我國高低軌衛(wèi)星移動通信發(fā)展定位思考

呂子平，張更新，梁 鵬，盧 敏

（1.中國電信集團(tuán)衛(wèi)星通信有限公司，北京 100191；2.中國人民解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院，南京 210007）

我國高低軌衛(wèi)星移動通信發(fā)展定位思考

呂子平1，張更新2，梁 鵬1，盧 敏1

（1.中國電信集團(tuán)衛(wèi)星通信有限公司，北京 100191；2.中國人民解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院，南京 210007）

本文通過對GEO和LEO兩類衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)在技術(shù)特點(diǎn)、業(yè)務(wù)能力及發(fā)展趨勢等方面的綜合分析比較，認(rèn)為在我國未來的衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)發(fā)展中，二者都是不可或缺的，當(dāng)以定位用戶切實需求，優(yōu)勢互補(bǔ)、協(xié)同發(fā)展。

衛(wèi)星移動通信；GEO；LEO；發(fā)展定位

1　引言

衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)（MSS）是指利用通信衛(wèi)星實現(xiàn)為手持移動用戶之間或手持移動用戶與固定用戶之間，提供區(qū)域或全球范圍的話音、數(shù)據(jù)、短信等服務(wù)的通信系統(tǒng)。

2　高低軌衛(wèi)星移動通信發(fā)展現(xiàn)狀

根據(jù)衛(wèi)星運(yùn)行軌道類型，目前國際上的衛(wèi)星移動通信可以分為：地球同步軌道（GEO）衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)和低軌（LEO）衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)。

2.1 高軌衛(wèi)星移動通信發(fā)展

GEO移動通信衛(wèi)星是最早研制的移動通信衛(wèi)星，由于運(yùn)行在地球同步軌道，GEO系統(tǒng)單星覆蓋范圍大、星體相對固定，只要3顆衛(wèi)星就可實現(xiàn)除南北極之外的全球覆蓋。目前，GEO系統(tǒng)的典型代表包括海事-4（Inmarsat-4）系統(tǒng)、舒亞拉（Thuraya）系統(tǒng)。Inmarsat-4系統(tǒng)共有4顆在軌衛(wèi)星（含1顆備份星），可覆蓋除南北極外的全球所有地區(qū)，其推出的BGAN（寬帶全球區(qū)域網(wǎng)）業(yè)務(wù)可以在全球范圍同時提供語音和寬帶數(shù)據(jù)服務(wù)，共享IP數(shù)據(jù)最高速率可達(dá)492kb/s；Thuraya系統(tǒng)則是由中東阿聯(lián)酋建立的一個區(qū)域性移動通信系統(tǒng)，共發(fā)射了3顆衛(wèi)星，覆蓋范圍包括歐洲、中東、亞太、北非等地區(qū)，其多模手持終端可同時兼容衛(wèi)星、GSM和GPS業(yè)務(wù)，不但可提供9.6kb/s的衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸，還可提供達(dá)60kb/s的地面移動數(shù)據(jù)包業(yè)務(wù)（GMPRS）。

隨著業(yè)務(wù)需求和科技水平的不斷提高，GEO系統(tǒng)也在發(fā)展升級，主要表現(xiàn)有：

（1）在加強(qiáng)通信能力方面，從最開始采用容量較小的全球波束；然后采用區(qū)域波束，并通過頻率復(fù)用技術(shù)來擴(kuò)大容量；再到如今采用多波束成形技術(shù)可實現(xiàn)上百個點(diǎn)波束。并且為更好地支持手持移動終端，GEO衛(wèi)星必須克服其由于長傳輸距離造成的強(qiáng)信道衰落問題，也就對其功率和天線提出更高要求。近年來發(fā)射的GEO移動通信衛(wèi)星都采用了超過10kW的大功率衛(wèi)星平臺和口徑約20m的大型可展開天線。

（2）在改善業(yè)務(wù)靈活性方面，星上處理和交換、數(shù)字化多波束成形等技術(shù)，可根據(jù)用戶需求靈活分配衛(wèi)星波束、功率和帶寬，實現(xiàn)了對系統(tǒng)資源的高效利用。此外，與地面移動通信融合也是未來發(fā)展的主要趨勢，新一代GEO系統(tǒng)采用的輔助地面組件（ATC）技術(shù)，通過采用與地面系統(tǒng)一致的工作頻段和空中接口，實現(xiàn)用戶終端可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)覆蓋狀況，自動地在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和地面網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行無縫切換。

