海事四代卫星网络架构及新业务分析

张华冲 吴永欣 杨贤 刘力军

摘要：针对国际移动卫星通信公司的主流通信系统——海事四代卫星通信系统，介绍了网络架构、卫星载荷的组成和技术特点。近年来，海事四代卫星出现了许多新业务类型，包括适用于流媒体的高速数据传输业务、应用于定位领域的星基增强系统、物联网应用以及军事应用，从信号参数、工作原理以及使用角度对新业务进行了剖析，总结了海事四代卫星业务种类及发展趋势。

关键词：卫星移动通信;卫星接入站;高速数据传输业务;星级增强系统

中图分类号：TN911 文献标志码：A 文章编号：1008-1739（2021）13-58-5

Analysis on Inmarsat-4 Satellite Network Architecture and New Business

ZHANG Huachong1， WU Yongxin1， YANG Xian1， LIU Lijun2

（1. The 54th Research Institute of CETC， Shijiazhuang 050081， China;

2. Hebei University of Economics and Business， Shijiazhuang 050061， China）

Abstract：The Inmarsat-4 satellite communication system plays a dominant role in Inmarsat. he network architecture， systemcomposition of satellite payload and technical characteristics of Inmarsat-4 system are introduced. In recent years， multiple newbusinesseses occur in Inmarsat-4， including high data-rate transmission service， satellite-based augmentation system for positioningdomain， Internet of Things and military application. The signal parameter， operating principle and usage of these businesses are analyzedparticularly. Finally， the businesslines and development trend of Inmarsat-4 satellite are summarized.

Keywords：mobile satellite communications; satellite access station; high data rate; satellite-based augmentation system

0 引言

海事四代衛星是国际移动卫星通信公司（Inmarsat）家族中提供主流业务的卫星系统，于 2009 年 2 月提供全球服务，为南、北纬 78° 之间的地区提供无缝隙的移动通信服务。Inmarsat 基于海事四代卫星平台提供的以 BGAN、GSPS 为代表的通信系统，在政府、企业、新闻采访、资源勘探及科考探险等领域获得了广泛应用。近年来，随着用户对宽带数据需求的增加，以及卫星移动通信在物联网和军事应用的快速增长，海事四代卫星系统涌现出了许多新的业务类型及应用，如 HDR、L-TAC、星级增强应用等。

文献[1-3]介绍了海事四代卫星通信系统的组成，在应用方面，侧重于介绍传统通信业务的应用情况，缺少对通信业务的工作原理进行深入分析，尤其缺少对近年来出现的新业务及应用的介绍。本文基于海事四代卫星的网络架构总结了其技术特点，针对近年来出现的新业务及应用，结合卫星网络架构深入剖析了工作原理。

1 海事四代卫星网络架构

1.1 网络架构

海事四代卫星通信系统将卫星通信与 UMTS 系统进行了融合，构建了卫星移动通信领域的 3G 体系架构[4]。海事四代卫星通信系统网络架构如图 1 所示。

海事四代卫星通信系统由卫星、卫星接入站（SAS）、卫星控制中心和用户终端组成，卫星与移动用户终端设备之间的链路采用 L 波段，卫星与关口站之间使用 C 波段。

1.2 卫星

卫星星座包括 3 颗地球同步轨道卫星，覆盖了全球南、北纬 78° 之间的区域。卫星的轨位、覆盖区域及发射时间 [5]如表 1 所示。

海事四代卫星星上载荷组成如图 2 所示，主要包括前向C-L 链路、反向 L-C 链路，这 2 条链路完成通信信号的信道化、波束形成和透明转发功能。星上配置了一副口径为 9 m 的 L 频段抛物面天线，包含了一个 120 单元的馈源阵列，形成各类型波束，用于用户链路信号的收发。馈电链路采用 C 频段，配置了 2 个喇叭天线，提供全球覆盖，完成卫星与接入站的通信。卫星接入站发射的上行信号通过载荷中的 C-L 链路转发到 L频段的某一个波束;L 频段天线接收不同点波束的用户信号，通过 L-C 链路转发到卫星接入站。另外还配置了 L-L 和 C-C的直通链路，实现单跳通信特殊需求。除去通信载荷，星上还配置了星级增强载荷（SBAS）。

