衛(wèi)星通信發(fā)展展望

張俊祥

(通信網(wǎng)信息傳輸與分發(fā)技術重點實驗室，河北石家莊050081)

0 引言

第2次世界大戰(zhàn)促進了導彈和微波技術的發(fā)展，這2種技術的綜合開創(chuàng)了衛(wèi)星通信的應用。1957年蘇聯(lián)成功發(fā)射第1顆人造衛(wèi)星(sputnik)，標志著人類進入了空間時代。衛(wèi)星通信經(jīng)過了60年代的發(fā)展初期，70～80年代的成熟期，90年代的低速發(fā)展期。進入新世紀以后，受地面通信網(wǎng)絡技術的啟發(fā)和影響，以衛(wèi)星移動通信和多媒體衛(wèi)星通信［1，2］技術為代表把衛(wèi)星通信又帶入了一個新的發(fā)展時期。衛(wèi)星平臺技術、數(shù)字信號處理技術和器件技術的發(fā)展，能夠使得新一代衛(wèi)星通信系統(tǒng)采用更為復雜的星上和地面技術，以技術的復雜度換來了系統(tǒng)容量的擴展。

1 歷史回顧

衛(wèi)星通信的發(fā)展初期有下面幾個典型試驗為標志:1958年美國艾森海威爾總統(tǒng)通過SCORE衛(wèi)星廣播發(fā)表圣誕祝福，1960年發(fā)射回聲衛(wèi)星(ECHO)，并利用COURIER衛(wèi)星進行存儲—轉(zhuǎn)發(fā)傳輸試驗;1962年第1顆同步衛(wèi)星SYNCOM發(fā)射成功。1964年國際衛(wèi)星通信組織(INTELSAT)成立，1965年第1顆商用同步衛(wèi)星INTELSATⅠ(或“早鳥”)發(fā)射成功，標志著商用衛(wèi)星通信進入實用階段。這時的衛(wèi)星工作在C頻段，衛(wèi)星通信地球站尺寸較大，天線口徑達30 m，采用模擬的FM/FDMA技術體制，這就是衛(wèi)星通信發(fā)展的初期［3］。

70年代到80年代中期是衛(wèi)星通信發(fā)展的成熟時期，這個階段發(fā)展的典型標志是衛(wèi)星大功率、Ku頻段投入使用，多址接入方式多樣化，開發(fā)了SCPC、IDR、IBS以及TDMA等方式，調(diào)制制度以恒包羅的PSK數(shù)字調(diào)制為主要方式。這個時期衛(wèi)星通信的應用仍然以面向干線通信應用為主。

進入80年代，隨著衛(wèi)星功率的提高、集成電路技術、射頻器件技術以及編碼和調(diào)制等數(shù)字信號處理技術的成熟，VSAT應運而生，使得衛(wèi)星通信的應用可以面向小型用戶并得到了迅速的普及。

進入90年代以“銥”系統(tǒng)為代表的低軌星座移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)，代表了當時民用衛(wèi)星通信技術的最高水平。但由于受到地面光纖和地面蜂窩移動技術發(fā)展的影響，整個衛(wèi)星通信市場進入了低速增長期。

2 新的發(fā)展時期

衛(wèi)星通信經(jīng)歷了90年代中期以后短暫的失落期，也就是在這個期間卻醞釀著一個衛(wèi)星通信新時期的到來。進入新世紀以后，衛(wèi)星通信從系統(tǒng)到技術都進行了革命性的升級換代。這個時期Ka頻段得到廣泛應用，系統(tǒng)的發(fā)展主要從2個方面比較突出，支持手持機的窄代移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)以及支持個人用戶的寬帶多媒體系統(tǒng)。這些系統(tǒng)主要有下面一些特征［4］。

2.1 技術方面

①系統(tǒng)設計理念變化:衛(wèi)星通信系統(tǒng)從開始時的點到點應用，到簡單組網(wǎng)應用，再到現(xiàn)在的復雜網(wǎng)絡，從系統(tǒng)設計理念上，有一個從技術層面到應用和運營層面的轉(zhuǎn)變;技術的復雜性使得系統(tǒng)管理復雜化，卻帶來了應用的簡單化。

②衛(wèi)星平臺和載荷技術得到大力發(fā)展:這個時期衛(wèi)星平臺分大衛(wèi)星和小衛(wèi)星，大衛(wèi)星平臺越來越大，在軌工作壽命提高(15年以上)，衛(wèi)星提供的功率大大提高(能給載荷提供萬瓦以上的功率)，衛(wèi)星載荷重量提高(達上千公斤)。在小衛(wèi)星平臺方面向小型化、低成本和一箭多星發(fā)射的方向發(fā)展。

