独组成通信系统，又可以在不同系统间互连互通，真正构成全球无缝隙覆盖天地一体化的能够提供各种带宽和多种业务的综合信息网。在未来综合信息网中，任何人可在任何地点、任何时间、与任何人互通任何信息（语言、图像、文字和数据等），它将标志着个人通信时代的到来。