下一代銥系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀與分析

苗 青，蔣照菁，王 闖

（1.中國人民解放軍78167 部隊，成都 610000；2.國防科技大學，長沙 410000；3.陸軍工程大學，南京 210007）

1 發(fā)展概述

銥（Iridium）系統(tǒng)概念提出于20 世紀80 年代末，1991 年摩托羅拉公司正式決定建設該網(wǎng)絡，1998年完成整個項目的建設，可實現(xiàn)全球無縫覆蓋，系統(tǒng)總耗資57億美元，歷經17個月的運營后，由于收入遠不如預期，于2000年3月正式宣布破產。2000年12月銥系統(tǒng)得到美國國防部防務信息系統(tǒng)局簽發(fā)的7200萬美元合同，于2001年3月28日完成重組，又重新開始運營業(yè)務。銥系統(tǒng)的業(yè)務增長是當時所有的衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)中最快的，2002年至2007年達到年均31%的增長率，市場份額為26%，僅次于Inmarsat 衛(wèi)星通信系統(tǒng)。通過拓展科學探測等新型應用領域，2004年銥系統(tǒng)開始盈利。

隨著全球業(yè)務量的不斷增加，第一代銥系統(tǒng)由于壽命將至已經不能繼續(xù)完成全球覆蓋，為實現(xiàn)對新興市場的進一步占領，2007年2月，下一代銥系統(tǒng)計劃啟動，即Iridium Next，其總投資預期為29億美元。Iridium Next 是在銥系統(tǒng)的基礎上進行建設的第二代系統(tǒng)，其主要目標是：提高數(shù)據(jù)傳輸速率，提供更好的話音質量，支持頻帶的靈活分配，采用端到端的IP 技術，以及提供更強的業(yè)務和設備。同時，Iridium Next 繼續(xù)保持目前66顆衛(wèi)星互聯(lián)的低軌道星座架構和全球覆蓋，并保證與第一代銥系統(tǒng)的手持終端、設備和應用具有后向兼容性。此外，Iridium Next首次提出了搭載載荷（Hosted Payload）服務。

按照最初計劃，Iridium Next 系統(tǒng)要從2007 年動工進行規(guī)劃設計，在2012年完成對其他有效載荷的招標和優(yōu)化裝配，在2015年至2017年之間完成衛(wèi)星的發(fā)射入軌。但由于克里米亞問題而暫時擱置了衛(wèi)星的發(fā)射，而后將首批星的發(fā)射任務轉由太空探索技術公司（SpaceX）完成，延期至2016年7月發(fā)射。在此過程中，由于衛(wèi)星又出現(xiàn)載荷軟件方面的原因而將發(fā)射計劃推遲至2016年10月。同年9月，SpaceX 公司的獵鷹9運載火箭在進行阿莫斯－6衛(wèi)星發(fā)射準備時，試驗出現(xiàn)異常，火箭發(fā)生爆炸，星箭俱毀，直接影響了衛(wèi)星產業(yè)界對獵鷹－9火箭的信心。導致一直推遲到2017年1月14日才開始發(fā)射第一批10顆Iridium Next 衛(wèi)星。隨著2019年1月11日SpaceX 公司的獵鷹9號火箭從范登堡空軍基地發(fā)射升空，最后10顆衛(wèi)星進入了軌道位置，總共發(fā)射了75顆Iridium Next 衛(wèi)星，至此，完成了Iridium Next 衛(wèi)星的發(fā)射，具備了Iridium Next 系統(tǒng)的完全操作能力，能夠完全取代第一代銥系統(tǒng)。

相較于第一代銥系統(tǒng)，Iridium Next 系統(tǒng)的造價降低了將近一半，傳輸速度有數(shù)百倍的提高，其手持終端支持的數(shù)據(jù)業(yè)務將從現(xiàn)有的2.4kb/s 增加到最高1.5Mb/s，部分大型固定終端可達到8Mb/s。相應的通信資費也會有較大下降，第一代銥系統(tǒng)每分鐘通話費在1997年為5美元、在下一代銥系統(tǒng)建成之后下降為25美分每分鐘。此外，Iridium Next 與第一代相比另一個不同點在于，每顆銥星上都額外搭載了50千克的其他載荷，以實現(xiàn)通信以外的既定需求。

