今日移动通信卫星发展

庞之浩

（北京空间科技信息研究所，北京 100086）

今日移动通信卫星发展

庞之浩

（北京空间科技信息研究所，北京 100086）

由于卫星移动通信具有不受地理障碍约束和用户运动限制的优势，可实现对海洋、山区和高原等地区近乎无缝的覆盖，能满足各类用户对移动通信覆盖性的需求，为此，它已成为卫星通信发展的主要潮流之一。目前，高、低轨道移动通信卫星正并存发展，它们各有所长，且都在不断更新换代，以提高性能和竞争力。

移动通信卫星；技术状态；卫星能力；发展趋势

1　静止轨道移动通信卫星

1.1卫星总体概述

最早问世的移动通信卫星是静止轨道移动通信卫星，至今已发展了四代。第一代静止轨道移动通信卫星采用全球波束，容量较小；第二代静止轨道移动通信卫星开始采用区域波束，并通过频率复用技术增加容量；第三代静止轨道移动通信卫星能形成上百个点波束，载荷采用数字化，可实现用户间的直接通信以及灵活分配卫星的功率、带宽和波束；第四代静止轨道移动通信卫星采用辅助地面组件（ATC）等技术为用户提供天地融合的卫星-地面移动通信系统，提供4G服务。

目前，在轨提供业务的主要是第三代、第四代静止轨道移动通信卫星，其中，第三代卫星的主要技术特征是采用多波束形成技术、大型通信卫星平台技术、大型可展开天线技术、星上处理和交换技术，其典型卫星是国际移动卫星-4（Inmarsat-4）、阿联酋的“瑟拉亚”（Thuraya）卫星和印尼的“格鲁达”（Gaurda）卫星；第四代卫星的主要技术特征是采用地基波束成形技术（GBBF）、大型可展开天线技术、辅助地面组件技术等，其典型卫星是美国地网星-1（TerreStar-1）、天地通-1（SkyTerra-1）和中圆轨道-G1（ICO-G1，又叫DBSD G1）卫星。

第三代、第四代静止轨道移动通信卫星之所以都采用大型可展开天线技术，是为了增强卫星性能，缩小用户终端的尺寸，其中第四代卫星的天线更大。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，从而能大大增加卫星通信业务进军地面无线通信市场的竞争力。

第四代采用的辅助地面组件技术是一种用于卫星移动通信的辅助地面基站，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基站组合在一起可以很好实现大区域无缝覆盖，终端可以自动地在辅助地面基站和卫星之间进行无缝切换，即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，从而大大降了低用户的使用成本，也吸引了地面移动运营商的关注。该技术在发生自然灾害或地面通信设施覆盖不到的极限环境下，更能发挥巨大的作用。

1.2第三代典型卫星

现在，可用于国际卫星移动通信业务的静止轨道移动通信卫星只有国际移动通信卫星，现有大约10颗卫星在轨工作，其中包括第二代移动通信卫星——国际移动卫星-3、第三代移动通信卫星——国际移动卫星-4。2013年发射的首颗国际移动卫星-5主要用于宽带多媒体通信，它属于第四代还是第五代目前尚无定论。

“国际移动卫星”是由国际移动卫星公司运营的全球移动通信卫星系统。它通过有限的带宽频率资源，使用需分多址方式为全世界提供了将近15万只通信终端的服务业务。它可提供传统的移动话音业务、低速率数据业务、高速互联网接入，以及全球海上遇险与安业务全服务。2005年～2008年期间发射的4颗国际移动卫星-4由欧洲阿斯特留姆公司研制，是目前国际卫星移动通信的“主力军，比国际移动卫星-3容量大20倍，可提供全球宽带局域网（BGAN）业务，并支持手持机通话业务。每颗国际移动卫星-4上装有1个直径9m的展开式大型天线，可产生228个点波束、19个区域波束、1个L频段全球波束和1个C频道全球波束，数据传输速率最高为432kb/s。其信道总数超过600个，每个信道带宽为200kHz。由于该卫星采用星上处理技术在波束间进行信道重分配，所以可通过组合产生宽带信道，更好地与功率和带宽资源相匹配。国际移动卫星-4综合了高低端多种业务模式，采用高效的频率复用技术，在有限L频段的带宽资源情况下，实现了容量和多样化的双佳选择。它所采用的新技术可最大限度地节约卫星资源、提高有效功率，使得用户终端小型化、综合一体化以及通信高质量和系统高可用度得到有效保证。

