卫星通信技术及其展望

杨 丹，黄 宁

（中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081）

0 引 言

当前全球卫星通信产业格局已经发生很大变化，传统的卫星行业正在向高通量、灵活性以及运维智能化等方面快速发展。高轨卫星出于对轨道资源、应用场景、整体成本等方面的考虑，大规模布置的难度较大。低轨卫星星座系统依靠成本低、广覆盖、可弹性搭载等优势逐渐兴起，并且其对互联网接入的支持，得到了市场的关注和国家的支持。

随着卫星通信技术的发展，以及社会对“互联网+”和随时随地接入互联网需求的增加，高、低轨通信卫星网络的建立被注入了新的活力[1]。

1 卫星通信技术网络构成及作用

传统的通信卫星在卫星通信网络中扮演着无线电通信中继站的角色，是卫星通信网络的空间部分，其主要功能是为多种类型的地球通信站转播无线电信号，从而实现星-地间的超长距离通信。

卫星通信可以在短时间内实现大量信息的有效传输，根据信号载体的不同，卫星通信方式通常有微波通信与激光通信。

传统的微波通信，其卫星通信系统主要包含以下内容。一是信号接收子系统，主要包括接收天线、星载变频器，完成上行微波信号的接收。二是信号转发子系统，主要包括解调载荷、交换载荷、调制载荷，完成模拟数字（Analog to Digital，AD）、交换以及数字模拟（Digital to Analog，DA）等信号处理。三是信号发射子系统，主要包括发射天线、星载变频器。

比较先进的激光通信，其卫星通信系统主要包含以下内容。一是信号接收子系统，光学天线及光接收机是关键构件，其既可以实现信号接收功能，而且可以结合实际情况将信号进行光电转换，进而达到信号传递的目的。二是信号转发子系统，在光电转换的基础上，基于电信号完成交换等处理。三是信号发射子系统，主要功能是实现信号的转换和发射，信号发射分为2 个部分，分别为信标光以及信号光。四是捕获跟踪子系统。以实现对信号的有效跟踪为目标，基于信标光的瞄准、跟踪与捕获等工作，实现信号光的对准，确保信号能够在激光通信载荷之间进行双向传输[2]。

2 卫星通信传播特性

根据卫星轨道的高度不同，由低到高，卫星分为低轨道（Low Earth Orbit，LEO）、中轨道（Medium Earth Orbit，MEO）、地球同步轨道（Geosynchronous Orbit，GEO）、太阳同步轨道（Sun Synchronous Orbit，SSO）以及倾斜地球同步轨道（Inclined GeoSynchronous Orbit，IGSO）5类，合计实现了观测、通信、导航等应用，而其中可用于稳定通信的是GEO 和LEO 这2 种。

2.1 GEO 特点

（1）延迟大。通信站与同步卫星之间的距离大于35 786 km，即便是信号是以光速传输，传输时延也需要0.3 s 的时间，所以要得到对方的答复，需要大约0.6 s 的时间，这就使得卫星通信的速度比陆地上的通信慢。

（2）链路损耗大。即星-地的相对距离带来的自由空间损耗，频段越高则损耗越大，为了应对这一点，链路载荷和地面链路设备都要有很高的技术指标要求。

（3）多普勒效应小。同步卫星相对地面的静止，带来的多普勒频移非常轻微。

（4）通信容量大。GEO通信卫星依托于大型平台，体积大、载荷多，单星可以支持更高能力的通信载荷。

2.2 LEO 特点

（1）延迟小。通信站与低轨卫星之间的距离在2 000 km 以内，星-地通信更加快捷。

（2）链路损耗小。星-地距离较小，信号在无线传输时受到的自由空间损耗也会相应减小，便于地面终端的小型化研制。

（3）多普勒效应大。低轨卫星通信中该现象尤其明显，星-地的相对位移可简单理解为余弦模型，造成频率的非线性漂移，地面终端需要专门算法进行补偿，否则通信效果变差，甚至引发失锁而通信失败。

（4）通信容量小。低轨卫星每轨次对地面站的有效覆盖时间为10 min 左右，其通信的高效性是依托于星座的建立，且平台相对小型化，因此其通信容量虽然在逐步提高，但是远未达到GEO 的能力。

