我国高低轨卫星移动通信发展定位思考

吕子平，张更新，梁 鹏，卢 敏

（1.中国电信集团卫星通信有限公司，北京 100191；2.中国人民解放军理工大学通信工程学院，南京 210007）

我国高低轨卫星移动通信发展定位思考

吕子平1，张更新2，梁 鹏1，卢 敏1

（1.中国电信集团卫星通信有限公司，北京 100191；2.中国人民解放军理工大学通信工程学院，南京 210007）

本文通过对GEO和LEO两类卫星移动通信系统在技术特点、业务能力及发展趋势等方面的综合分析比较，认为在我国未来的卫星移动通信系统发展中，二者都是不可或缺的，当以定位用户切实需求，优势互补、协同发展。

卫星移动通信；GEO；LEO；发展定位

1　引言

卫星移动通信系统（MSS）是指利用通信卫星实现为手持移动用户之间或手持移动用户与固定用户之间，提供区域或全球范围的话音、数据、短信等服务的通信系统。

2　高低轨卫星移动通信发展现状

根据卫星运行轨道类型，目前国际上的卫星移动通信可以分为：地球同步轨道（GEO）卫星移动通信系统和低轨（LEO）卫星移动通信系统。

2.1 高轨卫星移动通信发展

GEO移动通信卫星是最早研制的移动通信卫星，由于运行在地球同步轨道，GEO系统单星覆盖范围大、星体相对固定，只要3颗卫星就可实现除南北极之外的全球覆盖。目前，GEO系统的典型代表包括海事-4（Inmarsat-4）系统、舒亚拉（Thuraya）系统。Inmarsat-4系统共有4颗在轨卫星（含1颗备份星），可覆盖除南北极外的全球所有地区，其推出的BGAN（宽带全球区域网）业务可以在全球范围同时提供语音和宽带数据服务，共享IP数据最高速率可达492kb/s；Thuraya系统则是由中东阿联酋建立的一个区域性移动通信系统，共发射了3颗卫星，覆盖范围包括欧洲、中东、亚太、北非等地区，其多模手持终端可同时兼容卫星、GSM和GPS业务，不但可提供9.6kb/s的卫星数据传输，还可提供达60kb/s的地面移动数据包业务（GMPRS）。

随着业务需求和科技水平的不断提高，GEO系统也在发展升级，主要表现有：

（1）在加强通信能力方面，从最开始采用容量较小的全球波束；然后采用区域波束，并通过频率复用技术来扩大容量；再到如今采用多波束成形技术可实现上百个点波束。并且为更好地支持手持移动终端，GEO卫星必须克服其由于长传输距离造成的强信道衰落问题，也就对其功率和天线提出更高要求。近年来发射的GEO移动通信卫星都采用了超过10kW的大功率卫星平台和口径约20m的大型可展开天线。

（2）在改善业务灵活性方面，星上处理和交换、数字化多波束成形等技术，可根据用户需求灵活分配卫星波束、功率和带宽，实现了对系统资源的高效利用。此外，与地面移动通信融合也是未来发展的主要趋势，新一代GEO系统采用的辅助地面组件（ATC）技术，通过采用与地面系统一致的工作频段和空中接口，实现用户终端可根据网络覆盖状况，自动地在卫星网络和地面网络之间进行无缝切换。

2.2 低轨卫星移动通信发展

与GEO卫星不同，LEO卫星单星覆盖面积较小，且相对地面在高速移动中，因此LEO系统的空间段需要在若干个轨道面布置十几到几十颗卫星，并通过星间或星地链路构成星座方式，才能实现全球覆盖的连续通信。目前，国际上成功运营过的LEO系统包括：美国铱星（Iridium）系统、全球星（Globalstar）系统和美国轨道通信（Orbcomm）系统。前二者的工作频率在1GHz以上，主要提供话音通信和中低速率的数据传输业务；Orbcomm系统工作频率在1GHz以下，主要提供低成本、低速率的Email、双向寻呼和传真等窄带数据通信业务。由于市场定位和商业运营等一些原因，以上三大LEO系统在上世纪都历经了一段时期的没落，目前，这些系统都通过部署和启动下一代移动通信卫星计划“强势回归”。其中，全球星系统完成24颗Globalstar-2卫星的发射，轨道通信系统完成18颗OG-2卫星的发射，铱星系统也计划在2016年开始Iridium-NEXT卫星的发射。相比于第一代，第二代的LEO系统无论是传输速率还是系统容量都有大幅度提升，呈现出宽窄带应用结合的特点。例如，铱星系统在原有窄带语言的移动数据速率由一代最高128kb/s发展到二代最高可达1.5Mb/s，同时还将提供最高达8Mb/s的Ka频段宽带业务。

