建立我國綜合衛(wèi)星通信系統(tǒng)的設(shè)想

建立我國綜合衛(wèi)星通信系統(tǒng)的設(shè)想（吳詩其、胡劍浩、劉剛、錢敬華）
摘要：在分析國外寬帶非同步衛(wèi)星通信技術(shù)發(fā)展趨勢的基礎(chǔ)上，提出了建立我國綜合衛(wèi)星通
信系統(tǒng)的設(shè)想，用。又支持寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、移動通信業(yè)務(wù)和農(nóng)村邊遠地區(qū)基本通信。最后給
出了一種綜合系統(tǒng)非同步衛(wèi)星星座方案。
一、引言
    衛(wèi)星通信的發(fā)展方向之一是以大容量系統(tǒng)構(gòu)成空間寬帶信息網(wǎng)。同時，衛(wèi)星通信的另一
個發(fā)展方向是用于支持位于地面移動通信網(wǎng)服務(wù)區(qū)以外用戶的移動通信業(yè)務(wù)，其服務(wù)對象為
速率較低的個人終端。近年來，隨著Internet（因特網(wǎng)）應(yīng)用的普及和交互式多媒體業(yè)務(wù)量
的迅速增加，對衛(wèi)星通信系統(tǒng)提出了新的要求。
    對于Internet用戶來說，他們總希望能夠“隨時隨地”的瀏覽網(wǎng)絡(luò)，并能以較高的速率
下載所需的信息文件，衛(wèi)星通信系統(tǒng)的無縫覆蓋和能提供較寬的帶寬，可滿足這一用戶需求。
而對于低業(yè)務(wù)密度地區(qū)的高速率（集團）用戶而言，由于當(dāng)?shù)厝狈Ω咚贁?shù)據(jù)用尸線到辦公室，
對Internet的高速瀏覽也需要通過衛(wèi)星通信系統(tǒng)來接入。而另一方面，在Internet上的一些
世界知名的檢索、咨詢機構(gòu)、圖書館和大公司等，它們是全球Internet用戶的訪問熱點。為
了避免通信業(yè)務(wù)量在這些熱點附近過分集中，和遠程用戶訪問時信息的長距離傳輸，這些
“熱點主站”在世界各地區(qū)設(shè)立了地區(qū)性的“鏡像站點”，以便用戶就近訪問。然而“熱點
主站”信息的補充和更新，需要及時地對相應(yīng)的各地區(qū)“鏡像站點”的信息進行刷新，這種
一點對遠距離多盧、的信息傳輸采用衛(wèi)星通信系統(tǒng)是十分適宜的。由此可以看出，衛(wèi)星通信
系統(tǒng)在Internet中占有重要的地位。
    交互式多媒體業(yè)務(wù)要求通信系統(tǒng)能適應(yīng)多種業(yè)務(wù)的接入，并提供較話音業(yè)務(wù)更寬的傳輸
帶寬。對于低業(yè)務(wù)密度地區(qū)用戶的這一需求，應(yīng)由衛(wèi)星通信系統(tǒng)來支持。
    本文在介紹國內(nèi)、外衛(wèi)星通信系統(tǒng)的狀況和技術(shù)發(fā)展趨勢之后，分析了我國的需求，并
提出建立我國包括同步和非同步衛(wèi)星在內(nèi)的綜合系統(tǒng)框架，最后給出了一個以橢圓軌道衛(wèi)星
星座構(gòu)成非同步衛(wèi)星系統(tǒng)的例子。
二、國外衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)狀況
    近年來，衛(wèi)星移動通信技術(shù)的發(fā)展十分迅速，盡管全球低軌衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)Iridium
（銥）和Globalstar（全球星）未能按計劃于98年投入運行，但難關(guān)已基本渡過。到本世紀(jì)
末還有中軌衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)ICO問世。低軌系統(tǒng)衛(wèi)星高度在幾百至一千多公里之間，而中
軌系統(tǒng)衛(wèi)星高度在10000km左右，它們與衛(wèi)星高度約為36000km的同步軌道衛(wèi)星相比，具有傳
輸距離短、損耗小的優(yōu)點，十分有利于用戶終端的簡化和低成本，因此中、低軌系統(tǒng)在衛(wèi)星
