卫星通信技术研究

徐永太 中国信息通信研究院工程师

发展策略

卫星通信技术研究

徐永太 中国信息通信研究院工程师

卫星通信系统大致可分为卫星移动通信系统、卫星固定通信系统。现有的卫星系统中能够划入卫星移动通信系统范围的包括北斗卫星系统、海事卫星系统、铱星卫星系统等。卫星移动通信系统由移动通信卫星、信关站（或称关口站、关口地球站）、终端、核心网、运控系统组成，能够提供短报文、定位、语音、数据传输等通信服务。卫星固定通信系统一般由空间段（通信卫星）、地面段（关口站和地球站）、跟踪遥测及指令分系统和监控管理系统构成，能够提供通信、广播、互联网业务、VSAT通信业务、其他领域的卫星空间段业务等。此外，未来在航空通信领域卫星通信技术也有较广阔的应用空间。

卫星移动通信系统 卫星固定通信系统 北斗卫星系统 海事卫星系统 铱星卫星系统

1 引言

卫星通信系统根据业务及技术实现方式，大致可分为卫星移动通信系统、卫星固定通信系统。卫星移动通信系统主要由移动通信卫星、信关站（或称关口站、关口地球站）、终端、核心网、运控系统组成。移动通信卫星可以是同步轨道卫星（如海事卫星），也可以是非同步的中低轨卫星（如铱星）。信关站类似于地面移动通信网中的基站，其与移动通信卫星间的链路称为馈电链路，使用卫星固定业务频率（如C波段、Ku波段），在通信过程中，信关站要始终保持对星（如使用定向天线）、信关站与核心网设备相连，进而接入公网中。终端一般位于卫星天线形成的某一波束（类似于地面移动通信网中的小区）中，其与移动通信卫星间的链路称为接入链路，使用卫星移动业务频率（如L波段、S波段），在通信过程中，终端不要求对准卫星。在具有多个信关站的情况下，一般由运控系统统一进行资源分配。目前，主要的卫星移动通信系统有北斗卫星、海事卫星（Inmarsat）、欧星（Thuraya）、铱星（Iridium）、全球星（GlobalStar）。

卫星固定通信系统一般由空间段（通信卫星）、地面段（关口站和地球站）、跟踪遥测及指令分系统和监控管理系统4大部分组成（见图1）。通信卫星主要起无线中继站的作用，通过星上转发器转发地球站的信号。跟踪遥测及指令分系统对卫星进行跟踪测量，并进行轨道修正和位置姿势保持。监控管理系统对通信性能进行监测和控制，以保证本系统正常通信，并符合不同卫星通信系统间的协调要求。关口站是卫星通信系统的核心，负责卫星通信系统与公众网的连接，提供传输信道，关口站可以认为是一种特殊的地球站。地球站负责将来自地面网络的信息发送到卫星，并接收来自卫星的信息，传送给相应的地面网络用户。

2 卫星移动通信系统

2.1 北斗卫星通信系统

北斗卫星导航系统包括北斗一号和北斗二号两代导航系统。其中，北斗一号是用于中国及其周边地区的区域导航系统，北斗二号是类似美国GPS的全球卫星导航系统。“北斗一号”系统具备双向通信功能，而已对外发布信令接口规范的“北斗二号”系统主要用于定位导航领域，终端设备不具备发射模块，不存在接入现有通信系统的问题。

“北斗一号”卫星系统由我国自主研发，利用地球同步卫星为用户提供全天候、区域性的卫星导航系统，在服务区内提供3项主要功能：

（1）定位：快速确定用户所在点的地理位置，向用户及主管部门提供导航信息。在标校站覆盖区定位精度可达到20m，无标校站覆盖区定位精度优于100m。

图1 卫星移动通信系统结构

（2）通信：用户与用户、用户与中心控制系统之间均可实现最多120个汉字的双向简短数字报文通信，并可通过信关站与互联网、移动通信系统互通。

（3）授时：中心控制系统定时播发授时信息，为定时用户提供时延修正值。授时精度可达100ns（单向授时）和20ns（双向授时）。

“北斗一号”卫星系统由空间卫星、地面中心站、用户终端和标校站4部分组成，其中空间部分由地球同步卫星组成，执行地面中心站与用户终端之间的双向无线电信号中继任务。每颗卫星的主要载荷是变频转发器，以及覆盖定位通信区域点的全球波束或区域波束天线。

