小LEO衛(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀

小LEO衛(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀（徐曉書(shū)）
    在高速發(fā)展的信息社會(huì)里，高效、迅速、廉價(jià)地傳輸短消息是一種重要的通信需求。利用
現(xiàn)有的地面有線或無(wú)線通信手段，可以方便地建立起覆蓋一個(gè)城市或一個(gè)小區(qū)域的短消息通信
系統(tǒng)。然而，如果這個(gè)系統(tǒng)要覆蓋廣大農(nóng)村和邊遠(yuǎn)地區(qū)，甚至全國(guó)或全球，考慮到經(jīng)濟(jì)因素，
只依靠地面通信手段是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。小LEO衛(wèi)星系統(tǒng)就是基于建立一個(gè)覆蓋全球難實(shí)時(shí)廉價(jià)的短
消息通信系統(tǒng)的目的而提出的。
    按照衛(wèi)星的軌道高度，衛(wèi)星可分為三類(lèi)：低軌道衛(wèi)星（LEO），軌道高度小于5000km；中軌
道衛(wèi)星（MEO），軌道高度介于500km～20000km；高軌道衛(wèi)星（HEO），軌道高度大于20000km。
按照系統(tǒng)的業(yè)務(wù)特點(diǎn)，LEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)又可分為：提供短消息業(yè)務(wù)的小LEO系統(tǒng)問(wèn)，（lITTLE
-LEO），如OBCOMM、LEO ONE；提供話音業(yè)務(wù)的大LEO系統(tǒng)（Big-LEO)，如GlobalStar、
Iridium；
提供高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的巨LEO系統(tǒng)（Mega－LEO），如Teledeslc、SkyBrldge。
1小LEO衛(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程和現(xiàn)狀
    商用小LEO衛(wèi)星系統(tǒng)的提出始于1990年，由OHCOMM、Starsys和VITA三個(gè)小LEO衛(wèi)星系統(tǒng)向
美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）提出申請(qǐng)，但當(dāng)時(shí)還沒(méi)有小LEO衛(wèi)星系統(tǒng)的工作頻段。1992年，世
界無(wú)線電行政會(huì)議為小LEO衛(wèi)星系統(tǒng)分配了工作頻段：137～138MHz（下行）、400.15～401.00
MHz（下行）和148.010～150.05MHZ（上行）。爾后，F(xiàn)CC向上述三個(gè)系統(tǒng)頒發(fā)了許可證。
    1993年至1994年期間，又先后有l(wèi)eo OneWorlewide、Final Analysis Communication、
ESAI、GE American Communication等公司向FCC提出了小LEO系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)申請(qǐng)。1995年，世界
無(wú)線電行政會(huì)議分配399.9～400.05MHz作為小LEO系統(tǒng)在全球范圍的上行頻率，455～456MH。
和459～460MHz頻段作為小LEO系統(tǒng)在西半球范圍的上行頻率。1997年，世界無(wú)線電行政會(huì)議又
為小LEO系統(tǒng)增加了工作頻段。
    近年來(lái)，由于自身發(fā)展方向的調(diào)整，某些小LEO系統(tǒng)撤消了運(yùn)營(yíng)申請(qǐng)。目前取得FCC運(yùn)營(yíng)許
可證的LEO系統(tǒng)，其中OB－COMM系統(tǒng)已于1998年投入運(yùn)營(yíng)，LEO ONE系統(tǒng)預(yù)計(jì)于2002年投入運(yùn)營(yíng)。
2小LEO衛(wèi)星系統(tǒng)的特點(diǎn)
