國(guó)外靜止軌道移動(dòng)通信衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展綜述

劉悅 （北京空間科技信息研究所）

移動(dòng)通信衛(wèi)星在通信業(yè)務(wù)領(lǐng)域占據(jù)了重要地位，相對(duì)于地面移動(dòng)通信系統(tǒng)，具有覆蓋范圍廣、通信費(fèi)用與距離無關(guān)、不受地理?xiàng)l件限制等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)海洋、山區(qū)和高原等地區(qū)近乎無縫的覆蓋，滿足各類用戶對(duì)移動(dòng)通信覆蓋性的需求。

1 靜止軌道移動(dòng)通信衛(wèi)星發(fā)展簡(jiǎn)介

自20世紀(jì)70年代以來至今，靜止軌道移動(dòng)通信衛(wèi)星已經(jīng)過了40年的發(fā)展歷程。根據(jù)技術(shù)先進(jìn)性（代表性），它們大致可以劃分為四代：①第一代衛(wèi)星采用全球波束，容量非常有限；②第二代衛(wèi)星采用區(qū)域波束，并通過頻率復(fù)用技術(shù)增加可用容量；③第三代衛(wèi)星采用百個(gè)點(diǎn)波束，可以實(shí)現(xiàn)用戶間的單跳通信，并具有靈活分配功率、帶寬和波束的能力；④第四代衛(wèi)星采用地基波束成形（GBBF）技術(shù)、地面輔助組件（ATC）技術(shù)構(gòu)建天地融合的衛(wèi)星-地面移動(dòng)通信系統(tǒng)。

第一代靜止軌道移動(dòng)通信衛(wèi)星主要提供海事衛(wèi)星通信服務(wù)，其典型系統(tǒng)有：“美國(guó)海事通信衛(wèi)星”（Mar isat）、“歐洲海事通信衛(wèi)星”（Mar ecs）和國(guó)際移動(dòng)衛(wèi)星－2（Inmar sat－2）。第二代靜止軌道移動(dòng)通信衛(wèi)星的技術(shù)進(jìn)步主要體現(xiàn)在采用了多波束天線，系統(tǒng)能力類似于地面模擬蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)，典型的衛(wèi)星系統(tǒng)有：國(guó)際移動(dòng)衛(wèi)星－3和加拿大/美國(guó)的“移動(dòng)通信衛(wèi)星”（MSAT）。目前，全球在役的靜止軌道移動(dòng)通信衛(wèi)星主要是第三代衛(wèi)星，第四代靜止軌道移動(dòng)通信衛(wèi)星均在2008年之后發(fā)射，代表了未來移動(dòng)通信衛(wèi)星的發(fā)展方向。

2 第三代靜止軌道移動(dòng)通信衛(wèi)星

第三代靜止軌道移動(dòng)通信衛(wèi)星部署于2000年之后，主要標(biāo)志是衛(wèi)星能夠形成上百個(gè)點(diǎn)波束、載荷的數(shù)字化，移動(dòng)用戶間直接通信、能夠靈活分配衛(wèi)星的功率、帶寬和波束。其典型系統(tǒng)是印度尼西亞的“亞洲蜂窩”（ACeS）系統(tǒng)[衛(wèi)星名為“格魯達(dá)”（Garuda）]、阿聯(lián)酋的“瑟拉亞”（Thuraya）系統(tǒng)和國(guó)際移動(dòng)衛(wèi)星－4系統(tǒng)。第三代移動(dòng)通信衛(wèi)星采用的關(guān)鍵技術(shù)包括：大型可展開天線技術(shù)、大型通信衛(wèi)星平臺(tái)技術(shù)、多波束形成技術(shù)，星上處理和交換技術(shù)等。

大型可展開天線技術(shù)

第三代衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的終端尺寸普遍較小，有些已經(jīng)接近地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)的手持終端，對(duì)于靜止軌道衛(wèi)星系統(tǒng)來說，為了支持手持移動(dòng)終端，并且受限于衛(wèi)星的功率和較長(zhǎng)的傳輸距離造成的信道衰落等問題，這就對(duì)衛(wèi)星的增益和等效全向輻射功率（EIRP）提出了較高的要求，先進(jìn)的衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)多采用大型可展開天線。

大型通信衛(wèi)星平臺(tái)技術(shù)

比起傳統(tǒng)的固定通信衛(wèi)星，移動(dòng)通信衛(wèi)星對(duì)衛(wèi)星平臺(tái)提出了較高的要求。一般情況下，要求靜止軌道通信衛(wèi)星平臺(tái)能夠支持質(zhì)量超過800kg的有效載荷，衛(wèi)星的總功率大約在10k W以上。大型可展開天線對(duì)平臺(tái)的控制系統(tǒng)提出了更高的要求。

