發(fā)展我國(guó)低軌星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)的一些思考

+ 張有志1，哈斯巴特2，張更新3 （1.海軍司令部信息化部，2.解放軍66471部隊(duì)，3.解放軍理工大學(xué)）

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發(fā)展我國(guó)低軌星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)的一些思考

+ 張有志1，哈斯巴特2，張更新3 （1.海軍司令部信息化部，2.解放軍66471部隊(duì)，3.解放軍理工大學(xué)）

衛(wèi)星通信是航天技術(shù)的重要應(yīng)用領(lǐng)域，本文從介紹低軌星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)的發(fā)展背景和國(guó)外發(fā)展概況入手，分析了發(fā)展我國(guó)低軌星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)的必要性和面臨的一些問題，提出了發(fā)展我國(guó)低軌星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)的一個(gè)方案。

衛(wèi)星通信；衛(wèi)星星座；低軌道；發(fā)展策略

1 低軌星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)的發(fā)展背景

由于對(duì)地靜止軌道（GEO）相比于其它軌道類型具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，使得GEO成為全球絕大多數(shù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的首選軌道。一直到二十世紀(jì)八十年代末，因特網(wǎng)和地面移動(dòng)通信的發(fā)展尚處于初期，主要的信息傳輸手段是公共交換電話網(wǎng)（PSTN）。但是PSTN只限于發(fā)達(dá)地區(qū)，提供全球通信的主要手段是衛(wèi)星通信，利用三顆GEO衛(wèi)星可以實(shí)現(xiàn)對(duì)南北緯70度以內(nèi)區(qū)域的無縫覆蓋，因此，全球建立了相當(dāng)多的基于GEO衛(wèi)星的通信系統(tǒng)。但是利用GEO衛(wèi)星構(gòu)建的衛(wèi)星通信系統(tǒng)也存在以下問題：

（1）向高緯度地區(qū)和特定地形（如山區(qū)、林區(qū)、城區(qū)）內(nèi)的用戶提供通信業(yè)務(wù)較困難，不能覆蓋兩極地區(qū)；

（2）傳播時(shí)延較大，不能滿足某些業(yè)務(wù)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求；

（3）有限的衛(wèi)星EIRP和G/T值影響終端的小型化；

（4）軌位受限，抗干擾、抗摧毀能力較弱；

（5）衛(wèi)星研制周期長(zhǎng)、成本高、風(fēng)險(xiǎn)較大，新技術(shù)不能及時(shí)應(yīng)用。

上述這些問題實(shí)際上主要源自同一個(gè)問題：即衛(wèi)星位于赤道上空35786km的軌道上。二十世紀(jì)八十年代末個(gè)人通信概念的提出，使得電信行業(yè)意識(shí)到必須要解決這個(gè)“傳播距離遠(yuǎn)”的問題，否則很難實(shí)現(xiàn)個(gè)人衛(wèi)星通信。這導(dǎo)致了低軌道（LEO）衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的開發(fā)和建設(shè)。采用LEO小衛(wèi)星來提供衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)，具有如下一些優(yōu)點(diǎn)：

（1）傳輸損耗小，便于用戶終端小型化；

（2）覆蓋范圍廣，可實(shí)現(xiàn)真正意義上的全球無縫通信；

（3）頻率復(fù)用能力強(qiáng)，支持的用戶量大；

（4）一顆或幾顆衛(wèi)星的損毀不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)失效，系統(tǒng)頑存性強(qiáng)；

（5）衛(wèi)星體積小、重量輕、研制周期短，可靈活發(fā)射。

與GEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)相比，采用低軌道通信小衛(wèi)星來提供通信業(yè)務(wù)存在的最主要問題是：衛(wèi)星相對(duì)地面高速移動(dòng)，對(duì)目標(biāo)區(qū)域的覆蓋是具有時(shí)段性的；因此，單顆低軌道衛(wèi)星無法滿足區(qū)域或全球?qū)崟r(shí)通信的需要，必須要利用多顆衛(wèi)星組成的星座，依靠各衛(wèi)星對(duì)目標(biāo)區(qū)域覆蓋時(shí)隙的相互接續(xù)來完成對(duì)目標(biāo)區(qū)域的持續(xù)覆蓋，這導(dǎo)致了成本高、技術(shù)復(fù)雜的難題。