2 系統(tǒng)組成

Iridium Next 系統(tǒng)是由81顆衛(wèi)星構成的低軌移動通信衛(wèi)星星座，包括66顆工作星，9顆在軌備份星和6顆地面?zhèn)浞菪恰Ｅc第一代銥系統(tǒng)一樣，Iridium Next 的衛(wèi)星軌道高度為780km，傾角為86.4°，衛(wèi)星分布在6個軌道面上，每個軌道面上均勻分布著11顆星。其中軌道1和6是反向軌道，間距22°，其余軌道為同向軌道，間距31.6°。

衛(wèi)星采用泰雷茲-阿萊尼亞航天公司新一代中低軌衛(wèi)星公用平臺ELiTe Bus-1000，采用三軸穩(wěn)定方式，收攏尺寸3.1m×2.4m×1.5m，展開后太陽能電池翼展9.4m，發(fā)射質量860kg，發(fā)電功率2200W，設計壽命12.5年，任務壽命可達15年。

圖1 Iridium Next衛(wèi)星天線配置示意圖

在通信有效載荷方面，Iridium Next 衛(wèi)星與第一代衛(wèi)星基本相同，但是各方面性能均有所提升。衛(wèi)星上搭載再生型處理轉發(fā)器，與第一代衛(wèi)星采用三副天線產生用戶波束不同，第二代衛(wèi)星配備一副L 頻段相控陣天線，可產生48個口徑為400km 的點波束，采用時分雙工（TDD）體制來分別進行收發(fā)，如圖1所示。Ka 頻段的天線主要用于星地饋電鏈路，上行30GHz、下行20GHz。此外，第二代衛(wèi)星同樣具備Ka 頻段星間鏈路，采用23GHz 頻段，2副可控、2副固定天線，同樣采用時分雙工體制。測控鏈路為Ka 頻段，通過全向天線來實現(xiàn)。

3 業(yè)務應用

Iridium Next 是在銥系統(tǒng)的基礎上進行建設的第二代系統(tǒng)，能提高數(shù)據(jù)傳輸速率，提供更好的話音質量，支持頻帶的靈活分配，采用端到端的IP 技術，從而提供了更強的業(yè)務能力。Iridium Next 與一代系統(tǒng)使用的手持終端、設備和應用保持后向兼容性。銥星公司在Iridium Next 系統(tǒng)的基礎上推出了Iridium Certus 服務，可提供的L 波段業(yè)務包括從22kb/s 至1408kb/s 的不同速率業(yè)務，可為不同的需求提供服務，從業(yè)務種類來看，又可分為海事業(yè)務、航空業(yè)務、陸地移動業(yè)務、政府企業(yè)業(yè)務以及物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務等。除此之外，其官方提出可通過調度饋電鏈路為大型的固定站終端提供Ka 頻段的最高8Mb/s 的傳輸速率。Iridium Certus 將為銥星物聯(lián)網(wǎng)提供一個新型的強大的平臺，以更高速率、更小尺寸的收發(fā)器、更寬的帶寬以及對現(xiàn)有數(shù)據(jù)服務的持續(xù)支持為全球的資產跟蹤、流量管理、遠程監(jiān)控、指揮和控制以及其他智能數(shù)據(jù)應用開辟新的方法。

4 搭載載荷（Hosted Payload）

銥星公司是2011年搭載載荷聯(lián)盟（Hosted Payloads Alliance）的創(chuàng)始人，出任了第一任董事長，并將組織發(fā)展壯大，現(xiàn)在已經有17個行業(yè)領先的公司成為其成員。

相較于以前的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，Iridium Next 系統(tǒng)是第一個搭載其他有效載荷（Hosted Payload）的商業(yè)系統(tǒng)。作為有效載荷搭載聯(lián)盟的重要成員，銥星公司利用星座的全球無縫覆蓋及星間鏈路的傳輸能力，策劃了多個有效載荷搭載方案。Iridium Next 搭載載荷空間較大，可支持總質量達50kg 的有效載荷、安裝空間為40cm×70cm×30cm，提供平均90W、峰值200W 的功率，數(shù)據(jù)速率最高可達1Mb/s。目前已經確定搭載的載荷包括：Aireon 公司的廣播式自動相關監(jiān)視（Automatic Dependent Surveillance Broadcast，ADS-B），提供航空交通管制服務；Harris 和exactEarth 公司的全球船舶自動識別系統(tǒng)AIS（Automatic Identification System），為全球的船只提供定位跟蹤服務；以及用來觀測全球氣象水文的GEOScan（Group on Earth Observations Scan）。不同業(yè)務的數(shù)據(jù)和傳感器遙測和指控數(shù)據(jù)可以通過Ka 頻段的星間鏈路、星地之間的饋電鏈路傳送到地面。不過，在極端緊急情況下，Iridium Next 系統(tǒng)會關閉搭載載荷，以維護整個銥星衛(wèi)星的正常運轉。

