衛(wèi)星通信技術(shù)及其展望

楊 丹，黃 寧

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081）

0 引 言

當(dāng)前全球衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)格局已經(jīng)發(fā)生很大變化，傳統(tǒng)的衛(wèi)星行業(yè)正在向高通量、靈活性以及運(yùn)維智能化等方面快速發(fā)展。高軌衛(wèi)星出于對(duì)軌道資源、應(yīng)用場(chǎng)景、整體成本等方面的考慮，大規(guī)模布置的難度較大。低軌衛(wèi)星星座系統(tǒng)依靠成本低、廣覆蓋、可彈性搭載等優(yōu)勢(shì)逐漸興起，并且其對(duì)互聯(lián)網(wǎng)接入的支持，得到了市場(chǎng)的關(guān)注和國(guó)家的支持。

隨著衛(wèi)星通信技術(shù)的發(fā)展，以及社會(huì)對(duì)“互聯(lián)網(wǎng)+”和隨時(shí)隨地接入互聯(lián)網(wǎng)需求的增加，高、低軌通信衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的建立被注入了新的活力[1]。

1 衛(wèi)星通信技術(shù)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成及作用

傳統(tǒng)的通信衛(wèi)星在衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)中扮演著無(wú)線(xiàn)電通信中繼站的角色，是衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的空間部分，其主要功能是為多種類(lèi)型的地球通信站轉(zhuǎn)播無(wú)線(xiàn)電信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)星-地間的超長(zhǎng)距離通信。

衛(wèi)星通信可以在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)大量信息的有效傳輸，根據(jù)信號(hào)載體的不同，衛(wèi)星通信方式通常有微波通信與激光通信。

傳統(tǒng)的微波通信，其衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要包含以下內(nèi)容。一是信號(hào)接收子系統(tǒng)，主要包括接收天線(xiàn)、星載變頻器，完成上行微波信號(hào)的接收。二是信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)子系統(tǒng)，主要包括解調(diào)載荷、交換載荷、調(diào)制載荷，完成模擬數(shù)字（Analog to Digital，AD）、交換以及數(shù)字模擬（Digital to Analog，DA）等信號(hào)處理。三是信號(hào)發(fā)射子系統(tǒng)，主要包括發(fā)射天線(xiàn)、星載變頻器。

比較先進(jìn)的激光通信，其衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要包含以下內(nèi)容。一是信號(hào)接收子系統(tǒng)，光學(xué)天線(xiàn)及光接收機(jī)是關(guān)鍵構(gòu)件，其既可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)接收功能，而且可以結(jié)合實(shí)際情況將信號(hào)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，進(jìn)而達(dá)到信號(hào)傳遞的目的。二是信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)子系統(tǒng)，在光電轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)上，基于電信號(hào)完成交換等處理。三是信號(hào)發(fā)射子系統(tǒng)，主要功能是實(shí)現(xiàn)信號(hào)的轉(zhuǎn)換和發(fā)射，信號(hào)發(fā)射分為2 個(gè)部分，分別為信標(biāo)光以及信號(hào)光。四是捕獲跟蹤子系統(tǒng)。以實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的有效跟蹤為目標(biāo)，基于信標(biāo)光的瞄準(zhǔn)、跟蹤與捕獲等工作，實(shí)現(xiàn)信號(hào)光的對(duì)準(zhǔn)，確保信號(hào)能夠在激光通信載荷之間進(jìn)行雙向傳輸[2]。

2 衛(wèi)星通信傳播特性

根據(jù)衛(wèi)星軌道的高度不同，由低到高，衛(wèi)星分為低軌道（Low Earth Orbit，LEO）、中軌道（Medium Earth Orbit，MEO）、地球同步軌道（Geosynchronous Orbit，GEO）、太陽(yáng)同步軌道（Sun Synchronous Orbit，SSO）以及傾斜地球同步軌道（Inclined GeoSynchronous Orbit，IGSO）5類(lèi)，合計(jì)實(shí)現(xiàn)了觀(guān)測(cè)、通信、導(dǎo)航等應(yīng)用，而其中可用于穩(wěn)定通信的是GEO 和LEO 這2 種。