链接：国际移动卫星-5由美国波音卫星系统公司研制，将总共发射4颗，用于提供全球首个高速移动宽带服务，以及高质量的视频、语音和数据服务。它与现有L频段移动通信卫星不同，采用Ka频段点波束设计，每颗卫星携带 72 台转发器，能够形成 89 个固定点波束和 6 个可转向波束，满足高密集地区市场应用需要，响应全球热点事件。通过国际移动卫星-5，用户能够享受 5/50 Mb/s 的数据下载速度，实现全球无缝宽带漫游。海事/陆地终端的口径能够达到 60cm/1m，航空终端的口径能够达到30cm & 60cm的量级。

美国为印尼和阿联酋研制并发射的“格鲁达”和 “瑟拉亚”地球静止轨道移动通信卫星可为个人手机提供区域移动通信服务，它们都装有直径12m多的大型高功率天线，可形成上百个点波束，使其EIRP大大提高。

印尼的“格鲁达”由美国洛马公司研制，于2000年2月12日发射，是世界首颗支持手持机移动通信的地球静止轨道通信卫星，装有两副直径12m的收发大型伞状天线，利用L频段与用户终端进行通信；采用星基波束成形技术，形成收发各140个点波束，可实现20倍的频率复用，能容纳200万个用户，具有1万路同时通话的容量，可为地面移动用户以及地面通信网络无法覆盖的固定用户提供话音、传真、数据和寻呼等移动通信业务，地面用的手机由爱立信公司制造。

2000年10月20日，美国波音公司为阿联酋研制的瑟拉亚-1卫星升空，它是世界上第二颗地球静止轨道区域个人移动通信卫星。2003年和2008年又陆续发射了瑟拉亚-2，3。“瑟拉亚”卫星使用了增强的有源相控阵天线与数字信号处理器相结合的多波束形成技术，可以改变波束指向，实现波束变形，进行信道组合与切换，从而能够根据地面通信容量变化灵活地控制波束的方向和功率，提高覆盖范围和频率的利用率。其收发共用天线的直径为12.25m。整星具有13，750路同时通话的容量。地面使用的多模式手机可兼容卫星、GSM和GPS业务。

多波束形成技术可以优化形成波束，改善天线的EIRP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。

1.3第四代典型卫星

2008年4月14日发射的美国中圆轨道-G1是首颗使用DVB-SH标准的移动视频广播卫星，天线直径15.8m。它首次使用了地基波束成形技术，可以形成250个发送及250个接收的S频段波束。其用户链路采用与地面移动3G系统相近的频率，以有利于与地面系统的互联互通，也有效地提高了频谱的利用率。该卫星主要面向汽车等移动载体提供实时的移动视频、数据等业务，同时也向手持终端（如手机）提供移动多媒体业务。

所谓地基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，并可根据用户需求形成数目不同、且各自独立的频段发射点波束和接收点波束，满足用户实际需要，灵活分配卫星容量及带宽，节省星上资源，增强卫星可靠性。

2009年发射的美国地网星-1是世界上首颗能用地面终端直接通信的卫星，也是目前世界最重的通信卫星，发射质量6，910kg，由美国劳拉公司研制。其上直径达18m的大型S频段天线可生成数百个波束。它采用了辅助地面组件技术，可在卫星信号被建筑物所遮挡的地区提供覆盖；它利用频谱复用技术构建混和网络，形成真正的“星地联合”，提供高质量、低成本、无缝隙的网络，为北美地区的乡村、城市和其他偏远地区提供了2GHz的移动话音、数据通信、监视和信息等业务。由于采用S频段，地网星-1避开了“GPS干扰问题”，因而成为目前最成功运行的天地融合系统。2015年～2016年，美国还将发射全球最重的卫星地网星-2，整星重量超过 6，900kg。

2010年11月14日发射的天地通-1卫星天线口径达22m，是目前直径最大的在轨通信卫星天线。该卫星利用辅助地面组件技术来实现天地融合的宽带移动通信服务，还采用了高功率固态功率放大器等先进技术，是目前美国最先进的L频段移动卫星。天地通-1与地面4G网络组成了天地融合的移动通信系统，即在地面网络覆盖的地区使用地面蜂窝，在地面覆盖不到的地区使用卫星。

