下一代小卫星星座通信系统发展综述

● 文|解放军理工大学通信工程学院 杜 锋 李广侠 朱宏鹏 云飞龙

技术进展 TECHNOLOGY PROGRESS

下一代小卫星星座通信系统发展综述

● 文|解放军理工大学通信工程学院 杜 锋 李广侠 朱宏鹏 云飞龙

自20世纪90年代以来，小卫星星座通信系统开始受到各国的广泛关注，特别是以全球无缝卫星覆盖、可手持终端和大容量为主的移动卫星通信系统发展尤为迅速。随着全球陆海空移动通信需求的不断增大和卫星使用年限将满，从2007年开始，各主要小卫星星座运营公司开始了第二代系统的研制。而新兴的O3b网络公司、外联网（Outernet）项目也在此时加入进来，致力于开发新一代小卫星星座通信系统。

第二代小卫星星座系统在性能上较之前有很大提升，主要表现在通信容量更大、通信质量高更可靠、应用范围更广、终端更小等方面。目前，二代系统中处于领先地位的有三个系统：铱星（Iridium）系统、全球星（Globalstar）系统和轨道通信（Orbcomm）系统。其中，轨道通信系统主要提供邮件、双向寻呼等窄带数据通信业；铱星系统和全球星系统主要提供移动语音和数据业务。

一、下一代低轨星座系统概况

1.铱星系统

☆ 铱星下一代示意图

铱星系统是世界上第一个全球覆盖的无线数字通信系统，采用低轨（LEO）解决了地球静止轨道（GEO）的大延时问题，也是第一个采用大规模星际链路的卫星通信系统，具有复杂的星上处理能力，可为手持机用户提供全球个人移动通信服务[1-2]。铱星公司于2007年提出铱星下一代（Iridium Next）计划，第二代铱星系统具有更宽的带宽潜力，更加灵活的带宽分配，更多的增强服务和更高的数据速率，单星质量为800kg，计划于2015年以“一箭六星”方式开始发射，2017年完成部署，现有星座有望保持运行，直到第二代铱星全面运作，许多卫星将一直服役到2020年。其主要技术参数如表1[3-4]。

表1　铱星下一代主要技术参数

铱星下一代集成当前系统的最优部分，同时提供更大的带宽和更高的数据速率，以支持功能更强的设备和日益增多的用户需求。第二代铱星系统仍采用极轨星座，提供具有高可靠性和低延迟的通信服务，能够很好地继承和覆盖现有系统，并具有良好的向后兼容性。二者主要区别如表2[3]。

表2　铱星下一代系统与当前铱星星座系统对比

第二代铱星全球系统包括3个方面的内容：铱星星座、全球网络、用户产品与解决方案。铱星星座是由66颗相互交错的低轨小卫星构成的一个复杂的全球系统，可以为包括海洋、天空和两极地区在内的地球表面提供高质量的话音与数据服务。铱星全球网络是唯一能真正提供全球化非对称通信的系统，并且具有高可靠性。地面段包括两个关口站、一个卫星网络操作中心、一个技术支持中心和5个跟踪、遥测与控制站，其中卫星网络操作中心是空间与地面连接的中枢系统，为网络调制和控制提供不间断服务，包括运行趋势和性能分析以使得服务质量（QoS）满足要求、定期制定任务计划和轨道参数报告、提供实时的卫星和网络工程支持等。

每1颗铱卫星都与4颗卫星相连，2颗在同一轨道上，另外2颗在相邻轨道上，这种动态连接有助于卫星间网络路由保持畅通。同时，卫星星座可增强铱星无线网络的可靠性，不会因地面自然灾害而发生中断，例如台风、海啸和地震等。

除传统应用外，第二代铱星系统还将增加以下新的用途。

（1）有效载荷

铱星下一代中每颗卫星都为有效载荷留有50kg质量，载荷体积为30cm×40cm×70cm，平均功率50W(峰值200W)，数据速率接近1Mbit/s，用于为Aireon公司提供基于天基航空监视业务的次级载荷空间，并且在即将于2015年开始发射的共计72颗在轨卫星中全部安装Aireon广播式自动相关监视（ADS-B）接收机。接收机将采用AppStar有效载荷平台，可接收来自飞机的ADS-B数据，并经由ADS-B地面站提供给空中导航服务供应商，服务响应时间可缩减至2s以内，从而实现完整覆盖全球的近实时、高频率、高精度的飞机位置监视。预计ADS-B系统在第二代铱星服役期间可为全球航空公司节约60亿～80亿美元的燃料，并使航班产生的温室气体排放量减少3500万吨[5-6]。

