卫星通信发展展望

张俊祥

(通信网信息传输与分发技术重点实验室，河北石家庄050081)

0 引言

第2次世界大战促进了导弹和微波技术的发展，这2种技术的综合开创了卫星通信的应用。1957年苏联成功发射第1颗人造卫星(sputnik)，标志着人类进入了空间时代。卫星通信经过了60年代的发展初期，70～80年代的成熟期，90年代的低速发展期。进入新世纪以后，受地面通信网络技术的启发和影响，以卫星移动通信和多媒体卫星通信［1，2］技术为代表把卫星通信又带入了一个新的发展时期。卫星平台技术、数字信号处理技术和器件技术的发展，能够使得新一代卫星通信系统采用更为复杂的星上和地面技术，以技术的复杂度换来了系统容量的扩展。

1 历史回顾

卫星通信的发展初期有下面几个典型试验为标志:1958年美国艾森海威尔总统通过SCORE卫星广播发表圣诞祝福，1960年发射回声卫星(ECHO)，并利用COURIER卫星进行存储—转发传输试验;1962年第1颗同步卫星SYNCOM发射成功。1964年国际卫星通信组织(INTELSAT)成立，1965年第1颗商用同步卫星INTELSATⅠ(或“早鸟”)发射成功，标志着商用卫星通信进入实用阶段。这时的卫星工作在C频段，卫星通信地球站尺寸较大，天线口径达30 m，采用模拟的FM/FDMA技术体制，这就是卫星通信发展的初期［3］。

70年代到80年代中期是卫星通信发展的成熟时期，这个阶段发展的典型标志是卫星大功率、Ku频段投入使用，多址接入方式多样化，开发了SCPC、IDR、IBS以及TDMA等方式，调制制度以恒包罗的PSK数字调制为主要方式。这个时期卫星通信的应用仍然以面向干线通信应用为主。

进入80年代，随着卫星功率的提高、集成电路技术、射频器件技术以及编码和调制等数字信号处理技术的成熟，VSAT应运而生，使得卫星通信的应用可以面向小型用户并得到了迅速的普及。

进入90年代以“铱”系统为代表的低轨星座移动卫星通信系统，代表了当时民用卫星通信技术的最高水平。但由于受到地面光纤和地面蜂窝移动技术发展的影响，整个卫星通信市场进入了低速增长期。

2 新的发展时期

卫星通信经历了90年代中期以后短暂的失落期，也就是在这个期间却酝酿着一个卫星通信新时期的到来。进入新世纪以后，卫星通信从系统到技术都进行了革命性的升级换代。这个时期Ka频段得到广泛应用，系统的发展主要从2个方面比较突出，支持手持机的窄代移动卫星通信系统以及支持个人用户的宽带多媒体系统。这些系统主要有下面一些特征［4］。

2.1 技术方面

①系统设计理念变化:卫星通信系统从开始时的点到点应用，到简单组网应用，再到现在的复杂网络，从系统设计理念上，有一个从技术层面到应用和运营层面的转变;技术的复杂性使得系统管理复杂化，却带来了应用的简单化。

②卫星平台和载荷技术得到大力发展:这个时期卫星平台分大卫星和小卫星，大卫星平台越来越大，在轨工作寿命提高(15年以上)，卫星提供的功率大大提高(能给载荷提供万瓦以上的功率)，卫星载荷重量提高(达上千公斤)。在小卫星平台方面向小型化、低成本和一箭多星发射的方向发展。

由于平台能力的提升，卫星有效载荷能力得到提高，星载大型可展开天线和相控阵天线得到应用，有效地提高了卫星的G/T值和EIRP。数字多波束形成、数字信道化器技术的采用以及星上处理和交换能力的提高，更提升了卫星能力。单颗卫星的转发器数量从最初的几个，到后来的几十个，现在则可以到数百个甚至上千个。

③点波束和频率复用技术的应用:卫星通信在受到地面网络挤压的同时也从地面网络技术的发展上吸取经验，新型卫星通信系统基本都采用了点波束覆盖，单颗卫星的波束数量从几十个到几百个，通过点波束间的频率复用，使得系统的可用带宽得到提高，甚至一个新型卫星提供的可用带宽相当于5～20颗上一代卫星提供的带宽，从而使得系统容量提高并降低运营成本和用户使用成本。

