下一代铱系统发展现状与分析

苗 青，蒋照菁，王 闯

（1.中国人民解放军78167 部队，成都 610000；2.国防科技大学，长沙 410000；3.陆军工程大学，南京 210007）

1 发展概述

铱（Iridium）系统概念提出于20 世纪80 年代末，1991 年摩托罗拉公司正式决定建设该网络，1998年完成整个项目的建设，可实现全球无缝覆盖，系统总耗资57亿美元，历经17个月的运营后，由于收入远不如预期，于2000年3月正式宣布破产。2000年12月铱系统得到美国国防部防务信息系统局签发的7200万美元合同，于2001年3月28日完成重组，又重新开始运营业务。铱系统的业务增长是当时所有的卫星移动通信系统中最快的，2002年至2007年达到年均31%的增长率，市场份额为26%，仅次于Inmarsat 卫星通信系统。通过拓展科学探测等新型应用领域，2004年铱系统开始盈利。

随着全球业务量的不断增加，第一代铱系统由于寿命将至已经不能继续完成全球覆盖，为实现对新兴市场的进一步占领，2007年2月，下一代铱系统计划启动，即Iridium Next，其总投资预期为29亿美元。Iridium Next 是在铱系统的基础上进行建设的第二代系统，其主要目标是：提高数据传输速率，提供更好的话音质量，支持频带的灵活分配，采用端到端的IP 技术，以及提供更强的业务和设备。同时，Iridium Next 继续保持目前66颗卫星互联的低轨道星座架构和全球覆盖，并保证与第一代铱系统的手持终端、设备和应用具有后向兼容性。此外，Iridium Next首次提出了搭载载荷（Hosted Payload）服务。

按照最初计划，Iridium Next 系统要从2007 年动工进行规划设计，在2012年完成对其他有效载荷的招标和优化装配，在2015年至2017年之间完成卫星的发射入轨。但由于克里米亚问题而暂时搁置了卫星的发射，而后将首批星的发射任务转由太空探索技术公司（SpaceX）完成，延期至2016年7月发射。在此过程中，由于卫星又出现载荷软件方面的原因而将发射计划推迟至2016年10月。同年9月，SpaceX 公司的猎鹰9运载火箭在进行阿莫斯－6卫星发射准备时，试验出现异常，火箭发生爆炸，星箭俱毁，直接影响了卫星产业界对猎鹰－9火箭的信心。导致一直推迟到2017年1月14日才开始发射第一批10颗Iridium Next 卫星。随着2019年1月11日SpaceX 公司的猎鹰9号火箭从范登堡空军基地发射升空，最后10颗卫星进入了轨道位置，总共发射了75颗Iridium Next 卫星，至此，完成了Iridium Next 卫星的发射，具备了Iridium Next 系统的完全操作能力，能够完全取代第一代铱系统。

相较于第一代铱系统，Iridium Next 系统的造价降低了将近一半，传输速度有数百倍的提高，其手持终端支持的数据业务将从现有的2.4kb/s 增加到最高1.5Mb/s，部分大型固定终端可达到8Mb/s。相应的通信资费也会有较大下降，第一代铱系统每分钟通话费在1997年为5美元、在下一代铱系统建成之后下降为25美分每分钟。此外，Iridium Next 与第一代相比另一个不同点在于，每颗铱星上都额外搭载了50千克的其他载荷，以实现通信以外的既定需求。

2 系统组成

Iridium Next 系统是由81颗卫星构成的低轨移动通信卫星星座，包括66颗工作星，9颗在轨备份星和6颗地面备份星。与第一代铱系统一样，Iridium Next 的卫星轨道高度为780km，倾角为86.4°，卫星分布在6个轨道面上，每个轨道面上均匀分布着11颗星。其中轨道1和6是反向轨道，间距22°，其余轨道为同向轨道，间距31.6°。

卫星采用泰雷兹-阿莱尼亚航天公司新一代中低轨卫星公用平台ELiTe Bus-1000，采用三轴稳定方式，收拢尺寸3.1m×2.4m×1.5m，展开后太阳能电池翼展9.4m，发射质量860kg，发电功率2200W，设计寿命12.5年，任务寿命可达15年。

图1 Iridium Next卫星天线配置示意图

在通信有效载荷方面，Iridium Next 卫星与第一代卫星基本相同，但是各方面性能均有所提升。卫星上搭载再生型处理转发器，与第一代卫星采用三副天线产生用户波束不同，第二代卫星配备一副L 频段相控阵天线，可产生48个口径为400km 的点波束，采用时分双工（TDD）体制来分别进行收发，如图1所示。Ka 频段的天线主要用于星地馈电链路，上行30GHz、下行20GHz。此外，第二代卫星同样具备Ka 频段星间链路，采用23GHz 频段，2副可控、2副固定天线，同样采用时分双工体制。测控链路为Ka 频段，通过全向天线来实现。