地面中心站主要由无线电信号发射和接收，整个工作系统的监控和管理，由数据存储、交换、传输和处理，时频和电源等各功能部件组成。地面中心站连续地产生和发射无线电测距信号，接收并快速捕获用户终端转发来的响应信号，完成全部用户定位数据的处理工作和通信数据的交换工作，把计算得到的用户位置和经过交换的通信内容，通过空间卫星分别送给有关用户。

用户终端能够接收地面中心站经卫星转发的测距信号，并向卫星发射应答信号，此信号经卫星转发到中心站进行数据处理。根据执行的任务不同用户终端分为定位通信终端、卫星测轨终端、差分定位标准站终端、气压测高标准站终端、校时终端、集团用户管理站终端等。

标校站为附近的终端用户提供更高精度的定位结果，协助中心站获取精确的卫星位置观测量。

“北斗二号”（英文简称BDS）曾用名COMPASS，“北斗卫星导航系统”一词一般用来特指第二代系统。此卫星导航系统的发展目标是对全球提供无源定位，与全球定位系统相似。

北斗卫星导航系统致力于向全球用户提供高质量的定位、导航和授时服务，包括开放服务和授权服务两种方式。开放服务是向全球免费提供定位、测速和授时服务，定位精度10m，测速精度0.2m/s，授时精度10ns。授权服务是为有高精度、高可靠卫星导航需求的用户提供定位、测速、授时和通信服务以及系统完好性信息。

“北斗二号”系统保留并兼容了“北斗一号”系统，由空间段、地面段和用户段3部分组成（见图2）。

空间段包括5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星。地球静止轨道卫星分别位于东经58.75°、80°、110.5°、140°和160°。非静止轨道卫星由27颗中圆轨道卫星和3颗同步轨道卫星组成。

地面段包括主控站、卫星导航注入站和监测站等若干个地球站。主控站主要任务是收集各个监测站段观测的数据，进行数据处理，生成卫星导航电文和差分完好性信息，完成任务规划与调度，实现系统运行管理与控制等。注入站主要任务是在主控站的统一调度下，完成卫星导航电文、差分完好性信息注入和有效载荷段控制管理。监测站接收导航卫星信号，发送给主控站，实现对卫星段跟踪、监测，为卫星轨道确定和时间同步提供观测资料。

用户段包括北斗系统用户终端以及与其他卫星导航系统兼容的终端。因为“北斗二号”系统保留并兼容了“北斗一号”系统，所以“北斗二号”系统像GPS、GLONASS、GALILEO系统一样，为用户提供卫星无线电导航及定位服务。

2.2 海事卫星通信系统

海事卫星通信系统是由海事卫星组织主导建立的卫星通信系统。国际海事卫星组织（英文缩写为“Inmarsat”），总部位于伦敦，目前已经发展为一个有近百个成员国的国际卫星移动通信组织，约在143个国家拥有4万多台各类卫星通信设备。中国作为创始成员国之一，由中国交通部和中国交通通信中心分别代表中国参加了该组织。

Inmarsat移动通信系统由空间段、网控中心、网络协调站、卫星地球站和卫星终端组成，其系统架构如图3所示。

图2 北斗二代系统架构示意图

空间段即指在轨道中运行的海事卫星。网控中心（NCC）设在英国伦敦总部，负责监测协调和控制网络内所有卫星的操作运行。同时，网控中心还对各地球站的运行情况进行监视，协助网络协调站对有关运行事务进行协调。网络协调站（NCS），在每个洋区至少有一个地球站兼作网络协调站，并由它来完成该洋区内卫星通信网络必要的信道控制和分配工作。其任务是：分配话音类信道和高速数据信道；在一个公共申请信道上转发收自岸站电传信道上的分配信息；对所有终端发布国际移动卫星业务通告；有线处理遇险信息。地球站，介于通信卫星和陆地通信网之间，实现路上用户与移动站之间的通信，常建在海岸附近，故常被称为岸站。北京国际移动卫星地面站也是我国唯一一座国际移动卫星系统地面岸站。卫星终端是指安装在船舶、飞机上的卫星地球站终端以及手持机等，也是用户使用的设备，在不同的业务应用中，卫星终端可能是机载站、手持机等。

图3 海事卫星系统架构示意图

海事卫星为我国用户提供全球、全时、全天候的Inmarsat-C/B/M/Mini-M/M4/F和BGAN、FleetBroadband、SwiftBroadband以及IsatPhone业务，涉及海上、陆地和航空3大领域。