此外，多功能融合也成为LEO系统的发展趋势之一。在原有话音和数据业务基础上，LEO系统都在积极拓展新的业务功能，包括第二代铱星系统计划搭载可将GPS定位精度提高至厘米级的iGPS有效载荷，以及面向航空通信和监测业务的ADS-B载荷；第二代轨道卫星则通过增加AIS载荷，提供海上资产的跟踪和管理业务。

3　高低轨卫星移动通信分析

从上述介绍来看，GEO系统和LEO系统在技术上各具特点，各自的业务方向也不尽相同。首先，从技术来看，GEO卫星具有的星体相对固定、单星覆盖范围广、单星信道数量多等优势，使得它成为全球大多数卫星移动通信系统的首选。但同时，这类卫星也存在着制约系统性能和服务质量的不利因素，包括存在两极通信盲区、特定地形通信困难、系统顽存性弱、传输时延长等。而LEO系统在这些方面正好与GEO系统互为补充：由多颗卫星组成的LEO星座可以实现真正意义上的全球无缝覆盖，并保证在高纬度和高山峡谷等复杂地形区域下通信不间断；同时，若部分节点损坏，系统整体不失效，仍具备全球通信能力；此外，LEO系统的时效性更佳，有利于信息的及时可靠传输。因此，LEO卫星移动通信系统的建设是不可或缺的。

从业务来看，表1给出了2013～2015近三年排名前五的卫星移动通信系统的年报收入情况，以及SIA给出的全球卫星移动通信收入情况［4］。

表1　卫星移动通信系统的年报收入和全球卫星移动通信收入

进一步结合各家的具体收入情况，可得到以下分析：

（1）GEO系统和LEO系统的并存发展趋势。尽管表1的数据显示以Iridium为代表的LEO系统总体比以Inmarsat为代表的GEO系统运营状况差，其主要原因是Inmarsat较早占领的海上市场保持平稳增长，每年为其贡献超过50%的收入。但就目前发展来看，新一代LEO系统正在利用其全球无缝覆盖的优势积极拓展海上业务；此外，还在飞越北极航线的航空器监视和通信方面，对GEO系统发起了强有力的挑战。

（2）以M2M业务为主的Orbcomm收入近年来呈快速增长。随着“物联网”概念的兴起，M2M被认为是其四大关键支撑技术之一，基于M2M的应用市场正在全球范围快速增长。利用卫星通信的广域覆盖性和自主灵活性，若与多种具有感知、信息采集功能的地面物联终端有机结合，可形成空天地一体化的信息获取与传输系统，将在远程设备监控、实时资产管理、工业自动化等方面发挥关键作用。

（3）目前，主要的几家卫星移动通信系统在全球卫星移动通信总收入中的占比较低，大约只有一半。随着技术水平的不断提高，新兴的一批卫星移动通信系统发展迅速，少数几家老牌公司或组织并不能完全垄断和把持市场，卫星移动通信未来还有巨大的发展空间和潜力。

4　我国高低轨卫星移动通信发展定位

经过数十年发展，我国卫星产业已经取得长足进步，在轨卫星数已成为全球第二。随着我国国际地位的不断提升，军队信息化建设和各行业信息化建设的速度日益加快，对外交流和国际贸易等活动的逐渐广泛，卫星产业承担着国家信息化建设高速发展中越来越重要的支柱角色。但就目前来看，主要优势集中在卫星遥感和卫星导航领域，而在应用空间最大的卫星通信领域严重滞后。截至2013年年底，中国1.53万家境内投资者在境外设立2.54万家直接对外企业，分布在184个国家（地区），对外直接投资累计净额超过6，600亿美元，各类外派劳务人员超过70万人。通过对我国国民经济18个主要应用行业的调研和统计分析，预计我国未来卫星移动通信覆盖范围需求将从国土扩展至全球，潜在用户数量达到300万，公众用户产品年市场容量110亿元。为保障我国海外人员的生命财产安全、国家全球化的经济利益，建设我国自主可控、全球覆盖的卫星移动通信系统既是迫切需要，也是必然选择。

