衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀分析

龐江成，徐小濤，李 超

（國(guó)防科技大學(xué)信息通信學(xué)院，武漢 430000）

二戰(zhàn)后，出于國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的需要，衛(wèi)星通信進(jìn)入了人們的視野。經(jīng)過(guò)幾十年的飛速發(fā)展，衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)包含的內(nèi)容已經(jīng)非常廣泛，包括電視直播、衛(wèi)星音頻廣播、衛(wèi)星寬帶、衛(wèi)星固定通信、衛(wèi)星移動(dòng)通信以及對(duì)地觀測(cè)等業(yè)務(wù)，本文主要探討分析衛(wèi)星移動(dòng)通信的發(fā)展現(xiàn)狀。衛(wèi)星移動(dòng)通信是指利用人造地球衛(wèi)星作為中繼站，轉(zhuǎn)發(fā)移動(dòng)用戶間或移動(dòng)用戶與固定用戶間用于進(jìn)行通信的無(wú)線電波，實(shí)現(xiàn)兩點(diǎn)或多點(diǎn)之間的移動(dòng)通信[1]。衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)相比于其他通信系統(tǒng)的固有優(yōu)勢(shì)，是其保持飛速發(fā)展和技術(shù)不斷進(jìn)步的關(guān)鍵因素，其優(yōu)勢(shì)在于通信覆蓋范圍廣、通信費(fèi)用不受距離的影響、能夠適應(yīng)各種地理?xiàng)l件下的通信，對(duì)于連接地面固定通信保障范圍之外的高山、海洋、海島和高原等偏遠(yuǎn)地區(qū)的通信具有重要意義。本文通過(guò)分析衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外最新發(fā)展現(xiàn)狀，探討其在應(yīng)用和發(fā)展趨勢(shì)。

衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)按照軌道類型可以分為靜止軌道衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)和星座軌道衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)。靜止軌道衛(wèi)星軌道高度一般為3.6萬(wàn)km，采用同步軌道，特點(diǎn)是傳播時(shí)延大，不能實(shí)現(xiàn)兩極覆蓋，投資少、技術(shù)復(fù)雜度低；衛(wèi)星一般采用大型多波束天線、高功率等技術(shù)。星座軌道衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的軌道高度包括中軌道、低軌道和極低軌道，軌道高度分布在50-20000km之間，其中，中軌道衛(wèi)星主要作用是進(jìn)行信號(hào)中繼和作為星上交換核心，低軌道和極低軌道衛(wèi)星主要進(jìn)行與地面終端進(jìn)行信息傳輸。優(yōu)點(diǎn)是衛(wèi)星鏈路傳播損耗小、傳播時(shí)延短、衛(wèi)星部署靈活多樣，可以實(shí)現(xiàn)真正的全球覆蓋；缺點(diǎn)是需要衛(wèi)星數(shù)量較多，運(yùn)行管理復(fù)雜。

表1 靜止軌道和星座軌道衛(wèi)星對(duì)比

1 衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀

靜止軌道移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的典型代表是國(guó)際移動(dòng)衛(wèi)星公司經(jīng)營(yíng)的Inmarsat系統(tǒng)、阿聯(lián)酋的Thuraya系統(tǒng)和北美衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)MSAT。星座軌道衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的典型代表有美國(guó)的銥星系統(tǒng)、全球星系統(tǒng)和空中互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)等，均已投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)。

表2 國(guó)內(nèi)外典型衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)分類

1.1 靜止軌道衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)

1.1.1 北美衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)（MSAT）

作為世界上第一個(gè)區(qū)域性衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)，MSAT系統(tǒng)由加拿大通信部和美國(guó)宇航局于1983年聯(lián)合開(kāi)發(fā)，空間段包括2顆衛(wèi)星，覆蓋區(qū)域?yàn)榧幽么蠛兔绹?guó)地區(qū)，包括夏威夷、墨西哥和加勒比群島等區(qū)域。MSAT系統(tǒng)使用兩種頻段：L頻段和Ku頻段，L頻段用于衛(wèi)星和移動(dòng)終端之間的信息傳輸，而Ku頻段用于衛(wèi)星與關(guān)口站、基站、中心控制站之間的通信。MSAT提供的業(yè)務(wù)比較豐富，大體可分為兩類，一類是公眾通信業(yè)務(wù)，如移動(dòng)電話業(yè)務(wù)、移動(dòng)無(wú)線電業(yè)務(wù)和移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)等；一類是專用通信業(yè)務(wù)，如航空業(yè)務(wù)、終端可搬移業(yè)務(wù)和尋呼業(yè)務(wù)等。

