中、低軌道衛(wèi)星通信熱及其基本特征

中、低軌道衛(wèi)星通信熱及其基
本特征

信息產(chǎn)業(yè)部無線電管理局
陳如明

摘  要 
face="仿宋_GB2312">本文討論了中、低軌道衛(wèi)星通信熱的興起背景，與信息高速公路和全球
個人通信的關(guān)系及其基本特征。最后縱觀了目前全世界各種典型中、低軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)的概貌。

關(guān)鍵詞 face="仿宋_GB2312">低軌／中軌／靜止軌道  信息高速公路  
全球／區(qū)域／國內(nèi)信息基礎(chǔ)設(shè)施 無疑隙覆蓋

1 
INMARSAT GEO全球衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)及其基本缺陷

——INMARSAT（國際海
事衛(wèi)星組織，現(xiàn)稱國際移動衛(wèi)星組織），是INTELSAT（國際通信衛(wèi)星組織）的姐妹組織，她在
INTELSAT之后誕生，是一個利用GEO衛(wèi)星（靜止軌道衛(wèi)星或同步軌道衛(wèi)星）經(jīng)營全球衛(wèi)星移動通信
業(yè)務(wù)的商業(yè)性國際組織，總部設(shè)在倫敦。與具有139個成員國的世界上最大的商業(yè)衛(wèi)星組織
INTELSAT相比，其成員國及總部工作人員均較少，但很多INMARSAT的重要成員也是INTELSAT的成
員，兩者“默契”分工，一個從事固定衛(wèi)星業(yè)務(wù)，一個從事移動衛(wèi)星業(yè)務(wù)。

——追溯歷史，
INMARSAT的前身為國際海事咨詢組織（IMCO）。1976年投入太平洋區(qū)域（POR）同步軌道提供船
岸間通信的第一顆Marisat衛(wèi)星開創(chuàng)了衛(wèi)星移動通信的新紀(jì)元，爾后在大西洋區(qū)（AOR）及印度洋
區(qū)（IOR）進(jìn)一步布局此類L頻段衛(wèi)星，由美國COMSAT總公司操作運(yùn)行，直至1982年轉(zhuǎn)移給
INMARSAT租用，并以A類標(biāo)準(zhǔn)全球海事衛(wèi)星通信站構(gòu)成了所謂第一代海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)，形成了衛(wèi)
星移動通信進(jìn)行全球連接服務(wù)的樣板。1979年7月16日INMARSAT正式宣告成立，爾后即租用
Marisat及INTELSAT的IS-V和歐洲宇航局（ESA）的Maices衛(wèi)星進(jìn)行以全球海事移動衛(wèi)星業(yè)務(wù)為主
的運(yùn)營工作。

——至今INMARSAT系統(tǒng)
已更新了三代。第一代于1982年投入使用；第二代于1990年投入使用；目前，第三代INMARSAT
3F1于1996年4月3日由Atlas IAC 122火箭發(fā)射成功，定點(diǎn)于印度洋區(qū)64°E。

——INMARSAT系統(tǒng)的標(biāo)
準(zhǔn)移動終端至今共有6種基本類型，即進(jìn)行海上／陸地業(yè)務(wù)的A、B、C、M、Mini-M標(biāo)準(zhǔn)以及進(jìn)行航
空業(yè)務(wù)的航空標(biāo)準(zhǔn)（AeroH及L）。A、B、M、Mini-M標(biāo)準(zhǔn)及Aero-H標(biāo)準(zhǔn)均可進(jìn)行語音通信，A為模
擬FM方式，2∶1語音壓擴(kuò)；其它均為運(yùn)用BPSK／QPSK型的數(shù)字調(diào)制方式，并借助卷積碼進(jìn)行前向
糾錯；語音壓縮編碼借助APC（自適應(yīng)預(yù)測編碼）、RELPC（殘余低頻譜激勵線性預(yù)測聲碼器）等
算法，其壓kbit／s、9.6kbit／s、4.8kbit／s、3.6kbit／s及2.4kbit／s等。這是目前世界上
唯一可借助手提箱式或筆記本式終端實(shí)現(xiàn)語音、數(shù)據(jù)、傳真等綜合業(yè)務(wù)的全球衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)。

