卫星移动通信系统发展现状分析

庞江成，徐小涛，李 超

（国防科技大学信息通信学院，武汉 430000）

二战后，出于国际竞争的需要，卫星通信进入了人们的视野。经过几十年的飞速发展，卫星通信业务包含的内容已经非常广泛，包括电视直播、卫星音频广播、卫星宽带、卫星固定通信、卫星移动通信以及对地观测等业务，本文主要探讨分析卫星移动通信的发展现状。卫星移动通信是指利用人造地球卫星作为中继站，转发移动用户间或移动用户与固定用户间用于进行通信的无线电波，实现两点或多点之间的移动通信[1]。卫星移动通信系统相比于其他通信系统的固有优势，是其保持飞速发展和技术不断进步的关键因素，其优势在于通信覆盖范围广、通信费用不受距离的影响、能够适应各种地理条件下的通信，对于连接地面固定通信保障范围之外的高山、海洋、海岛和高原等偏远地区的通信具有重要意义。本文通过分析卫星移动通信系统国内外最新发展现状，探讨其在应用和发展趋势。

卫星移动通信系统按照轨道类型可以分为静止轨道卫星移动通信系统和星座轨道卫星移动通信系统。静止轨道卫星轨道高度一般为3.6万km，采用同步轨道，特点是传播时延大，不能实现两极覆盖，投资少、技术复杂度低；卫星一般采用大型多波束天线、高功率等技术。星座轨道卫星移动通信系统的轨道高度包括中轨道、低轨道和极低轨道，轨道高度分布在50-20000km之间，其中，中轨道卫星主要作用是进行信号中继和作为星上交换核心，低轨道和极低轨道卫星主要进行与地面终端进行信息传输。优点是卫星链路传播损耗小、传播时延短、卫星部署灵活多样，可以实现真正的全球覆盖；缺点是需要卫星数量较多，运行管理复杂。

表1 静止轨道和星座轨道卫星对比

1 卫星移动通信系统国外发展现状

静止轨道移动卫星通信系统的典型代表是国际移动卫星公司经营的Inmarsat系统、阿联酋的Thuraya系统和北美卫星移动通信系统MSAT。星座轨道卫星移动通信系统的典型代表有美国的铱星系统、全球星系统和空中互联网系统等，均已投入商业运营。

表2 国内外典型卫星移动通信系统分类

1.1 静止轨道卫星移动通信系统

1.1.1 北美卫星移动通信系统（MSAT）

作为世界上第一个区域性卫星移动通信系统，MSAT系统由加拿大通信部和美国宇航局于1983年联合开发，空间段包括2颗卫星，覆盖区域为加拿大和美国地区，包括夏威夷、墨西哥和加勒比群岛等区域。MSAT系统使用两种频段：L频段和Ku频段，L频段用于卫星和移动终端之间的信息传输，而Ku频段用于卫星与关口站、基站、中心控制站之间的通信。MSAT提供的业务比较丰富，大体可分为两类，一类是公众通信业务，如移动电话业务、移动无线电业务和移动数据业务等；一类是专用通信业务，如航空业务、终端可搬移业务和寻呼业务等。

1.1.2 海事卫星移动通信系统（Inmarsat）

海事卫星是一个全球覆盖的移动卫星通信系统，在海上常规通信、遇险与安全通信及特殊通信中起到了重要作用[2]。海事卫星移动通信系统在全球的应用非常广泛，迄今为止经历了第一代到第四代的发展，其中第四代共有3颗卫星，分别分布在大西洋、印度洋和太平洋上空，具有覆盖面积广、通信容量大、通信质量高、可全时通信等特点。海事卫星移动通信系统设计之初是为了满足美国海军通信需求，后经过不断发展，由国际海事卫星组织负责运营，应用重心向民用偏移，不仅能够为海上船只的航行提供稳定的通信联络，增强航行的安全保障，而且也可实现陆地、航空等领域的通信保障。海事卫星移动通信系统的组成包括空间段卫星、海上终端、岸上终端以及网络操作控制中心等，能够实现话音、传真、报文转发、遇险呼叫、高速数据和视频传输等业务功能。

1.1.3 瑟拉亚系统（Thuraya）

Thuraya系统是一个由总部设在阿联酋阿布扎比的Thuraya卫星通信公司建立的区域性静止卫星移动通信系统[3]。从2000年至2008年，阿联酋瑟拉亚卫星通信公司共发射了三颗卫星，组建了瑟拉亚卫星移动通信系统，这是中东第一个卫星移动通信系统，主要覆盖范围是亚太地区。瑟拉亚系统融合了通信和定位两大业务模块，既能实现语音、数据、传真、短信等通信业务，也能提供GPS定位服务，并且，通过瑟拉亚卫星移动终端，可以使用普通的手机SIM卡，接入GSM网络，从而拨打任何地方的电话。