其中，Inmarsat-C是海事卫星的标准业务，能够覆盖太平洋和印度洋两个洋区。Inmarsat-C系统可提供电传、数据、传真、普通报文、数据报告、增强群呼、遇险服务。目前，北京地面站可以为用户提供PSTN、PSDN、ISDN、EMAIL、TCP/IP等多种陆地用户接口功能。Inmarsat-F系统，包括Inmarsat-B/M/Mini-M/M4/ Fleet系列，能够提供覆盖全球4个洋区的电话、传真、电传、遇险专线、ISDN数据、移动数据包交换服务（MPDS）业务。Inmarsat手持机（IsatPhone）可提供在I-4卫星下进行语音通信服务。其通信终端为目前全球最小的手持卫星通信终端。Inmarsat宽带全球区域网（BGAN）具有宽带网络接入、移动实时视频直播、兼容3G等多种前卫通信能力，承载最高达492kbit/s的高速互联网接入、话音、传真、ISDN、短信、语音信箱等多种业务应用模式。InmarsatFleetF77、F55和F33是为满足海事应用中不断增加的对电子邮件和数据传输的要求而设计的一系列船用通信服务。支持语音、传真、移动ISDN（F77和F55服务速度达64kbit/s）以及移动分组数据业务。InmarsatSwift64是针对企业专用商务机市场提供，这一服务可提供高质量语音和64kbit/s移动ISDN（综合业务数字网）数据传输。

2.3 铱星卫星通信系统

铱星系统是美国摩托罗拉公司1987年提出设计的全球移动通信系统。卫星可以覆盖全球，用户用手持话机直接接通卫星进行通信。

铱星系统的最大特点是，通过卫星之间的接力来实现全球通信。它与目前使用的静止轨道卫星通信系统相比较有3大优势：一是轨道低，传输速度快，信息损耗小，通信质量大大提高；二是铱星系统不需要专门的地面接受站，每部移动电话都可以与卫星联络，这就使地球上人迹罕至、通信落后的边远地区、自然灾害现场都变得畅通无阻；三是真正意义上的全球无缝隙覆盖，相比于地球同步轨道卫星通信系统，铱星不仅可以覆盖南北纬70°之间的区域，更能完全覆盖高纬度极地区域，且通信效果尤佳。

铱星系统包括4个组成部分：用户单元、卫星星座、系统控制站和关口站（Gateway）。

用户单元负责向用户提供业务，铱星的用户单元除传统的陆地手机用户外，还包括航海、航空移动用户以及地面的蜂窝通信网，同时还增加了一些固定用户。包括手持机、车载终端、机载终端、船载终端和可搬移式终端等。

卫星星座包括66颗主要卫星，组成一个覆盖全球的L频段蜂窝小区（波束）群，用于向移动用户提供业务。铱星系统的原始设计为7条距离地面780km，倾角为86°的近极圆轨道，每条轨道上均匀分布11颗小型智能卫星，这些卫星通过微波链路形成全球网络。后来为了减少投资和简化结构，铱星系统轨道高度降为765km，轨道数降为6条，相应的卫星数目也降至66颗（外加7颗空中备用星）。

每颗卫星并不只是承担转发任务的中继器，而是整个通信网络中的一个交换和路由分配节点，也就是说铱星系统具有星上处理和交换能力，系统具有星间链路，这也是铱星系统最大的特点。

星间链路通俗来讲就是卫星与卫星之间的链路。铱星系统中的每颗卫星具有4条星际链路，其中两条与前后两颗卫星相联，属相同轨道面内的星际链路，其余两条与左右两颗卫星相联，属不同轨道间的星际链路。铱星系统的星间链路采用Ka频段（22.55～23.55GHz），中心频率是23.28GHz，信道间隔为25MHz。铱星系统具有星上处理和星上交换能力，它能实现呼叫处理、路由分配和交换、移动管理、频率资源管理、安全保密、网络管理等网络功能，再加上星际链路，使得铱星系统内的卫星之间具有空间交换和路由选择的功能。

系统控制部分是铱卫星系统的中央管理部分。它提供全球运作支持和卫星群的控制服务，传递卫星跟踪数据到网关部分，负责控制卫星星座及为卫星计算和装载频率计划和路由信息。所有的铱星卫星以及整个网络的管理和控制都是由系统控制部分负责完成的。主要任务包括卫星星座的管理、网络管理以及通信管理。

关口站负责呼叫建立、连接到地面PSTN和卫星星座。与卫星星座的连接是用工作在Ka频段的高增益抛物面跟踪天线来实现的；与PSTN的连接是经由到国际交换中心（ISC）的中断线来实现的，在该中断线上使用PCM传输和7号信令系统（SS7）或多频互控响应（MFCR2）信令。