此外，铱星公司还推出了铱星PRIME供应平台，负责寄宿有效载荷总体方案设计。可承担有效载荷质量为265kg，输出均值功率650W（峰值1100W）,数据速率为17Mbit/s。铱星PRIME平台利用铱星星座及其运行模式实现商业盈利，借助于星际链路和全球地面系统可提供基于多种有效载荷的双向控制与数据传输业务。与铱星下一代不同，铱星PRIME设计中除去了不必要的L频段用户通信，而将可搭载有效载荷的能力进一步提升。

（2）iGPS

精确导航中将基于GPS与铱星结合的载波相位位置测量系统称之为 iGPS[7]（integrity global positioning system）。铱星可提供高功率信号，并且地面跟踪可快速变化；GPS提供位置、时间和速度等导航信息，二者结合可提高GPS的测量精度。

iGPS星座由24颗GPS卫星和66颗铱星卫星组成，它们均有6个轨道面，分别运行在中轨和低轨轨道上。在iGPS系统中，地面参考站将获取的GPS和铱星信息发送至主站，主站采用双频测量技术进行提取，得到铱星电离层延迟估计参数和GPS长期运行错误校正参数，并通过铱星信道发送给用户[8]。由于铱星星座运动速度比GPS快30倍，因此可以改善由于GPS卫星几何分布在测量中造成的周期模糊问题，可将定位精度由当前的米级提高至厘米级，同时也有助于提高对室内或者有遮挡环境下的定位精度[9]。

（3）基于星上IP的宽带网络

铱星下一代卫星提供L频段1.5Mbit/s和Ka频段8Mbit/s的高速服务，采用48个L频段相控阵天线，覆盖地球表面直径达4700km,可提供蜂窝模式卫星通信。Ka频段用于卫星与地面关口站和星际链路通信。在空间有66颗卫星组成交联星座，允许地球上任何位置的用户通信，组成了真正覆盖全球的卫星网络[10]。铱星下一代网络将提供更大的带宽、加快的数据速度，更灵活的带宽分配和全球覆盖，借助于星上IP技术，铱星下一代将能更好地与地面IP设备实现互联互通，并且能够在紧急情况下提供优先服务，同时确保通信的完好性与安全性。

此外，铱星下一代还能为海上集装箱提供更智能的和更有效的持续跟踪，应用领域还包括运输、旅游、石油天然气、政府和军队等。

2.全球星系统

全球星系统是借鉴地面蜂窝网成熟的CDMA技术而研制出的全球卫星移动通信系统，采用卫星分集技术从而提高了用户链路的抗衰落能力和通信质量[11]。星上采用透明转发，没有星际链路，减小了系统复杂性。由于采用玫瑰星座，全球星系统只能覆盖南北纬70°范围，需要在全球建立关口站，数据传输速率较低[12]。

为了缓解S频段放大器故障带来的影响，同时增强卫星系统功能，全球星公司与Thales Alenia Space公司在2006年签署了共同开发第二代全球星系统（2ndGlobalstar）的合同，设计卫星有效期为15年。第一批6颗二代卫星于2010年10月发射，向全球星用户提供话音和数据业务；2013年2月，最后6颗二代卫星发射升空，标志着第二代全球星系统共24颗卫星已率先完成部署。

☆ 第二代全球星卫星示意图

第二代全球星卫星质量为700kg，采用2片3联太阳能帆板，初始功率为2.2kW，末级功率为1.7kW。卫星轨道高度为1414km，轨道倾角52°。卫星采用简单、高效、可靠性强的“弯管式”转发器设计，装载多台C～S频段和L～C频段转发器[10]。

第二代全球星卫星系统由空间段、地面段和用户段组成。地面段分为关口站、卫星运行控制中心（SOCC）、地面运行控制中心（GOCC）和全球星数据网（GDN）。关口站将全球星无线网络与地面公网和移动网相连，每一个关口站同时与3颗卫星通信，并将来自不同卫星数据流的信号进行合成，实现全球星与地面固定网、移动网之间的相互兼容。关口站采用了灵活的模块式结构设计，可随着市场需求进行升级改进。

