[科普中国]-移动通信卫星

随着国际通信卫星的不断发展，尤其自从1982年国际移动卫星正式提供商业服务以来，卫星移动通信引起了世界各国的浓厚兴趣和极大的注意，并出现了全球个人通信业务。移动通信卫星与一般通信卫星相比有什么不同呢?

一种是和一般通信卫星一样为地球静止轨道。其典型代表是国际移动卫星3号，1998年我国抗洪时曾使用该星进行通信。但由于通信的距离远、信号弱，地面设备较大，所以它一般只能用于船舶、飞机及车辆等大型移动用户的通信。即使是先进的便携式地面终端，在通话之前，也先要找准国际移动卫星，通话时不能移动。不过，目前已研制出能为个人手机提供服务的地球静止轨道移动通信卫星，2000年升空的“亚洲蜂窝系统”（ACeS）是头一颗。

另一种就是低轨道移动通信卫星系统。它是在80年代后期才提出的设想，现已成为移动通信卫星发展的热点。这是因为它的轨道低，一般在500~1500千米左右的高度上。这种低轨卫星由于信号的传输路线短，因此信号的衰减损耗很小，信号的时间延迟也很短，几乎察觉不到，能获得最有效的频率复用，并且可以实现真正的全球覆盖。这种移动通信卫星，质量和体积都不大，因此它的研制和生产周期短，研制的费用比大卫星低。像著名的“依星”和“全球星”都是属于这种系统。在发射低轨小卫星时，一次可以发射数颗卫星。

还有一种就是中轨道的移动通信卫星系统。其轨道高度介于低轨道和地球静止轨道之间。ICO卫星是一个典型，其轨道高度为1万千米。

移动通信卫星一般要达到全球覆盖，只需要3颗卫星就行了，不过南北两极地区是覆盖不到的盲区。中轨道的移动通信卫星星座只需要12颗。低轨道的移动通信卫星星座则需要数十颗甚至数百颗，比如，“依星”星座是由66颗卫星组成的。

卫星通信是地球站之间或航天器与地球站之间利用卫星转发器进行的无线电通信 ,主要包括卫星固定通信、卫星移动通信、卫星直接广播和卫星中继通信四大领域。前三者是地球站之间利用卫星转发器进行的，后者是航天器与地球站之间利用卫星转发器进行的。卫星移动通信由于具有覆盖范围广、建站成本和通信成本与距离无关等优点,是实现全球移动通信必不可少的手段，而且特别适合难以铺设有线通信设施地区的移动通信需求。

80 年代末、90 年代以后，由于光纤通信系统和地面蜂窝移动通信的迅速崛起，卫星通信失去了传统的国际、国内长途通信和陆地移动通信等主要领地。但进入新世纪以来 ,卫星通信定位更加合理,扬长避短,在与其它通信方式的竞争中仍有了长足的发展。2

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”( Inmarsat) 系统, 提供区域覆盖的亚洲蜂窝卫星( ACeS) 系统 、瑟拉亚卫星( Thuraya)系统、MSAT( 已改称 SkyTerra) 系统和 TerraStar 系统等。上述系统中波束覆盖包含中国的有 Inmarsat 、Thuraya 和 ACeS 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四代, 且其第五代卫星也已在开发之中。现在国际移动卫星公司已发展成为世界上唯一能为海、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企业。目前 Inmarsat 利用 11 颗 GEO 卫星组成的 3 个星座在全球范围提供卫星移动通信服务, 其中最新的是其 3 颗 Inmarsat -4 卫星。Inmarsat -4 卫星采用了一副能产生多波束的 9 m 直径的 L 频段大天线和一台具有信道选择和波束成形功能的透明弯管式数字信号处理器( DSP),共有 200 个点波束、19 个宽波束和 1 个全球波束，其点波束提供用户终端的卫星等效全向辐射功率强度高达 67 dBW 。