3 业务应用

Iridium Next 是在铱系统的基础上进行建设的第二代系统，能提高数据传输速率，提供更好的话音质量，支持频带的灵活分配，采用端到端的IP 技术，从而提供了更强的业务能力。Iridium Next 与一代系统使用的手持终端、设备和应用保持后向兼容性。铱星公司在Iridium Next 系统的基础上推出了Iridium Certus 服务，可提供的L 波段业务包括从22kb/s 至1408kb/s 的不同速率业务，可为不同的需求提供服务，从业务种类来看，又可分为海事业务、航空业务、陆地移动业务、政府企业业务以及物联网业务等。除此之外，其官方提出可通过调度馈电链路为大型的固定站终端提供Ka 频段的最高8Mb/s 的传输速率。Iridium Certus 将为铱星物联网提供一个新型的强大的平台，以更高速率、更小尺寸的收发器、更宽的带宽以及对现有数据服务的持续支持为全球的资产跟踪、流量管理、远程监控、指挥和控制以及其他智能数据应用开辟新的方法。

4 搭载载荷（Hosted Payload）

铱星公司是2011年搭载载荷联盟（Hosted Payloads Alliance）的创始人，出任了第一任董事长，并将组织发展壮大，现在已经有17个行业领先的公司成为其成员。

相较于以前的卫星通信系统，Iridium Next 系统是第一个搭载其他有效载荷（Hosted Payload）的商业系统。作为有效载荷搭载联盟的重要成员，铱星公司利用星座的全球无缝覆盖及星间链路的传输能力，策划了多个有效载荷搭载方案。Iridium Next 搭载载荷空间较大，可支持总质量达50kg 的有效载荷、安装空间为40cm×70cm×30cm，提供平均90W、峰值200W 的功率，数据速率最高可达1Mb/s。目前已经确定搭载的载荷包括：Aireon 公司的广播式自动相关监视（Automatic Dependent Surveillance Broadcast，ADS-B），提供航空交通管制服务；Harris 和exactEarth 公司的全球船舶自动识别系统AIS（Automatic Identification System），为全球的船只提供定位跟踪服务；以及用来观测全球气象水文的GEOScan（Group on Earth Observations Scan）。不同业务的数据和传感器遥测和指控数据可以通过Ka 频段的星间链路、星地之间的馈电链路传送到地面。不过，在极端紧急情况下，Iridium Next 系统会关闭搭载载荷，以维护整个铱星卫星的正常运转。

相对于以前单独的某颗气象或监测卫星，在铱星上搭载载荷可以有以下优点：一是前所未有的空间和时间覆盖：66颗互联卫星可以实现全球覆盖；二是低延迟：搭载载荷的数据可以以很低的时延传输到地面或处理中心；三是用户控制：通过铱星的设备或其他信关站实现数据的收集和载荷的无缝访问；四是成本效益：只需要一个专门系统的一部分成本即可；五是独一性：在未来几十年很难会有类似的系统。

在多载荷的装载集成中提出了SensorPod 的思想，即一个虚拟容器（机箱），里面包括多个部分，用于装载多个小型的有效载荷。SensorPod 可以根据不同的需求进行布置，以支持许多不同的客户需求。SensorPod 也可以根据具体情况进行扩展，以适应特定的客户有效载荷需求。搭载载荷包括主要的靠近地球侧的传感器以及次要的传感器。客户可以根据需要使用一个或多个有效载荷填充每个SensorPod，只要它们保持在传感器总体积、质量、功率和通信能力配额之内。所有有效载荷由一个电源通过外部线束提供和调节电力和通信能力。

（1）GEOScan（Group on Earth Observations Scan）。2011年3月27日至30日，在美国马萨诸塞州安纳波利斯举行了GEOScan规划研讨会。GEOScan 的主要思路为66个Iridium Next 卫星上的System Science 传感器和Hosted Sensor 套件，将其集成在14厘米×20厘米×20厘米大小的标准SensorPod 里，其质量为5千克。

GEOScan 是安装在Iridium-Next 卫星上的轻型传感器套件，可通过各种传感器获取环境监测和气候科学数据。该项目通过利用铱星提供的机会，部署了一系列的全球传感器来获得数据，从而对地球和空间科学方面做出了巨大贡献。GEOScan 可利用Iridium-Next 星座的全球无缝覆盖特性，进行大规模密集的全球地球科学观测，从而解决需要全球多点同时观测的问题。