2.1 GEO 特點(diǎn)

（1）延遲大。通信站與同步衛(wèi)星之間的距離大于35 786 km，即便是信號(hào)是以光速傳輸，傳輸時(shí)延也需要0.3 s 的時(shí)間，所以要得到對(duì)方的答復(fù)，需要大約0.6 s 的時(shí)間，這就使得衛(wèi)星通信的速度比陸地上的通信慢。

（2）鏈路損耗大。即星-地的相對(duì)距離帶來(lái)的自由空間損耗，頻段越高則損耗越大，為了應(yīng)對(duì)這一點(diǎn)，鏈路載荷和地面鏈路設(shè)備都要有很高的技術(shù)指標(biāo)要求。

（3）多普勒效應(yīng)小。同步衛(wèi)星相對(duì)地面的靜止，帶來(lái)的多普勒頻移非常輕微。

（4）通信容量大。GEO通信衛(wèi)星依托于大型平臺(tái)，體積大、載荷多，單星可以支持更高能力的通信載荷。

2.2 LEO 特點(diǎn)

（1）延遲小。通信站與低軌衛(wèi)星之間的距離在2 000 km 以?xún)?nèi)，星-地通信更加快捷。

（2）鏈路損耗小。星-地距離較小，信號(hào)在無(wú)線(xiàn)傳輸時(shí)受到的自由空間損耗也會(huì)相應(yīng)減小，便于地面終端的小型化研制。

（3）多普勒效應(yīng)大。低軌衛(wèi)星通信中該現(xiàn)象尤其明顯，星-地的相對(duì)位移可簡(jiǎn)單理解為余弦模型，造成頻率的非線(xiàn)性漂移，地面終端需要專(zhuān)門(mén)算法進(jìn)行補(bǔ)償，否則通信效果變差，甚至引發(fā)失鎖而通信失敗。

（4）通信容量小。低軌衛(wèi)星每軌次對(duì)地面站的有效覆蓋時(shí)間為10 min 左右，其通信的高效性是依托于星座的建立，且平臺(tái)相對(duì)小型化，因此其通信容量雖然在逐步提高，但是遠(yuǎn)未達(dá)到GEO 的能力。

基于資源和成本等方面的考慮，當(dāng)前各大國(guó)積極探索低軌衛(wèi)星的發(fā)展。低軌衛(wèi)星盡管單星覆蓋能力較弱，但可以星座組網(wǎng)的方式彌補(bǔ)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)全球范圍的覆蓋。

高低軌衛(wèi)星聯(lián)合組網(wǎng)是發(fā)展各自?xún)?yōu)點(diǎn)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。GEO 和LEO 各有優(yōu)勢(shì)，在能力上相互補(bǔ)充，復(fù)合型的軌道可形成更靈活的覆蓋方案，根據(jù)服務(wù)需求和覆蓋區(qū)域內(nèi)的業(yè)務(wù)量，動(dòng)態(tài)分配業(yè)務(wù)資源。

3 國(guó)內(nèi)低軌通信衛(wèi)星發(fā)展現(xiàn)狀

中國(guó)航天雖然起步較晚，但發(fā)展迅速，隨著“虹云”“鴻雁”“天象”“寬帶節(jié)點(diǎn)”等衛(wèi)星的相繼發(fā)射成功，我國(guó)低軌寬帶通信衛(wèi)星系統(tǒng)的建設(shè)邁出了實(shí)質(zhì)性的一步。