1.1.2 海事衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)（Inmarsat）

海事衛(wèi)星是一個(gè)全球覆蓋的移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)，在海上常規(guī)通信、遇險(xiǎn)與安全通信及特殊通信中起到了重要作用[2]。海事衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)在全球的應(yīng)用非常廣泛，迄今為止經(jīng)歷了第一代到第四代的發(fā)展，其中第四代共有3顆衛(wèi)星，分別分布在大西洋、印度洋和太平洋上空，具有覆蓋面積廣、通信容量大、通信質(zhì)量高、可全時(shí)通信等特點(diǎn)。海事衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初是為了滿足美國(guó)海軍通信需求，后經(jīng)過(guò)不斷發(fā)展，由國(guó)際海事衛(wèi)星組織負(fù)責(zé)運(yùn)營(yíng)，應(yīng)用重心向民用偏移，不僅能夠?yàn)楹Ｉ洗坏暮叫刑峁┓€(wěn)定的通信聯(lián)絡(luò)，增強(qiáng)航行的安全保障，而且也可實(shí)現(xiàn)陸地、航空等領(lǐng)域的通信保障。海事衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的組成包括空間段衛(wèi)星、海上終端、岸上終端以及網(wǎng)絡(luò)操作控制中心等，能夠?qū)崿F(xiàn)話音、傳真、報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)、遇險(xiǎn)呼叫、高速數(shù)據(jù)和視頻傳輸?shù)葮I(yè)務(wù)功能。

1.1.3 瑟拉亞系統(tǒng)（Thuraya）

Thuraya系統(tǒng)是一個(gè)由總部設(shè)在阿聯(lián)酋阿布扎比的Thuraya衛(wèi)星通信公司建立的區(qū)域性靜止衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)[3]。從2000年至2008年，阿聯(lián)酋瑟拉亞衛(wèi)星通信公司共發(fā)射了三顆衛(wèi)星，組建了瑟拉亞衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)，這是中東第一個(gè)衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)，主要覆蓋范圍是亞太地區(qū)。瑟拉亞系統(tǒng)融合了通信和定位兩大業(yè)務(wù)模塊，既能實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、傳真、短信等通信業(yè)務(wù)，也能提供GPS定位服務(wù)，并且，通過(guò)瑟拉亞衛(wèi)星移動(dòng)終端，可以使用普通的手機(jī)SIM卡，接入GSM網(wǎng)絡(luò)，從而撥打任何地方的電話。

1.2 星座軌道衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)

1.2.1 銥系統(tǒng)

銥系統(tǒng)最初由摩托羅拉公司設(shè)計(jì)運(yùn)營(yíng)，其中的“銥”來(lái)自銥原子，該系統(tǒng)在設(shè)計(jì)之初計(jì)劃由77顆分別圍繞7個(gè)極地圓軌道運(yùn)行的小型衛(wèi)星組成，其衛(wèi)星數(shù)量與銥原子的電子數(shù)相同而由此得名。雖然后來(lái)由于具體設(shè)計(jì)原因改為66顆衛(wèi)星和6個(gè)軌道，但名稱仍然得到沿用。銥系統(tǒng)采用了星上處理、星上交換和星際鏈路技術(shù)，其中星際鏈路是一巨大突破和優(yōu)勢(shì)，類似于地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)，但是從另一方面來(lái)看也增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度和投資成本。除了話音業(yè)務(wù)外，銥系統(tǒng)還可提供傳真、數(shù)據(jù)、定位和尋呼等業(yè)務(wù)，主要服務(wù)于野外旅行、遠(yuǎn)洋航海、航空、應(yīng)急救援以及邊遠(yuǎn)地區(qū)通信。然而，由于經(jīng)營(yíng)決策失誤，銥系統(tǒng)在2000年陷入倒閉困境，后得到美國(guó)國(guó)防部的支持，成立了新的銥公司，得以繼續(xù)運(yùn)營(yíng)，并且為美軍提供保密通信服務(wù)。最新消息顯示，美軍繼續(xù)選用銥星提供LEO星座衛(wèi)星服務(wù)，銥公司獲得了美國(guó)防部7年7.385億美元的合同，為銥公司2017年開(kāi)始部署的“IridiumNEXT”第二星座的發(fā)展注入了巨大能量。IridiumNEXT移動(dòng)用戶的最高數(shù)據(jù)速率可達(dá)128kb/s，數(shù)據(jù)用戶可達(dá)1.5Mb/s，Ka頻段固定站不低于8Mb/s，IridiumNEXT主要瞄準(zhǔn)IP寬帶網(wǎng)絡(luò)化和載荷能力的可擴(kuò)展、可升級(jí)，這些能力使得它能夠適應(yīng)未來(lái)空間信息應(yīng)用的復(fù)雜需求[4]。據(jù)合同項(xiàng)目計(jì)劃，銥星公司將通過(guò)66顆近地軌道衛(wèi)星繼續(xù)提供全球安全和非密話音、廣播、網(wǎng)絡(luò)或分布式戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)（DTCS）的接入服務(wù)，并為不限數(shù)量的國(guó)防部和國(guó)防部批準(zhǔn)的相關(guān)用戶選擇其他服務(wù)。

