衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所 李東東

衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)在很大程度上可以為全球的用戶都提供較大跨度以及較大范圍的移動(dòng)通信服務(wù)，并且這種移動(dòng)通信服務(wù)并不會(huì)受到地形條件的限制，不論是在較為偏遠(yuǎn)的山區(qū)還是海島區(qū)域，往往都能夠保持有非常良好的通信優(yōu)勢(shì)，因此需要大力推動(dòng)衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的發(fā)展。本文主要研究了衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)。

隨著當(dāng)前科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)實(shí)際上已經(jīng)擁有了較大的突破性，尤其是在當(dāng)前信息化迅猛發(fā)展的全球背景下，各國(guó)對(duì)于移動(dòng)通信業(yè)務(wù)的需求都在不斷地增長(zhǎng)，并且對(duì)于移動(dòng)通信系統(tǒng)的實(shí)際依賴程度也在不斷地加強(qiáng)。在這樣的現(xiàn)實(shí)情況面前，相關(guān)部門需要積極推動(dòng)衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展。

1 衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的簡(jiǎn)要概述

根據(jù)衛(wèi)星在太空中實(shí)際運(yùn)行軌道的不同，當(dāng)前的衛(wèi)星移動(dòng)通信服務(wù)的相關(guān)技術(shù)主要分成兩種，第一種是依靠LEO來實(shí)現(xiàn)全球性的移動(dòng)通信服務(wù)，而這種類別下又分成了兩個(gè)非常典型的種類，也就是全球星以及銥星；另外一種則是依靠GEO以及較為大型并且可展開的多波束天線技術(shù)來具體地實(shí)現(xiàn)全球性的移動(dòng)通信技術(shù)，而在這個(gè)類別當(dāng)中，同樣地也有兩種非常典型的衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)，一種是澳大利亞的衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)，其名稱為Mobilesat系統(tǒng)，另一種則是北美衛(wèi)星移動(dòng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)名為MSAT系統(tǒng)[1]。

在實(shí)際的運(yùn)行以及發(fā)展過程中，LEO與GEO這兩種衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)所處的軌道高度有著較大的區(qū)別和差異，也正是因?yàn)槿绱耍琇EO與GEO這兩種衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)在實(shí)際的運(yùn)行過程中也分別呈現(xiàn)出了非常明顯的風(fēng)格特點(diǎn)，主要體現(xiàn)在進(jìn)行信號(hào)傳輸?shù)膶?shí)際性能、所擁有的系統(tǒng)性能、衛(wèi)星自身的性能以及在實(shí)際運(yùn)行過程中所需要耗費(fèi)的經(jīng)濟(jì)成本等方面上。在進(jìn)行信號(hào)傳輸?shù)男阅芊矫?，GEO所具有的傳輸延時(shí)能夠達(dá)到半秒的量級(jí)，因此GEO所擁有的傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性比較差，并且在進(jìn)行信號(hào)的實(shí)際傳輸過程中會(huì)造成比較大的損耗，而LEO在進(jìn)行信號(hào)傳輸?shù)膶?shí)際過程中，所具有的信號(hào)傳輸延時(shí)能夠達(dá)到十毫秒的量級(jí)，這也就意味著LEO擁有比GEO更好的傳輸實(shí)時(shí)性的能力，并且LEO在進(jìn)行信號(hào)的實(shí)際傳輸過程中，所產(chǎn)生的能源消耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于GEO在實(shí)際的傳輸過程中所造成的能源消耗。而在衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的實(shí)際性能方面，GEO衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)在實(shí)際的建設(shè)過程中則更加地簡(jiǎn)便，因?yàn)镚EO衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)并不需要一些較為復(fù)雜的跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行控制。而其中更為重要的一個(gè)點(diǎn)就是，GEO衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)可以借助單顆衛(wèi)星就能夠非常有效地開展一系列的通信業(yè)務(wù)。LEO衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)實(shí)際上擁有更加高的復(fù)雜性，并且實(shí)際的應(yīng)用過程中也存在著較大的難度，因此就需要依靠較為完美的跟蹤系統(tǒng)來進(jìn)行相關(guān)控制工作。除此之外，只有當(dāng)所有的衛(wèi)星都處于其應(yīng)該運(yùn)行的軌道當(dāng)中進(jìn)行正常的運(yùn)行工作時(shí)，才能夠?qū)崿F(xiàn)為全球范圍內(nèi)的用戶提供必要的移動(dòng)通信服務(wù)。在應(yīng)用的成本費(fèi)用方面，GEO衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的實(shí)際使用壽命與LEO衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)相比較而言會(huì)更加地長(zhǎng)，并且在日常進(jìn)行相關(guān)維護(hù)時(shí)所需要付出的費(fèi)用也更加地低，因此GEO衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)實(shí)際上擁有非常高的性價(jià)比。但是在實(shí)際的應(yīng)用過程中，LEO衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)無論是在相關(guān)衛(wèi)星的實(shí)際研制工作過程中，還是在后續(xù)的維護(hù)費(fèi)用的實(shí)際投入方面，都具有比較強(qiáng)的復(fù)雜性，這樣一來，LEO衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)在實(shí)際的運(yùn)行過程中的總體花費(fèi)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于GEO?？偠灾?，GEO與LEO這兩種衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)在實(shí)際的運(yùn)行過程中實(shí)際上都存在著各自所具有的顯著優(yōu)勢(shì)以及明顯不足，因此在使用衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的實(shí)際過程中一定要能夠?qū)τ诟鱾€(gè)方面的現(xiàn)實(shí)因素都進(jìn)行綜合地考慮。如果需要在人口較為密集的地區(qū)開展衛(wèi)星移動(dòng)通信服務(wù)，就可以優(yōu)先考慮使用GEO衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)，如果要是需要在一定的區(qū)域范圍內(nèi)建立起無縫覆蓋的衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)，則需要優(yōu)先考慮LEO衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)。

