建立我國的中、低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)的設(shè)想

建立我國的中、低軌衛(wèi)星通信系
統(tǒng)的設(shè)想

吳詩其　胡劍浩　劉鋼

　　摘要　本文介紹了支持移動(dòng)業(yè)
務(wù)和固定業(yè)務(wù)的中、低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r，提出了實(shí)現(xiàn)我國中、低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)的設(shè)
想。

　　關(guān)鍵詞　衛(wèi)星通信　中、低軌道衛(wèi)星　衛(wèi)星移動(dòng)和固
定業(yè)務(wù)

１　引言

　　在衛(wèi)星移動(dòng)通信領(lǐng)域，中、低軌衛(wèi)星系統(tǒng)占有主導(dǎo)
地位。而對(duì)于固定衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)（ＦＳＳ），傳統(tǒng)上幾乎都用同步軌道衛(wèi)星（ＧＳＯ）系統(tǒng)來支
持。然而，近年的研究表明，為支持交互式多媒體業(yè)務(wù)和Ｉｎｔｅｒｎｅｔ業(yè)務(wù)，非同步軌道衛(wèi)星
（ＮＧＳＯ）的ＦＳＳ寬帶系統(tǒng)在降低系統(tǒng)成本和改善服務(wù)質(zhì)量方面具有優(yōu)勢。本文在介紹衛(wèi)星移
動(dòng)業(yè)務(wù)和固定業(yè)務(wù)的中、低軌系統(tǒng)發(fā)展?fàn)顩r之后，提出了加強(qiáng)我國中、低軌道衛(wèi)星通信研究的建
議，以及實(shí)現(xiàn)我國中、低軌衛(wèi)星系統(tǒng)的設(shè)想。

２　衛(wèi)星移動(dòng)通信業(yè)務(wù)

　　衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)主要用于支持位于地面移動(dòng)通信
網(wǎng)服務(wù)區(qū)以外用戶的移動(dòng)通信業(yè)務(wù)，其用戶為速率較低的個(gè)人終端，這種終端應(yīng)當(dāng)是輕便和低成本
的。衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)還用來為地面通信網(wǎng)未能覆蓋的農(nóng)村和邊遠(yuǎn)地區(qū)提供基本的通信服務(wù)（話音
和低速數(shù)據(jù)，這對(duì)發(fā)展中國家更具有重要意義），為此也需要地面終端輕便和低成本。使用戶終端
輕便、低成本的有效方法是采用中、低軌衛(wèi)星的系統(tǒng)，以減少鏈路傳播損耗，降低對(duì)終端ＥＩＲＰ
（等效全向輻射功率）和Ｇ／Ｔ（接收機(jī)品質(zhì)因數(shù)）的要求。因此，中、低軌系統(tǒng)在衛(wèi)星移動(dòng)通信
的發(fā)展過程中已成為主流。１９９８年發(fā)射的低軌商用衛(wèi)星１５３顆，預(yù)計(jì)１９９９和２０００年
分別為１７４和２２５顆。在本世紀(jì)最后幾年將建成的一些重要的衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)都是中、低軌
系統(tǒng)，如表１所示。預(yù)計(jì)在１９９９年系統(tǒng)啟用階段全球移動(dòng)用戶有４５萬，而５年后即到２００
４年將增加至７００萬［１］。

表1　本世紀(jì)建成的主要
中、低軌系統(tǒng)

３　固定衛(wèi)星業(yè)務(wù)

　　目前，ＦＳＳ幾乎都由同步衛(wèi)星通信系統(tǒng)支持。近
年來，Ｉｎｔｅｒｎｅｔ應(yīng)用的爆炸性增長，交互式多媒體業(yè)務(wù)量的迅速增加，需要寬帶的ＦＳＳ
系統(tǒng)來支持。研究表明，對(duì)于功率和頻帶受限的衛(wèi)星通信系統(tǒng)來說，如能放棄鏈路損耗大和傳播延
時(shí)長的ＧＳＯ系統(tǒng)，而采用ＮＧＳＯ寬帶系統(tǒng)，對(duì)于改善服務(wù)質(zhì)量和降低成本都十分有利。比如，
對(duì)于交互式多媒體業(yè)務(wù)，對(duì)系統(tǒng)延時(shí)有一定限制。