1.2.2 全球星系統(tǒng)

全球星系統(tǒng)由48顆衛(wèi)星組成，是覆蓋了除南北極以外地區(qū)的全球衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)，由美國(guó)勞拉公司和高通公司倡導(dǎo)發(fā)起，并與多家國(guó)際公司合作建立。全球星衛(wèi)星系統(tǒng)的用戶可以使用雙模移動(dòng)終端，既能在地面移動(dòng)蜂窩網(wǎng)中工作，也可以在蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋不到的地區(qū)轉(zhuǎn)為衛(wèi)星通信模式，真正實(shí)現(xiàn)全球無(wú)盲區(qū)（除南北極）個(gè)人通信。系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)包括話音、傳真、數(shù)據(jù)、短報(bào)文和定位等業(yè)務(wù)。與銥系統(tǒng)相比，全球星系統(tǒng)沒(méi)有采用星際鏈路技術(shù)，不需要進(jìn)行星上處理，因此投資費(fèi)用較少，技術(shù)復(fù)雜度較低，可靠性更高。

1.2.3 OneWeb衛(wèi)星星座系統(tǒng)

OneWeb公司成立于2012年，致力于依靠低軌道衛(wèi)星建立覆蓋全球的高速通信網(wǎng)絡(luò)。OneWeb公司獲得了多家國(guó)際公司的資金和技術(shù)支持，包括法國(guó)空客、美國(guó)高通、可口可樂(lè)、日本軟銀、英國(guó)國(guó)防部等。由于采用了模塊化設(shè)計(jì)，OneWeb衛(wèi)星具有體積小、質(zhì)量輕的特點(diǎn)，并且研發(fā)創(chuàng)新了新的生產(chǎn)設(shè)備，保證了高生產(chǎn)率和低成本的優(yōu)勢(shì)結(jié)合，在諸多星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)中有著較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。OneWeb計(jì)劃第一批發(fā)射650顆衛(wèi)星，后期將增加到1980顆，實(shí)現(xiàn)包括兩極在內(nèi)的全球覆蓋，在地球的任何地方都能為用戶提供高速寬帶服務(wù)。2019年2月，OneWeb發(fā)射了6顆測(cè)試衛(wèi)星，并在通信測(cè)試中網(wǎng)速達(dá)到了400Mb/s，平均延遲32ms，公司計(jì)劃2020年提供部分寬帶服務(wù)，2021年打造完成完整的全球星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)。值得一提的是，OneWeb星座系統(tǒng)還將大力應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，其衛(wèi)星數(shù)量多，移動(dòng)速度快，相當(dāng)于一個(gè)個(gè)高速移動(dòng)的空中基站，敵方難以對(duì)其干擾，并且采用了先進(jìn)的加密技術(shù)，降低了被竊密的可能性。