1.3 卫星接入站

SAS 是卫星用户终端与陆地网络通信的关口，承担着移动终端信道资源分配、终端管理与认证、无线链路的建立与释放、电路交换和包交换等功能，同时提供陆地侧网络的接口。海事四代卫星接入站共有 4 座，其中位于荷兰的布卢姆关口站负责欧非星的业务接续，位于美国夏威夷关口站负责亚太星和美洲星的业务接续，位于意大利的佛希罗关口站是备份站。位于中国北京的接入站与亚太星对接，负责该星覆盖范围内中国地区海事通信业务的接续工作。

布设于地面的海事卫星专用的数据通信网（DCN）是整个通信系统的神经网络，它将各个 SAS 以及卫星控制中心连接在一起，形成一个完整的环形拓扑结构网络[6]。

1.4 卫星控制中心

卫星控制中心位于伦敦，由业务支撑子系统（BSS）、网络操作中心（NOC）和卫星控制子系统（SCC）组成。其中，BSS 完成业务费用核算、用户激活、合法性检查。NOC 与卫星接入站进行信息交换，负责整个网络的运行控制，包括点波束的信道资源的动态配置、业务监视等。SCC 负责监视卫星平台的运行情况，通过卫星测控站完成对卫星运行姿态的控制，保证每颗卫星正常运行。

1.5 用户终端

用户终端包括适用于各种平台的通信终端，由卫星调制解调器和全球用户身份识别模块（USIM）组成，负责用户侧信号的收发，提供与外部数据终端设备（电脑、视频设备等）的接口。用户终端通过海事卫星网络建立起数据终端设备与海事卫星用户、陆地公共电话网和移动网络用户、其他通信系统用户之间的通信桥梁，实现话音、宽带数据传输及视频传输等业务。

2 技术特点

（1）3 层波束覆盖

在用户链路，海事四代卫星采用 3 层波束覆盖，包括 1 个全球波束、19 个区域波束和 228 个窄点波束。全球波束提供下行公共信道，承载系统配置信息，包括区域波束使用的频率等参数。区域波束包括上行和下行公共信道，主要承载终端注册、建链信令及部分低速业务。

窄点波束包括上行和下行信道，承载用户业务数据。只有在用户发起通信时，卫星系统才会激活信道并分配给用户终端。每个窄点波束一般配置 6～8 个信道，最多 25 个信道。每个信道带宽 200 kHz、支持最高 492 kbps 传输速率。卫星载荷配置的信道总数为 630 个，系统支持在不同点波束下信道动态调配，以适应通信业务量的变化[7]。海事四代卫星的波束配置和信道按需分配体制不仅提高了信道资源的利用率，同时也提高了系统的抗截获抗干扰能力。

（2）频率及极化复用技术

在用户链路，采用频率复用技术提高了区域波束和点波束的通信容量。区域波束采用三色频率复用方案，窄点波束采用四色频率复用方案。用户链路总带宽为 34 MHz，可以划分成170 条 200 kHz 的信道。卫星载荷上的多波束天线保证了非相邻点波束采用相同频率进行通信不会造成相互干扰。228 个点波束共享 170 条信道，大大提高了用户段的通信容量。

在馈电链路，使用极化复用技术在同一频段传输左旋和右旋 2 种极化的信号，使传输容量翻倍。

（3）适应卫星信道传输的 IAI-2 空口协议

为了适应卫星信道高时延且时延变化范围大的特点，Inmarsat 对 UMTS 协议栈的接入层做了修改，采用 IAI-2 协议替代了 WCDMA 空口协议，而非接入层协议继续沿用。空中接口配置了多种载波类型，支持不同类型业务对传输速率的要求。采用 AMBE+2 语音编码替代了 UMTS 中的 AMR 编码，数据速率从 12.2 kbps 降低到了 4 kbps，在保证话音质量的同时，降低了信息速率，大大节省了频谱资源。