——應(yīng)該指出，已有17
年左右運(yùn)營歷史的INMARSAT海事衛(wèi)星全球通信系統(tǒng)以海上通信、定位、援救等為基本目標(biāo)，擴(kuò)充
至海岸間及陸地衛(wèi)星移動通信和航空衛(wèi)星移動通信，對滿足全球移動用戶的需求做出了突出貢獻(xiàn)。
但是，隨著通信技術(shù)的飛速發(fā)展以及全球用戶信息業(yè)務(wù)需求結(jié)構(gòu)和競爭環(huán)境的急劇變化，
INMARSAT系統(tǒng)依然暴露出下述幾項(xiàng)明顯的不足與缺陷：

——（1）終端笨重，不
能適應(yīng)小型靈巧手持機(jī)型個人通信需求。

——（2）從空間段至地
面用戶終端均體現(xiàn)出其價格昂貴，難以適應(yīng)全球普遍服務(wù)這一未來信息社會基本要求，對此可參閱
表1。Globalstar（全球星）的LEO（低地球軌道，簡稱低軌）系統(tǒng)，其典型單跳空間段通話費(fèi)為
0.65美元左右，手持機(jī)價格約小于500美元，顯然INMARSAT系統(tǒng)缺乏競爭力，更不要說其存在著系
統(tǒng)結(jié)構(gòu)與技術(shù)性能方面的弱點(diǎn)。

表1 INMARSAT語音終端
及空間段費(fèi)用比較

——
（3）容量能力的弱點(diǎn)同樣明顯。即使按1991年已作出決定的第三代INMARSAT點(diǎn)波束結(jié)構(gòu)為例，一
個INMARSAT-3衛(wèi)星點(diǎn)波束約可覆蓋100個Iridium（銥）LEO系統(tǒng)小波束，而每個銥系統(tǒng)小波束
（小區(qū)）在10.5MHz帶寬內(nèi)卻能容納大約110個雙向語音信道，從而在一個INMARSAT點(diǎn)波束大區(qū)內(nèi)
銥系統(tǒng)可運(yùn)作11000路話音信道，相應(yīng)INMARSAT系統(tǒng)僅能運(yùn)作300～400路話音信道，其差距近3倍
之多。

——（4）頻譜利用效率
較差。

——（5）移動用戶與移
動用戶間連接需經(jīng)GEO衛(wèi)星雙跳完成，時延大，回聲抑制要求難度大、費(fèi)用高。

——這些情況亦道破了
INMARSAT為何要在新的全球競爭環(huán)境中盡快建立下面將要討論的新一代MEO（中地球軌道簡稱中
軌）INMARSAT-P（ICO，中圓軌道）系統(tǒng)的原委。

2 新一代
MEO／LEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)的誕生基礎(chǔ)與動力

——（1）非靜止軌道衛(wèi)
星系統(tǒng)的應(yīng)用基礎(chǔ)

——①HEO（高橢圓軌
道）衛(wèi)星系統(tǒng)

——HEO是指衛(wèi)星運(yùn)行軌
道為橢圓，其遠(yuǎn)地點(diǎn)高度大于靜止衛(wèi)星高度（36000km）。眾所周知的有Molnyia、Ioopus等系
統(tǒng)，其中Molnyia系統(tǒng)最具有代表性。

——Molnyia（閃電）系
統(tǒng)，于1965年由原蘇聯(lián)發(fā)射成功，其軌道周期為12小時，遠(yuǎn)地點(diǎn)39500km，近地點(diǎn)約500km。其動
因在于蘇聯(lián)大部分地區(qū)位于50°以上，北極圈橫貫東西靜止衛(wèi)星難以覆蓋其全國，為使由莫斯科向
遠(yuǎn)隔6000km東達(dá)海參威的人煙稀少的廣寬的西伯利亞地區(qū)傳輸電視節(jié)目，開發(fā)了此HEO
Molnyia系統(tǒng)，在大傾斜（傾角為63.4°）橢圓非靜止軌道上設(shè)置120°間隔三顆衛(wèi)星構(gòu)成其星
座。利用由開普勒定律決定的遠(yuǎn)地點(diǎn)廣大區(qū)域衛(wèi)星運(yùn)行慢速移動（0.1°／min）的滯留（Dwell）
現(xiàn)象，以實(shí)現(xiàn)有效的電視傳輸。至1992年“閃電”系列衛(wèi)星即已發(fā)射了127顆，單Molnyia-3衛(wèi)星
即有43顆，從而累積了豐富的非靜止HEO軌道衛(wèi)星系統(tǒng)的軌道與系統(tǒng)設(shè)計、運(yùn)行的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)。