1.2 星座轨道卫星移动通信系统

1.2.1 铱系统

铱系统最初由摩托罗拉公司设计运营，其中的“铱”来自铱原子，该系统在设计之初计划由77颗分别围绕7个极地圆轨道运行的小型卫星组成，其卫星数量与铱原子的电子数相同而由此得名。虽然后来由于具体设计原因改为66颗卫星和6个轨道，但名称仍然得到沿用。铱系统采用了星上处理、星上交换和星际链路技术，其中星际链路是一巨大突破和优势，类似于地面蜂窝网络，但是从另一方面来看也增加了系统的复杂程度和投资成本。除了话音业务外，铱系统还可提供传真、数据、定位和寻呼等业务，主要服务于野外旅行、远洋航海、航空、应急救援以及边远地区通信。然而，由于经营决策失误，铱系统在2000年陷入倒闭困境，后得到美国国防部的支持，成立了新的铱公司，得以继续运营，并且为美军提供保密通信服务。最新消息显示，美军继续选用铱星提供LEO星座卫星服务，铱公司获得了美国防部7年7.385亿美元的合同，为铱公司2017年开始部署的“IridiumNEXT”第二星座的发展注入了巨大能量。IridiumNEXT移动用户的最高数据速率可达128kb/s，数据用户可达1.5Mb/s，Ka频段固定站不低于8Mb/s，IridiumNEXT主要瞄准IP宽带网络化和载荷能力的可扩展、可升级，这些能力使得它能够适应未来空间信息应用的复杂需求[4]。据合同项目计划，铱星公司将通过66颗近地轨道卫星继续提供全球安全和非密话音、广播、网络或分布式战术通信系统（DTCS）的接入服务，并为不限数量的国防部和国防部批准的相关用户选择其他服务。

1.2.2 全球星系统

全球星系统由48颗卫星组成，是覆盖了除南北极以外地区的全球卫星移动通信系统，由美国劳拉公司和高通公司倡导发起，并与多家国际公司合作建立。全球星卫星系统的用户可以使用双模移动终端，既能在地面移动蜂窝网中工作，也可以在蜂窝网络覆盖不到的地区转为卫星通信模式，真正实现全球无盲区（除南北极）个人通信。系统能够实现包括话音、传真、数据、短报文和定位等业务。与铱系统相比，全球星系统没有采用星际链路技术，不需要进行星上处理，因此投资费用较少，技术复杂度较低，可靠性更高。

1.2.3 OneWeb卫星星座系统

OneWeb公司成立于2012年，致力于依靠低轨道卫星建立覆盖全球的高速通信网络。OneWeb公司获得了多家国际公司的资金和技术支持，包括法国空客、美国高通、可口可乐、日本软银、英国国防部等。由于采用了模块化设计，OneWeb卫星具有体积小、质量轻的特点，并且研发创新了新的生产设备，保证了高生产率和低成本的优势结合，在诸多星座卫星通信系统中有着较强的竞争力。OneWeb计划第一批发射650颗卫星，后期将增加到1980颗，实现包括两极在内的全球覆盖，在地球的任何地方都能为用户提供高速宽带服务。2019年2月，OneWeb发射了6颗测试卫星，并在通信测试中网速达到了400Mb/s，平均延迟32ms，公司计划2020年提供部分宽带服务，2021年打造完成完整的全球星座卫星通信系统。值得一提的是，OneWeb星座系统还将大力应用于军事领域，其卫星数量多，移动速度快，相当于一个个高速移动的空中基站，敌方难以对其干扰，并且采用了先进的加密技术，降低了被窃密的可能性。

1.2.4 SpaceX星链卫星系统

SpaceX公司的全称是太空探索技术公司，是一家美国太空运输公司，2010年12月首次实现了太空飞船的发射与回收，是目前惟一掌握太空飞船回收技术的公司，在太空探索方面有着雄厚的技术和资金支撑。2018年SpaceX公司公布了其卫星互联网计划，决定建立低轨道星座卫星移动通信系统，为全球提供宽带业务，计划在2024年前之前发射4425颗卫星，部署在地球上方1150千米至1325千米处的近地轨道，传播波段介于Ku和Ka之间；并且在更低的轨道投放7518颗卫星，部署于地球上方335千米至346千米之间的极地地球轨道，使用V波段传输数据。目前，美国联邦通信委员会已经批准了SpaceX公司的卫星互联网计划。