亚洲蜂窝卫星( 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 , 它的覆盖面积超过了2.848 ×107 km2, 覆盖 区国家 总人 口约为 30 亿。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双模( 卫星 -GSM900)的话音、传真、低速数据 、因特网服务以及区域性漫游等项业务。ACeS 系统利用一颗 Garuda 卫星 完成覆盖。Garuda 卫星重4 500 kg , 功率为14 kW , 设计寿命12年，服务区覆盖整个亚洲。 Garuda 星上装有两副12 m直径的 L 频段收发大天线，共有 140 个点波束，覆盖我国约为 45 个点波束 ,其等效全向辐射功率强度高达 73 dBW。该星可同时提供11 000条电话信
　　道，用户总容量可达 200 万，可在星上进行话路的路由和交换。2006 年 9 月 , ACeS 与 Inmarsat 达成合作 , 通过ACeS 的Garuda 1 卫星和 Inmarsat 的 Inmarsat -4 系列卫星提供全球卫星移动通信服务。

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、GPS 定位业务。Thuraya 卫星发射重量5 250 kg，在轨重量3 200 kg，太阳能电池提供 11 ～ 13 kW的功率，星上载有12.25 m口径卫星天线，可以产生 250 ～ 300 个波束，提供和 GSM 兼容的移动电话业务。移动卫星终端包括手持、车载和固定终端等。 Thuraya 总共可提供13 750条信道，信道带宽27.7 kHz ,调制方式为 π/4-QPSK，多址方式为 FDMA/TDMA，信道比特速率46 . 8 kbit/s，可以为终端提供 2.4/4.8/9.6 kbit/s 的数据传输速率。

TerreStar 公司在 2009 年 7 月成功发射大容量专用静止轨道移动通信卫星 TerraStar -1,可与WCDMA 、CDMA2000 或者 LTE 等多种新技术体制结合开发终端。TerraStar -1 提供下一代全 IP 卫星网络，覆盖范围包括美国、波多黎各和美国维尔京群岛，可提供语音和数据服务。 TerraStar -1 用户链路天线直径达18 m,采用2 GHz的 S 频段频率 ,卫星重6 900 kg，支持与地面蜂窝网中同样大小的手持机通信。

SkyTerra 公司，原称 MSV ( Mobile Satellite Ventures)，2010年7月，SkyTerra 又改名为 LightSquared 。
　　MSV 原来通过MSAT -1 和 MSAT -2 两颗 GEO 卫星提供卫星移动电话服务。 2010 年 11 月 ,委托波音公司制造的 SkyTerra 1 卫星成功发射 ,该卫星使用波音的 702HP 平台, 重5 360 kg，设计寿命15年。3

中轨卫星移动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。新的 O3b 中轨卫星通信系统则试图在提供卫星宽带接入的基础上提供语音通信服务。

Odyssey( 奥德赛) 系统是由 TRW 公司推出的中轨道卫星移动通信系统[ 10] 。Odyssey 系统可以作为
　　现存陆地蜂窝移动通信系统的补充和扩展，支持动态、可靠、自动、用户透明的服务。系统最主要的用户终端是手持机 。系统可以提供各种业务，包括语音 、传真、数据 、寻呼 、报文 、定位等。手持机的数据速率 可 以 达 到 2.4 kbit/s，还可以提供4.8 ～19.2 kbit/s的数据速率。因与 ICO 系统之间商业上的原因，Odyssey 系统已于1997年12月被取消，而TRW 则成为ICO 的大股东。

