卫星移动通信系统发展及应用

第50卷第6期2017年6月通信技术CommunicationsTechnologyVol.50No.6Jun.2017·1093·doi:10.3969/j.issn.1002-0802.2017.06.001卫星移动通信系统发展及应用*肖龙龙1，梁晓娟2，李信1（1.中国人民解放军装备学院航天指挥系，北京怀柔101406；2.中国移动通信集团青海有限公司，青海西宁810008）摘要：卫星移动通信系统兼具卫星通信和移动通信的特点，使其优于其他通信手段，保证了实时、灵活、高效的通信质量,被广泛应用于各种通信领域。分析卫星移动通信的特点，根据移动通信卫星的轨道类型，分别介绍静止轨道卫星移动通信系统、中轨道卫星移动通信系统、低轨道卫星移动通信系统的发展现状，并详细阐述卫星移动通信在民用领域和军事领域的应用情况，昀后总结归纳卫星移动通信的未来发展趋势。关键词：卫星通信；通信领域；移动通信；轨道中图分类号：TN927+.23文献标志码：A文章编号：1002-0802(2017)-06-1093-08DevelopmentandApplicationofSatelliteMobileCommunicationSystemXIAOLong-long1,LIANGXiao-juan2,LIXin1(1.DepartmentofSpaceCommand,PLAAcademyofEquipment,Beijing101416,China;2.QinghaiCo.Ltd.,ChinaMobileCommunicationsCorporation,XiningQinghai810008,China)Abstract:Satellitemobilecommunicationsystemhasthecharacteristicsofbothsatellitecommunicationandmobilecommunication,andthismakesitsuperiortoothermeansofcommunicationandbewidelyusedinvariousfieldsofcommunication.Thecharacteristicsofsatellitemobilecommunicationareanalyzedfirstly,thenaccordingtothetypeofmobilecommunicationsatelliteorbit,thedevelopmentstatusofGEOsatellitemobilecommunicationsystems,MEOsatellitemobilecommunicationsystemsandLEOsatellitemobilecommunicationsystemsisdescribed.Secondly,theapplicationsofsatellitemobilecommunicationincivilandmilitaryfieldsarediscussed,andfinallythefuturedevelopmenttrendofsatellitemobilecommunicationissummarized.Keywords:satellitecommunication;communicationfield;mobilecommunication;orbit0引言卫星移动通信在通信业务领域占据了重要地位。相对于地面移动通信系统，它具有覆盖范围广、通信费用与距离无关、不受地理条件限制等优点，能够实现对海洋、山区和高原等地区近乎无缝的覆盖，可满足各类用户对移动通信覆盖性的需求。卫星移动通信依靠卫星通信的特点，在移动载体上集成了卫星通信系统或者卫星通信终端，从而实现载体在移动中的不间断通信。移动载体既可以是飞行器和地面移动装备，也可以是海上移动载体和移动单兵，大大扩展了移动卫星通信的使用范围和环境适应性，使其在民用和军事领域都得到了广泛应用[1]。本文从卫星移动通信的特点出发，介绍国内外主要卫星移动通信系统的发展现状，分析卫星移动通信在军民领域的应用情况，并展望其未来的发展趋势。*收稿日期：2017-02-22；修回日期：2017-05-20Receiveddate:2017-02-22;Reviseddate:2017-05-20·1094·通信技术卫星移动通信概念与系统组成卫星移动通信是指利用人造地球卫星作为中继站，转发移动用户间或移动用户与固定用户间用于进行通信的无线电波，实现两点或多点之间的移动通信。典型的卫星移动通信系统包括空间段、地面段和用户段[1]。空间段由一个或多个卫星星座构成，作为通信中继站，提供网络用户与信关站之间的连接；地面段通常包括信关站、网络控制中心和卫星控制中心，用于控制整个通信网络的正常营运；用户段由各种用户终端组成，主要有两类终端——移动终端和手持终端。图1卫星移动通信系统的基本组成1.2卫星移动通信特点卫星移动通信是地面蜂窝移动通信的有效补充。除了具有移动通信的特点外，它还具有卫星通信固有的优势，具体有：①通信距离远，覆盖区域大，具有多址连接功能。一颗地球同步轨道通信卫星可覆盖地球表面的42％，地面两点的昀大通信距离达18000km左右，且卫星所覆盖区域内的所有地球站都能利用同一卫星进行相互间的通信。②通信容量大，传送业务类型多。典型通信卫星的容量为数十至数百兆比特每秒，能为几百个视频信道或几万个话音与数据链路提供服务。③通信质量好、线路误码率低。由于移动卫星通信的无线电波主要是在大气层以外的宇宙空间传播，传播特性比较稳定，不易受自然条件和干扰的影响，卫星通信的正常运转率达99.8％以上，传输质量高。④可实现移动平台的“动中通”。移动卫星的用户多样，卫星终端可以是位于地面、海上、空中甚至太空的移动载体。它与地面蜂窝状移动通信系统和其他通信系统相结合，可组成全球覆盖无缝通信网。