第二代全球星卫星系统除南北极以外在全球范围内可实现无缝覆盖，提供低价的卫星移动通信业务，包括话音、传真、数据、短信息、定位等；提供的服务包括一键通与广播、先进的短报文能力（MSS）、移动视频、GEO定位、多频段与多模手机、GPS集成数据设备等[13]。

全球星公司拥有美国政府颁发的部分WiFi频谱使用许可证。WiFi第十四信道频谱范围定义 为2473MHz～2495MHz， 而 全 球 星 公 司 拥 有2483.5MHz～2495MHz的使用权，因此第二代全球星推出了基于卫星的WiFi服务，也叫Sat-Fi。Sat-Fi路由器与卫星相连形成热点，用户直接通过智能手机安装APP连接后就能上网，可以实现话音、邮件、短消息等业务，一台Sat-Fi设备最多允许8名用户同时接入，可提供最大发射功率为100mW，有效覆盖范围为100英尺（约30.48m）。Sat-Fi致力于解决最后一公里的通信问题，用户群包括能源/石油天然气、商业/远洋休闲、紧急情况、建设、自然资源、交通运输等。目前仅北美及其周边地区和海域范围内可以使用Sat-Fi[13]。

3.轨道通信系统

轨道通信系统是美国轨道通信公司开发的全球非实时低速率数据传输系统。该系统主要特点是业务类型单一、费用较低，是全球唯一专门从事窄带数据通信的商业通信系统[14]。2014年7月，轨道通信公司在拉卡维拉尔角空军基地发射6颗第二代卫星（OG2），标志着轨道通信系统开始更新换代，并形成下一代卫星星座。

☆ 第二代轨道通信卫星示意图

相对于目前的OG1星座，OG2卫星星座拥有先进的通信技术，每颗OG2卫星相当于6颗OG1卫星，在高纬度地区拥有更快的数据连接和传输能力，可用邮件容量更大，同时减小了终端天线的尺寸和功耗，电池具有更强的续航能力[15]。

OG2安装有自动识别系统（AIS）载荷，可为船只提供循迹追踪。大多数陆基AIS系统仅提供有限的岸基覆盖，因此在追踪和监视船只时不能实现全球性的、开放性的覆盖，轨道通信系统克服了这个问题，利用其独特的卫星AIS数据服务，可以监控船舶的位置和状态范围远远超出了沿海地区，可协助导航并提高海上安全，其应用领域包括搜救、事故调查、反海盗和环境监测等[15]。

轨道通信系统是全球第一个专注于物联网（M2M）并且拥有对应卫星网络的公司。第一代25颗轨道通信卫星组成的低轨卫星网络可以为全球任何地点提供双向数据通信。每颗卫星都配备了甚高频（VHF）通信有效载荷，可使得信息传输免收恶劣天气影响。同时，优化后的报文长度非常适合M2M应用，因此轨道通信公司一直在M2M领域处于领先地位。轨道通信系统地面段为M2M提供安全保障，分布在13个国家的16座地球站可与轨道通信卫星进行双向通信[15]。其中，网关控制中心（GCC）处理数据，并与地面通信网互联；网络控制中心负责管理卫星星座，并监控信息的可靠传输[16]。

轨道通信系统采用卫星和蜂窝双重覆盖模式，用户通过主机上的双模通讯平台进行选择，具有很高的性价比。通过与泰雷兹—阿莱尼亚公司合作，在全球范围内向用户提供复杂的蜂窝网络覆盖，服务内容包括双向卫星通信、单向卫星通信、基于GSM的蜂窝解决方案、基于CDMA的蜂窝解决方案等[15]。

4. O3b卫星系统

O3b网络公司是2007年由多家大型公司和银行联合组建的一家互联网接入服务公司。它的名称O3b（the other three billion），即“另外的30亿人”，是指全球尚未接入互联网的人口。O3b希望通过多颗卫星实现连接全球另外30亿人，并提供低延迟、高速率和合理价格的互联网接入服务[17]。O3b首批8颗卫星已于2010年发射，可以为亚洲、非洲、南美洲、澳大利亚和中东地区提供远程通话和互联网服务，卫星提供的新型远程信息交互服务的速度可以达到与光纤网络同等的程度。O3b致力于构建新一代星座卫星通信系统，新一批4颗卫星已于2015年1月发射。

☆ O3b卫星示意图

O3b卫星由泰雷兹—阿莱尼亚公司设计研发，计划由16颗卫星构建全球星座通信系统，目前已发射12颗。单星质量低于700kg，设计寿命10年，运行于8062km的中圆轨道，覆盖南北纬45°以内的区域，极限覆盖范围为62°。卫星运行轨道接近赤道平面，轨道倾角0.1°，轨道周期为360min[18]。