2 國(guó)外低軌星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)的發(fā)展概況

工作于低軌道的通信衛(wèi)星由于采用各種部件小型化和輕型化的技術(shù)，具有重量輕、研制周期短、成本低和易于發(fā)射等優(yōu)點(diǎn)，美、俄等國(guó)十分重視對(duì)此的應(yīng)用研究。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，從1985年至今，作為通信衛(wèi)星發(fā)射的低軌道小衛(wèi)星在國(guó)際衛(wèi)星發(fā)射表上有正式編號(hào)的就達(dá)160多顆。因此，利用低軌道小衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)通信是這些年來衛(wèi)星通信的一個(gè)發(fā)展熱點(diǎn)，也是實(shí)現(xiàn)全球無縫覆蓋的個(gè)人通信系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分。國(guó)外提出的方案很多，但至今真正發(fā)射組網(wǎng)并進(jìn)行運(yùn)營(yíng)的只有三個(gè)：銥（Iridium）、全球星（Globalstar）和軌道通信（Orbcomm）系統(tǒng)。表1給出了這三個(gè)系統(tǒng)的基本情況。

經(jīng)過十多年的運(yùn)營(yíng)，這些低軌衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)均克服了運(yùn)行初期遇到的困難，顯現(xiàn)出了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。目前，上述三大系統(tǒng)均已經(jīng)啟動(dòng)了其下一代計(jì)劃，其中，全球星系統(tǒng)已經(jīng)完成了24顆Globalstar 2衛(wèi)星的發(fā)射，軌道通信系統(tǒng)發(fā)射了18顆Orbcomm OG2衛(wèi)星，銥系統(tǒng)也即將在2016年啟動(dòng)Iridium-NEXT衛(wèi)星的發(fā)射。

此外，近些年還提出了以O(shè)neWeb、OuterNet、SpaceX為代表的新一代低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)，其特點(diǎn)是從提供窄帶移動(dòng)業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)向提供寬帶衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)。

表1 三個(gè)典型低軌衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)概況

3 發(fā)展我國(guó)低軌星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)的必要性分析

我國(guó)是一個(gè)幅員遼闊、自然災(zāi)害較多、經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速但不平衡、國(guó)際和國(guó)內(nèi)安全及治安任務(wù)又很重的國(guó)家，雖然電信業(yè)這些年得到飛速的發(fā)展，但受地理?xiàng)l件和經(jīng)濟(jì)因素的限制，目前地面通信網(wǎng)只覆蓋了國(guó)土面積的約15%，采用衛(wèi)星通信來解決對(duì)我國(guó)所有國(guó)土面積的覆蓋問題是一種較好的解決方案。

我國(guó)現(xiàn)有的通信系統(tǒng)對(duì)重大自然災(zāi)害如汶川、舟曲等地區(qū)的搶險(xiǎn)救災(zāi)缺乏有效保障手段，對(duì)遠(yuǎn)海和高緯度地區(qū)沒有通信能力，對(duì)全球范圍內(nèi)的維和維權(quán)、救援和科學(xué)考察、資源運(yùn)輸?shù)然顒?dòng)沒有我國(guó)主導(dǎo)的通信網(wǎng)絡(luò)，信息安全保密存在重大隱患，迫切需要建立我國(guó)自主控制的衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)。