多波束形成技術(shù)

第三代衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)多采用星載多波束天線技術(shù)，提高覆蓋范圍和頻率的利用率。星上數(shù)字波束成形技術(shù)是重要的組成部分，可以優(yōu)化形成波束，改善天線的等效全向輻射功率和G/T值，實(shí)現(xiàn)部分的在軌波束重構(gòu)，并可支持星上單跳業(yè)務(wù)。其基本原理是通過對(duì)多饋源信號(hào)的加權(quán)求和操作形成多個(gè)波束，這些權(quán)值稱作波束成形系數(shù)。波束成形系數(shù)可以根據(jù)預(yù)先的計(jì)算進(jìn)行預(yù)置，也可以根據(jù)系統(tǒng)需求進(jìn)行在軌波束重構(gòu)。

星上處理和交換技術(shù)

目前，主要有3種星上處理和交換的方式：透明轉(zhuǎn)發(fā)、部分星上處理和交換、完全星上處理和交換。其中，大多數(shù)衛(wèi)星采用透明轉(zhuǎn)發(fā)方式，因此技術(shù)成熟度最高；缺點(diǎn)是交換需要在地面進(jìn)行，會(huì)產(chǎn)生較大的延遲；完全星上處理和交換通常采用全數(shù)字化的方式，因而能夠降低延遲，提高通信效率；缺點(diǎn)是適應(yīng)性較差，技術(shù)難度較大，容易受到宇宙輻射的影響；部分星上處理和交換是二者的折中。

第三代移動(dòng)通信衛(wèi)星技術(shù)指標(biāo)

“天地通”衛(wèi)星

3 第四代靜止軌道移動(dòng)通信衛(wèi)星

第四代靜止軌道移動(dòng)通信衛(wèi)星部署于2008年前后，第四代的主要標(biāo)志是衛(wèi)星系統(tǒng)采用輔助地面組件技術(shù)為用戶提供天地融合的4G服務(wù)。其典型衛(wèi)星是2010年發(fā)射的“天地通”（Sk y Ter r a）衛(wèi)星、2009年發(fā)射的“地網(wǎng)星”（Ter r eStar）和2008年發(fā)射的DBSD－G1[原中圓軌道－G1（ICO－G1）]衛(wèi)星。輔助地面組件技術(shù)通過衛(wèi)星移動(dòng)通信的地面輔助基站，能夠解決衛(wèi)星信號(hào)在高樓林立的城市以及室內(nèi)覆蓋性不佳的問題，衛(wèi)星和大量輔助地面組件基站組合在一起可以很好地實(shí)現(xiàn)大區(qū)域無縫覆蓋，終端可以自動(dòng)地在輔助地面組件基站和衛(wèi)星之間進(jìn)行無縫切換。

大型可展開天線技術(shù)

第四代衛(wèi)星需要支持較小的移動(dòng)終端，因?yàn)槠毡椴捎昧舜笮涂烧归_天線。其中，地網(wǎng)星－1衛(wèi)星是世界上首顆能用地面網(wǎng)級(jí)的終端直接通信的衛(wèi)星。DBSD－G1、地網(wǎng)星－1和天地通－1衛(wèi)星均采用了由哈里斯公司研制的折疊肋式大型可展開網(wǎng)狀天線，天線口徑分別為12m、18m和22m。

基于地面的波束成形技術(shù)

針對(duì)第三代衛(wèi)星普遍采用的星上波束成形技術(shù)的不足，為了降低星上的復(fù)雜度，提高穩(wěn)定度，第四代衛(wèi)星普遍采用了地基波束成形技術(shù)?；诘孛娴牟ㄊ尚渭夹g(shù)是將數(shù)字波束成形技術(shù)與其他數(shù)字處理技術(shù)放到地面上進(jìn)行工作的方式。使用地基波束成形技術(shù)的衛(wèi)星，星上的有效載荷僅需要天線及相關(guān)的射頻網(wǎng)絡(luò)，所有的處理工作均交由地面信關(guān)站進(jìn)行處理，并且可以根據(jù)用戶需求，形成數(shù)目不同的、且各自獨(dú)立的頻段發(fā)射點(diǎn)波束和接收點(diǎn)波束，提供用戶實(shí)際需要，靈活地分配衛(wèi)星容量及帶寬；同時(shí)節(jié)省星上資源，增強(qiáng)衛(wèi)星的可靠性。