除上述几种典型的卫星移动通信系统之外，静止轨道卫星移动通信系统还有Solaris、TerraStar、SkyTerra系统等，星座轨道卫星移动通信系统有轨道卫星通信系统（Orbcomm）、亚马逊的ProjectKuiper系统等。从整个发展历程来看，随着地面固定通信系统的迅猛发展，卫星移动通信系统的发展曾进入低谷，但是由于其具有的固有优势和巨大的军事通信应用价值，又重新受到了人们的重视，尤其是各大军事强国，受“太空战”思想的影响，纷纷抢占轨道空间资源，各大国际商业巨头也看到了卫星移动通信系统蕴含的巨大商机，从而进一步加大了资金投入，加速了技术进步和换代更新，使卫星移动通信系统进入发展的高潮期。

表3 几种典型卫星移动通信系统对比

2 卫星移动通信系统国内发展现状

我国国土幅员辽阔，地形复杂，有大量地面移动通信系统难以覆盖的地区，对卫星移动通信系统有很大的需求。随着航天事业的发展进步，一方面，我国通过国际合作积极参加卫星移动通信系统的建设，在使用其服务的过程中，积累经验，总结教训，研发技术。例如，我国与全球星系统签署服务协议，参与全球星系统地面关口站的建设，分别在北京、广州和兰州建立关口站，实现全国范围覆盖。铱系统在中国不仅建设了关口站，而且其中的22颗卫星由中国的长征二号丙火箭发射，并成功进入预定轨道，为铱系统的运行提供了必要条件。另一方面，我国紧跟世界移动卫星系统发展步伐，积极开展自主创新与研发，建立自己的卫星移动通信系统，目前有静止轨道卫星移动通信系统“天通一号”，星座卫星移动通信系统“虹云”系统、“鸿雁”系统等。

2.1 国内静止轨道卫星移动通信系统

2.1.1 系统发展过程

2008年汶川地震后我国启动了卫星移动通信系统的论证和设计；2010、2011年，在“鑫诺6号”和“中星1A”搭载了MSS载荷验证试验，使用S频段；2012年启动“天通一号”卫星移动通信系统研制建设；2016年发射第一颗卫星，建成系统容量100万台，区域覆盖的卫星移动通信系统；计划于2020年以后发射第二、第三颗卫星，用于完善网络、增大总量、扩大卫星覆盖范围。“天通一号”卫星移动通信系统是根据我国军民融合发展特点、着眼作战使用需求，采用自主制定的通信标准、集成北斗定位技术而研发的首个卫星移动通信系统，被称为“中国版”的海事卫星，填补了我国自主卫星移动通信服务的空白。

2.1.2 系统组成和特点

“天通一号”卫星移动通信系统属于地球同步静止轨道卫星通信系统，由空间段、地面段和用户段组成，空间段计划由多颗地球同步轨道移动通信卫星组成，有望成为继海事系统之后的第二大全球移动通信卫星系统。其主要特点表现在：

（1）覆盖范围大。目前，虽然“天通一号”仅有一颗卫星上天，即“天通一号”01星，但是其覆盖范围已经非常广阔，可以实现对中国及周边、中东、非洲等相关地区以及太平洋、印度洋大部分海域的覆盖。在01星覆盖范围内，无论是海洋、山区、森林，还是高原、沙漠、戈壁，信息的传递都可以实现畅通无阻，无缝连接，排除了复杂地形对通信的不利影响。待“天通一号”所有卫星发射完毕，将真正实现全球无缝覆盖。

（2）应用领域广。“天通一号”卫星移动通信系统应用领域十分广泛，在军事领域，不仅能够满足军事训练、作战的通信需求，而且可以在诸如海外维和、护航行动、反恐维稳、抢险救灾等各类非战争军事行动中发挥重要作用；在民用领域，可以有效保障个人、企业的通信业务，还可以有效完成应急救援、地质勘测、科学考察等特殊行业的通信保障任务。

（3）保密性能好。“天通一号”卫星移动通信系统采用中国自主研发的卫星网络、系统平台、芯片模块和通信终端，具有军用级保密防护能力，安全性很高。

（4）资费价格低。长期以来，由于国外的技术壁垒和市场垄断，导致卫星移动通信的资费价格昂贵，经济性很差，而“天通一号”采用国内1740专属号段，通信成本远远低于海事等国外卫星移动通信系统。

（5）终端种类多。“天通一号”卫星移动通信系统支持各类终端接入，包括手持式终端、车载终端、舰载终端、机载终端、固定式终端和便携式终端等。未来还将推出依托智能手机的集成终端，与目前的地面移动通信系统深度融合，实现终端的无盲区通联。