目前，5G 通信的使用仍然處于初始階段，基站的有限性致使網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量有待提升。低頻段5G 難以滿(mǎn)足現(xiàn)階段人們對(duì)通信的要求，高平段5G 不單單能夠具有良好的穩(wěn)定性，而且不易干擾、傳輸效率快，但是也存在諸多劣勢(shì)。例如，5G通信容易出現(xiàn)信號(hào)衰減，傳輸范圍受到限制，高頻率的電磁波不能夠穿越障礙物，在通信過(guò)程中極易交流不暢，由此5G 通信體驗(yàn)感還有待提升。5G 技術(shù)的出現(xiàn)為人們提供了更多便利，推動(dòng)了諸多行業(yè)的發(fā)展，但是在發(fā)展過(guò)程中所出現(xiàn)的弊端不可忽視，針對(duì)出現(xiàn)的問(wèn)題，采取有效的手段予以解決。其中高頻段5G 毫米波技術(shù)就能夠有效提升5G傳輸強(qiáng)度，但是隨之而來(lái)也面臨著傳輸距離短、覆蓋面小等問(wèn)題。為此，可以采取提升信號(hào)發(fā)射功率、增加5G 基站數(shù)量等手段，利用基站擴(kuò)大5G 信號(hào)覆蓋范圍，保證人們?cè)谌魏蔚囟味寄軌驅(qū)崿F(xiàn)無(wú)損交流。

層出不窮的應(yīng)用與技術(shù)悄然生息地改變?nèi)藗兊纳罘绞?，移?dòng)互聯(lián)網(wǎng)用戶(hù)群體的攀升給通信技術(shù)帶來(lái)了更大的挑戰(zhàn)。在通信技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展過(guò)程中，衛(wèi)星通信行業(yè)整體呈現(xiàn)波動(dòng)的發(fā)展態(tài)勢(shì)。5G 通信技術(shù)的出現(xiàn)為衛(wèi)星通信行業(yè)提供了更多發(fā)展的可能，在5G 通信技術(shù)的普及下，人們也更加關(guān)注本行業(yè)的發(fā)展。5G 通信技術(shù)能夠快速適應(yīng)低頻到高頻的過(guò)渡，所應(yīng)用的3.3 ～3.6 GHz、4.8 ～5.0 GHz 頻段受到大眾的認(rèn)可，由于5G 技術(shù)自身的限制，致使其應(yīng)用過(guò)程中面臨著覆蓋面狹窄的問(wèn)題，Massive 多輸入多輸出（Multi Input Multi Output，MIMO）技術(shù)卻為其奠定了技術(shù)保障，加速了我國(guó)通信技術(shù)的發(fā)展。隨我國(guó)的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)使用用戶(hù)群體增多，在5G 技術(shù)出現(xiàn)以后，衛(wèi)星通信行業(yè)內(nèi)部競(jìng)爭(zhēng)更加激烈，技術(shù)更新速度邁上新的臺(tái)階。

面向應(yīng)用，其提供服務(wù)的場(chǎng)景集中在以下幾個(gè)方面。

（1）物聯(lián)網(wǎng)。依托于低軌衛(wèi)星星座廣覆蓋的特點(diǎn)，物流、農(nóng)業(yè)、工程科考等對(duì)流量較低的產(chǎn)業(yè)將成為衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)重要的應(yīng)用方向。基于衛(wèi)星的寬帶連接，穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)能幫助作業(yè)成果的傳輸和處理，提升工作效率和安全性。

（2）特殊應(yīng)用。基于空天地一體化的構(gòu)建，通過(guò)導(dǎo)航增強(qiáng)和頻譜監(jiān)測(cè)等功能遙感載荷的使用，可實(shí)現(xiàn)全天候?qū)χ攸c(diǎn)地區(qū)的監(jiān)控，提升對(duì)目標(biāo)的預(yù)判和干預(yù)能力，并能有效協(xié)助作戰(zhàn)和防御。

（3）航運(yùn)、航天安全?；贏IS/ADS-B 載荷的搭載，記錄遠(yuǎn)洋航運(yùn)和客機(jī)飛行的航行記錄，監(jiān)控的實(shí)時(shí)性將加強(qiáng)該行業(yè)的安全性，提高作業(yè)效率。

（4）應(yīng)急通信。軌衛(wèi)星的全覆蓋和快響應(yīng)，便于對(duì)無(wú)人區(qū)、特殊地形、應(yīng)急災(zāi)害區(qū)等的實(shí)時(shí)通信，快速反饋信息，提高作業(yè)效率和相關(guān)部署。