2 衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用要點(diǎn)

2.1 天線技術(shù)

全球范圍內(nèi)的衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)實(shí)際上經(jīng)歷了一個(gè)非常漫長(zhǎng)的發(fā)展階段，并且在這個(gè)漫長(zhǎng)的發(fā)展過程中，出現(xiàn)了非常多形式的天線，包括有比較標(biāo)準(zhǔn)的圓的簡(jiǎn)單天線、由一定反射器進(jìn)行賦形的天線以及多饋源波束賦形的天線、多波束成型的大天線。以多波束成型大天線來進(jìn)行舉例，多波束成型大天線在當(dāng)前衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用過程中有著非常廣泛的應(yīng)用，尤其是在GEO衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)當(dāng)中，有著非常良好的應(yīng)用效果。舉一個(gè)典型的實(shí)際例子，在Thuraya這一個(gè)系統(tǒng)當(dāng)中所使用的就是口徑為12.25m的口徑天線，這種天線在實(shí)際的使用過程中可以產(chǎn)生250-300個(gè)波束。再比如在InmarsatⅣ系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用過程中，也采用了多波束天線。而對(duì)于LEO衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)來說，在該系統(tǒng)當(dāng)中所使用的天線主要由四種形式，分別是雙柵天線、單饋源天線、正交天線以及反射器賦形天線，就比如在Globalster系統(tǒng)當(dāng)中，就是采用了具有S波段的有源相控陣天線[2]。

就當(dāng)前我國(guó)衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)當(dāng)中天線技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用以及相關(guān)發(fā)展的現(xiàn)實(shí)情況來看，這些天線技術(shù)的應(yīng)用在很大程度上推動(dòng)了頻譜的實(shí)際利用率，而推動(dòng)頻譜實(shí)際利用率的途徑主要由以下三種。第一種，是利用天線能夠釋放出來的波束進(jìn)行相關(guān)的成形工作。第二種，主要是多點(diǎn)波束蜂窩結(jié)構(gòu)。第三種則是智能化比較強(qiáng)的天線技術(shù)。這三種推動(dòng)頻譜實(shí)際利用率的途徑都能夠在很大程度上非常好地實(shí)現(xiàn)頻譜實(shí)際效率進(jìn)行再利用的相關(guān)目標(biāo)。如果在當(dāng)前衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用以及發(fā)展過程中，選擇將天線技術(shù)以及多址技術(shù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，那么就能夠在很大程度上提升衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用過程中的上行以及下行的實(shí)際通信能力。

2.2 星間鏈路技術(shù)

