国外静止轨道移动通信卫星技术发展综述

刘悦 （北京空间科技信息研究所）

移动通信卫星在通信业务领域占据了重要地位，相对于地面移动通信系统，具有覆盖范围广、通信费用与距离无关、不受地理条件限制等优点，能够实现对海洋、山区和高原等地区近乎无缝的覆盖，满足各类用户对移动通信覆盖性的需求。

1 静止轨道移动通信卫星发展简介

自20世纪70年代以来至今，静止轨道移动通信卫星已经过了40年的发展历程。根据技术先进性（代表性），它们大致可以划分为四代：①第一代卫星采用全球波束，容量非常有限；②第二代卫星采用区域波束，并通过频率复用技术增加可用容量；③第三代卫星采用百个点波束，可以实现用户间的单跳通信，并具有灵活分配功率、带宽和波束的能力；④第四代卫星采用地基波束成形（GBBF）技术、地面辅助组件（ATC）技术构建天地融合的卫星-地面移动通信系统。

第一代静止轨道移动通信卫星主要提供海事卫星通信服务，其典型系统有：“美国海事通信卫星”（Mar isat）、“欧洲海事通信卫星”（Mar ecs）和国际移动卫星－2（Inmar sat－2）。第二代静止轨道移动通信卫星的技术进步主要体现在采用了多波束天线，系统能力类似于地面模拟蜂窝移动通信系统，典型的卫星系统有：国际移动卫星－3和加拿大/美国的“移动通信卫星”（MSAT）。目前，全球在役的静止轨道移动通信卫星主要是第三代卫星，第四代静止轨道移动通信卫星均在2008年之后发射，代表了未来移动通信卫星的发展方向。

2 第三代静止轨道移动通信卫星

第三代静止轨道移动通信卫星部署于2000年之后，主要标志是卫星能够形成上百个点波束、载荷的数字化，移动用户间直接通信、能够灵活分配卫星的功率、带宽和波束。其典型系统是印度尼西亚的“亚洲蜂窝”（ACeS）系统[卫星名为“格鲁达”（Garuda）]、阿联酋的“瑟拉亚”（Thuraya）系统和国际移动卫星－4系统。第三代移动通信卫星采用的关键技术包括：大型可展开天线技术、大型通信卫星平台技术、多波束形成技术，星上处理和交换技术等。

大型可展开天线技术

第三代卫星移动通信系统的终端尺寸普遍较小，有些已经接近地面蜂窝网络的手持终端，对于静止轨道卫星系统来说，为了支持手持移动终端，并且受限于卫星的功率和较长的传输距离造成的信道衰落等问题，这就对卫星的增益和等效全向辐射功率（EIRP）提出了较高的要求，先进的卫星移动通信系统多采用大型可展开天线。

大型通信卫星平台技术

比起传统的固定通信卫星，移动通信卫星对卫星平台提出了较高的要求。一般情况下，要求静止轨道通信卫星平台能够支持质量超过800kg的有效载荷，卫星的总功率大约在10k W以上。大型可展开天线对平台的控制系统提出了更高的要求。

多波束形成技术

第三代卫星移动通信系统多采用星载多波束天线技术，提高覆盖范围和频率的利用率。星上数字波束成形技术是重要的组成部分，可以优化形成波束，改善天线的等效全向辐射功率和G/T值，实现部分的在轨波束重构，并可支持星上单跳业务。其基本原理是通过对多馈源信号的加权求和操作形成多个波束，这些权值称作波束成形系数。波束成形系数可以根据预先的计算进行预置，也可以根据系统需求进行在轨波束重构。

星上处理和交换技术

目前，主要有3种星上处理和交换的方式：透明转发、部分星上处理和交换、完全星上处理和交换。其中，大多数卫星采用透明转发方式，因此技术成熟度最高；缺点是交换需要在地面进行，会产生较大的延迟；完全星上处理和交换通常采用全数字化的方式，因而能够降低延迟，提高通信效率；缺点是适应性较差，技术难度较大，容易受到宇宙辐射的影响；部分星上处理和交换是二者的折中。

第三代移动通信卫星技术指标

“天地通”卫星

3 第四代静止轨道移动通信卫星

第四代静止轨道移动通信卫星部署于2008年前后，第四代的主要标志是卫星系统采用辅助地面组件技术为用户提供天地融合的4G服务。其典型卫星是2010年发射的“天地通”（Sk y Ter r a）卫星、2009年发射的“地网星”（Ter r eStar）和2008年发射的DBSD－G1[原中圆轨道－G1（ICO－G1）]卫星。辅助地面组件技术通过卫星移动通信的地面辅助基站，能够解决卫星信号在高楼林立的城市以及室内覆盖性不佳的问题，卫星和大量辅助地面组件基站组合在一起可以很好地实现大区域无缝覆盖，终端可以自动地在辅助地面组件基站和卫星之间进行无缝切换。