    從技術(shù)角度來(lái)看，小LEO系統(tǒng)和大LEO系統(tǒng)都可用于短消息通信。然而，小LEO系統(tǒng)是專(zhuān)門(mén)
針對(duì)短消息通信設(shè)計(jì)的，與大LEO系統(tǒng)相比，它的衛(wèi)星有效載荷、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)和用戶終
端設(shè)備要簡(jiǎn)單得多，系統(tǒng)投資、運(yùn)營(yíng)費(fèi)用和終端設(shè)備價(jià)格則比大LEO系統(tǒng)低得多，因而對(duì)于大
范圍、多終端、有短消息通信需求的用戶（如環(huán)境監(jiān)測(cè)、管線監(jiān)控和車(chē)船監(jiān)控等）來(lái)說(shuō)，小
LEO系統(tǒng)無(wú)疑是一種經(jīng)濟(jì)、有效的通信手段。
3 OBCOMM系統(tǒng)
    OBCOMM系統(tǒng)是由美國(guó)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系統(tǒng)。它是一個(gè)采用分組交換方式，覆蓋全球的雙向短消息通信
系統(tǒng)，由空間段和地面段兩部分組成：空間段有 48顆衛(wèi)星；地面段包括網(wǎng)絡(luò)控制中心、一定
數(shù)量的網(wǎng)關(guān)以及各種移動(dòng)或固定用戶終端設(shè)備。
3.1空間段
    OBCOMM星座由A、B、C、D、E、F、G7個(gè)軌道平面組成，計(jì)劃發(fā)射48顆小衛(wèi)星（Orbital 
Microstar），其中7顆為備用星，每顆衛(wèi)星覆蓋區(qū)域的直徑約為5400km。A、B、C3個(gè)軌道平
面的傾角為45°，間隔120° 軌道高度835km，每個(gè)平面上有6顆衛(wèi)星；D平面為赤道軌道，軌
道高度1000km，有6顆衛(wèi)星；E平面的傾角為70°、F平面的傾角為108°，軌道高度均為780hm，
每個(gè)平面有2顆衛(wèi)星；為了加強(qiáng)南、北緯25°～55°之間的覆蓋，系統(tǒng)增加了G平面，G平面的
傾角為45°，與A平面的間隔為20°，軌道高度825km，有7顆衛(wèi)星。目前已經(jīng)完成了A、B、C、
E、F、G6個(gè)平面35顆衛(wèi)星的發(fā)射，預(yù)計(jì)2004年將完成所有軌道平面衛(wèi)星的發(fā)射和調(diào)整。
3.2地面段
   （1）網(wǎng)絡(luò)控制中心（NCC）
    OBCOMM系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)管理中心設(shè)在美國(guó)弗吉尼亞州，負(fù)責(zé)OBCOMM系統(tǒng)空；和段的管理，保
證衛(wèi)星正常運(yùn)作。同時(shí)它也是美國(guó)國(guó)內(nèi)的網(wǎng)關(guān)控制中心，負(fù)責(zé)管理國(guó)內(nèi)通信業(yè)務(wù)。
    （2）網(wǎng)關(guān)（Gateway）
    網(wǎng)關(guān)的主要任務(wù)是負(fù)責(zé)指定服務(wù)區(qū)域內(nèi)的用戶業(yè)務(wù)管理，OBCOMM系統(tǒng)內(nèi)的所有通信都必
須通過(guò)某個(gè)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行，同時(shí)網(wǎng)關(guān)也是OBCOMM系統(tǒng)與外部的接口，用戶可以通過(guò)公共電話網(wǎng)
（PSTN）、公共數(shù)據(jù)網(wǎng)（DDN）或?qū)Ｓ脭?shù)據(jù)網(wǎng)（PDN）接入OBCOMM系統(tǒng)。網(wǎng)關(guān)包括一個(gè)網(wǎng)關(guān)控
制中心（GCC）和至少一個(gè)網(wǎng)關(guān)地球站（GES）。
    ·網(wǎng)關(guān)控制中心（GCC）是網(wǎng)關(guān)的核心，它有兩個(gè)主要的子系統(tǒng)：網(wǎng)關(guān)報(bào)文交換系統(tǒng)