　　由ＮＧＳＯ ＦＳＳ寬帶系統(tǒng)構(gòu)成的空間高速網(wǎng)并不與地面光纖網(wǎng)競爭，
而是互為補(bǔ)充。衛(wèi)星網(wǎng)主要用于低業(yè)務(wù)密度地區(qū)，在那里無法做到高速數(shù)字用戶線（或光纖）到家
（或辦公室），而衛(wèi)星網(wǎng)可支持用戶對(duì)因特網(wǎng)的高速瀏覽、電視會(huì)議、遠(yuǎn)程醫(yī)療以及ＨＤＴＶ傳輸
等。對(duì)于這類用戶，終端設(shè)備的低成本也是一個(gè)重要問題。如果采用軌道高度為８００
ｋｍ的低軌衛(wèi)星系統(tǒng)，在天線尺寸和其他設(shè)備參數(shù)不變的情況下，其數(shù)據(jù)傳輸
速率可比ＧＳＯ系統(tǒng)提高２ ０００倍，而傳播延時(shí)約１０ ｍｓ。

４　建立我國新一代的衛(wèi)星通信系統(tǒng)

４．１　中、低軌系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)和存在的問題


　　發(fā)展中、低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)，對(duì)我國將在下列三個(gè)方面發(fā)揮作用：提供移
動(dòng)通信業(yè)務(wù)；為農(nóng)村和邊遠(yuǎn)地區(qū)提供基本的通信業(yè)務(wù)（話音和低速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)）；為（我國已經(jīng)頗多
的）行業(yè)專用網(wǎng)（國外中、低軌高速網(wǎng)的最大潛在用戶是跨國公司）和低業(yè)務(wù)密度地區(qū)用戶提供多
媒體和高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。我國是一個(gè)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，而各地區(qū)發(fā)展又不平衡，同時(shí)發(fā)展?jié)摿�很大的�?br />家。這一國情決定了衛(wèi)星通信系統(tǒng)的上述三種服務(wù)對(duì)我國都十分重要。從長遠(yuǎn)的觀點(diǎn)來看，建立我
國新一代的由中、低軌衛(wèi)星和同步衛(wèi)星組成的綜合系統(tǒng)確有必要。

　　中、低軌系統(tǒng)的衛(wèi)星與地面有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因此系統(tǒng)必須由多顆衛(wèi)星構(gòu)成的
星座來完成對(duì)服務(wù)區(qū)的連續(xù)覆蓋。傳統(tǒng)的中、低軌系統(tǒng)通常是對(duì)全球或某一緯度范圍內(nèi)地區(qū)的連續(xù)
覆蓋，需要的衛(wèi)星數(shù)目較多，空間段投資大，這是中、低軌系統(tǒng)難于用作區(qū)域性系統(tǒng)（比如只為我
國服務(wù)的系統(tǒng)）的關(guān)鍵所在。

４．２　區(qū)域性系統(tǒng)星座

　　如果采用適當(dāng)?shù)男亲�設(shè)計(jì)方法，可實(shí)現(xiàn)非同步軌道星座對(duì)我國的連續(xù)覆蓋
（但不能實(shí)現(xiàn)對(duì)全球的連續(xù)覆蓋），或者能在每天的特定時(shí)段對(duì)我國進(jìn)行連續(xù)覆蓋。這類系統(tǒng)可由
中軌衛(wèi)星組成，具有支持寬帶多媒體通信的能力。由于系統(tǒng)的衛(wèi)星數(shù)目少，因此所需的系統(tǒng)投資大
大低于全球性系統(tǒng)。

　　我們?cè)O(shè)計(jì)了兩種星座方案［２］，在表２中列出了對(duì)我國進(jìn)行連續(xù)覆蓋的
一種區(qū)域性系統(tǒng)衛(wèi)星星座參數(shù)。系統(tǒng)由５顆中軌衛(wèi)星組成，軌道平面傾角３１°。位于我國的用戶
對(duì)衛(wèi)星的最小仰角為２０°，平均仰角與用戶位置有關(guān)，其最小值不低于４０°。

表2　我國非同步軌道區(qū)域
性星座方案之一

　該星座不僅對(duì)我國提供連續(xù)覆蓋，而且能對(duì)美國和非
洲進(jìn)行連續(xù)覆蓋。如果這一星座用于構(gòu)成３個(gè)區(qū)域性系統(tǒng)，每一系統(tǒng)只承擔(dān)空間段費(fèi)用的三分之
一。而這種區(qū)域性星座的衛(wèi)星數(shù)目往往只有全球星座的一半，因此，每一區(qū)域性系統(tǒng)的空間段投資
大約只有全球系統(tǒng)的１／６，與以同步衛(wèi)星支持的區(qū)域性系統(tǒng)的費(fèi)用相當(dāng)，甚至更低些。而中軌系
統(tǒng)有較好的仰角特性，從而減少了系統(tǒng)余量。同時(shí)，鏈路傳播損耗和延時(shí)也較小，對(duì)提高改善服務(wù)
質(zhì)量和降低地面終端設(shè)備成本都十分有利。