星間鏈路技術(shù)能夠在很大程度上使得相關(guān)的衛(wèi)星能夠高效率地與其相鄰的衛(wèi)星進(jìn)行連接，并且星間鏈路技術(shù)實(shí)際上是屬于一種通信鏈路，而該技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用優(yōu)勢(shì)就在于可以將太空當(dāng)中的各個(gè)星座當(dāng)中存在的各個(gè)衛(wèi)星連接成為一個(gè)整體，這樣一來就能夠在很大程度上保證當(dāng)前應(yīng)用的衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)內(nèi)部的相關(guān)用戶使用的通信鏈路不再需要地球表面的通信網(wǎng)絡(luò)作為支撐。換句話來說，通過應(yīng)用星間鏈路技術(shù)實(shí)際上能夠在很大程度上提升當(dāng)前整個(gè)衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)自身在運(yùn)行過程中的抗干擾能力以及抗摧毀能力，并且能夠在此基礎(chǔ)上擴(kuò)大整個(gè)衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的實(shí)際覆蓋范圍。就拿LEO衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)來進(jìn)行具體的說明，因?yàn)長(zhǎng)EO衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的實(shí)際覆蓋范圍比較小，那在這樣的現(xiàn)實(shí)情況面前，往往沒有辦法進(jìn)行固定地球站的有效設(shè)置。但是如果能夠應(yīng)用星間鏈路技術(shù)，就能夠在很大程度上來對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行有效的控制，而在地面的衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的實(shí)際用戶就能夠通過創(chuàng)建起來的星間鏈路技術(shù)來接入到地面的通信網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中去。就目前的現(xiàn)實(shí)情況來看，能夠使用星間鏈路技術(shù)的目前只有一種衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)，那就是LEO衛(wèi)星的Iridium系統(tǒng)。

就當(dāng)前應(yīng)用的星間鏈路技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用形式來看，其中有兩種比較主要的應(yīng)用形式，也就是激光通信形式以及微波通信形式，而在當(dāng)前衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用過程中，主要以微波通信技術(shù)形式的應(yīng)用最為廣泛。雖然微波通信技術(shù)形式有著非常廣泛地應(yīng)用，但是也難以避免一系列現(xiàn)實(shí)問題的出現(xiàn)。比如，在微波通信技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用過程中，就很容易受到頻帶寬度、體積以及價(jià)格等許多方面因素的影響，這樣一來就無法大幅度地提升實(shí)際的信號(hào)傳輸速率。對(duì)于激光通信技術(shù)形式來說，在實(shí)際的應(yīng)用過程中也具有著較為顯著的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，因?yàn)榧す馔ㄐ偶夹g(shù)形式擁有的寬廣頻譜的帶寬能夠在很大程度上提升衛(wèi)星移動(dòng)通信潛在的容量，并且在減少衛(wèi)星實(shí)際荷載體積以及相關(guān)的重量方面能夠發(fā)揮出非常重要的現(xiàn)實(shí)作用。而其中更值得重視的一個(gè)要點(diǎn)就是，在當(dāng)前衛(wèi)星移動(dòng)通信技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用過程中使用的激光通信技術(shù)能夠在很大程度上實(shí)現(xiàn)廣域大跨越的單跳連接，這樣一來就能夠在很大程度上減小實(shí)際的信號(hào)通信造成的延遲。但是激光通信技術(shù)在實(shí)際的應(yīng)用過程中也存在著不少的現(xiàn)實(shí)問題。比如，如果是選擇使用了激光星間鏈路技術(shù)，那么就要求相關(guān)的技術(shù)人員能夠擁有非常良好的衛(wèi)星姿態(tài)控制能力，尤其是要能夠在衛(wèi)星的實(shí)際運(yùn)行過程中保證衛(wèi)星姿態(tài)能夠始終處于一個(gè)較為穩(wěn)定的狀態(tài)，而之所以要這樣的原因就在于，衛(wèi)星在實(shí)際的運(yùn)行過程中一旦出現(xiàn)姿態(tài)不能夠處于一個(gè)較為穩(wěn)定的狀態(tài)，那么就很容易發(fā)生移動(dòng)通信信號(hào)出現(xiàn)中斷的現(xiàn)實(shí)問題[3]。

2.3 星上處理技術(shù)