由于平臺能力的提升，衛(wèi)星有效載荷能力得到提高，星載大型可展開天線和相控陣天線得到應用，有效地提高了衛(wèi)星的G/T值和EIRP。數(shù)字多波束形成、數(shù)字信道化器技術的采用以及星上處理和交換能力的提高，更提升了衛(wèi)星能力。單顆衛(wèi)星的轉(zhuǎn)發(fā)器數(shù)量從最初的幾個，到后來的幾十個，現(xiàn)在則可以到數(shù)百個甚至上千個。

③點波束和頻率復用技術的應用:衛(wèi)星通信在受到地面網(wǎng)絡擠壓的同時也從地面網(wǎng)絡技術的發(fā)展上吸取經(jīng)驗，新型衛(wèi)星通信系統(tǒng)基本都采用了點波束覆蓋，單顆衛(wèi)星的波束數(shù)量從幾十個到幾百個，通過點波束間的頻率復用，使得系統(tǒng)的可用帶寬得到提高，甚至一個新型衛(wèi)星提供的可用帶寬相當于5～20顆上一代衛(wèi)星提供的帶寬，從而使得系統(tǒng)容量提高并降低運營成本和用戶使用成本。

2.2 應用方面

①面向用戶和業(yè)務需求的變化:從面向節(jié)點和團體小用戶到面向大量的個人用戶。由于可用帶寬增加，使得系統(tǒng)對用戶數(shù)量的支持能力大大提高(比如一個同步衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)能夠支持200萬個用戶)，從而形成規(guī)模效益。通信業(yè)務從以前的主要以話音業(yè)務為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐砸曨l、數(shù)據(jù)、Internet和話音等綜合業(yè)務，形成通信業(yè)務與廣播、點播業(yè)務相結合。

②移動衛(wèi)星通信方面支持手持機:現(xiàn)在無論是低軌星座系統(tǒng)還是同步軌道的系統(tǒng)，都能做到支持手持機之間的通信，手持機的大小基本和地面蜂窩系統(tǒng)的手機可比擬。有的系統(tǒng)還支持雙?；蚨嗄Ｊ謾C。

③在寬帶多媒體衛(wèi)星通信方面支持便攜的小型終端:0.5 m口徑以下的小型化終端支持信息下載速率可達每秒幾十兆比特。

2.3 典型系統(tǒng)

2.3.1 移動通信系統(tǒng)

90年代末以來相繼出現(xiàn)了十數(shù)個移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)的計劃，這些系統(tǒng)各有特點，按衛(wèi)星軌道高度可分為低軌、中軌和高軌系統(tǒng);按覆蓋范圍有區(qū)域系統(tǒng)和全球系統(tǒng)等。比較有代表性的系統(tǒng)有以下幾個［5］。

(1)靜止軌道衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)

靜止軌道衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)中，提供全球覆蓋的有國際移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)(Inmarsat)，提供區(qū)域覆蓋的亞洲蜂窩衛(wèi)星系統(tǒng)(ACeS)、瑟拉亞(Thuraya)衛(wèi)星系統(tǒng)和SkyTerra系統(tǒng)等。

①國際移動衛(wèi)星系統(tǒng)

Inmarsat系統(tǒng)是由國際移動衛(wèi)星公司經(jīng)營的全球衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)。自1982年開始經(jīng)營以來，該系統(tǒng)衛(wèi)星已發(fā)展到第4代?，F(xiàn)在Inmarsat是世界上唯一能為海、陸、空各行業(yè)用戶提供全球化、全天候、全方位公眾通信和遇險安全通信服務的系統(tǒng)。

② ACeS系統(tǒng)

ACeS系統(tǒng)是由印度尼西亞等國家建立起來的區(qū)域性個人衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)，覆蓋東亞、東南亞和南亞地區(qū)。ACeS系統(tǒng)能夠向地面上固定式、移動式、便攜式和手持式等各類用戶終端提供話音、傳真、低速數(shù)據(jù)以及因特網(wǎng)服務等業(yè)務。

③ Thuraya系統(tǒng)

Thuraya系統(tǒng)是一個由總部設在阿聯(lián)酋阿布扎比的Thuraya衛(wèi)星通信公司建立的區(qū)域性靜止衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)。Thuraya系統(tǒng)的衛(wèi)星網(wǎng)絡覆蓋包括歐洲、北非、中非、南非大部、中東、中亞、南亞和東亞的部分地區(qū)等110個國家和地區(qū)，約涵蓋全球1/3的區(qū)域，可以為23億人口提供衛(wèi)星移動通信服務。Thuraya系統(tǒng)終端整合了衛(wèi)星、GSM、GPS 3種功能，向用戶提供語音、短信、數(shù)據(jù)(上網(wǎng))、傳真和GPS定位業(yè)務。