2.2 应用方面

①面向用户和业务需求的变化:从面向节点和团体小用户到面向大量的个人用户。由于可用带宽增加，使得系统对用户数量的支持能力大大提高(比如一个同步卫星移动通信系统能够支持200万个用户)，从而形成规模效益。通信业务从以前的主要以话音业务为主转变为以视频、数据、Internet和话音等综合业务，形成通信业务与广播、点播业务相结合。

②移动卫星通信方面支持手持机:现在无论是低轨星座系统还是同步轨道的系统，都能做到支持手持机之间的通信，手持机的大小基本和地面蜂窝系统的手机可比拟。有的系统还支持双模或多模手机。

③在宽带多媒体卫星通信方面支持便携的小型终端:0.5 m口径以下的小型化终端支持信息下载速率可达每秒几十兆比特。

2.3 典型系统

2.3.1 移动通信系统

90年代末以来相继出现了十数个移动卫星通信系统的计划，这些系统各有特点，按卫星轨道高度可分为低轨、中轨和高轨系统;按覆盖范围有区域系统和全球系统等。比较有代表性的系统有以下几个［5］。

(1)静止轨道卫星移动通信系统

静止轨道卫星移动通信系统中，提供全球覆盖的有国际移动卫星通信系统(Inmarsat)，提供区域覆盖的亚洲蜂窝卫星系统(ACeS)、瑟拉亚(Thuraya)卫星系统和SkyTerra系统等。

①国际移动卫星系统

Inmarsat系统是由国际移动卫星公司经营的全球卫星移动通信系统。自1982年开始经营以来，该系统卫星已发展到第4代。现在Inmarsat是世界上唯一能为海、陆、空各行业用户提供全球化、全天候、全方位公众通信和遇险安全通信服务的系统。

② ACeS系统

ACeS系统是由印度尼西亚等国家建立起来的区域性个人卫星移动通信系统，覆盖东亚、东南亚和南亚地区。ACeS系统能够向地面上固定式、移动式、便携式和手持式等各类用户终端提供话音、传真、低速数据以及因特网服务等业务。

③ Thuraya系统

Thuraya系统是一个由总部设在阿联酋阿布扎比的Thuraya卫星通信公司建立的区域性静止卫星移动通信系统。Thuraya系统的卫星网络覆盖包括欧洲、北非、中非、南非大部、中东、中亚、南亚和东亚的部分地区等110个国家和地区，约涵盖全球1/3的区域，可以为23亿人口提供卫星移动通信服务。Thuraya系统终端整合了卫星、GSM、GPS 3种功能，向用户提供语音、短信、数据(上网)、传真和GPS定位业务。

④ SkyTerra系统

SkyTerra公司(原称MSV:Mobile Satellite Ventures)的SkyTerra系统通过结合卫星和地面技术，在全美国范围内提供3G-LTE无线宽带网络。现有的支持WiFi的设备，如PC、笔记本等，可以通过数据卡、嵌入式Modem和路由器等连接到卫星网络。系统的另一个特点是采用了辅助地面组件技术(ACT技术)，通过它的应用，可以实现卫星网络与地面网络的无缝集成，用户在卫星网络与地面网络之间可以实现透明的转换。

(2)中轨道卫星移动通信系统

中轨道卫星移动通信系统轨道高度约为10 000 km，中轨卫星移动通信系统中最广为人知的是Odyssey系统和ICO系统，另外欧空局也曾设计了一个MAGSS-14系统，但由于一些商业原因，它们均已被取消或到目前仍未成功运行。

(3)低轨道卫星移动通信系统

低轨系统信号路径衰耗小，信号时延短，可做到真正的全球覆盖。因此低轨卫星移动通信系统广受关注，典型的低轨卫星移动通信系统有Iridium和Globalstar。

①Iridium系统

铱系统星座由66颗轨道高度为780 km的低轨卫星组成，1998年11月开始商业运营。该系统可实现包括两极地区的全球覆盖。星上采用多点波束相控阵天线并进行再生处理和交换。星间具有星际链路，是最先进的低轨卫星通信系统。Iridium提供电话、传真、数据和寻呼等业务，用户终端有手持、车载和固定终端。