1.2.4 SpaceX星鏈衛(wèi)星系統(tǒng)

SpaceX公司的全稱是太空探索技術(shù)公司，是一家美國(guó)太空運(yùn)輸公司，2010年12月首次實(shí)現(xiàn)了太空飛船的發(fā)射與回收，是目前惟一掌握太空飛船回收技術(shù)的公司，在太空探索方面有著雄厚的技術(shù)和資金支撐。2018年SpaceX公司公布了其衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)計(jì)劃，決定建立低軌道星座衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)，為全球提供寬帶業(yè)務(wù)，計(jì)劃在2024年前之前發(fā)射4425顆衛(wèi)星，部署在地球上方1150千米至1325千米處的近地軌道，傳播波段介于Ku和Ka之間；并且在更低的軌道投放7518顆衛(wèi)星，部署于地球上方335千米至346千米之間的極地地球軌道，使用V波段傳輸數(shù)據(jù)。目前，美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)已經(jīng)批準(zhǔn)了SpaceX公司的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)計(jì)劃。

除上述幾種典型的衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)之外，靜止軌道衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)還有Solaris、TerraStar、SkyTerra系統(tǒng)等，星座軌道衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)有軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)（Orbcomm）、亞馬遜的ProjectKuiper系統(tǒng)等。從整個(gè)發(fā)展歷程來(lái)看，隨著地面固定通信系統(tǒng)的迅猛發(fā)展，衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的發(fā)展曾進(jìn)入低谷，但是由于其具有的固有優(yōu)勢(shì)和巨大的軍事通信應(yīng)用價(jià)值，又重新受到了人們的重視，尤其是各大軍事強(qiáng)國(guó)，受“太空戰(zhàn)”思想的影響，紛紛搶占軌道空間資源，各大國(guó)際商業(yè)巨頭也看到了衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)蘊(yùn)含的巨大商機(jī)，從而進(jìn)一步加大了資金投入，加速了技術(shù)進(jìn)步和換代更新，使衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)進(jìn)入發(fā)展的高潮期。

表3 幾種典型衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)對(duì)比

2 衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

我國(guó)國(guó)土幅員遼闊，地形復(fù)雜，有大量地面移動(dòng)通信系統(tǒng)難以覆蓋的地區(qū)，對(duì)衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)有很大的需求。隨著航天事業(yè)的發(fā)展進(jìn)步，一方面，我國(guó)通過(guò)國(guó)際合作積極參加衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的建設(shè)，在使用其服務(wù)的過(guò)程中，積累經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)教訓(xùn)，研發(fā)技術(shù)。例如，我國(guó)與全球星系統(tǒng)簽署服務(wù)協(xié)議，參與全球星系統(tǒng)地面關(guān)口站的建設(shè)，分別在北京、廣州和蘭州建立關(guān)口站，實(shí)現(xiàn)全國(guó)范圍覆蓋。銥系統(tǒng)在中國(guó)不僅建設(shè)了關(guān)口站，而且其中的22顆衛(wèi)星由中國(guó)的長(zhǎng)征二號(hào)丙火箭發(fā)射，并成功進(jìn)入預(yù)定軌道，為銥系統(tǒng)的運(yùn)行提供了必要條件。另一方面，我國(guó)緊跟世界移動(dòng)衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)展步伐，積極開(kāi)展自主創(chuàng)新與研發(fā)，建立自己的衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)，目前有靜止軌道衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)“天通一號(hào)”，星座衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)“虹云”系統(tǒng)、“鴻雁”系統(tǒng)等。

2.1 國(guó)內(nèi)靜止軌道衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)

2.1.1 系統(tǒng)發(fā)展過(guò)程

2008年汶川地震后我國(guó)啟動(dòng)了衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的論證和設(shè)計(jì)；2010、2011年，在“鑫諾6號(hào)”和“中星1A”搭載了MSS載荷驗(yàn)證試驗(yàn)，使用S頻段；2012年啟動(dòng)“天通一號(hào)”衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)研制建設(shè)；2016年發(fā)射第一顆衛(wèi)星，建成系統(tǒng)容量100萬(wàn)臺(tái)，區(qū)域覆蓋的衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)；計(jì)劃于2020年以后發(fā)射第二、第三顆衛(wèi)星，用于完善網(wǎng)絡(luò)、增大總量、擴(kuò)大衛(wèi)星覆蓋范圍?！疤焱ㄒ惶?hào)”衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)是根據(jù)我國(guó)軍民融合發(fā)展特點(diǎn)、著眼作戰(zhàn)使用需求，采用自主制定的通信標(biāo)準(zhǔn)、集成北斗定位技術(shù)而研發(fā)的首個(gè)衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)，被稱為“中國(guó)版”的海事衛(wèi)星，填補(bǔ)了我國(guó)自主衛(wèi)星移動(dòng)通信服務(wù)的空白。