④ SkyTerra系統(tǒng)

SkyTerra公司(原稱MSV:Mobile Satellite Ventures)的SkyTerra系統(tǒng)通過結合衛(wèi)星和地面技術，在全美國范圍內(nèi)提供3G-LTE無線寬帶網(wǎng)絡?，F(xiàn)有的支持WiFi的設備，如PC、筆記本等，可以通過數(shù)據(jù)卡、嵌入式Modem和路由器等連接到衛(wèi)星網(wǎng)絡。系統(tǒng)的另一個特點是采用了輔助地面組件技術(ACT技術)，通過它的應用，可以實現(xiàn)衛(wèi)星網(wǎng)絡與地面網(wǎng)絡的無縫集成，用戶在衛(wèi)星網(wǎng)絡與地面網(wǎng)絡之間可以實現(xiàn)透明的轉(zhuǎn)換。

(2)中軌道衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)

中軌道衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)軌道高度約為10 000 km，中軌衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)中最廣為人知的是Odyssey系統(tǒng)和ICO系統(tǒng)，另外歐空局也曾設計了一個MAGSS-14系統(tǒng)，但由于一些商業(yè)原因，它們均已被取消或到目前仍未成功運行。

(3)低軌道衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)

低軌系統(tǒng)信號路徑衰耗小，信號時延短，可做到真正的全球覆蓋。因此低軌衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)廣受關注，典型的低軌衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)有Iridium和Globalstar。

①Iridium系統(tǒng)

銥系統(tǒng)星座由66顆軌道高度為780 km的低軌衛(wèi)星組成，1998年11月開始商業(yè)運營。該系統(tǒng)可實現(xiàn)包括兩極地區(qū)的全球覆蓋。星上采用多點波束相控陣天線并進行再生處理和交換。星間具有星際鏈路，是最先進的低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)。Iridium提供電話、傳真、數(shù)據(jù)和尋呼等業(yè)務，用戶終端有手持、車載和固定終端。

② Globalstar系統(tǒng)

全球星系統(tǒng)星座由48顆軌道高度為1 414 km的低軌衛(wèi)星組成，1999年開始商業(yè)運營。星上采用透明轉(zhuǎn)發(fā)、多波束天線，用戶鏈路采用L/S頻段，饋電鏈路為C/X頻段，向用戶提供尋呼、傳真、短數(shù)據(jù)和定位等業(yè)務。用戶終端有手持、車載、機載和船載等移動終端，以及半固定和固定終端。

2.3.2 寬帶多媒體系統(tǒng)

具有代表性的寬帶多媒體衛(wèi)星有阿尼克-F2(Anik-F2)、iPSTAR及太空之路-3(Spaceway-3)等衛(wèi)星。

(1)阿尼克-F2系統(tǒng)

阿尼克-F2衛(wèi)星是2004年7月發(fā)射的加拿大電信衛(wèi)星公司(Telesat)經(jīng)營的世界上第1顆面向大眾消費者的商用寬帶衛(wèi)星，它具有94臺轉(zhuǎn)發(fā)器，其中C頻段24臺、Ku頻段32臺、Ka頻段38臺，其中Ka頻段還有38個點波束，小部分轉(zhuǎn)發(fā)器有星上處理功能。

(2)IPSTAR系統(tǒng)

IPSTAR是泰國的Shin衛(wèi)星公司為滿足Internet和多媒體業(yè)務在2005年8月11日發(fā)射的衛(wèi)星，波束覆蓋亞太地區(qū)22個國家，使用頻率為Ku/Ka混合頻段，可為亞太地區(qū)提供84個Ku頻段點波束，3個Ku頻段賦形波束，7個地區(qū)廣播波束和18個Ka波段點波束覆蓋。上行信息速率192 kbps～2 Mbps，下行接收4 Mbps/8 Mbps。

(3)SpaceWay系統(tǒng)

美國的“太空之路(SpaceWay)”系統(tǒng)由16顆高軌(GEO)衛(wèi)星和20顆中軌(MEO)衛(wèi)星組成。從2005～2007年共發(fā)射了3顆衛(wèi)星，采用Ka頻段，衛(wèi)星設置了784個下行波束和112個上行波束，SpaceWay-3衛(wèi)星還進行了星上信號處理。支持0.66 m口徑終端，發(fā)射信息速率為16 kbps～6 Mbps，接收信息速率16～30 Mbps。

