小LEO卫星系统的发展现状

发布: 2010-10-20 00:52 | 作者: | 来源: | 字体: 小中大

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小LEO卫星系统的发展现状（徐晓书）
    在高速发展的信息社会里，高效、迅速、廉价地传输短消息是一种重要的通信需求。利用
现有的地面有线或无线通信手段，可以方便地建立起覆盖一个城市或一个小区域的短消息通信
系统。然而，如果这个系统要覆盖广大农村和边远地区，甚至全国或全球，考虑到经济因素，
只依靠地面通信手段是无法实现的。小LEO卫星系统就是基于建立一个覆盖全球难实时廉价的短
消息通信系统的目的而提出的。
    按照卫星的轨道高度，卫星可分为三类：低轨道卫星（LEO），轨道高度小于5000km；中轨
道卫星（MEO），轨道高度介于500km～20000km；高轨道卫星（HEO），轨道高度大于20000km。
按照系统的业务特点，LEO卫星通信系统又可分为：提供短消息业务的小LEO系统问，（lITTLE
-LEO），如OBCOMM、LEO ONE；提供话音业务的大LEO系统（Big-LEO)，如GlobalStar、
Iridium；
提供高速数据业务的巨LEO系统（Mega－LEO），如Teledeslc、SkyBrldge。
1小LEO卫星系统的发展过程和现状
    商用小LEO卫星系统的提出始于1990年，由OHCOMM、Starsys和VITA三个小LEO卫星系统向
美国联邦通信委员会（FCC）提出申请，但当时还没有小LEO卫星系统的工作频段。1992年，世
界无线电行政会议为小LEO卫星系统分配了工作频段：137～138MHz（下行）、400.15～401.00
MHz（下行）和148.010～150.05MHZ（上行）。尔后，FCC向上述三个系统颁发了许可证。
    1993年至1994年期间，又先后有leo OneWorlewide、Final Analysis Communication、
ESAI、GE American Communication等公司向FCC提出了小LEO系统的运营申请。1995年，世界
无线电行政会议分配399.9～400.05MHz作为小LEO系统在全球范围的上行频率，455～456MH。
和459～460MHz频段作为小LEO系统在西半球范围的上行频率。1997年，世界无线电行政会议又
为小LEO系统增加了工作频段。
    近年来，由于自身发展方向的调整，某些小LEO系统撤消了运营申请。目前取得FCC运营许
可证的LEO系统，其中OB－COMM系统已于1998年投入运营，LEO ONE系统预计于2002年投入运营。
2小LEO卫星系统的特点
    从技术角度来看，小LEO系统和大LEO系统都可用于短消息通信。然而，小LEO系统是专门
针对短消息通信设计的，与大LEO系统相比，它的卫星有效载荷、卫星网络管理系统和用户终
端设备要简单得多，系统投资、运营费用和终端设备价格则比大LEO系统低得多，因而对于大
范围、多终端、有短消息通信需求的用户（如环境监测、管线监控和车船监控等）来说，小
LEO系统无疑是一种经济、有效的通信手段。
3 OBCOMM系统
    OBCOMM系统是由美国Orbital Sciences公司和加拿大Teleglobe公司共同提出的，是目前
世界上唯一投入商用的小LEO系统。它是一个采用分组交换方式，覆盖全球的双向短消息通信
系统，由空间段和地面段两部分组成：空间段有 48颗卫星；地面段包括网络控制中心、一定
数量的网关以及各种移动或固定用户终端设备。
3.1空间段
    OBCOMM星座由A、B、C、D、E、F、G7个轨道平面组成，计划发射48颗小卫星（Orbital 
Microstar），其中7颗为备用星，每颗卫星覆盖区域的直径约为5400km。A、B、C3个轨道平
面的倾角为45°，间隔120° 轨道高度835km，每个平面上有6颗卫星；D平面为赤道轨道，轨