2.1.2 系統(tǒng)組成和特點(diǎn)

“天通一號(hào)”衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)屬于地球同步靜止軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)，由空間段、地面段和用戶段組成，空間段計(jì)劃由多顆地球同步軌道移動(dòng)通信衛(wèi)星組成，有望成為繼海事系統(tǒng)之后的第二大全球移動(dòng)通信衛(wèi)星系統(tǒng)。其主要特點(diǎn)表現(xiàn)在：

（1）覆蓋范圍大。目前，雖然“天通一號(hào)”僅有一顆衛(wèi)星上天，即“天通一號(hào)”01星，但是其覆蓋范圍已經(jīng)非常廣闊，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)中國(guó)及周邊、中東、非洲等相關(guān)地區(qū)以及太平洋、印度洋大部分海域的覆蓋。在01星覆蓋范圍內(nèi)，無(wú)論是海洋、山區(qū)、森林，還是高原、沙漠、戈壁，信息的傳遞都可以實(shí)現(xiàn)暢通無(wú)阻，無(wú)縫連接，排除了復(fù)雜地形對(duì)通信的不利影響。待“天通一號(hào)”所有衛(wèi)星發(fā)射完畢，將真正實(shí)現(xiàn)全球無(wú)縫覆蓋。

（2）應(yīng)用領(lǐng)域廣?！疤焱ㄒ惶?hào)”衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，在軍事領(lǐng)域，不僅能夠滿足軍事訓(xùn)練、作戰(zhàn)的通信需求，而且可以在諸如海外維和、護(hù)航行動(dòng)、反恐維穩(wěn)、搶險(xiǎn)救災(zāi)等各類非戰(zhàn)爭(zhēng)軍事行動(dòng)中發(fā)揮重要作用；在民用領(lǐng)域，可以有效保障個(gè)人、企業(yè)的通信業(yè)務(wù)，還可以有效完成應(yīng)急救援、地質(zhì)勘測(cè)、科學(xué)考察等特殊行業(yè)的通信保障任務(wù)。

（3）保密性能好?！疤焱ㄒ惶?hào)”衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)采用中國(guó)自主研發(fā)的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)平臺(tái)、芯片模塊和通信終端，具有軍用級(jí)保密防護(hù)能力，安全性很高。

（4）資費(fèi)價(jià)格低。長(zhǎng)期以來(lái)，由于國(guó)外的技術(shù)壁壘和市場(chǎng)壟斷，導(dǎo)致衛(wèi)星移動(dòng)通信的資費(fèi)價(jià)格昂貴，經(jīng)濟(jì)性很差，而“天通一號(hào)”采用國(guó)內(nèi)1740專屬號(hào)段，通信成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于海事等國(guó)外衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)。

（5）終端種類多?！疤焱ㄒ惶?hào)”衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)支持各類終端接入，包括手持式終端、車(chē)載終端、艦載終端、機(jī)載終端、固定式終端和便攜式終端等。未來(lái)還將推出依托智能手機(jī)的集成終端，與目前的地面移動(dòng)通信系統(tǒng)深度融合，實(shí)現(xiàn)終端的無(wú)盲區(qū)通聯(lián)。

2.1.3 系統(tǒng)主要業(yè)務(wù)

“天通一號(hào)”衛(wèi)星通信系統(tǒng)的業(yè)務(wù)范圍目前主要面向應(yīng)急通信、野外作業(yè)、野外及海洋物聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用領(lǐng)域。主要業(yè)務(wù)有：

（1）短信業(yè)務(wù)。支持網(wǎng)內(nèi)和出網(wǎng)短消息，可與地面公網(wǎng)移動(dòng)終端互聯(lián)互通。

（2）話音業(yè)務(wù)?？蓳艽蛉蛉我獾孛婀潭ê鸵苿?dòng)電話。

（3）數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。數(shù)據(jù)傳輸速率9.6-384kb/s，互聯(lián)網(wǎng)接入速率64-384kb/s。

2.2 國(guó)內(nèi)星座軌道衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)

2.2.1“虹云”系統(tǒng)