低軌衛(wèi)星通信相對(duì)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(qiáng)、通信時(shí)延短、頻率利用率高、通信容量大、能全球覆蓋的特點(diǎn)，是衛(wèi)星移動(dòng)通信的重要手段。特別目前國(guó)際上對(duì)軌道、頻譜資源的爭(zhēng)奪日益白熱化。為占領(lǐng)太空制高點(diǎn)，迫切需要建立我國(guó)自主的全球天基信息系統(tǒng)，去爭(zhēng)取、維護(hù)我國(guó)的軌道和頻譜權(quán)益?！耙粠б宦贰庇?jì)劃的提出更是為低軌星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)的發(fā)展注入了巨大的推動(dòng)力。

GEO和LEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)在設(shè)計(jì)思想、技術(shù)手段、應(yīng)用領(lǐng)域等方面是有很大的不同，各有利弊，可以說分別代表了衛(wèi)星通信領(lǐng)域內(nèi)兩個(gè)不同的發(fā)展方向，各有其優(yōu)勢(shì)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(duì)其開展研究，而不是試圖通過重點(diǎn)研究某一方來削弱對(duì)另一方的研究。

經(jīng)過數(shù)十年的研究，我國(guó)在GEO衛(wèi)星通信技術(shù)方面已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展，正在縮小與國(guó)外先進(jìn)水平的差距；反觀在LEO衛(wèi)星通信技術(shù)方面的研究，受種種因素的限制，與國(guó)外先進(jìn)水平的差距則沒有得到明顯縮小，甚至有擴(kuò)大的趨勢(shì)。

因此，加強(qiáng)LEO衛(wèi)星通信技術(shù)研究，盡早建立我國(guó)自主的低軌星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)就顯得非常有必要。

4 發(fā)展我國(guó)低軌星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)面臨的一些問題

1.系統(tǒng)定位問題

由于衛(wèi)星通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)單位造價(jià)和用戶終端價(jià)格都要比地面通信網(wǎng)的貴，其業(yè)務(wù)難以被地面通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)的普通用戶所接受。因此，衛(wèi)星通信的市場(chǎng)定位應(yīng)該是地面通信的延伸和補(bǔ)充，主要服務(wù)于地面通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋不到的區(qū)域及有特殊通信需要的人群，以及滿足應(yīng)急通信和軍事通信等特殊通信需求。因此，大容量不應(yīng)該是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)，可用度才應(yīng)該是系統(tǒng)追求的目標(biāo)，從而解決我國(guó)衛(wèi)星通信長(zhǎng)期以來存在的“平時(shí)不想用、急時(shí)不好用”的問題。

2.建設(shè)費(fèi)用問題

系統(tǒng)建設(shè)和運(yùn)行成本高是影響LEO系統(tǒng)建設(shè)的主要因素之一，銥系統(tǒng)建設(shè)化費(fèi)了57億美元，全球星系統(tǒng)建設(shè)化費(fèi)了33億美元，照此推算，建立我國(guó)自主的LEO系統(tǒng)也至少需要200億元，而且由于我國(guó)LEO衛(wèi)星的壽命相對(duì)較短，過幾年就需要重新發(fā)射衛(wèi)星。因此，采用新技術(shù)、新方案，降低衛(wèi)星造價(jià)和發(fā)射費(fèi)用，延長(zhǎng)衛(wèi)星壽命是解決此問題的根本途徑。

3.關(guān)鍵技術(shù)問題

技術(shù)復(fù)雜是影響LEO系統(tǒng)建設(shè)的另一個(gè)主要因素，受星載器件能力所限，我國(guó)的LEO衛(wèi)星很可能不能如“銥”系統(tǒng)那樣完全基于星上處理和交換技術(shù)來設(shè)計(jì)系統(tǒng)，由于很難實(shí)現(xiàn)全球頻率協(xié)調(diào)，技術(shù)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(shè)置固定信關(guān)站，開展更廣泛的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)是解決此問題的出路。尚需解決的主要關(guān)鍵技術(shù)包括：

（1）涉及整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)：星地一體化的優(yōu)化設(shè)計(jì)、移動(dòng)性管理、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行控制與管理、空中接口、電磁兼容、系統(tǒng)時(shí)間同步等技術(shù)；