對(duì)于當(dāng)前所應(yīng)用的衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)來說，在實(shí)際應(yīng)用過程中所存在的一系列信號(hào)傳輸延遲、信號(hào)實(shí)際的傳輸質(zhì)量不佳以及衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的實(shí)際容量較低的問題，往往會(huì)在導(dǎo)致衛(wèi)星移動(dòng)通信的實(shí)際質(zhì)量受到很嚴(yán)重的限制，為了能夠更好地解決衛(wèi)星移動(dòng)通信的實(shí)際質(zhì)量受到限制這一類的現(xiàn)實(shí)問題，就必須要求衛(wèi)星在實(shí)際的應(yīng)用過程中必須能夠擁有星上交換、調(diào)制調(diào)解以及波束成形等非常多的星上處理能力。從目前的衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用現(xiàn)狀來看，當(dāng)前衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)所應(yīng)用的星上處理技術(shù)主要有三種，即星上處理交換、全透明轉(zhuǎn)發(fā)以及部分處理交換。星上處理技術(shù)在實(shí)際的應(yīng)用過程中，可以通過相關(guān)的數(shù)字方式來進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，并且該項(xiàng)技術(shù)在實(shí)際的使用過程中具有非常顯著的優(yōu)勢(shì)，而之所以擁有如此顯著的優(yōu)勢(shì)，主要還是因?yàn)樾巧咸幚砑夹g(shù)擁有著很高的資源利用率，并且相關(guān)的衛(wèi)星移動(dòng)通信服務(wù)具有的實(shí)時(shí)性也非常地顯著。但是星上處理技術(shù)在實(shí)際的應(yīng)用過程中也存在著一些較為突出的缺點(diǎn)，比如，當(dāng)前相關(guān)技術(shù)體制仍然還不夠成熟，這樣一來就直接導(dǎo)致相關(guān)技術(shù)在實(shí)際的應(yīng)用過程中具有較為不足的適應(yīng)性，這樣一來，在實(shí)際的應(yīng)用過程中就非常容易受到空間范圍內(nèi)輻射的不良影響，這樣一來就會(huì)直接導(dǎo)致衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及可靠性變得比較差。結(jié)合現(xiàn)階段，我國(guó)在衛(wèi)星移動(dòng)通信事業(yè)方面的實(shí)際發(fā)展情況來看，當(dāng)前星上處理技術(shù)在GEO衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)當(dāng)中的應(yīng)用還不能夠得到較為有效的實(shí)現(xiàn)，但是如果想要解決當(dāng)前在衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用過程中存在的信號(hào)傳輸延遲的這一不足，必須要能夠在衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的實(shí)際發(fā)展過程中發(fā)展好星上處理技術(shù)。而對(duì)于LEO衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用來說，因?yàn)椴荒軌蛟诋?dāng)前的全球范圍內(nèi)建立起LEO衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的相關(guān)信關(guān)站，因此在LEO衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用過程中，必須能夠應(yīng)用星上處理技術(shù)來作為輔助，這樣一來才能夠?qū)崿F(xiàn)全球范圍內(nèi)的移動(dòng)通信。

3 衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的未來發(fā)展

對(duì)于任何一個(gè)國(guó)家來說，衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)是屬于國(guó)家通信和航天領(lǐng)域高度發(fā)展的一個(gè)非常重要的標(biāo)志，與此同時(shí)，也是一個(gè)國(guó)家在進(jìn)行通信基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的一個(gè)非常重要的補(bǔ)充手段，也是當(dāng)前一個(gè)較為強(qiáng)大的國(guó)家所必須具有的尖端技術(shù)。從目前的實(shí)際情況來看，雖然近幾年來我國(guó)在衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)事業(yè)的實(shí)際發(fā)展過程中取得了很多非常良好的成績(jī)，但是與世界上的許多發(fā)達(dá)國(guó)家相比仍然存在著非常大的現(xiàn)實(shí)差距，并且當(dāng)前世界范圍內(nèi)的許多數(shù)字處理技術(shù)實(shí)際上是被一些發(fā)達(dá)國(guó)家所切實(shí)壟斷的?？偟膩碚f，我國(guó)目前還沒有建立起完全自主的衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)，也正是因?yàn)槿绱?，在今后衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)領(lǐng)域的實(shí)際發(fā)展過程中，必須要能夠進(jìn)一步地加大針對(duì)衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的自主研發(fā)力度，并且一定要能夠建設(shè)起專屬于我們自己的國(guó)家的衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)。充分地結(jié)合我國(guó)當(dāng)前在衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)建設(shè)中的諸多因素，今后衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)建設(shè)應(yīng)該有一個(gè)明確的方向。在當(dāng)前衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)建設(shè)思路上，要將區(qū)域覆蓋作為重點(diǎn)，將兼顧全球作為輔，從而將寬帶業(yè)務(wù)作為重點(diǎn)進(jìn)行發(fā)展的業(yè)務(wù)，并且能夠在實(shí)際的發(fā)展過程中綜合利用LEO以及GEO衛(wèi)星，這樣一來就能夠更好地支持小型的手持終端，從而能夠在很大程度上確保可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)語音服務(wù)。

4 結(jié)語

綜上所述，隨著當(dāng)前我國(guó)衛(wèi)星移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)對(duì)于衛(wèi)星移動(dòng)通信的實(shí)際業(yè)務(wù)需求也在不斷地?cái)U(kuò)大，而這種需求不論是在民用領(lǐng)域還是軍用領(lǐng)域?qū)嶋H上都有著非常大需求量。也正是因?yàn)槿绱?，需要?duì)于衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)展開研究，并且要能夠采取一定的措施來促進(jìn)其發(fā)展。