移動通信中已占主導(dǎo)地位。但是，由于中、低軌衛(wèi)星與地面有相對運動，系統(tǒng)必須由多顆衛(wèi)
星構(gòu)成特定的星座，以保證對服務(wù)區(qū)的連續(xù)覆蓋。這類系統(tǒng)通常為（覆蓋）全球系統(tǒng)，所需
衛(wèi)星數(shù)目多，系統(tǒng)投資大。
    同步軌道衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)被認為是建立只覆蓋特定地區(qū)的區(qū)域性系統(tǒng)的較好選擇，它
只需一、兩顆衛(wèi)星，空間段投資省。國外已建成并投入運行的系統(tǒng)有澳大利亞的Mobilesat，
北美的MSAT等。但這些系統(tǒng)都只支持車載臺，而不能支持手機用戶。
    作為下一代移動通信系統(tǒng)的IMT－2000備受關(guān)注，它不僅反映在各個國家、地區(qū)和集團
為保護自身已有的（移動通信）基礎(chǔ)設(shè)施投資和未來的市場經(jīng)濟利益及其技術(shù)地位，在ITU
的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定過程中所作的種種努力方面，而且還由于它集現(xiàn)代電子和通信各項先進成果
于一體，提供足夠的系統(tǒng)容量、支持多種業(yè)務(wù)和全球漫游、強大的智能化管理功能，形成新
一代系統(tǒng)體制而具有重大意義。
    在IMT－2000的框架協(xié)議中，明確了衛(wèi)星網(wǎng)是該系統(tǒng)的一個重要組成部分。與地面移動
網(wǎng)RTT方案一樣，一些地區(qū)性組織和集團提出了若干衛(wèi)星光纜傳輸技術(shù)（S－RTT，Satellite
 Radio TransmissionTechnology）候選萬案�，F(xiàn)將主要方案簡介如下：
1、ESA的候選方案
    歐洲空間委員會（ESA，European Space Agency）提出了混合的寬帶CDMA／TDMA（W－
C／TDMA）和寬帶 CDMA（WCDMA）兩種方案。
    在混合CDMA／TDMA系統(tǒng)中可采用多用戶檢測，并由于引入了時分制，不要求快速和精確
的功率控制，因此避免了不穩(wěn)定性的潛在危險。方案中的一個多幀（Multi-Frame）由1個附
加幀和8個普通幀（偵長為20ms）組成，而每幀分為8個時隙。在正向鏈路中，附加幀用來傳
送公共控制信號，而普通幀以正交C/TDMA方式傳送信息：在返向鍵路中，附加幀以異步方式
傳送用戶初始接入信息（突發(fā)的隨機多址訪問）而普通幀以準(zhǔn)同步（準(zhǔn)正交）C／TDMA方式
傳送信息。在該方案中，有FDD和F／TDD兩種雙工方式。后者的雙向信號在時間上是正交的，
且采用不同的頻率，這就降低了對終端天線雙工器的要求。
    在C/TDMA方案中，載波間隔可根據(jù)Chip速率為2（2.048）MC/S和4（4.096）MC／S有兩
種選擇，分別為2，… 2.6和4，…5.2MHZ。相應(yīng)的擴頻因子為16，…128和32，…256。支持
的最大信息速率為182.9kb／S。
    另一候選方案W－CDMA可支持144kb/s的信息傳輸速率，與當(dāng)前衛(wèi)星移動通信的育帶CDMA
相比較，具有更高的頻譜和功率效率（采用了更為有效的調(diào)制／擴頻方案；可支持返向鏈路
的相干檢測：在地面站和移動終端可采用干擾對消技術(shù)：由于采用了公共導(dǎo)頻／波束族方式，
減少了系統(tǒng)開銷）。
    ESA時候選方案與ETSI－SMG專家組提出的地面移動通信環(huán)境的方案相一致。RF信道載頻
間隔為2.5或5.0MHz（2.5MHZ為半速率），Chip速率2.048MC／S～4.096MC/S（數(shù)據(jù)速率隨擴
頻因子16～256可變）。
    ESA聲稱其候選方案可用于不同的星座，包括低軌（LEO）、中軌（MEO）、高橢圓軌道