道高度1000km，有6颗卫星；E平面的倾角为70°、F平面的倾角为108°，轨道高度均为780hm，
每个平面有2颗卫星；为了加强南、北纬25°～55°之间的覆盖，系统增加了G平面，G平面的
倾角为45°，与A平面的间隔为20°，轨道高度825km，有7颗卫星。目前已经完成了A、B、C、
E、F、G6个平面35颗卫星的发射，预计2004年将完成所有轨道平面卫星的发射和调整。
3.2地面段
   （1）网络控制中心（NCC）
    OBCOMM系统的网络管理中心设在美国弗吉尼亚州，负责OBCOMM系统空；和段的管理，保
证卫星正常运作。同时它也是美国国内的网关控制中心，负责管理国内通信业务。
    （2）网关（Gateway）
    网关的主要任务是负责指定服务区域内的用户业务管理，OBCOMM系统内的所有通信都必
须通过某个网关进行，同时网关也是OBCOMM系统与外部的接口，用户可以通过公共电话网
（PSTN）、公共数据网（DDN）或专用数据网（PDN）接入OBCOMM系统。网关包括一个网关控
制中心（GCC）和至少一个网关地球站（GES）。
    ·网关控制中心（GCC）是网关的核心，它有两个主要的子系统：网关报文交换系统
（GMSS）和网络管理系统（NMS）。GMSS的功能包括报文处理、路由选择、规程转换和与外
部网络接口；NMS的功能是对两关的各种设备进行监控。
    ·网关地球站（GES）的作用是为网关与卫星星座之间提供无线通信链路。GES由跟踪天
线、调制解调器和相关接口设备组成，通常一个GES有两套相同的天线和收发设备，彼此互
为备份，以提高可靠性。GES并不一定同GCC处于同一地理位置，GES的选址原则为获取最佳
服务区覆盖和最小电磁干扰。GES与GCC之间则由专用线路连接。
    （3）用户终端（SC）
    SC的作用是将用户信息发送给服务区上空的卫星，再通过卫星发送给服务区网关，同时
也接收网关通过卫星发送给用户的信息。SC的基本单元是VHF调制解调器，为了适应不同的
用户需求，SC还配备不同接口，通常有具备定位功能的GPS接收机。
3.3卫星信道和工作频段
    在OBCOMM系统中，卫星与网关地球站（GES）之间的通信采用TDMA方式，每个GES的上下
行链路各占用一个TDMA时隙，每颗卫星最多可以同时与16个GES通信。卫星与用户终端的下
行链路通信采用FDMA方式，总共设置12个下行信道，每个信道可复用4次，每颗卫星使用一
个信道。卫星与用户终端之间的上行链路采用FDMA／TDMA方式，共有6个信道。卫星网管中
心可以根据需要，将这些信道设置为随机接入信道或预分配信道。
3.4基本业务
    OBCOMM系统提供4类基本业务：数据报告（Data Report）、报文（Message）、全球数
据报（GlobalGram）和指令（Command）。
    （1）数据报告
    由用户终端发送的短消息，信息长度一般小于6个字节，接收者通过同一服务区的网关
接收信息。
    （2）报文
    由用户终端发送或接收的较长信息，信息长度不超过2000字节，信息发送者与接收者
位于同一个网关服务区。
    （3）全球数据报
    由用户终端发送或接收的信息，信息长度不超过229字节，信息发送者与接收者不在同
一个网关服务区，信息传输依靠卫星的存储转发功能完成。
    （4）指令
    由网关发送给用户终端的短消息，用于设置用户终端状态或通知其发送信息，信息长
度小于5字节。
3.5通信过程
    OBCOMM系统中所有的通信过程都是在网关控制下完成，卫星主要起转发作用。网关始
终与过顶卫星保持联系。过顶卫星向服务区内所有用户终端连续广播控制信息，包括时间
同步信号、所连接网关的ID标志和随机接入信道频率等。
    如果用户终端要发送信息，先通过随机接入信道发出“请求发送”信号，卫星收到信
号后，就向该用户终端发出应答信号，并通知它发送短消息的信道和时隙。如果用户终端