相對于以前單獨的某顆氣象或監(jiān)測衛(wèi)星，在銥星上搭載載荷可以有以下優(yōu)點：一是前所未有的空間和時間覆蓋：66顆互聯(lián)衛(wèi)星可以實現(xiàn)全球覆蓋；二是低延遲：搭載載荷的數(shù)據(jù)可以以很低的時延傳輸?shù)降孛婊蛱幚碇行?；三是用戶控制：通過銥星的設備或其他信關站實現(xiàn)數(shù)據(jù)的收集和載荷的無縫訪問；四是成本效益：只需要一個專門系統(tǒng)的一部分成本即可；五是獨一性：在未來幾十年很難會有類似的系統(tǒng)。

在多載荷的裝載集成中提出了SensorPod 的思想，即一個虛擬容器（機箱），里面包括多個部分，用于裝載多個小型的有效載荷。SensorPod 可以根據(jù)不同的需求進行布置，以支持許多不同的客戶需求。SensorPod 也可以根據(jù)具體情況進行擴展，以適應特定的客戶有效載荷需求。搭載載荷包括主要的靠近地球側的傳感器以及次要的傳感器?？蛻艨梢愿鶕?jù)需要使用一個或多個有效載荷填充每個SensorPod，只要它們保持在傳感器總體積、質量、功率和通信能力配額之內。所有有效載荷由一個電源通過外部線束提供和調節(jié)電力和通信能力。

（1）GEOScan（Group on Earth Observations Scan）。2011年3月27日至30日，在美國馬薩諸塞州安納波利斯舉行了GEOScan規(guī)劃研討會。GEOScan 的主要思路為66個Iridium Next 衛(wèi)星上的System Science 傳感器和Hosted Sensor 套件，將其集成在14厘米×20厘米×20厘米大小的標準SensorPod 里，其質量為5千克。

GEOScan 是安裝在Iridium-Next 衛(wèi)星上的輕型傳感器套件，可通過各種傳感器獲取環(huán)境監(jiān)測和氣候科學數(shù)據(jù)。該項目通過利用銥星提供的機會，部署了一系列的全球傳感器來獲得數(shù)據(jù)，從而對地球和空間科學方面做出了巨大貢獻。GEOScan 可利用Iridium-Next 星座的全球無縫覆蓋特性，進行大規(guī)模密集的全球地球科學觀測，從而解決需要全球多點同時觀測的問題。

GEOScan 的具體目標是在全球的角度上測量地球瞬時向外的輻射量，從而探究其與云、沙塵暴和火山活動等快速變化自然現(xiàn)象之間的關系，以及他們對于氣候的長期影響。GEOS 可以在恰當?shù)臅r間和空間分辨率下測量全球質量通量的變化，以揭示地球水循環(huán)、冰凍圈和氣候的變化趨勢?？臻g環(huán)境傳感器負責測量地球的輻射帶和等離子體環(huán)境，具有前所未有的覆蓋范圍，為推動空間天氣現(xiàn)象的大規(guī)模全球重新配置過程提供新的見解。

（2）AIS（船舶自動識別系統(tǒng)）。Harris 和exactEarth

公司已經形成了一個戰(zhàn)略聯(lián)盟，提供新的先進的數(shù)據(jù)服務，將有助于更快、更準確地跟蹤海運船舶。AIS 服務將首次提供不間斷的實時全球覆蓋，使客戶能夠可靠地跟蹤世界各地船只的位置，這有助于提高效率、可靠性和安全性。AIS 用于海上船只發(fā)送和接收VHF 頻段信息，包含標識、位置、航向和速度，以便監(jiān)測船舶運動和避免碰撞以及在緊急情況下進行警報。這些信號可以通過船與船或者船與岸之間傳輸，以便對局部區(qū)域進行監(jiān)測，部署天基的AIS 載荷可以對地面站進行廣泛覆蓋和數(shù)據(jù)傳輸，以監(jiān)測大片海域。