（GMSS）和網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)（NMS）。GMSS的功能包括報(bào)文處理、路由選擇、規(guī)程轉(zhuǎn)換和與外
部網(wǎng)絡(luò)接口；NMS的功能是對(duì)兩關(guān)的各種設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控。
    ·網(wǎng)關(guān)地球站（GES）的作用是為網(wǎng)關(guān)與衛(wèi)星星座之間提供無(wú)線通信鏈路。GES由跟蹤天
線、調(diào)制解調(diào)器和相關(guān)接口設(shè)備組成，通常一個(gè)GES有兩套相同的天線和收發(fā)設(shè)備，彼此互
為備份，以提高可靠性。GES并不一定同GCC處于同一地理位置，GES的選址原則為獲取最佳
服務(wù)區(qū)覆蓋和最小電磁干擾。GES與GCC之間則由專(zhuān)用線路連接。
    （3）用戶終端（SC）
    SC的作用是將用戶信息發(fā)送給服務(wù)區(qū)上空的衛(wèi)星，再通過(guò)衛(wèi)星發(fā)送給服務(wù)區(qū)網(wǎng)關(guān)，同時(shí)
也接收網(wǎng)關(guān)通過(guò)衛(wèi)星發(fā)送給用戶的信息。SC的基本單元是VHF調(diào)制解調(diào)器，為了適應(yīng)不同的
用戶需求，SC還配備不同接口，通常有具備定位功能的GPS接收機(jī)。
3.3衛(wèi)星信道和工作頻段
    在OBCOMM系統(tǒng)中，衛(wèi)星與網(wǎng)關(guān)地球站（GES）之間的通信采用TDMA方式，每個(gè)GES的上下
行鏈路各占用一個(gè)TDMA時(shí)隙，每顆衛(wèi)星最多可以同時(shí)與16個(gè)GES通信。衛(wèi)星與用戶終端的下
行鏈路通信采用FDMA方式，總共設(shè)置12個(gè)下行信道，每個(gè)信道可復(fù)用4次，每顆衛(wèi)星使用一
個(gè)信道。衛(wèi)星與用戶終端之間的上行鏈路采用FDMA／TDMA方式，共有6個(gè)信道。衛(wèi)星網(wǎng)管中
心可以根據(jù)需要，將這些信道設(shè)置為隨機(jī)接入信道或預(yù)分配信道。
3.4基本業(yè)務(wù)
    OBCOMM系統(tǒng)提供4類(lèi)基本業(yè)務(wù)：數(shù)據(jù)報(bào)告（Data Report）、報(bào)文（Message）、全球數(shù)
據(jù)報(bào)（GlobalGram）和指令（Command）。
    （1）數(shù)據(jù)報(bào)告
    由用戶終端發(fā)送的短消息，信息長(zhǎng)度一般小于6個(gè)字節(jié)，接收者通過(guò)同一服務(wù)區(qū)的網(wǎng)關(guān)
接收信息。
    （2）報(bào)文
    由用戶終端發(fā)送或接收的較長(zhǎng)信息，信息長(zhǎng)度不超過(guò)2000字節(jié)，信息發(fā)送者與接收者
位于同一個(gè)網(wǎng)關(guān)服務(wù)區(qū)。
    （3）全球數(shù)據(jù)報(bào)
    由用戶終端發(fā)送或接收的信息，信息長(zhǎng)度不超過(guò)229字節(jié)，信息發(fā)送者與接收者不在同
一個(gè)網(wǎng)關(guān)服務(wù)區(qū)，信息傳輸依靠衛(wèi)星的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)功能完成。
    （4）指令
    由網(wǎng)關(guān)發(fā)送給用戶終端的短消息，用于設(shè)置用戶終端狀態(tài)或通知其發(fā)送信息，信息長(zhǎng)
度小于5字節(jié)。
3.5通信過(guò)程
    OBCOMM系統(tǒng)中所有的通信過(guò)程都是在網(wǎng)關(guān)控制下完成，衛(wèi)星主要起轉(zhuǎn)發(fā)作用。網(wǎng)關(guān)始
終與過(guò)頂衛(wèi)星保持聯(lián)系。過(guò)頂衛(wèi)星向服務(wù)區(qū)內(nèi)所有用戶終端連續(xù)廣播控制信息，包括時(shí)間