基于资源和成本等方面的考虑，当前各大国积极探索低轨卫星的发展。低轨卫星尽管单星覆盖能力较弱，但可以星座组网的方式弥补，进而实现全球范围的覆盖。

高低轨卫星联合组网是发展各自优点的未来发展趋势。GEO 和LEO 各有优势，在能力上相互补充，复合型的轨道可形成更灵活的覆盖方案，根据服务需求和覆盖区域内的业务量，动态分配业务资源。

3 国内低轨通信卫星发展现状

中国航天虽然起步较晚，但发展迅速，随着“虹云”“鸿雁”“天象”“宽带节点”等卫星的相继发射成功，我国低轨宽带通信卫星系统的建设迈出了实质性的一步。

目前，5G 通信的使用仍然处于初始阶段，基站的有限性致使网络通信质量有待提升。低频段5G 难以满足现阶段人们对通信的要求，高平段5G 不单单能够具有良好的稳定性，而且不易干扰、传输效率快，但是也存在诸多劣势。例如，5G通信容易出现信号衰减，传输范围受到限制，高频率的电磁波不能够穿越障碍物，在通信过程中极易交流不畅，由此5G 通信体验感还有待提升。5G 技术的出现为人们提供了更多便利，推动了诸多行业的发展，但是在发展过程中所出现的弊端不可忽视，针对出现的问题，采取有效的手段予以解决。其中高频段5G 毫米波技术就能够有效提升5G传输强度，但是随之而来也面临着传输距离短、覆盖面小等问题。为此，可以采取提升信号发射功率、增加5G 基站数量等手段，利用基站扩大5G 信号覆盖范围，保证人们在任何地段都能够实现无损交流。

层出不穷的应用与技术悄然生息地改变人们的生活方式，移动互联网用户群体的攀升给通信技术带来了更大的挑战。在通信技术的创新与发展过程中，卫星通信行业整体呈现波动的发展态势。5G 通信技术的出现为卫星通信行业提供了更多发展的可能，在5G 通信技术的普及下，人们也更加关注本行业的发展。5G 通信技术能够快速适应低频到高频的过渡，所应用的3.3 ～3.6 GHz、4.8 ～5.0 GHz 频段受到大众的认可，由于5G 技术自身的限制，致使其应用过程中面临着覆盖面狭窄的问题，Massive 多输入多输出（Multi Input Multi Output，MIMO）技术却为其奠定了技术保障，加速了我国通信技术的发展。随我国的移动网络使用用户群体增多，在5G 技术出现以后，卫星通信行业内部竞争更加激烈，技术更新速度迈上新的台阶。

面向应用，其提供服务的场景集中在以下几个方面。

（1）物联网。依托于低轨卫星星座广覆盖的特点，物流、农业、工程科考等对流量较低的产业将成为卫星物联网重要的应用方向。基于卫星的宽带连接，稳定的网络能帮助作业成果的传输和处理，提升工作效率和安全性。

（2）特殊应用。基于空天地一体化的构建，通过导航增强和频谱监测等功能遥感载荷的使用，可实现全天候对重点地区的监控，提升对目标的预判和干预能力，并能有效协助作战和防御。

（3）航运、航天安全。基于AIS/ADS-B 载荷的搭载，记录远洋航运和客机飞行的航行记录，监控的实时性将加强该行业的安全性，提高作业效率。

（4）应急通信。轨卫星的全覆盖和快响应，便于对无人区、特殊地形、应急灾害区等的实时通信，快速反馈信息，提高作业效率和相关部署。

4 卫星通信技术的应用分析

卫星通信网络的组成包含通信卫星以及众多地球站，在功能方面包括管理网络和业务网络。管理网络能够起到分配资源以及监控系统运转的效果，业务网络可以满足用户基本的通信需求，其功能较为简单，不能够进行网络状态的获取以及对用户的信息进行感知。实际上，不同卫星通信网络间都属于独立运行的状态，信息无法实现互动，让信息通信资源不能够得到更好的利用，并无法达到多个网络结合运转。只有将卫星通信网与无限网络技术相结合，才能够构成卫星通信网络。