在Iridium-Next 上部署的AIS 載荷將首次提供不間斷的實時和全球覆蓋，使客戶能夠可靠地跟蹤船只的位置。AIS 載荷采用了Harris 公司的AppSTAR 可重配置載荷技術，利用銥星的衛(wèi)星網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)路由到地面網(wǎng)絡的中央網(wǎng)關，可以實現(xiàn)以不到一分鐘的時間延遲向客戶提供AIS 數(shù)據(jù)。

（3）ADS-B（廣播式自動相關監(jiān)視）。銥星運營商通過新的合資企業(yè)Aireon 公司將ADS-B 接收機作為其下一代衛(wèi)星星座的托管有效載荷，通過每臺商用飛機發(fā)送的自動相關監(jiān)視廣播信號為ANSP（空中航行服務提供商）提供全球實時飛機監(jiān)控。

ADS-B 是支持雷達式分離標準的下一代商業(yè)監(jiān)控技術。在2010年以前，ADS-B 是一個陸基系統(tǒng)，主要部署在北美、澳大利亞和歐洲等高空飛行區(qū)域，而在海洋、山脈、偏遠地區(qū)和極地地區(qū)的重要航空區(qū)域仍然基本沒有部署。

在基于地面的ADS-B 系統(tǒng)概念中，每架飛機的Mode-S 轉發(fā)器用1090MHz 頻段隨時播報自己的GPS 位置以及身份標識、地面軌跡、地面速度和高度等其他信息。地面上的接收機接收該信息并發(fā)送到空中交通管制顯示器。ADS-B 信息可用于增強現(xiàn)有的雷達技術或替代雷達技術。ADS-B 可提供飛機之間以及飛機與地面之間的通信，ADS-B 提供的信息增強了飛行員的交通意識，允許更優(yōu)化的飛行水平，從而節(jié)省燃料。因而，ADS-B 已成為空中交通管制（ATC）的重要組成部分，其用途與雷達提供的信息相同。ADS-B 將在不久的將來成為所有飛機的強制性要求，并且很有可能最終淘汰傳統(tǒng)的雷達，純粹依賴于ADS-B，因為其接收機更容易維護。然而，陸基的ADS-B 網(wǎng)絡受到地面ADS-B塔臺的限制，無法監(jiān)測在海洋或全球偏遠地區(qū)的航班。目前，超過70%的地球，包括海洋和偏遠的空域，沒有現(xiàn)有的空中交通管制。

Harris 公司在Iridium-Next 系統(tǒng)每顆衛(wèi)星上搭載了ADS-B 1090的有效載荷，該載荷體積小、功率低，通過分享銥星的空間能力和地面設施，避免了建造和發(fā)射單獨衛(wèi)星的成本，因而以極小的耗資發(fā)揮了巨大的貢獻。在任何時間可以同時跟蹤超過10，000架飛機，系統(tǒng)將以低于8秒的更新速率將數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇罩薪煌ü苤浦行?，時延不超過1.5秒。

基于空間的ADS-B 網(wǎng)絡將改變空中交通管理能力，在全球100%的地區(qū)提供空中交通監(jiān)控和航班跟蹤。實現(xiàn)的功能有：一是全球控制：為空中交通管制員提供準確的全球實時、可見性的飛機和飛行；二是全球覆蓋：在沒有雷達系統(tǒng)、地球上到處存在的遠洋、極地、遠程和廣大欠發(fā)達地區(qū)，提供超出常規(guī)的航空控制能力；三是全球安全：實時、準確地顯示任何飛機和航線附近的空氣流量，從而提高世界各地的安全性；四是全球優(yōu)化：提供一個低成本效益的解決方案，優(yōu)化飛行軌跡和高度，提高效率和燃油經濟性，并減少延遲和擁塞。

5 結束語

相較于近年來提出的各種低軌互聯(lián)網(wǎng)星座系統(tǒng)，銥系統(tǒng)具有得天獨厚的優(yōu)勢，即占據(jù)著移動通信的黃金頻段--L 頻段。目前，Iridium Next 系統(tǒng)已投入使用，預計其在未來將得到更加廣泛的應用。此外，在Iridium Next 基礎上，銥星公司進一步推出了Iridium Prime 計劃，該計劃將提供一種完全的有效載荷服務，相比于Iridium Next 衛(wèi)星，在Iridium Prime 衛(wèi)星上將不安裝L 波段的通信載荷，從而使其搭載載荷的容量可擴充四倍。