發(fā)展我國低軌衛(wèi)星通信星座系統(tǒng)的思考

李 毅 侯 睿 張更新 ( 軍事科學院系統(tǒng)工程研究院 解放軍理工大學)

衛(wèi)星通信是航天技術的重要應用領域，本文從介紹國外低軌衛(wèi)星通信星座系統(tǒng)發(fā)展概況入手，分析了發(fā)展我國低軌衛(wèi)星通信星座系統(tǒng)的必要性和面臨的一些問題，提出了發(fā)展我國低軌衛(wèi)星通信星座系統(tǒng)的設想。

1 國外低軌衛(wèi)星通信星座系統(tǒng)的發(fā)展概況

工作于低地球軌道（LEO）的通信衛(wèi)星由于采用各種部件小型化和輕型化的技術，具有質(zhì)量輕、研制周期短、成本低和易于發(fā)射等優(yōu)點，美、俄等國十分重視對此的應用研究。國外提出的方案很多，但至今真正發(fā)射組網(wǎng)并進行運營的只有三個：“銥”（Iridium）衛(wèi)星、“全球星”（Globalstar）和“軌道通信”（Orbcomm）系統(tǒng)。

經(jīng)過十多年的運營，這些LEO衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)均克服了運行初期遇到的困難，顯現(xiàn)出了獨特的優(yōu)勢。目前，上述三大系統(tǒng)均已經(jīng)啟動了其下一代計劃，其中，“全球星”系統(tǒng)已經(jīng)完成了24顆全球星-2衛(wèi)星的發(fā)射，“軌道通信”系統(tǒng)發(fā)射了18顆第二代“軌道通信”衛(wèi)星（Orbcomm OG2），“銥”衛(wèi)星系統(tǒng)也于2017年啟動了“下一代銥星”（Iridium NEXT）的發(fā)射，計劃在2018年完成新一代星座的部署。

此外，近些年國外還陸續(xù)提出了以一網(wǎng)公司（OneWeb）、美國太空探索技術公司（SpaceX）為代表的新一代低軌衛(wèi)星通信星座系統(tǒng)，其特點是星座中的衛(wèi)星數(shù)量更多、從提供窄帶移動業(yè)務轉(zhuǎn)向提供寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入服務。

三個典型LEO衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)概況

2 發(fā)展我國低軌衛(wèi)星通信星座系統(tǒng)的必要性分析

我國幅員遼闊，自然災害較多，經(jīng)濟發(fā)展迅速但不平衡，國際和國內(nèi)安全及治安形勢嚴峻。雖然電信業(yè)這些年得到飛速的發(fā)展，但受地理條件和經(jīng)濟因素的限制，目前地面通信網(wǎng)只覆蓋了國土面積的約15%，采用衛(wèi)星通信來解決對我國所有國土面積的覆蓋問題是一種較好的解決方案。

我國現(xiàn)有的通信系統(tǒng)對重大自然災害，如汶川、舟曲等地區(qū)的搶險救災缺乏有效保障手段，對遠海和高緯度地區(qū)沒有通信能力，針對全球范圍內(nèi)的維和維權、救援和科學考察、資源運輸?shù)然顒記]有我國主導的通信網(wǎng)絡，信息安全保密存在重大隱患，迫切需要建立我國自主可控的衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)。

LEO衛(wèi)星通信相對于傳統(tǒng)的GEO衛(wèi)星通信，具有軌道多樣化、衛(wèi)星生產(chǎn)批量化、終端小型化及頑存性強、通信時延短、頻率利用率高、通信容量大、能全球覆蓋的特點，是衛(wèi)星移動通信的重要手段。特別是目前，國際上對軌道、頻譜資源的爭奪日益白熱化，為占領太空制高點，迫切需要建立我國自主的全球天基信息系統(tǒng)，去爭取、維護我國的軌道和頻譜權益。一帶一路倡議的提出更是為低軌衛(wèi)星通信星座系統(tǒng)的發(fā)展注入了巨大的推動力。

GEO和LEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)在設計思想、技術手段、應用領域等方面有很大的不同，各有利弊，可以說分別代表了衛(wèi)星通信領域內(nèi)兩個不同的發(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，值得我們分別對其開展研究，而不是試圖通過重點研究某一方來削弱對另一方的研究。

經(jīng)過數(shù)十年的研究，我國在GEO衛(wèi)星通信技術方面已經(jīng)取得了很大的進展，正在縮小與國外先進水平的差距；反觀在LEO衛(wèi)星通信技術方面的研究，由于種種因素的限制，與國外先進水平的差距則沒有得到明顯縮小，甚至有擴大的趨勢。因此，加強LEO衛(wèi)星通信技術研究，盡早建立我國自主的低軌衛(wèi)星通信星座系統(tǒng)就顯得非常有必要。

