建立我国的中、低轨卫星通信系统的设想

发布: 2010-10-20 00:51 | 作者: | 来源: | 字体: 小中大

建立我国的中、低轨卫星通信系统的设想

吴诗其　胡剑浩　刘钢

　　摘要　本文介绍了支持移动业务和固定业务的中、低轨卫星通信系统的发展状况，提出了实现我国中、低轨卫星通信系统的设想。

　　关键词　卫星通信　中、低轨道卫星　卫星移动和固定业务

１　引言

　　在卫星移动通信领域，中、低轨卫星系统占有主导地位。而对于固定卫星通信业务（ＦＳＳ），传统上几乎都用同步轨道卫星（ＧＳＯ）系统来支持。然而，近年的研究表明，为支持交互式多媒体业务和Ｉｎｔｅｒｎｅｔ业务，非同步轨道卫星（ＮＧＳＯ）的ＦＳＳ宽带系统在降低系统成本和改善服务质量方面具有优势。本文在介绍卫星移动业务和固定业务的中、低轨系统发展状况之后，提出了加强我国中、低轨道卫星通信研究的建议，以及实现我国中、低轨卫星系统的设想。

２　卫星移动通信业务

　　卫星移动通信系统主要用于支持位于地面移动通信网服务区以外用户的移动通信业务，其用户为速率较低的个人终端，这种终端应当是轻便和低成本的。卫星移动通信系统还用来为地面通信网未能覆盖的农村和边远地区提供基本的通信服务（话音和低速数据，这对发展中国家更具有重要意义），为此也需要地面终端轻便和低成本。使用户终端轻便、低成本的有效方法是采用中、低轨卫星的系统，以减少链路传播损耗，降低对终端ＥＩＲＰ（等效全向辐射功率）和Ｇ／Ｔ（接收机品质因数）的要求。因此，中、低轨系统在卫星移动通信的发展过程中已成为主流。１９９８年发射的低轨商用卫星１５３颗，预计１９９９和２０００年分别为１７４和２２５颗。在本世纪最后几年将建成的一些重要的卫星移动通信系统都是中、低轨系统，如表１所示。预计在１９９９年系统启用阶段全球移动用户有４５万，而５年后即到２００４年将增加至７００万［１］。

表1　本世纪建成的主要中、低轨系统

系统名称	轨道高度 (km)	卫星数目	服务日期	主要公司
铱(Iridium)	765	66	1998年	Motorola
全球星(Globalstar)	1389	48	1998年	Qualcomm
轨道通信(Orbcomm)	785	28	1998年	OSC
中轨系统(ICO)	10 354	10	2000年	Inmarsat

３　固定卫星业务

　　目前，ＦＳＳ几乎都由同步卫星通信系统支持。近年来，Ｉｎｔｅｒｎｅｔ应用的爆炸性增长，交互式多媒体业务量的迅速增加，需要宽带的ＦＳＳ系统来支持。研究表明，对于功率和频带受限的卫星通信系统来说，如能放弃链路损耗大和传播延时长的ＧＳＯ系统，而采用ＮＧＳＯ宽带系统，对于改善服务质量和降低成本都十分有利。比如，对于交互式多媒体业务，对系统延时有一定限制。

　　由ＮＧＳＯＦＳＳ宽带系统构成的空间高速网并不与地面光纤网竞争，而是互为补充。卫星网主要用于低业务密度地区，在那里无法做到高速数字用户线（或光纤）到家（或办公室），而卫星网可支持用户对因特网的高速浏览、电视会议、远程医疗以及ＨＤＴＶ传输等。对于这类用户，终端设备的低成本也是一个重要问题。如果采用轨道高度为８００
ｋｍ的低轨卫星系统，在天线尺寸和其他设备参数不变的情况下，其数据传输速率可比ＧＳＯ系统提高２０００倍，而传播延时约１０
ｍｓ。

４　建立我国新一代的卫星通信系统

４．１　中、低轨系统的优点和存在的问题

　　发展中、低轨卫星通信系统，对我国将在下列三个方面发挥作用：提供移动通信业务；为农村和边远地区提供基本的通信业务（话音和低速数据业务）；为（我国已经颇多的）行业专用网（国外中、低轨高速网的最大潜在用户是跨国公司）和低业务密度地区用户提供多媒体和高速数据业务。我国是一个经济高速发展，而各地区发展又不平衡，同时发展潜力很大的国家。这一国情决定了卫星通信系统的上述三种服务对我国都十分重要。从长远的观点来看，建立我国新一代的由中、低轨卫星和同步卫星组成的综合系统确有必要。

　　中、低轨系统的卫星与地面有相对运动，因此系统必须由多颗卫星构成的星座来完成对服务区的连续覆盖。传统的中、低轨系统通常是对全球或某一纬度范围内地区的连续覆盖，需要的卫星数目较多，空间段投资大，这是中、低轨系统难于用作区域性系统（比如只为我国服务的系统）的关键所在。