目前國際上容量最大的2個寬帶衛(wèi)星系統(tǒng)是美國衛(wèi)訊公司與美國勞拉公司的衛(wèi)訊-1(ViaSat-1)和歐洲衛(wèi)星通信公司的“Ka頻段衛(wèi)星”(Ka-Sat)。

(4)ViaSat-1系統(tǒng)

ViaSat-1衛(wèi)星于2011年10月發(fā)射，定點在西經(jīng)115°，設計壽命15年。它采用大容量的Ka頻段點波束技術，有18個信關站，能以更高的速率服務于更多的寬帶用戶，總?cè)萘窟_到130 Gbit/s，超過了現(xiàn)今覆蓋北美的雙向Ka、C和Ku頻段的全部容量之和。

(5)Ka-Sat系統(tǒng)

Ka-Sat衛(wèi)星于2010年12月發(fā)射，也是一顆大容量的Ka頻段寬帶衛(wèi)星，它采用衛(wèi)訊公司的“沖浪波束2”(SurfBeam2)系統(tǒng)來支持雙向?qū)拵Х?，該衛(wèi)星配置了82個點波束，這些點波束與10個信關站相連接，每個點波束容量為900 Mbit/s，總?cè)萘砍^70 Gbit/s。

這些衛(wèi)星以多種頻段(C、Ku和 Ka)、多極化(圓和線)和多波束(全球、半球、區(qū)域、點波束)分別覆蓋各個服務區(qū)。服務區(qū)內(nèi)用戶根據(jù)業(yè)務需要使用各種體制和標準的地球站，組成各種衛(wèi)星通信系統(tǒng)。

3 發(fā)展展望

進入新世紀以后，衛(wèi)星通信系統(tǒng)的技術發(fā)展和應用水平又一次達到新的高度，新的設計理念和新型技術的采用使得這個傳統(tǒng)的通信手段煥發(fā)了活力。從最近幾年的情況來看，衛(wèi)星通信的發(fā)展是面向個人化和寬帶化［6］。展望衛(wèi)星通信發(fā)展的未來，總的趨勢是:

(1)技術復雜、應用簡單

衛(wèi)星通信系統(tǒng)設計和技術處理具有越來越復雜的趨勢，這是由于空間技術、器件技術和計算機技術等取得了巨大的進步，對于設計一個復雜系統(tǒng)來講顯得更加得心應手。技術的復雜換來操作使用的簡單化，現(xiàn)在衛(wèi)星終端面向的是沒有衛(wèi)星通信專業(yè)技術知識的個人，這更加有利于衛(wèi)星通信的推廣應用。為增加用戶容量、提高傳輸帶寬和降低運營成本，必然使得衛(wèi)星載荷技術越來越復雜。對星載天線、星上處理和星際鏈路都會提出更高的要求，使得星上EIRP和G/T值更高，從而減小用戶終端體積和功耗;星際鏈路和星上交換會使得用戶可以獲得更好的服務質(zhì)量;更多的天線波束使得頻率復用倍數(shù)增加，從而增加用戶容量并降低運營成本。

(2)與地面通信網(wǎng)絡進一步融合

地面通信運營商通過發(fā)射衛(wèi)星補充其網(wǎng)絡覆蓋范圍，原有的衛(wèi)星移動通信運營商也試圖通過新技術完成對地面網(wǎng)絡的覆蓋。隨著衛(wèi)星通信容量的擴大和單用戶成本的降低，衛(wèi)星技術與地面技術的結合越來越普遍。

移動衛(wèi)星通信的發(fā)展朝著支持多用戶并與地面系統(tǒng)互操作等的方向發(fā)展，現(xiàn)有衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)中的手持機支持地面的移動通信網(wǎng)絡，未來的移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)還會朝著與3G和4G相結合的方向發(fā)展，并做到和地面系統(tǒng)的相互支持。寬帶多媒體系統(tǒng)朝著應用終端更加小型化和便攜的方向發(fā)展，從空間段來講支持高軌、中軌和低軌系統(tǒng)的聯(lián)合組網(wǎng)，從應用段來講支持高速Internet數(shù)據(jù)下載、視頻廣播和點播等業(yè)務。