2018年12月，“虹云”系統(tǒng)第一顆試驗(yàn)衛(wèi)星發(fā)射成功，這也是我國(guó)第一顆低軌道寬帶通信試驗(yàn)衛(wèi)星。“虹云”衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)是由中國(guó)航天科工集團(tuán)設(shè)計(jì)研發(fā)的我國(guó)第一套移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)，旨在構(gòu)建覆蓋全球的星座軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)，系統(tǒng)中融合了導(dǎo)航增強(qiáng)、多樣化遙感等業(yè)務(wù)功能，可以實(shí)現(xiàn)通信、導(dǎo)航、遙感的信息一體化?！昂缭啤毕到y(tǒng)計(jì)劃分三步進(jìn)行部署：2018年底發(fā)射首顆衛(wèi)星；“十三五”末至“十四五”初，發(fā)射4顆業(yè)務(wù)試驗(yàn)衛(wèi)星；“十四五”期間完成全部星座衛(wèi)星部署。整個(gè)系統(tǒng)將由156顆衛(wèi)星組成，運(yùn)行軌道高度為1000千米，可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)500Mb/s的傳輸速度，目前，“虹云”系統(tǒng)已經(jīng)順利完成網(wǎng)絡(luò)通信測(cè)試。

2.2.2“鴻雁”系統(tǒng)

“鴻雁”系統(tǒng)主要由中國(guó)航天科技集團(tuán)有限公司聯(lián)合多家國(guó)內(nèi)企業(yè)和研究院共同投資研發(fā)，于2018年發(fā)射首顆衛(wèi)星，計(jì)劃在2023年建成骨干星座系統(tǒng)?！傍櫻恪毕到y(tǒng)計(jì)劃由300余顆衛(wèi)星組成星鏈，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信和導(dǎo)航增強(qiáng)等業(yè)務(wù)，傳輸短報(bào)文、圖片、音視頻等過(guò)媒體數(shù)據(jù)，支持全天候、全時(shí)段、全地形的雙向通信。同時(shí)，“鴻雁”系統(tǒng)還具有數(shù)據(jù)采集功能，通過(guò)大地域信息收集，服務(wù)于海洋、氣象、交通、環(huán)保、地質(zhì)、防災(zāi)減災(zāi)等領(lǐng)域。

總體來(lái)看，雖然我國(guó)在衛(wèi)星移動(dòng)通信領(lǐng)域的發(fā)展起步較晚，技術(shù)積累比較薄弱，但是在國(guó)家的大力支持和強(qiáng)大的需求牽引下，我國(guó)的衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入快車(chē)道。在此之前，我國(guó)長(zhǎng)期通過(guò)簽署服務(wù)協(xié)議使用國(guó)外商用移動(dòng)通信衛(wèi)星，資費(fèi)昂貴，不僅不能保證通信的安全性，而且信息資源的自主調(diào)配也受到很大限制，在國(guó)際衛(wèi)星移動(dòng)通信蓬勃發(fā)展的大背景下，我國(guó)正在積極主動(dòng)參與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)，加強(qiáng)自主創(chuàng)新力度，建成屬于自己的衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)。

3 衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)分析

3.1 應(yīng)急救援

衛(wèi)星移動(dòng)通信應(yīng)用的顯著特點(diǎn)是可提供不受地理環(huán)境、氣候條件限制的通信服務(wù)，適用于地面通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋不完善、通信質(zhì)量無(wú)法保證、甚至無(wú)法提供服務(wù)的廣大地區(qū)[5]。地震、海嘯、洪水、冰雪冰凍等自然災(zāi)害對(duì)地面移動(dòng)和固定通信系統(tǒng)會(huì)造成致命打擊，當(dāng)線路中斷、基站被毀，會(huì)形成暫時(shí)的“信息孤島”，無(wú)法及時(shí)傳遞受災(zāi)情況和救援信息，為開(kāi)展救援工作帶來(lái)巨大的困難，而衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)不受各種地面災(zāi)害的影響，在極端情況下依然能夠保持通信順暢，依靠穩(wěn)定的話音、數(shù)據(jù)、圖像傳輸，能夠在各類搶險(xiǎn)救災(zāi)、海上搜救等應(yīng)急救援工作中發(fā)揮巨大作用。