4.1 网络感知技术的应用

针对卫星通信网络体系来讲，网络感知技术分为2 个部分：网络特性感知和网络承载业务特性感知。第一部分资源占有状况的感知资源利用概率作为依托，该系统能够让闲置很久的网络资源得到有限的利用，还能够将各项网络资源进行动态调整。在无线网络中所具有的卫星网特性感知一般根据业务协议以及网络种类作为支持，能够全方位掌控网络层面信息[3]。

4.2 智能化决策技术的应用

对于普通无线通信网络技术来讲，智能化是无线网络技术的主要特点。智能化决策技术的有效运用，能够快速实现对用户和环境的分析，进而达到智能化的标准，卫星通信网络在运行的过程中，人力、物力以及财力上花费较大，不但增加了运行成本，还需要对系统的稳定性进行思考，避免其影响到整体的系统稳定性。通过无线网络技术能够促进智能化发展，让目前的资源得到有效的整合，从而减小人为的影响因素。智能化技术能够达到用户的要求，还能够结合系统目标，让资源配置得到完善，能够实现与环境条件的自动配置。

4.3 环境感知技术的应用

如果想提高卫星通信系统抗干扰能力，以及使卫星通信线路稳定性提升，必须具备感知电磁环境，仔细明确频谱特征信息，保证其抗干扰的效果。对于卫星通信网络，环境感知技术成为无线网络技术中的关键技术。但是，网络传输过程中存在众多干扰因素，因此就需要采取有效的措施，确保信号能够有效的传输。

4.4 卫星异构网络融合技术的应用

目前，为适应多样化发展的网络，卫星通信终端网络就是根据硬件和环境条件的改变采用各种接入模式的网络，从而对不同网络资源都能够有效的运用。让网络资源得到合理结合，无线网络技术能够凭借感知技术匹配用户的需要，从而增强网络适配性。卫星远端站必须通过中心感知信息和指令进行网络匹配。对各种感知信息进行研究，能够根据中心站寻求相应的举措，从而有效地对网络负载作出评估，再结合卫星异构网络环境，通过感知技术来分析网络特征以及用户特征，有效配置资源，从而为用户提供相适应的网络通信，让资源得到合理利用[4]。

5 卫星通信技术的未来发展趋势

对于卫星通信网络而言，在进行卫星传输阶段，经常会涉及下行链路与上行链路，在实际应用使用过程中，应当及时关注和重视安全问题，业务传输层所遇到的安全问题与安全威胁更多的是来自于链路层干扰问题。若链路层受到干扰，则会对卫星通信业务传输产生严重影响，进而导致卫星通信网络系统无法投入正常运行。针对链路层安全威胁问题，应当在信道终端应用新型抗干扰技术，通过应用新型抗干扰技术，既能够提高其抗干扰性，又可以有效打破原有技术约束，进而提高抗开扰效果。在实际的卫星通信网络系统业务传输层防范安全威胁时，应当合理应用多种抗干扰方案，逐渐克服和改善传统抗干扰方案与技术存在的局限性与缺陷，提升链路层的实际抗干扰能力，保障卫星能够更加平稳运行。由于多种抗干扰技术间具有一定的互通性，在实际应用阶段，应当对比分析多种抗干扰技术，实现多种抗干扰技术互补[5]。

卫星通信技术的未来发展是以新发展理念为引领，以技术创新为驱动，以信息网为基础，相关工作人员应当积极学习其他项目的成功经验，吸取其优点和特色，并根据自己的实际情况，做到优劣互补，各取所长，推动技术的创新。要加强网络技术的运用，把局域网、电话拨号等通信手段当作上行链路，把资料传送、下载等作为下行链路，使地面使用者与因特网实现互联互通，随时进行资讯传送。

目前我国卫星发射主要以导航和遥感类型为主，通信卫星数量相对偏少。伴随高通量卫星带动宽带卫星通信业务蓬勃发展，我国低轨通信卫星行业有望进入快车道，卫星发射数量上升空间巨大。

6 结 论

卫星通信行业的发展对于我国社会经济发展，甚至综合国力有直接影响，卫星通信行业的发展已经不仅仅是行业本身的任务，而是社会发展的重要任务之一。相关人员需基于卫星通信行业的发展现状，优化相应的设备，充分发挥出我国社会主义现代化强国优势，和我国实体经济的高效发展，把握好当前的发展机遇，提高卫星通信行业的社会价值，促进相关行业的健康可持续性发展。