ICO( Intermediate Circular Orbit) 全球卫星通信系统是由 ICO 全球通信有限公司经营的。ICO 系统由空间段和地面段组 。空间段是位于中圆轨道的12 颗星,地面段称为 ICONET。ICO 系统与现有地面固定和移动通信网相联，构一个完整的天地结合的系统,利多模手机或其它终端实现随时随地的通信。ICO 系统的 空间段由 12 颗 处在中等 轨道高度( MEO) 上的卫星组成 , 其中 10 颗是主用卫星，另 2颗为在轨备用卫星。系统采用倾斜圆轨道，轨道高度为10 390 km,轨道倾角 45°,所有卫星分布在相互垂直的 2 根轨道面上,每根轨道面有 1 颗备份卫星。ICO 卫星发射重量 2 600 kg , 设计寿命约 12 年。卫星使用了砷化镓太阳能电池 ,能在卫星寿命末期提供超过8700 W的功率 。每颗卫星可提供4 500条信道。ICO 卫星采用了独立的用户链路收发天线。两副天线安装在 ICO 卫星星体上，其口径超过 2 m ,并采用了数字波束形成技术。每副用户链路天线由127 个辐射单元组成，用于产生 163 个收或发点波束。每个 ICO 点波束将为用户链路提供最小8 dB平均超过10 dB的链路余量。

MAGSS-14( Medium Altitude Global Satellite System) 是设计支持手持机和移动终端语音通信的中轨道卫星移动通信系统， 由欧空局开发。MAGSS -14 系统的空间段包括 14 颗中轨道卫星组成的星座,这种设计非常利于系统的阶梯型升级，并可完成全球覆盖，系统在 L 频段上实现与用户终端的通信。目前该系统仍未成功部署。

O3b 是一个新的中轨卫星通信系统，通过卫星提供宽带网络接入，可提供语音通信和数据传输服务,由 O3b 网络公司开发。O3b 网络公司是由互联网巨头 Google 、媒体巨头马隆( John Malone) 旗下的海外有线电视运营商 Liberty Global 和汇丰银行等组织在 2007 年联合组建的一家互联网接入服务公司。O3b 在亚洲、非洲 、拉丁美洲和中东等地区超过150 个国家提供卫星通信服务，为电信运营商和 ISP提供一个光纤速率的卫星骨干网络。O3b 将成为世界上第一个使用 MEO 卫星的超低延迟、Ka 频段、拥有光纤速率的卫星网络。O3b 卫星转发器具有GEO卫星系统3 ～ 4 倍的容量 ,这使得用户可以享受类似光纤接入的网络带宽。由于使用 MEO 卫星 ,使得网络往返时延仅约100 ms。O3b 卫星星座计划在 2012 年部署，将首先发射8 颗卫星组成第一阶段的星座， 以后将扩展至16颗卫星。4

自 20 世纪 90 年代以来，低轨卫星移动通信系统广受关注，世界各国研发了多个低轨卫星移动通信系统，而 2000 年铱星系统的破产, 导致这股热潮迅速降温。几个典型的低轨卫星移动通信系统包括Iridium、Globalstar、Orbcomm、Teledesic 等，目前成功运行的只有 Iridium、Globalstar、Orbcomm 这 3 个系统。

铱系统是由 66 颗低轨卫星组成的低轨卫星全球移动通信系统，1998 年 11 月开始商业运营，2000年 3 月破产，2001 年新的铱卫星公司成立, 并重新提供通信服务。该系统全球覆盖包含两极地区, 星上转发器采用先进的处理和交换技术，多点波束天线，且有星际链路，是最先进的低轨卫星通信系统；其星际链路和馈线链路为 Ka 频段，用户链路为 L 频段，它提供电话、传真、数据和寻呼等业务。用户终端有单模 、双模和三模手机, 车载机和固定终端。新的铱星公司成立后 , 由于得到政府的扶持和美国军方的大订单，目前运转良好。目前铱卫星公司正在积极开发其新的“NEXT”卫星星座计划。NEXT 是一个对第二代卫星星座的大胆构想。NEXT 沿用现有的 Iridium 星座结构，完成对整个地球的 100 %的覆盖。设计 81 颗卫星( 66 颗代替现有星座，6 颗在轨备份，9 颗地面备份)。NEXT 将大大提升现有的 Iridium 移动通信服务( 更高的数据速率 、更强的服务和设备，可利用 IP技术的优势，并与现有设备后向兼容)。NEXT 还可以为商家、政府、科研机构等提供在卫星上放置传感器载荷的服务, 可实现对地球表面和大气的 7×24小时的实时监控。NEXT 预计在 2017 年完成部署。