铱星系统的基本连接关系为：用户单元通过L频段用户链路和卫星星座进行通信，关口站和系统控制设备通过Ka频段馈电链路与卫星星座进行通信，卫星星座内部利用Ka频段星际链路实现卫星之间的互联。

铱星系统对用户开放的业务电话、寻呼、传真、数据等，能够实现无缝覆盖地球上所有的海域、空域和极地，为在海上、空中作业的个人和企业以及那些从事石油天然气开采、采矿、建筑、伐木、救灾抢险、野外旅游的个人和组织提供通信保障。市场涵盖对通信有特殊需要和身处偏远地区工作的企业和个人，以及那些希望随时随地保持稳定通信的大企业。

3 卫星固定业务通信系统

卫星固定通信系统一般分为空间段、地面段、跟踪遥测及指令分系统和监控管理系统4部分。

●空间段：通信卫星主要起无线中继站的作用，通过星上转发器转发地球站的信号。

●地面段：关口站是卫星通信系统的核心，负责卫星通信系统与公众网的连接，提供传输信道，关口站可以认为是一种特殊的地球站。地球站负责将来自地面网络的信息发送到卫星，并接收来自卫星的信息，传送给相应的地面网络用户。

●跟踪遥测及指令分系统对卫星进行跟踪测量，并进行轨道修正和位置姿势保持。

●监控管理系统对通信性能进行监测和控制，以保证本系统正常通信，并符合不同卫星通信系统间的协调要求。

VSAT（Very SmallAperture Terminal，甚小口径卫星终端站）是卫星固定通信系统中的一个典型应用。其系统架构及网络拓扑图如图4所示，主要包括主站部分、小站部分及用户终端。

VSAT主站部分：主站的设备配置较远端小站复杂，发射功率高，天线大。主站单元具体包括：RF端、主站射频部分，负责卫星信号的收发。VSAT网络基带设备：处理卫星信号，包括Modem、复用器和编/解码器。通过网络管理平台进行管理。PBX：程控交换机，用于管理电话通信。关口：用于连接PSTN和Internet。

VSAT小站部分：发射功率低，天线尺寸小。小站单元具体包括：室内单元负责进行天线接收及射频处理；室内单元负责处理卫星信号。

用户终端：普通的用户接入终端（如固定电话、视频播放器等）。

图4 VSAT系统架构示意图

目前，中国固定卫星业务系统提供的业务包括通信、广播及其他领域的卫星空间段业务，卫星移动通信业务，互联网业务，VSAT通信业务，基于卫星传输技术的话音、数据、多媒体通信业务，地面网络通信业务，3.5G固定无线接入业务，800M数字集群通信业务，以GPS为主的综合信息业务，与上述卫星通信业务相关的技术服务和进出口等业务。

4 结束语

卫星移动通信系统、卫星固定通信系统，是卫星通信系统中的两大类系统。北斗卫星通信系统、海事卫星系统、铱星卫星系统，均属于卫星移动通信系统。通常移动卫星系统由移动通信卫星、信关站（或称关口站、关口地球站）、终端、核心网、运控系统组成。能够提供包括短报文、语音、数据传输等通信服务，其中海事卫星系统和铱星卫星系统，在全球范围内，均广泛提供通信业务及服务。卫星移动通信系统广泛使用的频段包括L波段和S波段。卫星固定通信系统一般由空间段（通信卫星）、地面段（关口站和地球站）、跟踪遥测及指令分系统和监控管理系统4大部分组成。卫星固定业务频率主要为C波段和Ku波段，目前电视转播及我国的村村通工程均有应用。我国提供的固定卫星业务系统提供的业务包括通信、广播及其他领域的卫星空间段业务，卫星移动通信业务，互联网业务，VSAT通信业务等。目前，在机载通信领域，卫星移动通信系统和卫星固定通信系统均已开始相关应用，未来在航空通信领域有较广阔的应用空间。

1 北斗卫星导航系统公开服务性能规范1.0

2 北斗卫星导航系统空间信号接口控制文件1.0

3 北斗卫星导航系统空间信号接口控制文件2.0

4 YD/T 1513-2006.农村VSAT卫星通信网络/系统技术要求5 YD/T 911-1997.Ku频段国内卫星通信系统技术要求

6 JT/T 794-2011.道路运输车辆卫星定位系统车载终端技术要求

7 道路运输车辆卫星定位系统北斗兼容车载终端技术规范

2014-06-17）