基于輔助地面組件的天地融合網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

第四代衛(wèi)星采用了基于輔助地面組件技術(shù)的天地融合的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，整個(gè)衛(wèi)星移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)由2個(gè)相對(duì)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成：天基網(wǎng)絡(luò)和輔助地面網(wǎng)絡(luò)。天基網(wǎng)絡(luò)由衛(wèi)星（1顆或2顆）和衛(wèi)星信關(guān)站組成。采用2顆衛(wèi)星的空間段設(shè)計(jì)主要是為了通過空間分集來增強(qiáng)鏈路能力，提高鏈路余量，減小終端尺寸，用戶可以選用與手機(jī)類似大小的終端。

系統(tǒng)的地面網(wǎng)絡(luò)由大量的輔助地面組件基站和基站控制中心構(gòu)成，該基站主要致力于為室內(nèi)或高樓林立處的手機(jī)用戶提供通信服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)控制中心負(fù)責(zé)對(duì)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和基站之間進(jìn)行實(shí)時(shí)協(xié)調(diào)控制，從而使終端在系統(tǒng)的控制下自動(dòng)地在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和地面網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行無縫切換。輔助地面組件基站并非衛(wèi)星信號(hào)的簡(jiǎn)單中繼器，而是用于構(gòu)成完整的輔助地面網(wǎng)絡(luò)，即使沒有衛(wèi)星，用戶在大量輔助地面組件基站覆蓋的服務(wù)區(qū)仍然能夠享受移動(dòng)通信服務(wù)。

4 技術(shù)進(jìn)步與市場(chǎng)需求共促衛(wèi)星移動(dòng)通信的發(fā)展

從國(guó)外衛(wèi)星移動(dòng)通信的發(fā)展來看，衛(wèi)星移動(dòng)通信的技術(shù)革新不是孤立存在的，與市場(chǎng)的發(fā)展有著巨大的聯(lián)系。

技術(shù)進(jìn)步帶動(dòng)了市場(chǎng)發(fā)展

衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)、衛(wèi)星和地面終端的技術(shù)進(jìn)步之所以對(duì)市場(chǎng)產(chǎn)生著根本性的影響，是因?yàn)榧夹g(shù)進(jìn)步可以催生新的業(yè)務(wù)，并且得到更加經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的新產(chǎn)品。

第四代移動(dòng)通信衛(wèi)星技術(shù)指標(biāo)

目前，許多靜止軌道移動(dòng)通信衛(wèi)星使用了超過20m口徑的天線，這大大增強(qiáng)了衛(wèi)星的性能，降低了用戶終端的尺寸。這使得用戶能夠享受到小型化的衛(wèi)星移動(dòng)終端（與地面移動(dòng)終端大小差不多）。許多新興的衛(wèi)星移動(dòng)業(yè)務(wù)采用了與地面無線通信標(biāo)準(zhǔn)非常類似的標(biāo)準(zhǔn)，只需要對(duì)現(xiàn)有地面終端的芯片和天線做出稍許調(diào)整即可實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星通信。未來，衛(wèi)星通信終端與地面通信終端的兼容性還將進(jìn)一步提高，運(yùn)營(yíng)商只需對(duì)地面通信終端的生產(chǎn)線進(jìn)行調(diào)整和修改就能生產(chǎn)衛(wèi)星通信終端，此舉大大增加了衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)進(jìn)軍地面無線通信市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力。

采用輔助地面組件技術(shù)的雙模手持終端，能夠使得用戶在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和地面網(wǎng)絡(luò)間隨時(shí)切換，在有地面網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地區(qū)使用地面網(wǎng)絡(luò)，在沒有地面網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地區(qū)使用衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，大大降低了用戶的使用成本，也同時(shí)吸引了地面移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商的關(guān)注。隨著技術(shù)的不斷成熟完善和規(guī)?；纳a(chǎn)與銷售，這種雙模終端的制造成本將會(huì)逐漸下降，直至普通用戶能夠接受的價(jià)格。此外，在發(fā)生自然災(zāi)害導(dǎo)致地面通信基礎(chǔ)設(shè)施毀壞和在沙漠、海洋等地面通信設(shè)施覆蓋不到的極限環(huán)境下，雙模終端也能發(fā)揮巨大的作用。