3 發(fā)展我國低軌衛(wèi)星通信星座系統(tǒng)面臨的問題

系統(tǒng)定位問題

由于衛(wèi)星通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡單位造價和用戶終端價格都要比地面通信網(wǎng)貴，其業(yè)務難以被地面通信網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域內(nèi)的普通用戶所接受。因此，短期內(nèi)衛(wèi)星通信的市場定位應該是地面通信的延伸和補充，主要服務于地面通信網(wǎng)絡覆蓋不到的區(qū)域及有特殊通信需求的人群，以及滿足應急通信和軍事通信等特殊通信需求。因此，在系統(tǒng)建設的初始階段，大容量不應該是系統(tǒng)設計的主要目標，可用度才應該是系統(tǒng)追求的目標，從而解決我國衛(wèi)星通信長期以來存在的“平時不想用、急時不好用”的問題。隨著市場規(guī)模的增大，再逐步增加系統(tǒng)容量。

建設費用問題

系統(tǒng)建設和運行成本高是影響LEO系統(tǒng)建設的主要因素之一。第一代“銥”衛(wèi)星系統(tǒng)建設花費了57億美元，“全球星”系統(tǒng)建設花費了33億美元。雖然其第二代系統(tǒng)的建設費用均有所下降，但按照國外系統(tǒng)的建設經(jīng)驗，建立我國自主LEO系統(tǒng)的費用估計在200億元人民幣左右，而且由于我國LEO衛(wèi)星的壽命（5～8年）相對較短，過幾年就需要重新發(fā)射衛(wèi)星。因此，采用新技術、新方案，降低衛(wèi)星造價和發(fā)射費用，延長衛(wèi)星壽命是解決此問題的根本途徑。

關鍵技術問題

技術復雜是影響LEO系統(tǒng)建設的另一個主要因素，受星載器件能力所限，我國的LEO衛(wèi)星很可能不能如“銥”衛(wèi)星系統(tǒng)那樣完全基于星上處理和交換技術來設計系統(tǒng)，由于很難實現(xiàn)全球頻率協(xié)調(diào)，技術體制上要做到既不干擾別人，也不怕別人干擾，組網(wǎng)上要支持全球通信，但要避免如“全球星”系統(tǒng)那樣在全球設置固定信關站，開展更廣泛的關鍵技術攻關是解決此問題的出路。尚需解決的主要關鍵技術包括：

1）涉及整個系統(tǒng)的關鍵技術：星地一體化的優(yōu)化設計、移動性管理、網(wǎng)絡運行控制與管理、空中接口、電磁兼容、系統(tǒng)時間同步等技術；

2）涉及衛(wèi)星有效載荷的關鍵技術：多波束天線技術、高效功放技術、異軌星間通信技術、星上處理技術、支持高移動性的拓撲控制和路由選擇技術等；

3）在衛(wèi)星平臺方面，需要解決與標準化（能批量生產(chǎn)）、高功能密度、長壽命和廉價化有關的關鍵技術。

軍民融合問題

在潛在用戶空間不太大，并且已有多個國外系統(tǒng)競爭的狀態(tài)下，完全依靠企業(yè)自已投入一筆巨資去建設一個民用低軌衛(wèi)星通信星座系統(tǒng)，從經(jīng)濟上說是有風險的。因此，在目前的條件下，走軍民融合的發(fā)展道路是比較合理的。比如，初期投資以軍方為主、長期運行維護依靠商業(yè)服務所得來支撐是一個較好發(fā)展策略，國外的發(fā)展道路也證明了這一點。

軌道結(jié)合問題

隨著國家利益的全球化，迫切需要建設一個我國自主可控的常態(tài)化全球衛(wèi)星通信系統(tǒng)。但由于我國沒有境外GEO通信衛(wèi)星軌道位置，也不能在境外設置信關站，因此，建設LEO衛(wèi)星通信星座系統(tǒng)是解決我國全球通信問題的一種有效手段?？紤]到已有的和在建的衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要采用GEO衛(wèi)星，需要解決好GEO和LEO綜合應用的問題，逐步實現(xiàn)“區(qū)域覆蓋以GEO為主，全球服務以LEO為主”的全球信息傳輸服務。

頻率共用問題

由于GEO和LEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)同時存在，一方面，頻率資源極其有限，必須充分利用頻率復用技術以實現(xiàn)大的系統(tǒng)容量；另一方面，用戶必然希望能夠通過同一個終端同時實現(xiàn)對GEO和LEO衛(wèi)星的接入。因此，如果能夠在GEO和LEO衛(wèi)星之間實現(xiàn)頻率共用，對于解決頻率資源緊張、提高系統(tǒng)容量、便于終端雙模是非常有好處的。但由于GEO和LEO衛(wèi)星之間不規(guī)則的相對運動，導致這種頻率復用非常復雜，如不注意可能會造成非常嚴重的系統(tǒng)間干擾。因此，需要系統(tǒng)采用復雜的資源實時動態(tài)管控技術，才能實現(xiàn)GEO和LEO衛(wèi)星之間的頻率復用。