4 衛(wèi)星通信技術(shù)的應(yīng)用分析

衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的組成包含通信衛(wèi)星以及眾多地球站，在功能方面包括管理網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)。管理網(wǎng)絡(luò)能夠起到分配資源以及監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的效果，業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)可以滿(mǎn)足用戶(hù)基本的通信需求，其功能較為簡(jiǎn)單，不能夠進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的獲取以及對(duì)用戶(hù)的信息進(jìn)行感知。實(shí)際上，不同衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)間都屬于獨(dú)立運(yùn)行的狀態(tài)，信息無(wú)法實(shí)現(xiàn)互動(dòng)，讓信息通信資源不能夠得到更好的利用，并無(wú)法達(dá)到多個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合運(yùn)轉(zhuǎn)。只有將衛(wèi)星通信網(wǎng)與無(wú)限網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，才能夠構(gòu)成衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)。

4.1 網(wǎng)絡(luò)感知技術(shù)的應(yīng)用

針對(duì)衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)體系來(lái)講，網(wǎng)絡(luò)感知技術(shù)分為2 個(gè)部分：網(wǎng)絡(luò)特性感知和網(wǎng)絡(luò)承載業(yè)務(wù)特性感知。第一部分資源占有狀況的感知資源利用概率作為依托，該系統(tǒng)能夠讓閑置很久的網(wǎng)絡(luò)資源得到有限的利用，還能夠?qū)⒏黜?xiàng)網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。在無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中所具有的衛(wèi)星網(wǎng)特性感知一般根據(jù)業(yè)務(wù)協(xié)議以及網(wǎng)絡(luò)種類(lèi)作為支持，能夠全方位掌控網(wǎng)絡(luò)層面信息[3]。

4.2 智能化決策技術(shù)的應(yīng)用

對(duì)于普通無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來(lái)講，智能化是無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的主要特點(diǎn)。智能化決策技術(shù)的有效運(yùn)用，能夠快速實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶(hù)和環(huán)境的分析，進(jìn)而達(dá)到智能化的標(biāo)準(zhǔn)，衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)在運(yùn)行的過(guò)程中，人力、物力以及財(cái)力上花費(fèi)較大，不但增加了運(yùn)行成本，還需要對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行思考，避免其影響到整體的系統(tǒng)穩(wěn)定性。通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)能夠促進(jìn)智能化發(fā)展，讓目前的資源得到有效的整合，從而減小人為的影響因素。智能化技術(shù)能夠達(dá)到用戶(hù)的要求，還能夠結(jié)合系統(tǒng)目標(biāo)，讓資源配置得到完善，能夠?qū)崿F(xiàn)與環(huán)境條件的自動(dòng)配置。

4.3 環(huán)境感知技術(shù)的應(yīng)用

如果想提高衛(wèi)星通信系統(tǒng)抗干擾能力，以及使衛(wèi)星通信線(xiàn)路穩(wěn)定性提升，必須具備感知電磁環(huán)境，仔細(xì)明確頻譜特征信息，保證其抗干擾的效果。對(duì)于衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)，環(huán)境感知技術(shù)成為無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)。但是，網(wǎng)絡(luò)傳輸過(guò)程中存在眾多干擾因素，因此就需要采取有效的措施，確保信號(hào)能夠有效的傳輸。

4.4 衛(wèi)星異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合技術(shù)的應(yīng)用

目前，為適應(yīng)多樣化發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)，衛(wèi)星通信終端網(wǎng)絡(luò)就是根據(jù)硬件和環(huán)境條件的改變采用各種接入模式的網(wǎng)絡(luò)，從而對(duì)不同網(wǎng)絡(luò)資源都能夠有效的運(yùn)用。讓網(wǎng)絡(luò)資源得到合理結(jié)合，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)能夠憑借感知技術(shù)匹配用戶(hù)的需要，從而增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)適配性。衛(wèi)星遠(yuǎn)端站必須通過(guò)中心感知信息和指令進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)匹配。對(duì)各種感知信息進(jìn)行研究，能夠根據(jù)中心站尋求相應(yīng)的舉措，從而有效地對(duì)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載作出評(píng)估，再結(jié)合衛(wèi)星異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，通過(guò)感知技術(shù)來(lái)分析網(wǎng)絡(luò)特征以及用戶(hù)特征，有效配置資源，從而為用戶(hù)提供相適應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)通信，讓資源得到合理利用[4]。