每颗卫星拥有12副Ka频段天线，可形成2个关口站波束和10个用户波束，每幅天线可±26o旋转，跟踪地面固定位置，波束覆盖直径为700km。星上拥有12个65W行波管放大器，点波束采用左旋和右旋圆极化技术，单波束可用带宽为2×216MHz，信息速率高达2×800Mbit/s[17]。

O3b星座采用弯管式透明转发体制，没有复杂的星上处理，因此在全球建立了多个关口站，用于构建O3b地面骨干网，卫星与关口站互联形成全球网络，为用户提供灵活、可靠、安全的互联网接入服务。此外，O3b还提供形式多样的终端以满足不同用户的需求，通过采用先进技术，使得终端带宽利用率高、布置简单、供应可靠、并且易于维护[18]。

与2G、3G、4G、WiMax、LTE技术相比，O3b在最后一公里通信解决方案方面的高吞吐量和低往返延时特性具有很强的竞争力[19]。首先，传统GEO卫星延时为500ms，而O3b卫星往返延时仅为130ms，这有助于用户在进行话音、视频、会议以及上网业务时能获得更好的体验；其次，O3b卫星通过基于TCP/IP的改进协议PEP （Performance Enhancing Proxies）和远端站本地缓存技术进一步提高了通信的吞吐量，2014年已投入运营的O3b高速互联网接入技术可提供大于500Mbit/s的中继带宽；最后，O3b运行轨道为赤道平面，并且关口站骨干网直接与因特网相连，使得运营成本降低，用户在可承受的价格范围内就能享受到光纤级因特网接入服务。

5.Outernet卫星系统

2014年，美国媒体发展投资基金（MDIF）发起了外联网（Outernet）项目，该项目计划借助数以百计的人造卫星为全球提供全天候的免费WiFi接入[20]。Outernet整个卫星系统架构十分简单：首先是利用低成本、批量化生产的立方体小卫星构成空间段；其次是寻求NASA等航天部门帮助，得到低价的卫星发射服务；最后是选择内容提供商，通过地面网络上传给卫星，再借助于卫星向全球免费广播无线信号。

MDIF计划向近地轨道发射150余颗立方体卫星，并在地面建立基站向卫星发射数据流，在卫星上使用基于用户数据报（UDP）的WiFi多播技术，将解析后的数据转换为无线网络传播到世界各地[21]。

但值得注意的是，Outernet卫星网络并不等同于WiFi，因为它仅提供单向的广播服务，而非地面互联网的交互服务。其播发内容包括国际地区新闻、英国文化协会课程、软件、音乐、视频、各语种维基百科等内容，同时援救部门也可以通过Outernet接入紧急通信频道[22]。同时，由于国际电信联盟（ITU）并未对微型卫星使用频段作出规定，Outernet计划使用的频段与WiFi频段相同，若实现双向通信，卫星将极易受到地面无线网络的干扰。此外，考虑到播发信息安全，Outernet能否得到各国政府支持，也是该计划需要考虑的重要因素。

二、前景分析

与欧美等发达国家相比，目前我国在小卫星星座通信系统设计方面还存在差距，虽然小卫星平台、有效载荷技术已基本成熟，清华“灵巧”通信试验卫星也获得了成功，但是在轻型多波束、星上处理交换和星座组网等方面还处于研究阶段。未来小卫星星座通信系统发展应注意以下三个方面：

第一，加大技术攻关力度，在星载多波束天线、星上处理及星际链路等方面取得突破；进行小卫星组网试验，通过发射微小卫星进行星上分布计算机、卫星测控管理、星座组网及星际链路等关键技术的实验，待技术成熟后再逐步应用到小卫星星座通信系统的设计中。

第二，开发次级有效载荷平台。铱星PRIME为未来星座通信系统设计提供了新的思路：无需发射专门功能的卫星，借助于现有的星座通信系统搭载次级有效载荷即可实现所需功能，提高了卫星设计的灵活性，并有助于吸引更多用户使用卫星。

第三，进行天基WiFi网络研究。研制基于IEEE 802.11标准的天基WiFi网络，争取通过低成本微小卫星向地面终端直接提供WiFi信号，实现IP网络的无线接入，同时为遥感和导航增强提供支持。

参考文献

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