(3)與其他衛(wèi)星信息系統(tǒng)的融合

目前衛(wèi)星移動通信與衛(wèi)星定位兩者都獲得了很好的發(fā)展，而兩者之間服務的結合也成為一種新的趨勢。多個衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)終端可支持基于GPS的衛(wèi)星定位服務，而我國的“北斗”導航衛(wèi)星系統(tǒng)在提供導航定位服務的同時，還可提供短報文通信服務。隨著衛(wèi)星定位的應用越來越廣泛，衛(wèi)星定位服務與衛(wèi)星移動通信相結合也將越來越普遍。

隨著技術發(fā)展，衛(wèi)星平臺的能力會進一步提升，利用移動通信衛(wèi)星搭載各類載荷可實現(xiàn)對地觀測，情報收集、處理和分發(fā)，形成綜合航天信息系統(tǒng)，這在未來的科學研究和軍事綜合信息系統(tǒng)上都有廣泛的應用前景。

(4)向更高的頻段發(fā)展

未來的衛(wèi)星通信還會向著Q/U頻段，甚至激光鏈路的方向發(fā)展，用來支持大型節(jié)點的高速數(shù)據(jù)或國際干線間的點到點傳輸。

(5)衛(wèi)星通信終端將向智能化的方向發(fā)展

隨著器件、處理器能力的更加強大，衛(wèi)星通信終端數(shù)字化處理會向中頻甚至射頻前移，衛(wèi)星通信終端和計算機融為一體，終端可以通過對不同衛(wèi)星網(wǎng)絡的信號分析進行選擇性入網(wǎng)，而不再受某種體制和網(wǎng)絡的限制。

從長遠來看，地球上大部分的陸地和海洋是地面網(wǎng)絡永遠覆蓋不到的地方，衛(wèi)星通信是一個不可替代的通信手段。衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)是一個高投入、高風險的產(chǎn)業(yè)。衛(wèi)星通信系統(tǒng)是國家關鍵的基礎設施，是高精尖技術，對經(jīng)濟、社會發(fā)展和國家安全至關重要，在處理各類突發(fā)事件和應急保障方面保持通信暢通是綜合國力的體現(xiàn)，也體現(xiàn)國家在高新技術領域的綜合實力。我們正面臨著衛(wèi)星通信系統(tǒng)和技術換代升級的新發(fā)展機遇期，同時也帶來了巨大挑戰(zhàn)，因此衛(wèi)星通信技術和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展應該:

①以國家的意志投入、扶植和培育衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，制定產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃，理清產(chǎn)業(yè)和技術發(fā)展思路;②通信衛(wèi)星軌道位置和使用頻譜是稀缺資源，需站在戰(zhàn)略高度，各部門通力合作在ITU規(guī)則之下制定我國的長遠發(fā)展策略;③制定產(chǎn)業(yè)發(fā)展鼓勵政策，鼓勵民營資本積極參與到衛(wèi)星通信的產(chǎn)業(yè)中來，形成有序的競爭機制;④ 加強衛(wèi)星通信及相關專業(yè)人才隊伍的培養(yǎng)和建設。

4 結束語

以支持手持終端為特征的移動衛(wèi)星通信和以支持小口徑終端個人應用的寬帶多媒體衛(wèi)星通信是衛(wèi)星通信領域2個重要的發(fā)展方向。衛(wèi)星通信在與地面網(wǎng)絡競爭的同時，也在不斷地吸收地面通信網(wǎng)絡發(fā)展的先進技術，并走向與地面網(wǎng)絡的互補和融合。與國外的先進水平相比，我國在衛(wèi)星通信領域，無論從設計觀念還是從技術上都還存在著較大的差距。在關鍵技術方面，技術先進國家對我們有很多出口限制，立足于自力更生是一條唯一正確的道路。

［1］ GERARD MARAL.Satellite Communication Systems——Systems，Techniques and Technology(Fourth Edition)［M］.USA:WILLEY＆SONs LTD，2001.

［2］ 呂海寰，蔡劍銘，甘仲民，等.衛(wèi)星通信系統(tǒng)［M］.北京:人民郵電出版社，1994.

［3］ WHITEFIELD D，GOPAL R，ARNOLD S.Spaceway Now and in the Future:On-Board IP Packet Switching Satellte Communication Network［C］∥Milcom，MILCOM 2006，2006:1-7.

［4］ 王毅凡，王琦.通信衛(wèi)星發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢分析［J］.國際視窗，2010(7):22-25.

［5］ 徐烽，陳鵬.國外衛(wèi)星移動通信新進展與發(fā)展趨勢［J］.電訊技術，2011，51(6):156-161.

［6］ 閔士權，朱曼潔.衛(wèi)星通信現(xiàn)狀與發(fā)展［C］∥中國衛(wèi)星應用大會，2008:451-463.