5 衛(wèi)星通信技術(shù)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

對(duì)于衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)而言，在進(jìn)行衛(wèi)星傳輸階段，經(jīng)常會(huì)涉及下行鏈路與上行鏈路，在實(shí)際應(yīng)用使用過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)及時(shí)關(guān)注和重視安全問(wèn)題，業(yè)務(wù)傳輸層所遇到的安全問(wèn)題與安全威脅更多的是來(lái)自于鏈路層干擾問(wèn)題。若鏈路層受到干擾，則會(huì)對(duì)衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)傳輸產(chǎn)生嚴(yán)重影響，進(jìn)而導(dǎo)致衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)無(wú)法投入正常運(yùn)行。針對(duì)鏈路層安全威脅問(wèn)題，應(yīng)當(dāng)在信道終端應(yīng)用新型抗干擾技術(shù)，通過(guò)應(yīng)用新型抗干擾技術(shù)，既能夠提高其抗干擾性，又可以有效打破原有技術(shù)約束，進(jìn)而提高抗開(kāi)擾效果。在實(shí)際的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)業(yè)務(wù)傳輸層防范安全威脅時(shí)，應(yīng)當(dāng)合理應(yīng)用多種抗干擾方案，逐漸克服和改善傳統(tǒng)抗干擾方案與技術(shù)存在的局限性與缺陷，提升鏈路層的實(shí)際抗干擾能力，保障衛(wèi)星能夠更加平穩(wěn)運(yùn)行。由于多種抗干擾技術(shù)間具有一定的互通性，在實(shí)際應(yīng)用階段，應(yīng)當(dāng)對(duì)比分析多種抗干擾技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多種抗干擾技術(shù)互補(bǔ)[5]。

衛(wèi)星通信技術(shù)的未來(lái)發(fā)展是以新發(fā)展理念為引領(lǐng)，以技術(shù)創(chuàng)新為驅(qū)動(dòng)，以信息網(wǎng)為基礎(chǔ)，相關(guān)工作人員應(yīng)當(dāng)積極學(xué)習(xí)其他項(xiàng)目的成功經(jīng)驗(yàn)，吸取其優(yōu)點(diǎn)和特色，并根據(jù)自己的實(shí)際情況，做到優(yōu)劣互補(bǔ)，各取所長(zhǎng)，推動(dòng)技術(shù)的創(chuàng)新。要加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的運(yùn)用，把局域網(wǎng)、電話(huà)撥號(hào)等通信手段當(dāng)作上行鏈路，把資料傳送、下載等作為下行鏈路，使地面使用者與因特網(wǎng)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，隨時(shí)進(jìn)行資訊傳送。

目前我國(guó)衛(wèi)星發(fā)射主要以導(dǎo)航和遙感類(lèi)型為主，通信衛(wèi)星數(shù)量相對(duì)偏少。伴隨高通量衛(wèi)星帶動(dòng)寬帶衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)蓬勃發(fā)展，我國(guó)低軌通信衛(wèi)星行業(yè)有望進(jìn)入快車(chē)道，衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量上升空間巨大。

6 結(jié) 論

衛(wèi)星通信行業(yè)的發(fā)展對(duì)于我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，甚至綜合國(guó)力有直接影響，衛(wèi)星通信行業(yè)的發(fā)展已經(jīng)不僅僅是行業(yè)本身的任務(wù)，而是社會(huì)發(fā)展的重要任務(wù)之一。相關(guān)人員需基于衛(wèi)星通信行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，優(yōu)化相應(yīng)的設(shè)備，充分發(fā)揮出我國(guó)社會(huì)主義現(xiàn)代化強(qiáng)國(guó)優(yōu)勢(shì)，和我國(guó)實(shí)體經(jīng)濟(jì)的高效發(fā)展，把握好當(dāng)前的發(fā)展機(jī)遇，提高衛(wèi)星通信行業(yè)的社會(huì)價(jià)值，促進(jìn)相關(guān)行業(yè)的健康可持續(xù)性發(fā)展。