（4）一种卫星 2 种网络

在海事四代卫星 SAS 中配置有基于 3G 移动通信的核心网，能够同时支持电路域交换（CS）和分组域交换（PS）[8]。同时在 SAS 中配置有基于 GSM 的核心网，提供 GSPS 窄带业务。

BGAN 系统中的话音业务（4 kbps）、ISDN 数据传输和短消息采用电路域交换方式。其中，ISDN 支持 3.1 kbps 的丽音和64 kbps 的 UDI 接口;短消息支持卫星终端之间、卫星终端与地面移动终端之间收发，最大发送长度为 160 Byte[9]。GSPS 系统也采用电路域交换方式。

海事四代卫星的分组交换主要体现在 BGAN 系统中的标准 IP、流媒體 IP 业务以及其他应用中。

3 海事四代卫星新业务分析

3.1 宽带接入及话音业务

2009 年，Inmarsat 基于海事四代卫星平台推出了陆地宽带业务 BGAN、海上宽带业务 FBB、空中宽带业务 SBB。3 种业务采用同一套卫星通信网络，都能够支持话音、宽带接入等业务。3 种业务分别由陆用、船用、机载终端提供，不同类型终端的区别主要体现在天线设计和支持的速率等级上。

2010 年，Inmarsat 基于海事四代卫星平台推出了 GSPS系统（手持机业务），采用 GMR-2+ 协议，提供服务包括语音、数据和传真，速率为 2.4 kbps。另外还支持短信、紧急呼叫等业务[10]。

3.2 高速数据传输业务

2013 年 9 月，Inmarsat 基于 BGAN 系统推出了一项革命性的高速数据传输业务（High Data Rate，HDR），旨在满足流媒体用户对更高音视频质量和更快数据速率传输的需求。该业务的显著特点是高吞吐率、工作模式灵活多样。

HDR 业务分为对称和非对称模式，每种模式又可配置为全信道和半信道方式。对称模式适用于接收和发送双向需要相同吞吐量的用户，全信道模式下平均传输速率在 600～700 kbps之间，半信道模式提供速率在 300～350 kbps 之间。非对称模式HDR 适用于发送数据量大而接收数据量小的用户，全信道方式下终端发出的平均速率为 600～700 kbps，而终端接收的数据速率仅为 64 kbps;半信道方式下终端发出的平均速率为300～350 kbps，而终端接收的数据速率同样为 64 kbps。用户可以根据自己的需求选择不同的传输模式，以降低通信费用。

HDR 业务是通过优化调制参数和信道占用方式实现的，具备表现在：

①采用高效调制方式：在 Inmarsat 早期规范中，前向链路采用 QPSK、16QAM，反向链路采用 16QAM、π /4QPSK 调制方式，符号速率有 8.4，33.6，67.2，151.2 四个等级。在 HDR 业务中，增加了支持 32/64QAM 调制方式的 FR80T2.5X32，FR80T5X32，FR80T2.5X64，FR80T5X64 等载波类型[11]，传输效率提高到 6 bit/symbol。采用了滚降系数为 0.13 的基带传输波形（早期版本是 0.25），占用带宽更窄，在 200 kHz 信道内可以承载 168 ksps 的符号速率。

②采用信道独占方式：以对称模式为例，系统分配信道资源，使用全信道方式中的 HDR 终端独占 200 kHz 的双向信道，使用半信道方式的 HDR 终端独占 100 kHz 的双向信道，保证了 HDR 终端的吞吐率。

目前支持的 HDR 业务的典型终端有：Cobham 公司的Explorer710 和休斯公司的 9211。

3.3 定位应用

3.3.1 基于海事卫星的星基导航增强系统

星基导航增强系统（Satellite-Based Augmentation System，SBAS）是通过卫星搭载的卫星导航增强载荷，向用户播发修正信息（包括星历误差、卫星钟差和电离层延迟参数等），实现原有卫星导航系统定位精度的提升。

