对发展我国卫星移动通信的有关思考

文 张更新 甘仲民 李广侠

解放军理工大学通信工程学院卫星通信重点实验室

1 概述

我国现已建成世界上最大的光纤、地面移动通信网络，在地面通信技术水平上己与世界同步，拥有世界上最大的用户群。但是整个通信系统过分依赖地面基础设施，当灾难突发，地面设施遭到破坏后，通信网必将瘫痪。我国没能形成空间通信保障网络，是国家信息基础设施的明显缺失。

我国幅员辽阔，地质条件复杂，气候多变，容易突发自然灾害。1998年的大洪水，2008年初的大雪灾以及“5·12”汶川大地震，充分暴露了我国应急通信能力低下的问题。事实已经证明，依靠地面通信网和我国现有卫星通信系统不能满足突发事件中的应急通信需求。建立一个区域覆盖为主、兼顾全球的卫星移动通信系统是一种有效的解决手段，不仅能够解决我国边远地区通信问题，也能够在我国地面通信网覆盖范围之外及地面网遭到毁坏的地区提供各类应急通信和机动通信保障。

因此，卫星移动通信是一种大有可为的通信方式，在我国具有广阔的应用前景。

2 卫星移动通信的系统组成及特点

卫星移动通信系统是指利用通信卫星实现移动用户之间或移动用户与固定用户之间相互通信的一个通信系统。利用卫星来进行移动通信，具有覆盖范围大、作用距离远、组网灵活、通信费用基本与距离无关、不受地面现有设备的限制、受地形地物影响小等突出优点，在过去几十年内得到了迅速发展。

按照所起作用的不同，卫星移动通信系统可以划分为空间、运控和应用等三个分系统（如图1），其中空间分系统包括一颗或多颗通信卫星，这些卫星既可以运行在对地静止轨道(GEO)或倾斜地球同步轨道（IGSO），也可以运行在非地球同步轨道(non-GSO)，如中等高度地球轨道(MEO)、低高度地球轨道(LEO)和高椭圆轨道(HEO)卫星等；运控分系统通常指卫星测控中心、网络操作中心和各类关口站等保持网络正常运行所需的各类地面控制站；应用分系统是指各类用户地球站，如手持终端，车（机、船）载终端，便携终端等。

与卫星固定通信相比，卫星移动通信在技术上主要有如下特点：

（1）卫星功率有限与移动站低天线增益之间的矛盾十分突出。为实现“动中通”，移动站一般采用弱方向性天线，造成移动站的接收系统品质因子(G/T)值很小，这势必要求卫星能够向覆盖区提供很高的有效全向辐射功率(EIRP)，才能确保一条链路的通信质量，因此，卫星移动通信系统一般是典型的功率受限系统；

图1 卫星移动通信系统的组成

（2）电波传播情况复杂，系统是在非高斯信道中工作的。由于移动站采用低增益天线(也即弱方向性)并在移动中通信，这决定了其瞬时传播环境的不确定性，在通信过程中信号会遭受到多径效应、阴影效应和多普勒效应等，这要求系统能够采取相应的对抗措施，比如，采用适当的分集方式、纠错编码方式和调制解调方式等；

（3）众多的用户共享有限的卫星(频率与功率)资源。由于卫星移动通信系统的特点之一是大量移动站共享有限的卫星功率与频率资源，为确保对资源的有效利用，支持大量用户的同时通信，需要进行星体一体化设计，实现高效而灵活的组网传输和资源调度；

（4）移动台要求高度的机动性，故小型化具有十分重要的意义。终端小型化中最重要的是适应各类移动台结构要求的天线和射频部件的小型化，高稳定度的频率源和高效率的功率放大器也是影响小型化的重要因素。

3 国内外卫星移动通信的发展概况

纵观这些年来国际上卫星移动通信的发展历程，可以分为二条主线，即基于GEO卫星建立移动通信系统和基于LEO卫星建立移动通信系统，两条发展主线的典型系统及其特点如表1所示。至今我国尚无自建的商用卫星移动通信系统，长期以来主要依靠国外系统提供卫星移动通信业务。

2009年7月发射升空的Terre-Star-1卫星是最新发射的一颗用于卫星移动通信的卫星，使用LS-1300S卫星平台，发射重量6910kg，整星功率14.2kW，其S波段转发器能产生500个以上点波束，天线展开后口径18m。可以与地面基站和标准无线设备进行通信联系，为北美的乡村、城市和其它偏远地区提供卫星移动通信服务。

已经建成的三个LEO卫星移动通信系统均已宣布了其二代星座发展方案。

2006年12月全球星公司宣布由欧洲阿尔卡特－阿拉尼亚公司开始研制第二代全球星，总共耗资6.61亿欧元，其中约6.2亿用于卫星的设计和制造，单星的成本仅为1700万美元，4100万欧元用于发射服务和发射支持服务，卫星寿命延长至15年、重量增加至700公斤、整星功率从1000瓦提高到1700瓦。