2　低轨道移动通信卫星

2.1卫星总体概述

静止轨道移动通信卫星存在一些不足，例如，轨道高、路径长，因而链路损耗大，传输时延长，不宜于个人移动通信；单星成本太高，一旦发射失败损失惨重；静止轨道资源很紧张；这种卫星不能实现真正的全球覆盖，在两极有盲区。为此，从20世纪90年代中期起，一批移动通信低轨道卫星陆续投入建造。

低轨道移动卫星通信系统由卫星星座、地球信关站、系统控制中心、网络控制中心和用户单元组成。其中的卫星都是小卫星，一般运行在高500km～1，500km的轨道，故可以克服静止轨道卫星的种种不足，如卫星体积小、重量轻、造价低、制造周期短、可批量生产；卫星之间互为备份、损失较小；地面终端设备简单，造价低廉，便于携带；由于轨道高度低，所以可以消除使用静止卫星工作时存在的电话传输延迟等问题；能进行全球无缝隙个人移动通信。

之所以采用星座方式工作，是由于低轨道卫星覆盖面积小，为了实现全球覆盖，连续通信，所以要采用由多颗小卫星组成的星座方式运行。它是在若干轨道平面上布置多颗卫星，使用各种通信链路将各个轨道平面上的卫星联结起来。整个星座形成一个大型平台，在地球表面形成蜂窝状服务小区，服务区内用户至少被一颗卫星覆盖，用户可以随时接入系统。

根据工作频段和服务内容的不同，低轨道移动通信卫星系统又可分为小低轨（Little LEO）和大低轨（Big LEO）两种。前者由廉价小卫星组成，工作频率在1GHz以下，能提供低成本、低数据传输率（10kb/s）的Email和双向寻呼等窄带数据通信业务，美国“轨道通信卫星”（Orbcomm）属于此类。后者由24颗以上的小卫星组成星座，工作频率在1GHz～2GHz，能提供话音和中高速率的数传以及全球个人通信业务，美国 “铱”（Iridium）卫星和“全球星”（Globalstar）属于此类。它们均采用一箭多星方式发射。

低轨道移动通信卫星系统在历经了20世纪的“没落”之后现已“强势回归”，美国三大低轨移动通信卫星星座目前正在更新换代。

2.2小低轨卫星星座

“轨道通信”是目前全球第一个也是惟一一个广域、分组交换、双向短数据低轨小卫星通信系统，用于短数据通信，具有投资少、周期短、兼备通信和定位能力、卫星重量轻（43kg）、用户终端小巧便携、星座运行时自动化程度高、自主功能强等优点。其用户终端与信关站之间的通信通过低轨道卫星星座来实现，信关站连入拨号网络或专线网络，与因特网和X.25 等网络相连。

美国第一代“轨道通信”卫星由轨道科学公司研制。其主星座由4个轨道面组成，每个轨道面上部署8颗卫星，轨道高度825km，轨道面之间的间隔为45°。1995年发射首颗卫星，1998年组成星座开始正式提供商业服务。1995年～1999年共发射35颗卫星，第一代卫星完成组网。

每颗“轨道通信”上装有7台用户上行链路接收机，1台用户下行链路发射机，2台信关站上行链路接收机，1台信关站下行链路发射机，1台时间同步信号发射机。卫星的3副四臂螺旋天线均安装在可伸展支杆上，其中1副为VHF频段信关站天线，另1副为VHF频段用户天线，还有1副为UHF频段授时天线。

该卫星每小时可以处理7.7万条短信，在美国可以满足330万终端设备的需要。除了短信外，其定位功能主要由卫星上的GPS分系统来实现，可以提供星上导航和时间同步功能。

美国还计划建立由18颗卫星组成的第二代“轨道通信”卫星星座。其每颗卫星将配备一套增强的通信有效载荷，用户数量比第一代最多可增至12倍，数据传输率更快，传输量更大。卫星拟配备自动识别系统（AIS）有效载荷，接收与报告来自配备了自动识别系统的海上船只的信号，它在海上船只的避碰、助航、搜寻、救助等各方面有着广泛的应用。第二代“轨道通信”卫星讲具有向后兼容特性，第一代“轨道通信”用户的通信设备可与第二代卫星实现无缝链接。

2.3大低轨卫星星座

“铱”星座的特点是具有星间链路和星上处理功能，不需通过地球站中继便可灵活、高质量地进行个人全球移动通信，但成本高。“全球星”星座没有星间链路和星上处理功能，对地面设施依赖性大，只能提供存储转发通信，但容易实施、投资小是它的优势。它们都已经投入使用。