2.1.3 系统主要业务

“天通一号”卫星通信系统的业务范围目前主要面向应急通信、野外作业、野外及海洋物联网等应用领域。主要业务有：

（1）短信业务。支持网内和出网短消息，可与地面公网移动终端互联互通。

（2）话音业务。可拨打全球任意地面固定和移动电话。

（3）数据业务。数据传输速率9.6-384kb/s，互联网接入速率64-384kb/s。

2.2 国内星座轨道卫星移动通信系统

2.2.1“虹云”系统

2018年12月，“虹云”系统第一颗试验卫星发射成功，这也是我国第一颗低轨道宽带通信试验卫星。“虹云”卫星移动通信系统是由中国航天科工集团设计研发的我国第一套移动卫星通信系统，旨在构建覆盖全球的星座轨道卫星通信系统，系统中融合了导航增强、多样化遥感等业务功能，可以实现通信、导航、遥感的信息一体化。“虹云”系统计划分三步进行部署：2018年底发射首颗卫星；“十三五”末至“十四五”初，发射4颗业务试验卫星；“十四五”期间完成全部星座卫星部署。整个系统将由156颗卫星组成，运行轨道高度为1000千米，可以实现高达500Mb/s的传输速度，目前，“虹云”系统已经顺利完成网络通信测试。

2.2.2“鸿雁”系统

“鸿雁”系统主要由中国航天科技集团有限公司联合多家国内企业和研究院共同投资研发，于2018年发射首颗卫星，计划在2023年建成骨干星座系统。“鸿雁”系统计划由300余颗卫星组成星链，可以实现数据通信和导航增强等业务，传输短报文、图片、音视频等过媒体数据，支持全天候、全时段、全地形的双向通信。同时，“鸿雁”系统还具有数据采集功能，通过大地域信息收集，服务于海洋、气象、交通、环保、地质、防灾减灾等领域。

总体来看，虽然我国在卫星移动通信领域的发展起步较晚，技术积累比较薄弱，但是在国家的大力支持和强大的需求牵引下，我国的卫星移动通信系统发展已经进入快车道。在此之前，我国长期通过签署服务协议使用国外商用移动通信卫星，资费昂贵，不仅不能保证通信的安全性，而且信息资源的自主调配也受到很大限制，在国际卫星移动通信蓬勃发展的大背景下，我国正在积极主动参与国际竞争，加强自主创新力度，建成属于自己的卫星移动通信系统。

3 卫星移动通信系统应用优势分析

3.1 应急救援

卫星移动通信应用的显著特点是可提供不受地理环境、气候条件限制的通信服务，适用于地面通信网络覆盖不完善、通信质量无法保证、甚至无法提供服务的广大地区[5]。地震、海啸、洪水、冰雪冰冻等自然灾害对地面移动和固定通信系统会造成致命打击，当线路中断、基站被毁，会形成暂时的“信息孤岛”，无法及时传递受灾情况和救援信息，为开展救援工作带来巨大的困难，而卫星移动通信系统不受各种地面灾害的影响，在极端情况下依然能够保持通信顺畅，依靠稳定的话音、数据、图像传输，能够在各类抢险救灾、海上搜救等应急救援工作中发挥巨大作用。

3.2 盲区覆盖

当前地面移动通信系统的覆盖区域多为人口密集地区，主要依靠光缆和基站建立的蜂窝移动通信网，而在高山、戈壁、海岛、森林、海洋等边远地区，没有基站的覆盖，通信难以达成，成为现代社会的通信盲区。卫星移动通信系统通过卫星作为中继，甚至可以建立星间链路，实现信号的全球无缝覆盖，而且随着技术的进步，各类手持终端逐步趋向小型化、智能化、双模化，使全域通信更加便捷，为野外探险、远洋航行、矿产勘探等活动的顺利开展提供了保障。

3.3 跨域通信

跨域通信优势主要体现在军事应用领域，随着“一带一路”的建设进程加快，我国对外经贸增多，海外权益得到大大拓展，域外的反恐行动、维和行动、海上护航行动以及海外军事基地建设等对跨域通信保障提出了更高的要求。首先，传统的军事通信如无线电、散射等通信，不仅距离无法达到，而且通信容量有限，无法满足跨域通信的要求；其次，借助民用通信，保密性低，达不到军事通信的要求。卫星移动通信系统，传输距离远，覆盖范围广，通信容量大，保密性能好，能够很好满足跨域远程军事通信的需要。