另一方面，我国幅员辽阔、地形复杂、气候多变、自然灾害高发，如“98”抗洪、“512”汶川大地震等均暴露出单纯地面通信系统的脆弱性，卫星移动通信在抢险、救灾和应急通信中有着不可替代性。同时，目前我国的地面移动通信网仅能覆盖15%的国土面积，许多落后边远地区的地面基础通信仍然缺失，若采用传统地面通信方式覆盖面积巨大的偏远地区及领海，经济压力巨大。针对这些地面通信系统的“短板”，在统筹规划建设我国的自主卫星移动通信系统时，需要同时考虑以我国及周边地区作为高容量热点区域，这不仅是我国新时期国家战略的客观要求、经济社会建设协调发展的必然趋势，也是有效解决我国边远地区通信、有效应对各类自然灾害威胁和彰显负责任大国形象的需要。

而由于GEO卫星和LEO卫星在设计思想、技术手段、应用领域等方面都存在明显区别，分别代表了卫星移动通信领域内两种不同的发展方向，各有其优势和不足，任何一方都不可能完全代替另一方。因此，LEO卫星系统和GEO卫星系统作为互为补充的关系，应当要协调发展。

由于GEO系统单星即可提供服务，可考虑先以我国及周边地区为主要覆盖范围，逐步向全球中低纬度覆盖的发展思路。而LEO卫星系统即可作为其补充，提供全球范围无缝覆盖的通信保障，尤其是高纬度地区和高山峡谷等特殊区域。此外，LEO系统还应发挥其在航空、航海通信与监视等方面的优势，提供在全球范围的实时ADS-B和AIS应用服务。在未来卫星移动通信发展中，可以考虑以LEO系统发展宽带互联网接入能力，除我国及周边热点区域外，应满足可全球动态调配，实现为突发事件应急区域的用户提供宽带通信服务；GEO卫星系统则服务于普通区域，吸收更大用户容量。

5　结束语

在卫星通信迅速发展的形势下，卫星移动通信是实现未来无所不在的个人通信的必要手段之一，其中需要包括高轨和低轨卫星移动通信系统的同步发展。卫星移动通信在我国尚有巨大的潜在市场，当以实现卫星通信的高费效比，开展移动通信、宽带接入、航海航空通信和管理等多种业务，努力发展符合我国国情、着力用户实际需求的卫星移动通信系统。

［1］ 庞之浩．今日移动通信卫星发展．数字通信世界，2015（03）：63-69

［2］ 刘思杨．卫星移动通信系统发展现状及趋势．现代电信科技，2014（7）：23-28

［3］ 吕子平，梁鹏，陈正君，韩淼．卫星移动通信发展现状及展望．卫星应用，2016（1）：48-55

［4］ http：//www.sia.org/state-of-the-satellite-industry-report/.

［5］ 张更新，甘仲民，牛鑫．论高低轨道在我国未来卫星通信中的应用．数字通信世界，2006（10）：56-59

［6］ 沈永言．全球空间信息基础设施的发展态势与我国卫星通信的发展思路．第十二届卫星通信学术年会论文集，2016：31-38

The Development and Orientation of China's GEO and LEO Mobile Satellite Communications

Lv Ziping1， Zhang Gengxin2， Liang Peng1， Lu Ming1
（1.China Telecom Satellite Communications Limited， Beijing， 100191；2. PLA University of Science and Technology， Nanjing， 210007）

The GEO system and the LEO system， to be the two major arms of MSS， are advancing together while giving full play to their favorable conditions. This paper makes a comprehensive analysis of the two systems by comparing their technical characteristics， service capabilities and development trends. It is believed that both of the GEO system and the LEO system will be the indispensable parts of our coming mobile satellite system and should develop complementarily and synergistically to target the practical user requirements.

mobile satellite communication； GEO； LEO； development and orientation

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2016.07.011

TN927+.23 文献标示码：A

1672-7274（2016）07-0026-03