（HEO）和同步軌道，并給出了不同星座的延時和多普勒頻移及其切換時的排前（跳變）的
數(shù)據(jù)。同時，考慮了波束間的切換、衛(wèi)星間切換、信關(guān)站之間的切換以及分集接收方式和軟
切換等問題。
    同步問題也是候選方案考慮的重要問題之一。
2 TTA的候選方案
    電信技術(shù)協(xié)會TTA（Telecommunlcatlon TechnologyAssociation）提出了以49顆高度為
2000km的低軌衛(wèi)星（有7個傾斜角為51°的軌道平面，每個軌道平面上7顆衛(wèi)星）的系統(tǒng)，作
為IMT－2000衛(wèi)星部分的候選方案。系統(tǒng)能覆蓋南、北緯68°以內(nèi)的廣大地區(qū)，對于緯度在
15°～65°的人口稠密地區(qū)的仰角特性優(yōu)于低緯度地區(qū)。覆蓋區(qū)內(nèi)用戶以17.5°的仰角可以
同時看到多于1或2顆衛(wèi)星；系統(tǒng)利用最大比合并對來自兩顆衛(wèi)星的信號進行分集接收，以改
善系統(tǒng)的性能。
    系統(tǒng)利用FFT技術(shù)和最大似然頻率估計的方法來解決由于衛(wèi)星與用戶之間高速運動而帶
來的多譜勒頗移問題。
    衛(wèi)星天線采用相掛陣天線，使每顆星形成37個點波束。每個聲、波束將發(fā)射3個間隔為
10MHz的載波。一顆衛(wèi)星正向鏈路客量為2萬7千條9.6kb/s或912條144kb/s的信道，返向鏈路
為1萬4千條9.6kb／S或257條144kb／S的信道。
3、Inmarsat的地平線（Horizons）系統(tǒng)
    Inmarsat提出的Horizons系統(tǒng)以同步衛(wèi)星星座提供全球覆蓋，支持多媒體業(yè)務(wù)，實現(xiàn)
IMT－2000的目標(biāo)。初期的終端是一個有便攜的或掌上計算帆的便攜式通信單元，具有定向
天線，可支持144kb／s的信息速率的傳輸。
    系統(tǒng)的傳輸和應(yīng)用相互獨立，網(wǎng)絡(luò)采用ATM技術(shù)與地面ATM兼容，能支持多種業(yè)務(wù)，包
括目前尚不能預(yù)見的業(yè)務(wù)，并支持IP業(yè)務(wù)。
    系統(tǒng)支持優(yōu)先權(quán)訪問和緊急救援業(yè)務(wù)。
    然而，由于系統(tǒng)采用同步軌道衛(wèi)星，不符合ITU－T Rec.F.720對路徑傳播延時的要求
（F.720規(guī)定的最大延時不超過400ms，而導(dǎo)向路往傳播延時不超過150ms），因此其應(yīng)用受
到限制。
三、國外非同步衛(wèi)星寬帶系統(tǒng)的發(fā)展趨勢
    近年來，Internet座用的爆炸性增長，交互式多媒體業(yè)務(wù)量的迅速增加，其中對低業(yè)務(wù)
密度地區(qū)用戶的業(yè)務(wù)需要由寬帶的衛(wèi)星通信系統(tǒng)來支持。研究表明，對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長的同步衛(wèi)星系統(tǒng)，而采用非同步衛(wèi)星
定帶系統(tǒng)，對于改善服務(wù)質(zhì)量和降低終端成本都十分有利。比如，交互式多媒體業(yè)務(wù)對系統(tǒng)
延時有一定限制，同步衛(wèi)星系統(tǒng)固有的長延時可能不宜于某些應(yīng)用場合。
    在97年世界無線電會說（WRC’97）和國際電聯(lián)（ITU－R）第四組（固定衛(wèi)星業(yè)務(wù)）98-
99年研究期工作會議上，非同步軌道衛(wèi)星的寬帶系統(tǒng)是與會專家討論的熱門話題。一些國家
和大公司已提出了若干系統(tǒng)，它們可支持高速率用戶的需求，如對因特網(wǎng)的高速對覽、電視
會說、HDTV（高清晰度電視）傳輸以及遠程醫(yī)療等。所提出的系統(tǒng)都為全球系統(tǒng)，所需的投
資巨大。比如Teledesic系統(tǒng)，由軌道高度為700km的288顆衛(wèi)星組成，投資約90億美元．系