海事四代卫星上的导航增强载荷属于美国的广域增强系统（WAAS），其原理如图 3 所示。分布在地球表面的监控站网络对 GPS 卫星进行监测，获得原始定位数据并送至主控站。主控站计算得到 GPS 卫星的定位修正信息，形成报文信息，并通过海事四代卫星接入站发给海事四代卫星，通过海事四代卫星上的导航增强载荷转发到 L 频段，经过专用的导航发射天线将报文广播给广大 GPS 用户，从而达到提高定位精度的目的[12]。

目前的 SBAS 只用到了 L1 频点，海事四代卫星导航载荷配置了 L1，L5 两个频点，满足对未来 SBAS 系统能力扩展的需求。

3.3.2 无线定位寻踪应用

无线定位寻踪是指移动用户（如车、船、飞机或个人）利用无线定位技术确定自己的位置，并将位置信息实时传送至指挥调度中心，指挥中心跟踪用户位置，并对移动用户下达指令、支援甚至抢救信息。在这种应用中，保证定位信息的实时、可靠传输是关键。基于地面移动通信系统传输位置信息，难以覆盖海洋、沙漠、森林、山区等区域。利用海事四代卫星提供的Inmarsat-C 系统则可以有效地解决这一问题。基于 Inmarsat-C的无线定位寻踪原理如图 4 所示。

GPS 接收机完成定位功能后，把移动用户的位置信息转化为标准的数据格式，送到 Inmarsat-C 终端，经过海事卫星将位置信息送给 Inmarsat 接入站，接入站将数据经地面通信网（PSTN、Internet 等）送到调度指挥中心。基于 Inmarsat-C 系统的无线寻踪广泛应用于跨国商业运输和远洋船队。

3.4 物联网应用

IsatData Pro（IDP）是 Inmarsat 公司针对物联网和机器对机器（M2M）领域对数据通信的需求，基于海事四代卫星平台上推出的服务[13]。IDP 是一种基于事件驱动的数据采集与远程控制系统，典型应用包括车辆跟踪、舰船管理、远程监视、远程信息处理和检测控制和数据采集。IDP 采用基于确认机制双向消息传输机制，数据速率为 150 bps，为用户提供了一种廉价、高可靠、覆盖全球的通信系统。IDP 系统原理框图如图 5 所示。

IDP 终端完成卫星信号收发和对受控设备的监控，具有Inmarsat 分发的全网唯一的身份 ID。该终端支持标准的 IDP消息格式。卫星接入站采用海事四代卫星的接入站完成馈电链路信号的收发。消息网关负责授权终端的接入管理、消息格式变换等。用户或开发者通过安全网页 API 收發部署在远方的大量终端的数据。

IDP 系统主要使用海事四代卫星的 19 个区域波束提供服务，同时引入了海事三代卫星提高特殊地区的覆盖率。使用的物理信道包括 3 类：广播信道（承载网络配置参数）、前向信道（承载卫星到终端方向的控制信息）和反向信道（承载终端到卫星方向的回传确认消息和业务内容）。广播信道采用固定的频率，便于终端初始接入，广播信道还承载前向和反向信道的分配信息。目前，IDP 已经大量应用在了公路与铁路货运、舰船航运、工业设备状态监视及工业自动控制等领域。

3.5 飞机驾驶舱业务

2018 年，Inmarsat 推出了应用于飞机驾驶舱服务的SwiftBroadband-Safety（SB-S）业务，运行于海事四代卫星，是运行于海事三代卫星的 Classic Aero 服务的全面升级。SB-S 基于高速 IP 宽带连接，为飞机提供全球性的安全通信服务，设计宗旨是在航线的任何地方提供受保护的数据。支持连续的航班定位、跟踪、航班数据流存储（云端黑匣子）和实时电子飞行包应用程序。目前，全球 200 家航空公司，超过 90%的跨洋航班都在采用该服务。提供业务主要包括话音、传真和低速率数据。