（2）涉及衛(wèi)星有效載荷的關(guān)鍵技術(shù)：多波束天線技術(shù)、高效功放技術(shù)、異軌星間通信技術(shù)、星上處理技術(shù)、支持高移動(dòng)性的拓?fù)淇刂坪吐酚蛇x擇技術(shù)等；

（3）在衛(wèi)星平臺(tái)方面，需要解決與標(biāo)準(zhǔn)化（能批量生產(chǎn)）、高功能密度、長(zhǎng)壽命和廉價(jià)化有關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)。

4.軍民融合問題

在潛在用戶空間不太大，并且已有多個(gè)國(guó)外系統(tǒng)競(jìng)爭(zhēng)的狀態(tài)下，完全依靠企業(yè)自已投入一筆巨資去建設(shè)一個(gè)民用低軌星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)，從經(jīng)濟(jì)上說是有很大風(fēng)險(xiǎn)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(zhǎng)期運(yùn)行維護(hù)依靠商業(yè)服務(wù)所得來支撐是一個(gè)較好發(fā)展策略，國(guó)外的發(fā)展道路也證明了這一點(diǎn)。

5.軌道結(jié)合問題

隨著國(guó)家利益的全球化，迫切需要建設(shè)一個(gè)我國(guó)自主可控的常態(tài)化全球衛(wèi)星通信系統(tǒng)。但由于我國(guó)沒有境外GEO通信衛(wèi)星軌道位置，也不能在境外設(shè)置信關(guān)站，因此，必須要發(fā)展LEO衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)。考慮到已有的和在建的衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要是采用GEO衛(wèi)星，需要解決好GEO和LEO綜合應(yīng)用的問題，逐步實(shí)現(xiàn)“區(qū)域覆蓋以GEO為主，全球服務(wù)以LEO為主”的全球信息傳輸服務(wù)。

6.頻率共用問題

由于同時(shí)存在GEO和LEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)，一方面，頻率資源極其有限，必須充分利用頻率復(fù)用技術(shù)以實(shí)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(gè)終端同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)現(xiàn)頻率共用對(duì)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(duì)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致這種頻率復(fù)用非常復(fù)雜，弄得不好會(huì)造成非常嚴(yán)重的系統(tǒng)間干擾，因此，需要系統(tǒng)采用非常復(fù)雜的資源動(dòng)態(tài)調(diào)度技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)GEO和LEO衛(wèi)星之間的頻率復(fù)用。

5.發(fā)展我國(guó)低軌星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)的一種方案

在GEO衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)已經(jīng)啟動(dòng)建設(shè)、用戶空間還沒有被充分開發(fā)、可用頻率資源又極為緊張的背景下，如何發(fā)展LEO衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)是一個(gè)需要作深入探討的問題，或者說必須要解決好綜合應(yīng)用GEO和LEO的問題。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(gè)系統(tǒng)中，先由一顆或多顆GEO衛(wèi)星組成一個(gè)初期系統(tǒng)，隨著業(yè)務(wù)量的增大、技術(shù)的成熟，逐步增加LEO衛(wèi)星，最終達(dá)到由GEO衛(wèi)星和LEO衛(wèi)星共同組成一個(gè)空間段，向用戶提供統(tǒng)一的信息服務(wù)。達(dá)到的最終目標(biāo)是一個(gè)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(bǔ)充和備份，從而提高整個(gè)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的性能，也便于實(shí)施分階段建設(shè)的計(jì)劃。

GEO和LEO衛(wèi)星的結(jié)合可包括下列幾個(gè)方面：

（1）覆蓋結(jié)合：GEO衛(wèi)星系統(tǒng)主要覆蓋我國(guó)領(lǐng)土及附近海域（稱為主服務(wù)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(gòu)成對(duì)全球主要地區(qū)的間斷覆蓋），兩者對(duì)主服務(wù)區(qū)構(gòu)成雙重覆蓋。在主服務(wù)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(dān)。