統(tǒng)預(yù)計2002年投入運行。又比如Celestri系統(tǒng)，由9顆同步衛(wèi)星和63顆低軌衛(wèi)星（軌道高度
為1400km）組成，投資130億美元，系統(tǒng)投入運行的時間也預(yù)計在2002年。
四、我國衛(wèi)星通信系統(tǒng)現(xiàn)狀與未來需求的分析
    我國的衛(wèi)星通信干線主要用于中央、各大區(qū)局、省局、開放城市和邊遠城市之間的通信。
它是國家通信骨干網(wǎng)的重要補充和備份。為保證地面網(wǎng)過負荷時以及非常時期（如地面發(fā)生
自然災(zāi)害時）國家通信網(wǎng)的暢通，有著十分重要的作用。
    在我國邊遠省、自治區(qū)（如西藏、新疆）的一些地區(qū)，難以用擴展和延伸國家通信網(wǎng)的
方法來進行覆蓋。對于這些地區(qū)的一些人口聚居的重鎮(zhèn)或縣城（也可用于海島）的用戶，我
國是利用VSAT的方法將其接入地面公用網(wǎng)。這對我國通信網(wǎng)的全國覆蓋具有重要意義。
    衛(wèi)星專用網(wǎng)在我國發(fā)展很快，目前銀行、民航、石化、水電、煤碳、氣象、海關(guān)、鐵路、
交通、航天、新華社、計委、地震局、證券等均建有專用衛(wèi)星通信網(wǎng)，大多采用VSAT系統(tǒng)，
全國已有幾千個地球站。
    我國需要建立衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)，以支持位于地面移動通信網(wǎng)服務(wù)區(qū)以外用戶的移動通
信業(yè)務(wù)，其終端應(yīng)當(dāng)是輕便和低成本的。
    衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)還用來為地面通信網(wǎng)未能覆蓋的農(nóng)村和邊遠地區(qū)提供基本的通信（話
音和低速數(shù)據(jù)，這對發(fā)展中國家更具有重要意義）。這里所指的“農(nóng)村和邊遠地區(qū)”用戶，
是指十分分散的“自然村”，要求其終端的復(fù)雜度、體積和成本應(yīng)遠小于VSAT小站。
    以我國為主的衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)APMT（亞太移動通信系統(tǒng)）正在籌建，它是以同步衛(wèi)星
支持的區(qū)域性系統(tǒng)。系統(tǒng)支持手持機用戶，為此星載天線十分龐大（天線直徑約1-3m），此
外系統(tǒng)還用于支持邊遠地區(qū)的基本通信。
    在不久的將來，我國的衛(wèi)星網(wǎng)還將用于支持低業(yè)務(wù)密度地區(qū)的高速率用戶（集團用戶）
終端的通信需求，比如，對因特網(wǎng)的高速瀏覽，以及高速率的接入公用網(wǎng)。對于這一類的用
戶，其終端設(shè)備的簡化和低成本也是十分重要的。
五、建立我國的綜合衛(wèi)星通信系統(tǒng)的設(shè)想
    目前，我國在同步衛(wèi)星通信方面的發(fā)展已具規(guī)模，在作為國家干線通信網(wǎng)的備份和組建
專用網(wǎng)方面發(fā)揮了巨大的作用。但是，面對一些業(yè)務(wù)需求，如移動通信業(yè)務(wù)、邊遠地區(qū)基本
通信業(yè)務(wù)、高速率用戶的接入和因特網(wǎng)瀏覽以及交互式多媒體業(yè)務(wù)等方面的需求，我國是采
用繼續(xù)發(fā)展和擴大同步衛(wèi)星通信系統(tǒng)來支持這些新業(yè)務(wù)？還是建立包括同步衛(wèi)星和非同步衛(wèi)
星在內(nèi)的綜合衛(wèi)星通信系統(tǒng)呢？從國外衛(wèi)星通信發(fā)展趨勢來看，由于軌道高度較低的非同步
衛(wèi)星無論在支持移動通信，邊遠地區(qū)基本通信和高速率用戶的接入等方面都十分有利，它能
有效地降低對終端EIRP（有效合向輻射功率）和G／T值（接收機品質(zhì)因數(shù)）的要求，使用戶