② Globalstar系统

全球星系统星座由48颗轨道高度为1 414 km的低轨卫星组成，1999年开始商业运营。星上采用透明转发、多波束天线，用户链路采用L/S频段，馈电链路为C/X频段，向用户提供寻呼、传真、短数据和定位等业务。用户终端有手持、车载、机载和船载等移动终端，以及半固定和固定终端。

2.3.2 宽带多媒体系统

具有代表性的宽带多媒体卫星有阿尼克-F2(Anik-F2)、iPSTAR及太空之路-3(Spaceway-3)等卫星。

(1)阿尼克-F2系统

阿尼克-F2卫星是2004年7月发射的加拿大电信卫星公司(Telesat)经营的世界上第1颗面向大众消费者的商用宽带卫星，它具有94台转发器，其中C频段24台、Ku频段32台、Ka频段38台，其中Ka频段还有38个点波束，小部分转发器有星上处理功能。

(2)IPSTAR系统

IPSTAR是泰国的Shin卫星公司为满足Internet和多媒体业务在2005年8月11日发射的卫星，波束覆盖亚太地区22个国家，使用频率为Ku/Ka混合频段，可为亚太地区提供84个Ku频段点波束，3个Ku频段赋形波束，7个地区广播波束和18个Ka波段点波束覆盖。上行信息速率192 kbps～2 Mbps，下行接收4 Mbps/8 Mbps。

(3)SpaceWay系统

美国的“太空之路(SpaceWay)”系统由16颗高轨(GEO)卫星和20颗中轨(MEO)卫星组成。从2005～2007年共发射了3颗卫星，采用Ka频段，卫星设置了784个下行波束和112个上行波束，SpaceWay-3卫星还进行了星上信号处理。支持0.66 m口径终端，发射信息速率为16 kbps～6 Mbps，接收信息速率16～30 Mbps。

目前国际上容量最大的2个宽带卫星系统是美国卫讯公司与美国劳拉公司的卫讯-1(ViaSat-1)和欧洲卫星通信公司的“Ka频段卫星”(Ka-Sat)。

(4)ViaSat-1系统

ViaSat-1卫星于2011年10月发射，定点在西经115°，设计寿命15年。它采用大容量的Ka频段点波束技术，有18个信关站，能以更高的速率服务于更多的宽带用户，总容量达到130 Gbit/s，超过了现今覆盖北美的双向Ka、C和Ku频段的全部容量之和。

(5)Ka-Sat系统

Ka-Sat卫星于2010年12月发射，也是一颗大容量的Ka频段宽带卫星，它采用卫讯公司的“冲浪波束2”(SurfBeam2)系统来支持双向宽带服务，该卫星配置了82个点波束，这些点波束与10个信关站相连接，每个点波束容量为900 Mbit/s，总容量超过70 Gbit/s。

这些卫星以多种频段(C、Ku和 Ka)、多极化(圆和线)和多波束(全球、半球、区域、点波束)分别覆盖各个服务区。服务区内用户根据业务需要使用各种体制和标准的地球站，组成各种卫星通信系统。

3 发展展望

进入新世纪以后，卫星通信系统的技术发展和应用水平又一次达到新的高度，新的设计理念和新型技术的采用使得这个传统的通信手段焕发了活力。从最近几年的情况来看，卫星通信的发展是面向个人化和宽带化［6］。展望卫星通信发展的未来，总的趋势是:

(1)技术复杂、应用简单

卫星通信系统设计和技术处理具有越来越复杂的趋势，这是由于空间技术、器件技术和计算机技术等取得了巨大的进步，对于设计一个复杂系统来讲显得更加得心应手。技术的复杂换来操作使用的简单化，现在卫星终端面向的是没有卫星通信专业技术知识的个人，这更加有利于卫星通信的推广应用。为增加用户容量、提高传输带宽和降低运营成本，必然使得卫星载荷技术越来越复杂。对星载天线、星上处理和星际链路都会提出更高的要求，使得星上EIRP和G/T值更高，从而减小用户终端体积和功耗;星际链路和星上交换会使得用户可以获得更好的服务质量;更多的天线波束使得频率复用倍数增加，从而增加用户容量并降低运营成本。

(2)与地面通信网络进一步融合

地面通信运营商通过发射卫星补充其网络覆盖范围，原有的卫星移动通信运营商也试图通过新技术完成对地面网络的覆盖。随着卫星通信容量的扩大和单用户成本的降低，卫星技术与地面技术的结合越来越普遍。