（2）業(yè)務(wù)結(jié)合：由于GEO衛(wèi)星系統(tǒng)在提供廣播業(yè)務(wù)和寬帶業(yè)務(wù)方面有優(yōu)勢(shì)，而LEO衛(wèi)星系統(tǒng)在提供手持機(jī)式的窄帶業(yè)務(wù)方面有優(yōu)勢(shì)，通過結(jié)合在一個(gè)大系統(tǒng)中可以同時(shí)提供廣播業(yè)務(wù)、寬帶業(yè)務(wù)和包括對(duì)手持機(jī)的窄帶業(yè)務(wù)。

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

（4）鏈路結(jié)合：由于系統(tǒng)在主服務(wù)區(qū)外很難建立信關(guān)站，當(dāng)LEO衛(wèi)星運(yùn)行到不能與主服務(wù)區(qū)內(nèi)的地面信關(guān)站直接進(jìn)行通信的軌道弧段時(shí)，為了利用這些衛(wèi)星向處在當(dāng)?shù)氐挠脩籼峁┩ㄐ欧?wù)，就必須要采用星際鏈路。此星際鏈路可以是在LEO衛(wèi)星之間，也可以是在LEO衛(wèi)星與GEO衛(wèi)星之間。由于靜止軌道衛(wèi)星位置固定，后一種星際鏈路實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單。在此條件下，GEO衛(wèi)星作為L(zhǎng)EO衛(wèi)星的中繼節(jié)點(diǎn)，如果能在我國(guó)領(lǐng)土兩側(cè)放置兩顆此類衛(wèi)星就可以利用LEO系統(tǒng)建立一個(gè)覆蓋全球主要地區(qū)的通信系統(tǒng)。

6 結(jié)束語

采用低軌道通信小衛(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(guó)衛(wèi)星通信能力不能很好滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國(guó)防建設(shè)需要的問題。從技術(shù)上講，低軌小衛(wèi)星通信技術(shù)是有別于傳統(tǒng)GEO衛(wèi)星通信技術(shù)的一種新技術(shù)，面對(duì)國(guó)外投入巨資大力發(fā)展的情況，迫切需要國(guó)家加大投入力度，開展關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和系統(tǒng)演示驗(yàn)證，以逐步縮小與國(guó)際先進(jìn)水平的差距。從經(jīng)濟(jì)上來說，隨著國(guó)家利益的拓展、國(guó)家經(jīng)濟(jì)實(shí)力的提升和技術(shù)的進(jìn)步，這種新的解決手段能夠以適當(dāng)?shù)拇鷥r(jià)滿足我國(guó)未來對(duì)全球衛(wèi)星移動(dòng)通信的迫切需要。總之，建立一個(gè)軍民合用、主要用作為地面通信系統(tǒng)的延伸和補(bǔ)充、綜合應(yīng)用靜止軌道和低軌道衛(wèi)星的衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)是一個(gè)相對(duì)現(xiàn)實(shí)、可行的發(fā)展策略。

［1］ 張更新，張杭 .衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng). 北京：人民郵電出版社，2001年10月第一版

［2］ 張更新，甘仲民 .淺論我國(guó)衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的發(fā)展思路和策略. 數(shù)字通信世界，2005年第7期，2005（7）：24-27

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

［4］ 張更新 .現(xiàn)代小衛(wèi)星及其應(yīng)用. 北京：人民郵電出版社，2009年4月第一版

張有志：海軍司令部信息化部科研辦工程師，主要從事衛(wèi)星通信方面的工作。

哈斯巴特：解放軍66471部隊(duì)68分隊(duì)高級(jí)工程師，主要從事衛(wèi)星通信方面的工作。

張更新：解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院教授，主要從事衛(wèi)星通信、深空通信和衛(wèi)星導(dǎo)航方面的工作。