大型可展开天线技术

第四代卫星需要支持较小的移动终端，因为普遍采用了大型可展开天线。其中，地网星－1卫星是世界上首颗能用地面网级的终端直接通信的卫星。DBSD－G1、地网星－1和天地通－1卫星均采用了由哈里斯公司研制的折叠肋式大型可展开网状天线，天线口径分别为12m、18m和22m。

基于地面的波束成形技术

针对第三代卫星普遍采用的星上波束成形技术的不足，为了降低星上的复杂度，提高稳定度，第四代卫星普遍采用了地基波束成形技术。基于地面的波束成形技术是将数字波束成形技术与其他数字处理技术放到地面上进行工作的方式。使用地基波束成形技术的卫星，星上的有效载荷仅需要天线及相关的射频网络，所有的处理工作均交由地面信关站进行处理，并且可以根据用户需求，形成数目不同的、且各自独立的频段发射点波束和接收点波束，提供用户实际需要，灵活地分配卫星容量及带宽；同时节省星上资源，增强卫星的可靠性。

基于辅助地面组件的天地融合网络技术

第四代卫星采用了基于辅助地面组件技术的天地融合的网络架构中，整个卫星移动通信网络由2个相对独立的网络构成：天基网络和辅助地面网络。天基网络由卫星（1颗或2颗）和卫星信关站组成。采用2颗卫星的空间段设计主要是为了通过空间分集来增强链路能力，提高链路余量，减小终端尺寸，用户可以选用与手机类似大小的终端。

系统的地面网络由大量的辅助地面组件基站和基站控制中心构成，该基站主要致力于为室内或高楼林立处的手机用户提供通信服务。网络控制中心负责对卫星网络和基站之间进行实时协调控制，从而使终端在系统的控制下自动地在卫星网络和地面网络之间进行无缝切换。辅助地面组件基站并非卫星信号的简单中继器，而是用于构成完整的辅助地面网络，即使没有卫星，用户在大量辅助地面组件基站覆盖的服务区仍然能够享受移动通信服务。

4 技术进步与市场需求共促卫星移动通信的发展

从国外卫星移动通信的发展来看，卫星移动通信的技术革新不是孤立存在的，与市场的发展有着巨大的联系。

技术进步带动了市场发展

卫星移动通信系统、卫星和地面终端的技术进步之所以对市场产生着根本性的影响，是因为技术进步可以催生新的业务，并且得到更加经济实惠的新产品。

第四代移动通信卫星技术指标

目前，许多静止轨道移动通信卫星使用了超过20m口径的天线，这大大增强了卫星的性能，降低了用户终端的尺寸。这使得用户能够享受到小型化的卫星移动终端（与地面移动终端大小差不多）。许多新兴的卫星移动业务采用了与地面无线通信标准非常类似的标准，只需要对现有地面终端的芯片和天线做出稍许调整即可实现卫星通信。未来，卫星通信终端与地面通信终端的兼容性还将进一步提高，运营商只需对地面通信终端的生产线进行调整和修改就能生产卫星通信终端，此举大大增加了卫星通信业务进军地面无线通信市场的竞争力。

采用辅助地面组件技术的双模手持终端，能够使得用户在卫星网络和地面网络间随时切换，在有地面网络覆盖的地区使用地面网络，在没有地面网络覆盖的地区使用卫星网络，大大降低了用户的使用成本，也同时吸引了地面移动运营商的关注。随着技术的不断成熟完善和规模化的生产与销售，这种双模终端的制造成本将会逐渐下降，直至普通用户能够接受的价格。此外，在发生自然灾害导致地面通信基础设施毁坏和在沙漠、海洋等地面通信设施覆盖不到的极限环境下，双模终端也能发挥巨大的作用。

基于互联网协议（IP）的手持设备也能够提供下一代的应用和服务，如移动视频、音频和数据广播功能。在这个方面，卫星通信由于起步较晚，比地面移动通信更具有优势。这是因为地面移动通信系统往往受限于现有的网络和标准。目前的卫星通信业务大多只能提供话音、窄带数据、基本的视频业务，但卫星和地面站的技术进步能够使得卫星运营商提供高速数据接入业务和高质量视频业务。

市场需求促进了技术革新

另一方面，市场需求的发展进一步促进了技术革新。随着用户数量的增加和宽带业务的发展，卫星容量不足问题显现出来，因此，卫星采用了地面频率复用和增加卫星的波束数量来解决相关问题，这就要求卫星具有干扰消除技术和灵活的路由策略，避免信号干扰。同时，移动通信卫星所采用的多达上百个的点波束对卫星的功率和天线提出了很高的要求。因此，近年来发射的移动通信卫星多采用大功率的卫星平台和口径在20m左右的大天线。