４．２　区域性系统星座

　　如果采用适当的星座设计方法，可实现非同步轨道星座对我国的连续覆盖（但不能实现对全球的连续覆盖），或者能在每天的特定时段对我国进行连续覆盖。这类系统可由中轨卫星组成，具有支持宽带多媒体通信的能力。由于系统的卫星数目少，因此所需的系统投资大大低于全球性系统。

　　我们设计了两种星座方案［２］，在表２中列出了对我国进行连续覆盖的一种区域性系统卫星星座参数。系统由５颗中轨卫星组成，轨道平面倾角３１°。位于我国的用户对卫星的最小仰角为２０°，平均仰角与用户位置有关，其最小值不低于４０°。

表2　我国非同步轨道区域性星座方案之一

卫星	高度(km)	倾角(度)	λ_N(度)	ω(度)
1	2 0525	31	180	93
2	20 525	31	108	237
3	20 525	31	36	21
4	20 525	31	324	165
5	20 525	31	252	309

　　该星座不仅对我国提供连续覆盖，而且能对美国和非洲进行连续覆盖。如果这一星座用于构成３个区域性系统，每一系统只承担空间段费用的三分之一。而这种区域性星座的卫星数目往往只有全球星座的一半，因此，每一区域性系统的空间段投资大约只有全球系统的１／６，与以同步卫星支持的区域性系统的费用相当，甚至更低些。而中轨系统有较好的仰角特性，从而减少了系统余量。同时，链路传播损耗和延时也较小，对提高改善服务质量和降低地面终端设备成本都十分有利。

　　通常，每天的通信业务量都集中于当地时间的白天。比如，对于话音业务而言，一般集中在当地时间的０７：００～２３：００。因此，有另一个可供选择的时限星座方案：该星座每天仅在１６
ｈ的时段内对我国提供连续覆盖，其主要参数列于表３。该星座的轨道平面倾角为４２°，最小仰角２０°，平均仰角的最小值在４０°以上。 size="3">

表3　我国非同步轨道区域性星座方案之二

卫星	高度(km)	倾角(度)	λ_N(度)	ω(度)
1	10 535	42	180	270
2	10 535	42	205	172
3	10 535	42	230	74
4	10 535	42	255	336
5	10 535	42	280	238
6	10 535	42	305	140

　　我国已建立了较为完善的同步卫星通信系统，如果它与中轨系统组成综合系统，可满足移动通信、边远地区基本通信、宽带数据通信以及高速连网等要求。如果采用时限星座方案，在中轨系统不能覆盖的低业务时段内，可由同步卫星来支持这些较小的业务量，此时，同步卫星系统也有足够的资源（如功率）来改善因中轨系统转换至同步系统时传播损耗增加的影响。

４．３　我国应当如何起步

　　发展我国新一代卫星移动通信的第一阶段，可利用低轨小卫星，以数据存储／转发方式建立我国的全球数据通信系统（它所需投资较小）。

　　从我国的情况来看，建立由我国控制的全球数据通信系统是必要的，这对我国驻外机构、企业、船队等都有实用价值，也可在发展中国家通信落后地区开拓市场。从国内的需求来看，我国通信网尚未覆盖的边远地区、矿山、野外作业和远程医疗、教育以及对某些行业（如水文、地震无人值守站数据的采集、传输）等均有良好的应用前景。

　　更重要的是小卫星可为发展我国非同步轨道卫星通信系统提供试验平台。由于小卫星系统的通信体制可通过地面控制站对星载软件重新加载而加以改变，因此，可利用小卫星系统对其他电信业务和通信体制进行试验，有利于对中、低卫星移动通信的关键技术和通信体制的研究，对发展我国新一代卫星通信系统有重要意义。

　　第二阶段将建立中轨系统，并以采用时限区域性星座为宜。为了降低风险和减少投资，初期星座的“时限”宜短一些，比如只在每天的８：００～１８：００的时段内覆盖我国。这种系统能支持一天中的大部分通信的业务量，以话音业务为例，该时段内的业务量为全天业务量的８１％。而此时系统所用的卫星数目较少，如果卫星高度约１０
０００ｋｍ，则３颗卫星可望满足要求。以国外推出的全球中轨系统的卫星数（约１２颗）和投资（约２０多亿美元）来估算，建立我国“时限”区域性中轨系统所需投资，只相当于我国目前正在建立的同步卫星系统ＡＰＭＴ的投资。

　　至于是否扩大星座的“时限”，或者拓展为连续覆盖的区域性系统，应可视市场需求和技术的发展而定。

face="宋体">作者单位：电子科技大学信息所　成都６１００５４