小LEO衛(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)展現狀

小LEO衛(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)展現狀（徐曉書）
    在高速發(fā)展的信息社會里，高效、迅速、廉價地傳輸短消息是一種重要的通信需求。利用
現有的地面有線或無線通信手段，可以方便地建立起覆蓋一個城市或一個小區(qū)域的短消息通信
系統(tǒng)。然而，如果這個系統(tǒng)要覆蓋廣大農村和邊遠地區(qū)，甚至全國或全球，考慮到經濟因素，
只依靠地面通信手段是無法實現的。小LEO衛(wèi)星系統(tǒng)就是基于建立一個覆蓋全球難實時廉價的短
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：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)務特點，LEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)又可分為：提供短消息業(yè)務的小LEO系統(tǒng)問，（lITTLE
-LEO），如OBCOMM、LEO ONE；提供話音業(yè)務的大LEO系統(tǒng)（Big-LEO)，如GlobalStar、
Iridium；
提供高速數據業(yè)務的巨LEO系統(tǒng)（Mega－LEO），如Teledeslc、SkyBrldge。
1小LEO衛(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)展過程和現狀
    商用小LEO衛(wèi)星系統(tǒng)的提出始于1990年，由OHCOMM、Starsys和VITA三個小LEO衛(wèi)星系統(tǒng)向
美國聯邦通信委員會（FCC）提出申請，但當時還沒有小LEO衛(wèi)星系統(tǒng)的工作頻段。1992年，世
界無線電行政會議為小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，FCC向上述三個系統(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)的運營申請。1995年，世界
無線電行政會議分配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，世界無線電行政會議又
為小LEO系統(tǒng)增加了工作頻段。
    近年來，由于自身發(fā)展方向的調整，某些小LEO系統(tǒng)撤消了運營申請。目前取得FCC運營許
可證的LEO系統(tǒng)，其中OB－COMM系統(tǒng)已于1998年投入運營，LEO ONE系統(tǒng)預計于2002年投入運營。
2小LEO衛(wèi)星系統(tǒng)的特點
    從技術角度來看，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)是專門
針對短消息通信設計的，與大LEO系統(tǒng)相比，它的衛(wèi)星有效載荷、衛(wèi)星網絡管理系統(tǒng)和用戶終
端設備要簡單得多，系統(tǒng)投資、運營費用和終端設備價格則比大LEO系統(tǒng)低得多，因而對于大
范圍、多終端、有短消息通信需求的用戶（如環(huán)境監(jiān)測、管線監(jiān)控和車船監(jiān)控等）來說，小
LEO系統(tǒng)無疑是一種經濟、有效的通信手段。
3 OBCOMM系統(tǒng)
    OBCOMM系統(tǒng)是由美國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；地面段包括網絡控制中心、一定
數量的網關以及各種移動或固定用戶終端設備。
3.1空間段
    OBCOMM星座由A、B、C、D、E、F、G7個軌道平面組成，計劃發(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個軌道平
面的傾角為45°，間隔120° 軌道高度835km，每個平面上有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，
每個平面有2顆衛(wèi)星；為了加強南、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。目前已經完成了A、B、C、