全球星系统是由 48 颗低轨卫星组成的全球卫星移动通信系统, 1999 年开始商业运营。卫星采用透明转发器 、多波束天线,用户链路和馈线链路同为VHF 频段, 向用户提供寻呼、传真、短数据和定位等业务。用户终端有手机 、车载 、机载 、船载等移动终端，以及半固定和固定终端。进入 21 世纪之后 ,Globalstar 的业务发展不太理
　　想 ,不过 2009 年, Globalstar 成功获得法国出口信贷机构 Coface 的融资，这将对其以后业务发展提供充足的资金动力。

轨道通信系统( Orbcomm) 是美国 Orbcomm 公司和加拿大 Teleglobe 公司联合经营的 LEO 卫星移动通信系统，该系统通过 29 颗低轨卫星组成的全球卫星移动通信网络为用户提供卫星移动通信业务，1997 年开始商业运营。卫星采用处理转发器、单波束天线，终端为单模手机和寻呼机。目前 ,Orbcomm 利用其低轨卫星提供低速 、低成本、近乎实时的双向数据传输服务。其特有的以M2M ( Machine to Machine) 为中心的网络以较低的成本实现用户设备的低速连接 ,包括“卫星 M2M” 、“地面M2M”和“双模式 M2M” ,可以利用卫星和地面蜂窝网络实现资产跟踪 、管理和遥控。2009 年 9 月, Orbcomm 公司与 Space ExplorationTechnologies( SpaceX) 公司联合声明，将发射18 颗第2 代卫星，计划发射时间在 2010 年至 2014 年之间。

Teledesic系统是由 Teledesic 公司( 1990 年 6 月成立) 发展的低轨道卫星通信系统，它通过低轨卫星为地面卫星终端提供 Internet 接入服务，同时在网络接入的基础上可实现语音移动通信。Teledesic 系统由Craig McCaw 和 Bill Gates 投资建设，并首先获得了非GEO 卫星服务的 Ka 频段的分配。Teledesic 系统最初的目标是利用 900 多颗低轨卫星提供接近光纤质量的互联网接入服务，并与地面光纤网络实现无缝集成。由于铱星系统失败的影响，Teledesic 系统已降低了其系统原计划的规模和复杂度，且该系统至今尚未成功部署。5

移动通信卫星的收发天线尺寸和发射功率一般都比较高，并采用雨致衰减小和信号传输损耗小的L波段传输信号，目的是减小地面用户终端的尺寸，便于携带，保证通信质量。

移动通信卫星不但能够为大型的移动用户，如船舶、飞机及车辆等提供通信服务，而且可以使个人的手机直接进行卫星通信，已发射的“依星”和“全球星”就是典型。在特定的情况下，它们体现了其他的通信系统没有的优越性。比如，去极地的考察人员，用“依星”手机能十分方便地与国内通信，使其它通信手段相形见绌；在印度及我国的台湾发生地震，其它通信手段遭到破坏的情况下，“依星”手机仍然能可靠地工作保证了与外界的通信联系。

那么，用户可以直接收看或收听卫星转发的节目吗？移动通信卫星能够为用户直接进行话音通信服务，但不能转发电视节目。转发电视节目是由电视直播卫星来完成的。用户可以直接收看或收听卫星转发的节目，但一般只能在固定的地点收看收听节目。电视直播卫星已成为当代发展的热点。这种卫星的特点与移动通信卫星大致相似，即高功率发射下行信号，拥有大面积太阳电池阵（保证提供千瓦级以上电源）、高精度轨道控制和天线指向等。这些都是为了减轻地面用户负担，使他们的接收终端小型化。换句话说，就是把困难留给卫星，把方便让给用户。

当代电视直播卫星采用了数字视频压缩技术，因而大大节省了频带宽度，提高了传输视频数据的速率。这种采用数字视频压缩技术的卫星，可提供上百套电视节目，家庭只需装一个直径0.45米的天线和接收译码器，就能直接在电视机上收看高质量的卫星电视节目。