2.2 低軌衛(wèi)星移動通信發(fā)展

與GEO衛(wèi)星不同，LEO衛(wèi)星單星覆蓋面積較小，且相對地面在高速移動中，因此LEO系統(tǒng)的空間段需要在若干個軌道面布置十幾到幾十顆衛(wèi)星，并通過星間或星地鏈路構(gòu)成星座方式，才能實現(xiàn)全球覆蓋的連續(xù)通信。目前，國際上成功運(yùn)營過的LEO系統(tǒng)包括：美國銥星（Iridium）系統(tǒng)、全球星（Globalstar）系統(tǒng)和美國軌道通信（Orbcomm）系統(tǒng)。前二者的工作頻率在1GHz以上，主要提供話音通信和中低速率的數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)；Orbcomm系統(tǒng)工作頻率在1GHz以下，主要提供低成本、低速率的Email、雙向?qū)ず艉蛡髡娴日瓗?shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)。由于市場定位和商業(yè)運(yùn)營等一些原因，以上三大LEO系統(tǒng)在上世紀(jì)都?xì)v經(jīng)了一段時期的沒落，目前，這些系統(tǒng)都通過部署和啟動下一代移動通信衛(wèi)星計劃“強(qiáng)勢回歸”。其中，全球星系統(tǒng)完成24顆Globalstar-2衛(wèi)星的發(fā)射，軌道通信系統(tǒng)完成18顆OG-2衛(wèi)星的發(fā)射，銥星系統(tǒng)也計劃在2016年開始Iridium-NEXT衛(wèi)星的發(fā)射。相比于第一代，第二代的LEO系統(tǒng)無論是傳輸速率還是系統(tǒng)容量都有大幅度提升，呈現(xiàn)出寬窄帶應(yīng)用結(jié)合的特點(diǎn)。例如，銥星系統(tǒng)在原有窄帶語言的移動數(shù)據(jù)速率由一代最高128kb/s發(fā)展到二代最高可達(dá)1.5Mb/s，同時還將提供最高達(dá)8Mb/s的Ka頻段寬帶業(yè)務(wù)。

此外，多功能融合也成為LEO系統(tǒng)的發(fā)展趨勢之一。在原有話音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)基礎(chǔ)上，LEO系統(tǒng)都在積極拓展新的業(yè)務(wù)功能，包括第二代銥星系統(tǒng)計劃搭載可將GPS定位精度提高至厘米級的iGPS有效載荷，以及面向航空通信和監(jiān)測業(yè)務(wù)的ADS-B載荷；第二代軌道衛(wèi)星則通過增加AIS載荷，提供海上資產(chǎn)的跟蹤和管理業(yè)務(wù)。

3　高低軌衛(wèi)星移動通信分析

從上述介紹來看，GEO系統(tǒng)和LEO系統(tǒng)在技術(shù)上各具特點(diǎn)，各自的業(yè)務(wù)方向也不盡相同。首先，從技術(shù)來看，GEO衛(wèi)星具有的星體相對固定、單星覆蓋范圍廣、單星信道數(shù)量多等優(yōu)勢，使得它成為全球大多數(shù)衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的首選。但同時，這類衛(wèi)星也存在著制約系統(tǒng)性能和服務(wù)質(zhì)量的不利因素，包括存在兩極通信盲區(qū)、特定地形通信困難、系統(tǒng)頑存性弱、傳輸時延長等。而LEO系統(tǒng)在這些方面正好與GEO系統(tǒng)互為補(bǔ)充：由多顆衛(wèi)星組成的LEO星座可以實現(xiàn)真正意義上的全球無縫覆蓋，并保證在高緯度和高山峽谷等復(fù)雜地形區(qū)域下通信不間斷；同時，若部分節(jié)點(diǎn)損壞，系統(tǒng)整體不失效，仍具備全球通信能力；此外，LEO系統(tǒng)的時效性更佳，有利于信息的及時可靠傳輸。因此，LEO衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的建設(shè)是不可或缺的。

從業(yè)務(wù)來看，表1給出了2013～2015近三年排名前五的衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的年報收入情況，以及SIA給出的全球衛(wèi)星移動通信收入情況［4］。