除了具有上述优点外，卫星移动通信还具有如下约束：①移动终端设备的体积、重量、功耗均受限，天线尺寸外形受限于安装的载体（如飞机、汽车、船舶等），手持终端的要求则更加苛刻。②卫星天线波束应能适应地面覆盖区域的变化并保持指向，用户移动终端的天线波束应能随用户的移动而保持对卫星的指向，或者是全方向性天线波束。③由于移动体的运动，当移动终端与卫星转发器间的链路受到阻挡时，会产生“阴影”效应，造成通信的阻断。④多颗卫星构成的卫星星座系统，需要建立星间通信链路和星上处理、星上交换，或者需要建立具有交换和处理能力的信关关口地球站。2卫星移动通信系统的发展现状卫星移动通信系统有不同的分类方法。按卫星波束覆盖区域，它可分为区域性卫星移动通信系统和全球卫星移动通信系统；按服务对象，它可分为陆地卫星移动通信系统、航海卫星移动通信系统和航空卫星移动通信系统；按所用通信卫星的轨道类型来分，它可分为静止轨道卫星移动通信系统、中轨道卫星移动通信系统和低轨道卫星移动通信系统[2]。下面从轨道类型来介绍卫星移动通信系统的发展现状。2.1静止轨道卫星移动通信系统地球静止轨道通信卫星的优点是只需三颗卫星就可覆盖除两极以外的全球区域，现已成为全球洲际及远程通信的重要工具。对于区域移动卫星通信系统，采用静止轨道一般只需要一颗卫星，建设成本较低，因此应用广泛[3-4]。典型的代表是国际移动卫星系统（Inmarsat）、亚洲蜂窝卫星系统（AsianCellularSatellite，ACeS）、舒拉亚卫星系统（Thuraya）和天通一号卫星移动通信系统。2.1.1国际移动卫星通信系统（1）系统组成国际移动卫星系统是世界上第一个全球性的移动业务卫星通信系统，原为国际海事卫星系统[5]。国际移动卫星通信系统基本由四部分组成，即空间段、网络协调站（NetworkCoordinationStation）、卫星地面站（LandEarthStation）和卫星船站（Mobile·1095·第50卷第6期肖龙龙，梁晓娟，李信：卫星移动通信系统发展及应用EarthStation）。目前，国际移动卫星通信系统空间段由静止轨道卫星组成，主要是第三代和第四代卫星。第三代由4颗GEO卫星（外加1颗备用卫星）构成，第四代由3颗GEO卫星构成，具有1个全球点波束、19个宽点波束和228个窄点波束[6]。（2）应用情况国际移动卫星系统（Inmarsat）是为企业和政府用户提供全球移动卫星通信解决方案的全球领先供应商。它通过由分布在全球86个国家的260个合作伙伴组成的全球性业务网络提供服务。该系统中，Inmarsat总部只负责运营空间段，各签字者负责建立各自的地面站和直接向用户提供服务。Inmarsat的中国签字者是交通部北京船舶通信导航公司（英文简称MCN），是国务院批准代表中国参加国际移动卫星组织的中国唯一成员，是Inmarsat所有中国事务的唯一合法经办机构，负责Inmarsat在中国的经营和管理工作。国际移动卫星系统可为企业和政府客户提供广泛的语音和数据服务，适用于多个应用领域，包括海事、能源、媒体、救援、政府和安全、采矿、建筑以及航空等领域。以海事应用为例，国际移动卫星和船站间的上、下行线路采用传播损耗和雨致衰减相当小的L波段（上、下行为1.6/1.5GHz），对通信十分有利。岸站和卫星间的上、下行线路采用微波C波段，便于与国际卫星通信系统连接，实现全球范围通信。船只遍布在辽阔的海域里，通信业务零星分散，所以卫星通信使用按需分配的通信方式。国际移动卫星还兼有救援和导航业务，一旦在海上遇难或船上发生紧急事件，岸站就可迅速确定船只所在海域的具体位置，并及时组织营救。2.1.2亚洲蜂窝卫星系统（1）系统组成ACeS系统是由印度尼西亚的PSN公司、美国洛克希德-马丁全球通信公司、菲律宾长途电话公司和泰国Jasmine公司共同组建的卫星移动通信系统，由Garuda卫星、卫星控制站、网络控制中心、网关和用户终端组成[7]。ACeS系统计划发射4颗Garuda卫星，轨道位置分别为80.5°E、118°E、123°E和135°E。第一颗卫星Garuda-1于2000年2月发射，定位于123°E上空。卫星采用处理转发器和多波束天线。星上两副直径为12m的天线，可产生多达140个覆盖亚洲地区的点波束，覆盖亚洲24个国家和地区，覆盖面积超过2850万平方公里，覆盖区人口超过30亿。2006年9月，ACeS与Inmarsat达成合作，通过ACeS的Garuda-1卫星和Inmarsat的Imarsat-4系列卫星，提供全球卫星移动通信服务。（2）应用情况ACeS系统的目标是为亚洲范围内的国家提供区域性卫星移动通信业务。除数字语音、传真、短消息和数据传输服务外，它还提供一系列GSM蜂窝电话功能，如呼叫转移、呼叫等待以及会议电话等，并实现与地面公用电话交换网和地面移动通信网的无缝链接。该系统自2000年9月投入商用后，已拥有9000多用户。中国地区约占ACeS系统卫星服务区的1/3，是该系统昀大的潜在市场。亚洲蜂窝卫星公司曾与中国多家卫星公司接触，商讨合作事宜。目前，它与中国通信广播卫星公司的合作正在积极推进中。2.1.3舒拉亚卫星系统（1）系统组成Thuraya公司1997年在阿联酋创立，是一个私营股份制公司。它目前共有21个股东，主要是一些国家的主要电信业务提供商和国际投资机构，系统的总投资为11亿美元。Thuraya系统的空间段由3颗地球同步轨道卫星组成，每颗卫星均装配高功率多点波束天线和移动通信有效载荷，可提供覆盖区域内的蜂窝式语音和数据服务[8]。Thuraya-1和Thuraya-2已分别于2000年10月和2003年6月发射入轨，分别定位于28.5°E和44°E，轨道倾角为6.3°E。2008年1月15日，Thuraya-3卫星从太平洋上一个浮动发射台发射升空，定位于98.5°E。（2）应用情况Thuraya系统提供区域性的移动卫星通信业务，覆盖区域包括欧洲绝大部分地区、中东