同步信號(hào)、所連接網(wǎng)關(guān)的ID標(biāo)志和隨機(jī)接入信道頻率等。
    如果用戶終端要發(fā)送信息，先通過(guò)隨機(jī)接入信道發(fā)出“請(qǐng)求發(fā)送”信號(hào)，衛(wèi)星收到信
號(hào)后，就向該用戶終端發(fā)出應(yīng)答信號(hào)，并通知它發(fā)送短消息的信道和時(shí)隙。如果用戶終端
要發(fā)送的是數(shù)據(jù)報(bào)告，則在所分配的時(shí)隙內(nèi)直接發(fā)送，衛(wèi)星收到數(shù)據(jù)報(bào)告后，立即轉(zhuǎn)發(fā)給
網(wǎng)關(guān)，然后由網(wǎng)關(guān)傳送給相應(yīng)的接收端。如果用戶終端要發(fā)送的是報(bào)文，則在所分配的時(shí)
隙內(nèi)發(fā)出“報(bào)文發(fā)送請(qǐng)求”，衛(wèi)星將該請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)關(guān)，經(jīng)網(wǎng)關(guān)確認(rèn)后，衛(wèi)星為該用戶終
端分配一個(gè)預(yù)分配信道和發(fā)射時(shí)隙，用戶終端在規(guī)定的信道和時(shí)隙內(nèi)，將報(bào)文發(fā)送給衛(wèi)星，
衛(wèi)星收到報(bào)文后立即轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)關(guān)。如果接收端處于OB－COMM系統(tǒng)覆蓋范圍以外，網(wǎng)關(guān)就會(huì)
通過(guò)地面線路將報(bào)文傳送到接收端；如果接收端是網(wǎng)關(guān)服務(wù)區(qū)內(nèi)的另一個(gè)用戶終端，網(wǎng)關(guān)
就會(huì)將報(bào)文發(fā)送給過(guò)頂衛(wèi)星，由衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)給接收端。如果用戶終端所在地沒(méi)有網(wǎng)關(guān)，或者
用戶終端需要與不同網(wǎng)關(guān)服務(wù)區(qū)的用戶通信，用戶終端可以使用全球數(shù)據(jù)報(bào)業(yè)務(wù)。用戶終
端可在衛(wèi)星過(guò)頂時(shí)，通過(guò)指定信道將信息發(fā)送給衛(wèi)星，待接收并存儲(chǔ)信息的衛(wèi)星飛行到接
收端網(wǎng)關(guān)上空時(shí)，將信息發(fā)送給該網(wǎng)關(guān)，再由該網(wǎng)關(guān)發(fā)送給接收端。
3.6業(yè)務(wù)發(fā)展情況
    1998年11月，OBCOMM系統(tǒng)投入商用。到1999年10月，已有100多家美國(guó)公司成為OB COMM
系統(tǒng)的用戶，用戶終端數(shù)達(dá)18000臺(tái)，待裝數(shù)達(dá)14萬(wàn)臺(tái)，用戶包括：通用汽車(chē)公司、美國(guó)電
氣公司。美國(guó)陸軍和海岸警衛(wèi)隊(duì)等。OBCOMM已同全球16家運(yùn)營(yíng)商簽定了運(yùn)營(yíng)許可協(xié)議，這
些運(yùn)營(yíng)商計(jì)劃在190個(gè)國(guó)家開(kāi)展短消息通信業(yè)務(wù)，目前已在40個(gè)國(guó)家取得了政府頒發(fā)的完全
或有限經(jīng)營(yíng)許可證，在建和建成的網(wǎng)關(guān)達(dá)15個(gè)。
4  LEO ONE系統(tǒng)
    1993年9月，美國(guó)abX公司向美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（CC）提出了建造、發(fā)射和運(yùn)營(yíng)LEO  
ONE系統(tǒng)的申請(qǐng)，并于1998年2月取得許可證。LEOONE計(jì)劃于2000年開(kāi)始發(fā)射衛(wèi)星，2003年
完成衛(wèi)星發(fā)射，并全面投入運(yùn)營(yíng)。