3.4 卫星物联网

随着4G、5G技术的进步和应用，大大推动了物联网的发展，城市物联网往往借助传统的地面移动通信系统建立，但是，若在偏远地区实现物联网，卫星移动通信系统是有效途径。卫星物联网的应用场景非常丰富，如野生动物保护，对于濒危动物、珍稀鸟禽的定位监控、生理状况采集是非常有效的保护手段，能够防止偷猎，并且及时发现和救助遇险动物；自然灾害防治，森林防火、地质灾害、水灾旱灾预警，通过部署携带卫星终端的数据采集设备，可在无人值守的情况下自主预警；另外，环境监测、畜牧养殖渔业、无人机远程控制等可以很好地应用到卫星物联网。

4 卫星移动通信系统发展趋势

4.1 低延时

低延时是卫星移动通信系统的发展趋势，也是星座轨道卫星移动通信系统的一大优势。首先，星座轨道卫星移动通信系统的轨道高度普遍在距离地面1500千米以下的低轨道，甚至可以部署在距地球表面几百千米的极低轨道；其次，星座轨道卫星移动通信系统的在轨卫星数量多，卫星密度大，卫星与卫星之间的距离近。因此，信号的传输距离近，相较于静止轨道卫星移动通信系统平均500毫秒的高延时，星座轨道卫星移动通信系统具有低延时的巨大优势，平均延时仅为几十毫秒，可以充分满足用户的实时通话、短信和数据传输的业务需求。同时，星座轨道卫星通信系统还具有全覆盖、速率高、容量大、成本低、部署简单等优点，近几年发展迅速的几大卫星通信系统，如OneWeb、SpaceX以及中国的“虹云”、“鸿雁”等系统，均采用的是星座轨道卫星进行部署。

4.2 小型化

随着微电子技术的发展和星座卫星系统的不断涌现，卫星小型化是必然趋势。小型卫星具有体积小、重量轻、集成化高等特点，制造和发射成本低，发射方式灵活，可以实现“一箭多星”，大大缩短了发射周期。小型化卫星对卫星星座系统的部署具有重要意义，卫星星座系统需要部署数量众多的卫星，依靠小型卫星的优势，大大加快了卫星星座系统的部署进度。同时，小型化卫星的大量应用有利于充分利用有限的空间轨道资源。

4.3 智能化

中国在2018年11月20日发射了国内第一颗软件定义卫星，随着软件定义卫星技术的进步，卫星将向智能化方向发展。软件定义卫星是以天基先进计算机平台和星载通用操作环境为核心，采用开放系统构架，支持有效载荷即插即用、应用软件按需加载、系统功能按需重构的新一代卫星系统[6]。软件定义的概念最早来源于软件定义无线电，随着网络信息技术、人工智能和编程技术的进步，软件定义在多个领域得到应用。传统的卫星从设计之初就决定了其功能和性能，即使后期可以升级，也只是更换部分易损耗的部件或小部分换件，成本高、周期长、难度大，而软件定义卫星使得卫星的软件和硬件相对独立，在规范的操作系统下，可以按照不同需求安装、加载各类软件，实现传统卫星向智能化卫星的变革。

4.4 大容量

随着卫星星座系统的加速发展，移动卫星通信系统与地面移动通信的融合程度越来越高，要求移动卫星通信系统必须具有更高的带宽，以满足越来越大的通信容量需求。运用激光卫星通信技术可以大大提高卫星移动通信系统的容量，激光卫星通信技术可以将光功率集中在非常窄的光束中，相当于在卫星与卫星、卫星与地面之间架设了无形的光缆，开辟了通信频道的新领域，使通信带宽显著增加，卫星的尺寸、重量、功耗可明显降低。同时还可以大大减小各卫星通信链路间的电磁干扰，有利于增强卫星通信的保密性。鉴于激光通信的巨大优势，美国、欧洲、日本等国家都在积极研究卫星激光通信技术，我国在激光卫星通信技术上也已经有较大突破。

5 结束语

2019年8月29日，美国总统特朗普宣布正式成立美国太空司令部，距离组建独立的“太空军”更近了一步。美国成立太空军掀起了新一轮的太空资源竞争热潮，必将激发卫星技术的快速发展，卫星移动通信系统将会获得更大的发展机遇，各种新技术、新理念的应用不断推动其更新换代。随着应用领域的不断拓展，卫星移动通信系统将持续保持高速发展势头，随之而来的是国际竞争更趋激烈，对空间资源、信道资源和技术资源的争夺也不可避免。我国必须紧跟先进卫星技术的发展步伐，致力创新，不断赶超，占领未来卫星通信技术的制高点。