終端大為簡化和降低成本。因此，建立我國的綜合衛(wèi)星通信系統(tǒng)在技術(shù)上是合理的。在綜合
系統(tǒng)中，同步衛(wèi)星和非同步衛(wèi)星部分各自支持的業(yè)務(wù)重點應(yīng)有所不同。
同步衛(wèi)星系統(tǒng)主要支持的業(yè)務(wù)有：
    1．地面公用網(wǎng)各樞紐站之間的干線連接，其地面站龐大，成本高；
    2．遠端用戶（VSAT終端）的接入；
    3．構(gòu)成專用網(wǎng)和專用網(wǎng)與公用網(wǎng)之間的連接。
非同步衛(wèi)星系統(tǒng)主要支持的業(yè)務(wù)有：
    1．移動通信業(yè)務(wù)：
    2．提供過遠地區(qū)和農(nóng)村的基本通信（話音和低速數(shù)據(jù)），其用戶終端體積和成本遠低于
VSAT終端；
    3．用于高速率（可達2Mb/S）用戶終端的接入，提供交互式多媒體業(yè)務(wù)和支持用戶高速
瀏覽因特網(wǎng)。其用戶終端成本和天線尺寸應(yīng)小于VSAT終端。
    在綜合系統(tǒng)中，由于非同步衛(wèi)星將飛越全球，具有全球（非實時）覆蓋能力，因此綜合
系統(tǒng)可以實現(xiàn)全球的（非實時）數(shù)據(jù)通信（數(shù)據(jù)信息延時最大約5小時）。盡管通信是非實時
的，但系統(tǒng)是完全由我國自主控制的，這在一定程度上能緩解一直困擾我國的全球通信問題，
對軍事和外交機要通信具有重要意義。
六、綜合系統(tǒng)的可行性和非同步軌道衛(wèi)星星座
    建立我國的綜合衛(wèi)星通信系統(tǒng)，除市場需求和枝術(shù)上的合理和先進性之外，系統(tǒng)所需的
投資和經(jīng)濟效益如何，是決定建立該系統(tǒng)是否切實可行的關(guān)鍵因素。
    我國的綜合衛(wèi)星通信系統(tǒng)是為我國（及其周邊地區(qū)）服務(wù)的區(qū)域性系統(tǒng)。一般來說，采
用同步衛(wèi)星也許是一種較好的選擇，因為系統(tǒng)所需的投資較省，而采用覆蓋全球的非同步軌
道衛(wèi)星星座為某一地區(qū)提供服務(wù)（在經(jīng)濟上）是不可取的。然而，隨著星座設(shè)計技術(shù)的突破，
利用數(shù)目較少的非同步軌道衛(wèi)星構(gòu)成的星座也是區(qū)域性系統(tǒng)的一種選擇。
    作為我國的綜合衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的非同步衛(wèi)星部分，以采用“區(qū)域性時限”星座為宜。
該星座可以在特定的時段（通常在每天的業(yè)務(wù)高峰時段）對我國進行連續(xù)覆蓋，而空間段所
需投資可大致與同步衛(wèi)星相當(dāng)。同時，由于覆蓋我國的非同步衛(wèi)星區(qū)域性星座對地理上與我
國對稱（經(jīng)度差約180°）的美國，具有甚至更好的覆蓋特性（仰角更高）。因此，如果同一
星座以支持中國和美國的兩個區(qū)域性系統(tǒng)，空間段的投資共同承擔(dān)，那么我國的非同步衛(wèi)星
系統(tǒng)所需投資可能比一個同步衛(wèi)星系統(tǒng)更省。
    我國綜合系統(tǒng)中的非同步衛(wèi)星可以是一種由4顆橢圓軌道衛(wèi)星（近、遠地，點分別為44
97km和16209km）構(gòu)成的星座，它能在北不時間每天的7點或至23點30分連續(xù)覆蓋我國�？梢�
看出，星座對我國的最小覆蓋仰角在15°以上，而對大陸的絕大部分地區(qū)在20°以上。
    在非同步衛(wèi)星不能覆蓋的低業(yè)務(wù)量時段（如深夜和凌晨），可由同步衛(wèi)星來支持這些較
小的業(yè)務(wù)量。此時，對我國連續(xù)覆蓋的同步衛(wèi)星也處于低負荷時段，它有足夠的資源（如功
率）來改善由非同步衛(wèi)星轉(zhuǎn)換至同步衛(wèi)星時因傳播損耗增加所帶來的不利影響。

摘自《中國通信》