移动卫星通信的发展朝着支持多用户并与地面系统互操作等的方向发展，现有卫星移动通信系统中的手持机支持地面的移动通信网络，未来的移动卫星通信系统还会朝着与3G和4G相结合的方向发展，并做到和地面系统的相互支持。宽带多媒体系统朝着应用终端更加小型化和便携的方向发展，从空间段来讲支持高轨、中轨和低轨系统的联合组网，从应用段来讲支持高速Internet数据下载、视频广播和点播等业务。

(3)与其他卫星信息系统的融合

目前卫星移动通信与卫星定位两者都获得了很好的发展，而两者之间服务的结合也成为一种新的趋势。多个卫星移动通信系统终端可支持基于GPS的卫星定位服务，而我国的“北斗”导航卫星系统在提供导航定位服务的同时，还可提供短报文通信服务。随着卫星定位的应用越来越广泛，卫星定位服务与卫星移动通信相结合也将越来越普遍。

随着技术发展，卫星平台的能力会进一步提升，利用移动通信卫星搭载各类载荷可实现对地观测，情报收集、处理和分发，形成综合航天信息系统，这在未来的科学研究和军事综合信息系统上都有广泛的应用前景。

(4)向更高的频段发展

未来的卫星通信还会向着Q/U频段，甚至激光链路的方向发展，用来支持大型节点的高速数据或国际干线间的点到点传输。

(5)卫星通信终端将向智能化的方向发展

随着器件、处理器能力的更加强大，卫星通信终端数字化处理会向中频甚至射频前移，卫星通信终端和计算机融为一体，终端可以通过对不同卫星网络的信号分析进行选择性入网，而不再受某种体制和网络的限制。

从长远来看，地球上大部分的陆地和海洋是地面网络永远覆盖不到的地方，卫星通信是一个不可替代的通信手段。卫星通信产业是一个高投入、高风险的产业。卫星通信系统是国家关键的基础设施，是高精尖技术，对经济、社会发展和国家安全至关重要，在处理各类突发事件和应急保障方面保持通信畅通是综合国力的体现，也体现国家在高新技术领域的综合实力。我们正面临着卫星通信系统和技术换代升级的新发展机遇期，同时也带来了巨大挑战，因此卫星通信技术和产业的发展应该:

①以国家的意志投入、扶植和培育卫星通信产业的发展，制定产业发展规划，理清产业和技术发展思路;②通信卫星轨道位置和使用频谱是稀缺资源，需站在战略高度，各部门通力合作在ITU规则之下制定我国的长远发展策略;③制定产业发展鼓励政策，鼓励民营资本积极参与到卫星通信的产业中来，形成有序的竞争机制;④ 加强卫星通信及相关专业人才队伍的培养和建设。

4 结束语

以支持手持终端为特征的移动卫星通信和以支持小口径终端个人应用的宽带多媒体卫星通信是卫星通信领域2个重要的发展方向。卫星通信在与地面网络竞争的同时，也在不断地吸收地面通信网络发展的先进技术，并走向与地面网络的互补和融合。与国外的先进水平相比，我国在卫星通信领域，无论从设计观念还是从技术上都还存在着较大的差距。在关键技术方面，技术先进国家对我们有很多出口限制，立足于自力更生是一条唯一正确的道路。

［1］ GERARD MARAL.Satellite Communication Systems——Systems，Techniques and Technology(Fourth Edition)［M］.USA:WILLEY＆SONs LTD，2001.

［2］ 吕海寰，蔡剑铭，甘仲民，等.卫星通信系统［M］.北京:人民邮电出版社，1994.

［3］ WHITEFIELD D，GOPAL R，ARNOLD S.Spaceway Now and in the Future:On-Board IP Packet Switching Satellte Communication Network［C］∥Milcom，MILCOM 2006，2006:1-7.

［4］ 王毅凡，王琦.通信卫星发展现状及趋势分析［J］.国际视窗，2010(7):22-25.

［5］ 徐烽，陈鹏.国外卫星移动通信新进展与发展趋势［J］.电讯技术，2011，51(6):156-161.

［6］ 闵士权，朱曼洁.卫星通信现状与发展［C］∥中国卫星应用大会，2008:451-463.