要发送的是数据报告，则在所分配的时隙内直接发送，卫星收到数据报告后，立即转发给
网关，然后由网关传送给相应的接收端。如果用户终端要发送的是报文，则在所分配的时
隙内发出“报文发送请求”，卫星将该请求转发给网关，经网关确认后，卫星为该用户终
端分配一个预分配信道和发射时隙，用户终端在规定的信道和时隙内，将报文发送给卫星，
卫星收到报文后立即转发给网关。如果接收端处于OB－COMM系统覆盖范围以外，网关就会
通过地面线路将报文传送到接收端；如果接收端是网关服务区内的另一个用户终端，网关
就会将报文发送给过顶卫星，由卫星转发给接收端。如果用户终端所在地没有网关，或者
用户终端需要与不同网关服务区的用户通信，用户终端可以使用全球数据报业务。用户终
端可在卫星过顶时，通过指定信道将信息发送给卫星，待接收并存储信息的卫星飞行到接
收端网关上空时，将信息发送给该网关，再由该网关发送给接收端。
3.6业务发展情况
    1998年11月，OBCOMM系统投入商用。到1999年10月，已有100多家美国公司成为OB COMM
系统的用户，用户终端数达18000台，待装数达14万台，用户包括：通用汽车公司、美国电
气公司。美国陆军和海岸警卫队等。OBCOMM已同全球16家运营商签定了运营许可协议，这
些运营商计划在190个国家开展短消息通信业务，目前已在40个国家取得了政府颁发的完全
或有限经营许可证，在建和建成的网关达15个。
4  LEO ONE系统
    1993年9月，美国abX公司向美国联邦通信委员会（CC）提出了建造、发射和运营LEO  
ONE系统的申请，并于1998年2月取得许可证。LEOONE计划于2000年开始发射卫星，2003年
完成卫星发射，并全面投入运营。
    LEO ONE系统分为空间段和地面段两部分。空间段有48颗卫星；地面段包括网关。星座
控制中心、网络管理中心和用户终端设备。
4.1空间段
    LEO ONE星座由8个轨道平面组成，轨道高度为950km，倾角50°，轨道平面洽赤道均匀
排列，每个平面分布6颗卫星，共48颗。卫星绕行地球一周的时间为104分钟，卫星通过地
面某地点上空的时间为7～10分钟。如果仰角大于15°，则每颗卫星覆盖区直径为3960km，
系统服务区为北纬65°至南纬65°，基本涵盖了地球北极圈到南极圈之间的区域；如果仰
角大于5°，则系统服务区可以扩展到北纬73°至南纬73°。
    LEO ONE卫星的主要功能包括：数据包的存储转发、通信协议处理。信道扫描和分配以
及发射功率控制等。
4.2地面段
    （1）星座管理中心（CMC）
    系统中有一个网关将作为系统的星座管理中心，负责星座中所有卫星的遥控遥测。
    （2）网络管理中心（NMC）
    系统中有一个网关将作为系统的网络管理中心，负责选用最佳通信路由、验证用户身
份、统计通信量和计费等业务。
    （3）网关
    网关是一个区域信息包的交换中心，也是LEO ONE系统与地面通信网的接口，由于卫星
具有信息存储能力，不需要与网关保持连续的通信链路。网关接收地面网络传来的信息，
经存储、处理后发送给过顶卫星，然后由卫星转发给接收端；网关还接收过顶卫星转发的
用户终端发送的信息，如果接收端位于系统以外，网关将通过地面网络把信息发送给接收
端。在美国本土，系统计划建立3个网关，分别位于西南部、西北部和阿拉斯加。根据业务
发展情况，还将与有关国家政府共商协议，设立负责境外业务的网关。
    （4）用户终端
    用户终端的核心是VHF调制解调器，最大发射功率为7W。为了适应各种用户需求，用户
终端将配备各种接口和功能，可用于交通工具的监测和调度、数据采集、寻呼、电子邮件
和告警等。
    对需要大范围覆盖，并有短消息业务需求的地面通信网，小LEO卫星通信系统能起到拾
遗补缺的作用。国内的一些科研机构正积极开展低轨道微小卫星技术的研究，预计不久将
会有数颗国产微小卫星升空。同时，建立我国微小卫星星座的方案也在计划、酝酿中。



摘自《电信快报》