基于互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（IP）的手持設(shè)備也能夠提供下一代的應(yīng)用和服務(wù)，如移動(dòng)視頻、音頻和數(shù)據(jù)廣播功能。在這個(gè)方面，衛(wèi)星通信由于起步較晚，比地面移動(dòng)通信更具有優(yōu)勢(shì)。這是因?yàn)榈孛嬉苿?dòng)通信系統(tǒng)往往受限于現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)和標(biāo)準(zhǔn)。目前的衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)大多只能提供話音、窄帶數(shù)據(jù)、基本的視頻業(yè)務(wù)，但衛(wèi)星和地面站的技術(shù)進(jìn)步能夠使得衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商提供高速數(shù)據(jù)接入業(yè)務(wù)和高質(zhì)量視頻業(yè)務(wù)。

市場(chǎng)需求促進(jìn)了技術(shù)革新

另一方面，市場(chǎng)需求的發(fā)展進(jìn)一步促進(jìn)了技術(shù)革新。隨著用戶數(shù)量的增加和寬帶業(yè)務(wù)的發(fā)展，衛(wèi)星容量不足問題顯現(xiàn)出來，因此，衛(wèi)星采用了地面頻率復(fù)用和增加衛(wèi)星的波束數(shù)量來解決相關(guān)問題，這就要求衛(wèi)星具有干擾消除技術(shù)和靈活的路由策略，避免信號(hào)干擾。同時(shí)，移動(dòng)通信衛(wèi)星所采用的多達(dá)上百個(gè)的點(diǎn)波束對(duì)衛(wèi)星的功率和天線提出了很高的要求。因此，近年來發(fā)射的移動(dòng)通信衛(wèi)星多采用大功率的衛(wèi)星平臺(tái)和口徑在20m左右的大天線。

包括近些年流行起來的移動(dòng)視頻廣播在內(nèi)的帶寬密集型應(yīng)用，以及運(yùn)營(yíng)商為各類用戶、各個(gè)地域的用戶提供的靈活的服務(wù)，則要求衛(wèi)星具有靈活分配波束、功率和帶寬的能力，地基波束成形和星上數(shù)字波束成形技術(shù)很好地解決了這一問題，成為了未來星上載荷發(fā)展方向之一。

衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的技術(shù)進(jìn)步

先進(jìn)的衛(wèi)星技術(shù)大大提高了系統(tǒng)的服務(wù)

伴隨著市場(chǎng)的發(fā)展和地面無線通信的技術(shù)進(jìn)步，用戶對(duì)于衛(wèi)星移動(dòng)終端的移動(dòng)能力和成本提出了更高的要求，并且更加青睞于與地面移動(dòng)終端兼容的、能在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和地面網(wǎng)絡(luò)之間相互切換的雙模衛(wèi)星終端，這也對(duì)衛(wèi)星上使用的天線提出了很高的要求。

5 未來發(fā)展建議

與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)衛(wèi)星通信技術(shù)和設(shè)備還有較大差距。尚無自建的國(guó)內(nèi)商用的衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)，現(xiàn)使用的都是外商建設(shè)的衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)。一方面我國(guó)市場(chǎng)蘊(yùn)藏了巨大的發(fā)展需求；另一方面外商競(jìng)相進(jìn)入我國(guó)市場(chǎng)，企圖搶占和瓜分“擁有全球最多移動(dòng)用戶”的我國(guó)市場(chǎng)這塊“巨大蛋糕”。因此，我們應(yīng)該具有超前意識(shí)面對(duì)未來衛(wèi)星通信市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)，以便在新一輪衛(wèi)星通信市場(chǎng)中占得先機(jī)，謀求更大的發(fā)展空間。

靜止軌道衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)具有星體比較固定、信道條件比較好的優(yōu)點(diǎn)，采用3顆衛(wèi)星就能覆蓋除南北極以外的所有地區(qū)，具有技術(shù)成熟簡(jiǎn)單、投資相對(duì)較小、運(yùn)行維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，是我國(guó)在現(xiàn)階段發(fā)展衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的一種有效的解決方案。

（1）加強(qiáng)靜止軌道衛(wèi)星相關(guān)技術(shù)的研究，趕超國(guó)外先進(jìn)衛(wèi)星

與國(guó)外先進(jìn)靜止軌道移動(dòng)通信衛(wèi)星相比，我國(guó)通信衛(wèi)星與國(guó)外衛(wèi)星相比還有很大差距。為此，我們應(yīng)瞄準(zhǔn)國(guó)外先進(jìn)衛(wèi)星，“苦練內(nèi)功”，加緊研制高功率、大容量、長(zhǎng)壽命、高可靠的大型通信衛(wèi)星平臺(tái)；同時(shí)向數(shù)字化星上交換、星上處理、多波束覆蓋、地基波束成形，能夠動(dòng)態(tài)分配容量、功率和頻率的先進(jìn)有效載荷方向發(fā)展。

