发展我国低轨星座卫星通信系统的一些思考

+ 张有志1，哈斯巴特2，张更新3 （1.海军司令部信息化部，2.解放军66471部队，3.解放军理工大学）



发展我国低轨星座卫星通信系统的一些思考

+ 张有志1，哈斯巴特2，张更新3 （1.海军司令部信息化部，2.解放军66471部队，3.解放军理工大学）

卫星通信是航天技术的重要应用领域，本文从介绍低轨星座卫星通信系统的发展背景和国外发展概况入手，分析了发展我国低轨星座卫星通信系统的必要性和面临的一些问题，提出了发展我国低轨星座卫星通信系统的一个方案。

卫星通信；卫星星座；低轨道；发展策略

1 低轨星座卫星通信系统的发展背景

由于对地静止轨道（GEO）相比于其它轨道类型具有许多独特的优点，使得GEO成为全球绝大多数卫星通信系统的首选轨道。一直到二十世纪八十年代末，因特网和地面移动通信的发展尚处于初期，主要的信息传输手段是公共交换电话网（PSTN）。但是PSTN只限于发达地区，提供全球通信的主要手段是卫星通信，利用三颗GEO卫星可以实现对南北纬70度以内区域的无缝覆盖，因此，全球建立了相当多的基于GEO卫星的通信系统。但是利用GEO卫星构建的卫星通信系统也存在以下问题：

（1）向高纬度地区和特定地形（如山区、林区、城区）内的用户提供通信业务较困难，不能覆盖两极地区；

（2）传播时延较大，不能满足某些业务对实时性的要求；

（3）有限的卫星EIRP和G/T值影响终端的小型化；

（4）轨位受限，抗干扰、抗摧毁能力较弱；

（5）卫星研制周期长、成本高、风险较大，新技术不能及时应用。

上述这些问题实际上主要源自同一个问题：即卫星位于赤道上空35786km的轨道上。二十世纪八十年代末个人通信概念的提出，使得电信行业意识到必须要解决这个“传播距离远”的问题，否则很难实现个人卫星通信。这导致了低轨道（LEO）卫星移动通信系统的开发和建设。采用LEO小卫星来提供卫星通信业务，具有如下一些优点：

（1）传输损耗小，便于用户终端小型化；

（2）覆盖范围广，可实现真正意义上的全球无缝通信；

（3）频率复用能力强，支持的用户量大；

（4）一颗或几颗卫星的损毁不会导致整个系统失效，系统顽存性强；

（5）卫星体积小、重量轻、研制周期短，可灵活发射。

与GEO卫星通信系统相比，采用低轨道通信小卫星来提供通信业务存在的最主要问题是：卫星相对地面高速移动，对目标区域的覆盖是具有时段性的；因此，单颗低轨道卫星无法满足区域或全球实时通信的需要，必须要利用多颗卫星组成的星座，依靠各卫星对目标区域覆盖时隙的相互接续来完成对目标区域的持续覆盖，这导致了成本高、技术复杂的难题。

2 国外低轨星座卫星通信系统的发展概况

工作于低轨道的通信卫星由于采用各种部件小型化和轻型化的技术，具有重量轻、研制周期短、成本低和易于发射等优点，美、俄等国十分重视对此的应用研究。据不完全统计，从1985年至今，作为通信卫星发射的低轨道小卫星在国际卫星发射表上有正式编号的就达160多颗。因此，利用低轨道小卫星实现通信是这些年来卫星通信的一个发展热点，也是实现全球无缝覆盖的个人通信系统的一个重要组成部分。国外提出的方案很多，但至今真正发射组网并进行运营的只有三个：铱（Iridium）、全球星（Globalstar）和轨道通信（Orbcomm）系统。表1给出了这三个系统的基本情况。

经过十多年的运营，这些低轨卫星移动通信系统均克服了运行初期遇到的困难，显现出了独特的优势。目前，上述三大系统均已经启动了其下一代计划，其中，全球星系统已经完成了24颗Globalstar 2卫星的发射，轨道通信系统发射了18颗Orbcomm OG2卫星，铱系统也即将在2016年启动Iridium-NEXT卫星的发射。

此外，近些年还提出了以OneWeb、OuterNet、SpaceX为代表的新一代低轨卫星通信系统，其特点是从提供窄带移动业务转向提供宽带卫星通信业务。

表1 三个典型低轨卫星移动通信系统概况

3 发展我国低轨星座卫星通信系统的必要性分析

我国是一个幅员辽阔、自然灾害较多、经济发展迅速但不平衡、国际和国内安全及治安任务又很重的国家，虽然电信业这些年得到飞速的发展，但受地理条件和经济因素的限制，目前地面通信网只覆盖了国土面积的约15%，采用卫星通信来解决对我国所有国土面积的覆盖问题是一种较好的解决方案。