——②小MEO／LEO衛(wèi)星
系統(tǒng)

——從軍用、科學(xué)試驗(yàn)
到商用，產(chǎn)生了一系列小MEO／LEO系統(tǒng)，如GPS、Glonass、Orbcomm、Faisat、Gonets、Pacsat
等，其中以GPS、Orbcomm等最為聞名。

——GPS為MEO系統(tǒng)，為
美國空軍系統(tǒng)運(yùn)作，用作全球定位。早期為12個衛(wèi)星星座，在1978～1985年間發(fā)射;新的GPS系統(tǒng),
在1989～1994年間發(fā)射;為24顆小衛(wèi)星星座系統(tǒng),分6個軌道平面覆蓋全球,軌道高度為17723km,傾
角為55°，該星座亦稱NAVSTAR
GPS。據(jù)悉，美國空軍還擬發(fā)射第二個小LEO系統(tǒng)，稱為Brilliant Eyes（BE），用于跟蹤彈道
導(dǎo)彈彈頭，作為美軍以太空為基礎(chǔ)的紅外線尋的系統(tǒng)（SBIRS）的一部分，衛(wèi)星數(shù)約為18～32個。

——（2）新一代
MEO／LEO系統(tǒng)的發(fā)展動力

——①從INMARSAT GEO
型三代衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)到上述包括導(dǎo)航、定位、營救、搜索在內(nèi)的各種軍用／科學(xué)試驗(yàn)非靜止軌
道小衛(wèi)星系統(tǒng)，一方面為新一代MEO／LEO系統(tǒng)的發(fā)展提供了基本實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，另一方面其業(yè)務(wù)范圍
與綜合能力依然非常有限。進(jìn)入90年代中期，隨著同步軌道資源限制與擁塞矛盾的白熱化及其高緯
度區(qū)域覆蓋的局限性，人們寄希望于非同步軌道運(yùn)作而開發(fā)出克服上述缺陷的新一代MEO／LEO系
統(tǒng)。

——②陸地移動通信的
迅猛發(fā)展，使人們嘗到了移動通信與個人通信的甜頭，而且價格性能方面也為越來越多的用戶所接
受。

——③信息高速公路的
無疑隙覆蓋含義上的全球個人通信目標(biāo)使人們意識到新一代MEO／LEO衛(wèi)星移動通信可充當(dāng)重要的
角色。

——④全球競爭環(huán)境、
政策、規(guī)則及用戶需求結(jié)構(gòu)的快速變化愈來愈嚴(yán)峻，亦導(dǎo)致人們在上述基礎(chǔ)上加速推進(jìn)新一代
MEO／LEO系統(tǒng)的發(fā)展，以求捷足先登、搶占有限的全球用戶市場。正是由于這些原因才掀起了
MEO／LEO衛(wèi)星通信的狂熱！

3 小衛(wèi)星的
定義

——小衛(wèi)星的定義早先
偏重于其重量，如稱小于1134kg的衛(wèi)星為小衛(wèi)星，然而隨著新一代MEO／LDO衛(wèi)星系統(tǒng)的興起，對
小衛(wèi)星的定義則側(cè)重于技術(shù)先進(jìn)性與業(yè)務(wù)綜合性。