E、F、G6個平面35顆衛(wèi)星的發(fā)射，預計2004年將完成所有軌道平面衛(wèi)星的發(fā)射和調整。
3.2地面段
   （1）網絡控制中心（NCC）
    OBCOMM系統(tǒng)的網絡管理中心設在美國弗吉尼亞州，負責OBCOMM系統(tǒng)空；和段的管理，保
證衛(wèi)星正常運作。同時它也是美國國內的網關控制中心，負責管理國內通信業(yè)務。
    （2）網關（Gateway）
    網關的主要任務是負責指定服務區(qū)域內的用戶業(yè)務管理，OBCOMM系統(tǒng)內的所有通信都必
須通過某個網關進行，同時網關也是OBCOMM系統(tǒng)與外部的接口，用戶可以通過公共電話網
（PSTN）、公共數據網（DDN）或專用數據網（PDN）接入OBCOMM系統(tǒng)。網關包括一個網關控
制中心（GCC）和至少一個網關地球站（GES）。
    ·網關控制中心（GCC）是網關的核心，它有兩個主要的子系統(tǒng)：網關報文交換系統(tǒng)
（GMSS）和網絡管理系統(tǒng)（NMS）。GMSS的功能包括報文處理、路由選擇、規(guī)程轉換和與外
部網絡接口；NMS的功能是對兩關的各種設備進行監(jiān)控。
    ·網關地球站（GES）的作用是為網關與衛(wèi)星星座之間提供無線通信鏈路。GES由跟蹤天
線、調制解調器和相關接口設備組成，通常一個GES有兩套相同的天線和收發(fā)設備，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
服務區(qū)覆蓋和最小電磁干擾。GES與GCC之間則由專用線路連接。
    （3）用戶終端（SC）
    SC的作用是將用戶信息發(fā)送給服務區(qū)上空的衛(wèi)星，再通過衛(wèi)星發(fā)送給服務區(qū)網關，同時
也接收網關通過衛(wèi)星發(fā)送給用戶的信息。SC的基本單元是VHF調制解調器，為了適應不同的
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。
3.3衛(wèi)星信道和工作頻段
    在OBCOMM系統(tǒng)中，衛(wèi)星與網關地球站（GES）之間的通信采用TDMA方式，每個GES的上下
行鏈路各占用一個TDMA時隙，每顆衛(wèi)星最多可以同時與16個GES通信。衛(wèi)星與用戶終端的下
行鏈路通信采用FDMA方式，總共設置12個下行信道，每個信道可復用4次，每顆衛(wèi)星使用一
個信道。衛(wèi)星與用戶終端之間的上行鏈路采用FDMA／TDMA方式，共有6個信道。衛(wèi)星網管中
心可以根據需要，將這些信道設置為隨機接入信道或預分配信道。
3.4基本業(yè)務
    OBCOMM系統(tǒng)提供4類基本業(yè)務：數據報告（Data Report）、報文（Message）、全球數
據報（GlobalGram）和指令（Command）。
    （1）數據報告
    由用戶終端發(fā)送的短消息，信息長度一般小于6個字節(jié)，接收者通過同一服務區(qū)的網關
接收信息。
    （2）報文
    由用戶終端發(fā)送或接收的較長信息，信息長度不超過2000字節(jié)，信息發(fā)送者與接收者
位于同一個網關服務區(qū)。
    （3）全球數據報
    由用戶終端發(fā)送或接收的信息，信息長度不超過229字節(jié)，信息發(fā)送者與接收者不在同
一個網關服務區(qū)，信息傳輸依靠衛(wèi)星的存儲轉發(fā)功能完成。
    （4）指令
    由網關發(fā)送給用戶終端的短消息，用于設置用戶終端狀態(tài)或通知其發(fā)送信息，信息長
度小于5字節(jié)。
3.5通信過程
    OBCOMM系統(tǒng)中所有的通信過程都是在網關控制下完成，衛(wèi)星主要起轉發(fā)作用。網關始
終與過頂衛(wèi)星保持聯系。過頂衛(wèi)星向服務區(qū)內所有用戶終端連續(xù)廣播控制信息，包括時間
同步信號、所連接網關的ID標志和隨機接入信道頻率等。
    如果用戶終端要發(fā)送信息，先通過隨機接入信道發(fā)出“請求發(fā)送”信號，衛(wèi)星收到信
號后，就向該用戶終端發(fā)出應答信號，并通知它發(fā)送短消息的信道和時隙。如果用戶終端
要發(fā)送的是數據報告，則在所分配的時隙內直接發(fā)送，衛(wèi)星收到數據報告后，立即轉發(fā)給
網關，然后由網關傳送給相應的接收端。如果用戶終端要發(fā)送的是報文，則在所分配的時