表1　衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的年報收入和全球衛(wèi)星移動通信收入

進(jìn)一步結(jié)合各家的具體收入情況，可得到以下分析：

（1）GEO系統(tǒng)和LEO系統(tǒng)的并存發(fā)展趨勢。盡管表1的數(shù)據(jù)顯示以Iridium為代表的LEO系統(tǒng)總體比以Inmarsat為代表的GEO系統(tǒng)運(yùn)營狀況差，其主要原因是Inmarsat較早占領(lǐng)的海上市場保持平穩(wěn)增長，每年為其貢獻(xiàn)超過50%的收入。但就目前發(fā)展來看，新一代LEO系統(tǒng)正在利用其全球無縫覆蓋的優(yōu)勢積極拓展海上業(yè)務(wù)；此外，還在飛越北極航線的航空器監(jiān)視和通信方面，對GEO系統(tǒng)發(fā)起了強(qiáng)有力的挑戰(zhàn)。

（2）以M2M業(yè)務(wù)為主的Orbcomm收入近年來呈快速增長。隨著“物聯(lián)網(wǎng)”概念的興起，M2M被認(rèn)為是其四大關(guān)鍵支撐技術(shù)之一，基于M2M的應(yīng)用市場正在全球范圍快速增長。利用衛(wèi)星通信的廣域覆蓋性和自主靈活性，若與多種具有感知、信息采集功能的地面物聯(lián)終端有機(jī)結(jié)合，可形成空天地一體化的信息獲取與傳輸系統(tǒng)，將在遠(yuǎn)程設(shè)備監(jiān)控、實時資產(chǎn)管理、工業(yè)自動化等方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。

（3）目前，主要的幾家衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)在全球衛(wèi)星移動通信總收入中的占比較低，大約只有一半。隨著技術(shù)水平的不斷提高，新興的一批衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)發(fā)展迅速，少數(shù)幾家老牌公司或組織并不能完全壟斷和把持市場，衛(wèi)星移動通信未來還有巨大的發(fā)展空間和潛力。

4　我國高低軌衛(wèi)星移動通信發(fā)展定位

經(jīng)過數(shù)十年發(fā)展，我國衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)已經(jīng)取得長足進(jìn)步，在軌衛(wèi)星數(shù)已成為全球第二。隨著我國國際地位的不斷提升，軍隊信息化建設(shè)和各行業(yè)信息化建設(shè)的速度日益加快，對外交流和國際貿(mào)易等活動的逐漸廣泛，衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)承擔(dān)著國家信息化建設(shè)高速發(fā)展中越來越重要的支柱角色。但就目前來看，主要優(yōu)勢集中在衛(wèi)星遙感和衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域，而在應(yīng)用空間最大的衛(wèi)星通信領(lǐng)域嚴(yán)重滯后。截至2013年年底，中國1.53萬家境內(nèi)投資者在境外設(shè)立2.54萬家直接對外企業(yè)，分布在184個國家（地區(qū)），對外直接投資累計凈額超過6，600億美元，各類外派勞務(wù)人員超過70萬人。通過對我國國民經(jīng)濟(jì)18個主要應(yīng)用行業(yè)的調(diào)研和統(tǒng)計分析，預(yù)計我國未來衛(wèi)星移動通信覆蓋范圍需求將從國土擴(kuò)展至全球，潛在用戶數(shù)量達(dá)到300萬，公眾用戶產(chǎn)品年市場容量110億元。為保障我國海外人員的生命財產(chǎn)安全、國家全球化的經(jīng)濟(jì)利益，建設(shè)我國自主可控、全球覆蓋的衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)既是迫切需要，也是必然選擇。

另一方面，我國幅員遼闊、地形復(fù)雜、氣候多變、自然災(zāi)害高發(fā)，如“98”抗洪、“512”汶川大地震等均暴露出單純地面通信系統(tǒng)的脆弱性，衛(wèi)星移動通信在搶險、救災(zāi)和應(yīng)急通信中有著不可替代性。同時，目前我國的地面移動通信網(wǎng)僅能覆蓋15%的國土面積，許多落后邊遠(yuǎn)地區(qū)的地面基礎(chǔ)通信仍然缺失，若采用傳統(tǒng)地面通信方式覆蓋面積巨大的偏遠(yuǎn)地區(qū)及領(lǐng)海，經(jīng)濟(jì)壓力巨大。針對這些地面通信系統(tǒng)的“短板”，在統(tǒng)籌規(guī)劃建設(shè)我國的自主衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)時，需要同時考慮以我國及周邊地區(qū)作為高容量熱點(diǎn)區(qū)域，這不僅是我國新時期國家戰(zhàn)略的客觀要求、經(jīng)濟(jì)社會建設(shè)協(xié)調(diào)發(fā)展的必然趨勢，也是有效解決我國邊遠(yuǎn)地區(qū)通信、有效應(yīng)對各類自然災(zāi)害威脅和彰顯負(fù)責(zé)任大國形象的需要。