——目前通常按頻段與
功能來定義是小LEO還是大LEO。只傳輸非話業(yè)務(wù)、工作頻段在1GHz以下者常自然數(shù)為小LEO，反之
同時傳輸語音等多種業(yè)務(wù)，工作在1GHz以上者則稱為大LEO。至于低軌、中軌、高軌本身的含義，
首先與衛(wèi)星軌道定位高度有關(guān)，同時還要避開下一講要講到的Van
Allen（范.艾倫）輻射帶對衛(wèi)星的輻射損害影響。LEO高度一般為500km～1500km左右，MEO高
度通常指5000km～15000km左右，GEO為35768km高度赤道上空的軌道，HEO遠(yuǎn)地點(diǎn)高度本來指大于
GEO高度的橢圓軌道，但目前HEO的設(shè)計思想亦在進(jìn)一步修正，可降低其遠(yuǎn)地點(diǎn)軌道高度，但仍呈
橢圓星軌，甚至將MEO圓軌道與橢圓軌道兩者結(jié)合設(shè)計為MHEO系統(tǒng)，Ellipso（橢圓星軌）系統(tǒng)即
為此一例，從而通常將此類現(xiàn)代HEO／MHEO系統(tǒng)仍歸入MEO之列。更有甚者，有時一些人還將MEO
（或ICO）亦視為大LEO范疇，因?yàn)樗鼈兺�往使用類似的頻段和業(yè)務(wù)。與此同時，則稱星座數(shù)特別
巨大的系統(tǒng)，諸如共840個小衛(wèi)星耗資近100億美元的Teledesic（全球電信網(wǎng)）系統(tǒng)為超級
（Super）LEO系統(tǒng)，它由跨地球高度為700km的21個圓形軌道構(gòu)成，每一軌道平面上有40個衛(wèi)
星，加上在軌10％備份，共有924顆衛(wèi)星在軌移動支行，利用Ka頻段，有星上處理及星際鏈路，且
主要瞄準(zhǔn)寬帶固定衛(wèi)星業(yè)務(wù)連接。這些情況在第四講中有更為詳細(xì)的討論。

4 現(xiàn)代
MEO／LEO衛(wèi)星通信的基本特征

——歸納起來，面向21
世紀(jì)的現(xiàn)代MEO／LEO衛(wèi)星通信具有下述一些基本特征：

——（1）具有全球／區(qū)
域覆蓋能力，以適應(yīng)未來個人化業(yè)務(wù)連接需要。

——（2）利用極地軌道
或網(wǎng)狀覆蓋傾斜軌道，一方面可彌補(bǔ)同步軌道資源的不足，另一方面又可支撐更優(yōu)良的裝備實(shí)施與
業(yè)務(wù)性能的需要。

——（3）通信業(yè)務(wù)向多
樣化、綜合化方向發(fā)展，以期與未來多媒體高速信息傳輸相溝通。

——（4）由于可能與全
球個人業(yè)務(wù)相連接，用戶終端可使用類似或兼容于陸地蜂窩移動系統(tǒng)的蓄電池供電的小型手持機(jī)。

——（5）系統(tǒng)設(shè)計及網(wǎng)
絡(luò)結(jié)構(gòu)可提供進(jìn)入或組合于現(xiàn)有公用通信網(wǎng)及陸地移動通信網(wǎng)的能力。

——（6）網(wǎng)絡(luò)設(shè)計、系
統(tǒng)構(gòu)成、星間協(xié)調(diào)、星星處理等充分利用現(xiàn)代通信智能化、數(shù)字化及多媒體化的最新技術(shù)，以技術(shù)
優(yōu)勢換取市場競爭和價格／性能比上的優(yōu)勢。

——（7）除軌道資源擴(kuò)
充外，對頻率資源亦進(jìn)行積極擴(kuò)充，包括利用或混合利用Ku、Ka甚至EHF等高頻段，以及光頻段開
發(fā)，以滿足高吞吐量寬帶業(yè)務(wù)傳輸及饋線鏈路和星際鏈路的構(gòu)成需要。

5
LEO／MEO／MHEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)一覽簡表

——為獲得對目前現(xiàn)代
LEO／MEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)發(fā)展?fàn)顩r一個概貌，特提供新一代LEO／MEO／MHEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)一覽簡
表，如表2所示以供分析參考。

表2 LEO／MEO現(xiàn)代衛(wèi)星移
動通信系統(tǒng)性能對比簡表

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結(jié)束語

——現(xiàn)代通信技術(shù)、計
算機(jī)技術(shù)、航天技術(shù)與半導(dǎo)體集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展及競爭、政策、規(guī)則與市場需求結(jié)構(gòu)的急劇
變化，導(dǎo)致出現(xiàn)了現(xiàn)代MEO／LEO衛(wèi)星通信主熱潮，構(gòu)成了一幅通信領(lǐng)域“星球大戰(zhàn)”的新畫面。