我国现有的通信系统对重大自然灾害如汶川、舟曲等地区的抢险救灾缺乏有效保障手段，对远海和高纬度地区没有通信能力，对全球范围内的维和维权、救援和科学考察、资源运输等活动没有我国主导的通信网络，信息安全保密存在重大隐患，迫切需要建立我国自主控制的卫星移动通信系统。

低轨卫星通信相对于传统的GEO卫星通信，具有轨道多样化、卫星生产批量化、终端小型化及顽存性强、通信时延短、频率利用率高、通信容量大、能全球覆盖的特点，是卫星移动通信的重要手段。特别目前国际上对轨道、频谱资源的争夺日益白热化。为占领太空制高点，迫切需要建立我国自主的全球天基信息系统，去争取、维护我国的轨道和频谱权益。“一带一路”计划的提出更是为低轨星座卫星通信系统的发展注入了巨大的推动力。

GEO和LEO卫星通信系统在设计思想、技术手段、应用领域等方面是有很大的不同，各有利弊，可以说分别代表了卫星通信领域内两个不同的发展方向，各有其优势和不足，任何一方都不可能完全代替另一方，因此，值得我们分别对其开展研究，而不是试图通过重点研究某一方来削弱对另一方的研究。

经过数十年的研究，我国在GEO卫星通信技术方面已经取得了很大的进展，正在缩小与国外先进水平的差距；反观在LEO卫星通信技术方面的研究，受种种因素的限制，与国外先进水平的差距则没有得到明显缩小，甚至有扩大的趋势。

因此，加强LEO卫星通信技术研究，尽早建立我国自主的低轨星座卫星通信系统就显得非常有必要。

4 发展我国低轨星座卫星通信系统面临的一些问题

1.系统定位问题

由于卫星通信系统的网络单位造价和用户终端价格都要比地面通信网的贵，其业务难以被地面通信网络覆盖区域内的普通用户所接受。因此，卫星通信的市场定位应该是地面通信的延伸和补充，主要服务于地面通信网络覆盖不到的区域及有特殊通信需要的人群，以及满足应急通信和军事通信等特殊通信需求。因此，大容量不应该是系统设计的主要目标，可用度才应该是系统追求的目标，从而解决我国卫星通信长期以来存在的“平时不想用、急时不好用”的问题。

2.建设费用问题

系统建设和运行成本高是影响LEO系统建设的主要因素之一，铱系统建设化费了57亿美元，全球星系统建设化费了33亿美元，照此推算，建立我国自主的LEO系统也至少需要200亿元，而且由于我国LEO卫星的寿命相对较短，过几年就需要重新发射卫星。因此，采用新技术、新方案，降低卫星造价和发射费用，延长卫星寿命是解决此问题的根本途径。

3.关键技术问题

技术复杂是影响LEO系统建设的另一个主要因素，受星载器件能力所限，我国的LEO卫星很可能不能如“铱”系统那样完全基于星上处理和交换技术来设计系统，由于很难实现全球频率协调，技术体制上要做到既不干扰别人，也不怕别人干扰，组网上要支持全球通信，但要避免如“全球星”系统那样在全球设置固定信关站，开展更广泛的关键技术攻关是解决此问题的出路。尚需解决的主要关键技术包括：

（1）涉及整个系统的关键技术：星地一体化的优化设计、移动性管理、网络运行控制与管理、空中接口、电磁兼容、系统时间同步等技术；

（2）涉及卫星有效载荷的关键技术：多波束天线技术、高效功放技术、异轨星间通信技术、星上处理技术、支持高移动性的拓扑控制和路由选择技术等；

（3）在卫星平台方面，需要解决与标准化（能批量生产）、高功能密度、长寿命和廉价化有关的关键技术。

4.军民融合问题

在潜在用户空间不太大，并且已有多个国外系统竞争的状态下，完全依靠企业自已投入一笔巨资去建设一个民用低轨星座卫星通信系统，从经济上说是有很大风险的。因此，在目前的条件下，走军民融合的发展道路是比较合理的，比如，初期投资以军方为主、长期运行维护依靠商业服务所得来支撑是一个较好发展策略，国外的发展道路也证明了这一点。

5.轨道结合问题

随着国家利益的全球化，迫切需要建设一个我国自主可控的常态化全球卫星通信系统。但由于我国没有境外GEO通信卫星轨道位置，也不能在境外设置信关站，因此，必须要发展LEO卫星移动通信系统。考虑到已有的和在建的卫星通信系统主要是采用GEO卫星，需要解决好GEO和LEO综合应用的问题，逐步实现“区域覆盖以GEO为主，全球服务以LEO为主”的全球信息传输服务。