而由于GEO衛(wèi)星和LEO衛(wèi)星在設(shè)計思想、技術(shù)手段、應(yīng)用領(lǐng)域等方面都存在明顯區(qū)別，分別代表了衛(wèi)星移動通信領(lǐng)域內(nèi)兩種不同的發(fā)展方向，各有其優(yōu)勢和不足，任何一方都不可能完全代替另一方。因此，LEO衛(wèi)星系統(tǒng)和GEO衛(wèi)星系統(tǒng)作為互為補(bǔ)充的關(guān)系，應(yīng)當(dāng)要協(xié)調(diào)發(fā)展。

由于GEO系統(tǒng)單星即可提供服務(wù)，可考慮先以我國及周邊地區(qū)為主要覆蓋范圍，逐步向全球中低緯度覆蓋的發(fā)展思路。而LEO衛(wèi)星系統(tǒng)即可作為其補(bǔ)充，提供全球范圍無縫覆蓋的通信保障，尤其是高緯度地區(qū)和高山峽谷等特殊區(qū)域。此外，LEO系統(tǒng)還應(yīng)發(fā)揮其在航空、航海通信與監(jiān)視等方面的優(yōu)勢，提供在全球范圍的實時ADS-B和AIS應(yīng)用服務(wù)。在未來衛(wèi)星移動通信發(fā)展中，可以考慮以LEO系統(tǒng)發(fā)展寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入能力，除我國及周邊熱點(diǎn)區(qū)域外，應(yīng)滿足可全球動態(tài)調(diào)配，實現(xiàn)為突發(fā)事件應(yīng)急區(qū)域的用戶提供寬帶通信服務(wù)；GEO衛(wèi)星系統(tǒng)則服務(wù)于普通區(qū)域，吸收更大用戶容量。

5　結(jié)束語

在衛(wèi)星通信迅速發(fā)展的形勢下，衛(wèi)星移動通信是實現(xiàn)未來無所不在的個人通信的必要手段之一，其中需要包括高軌和低軌衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的同步發(fā)展。衛(wèi)星移動通信在我國尚有巨大的潛在市場，當(dāng)以實現(xiàn)衛(wèi)星通信的高費(fèi)效比，開展移動通信、寬帶接入、航海航空通信和管理等多種業(yè)務(wù)，努力發(fā)展符合我國國情、著力用戶實際需求的衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)。

［1］ 龐之浩．今日移動通信衛(wèi)星發(fā)展．?dāng)?shù)字通信世界，2015（03）：63-69

［2］ 劉思楊．衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢．現(xiàn)代電信科技，2014（7）：23-28

［3］ 呂子平，梁鵬，陳正君，韓淼．衛(wèi)星移動通信發(fā)展現(xiàn)狀及展望．衛(wèi)星應(yīng)用，2016（1）：48-55

［4］ http：//www.sia.org/state-of-the-satellite-industry-report/.

［5］ 張更新，甘仲民，牛鑫．論高低軌道在我國未來衛(wèi)星通信中的應(yīng)用．?dāng)?shù)字通信世界，2006（10）：56-59

［6］ 沈永言．全球空間信息基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展態(tài)勢與我國衛(wèi)星通信的發(fā)展思路．第十二屆衛(wèi)星通信學(xué)術(shù)年會論文集，2016：31-38

The Development and Orientation of China's GEO and LEO Mobile Satellite Communications

Lv Ziping1， Zhang Gengxin2， Liang Peng1， Lu Ming1
（1.China Telecom Satellite Communications Limited， Beijing， 100191；2. PLA University of Science and Technology， Nanjing， 210007）

The GEO system and the LEO system， to be the two major arms of MSS， are advancing together while giving full play to their favorable conditions. This paper makes a comprehensive analysis of the two systems by comparing their technical characteristics， service capabilities and development trends. It is believed that both of the GEO system and the LEO system will be the indispensable parts of our coming mobile satellite system and should develop complementarily and synergistically to target the practical user requirements.

mobile satellite communication； GEO； LEO； development and orientation

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2016.07.011

TN927+.23 文獻(xiàn)標(biāo)示碼：A

1672-7274（2016）07-0026-03