（2）國(guó)家應(yīng)給予相關(guān)政策、經(jīng)費(fèi)上的支持，促進(jìn)新一代東方紅－5衛(wèi)星平臺(tái)的立項(xiàng)與研制

移動(dòng)通信衛(wèi)星的發(fā)展趨勢(shì)是大天線、大功率，衛(wèi)星的有效載荷發(fā)射功率一般都在10k W以上，現(xiàn)有的東方紅－4衛(wèi)星平臺(tái)無法滿足未來移動(dòng)通信衛(wèi)星的應(yīng)用需要，因此迫切需要新型大功率平臺(tái)的盡快立項(xiàng)與研制。作為同時(shí)起步的平臺(tái)，歐洲政府在促進(jìn)“阿爾法平臺(tái)”（Alphabus）的發(fā)展中發(fā)揮了重要作用，其首發(fā)星將于2014年發(fā)射。因此，我國(guó)政府也應(yīng)給予相關(guān)政策、經(jīng)費(fèi)上的支持，盡快促進(jìn)東方紅－5平臺(tái)的立項(xiàng)與研制。

（3）抓緊發(fā)展戰(zhàn)略機(jī)遇期，挖掘國(guó)內(nèi)市場(chǎng)發(fā)展?jié)摿?/p>

當(dāng)前世界上擁有移動(dòng)通信衛(wèi)星的國(guó)家主要是美國(guó)、加拿大、阿聯(lián)酋、印度尼西亞等國(guó)。這些國(guó)家有著各自的特點(diǎn)：美、加等國(guó)地廣人稀；阿聯(lián)酋沙漠廣布；印度尼西亞是“千島之國(guó)”，而我國(guó)的情況與上述國(guó)家也有類似之處。我國(guó)地域廣闊、地形復(fù)雜，需求分散，企圖完全以地面網(wǎng)絡(luò)覆蓋全國(guó)是根本不現(xiàn)實(shí)的。隨著國(guó)家綜合實(shí)力的增強(qiáng)，釣魚島爭(zhēng)端、南海問題、未來的航母戰(zhàn)斗群之間的通信等矛盾逐漸突顯出來，對(duì)衛(wèi)星移動(dòng)的需求日益增加，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)蘊(yùn)藏了巨大的發(fā)展?jié)摿?。我們?yīng)抓緊發(fā)展的戰(zhàn)略機(jī)遇期，逐步培育市場(chǎng)基礎(chǔ)，釋放國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的巨大能量。

（4）創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)市場(chǎng)，通過創(chuàng)新性的技術(shù)進(jìn)步和市場(chǎng)開拓模式帶動(dòng)市場(chǎng)發(fā)展

從國(guó)外衛(wèi)星移動(dòng)通信40年的發(fā)展來看，市場(chǎng)的發(fā)展與衛(wèi)星移動(dòng)通信的技術(shù)革新有著巨大的聯(lián)系。在我國(guó)民用市場(chǎng)尚未成熟的情況下，應(yīng)不斷提高技術(shù)水平，一方面通過技術(shù)創(chuàng)新催生市場(chǎng)需求；另一方面通過創(chuàng)新性的市場(chǎng)發(fā)展道路尋求突破。比如，在現(xiàn)階段我國(guó)可以走軍用、民用、商用衛(wèi)星相結(jié)合的道路，以滿足戰(zhàn)時(shí)需求為主，兼顧平時(shí)通信需求，實(shí)現(xiàn)平戰(zhàn)結(jié)合，在滿足我國(guó)國(guó)土安全需要的基礎(chǔ)上培育民用市場(chǎng)。

（5）加強(qiáng)“天地融合”網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究，向小型化、雙?；挠脩艚K端發(fā)展

衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)是作為地面蜂窩系統(tǒng)的補(bǔ)充而存在的，主要用于覆蓋相鄰地面蜂窩網(wǎng)之間的“縫隙”，以及地面蜂窩網(wǎng)不能覆蓋的區(qū)域。因此衛(wèi)星通信系統(tǒng)必須與地面蜂窩通信系統(tǒng)緊密結(jié)合，而“天地融合”網(wǎng)絡(luò)和“雙?！苯K端正是這一定位下的必然產(chǎn)物，很難想象單純的衛(wèi)星通信模式的手持移動(dòng)終端還會(huì)有發(fā)展前途。因此，我國(guó)應(yīng)加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)融合和終端技術(shù)的研究，為我國(guó)未來研制“天地融合”系統(tǒng)打下基礎(chǔ)。