　　通常，每天的通信業(yè)務(wù)量都集中于當(dāng)?shù)貢r(shí)間的白天。比如，對(duì)于話音業(yè)務(wù)
而言，一般集中在當(dāng)?shù)貢r(shí)間的０７：００～２３：００。因此，有另一個(gè)可供選擇的時(shí)限星座方
案：該星座每天僅在１６
ｈ的時(shí)段內(nèi)對(duì)我國提供連續(xù)覆蓋，其主要參數(shù)列于表３。該星座的軌道平面傾
角為４２°，最小仰角２０°，平均仰角的最小值在４０°以上。 size="3">

表3　我國非同步軌道區(qū)域
性星座方案之二

　我國已建立了較為完善的同步衛(wèi)星通信系統(tǒng)，如果它
與中軌系統(tǒng)組成綜合系統(tǒng)，可滿足移動(dòng)通信、邊遠(yuǎn)地區(qū)基本通信、寬帶數(shù)據(jù)通信以及高速連網(wǎng)等要
求。如果采用時(shí)限星座方案，在中軌系統(tǒng)不能覆蓋的低業(yè)務(wù)時(shí)段內(nèi)，可由同步衛(wèi)星來支持這些較小
的業(yè)務(wù)量，此時(shí)，同步衛(wèi)星系統(tǒng)也有足夠的資源（如功率）來改善因中軌系統(tǒng)轉(zhuǎn)換至同步系統(tǒng)時(shí)傳
播損耗增加的影響。

４．３　我國應(yīng)當(dāng)如何起步

　　發(fā)展我國新一代衛(wèi)星移動(dòng)通信的第一階段，可利用低軌小衛(wèi)星，以數(shù)據(jù)存
儲(chǔ)／轉(zhuǎn)發(fā)方式建立我國的全球數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)（它所需投資較�。�。

　　從我國的情況來看，建立由我國控制的全球數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)是必要的，這對(duì)
我國駐外機(jī)構(gòu)、企業(yè)、船隊(duì)等都有實(shí)用價(jià)值，也可在發(fā)展中國家通信落后地區(qū)開拓市場。從國內(nèi)的
需求來看，我國通信網(wǎng)尚未覆蓋的邊遠(yuǎn)地區(qū)、礦山、野外作業(yè)和遠(yuǎn)程醫(yī)療、教育以及對(duì)某些行業(yè)
（如水文、地震無人值守站數(shù)據(jù)的采集、傳輸）等均有良好的應(yīng)用前景。

　　更重要的是小衛(wèi)星可為發(fā)展我國非同步軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)提供試驗(yàn)平臺(tái)。
由于小衛(wèi)星系統(tǒng)的通信體制可通過地面控制站對(duì)星載軟件重新加載而加以改變，因此，可利用小衛(wèi)
星系統(tǒng)對(duì)其他電信業(yè)務(wù)和通信體制進(jìn)行試驗(yàn)，有利于對(duì)中、低衛(wèi)星移動(dòng)通信的關(guān)鍵技術(shù)和通信體制
的研究，對(duì)發(fā)展我國新一代衛(wèi)星通信系統(tǒng)有重要意義。

　　第二階段將建立中軌系統(tǒng)，并以采用時(shí)限區(qū)域性星座為宜。為了降低風(fēng)險(xiǎn)
和減少投資，初期星座的“時(shí)限”宜短一些，比如只在每天的８：００～１８：００的時(shí)段內(nèi)覆蓋
我國。這種系統(tǒng)能支持一天中的大部分通信的業(yè)務(wù)量，以話音業(yè)務(wù)為例，該時(shí)段內(nèi)的業(yè)務(wù)量為全天
業(yè)務(wù)量的８１％。而此時(shí)系統(tǒng)所用的衛(wèi)星數(shù)目較少，如果衛(wèi)星高度約１０
０００ ｋｍ，則３顆衛(wèi)星可望滿足要求。以國外推出的全球中軌系統(tǒng)的衛(wèi)星
數(shù)（約１２顆）和投資（約２０多億美元）來估算，建立我國“時(shí)限”區(qū)域性中軌系統(tǒng)所需投資，
只相當(dāng)于我國目前正在建立的同步衛(wèi)星系統(tǒng)ＡＰＭＴ的投資。

　　至于是否擴(kuò)大星座的“時(shí)限”，或者拓展為連續(xù)覆蓋的區(qū)域性系統(tǒng)，應(yīng)可
視市場需求和技術(shù)的發(fā)展而定。