3.2 盲區(qū)覆蓋

當(dāng)前地面移動(dòng)通信系統(tǒng)的覆蓋區(qū)域多為人口密集地區(qū)，主要依靠光纜和基站建立的蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)，而在高山、戈壁、海島、森林、海洋等邊遠(yuǎn)地區(qū)，沒(méi)有基站的覆蓋，通信難以達(dá)成，成為現(xiàn)代社會(huì)的通信盲區(qū)。衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)通過(guò)衛(wèi)星作為中繼，甚至可以建立星間鏈路，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的全球無(wú)縫覆蓋，而且隨著技術(shù)的進(jìn)步，各類手持終端逐步趨向小型化、智能化、雙?；谷蛲ㄐ鸥颖憬?，為野外探險(xiǎn)、遠(yuǎn)洋航行、礦產(chǎn)勘探等活動(dòng)的順利開(kāi)展提供了保障。

3.3 跨域通信

跨域通信優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在軍事應(yīng)用領(lǐng)域，隨著“一帶一路”的建設(shè)進(jìn)程加快，我國(guó)對(duì)外經(jīng)貿(mào)增多，海外權(quán)益得到大大拓展，域外的反恐行動(dòng)、維和行動(dòng)、海上護(hù)航行動(dòng)以及海外軍事基地建設(shè)等對(duì)跨域通信保障提出了更高的要求。首先，傳統(tǒng)的軍事通信如無(wú)線電、散射等通信，不僅距離無(wú)法達(dá)到，而且通信容量有限，無(wú)法滿足跨域通信的要求；其次，借助民用通信，保密性低，達(dá)不到軍事通信的要求。衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)，傳輸距離遠(yuǎn)，覆蓋范圍廣，通信容量大，保密性能好，能夠很好滿足跨域遠(yuǎn)程軍事通信的需要。

3.4 衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)

隨著4G、5G技術(shù)的進(jìn)步和應(yīng)用，大大推動(dòng)了物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，城市物聯(lián)網(wǎng)往往借助傳統(tǒng)的地面移動(dòng)通信系統(tǒng)建立，但是，若在偏遠(yuǎn)地區(qū)實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)，衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)是有效途徑。衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用場(chǎng)景非常豐富，如野生動(dòng)物保護(hù)，對(duì)于瀕危動(dòng)物、珍稀鳥(niǎo)禽的定位監(jiān)控、生理狀況采集是非常有效的保護(hù)手段，能夠防止偷獵，并且及時(shí)發(fā)現(xiàn)和救助遇險(xiǎn)動(dòng)物；自然災(zāi)害防治，森林防火、地質(zhì)災(zāi)害、水災(zāi)旱災(zāi)預(yù)警，通過(guò)部署攜帶衛(wèi)星終端的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，可在無(wú)人值守的情況下自主預(yù)警；另外，環(huán)境監(jiān)測(cè)、畜牧養(yǎng)殖漁業(yè)、無(wú)人機(jī)遠(yuǎn)程控制等可以很好地應(yīng)用到衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)。

4 衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)

4.1 低延時(shí)

低延時(shí)是衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，也是星座軌道衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的一大優(yōu)勢(shì)。首先，星座軌道衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的軌道高度普遍在距離地面1500千米以下的低軌道，甚至可以部署在距地球表面幾百千米的極低軌道；其次，星座軌道衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的在軌衛(wèi)星數(shù)量多，衛(wèi)星密度大，衛(wèi)星與衛(wèi)星之間的距離近。因此，信號(hào)的傳輸距離近，相較于靜止軌道衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)平均500毫秒的高延時(shí)，星座軌道衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)具有低延時(shí)的巨大優(yōu)勢(shì)，平均延時(shí)僅為幾十毫秒，可以充分滿足用戶的實(shí)時(shí)通話、短信和數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)需求。同時(shí)，星座軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)還具有全覆蓋、速率高、容量大、成本低、部署簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，近幾年發(fā)展迅速的幾大衛(wèi)星通信系統(tǒng)，如OneWeb、SpaceX以及中國(guó)的“虹云”、“鴻雁”等系統(tǒng)，均采用的是星座軌道衛(wèi)星進(jìn)行部署。