包括近些年流行起来的移动视频广播在内的带宽密集型应用，以及运营商为各类用户、各个地域的用户提供的灵活的服务，则要求卫星具有灵活分配波束、功率和带宽的能力，地基波束成形和星上数字波束成形技术很好地解决了这一问题，成为了未来星上载荷发展方向之一。

卫星移动通信系统的技术进步

先进的卫星技术大大提高了系统的服务

伴随着市场的发展和地面无线通信的技术进步，用户对于卫星移动终端的移动能力和成本提出了更高的要求，并且更加青睐于与地面移动终端兼容的、能在卫星网络和地面网络之间相互切换的双模卫星终端，这也对卫星上使用的天线提出了很高的要求。

5 未来发展建议

与国外发达国家相比，我国卫星通信技术和设备还有较大差距。尚无自建的国内商用的卫星移动通信系统，现使用的都是外商建设的卫星移动通信系统。一方面我国市场蕴藏了巨大的发展需求；另一方面外商竞相进入我国市场，企图抢占和瓜分“拥有全球最多移动用户”的我国市场这块“巨大蛋糕”。因此，我们应该具有超前意识面对未来卫星通信市场的竞争，以便在新一轮卫星通信市场中占得先机，谋求更大的发展空间。

静止轨道卫星移动通信系统具有星体比较固定、信道条件比较好的优点，采用3颗卫星就能覆盖除南北极以外的所有地区，具有技术成熟简单、投资相对较小、运行维护方便等优点，是我国在现阶段发展卫星移动通信系统的一种有效的解决方案。

（1）加强静止轨道卫星相关技术的研究，赶超国外先进卫星

与国外先进静止轨道移动通信卫星相比，我国通信卫星与国外卫星相比还有很大差距。为此，我们应瞄准国外先进卫星，“苦练内功”，加紧研制高功率、大容量、长寿命、高可靠的大型通信卫星平台；同时向数字化星上交换、星上处理、多波束覆盖、地基波束成形，能够动态分配容量、功率和频率的先进有效载荷方向发展。

（2）国家应给予相关政策、经费上的支持，促进新一代东方红－5卫星平台的立项与研制

移动通信卫星的发展趋势是大天线、大功率，卫星的有效载荷发射功率一般都在10k W以上，现有的东方红－4卫星平台无法满足未来移动通信卫星的应用需要，因此迫切需要新型大功率平台的尽快立项与研制。作为同时起步的平台，欧洲政府在促进“阿尔法平台”（Alphabus）的发展中发挥了重要作用，其首发星将于2014年发射。因此，我国政府也应给予相关政策、经费上的支持，尽快促进东方红－5平台的立项与研制。

（3）抓紧发展战略机遇期，挖掘国内市场发展潜力

当前世界上拥有移动通信卫星的国家主要是美国、加拿大、阿联酋、印度尼西亚等国。这些国家有着各自的特点：美、加等国地广人稀；阿联酋沙漠广布；印度尼西亚是“千岛之国”，而我国的情况与上述国家也有类似之处。我国地域广阔、地形复杂，需求分散，企图完全以地面网络覆盖全国是根本不现实的。随着国家综合实力的增强，钓鱼岛争端、南海问题、未来的航母战斗群之间的通信等矛盾逐渐突显出来，对卫星移动的需求日益增加，国内市场蕴藏了巨大的发展潜力。我们应抓紧发展的战略机遇期，逐步培育市场基础，释放国内市场的巨大能量。

（4）创新驱动市场，通过创新性的技术进步和市场开拓模式带动市场发展

从国外卫星移动通信40年的发展来看，市场的发展与卫星移动通信的技术革新有着巨大的联系。在我国民用市场尚未成熟的情况下，应不断提高技术水平，一方面通过技术创新催生市场需求；另一方面通过创新性的市场发展道路寻求突破。比如，在现阶段我国可以走军用、民用、商用卫星相结合的道路，以满足战时需求为主，兼顾平时通信需求，实现平战结合，在满足我国国土安全需要的基础上培育民用市场。

（5）加强“天地融合”网络技术的研究，向小型化、双模化的用户终端发展

卫星移动通信系统是作为地面蜂窝系统的补充而存在的，主要用于覆盖相邻地面蜂窝网之间的“缝隙”，以及地面蜂窝网不能覆盖的区域。因此卫星通信系统必须与地面蜂窝通信系统紧密结合，而“天地融合”网络和“双模”终端正是这一定位下的必然产物，很难想象单纯的卫星通信模式的手持移动终端还会有发展前途。因此，我国应加强网络融合和终端技术的研究，为我国未来研制“天地融合”系统打下基础。