3.6 军事应用

3.6.1 L-TAC

目前，UHF 频段战术卫星存在容量不足的问题。由于 UHF频段终端天线的波束相当宽，频率复用能力有限，因此单纯靠增加新卫星并无显著效果。Inmarsat 公司与 Spectra 公司合作，提出了 L-TAC 的解决方案，即对 UHF 频段战术电台加装变频信道和 L 频段天线，通过海事四代卫星实现超视距的通信。这种业务通过海事四代卫星载荷中的 L 频段 -L 频段的转发链路实现单跳通信，为用户提供与 UHF 频段卫星通信相同的体验。这种通信终端称为“弹弓”[14]，目前已在美军应用。

3.6.2 蓝军跟踪系统

蓝军跟踪系统（BFT）是借助于高轨、低轨卫星传输图像、电子邮件以及友军的位置等情报信息的系統。目前，BFT 终端可以接入海事四代卫星、铱星系统，该终端的特点是采用扩频体制、短突发消息，支持广播方式。最新的 BFT 终端数据传输速度可达 235 kbps，位置更新速度为 10 s[15-16]，支持车载、舰船环境。

4 结束语

海事四代卫星通信系统全面运行 10 年以来，提供的业务发生了巨大的变化，从基本的话音和低速数据应用发展到包含高速宽带因特网接入、高速视频流传输、位置服务、物联网应用及信道租赁等在内的综合性通信业务提供平台。截至2019 年，以海事四代卫星为主的 Inmarsat 公司在卫星移动通信领域已占据了约 58%市场份额。目前，海事四代卫星通信业务量还处于稳定增长的阶段。作为最成功的卫星移动通信系统之一，不断满足移动和固定用户对宽带、高可靠、动中通等各类通信业务的新需求，是保持旺盛生命力的根本原因。

参考文献

[1] 谢智东，常江，周辉.卫星通信系列讲座之二 Inmarsat BGAN系统（上）[J].数字通信世界，2007（3）：88-91.

[2] 刘思杨.卫星移动通信系统发展现状及趋势[J].现代电信科技，2014，44（7）：23-28.

[3] 陈侃，陈锐，李晶晶.UMTS 核心网在海事卫星及北京关口站中的应用[J].数字通信世界，2015（11）：6-10.

[4] ETSI.ETSI TS 102 744-1-1 V1.1.1 （2015-10）. [S/OL]. www.etsi.org/standards-search. 2015-10-01/2021-03-01.

[5] 康红霞，宋亮.海事卫星 3G 宽带系统技术特性研究和思考[J].卫星与网络，2010（7）：44-47.

[6] 刘荣和.第四代海事卫星通信系统的结构与功能[J].数字通信世界，2016（10）：1-5.

[7] 从伟.海事卫星的发展及在交通中的应用[J].交通世界（运输·车辆），2010（8）：122-124.

[8] ETSI.ETSI TS 102 744-1-1 V1.1.1 （2015-10）. [S/OL]. www.etsi.org/standards-search/. 2015-10-01/2021-03-01.

[9] 张建飞，田兆平，叶勇，等.海事 BGAN 系统数据链路测试及性能分析[J].飞行器测控学报，2011，30（4）：68-72.

[10] 方飞，余跃.海事卫星手持机关口站无线接续系统的研究[J].计算机与数字工程，2017，45（6）：1228-1233.

[11] ETSI.ETSI TS 102 744-2-1 V1.1.1 （2015-10）. [S/OL]. www.etsi.org/standards-search/. 2015-10-01/2021-03-01.

[12] 刘天雄.卫星导航差分系统和增强系统（十）[J].卫星与网络，2018（11）：64-70.

[13] IsatData Pro Service Overview[EB/OL].developer. inmarsat.com. 2016-05-20/2021-03-01.

[14] Inmarsat L-TAC[EB/OL]www. inmarsat.com/ government.2013-07-01 /2021-03-01.

[15] Blue Force-update. [EB/OL] www.globalmilitarycommunications.com.2018-02-01/2021-03-01.

[16] Comtech Blue Force Tracking Technology[EB/OL].www.comtechmobile.com.2019-11-04/2021-03-01.