4.2 小型化

隨著微電子技術(shù)的發(fā)展和星座衛(wèi)星系統(tǒng)的不斷涌現(xiàn)，衛(wèi)星小型化是必然趨勢(shì)。小型衛(wèi)星具有體積小、重量輕、集成化高等特點(diǎn)，制造和發(fā)射成本低，發(fā)射方式靈活，可以實(shí)現(xiàn)“一箭多星”，大大縮短了發(fā)射周期。小型化衛(wèi)星對(duì)衛(wèi)星星座系統(tǒng)的部署具有重要意義，衛(wèi)星星座系統(tǒng)需要部署數(shù)量眾多的衛(wèi)星，依靠小型衛(wèi)星的優(yōu)勢(shì)，大大加快了衛(wèi)星星座系統(tǒng)的部署進(jìn)度。同時(shí)，小型化衛(wèi)星的大量應(yīng)用有利于充分利用有限的空間軌道資源。

4.3 智能化

中國(guó)在2018年11月20日發(fā)射了國(guó)內(nèi)第一顆軟件定義衛(wèi)星，隨著軟件定義衛(wèi)星技術(shù)的進(jìn)步，衛(wèi)星將向智能化方向發(fā)展。軟件定義衛(wèi)星是以天基先進(jìn)計(jì)算機(jī)平臺(tái)和星載通用操作環(huán)境為核心，采用開(kāi)放系統(tǒng)構(gòu)架，支持有效載荷即插即用、應(yīng)用軟件按需加載、系統(tǒng)功能按需重構(gòu)的新一代衛(wèi)星系統(tǒng)[6]。軟件定義的概念最早來(lái)源于軟件定義無(wú)線電，隨著網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)、人工智能和編程技術(shù)的進(jìn)步，軟件定義在多個(gè)領(lǐng)域得到應(yīng)用。傳統(tǒng)的衛(wèi)星從設(shè)計(jì)之初就決定了其功能和性能，即使后期可以升級(jí)，也只是更換部分易損耗的部件或小部分換件，成本高、周期長(zhǎng)、難度大，而軟件定義衛(wèi)星使得衛(wèi)星的軟件和硬件相對(duì)獨(dú)立，在規(guī)范的操作系統(tǒng)下，可以按照不同需求安裝、加載各類軟件，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)衛(wèi)星向智能化衛(wèi)星的變革。

4.4 大容量

隨著衛(wèi)星星座系統(tǒng)的加速發(fā)展，移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)與地面移動(dòng)通信的融合程度越來(lái)越高，要求移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)必須具有更高的帶寬，以滿足越來(lái)越大的通信容量需求。運(yùn)用激光衛(wèi)星通信技術(shù)可以大大提高衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的容量，激光衛(wèi)星通信技術(shù)可以將光功率集中在非常窄的光束中，相當(dāng)于在衛(wèi)星與衛(wèi)星、衛(wèi)星與地面之間架設(shè)了無(wú)形的光纜，開(kāi)辟了通信頻道的新領(lǐng)域，使通信帶寬顯著增加，衛(wèi)星的尺寸、重量、功耗可明顯降低。同時(shí)還可以大大減小各衛(wèi)星通信鏈路間的電磁干擾，有利于增強(qiáng)衛(wèi)星通信的保密性。鑒于激光通信的巨大優(yōu)勢(shì)，美國(guó)、歐洲、日本等國(guó)家都在積極研究衛(wèi)星激光通信技術(shù)，我國(guó)在激光衛(wèi)星通信技術(shù)上也已經(jīng)有較大突破。

5 結(jié)束語(yǔ)

2019年8月29日，美國(guó)總統(tǒng)特朗普宣布正式成立美國(guó)太空司令部，距離組建獨(dú)立的“太空軍”更近了一步。美國(guó)成立太空軍掀起了新一輪的太空資源競(jìng)爭(zhēng)熱潮，必將激發(fā)衛(wèi)星技術(shù)的快速發(fā)展，衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)將會(huì)獲得更大的發(fā)展機(jī)遇，各種新技術(shù)、新理念的應(yīng)用不斷推動(dòng)其更新?lián)Q代。隨著應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)將持續(xù)保持高速發(fā)展勢(shì)頭，隨之而來(lái)的是國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)更趨激烈，對(duì)空間資源、信道資源和技術(shù)資源的爭(zhēng)奪也不可避免。我國(guó)必須緊跟先進(jìn)衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展步伐，致力創(chuàng)新，不斷趕超，占領(lǐng)未來(lái)衛(wèi)星通信技術(shù)的制高點(diǎn)。