2014年开始的下一代“铱”系统将以全新的面貌出现，虽然仍有66颗LEO卫星组成星座，但卫星重量增加到850kg，其中通信载荷294kg，对地观测载荷约50kg；采用IP技术使系统更容易与现有的系统和应用进行集成；支持GPS增强功能，称为IGPS；能够后向兼容现有终端和设备；并且搭载了对地观测载荷。

4 发展我国卫星移动通信的必要性和可行性分析

在偏远地区，地面网络的广泛覆盖仍然遥遥无期；在沿海岛屿众多的地方，建设地面网络非常困难；在发达地区的某些偏远地区同样没有地面蜂窝网的覆盖；野外勘探、飞机、远洋运输船只、远离城市旅游探险的人以及紧急搜索、救援人员等都需要一种不受地域、天气限制的移动通信手段；西部地区疆域广阔，但多为荒漠和戈壁，人烟稀少，卫星移动通信将显示出独具的优势；尤其是发生重大毁灭性自然灾害的地区，地面网络多数会遭到破坏，卫星移动通信可能是唯一幸存的通信手段。

表1 卫星移动通信的发展路线

我国卫星移动通信系统的主要应用领域包括：

（1）重点行业的语音通信：如军队、公安、武警、消防、交通管理、石油勘探、矿山开采、海关缉私、海上客货运输、渔业作业、铁道建设勘测、电信和电力线路维护等；

（2）特殊行业的应急通信：如森林防火、海难、空难以及地震和洪水等自然灾害的抢险救灾以及公安武警边防等；

（3）重点行业的数据通信：如石油管道、电力线路、燃气管道、防汛抗旱、水文海洋资料、森林防护、环境状态、气象、地震等的监测，运输行业的定位和调度等；

（4）偏远地区的通信：目前我国尚有近8万个行政村未通电话。这些行政村大多位于我国的山区和西部边远地区；

（5）军事通信：卫星移动通信是解决信息化条件联合作战的有效通信保障手段之一。

我国已经具备了通信卫星的制造和发射能力，卫星通信在我国已得到广泛使用并且具备了相当的卫星通信系统研制和运行能力。

所有这些都表明，发展我国自主的卫星移动通信系统不仅是必要的，也是可行的，具有广泛应用前景的。

5 发展我国卫星移动通信系统需明确的一些问题

要讨论发展我国的卫星移动通信系统，首先需要明确下列几个问题：

（1）服务区问题：全球、区域或国内。从目前情况看，我国要建设的应该是一个覆盖中国及其附近地区的区域卫星移动通信系统；

（2）轨道类型：是GEO、MEO、LEO或IGSO。如果服务区只要求是国内和区域，则采用GEO应该更经济，就如ACeS和Thuraya那样；如果是全球的，LEO就具有一定的竞争力；

（3）用户终端的类型：是手持机式还是便携式？从目前情况看，支持手持机应该是一种基本要求；

（4）业务类型：宽带还是窄带？从我国目前的技术发展水平看，从支持9.6kbps以下的窄带业务开始是合理的，逐步发展到支持几百kbps的宽带业务传输能力；

（5）市场定位：由于卫星移动通信系统的网络单位造价和用户终端费用都要比地面通信网高，其业务难以被地面通信网络覆盖区域内的普通用户所接受，其市场定位应该是地面通信的延伸和补充，主要服务于地面通信网络覆盖不到的区域，着重满足应急通信和军事通信的需要；

（6）经营方式：在地面网高度发达，并且已有多个国外系统竞争的状态下，潜在的用户空间不太大，任何一个企业投入巨资去建设一个系统来进行商业运营，是要冒很大风险的。因此，在目前的条件下，走军民结合的道路，初期投资以军方为主、长期运行靠商业服务所得来支持是一个较好发展策略。

明确了以上几点，我们认为现阶段如果要发展我国自主的卫星移动通信系统，应该具备以下几个特点：

（1）区域覆盖为主、能够兼顾全球；

（2）提供窄带业务为主的，逐步过渡到支持宽带业务；

（3）支持手持机；

（4）军民合用，用于地面网的查漏补缺、应急通信和军事通信；

（5）初期投资靠军队，长期运行靠商用。

系统的基本特征是：平时使用量不大，但需要时一定要能用。也就是说，设计时系统可用度应该是一个主要考虑指标，彻底解决“平时不想用，急时不好用”的问题。

6. 对我国卫星移动通信系统的发展建议

参照国外发展经验，我国的卫星移动通信系统也可以选择两种发展方案，即高轨(GEO)方案和低轨(LEO)方案。两方案的对比见表2。

7. 总结

随着国民经济的发展、国家安全的需要和科技水平的提高，建立我国自主的卫星移动通信系统不仅是必要的，而且是可行的。但根据我国的国情，建立一个完全商用的系统在近期是不太可能的，我们认为建立一个军民合用的、主要用作为地面通信系统的补充的卫星移动通信系统是一个相对现实、可行的发展策略。

表2 高轨方案与低轨方案的对比