2.3.1“铱”卫星星座

美国洛马公司研制的第一代“铱”卫星于1997年5月5日首次发射，1998年11月1日正式提供移动通信业务。它是世界上第一个低轨道话音移动通信系统，由66颗运行在6个极轨卫星组成，每个轨道平面上分布11颗卫星和1颗备份星，轨道倾角为86.4°，轨道高度为780km，。每颗卫星在与地面用户终端及信关站进行通信的同时，每颗卫星有四条星间交叉连接链路，与星座中的其他卫星进行相互间的通信，形成一个网络。

每颗“铱”卫星发射质量690kg，装有3副主任务相控阵天线，每副天线可提供16个L/S频段通信波束。卫星还装有4副Ka频段星间链路天线，其中两副用于轨道面内通信，另外2副用于轨道面之间的通信；4副Ka频段星地通信天线，用于卫星与地面信关站之间的通信。单星通信容量为1，100条信道。“铱”卫星和用户单元间上下行链路使用L 频段，卫星间链路及其与信关站的上下行链路则使用Ka频段。

采用星际链路是“铱”卫星系统的一大特点，它用于在相邻卫星之间提供可靠、高速的通信。所有卫星协调工作共同构成一个空中传输交换网络，使得任一卫星覆盖区内的任何用户通过星际链路就可以与其他覆盖区内的任何用户进行通信，而无需地面设备进行中继。即使用户处在一个附近没有信关站的波束中，由于星际链路的存在，用户终端仍能通过多条路径与系统中的信关站进行通信。这多条路径方式大大提高了系统的抗干扰和抗摧毁能力。

“铱”卫星系统与用户之间的通信采用蜂窝设计，但与地面蜂窝移动通信不同，“铱”卫星使用点波束，每颗卫星的星上相控阵天线形成48个点波束，点波束构成连续的六角形图形，在地球表面形成L频段的48个蜂窝小区网，在地球表面飞速移动。每个小区的直径为689km，48个点波束组合起来，可以构成直径为4，700km的覆盖区，“铱”卫星用户可以看到一颗卫星的时间约为10min。因此，在地面最小仰角为8.2°的条件下，“铱”卫星系统形成了全球的连续覆盖。

目前，美国国防部是“铱”卫星系统最大的用户，“铱”卫星手机为海外作战的美军官兵广泛使用，主要用于战斗员之间的通信和美军中央司令部物资运输监测。英国国防部等部门也先后成为该系统的用户。

第二代“铱”卫星——“铱星下一代”（Iridium-NEXT）目前正由欧洲泰雷兹-阿莱尼亚航天公司研制，计划于 2015年～2017 年之间发射。其主要特点是：无缝隙的替换现有星座，以确保业务的连续性；保持“铱”卫星系统服务的全球覆盖、安全、可用和通信的低延迟特性；能在速度、带宽和灵活性方面提供新的增强能力，最高数据下载速率可达30Mb/s。

2.3.2“全球星”星座

1998年2月14日，美国首次发射了第一代“全球星”，1999年11月22日完成由48颗第一代“全球星”组成的星座，卫星分布在8个倾角为52°的圆形轨道平面上，相同轨道平面内卫星间隔为60°，轨道平面间隔45°，轨道高度约为1 414km。该系统在赤道和纬度高于60°的区域覆盖率较低。

第一代“全球星”的馈电链路采用全球波束，用户链路有16个点波束，每颗卫星可提供2，500条2.4kb/s的信道，波束覆盖区直径约为5，800km。从用户到卫星的返向链路采用L频段，从卫星到用户的前向链路采用S频段，卫星和信关站之间上下行通信链路采用C频段。每个信关站可以与4颗卫星通信。

“全球星”采用透明转发方式，信号调制、解调等处理均在地面上进行，主要实现卫星用户链路（L /S频段）和馈电链路（C频段）信号之间的联通、变频和放大等功能，S频段发射天线和L频段接收天线均采用有源相控阵天线。

该系统是一个星形结构的通信系统，所有通信都需通过信关站的交换。它能提供话音、定位、传真和数据等商业业务，也为美国军队提供移动通信业务。

第二代“全球星”已于2013 年 2 月正式完成与第一代的更新换代，可运行到2025年。第一代“全球星”的寿命仅有7.5年，第二代的寿命则延长至15年，发射重量也从第一代的550kg增加至第2代卫星的700kg。第二代“全球星”可提供更大的高峰需求呼叫容量，能为文件传输和视频应用提供更高的数据传输速率，并可集成辅助地面组件地面应用、视频流和宽带数据业务提供更好的网络管理。其主要包括高速率数据业务、因特网接入业务、音频与视频广播业务、远程文件传输以及虚拟私人网络等。