    LEO ONE系統(tǒng)分為空間段和地面段兩部分�？臻g段有48顆衛(wèi)星；地面段包括網(wǎng)關(guān)。星座
控制中心、網(wǎng)絡(luò)管理中心和用戶終端設(shè)備。
4.1空間段
    LEO ONE星座由8個(gè)軌道平面組成，軌道高度為950km，傾角50°，軌道平面洽赤道均勻
排列，每個(gè)平面分布6顆衛(wèi)星，共48顆。衛(wèi)星繞行地球一周的時(shí)間為104分鐘，衛(wèi)星通過(guò)地
面某地點(diǎn)上空的時(shí)間為7～10分鐘。如果仰角大于15°，則每顆衛(wèi)星覆蓋區(qū)直徑為3960km，
系統(tǒng)服務(wù)區(qū)為北緯65°至南緯65°，基本涵蓋了地球北極圈到南極圈之間的區(qū)域；如果仰
角大于5°，則系統(tǒng)服務(wù)區(qū)可以擴(kuò)展到北緯73°至南緯73°。
    LEO ONE衛(wèi)星的主要功能包括：數(shù)據(jù)包的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)、通信協(xié)議處理。信道掃描和分配以
及發(fā)射功率控制等。
4.2地面段
    （1）星座管理中心（CMC）
    系統(tǒng)中有一個(gè)網(wǎng)關(guān)將作為系統(tǒng)的星座管理中心，負(fù)責(zé)星座中所有衛(wèi)星的遙控遙測(cè)。
    （2）網(wǎng)絡(luò)管理中心（NMC）
    系統(tǒng)中有一個(gè)網(wǎng)關(guān)將作為系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)管理中心，負(fù)責(zé)選用最佳通信路由、驗(yàn)證用戶身
份、統(tǒng)計(jì)通信量和計(jì)費(fèi)等業(yè)務(wù)。
    （3）網(wǎng)關(guān)
    網(wǎng)關(guān)是一個(gè)區(qū)域信息包的交換中心，也是LEO ONE系統(tǒng)與地面通信網(wǎng)的接口，由于衛(wèi)星
具有信息存儲(chǔ)能力，不需要與網(wǎng)關(guān)保持連續(xù)的通信鏈路。網(wǎng)關(guān)接收地面網(wǎng)絡(luò)傳來(lái)的信息，
經(jīng)存儲(chǔ)、處理后發(fā)送給過(guò)頂衛(wèi)星，然后由衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)給接收端；網(wǎng)關(guān)還接收過(guò)頂衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的
用戶終端發(fā)送的信息，如果接收端位于系統(tǒng)以外，網(wǎng)關(guān)將通過(guò)地面網(wǎng)絡(luò)把信息發(fā)送給接收
端。在美國(guó)本土，系統(tǒng)計(jì)劃建立3個(gè)網(wǎng)關(guān)，分別位于西南部、西北部和阿拉斯加。根據(jù)業(yè)務(wù)
發(fā)展情況，還將與有關(guān)國(guó)家政府共商協(xié)議，設(shè)立負(fù)責(zé)境外業(yè)務(wù)的網(wǎng)關(guān)。
    （4）用戶終端
    用戶終端的核心是VHF調(diào)制解調(diào)器，最大發(fā)射功率為7W。為了適應(yīng)各種用戶需求，用戶
終端將配備各種接口和功能，可用于交通工具的監(jiān)測(cè)和調(diào)度、數(shù)據(jù)采集、尋呼、電子郵件
和告警等。
    對(duì)需要大范圍覆蓋，并有短消息業(yè)務(wù)需求的地面通信網(wǎng)，小LEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)能起到拾
遺補(bǔ)缺的作用。國(guó)內(nèi)的一些科研機(jī)構(gòu)正積極開(kāi)展低軌道微小衛(wèi)星技術(shù)的研究，預(yù)計(jì)不久將
會(huì)有數(shù)顆國(guó)產(chǎn)微小衛(wèi)星升空。同時(shí)，建立我國(guó)微小衛(wèi)星星座的方案也在計(jì)劃、醞釀中。



摘自《電信快報(bào)》