6.频率共用问题

由于同时存在GEO和LEO卫星通信系统，一方面，频率资源极其有限，必须充分利用频率复用技术以实现大的系统容量；另一方面，用户必然希望能够通过同一个终端同时实现对GEO和LEO卫星的接入；因此，如果能够在GEO和LEO卫星之间实现频率共用对于解决频率资源紧张、提高系统容量、便于终端双模是非常有好处的。但由于GEO和LEO卫星之间不规则的相对运动，导致这种频率复用非常复杂，弄得不好会造成非常严重的系统间干扰，因此，需要系统采用非常复杂的资源动态调度技术才能实现GEO和LEO卫星之间的频率复用。

5.发展我国低轨星座卫星通信系统的一种方案

在GEO卫星移动通信系统已经启动建设、用户空间还没有被充分开发、可用频率资源又极为紧张的背景下，如何发展LEO卫星移动通信系统是一个需要作深入探讨的问题，或者说必须要解决好综合应用GEO和LEO的问题。这里提出一种综合利用GEO和LEO卫星的基本方案：把GEO和LEO卫星综合在同一个系统中，先由一颗或多颗GEO卫星组成一个初期系统，随着业务量的增大、技术的成熟，逐步增加LEO卫星，最终达到由GEO卫星和LEO卫星共同组成一个空间段，向用户提供统一的信息服务。达到的最终目标是一个网二种星（GEO卫星和LEO卫星），通过这种结合，使它们互为补充和备份，从而提高整个卫星通信系统的性能，也便于实施分阶段建设的计划。

GEO和LEO卫星的结合可包括下列几个方面：

（1）覆盖结合：GEO卫星系统主要覆盖我国领土及附近海域（称为主服务区），而LEO卫星系统可覆盖全球主要区域（开始阶段可以用少量几颗卫星构成对全球主要地区的间断覆盖），两者对主服务区构成双重覆盖。在主服务区内，GEO卫星系统主要解决中低纬度地区的通信，高纬度地区的通信主要由LEO卫星系统承担。

（2）业务结合：由于GEO卫星系统在提供广播业务和宽带业务方面有优势，而LEO卫星系统在提供手持机式的窄带业务方面有优势，通过结合在一个大系统中可以同时提供广播业务、宽带业务和包括对手持机的窄带业务。

（3）资源结合：两个系统的信道资源可以统一管理，互为备份和迂回。同时根据各自特点，把LEO卫星的资源主要分配给宽带业务、广播业务及车（机、船）载站等非手持机式移动业务，把LEO卫星的资源主要分配给手持机式的移动业务。

（4）链路结合：由于系统在主服务区外很难建立信关站，当LEO卫星运行到不能与主服务区内的地面信关站直接进行通信的轨道弧段时，为了利用这些卫星向处在当地的用户提供通信服务，就必须要采用星际链路。此星际链路可以是在LEO卫星之间，也可以是在LEO卫星与GEO卫星之间。由于静止轨道卫星位置固定，后一种星际链路实现相对简单。在此条件下，GEO卫星作为LEO卫星的中继节点，如果能在我国领土两侧放置两颗此类卫星就可以利用LEO系统建立一个覆盖全球主要地区的通信系统。

6 结束语

采用低轨道通信小卫星作为传统GEO通信卫星之外的一种新选择，能够有助于解决我国卫星通信能力不能很好满足国民经济发展和国防建设需要的问题。从技术上讲，低轨小卫星通信技术是有别于传统GEO卫星通信技术的一种新技术，面对国外投入巨资大力发展的情况，迫切需要国家加大投入力度，开展关键技术攻关和系统演示验证，以逐步缩小与国际先进水平的差距。从经济上来说，随着国家利益的拓展、国家经济实力的提升和技术的进步，这种新的解决手段能够以适当的代价满足我国未来对全球卫星移动通信的迫切需要。总之，建立一个军民合用、主要用作为地面通信系统的延伸和补充、综合应用静止轨道和低轨道卫星的卫星移动通信系统是一个相对现实、可行的发展策略。

［1］ 张更新，张杭 .卫星移动通信系统. 北京：人民邮电出版社，2001年10月第一版

［2］ 张更新，甘仲民 .浅论我国卫星移动通信系统的发展思路和策略. 数字通信世界，2005年第7期，2005（7）：24-27

［3］ 张更新，甘仲民，牛鑫 .论高低轨道在我国未来卫星通信中的应用. 数字通信世界，2006年第10期，2006（10）：56-59

［4］ 张更新 .现代小卫星及其应用. 北京：人民邮电出版社，2009年4月第一版

张有志：海军司令部信息化部科研办工程师，主要从事卫星通信方面的工作。

哈斯巴特：解放军66471部队68分队高级工程师，主要从事卫星通信方面的工作。

张更新：解放军理工大学通信工程学院教授，主要从事卫星通信、深空通信和卫星导航方面的工作。