3　几点启示和未来前景

由于建造和运行低轨道移动通信卫星星座成本高昂，所以发展比较缓慢，尤其是“铱“卫星系统目前主要用于军事。为此，发展低轨道移动通信卫星要慎重。而静止轨道移动通信卫星具有星体比较固定、信道条件比较好的优点，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，所以发展静止轨道移动通信卫星风险较小。其中“国际移动卫星”的成功经验值得借鉴，例如，准确地把握市场，根据市场的需求准确定位；始终遵循技术与市场同步推进的“双引擎”机制，规避技术风险；通过由分布在86个国家的260个合作伙伴组成的全球性业务网络提供服务。

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10kW以上，所以要发展大型通信卫星平台。另外，还要突破和掌握大型可展开天线技术、多波束形成技术、星上处理和交换技术、地基波束成形技术、辅助地面组件技术等，通过创新性的技术进步和市场开拓模式来带动市场发展。

星地联合是卫星移动通信的发展方向。卫星移动通信系统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。专家通过分析、研究移动通信卫星发展后，已提出了 “天上一颗（或一组）卫星，地上一张网络，天地融合”的思路，已开发出来并投入使用的辅助地面组件就是一项天地融合的专利技术，可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，很好实现大区域无缝覆盖。未来卫星移动通信取得商业成功的关键就是实现室内外无缝覆盖，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。

辅助地面组件技术有三大特点：一是卫星和辅助地面基站复用同一频段，使用几乎相同的空中接口信号格式，因此无需双模终端；二是终端的天线、体积和软硬件水平保持和现有的地面网终端相当，即使终端正和卫星进行通信也无需专用外置天线；三是卫星并不限制空中接口信号形式，地面的3G，4G等移动通信空中接口可以通过卫星链路运行，卫星不会在地面技术的快速发展中很快失去作用。利用以上特点，并结合高效的系统网络管理技术，未来卫星移动通信系统可以真正做到大容量、高数据率以及室内外无缝覆盖，将在移动通信业务和灾害应急通信等方面发挥重要作用。

另外，固定与移动通信卫星业务之间的界限正逐渐模糊，海事和航空移动业务已成为未来发展热点。随着智能手机、平板电脑等移动电子设备和社交网络等互联网应用的普及，利用卫星向乘客提供宽带网络接入的卫星航空和海事宽带业务正悄然兴起。固定天线尺寸的减小和移动终端数据率的提高，固定与移动通信卫星业务领域间的差异正不断缩小，国际移动卫星公司的全球高速移动宽带业务的推出，使得用户下载速度能够达到50Mb/s，卫讯公司下一代卫讯-2（ViaSat-2）卫星将瞄准海运和海空市场，并与JetBlue等一系列航空公司签署战略协议；2015年，国际通信卫星公司计划部署“史诗”（Epic）系列Ku频段大容量卫星，它将显示移动卫星宽带化、宽带卫星移动化的趋势。预计在未来10年，卫星航空/海事宽带将成为卫星移动业务的重要市场。

［1］刘悦. 国外静止轨道移动通信卫星技术发展综述， 国际太空，2013 （10）：26-31

［2］闵士权. 未来静止轨道通信卫星的需求和发展趋势，国际太空，2010（10）：26-34

［3］陈杰. 国外主要通信卫星技术计划及其进展. 中国航天， 2007（2）：38-43

［4］Kirk Pysher. Intelsat 19 failure investigations reveal initial ascent data. Spaceflight， 2012， 6

［5］Chandra Koduru， Bruce Tomei， Steve Sichi， Kevin Suh， Tuan Ha. Advanced Space Based Network using Ground Based Beam Former［C］. 29th AIAA International Communications Satellite Systems Conference （ICSSC-2011）28 November - 01 December 2011

［6］Stephen F. Sichi， Heidi E. Ziegler. Beamforming Architectures for Advanced MSS Network Deployment［C］. 29th AIAA International Communication Satellite System Conference （ICSSC-2011）， 2011

庞之浩，中国空间技术研究院北京空间科技信息研究所《国际太空》杂志执行主编、编审，中国卫星通信广播电视用户协会首席航天专家，中国通信学会卫星通信委员会委员，主要研究方向为跟踪、分析世界航天科技发展动态，主持编辑、出版《国际太空》月刊，普及航天科技知识。