4 發(fā)展我國低軌衛(wèi)星通信星座系統(tǒng)的設想

這里提出一種綜合利用GEO和LEO衛(wèi)星的基本方案：把GEO和LEO衛(wèi)星綜合在同一個系統(tǒng)中，先由1顆或多顆GEO衛(wèi)星組成一個初期系統(tǒng)，隨著業(yè)務量的增大、技術的成熟，逐步增加LEO衛(wèi)星，最終達到由GEO衛(wèi)星和LEO衛(wèi)星共同組成一個空間段，向用戶提供統(tǒng)一的信息服務。達到的最終目標是一個網(wǎng)二種星(GEO衛(wèi)星和LEO衛(wèi)星)，通過這種結(jié)合，使它們互為補充和備份，從而提高整個衛(wèi)星通信系統(tǒng)的性能，也便于實施分階段建設的計劃。

GEO和LEO衛(wèi)星的結(jié)合可包括下列幾個方面：

1）覆蓋結(jié)合。GEO衛(wèi)星系統(tǒng)主要覆蓋我國領土及附近海域(稱為主服務區(qū))，而LEO衛(wèi)星系統(tǒng)可覆蓋全球主要區(qū)域(開始階段可以用少量幾顆衛(wèi)星構成對全球主要地區(qū)的間斷覆蓋)，兩者對主服務區(qū)構成雙重覆蓋。在主服務區(qū)內(nèi)，GEO衛(wèi)星系統(tǒng)主要解決中低緯度地區(qū)的通信，高緯度地區(qū)的通信主要由LEO衛(wèi)星系統(tǒng)承擔。

2）業(yè)務結(jié)合。由于GEO衛(wèi)星系統(tǒng)在提供廣播業(yè)務和寬帶業(yè)務方面有優(yōu)勢，而LEO衛(wèi)星系統(tǒng)在提供手持機式的窄帶業(yè)務方面有優(yōu)勢，通過結(jié)合，在一個大系統(tǒng)中可以同時提供廣播業(yè)務、寬帶業(yè)務和窄帶業(yè)務。

3）資源結(jié)合。兩個系統(tǒng)的信道資源可以統(tǒng)一管理，互為備份和迂回。同時根據(jù)各自特點，把GEO衛(wèi)星的資源主要分配給寬帶業(yè)務、廣播業(yè)務及車(機、船)載站等非手持機式移動業(yè)務，把LEO衛(wèi)星的資源主要分配給手持機式的移動業(yè)務。

4）鏈路結(jié)合。由于系統(tǒng)在主服務區(qū)外很難建立信關站，當LEO衛(wèi)星運行到不能與主服務區(qū)內(nèi)的地面信關站直接進行通信的軌道弧段時，為了利用這些衛(wèi)星向處在當?shù)氐挠脩籼峁┩ㄐ欧?，就必須要采用星間鏈路。此星間鏈路可以是在LEO衛(wèi)星之間，也可以是在LEO衛(wèi)星與GEO衛(wèi)星之間。由于GEO衛(wèi)星位置固定，后一種星間鏈路實現(xiàn)相對簡單。在此條件下，GEO衛(wèi)星作為LEO衛(wèi)星的中繼節(jié)點，如果能在我國領土兩側(cè)放置2顆此類衛(wèi)星，就可以利用LEO系統(tǒng)建立一個覆蓋全球主要地區(qū)的通信系統(tǒng)。

5 結(jié)束語

采用LEO通信小衛(wèi)星作為傳統(tǒng)GEO通信衛(wèi)星之外的一種新選擇，能夠有助于解決我國衛(wèi)星通信能力不能很好滿足國民經(jīng)濟發(fā)展和國防建設需要的問題。從技術上講，LEO小衛(wèi)星通信技術是有別于傳統(tǒng)GEO衛(wèi)星通信技術的一種新技術，面對國外投入巨資大力發(fā)展的情況，迫切需要國家加大投入力度，開展關鍵技術攻關和系統(tǒng)演示驗證，以逐步縮小與國際先進水平的差距。從經(jīng)濟上來說，隨著國家利益的拓展、國家經(jīng)濟實力的提升和技術的進步，這種新的解決手段能夠以適當?shù)拇鷥r滿足我國未來對全球衛(wèi)星移動通信的迫切需要。