GEOScan 的具体目标是在全球的角度上测量地球瞬时向外的辐射量，从而探究其与云、沙尘暴和火山活动等快速变化自然现象之间的关系，以及他们对于气候的长期影响。GEOS 可以在恰当的时间和空间分辨率下测量全球质量通量的变化，以揭示地球水循环、冰冻圈和气候的变化趋势。空间环境传感器负责测量地球的辐射带和等离子体环境，具有前所未有的覆盖范围，为推动空间天气现象的大规模全球重新配置过程提供新的见解。

（2）AIS（船舶自动识别系统）。Harris 和exactEarth

公司已经形成了一个战略联盟，提供新的先进的数据服务，将有助于更快、更准确地跟踪海运船舶。AIS 服务将首次提供不间断的实时全球覆盖，使客户能够可靠地跟踪世界各地船只的位置，这有助于提高效率、可靠性和安全性。AIS 用于海上船只发送和接收VHF 频段信息，包含标识、位置、航向和速度，以便监测船舶运动和避免碰撞以及在紧急情况下进行警报。这些信号可以通过船与船或者船与岸之间传输，以便对局部区域进行监测，部署天基的AIS 载荷可以对地面站进行广泛覆盖和数据传输，以监测大片海域。

在Iridium-Next 上部署的AIS 载荷将首次提供不间断的实时和全球覆盖，使客户能够可靠地跟踪船只的位置。AIS 载荷采用了Harris 公司的AppSTAR 可重配置载荷技术，利用铱星的卫星网络将数据路由到地面网络的中央网关，可以实现以不到一分钟的时间延迟向客户提供AIS 数据。

（3）ADS-B（广播式自动相关监视）。铱星运营商通过新的合资企业Aireon 公司将ADS-B 接收机作为其下一代卫星星座的托管有效载荷，通过每台商用飞机发送的自动相关监视广播信号为ANSP（空中航行服务提供商）提供全球实时飞机监控。

ADS-B 是支持雷达式分离标准的下一代商业监控技术。在2010年以前，ADS-B 是一个陆基系统，主要部署在北美、澳大利亚和欧洲等高空飞行区域，而在海洋、山脉、偏远地区和极地地区的重要航空区域仍然基本没有部署。

在基于地面的ADS-B 系统概念中，每架飞机的Mode-S 转发器用1090MHz 频段随时播报自己的GPS 位置以及身份标识、地面轨迹、地面速度和高度等其他信息。地面上的接收机接收该信息并发送到空中交通管制显示器。ADS-B 信息可用于增强现有的雷达技术或替代雷达技术。ADS-B 可提供飞机之间以及飞机与地面之间的通信，ADS-B 提供的信息增强了飞行员的交通意识，允许更优化的飞行水平，从而节省燃料。因而，ADS-B 已成为空中交通管制（ATC）的重要组成部分，其用途与雷达提供的信息相同。ADS-B 将在不久的将来成为所有飞机的强制性要求，并且很有可能最终淘汰传统的雷达，纯粹依赖于ADS-B，因为其接收机更容易维护。然而，陆基的ADS-B 网络受到地面ADS-B塔台的限制，无法监测在海洋或全球偏远地区的航班。目前，超过70%的地球，包括海洋和偏远的空域，没有现有的空中交通管制。

Harris 公司在Iridium-Next 系统每颗卫星上搭载了ADS-B 1090的有效载荷，该载荷体积小、功率低，通过分享铱星的空间能力和地面设施，避免了建造和发射单独卫星的成本，因而以极小的耗资发挥了巨大的贡献。在任何时间可以同时跟踪超过10，000架飞机，系统将以低于8秒的更新速率将数据传输到空中交通管制中心，时延不超过1.5秒。

基于空间的ADS-B 网络将改变空中交通管理能力，在全球100%的地区提供空中交通监控和航班跟踪。实现的功能有：一是全球控制：为空中交通管制员提供准确的全球实时、可见性的飞机和飞行；二是全球覆盖：在没有雷达系统、地球上到处存在的远洋、极地、远程和广大欠发达地区，提供超出常规的航空控制能力；三是全球安全：实时、准确地显示任何飞机和航线附近的空气流量，从而提高世界各地的安全性；四是全球优化：提供一个低成本效益的解决方案，优化飞行轨迹和高度，提高效率和燃油经济性，并减少延迟和拥塞。

5 结束语

相较于近年来提出的各种低轨互联网星座系统，铱系统具有得天独厚的优势，即占据着移动通信的黄金频段--L 频段。目前，Iridium Next 系统已投入使用，预计其在未来将得到更加广泛的应用。此外，在Iridium Next 基础上，铱星公司进一步推出了Iridium Prime 计划，该计划将提供一种完全的有效载荷服务，相比于Iridium Next 卫星，在Iridium Prime 卫星上将不安装L 波段的通信载荷，从而使其搭载载荷的容量可扩充四倍。