隙內發(fā)出“報文發(fā)送請求”，衛(wèi)星將該請求轉發(fā)給網關，經網關確認后，衛(wèi)星為該用戶終
端分配一個預分配信道和發(fā)射時隙，用戶終端在規(guī)定的信道和時隙內，將報文發(fā)送給衛(wèi)星，
衛(wèi)星收到報文后立即轉發(fā)給網關。如果接收端處于OB－COMM系統(tǒng)覆蓋范圍以外，網關就會
通過地面線路將報文傳送到接收端；如果接收端是網關服務區(qū)內的另一個用戶終端，網關
就會將報文發(fā)送給過頂衛(wèi)星，由衛(wèi)星轉發(fā)給接收端。如果用戶終端所在地沒有網關，或者
用戶終端需要與不同網關服務區(qū)的用戶通信，用戶終端可以使用全球數據報業(yè)務。用戶終
端可在衛(wèi)星過頂時，通過指定信道將信息發(fā)送給衛(wèi)星，待接收并存儲信息的衛(wèi)星飛行到接
收端網關上空時，將信息發(fā)送給該網關，再由該網關發(fā)送給接收端。
3.6業(yè)務發(fā)展情況
    1998年11月，OBCOMM系統(tǒng)投入商用。到1999年10月，已有100多家美國公司成為OB COMM
系統(tǒng)的用戶，用戶終端數達18000臺，待裝數達14萬臺，用戶包括：通用汽車公司、美國電
氣公司。美國陸軍和海岸警衛(wèi)隊等。OBCOMM已同全球16家運營商簽定了運營許可協(xié)議，這
些運營商計劃在190個國家開展短消息通信業(yè)務，目前已在40個國家取得了政府頒發(fā)的完全
或有限經營許可證，在建和建成的網關達15個。
4  LEO ONE系統(tǒng)
    1993年9月，美國abX公司向美國聯邦通信委員會（CC）提出了建造、發(fā)射和運營LEO  
ONE系統(tǒng)的申請，并于1998年2月取得許可證。LEOONE計劃于2000年開始發(fā)射衛(wèi)星，2003年
完成衛(wèi)星發(fā)射，并全面投入運營。
    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；地面段包括網關。星座
控制中心、網絡管理中心和用戶終端設備。
4.1空間段
    LEO ONE星座由8個軌道平面組成，軌道高度為950km，傾角50°，軌道平面洽赤道均勻
排列，每個平面分布6顆衛(wèi)星，共48顆。衛(wèi)星繞行地球一周的時間為104分鐘，衛(wèi)星通過地
面某地點上空的時間為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)服務區(qū)可以擴展到北緯73°至南緯73°。
    LEO ONE衛(wèi)星的主要功能包括：數據包的存儲轉發(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)中有一個網關將作為系統(tǒng)的星座管理中心，負責星座中所有衛(wèi)星的遙控遙測。
    （2）網絡管理中心（NMC）
    系統(tǒng)中有一個網關將作為系統(tǒng)的網絡管理中心，負責選用最佳通信路由、驗證用戶身
份、統(tǒng)計通信量和計費等業(yè)務。
    （3）網關
    網關是一個區(qū)域信息包的交換中心，也是LEO ONE系統(tǒng)與地面通信網的接口，由于衛(wèi)星
具有信息存儲能力，不需要與網關保持連續(xù)的通信鏈路。網關接收地面網絡傳來的信息，
經存儲、處理后發(fā)送給過頂衛(wèi)星，然后由衛(wèi)星轉發(fā)給接收端；網關還接收過頂衛(wèi)星轉發(fā)的
用戶終端發(fā)送的信息，如果接收端位于系統(tǒng)以外，網關將通過地面網絡把信息發(fā)送給接收
端。在美國本土，系統(tǒng)計劃建立3個網關，分別位于西南部、西北部和阿拉斯加。根據業(yè)務
發(fā)展情況，還將與有關國家政府共商協(xié)議，設立負責境外業(yè)務的網關。
    （4）用戶終端
    用戶終端的核心是VHF調制解調器，最大發(fā)射功率為7W。為了適應各種用戶需求，用戶
終端將配備各種接口和功能，可用于交通工具的監(jiān)測和調度、數據采集、尋呼、電子郵件
和告警等。
    對需要大范圍覆蓋，并有短消息業(yè)務需求的地面通信網，小LEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)能起到拾
遺補缺的作用。國內的一些科研機構正積極開展低軌道微小衛(wèi)星技術的研究，預計不久將
會有數顆國產微小衛(wèi)星升空。同時，建立我國微小衛(wèi)星星座的方案也在計劃、醞釀中。



摘自《電信快報》