[科普中国]-国际移动卫星

第五代"国际移动卫星"星座建成

10月22日，正在英国进行国事访问的中国国家主席习近平在伦敦参观了国际移动卫星总部，引起了业界的极大关注。在此之前，随着第三颗“国际移动卫星”-5于8月29日入轨，从而了建成第五代“国际移动卫星”星座。它是世界首个由单一供应商提供全球覆盖高速移动宽带网络业务——“全球快讯”业务的系统，于今年底投入全面运营。该星座能提供全球首个高速移动宽带业务，以及高质量的视频、语音和数据业务。

由于卫星移动通信具有不受地理障碍约束和用户运动限制的优势，可实现对海洋、山区和高原等地区近乎无缝的覆盖，能满足各类用户对移动通信覆盖性的需求，为此它已成为卫星通信发展的主要潮流之一。目前，移动通信卫星有高轨道（这里指地球静止轨道）和低轨道移动通信卫星两种，它们都能满足移动用户的通信需求，但各有所长，并存发展，都在不断更新换代，以提高性能和竞争力。2

高轨卫星已发展四代最早问世的移动通信卫星是静止轨道移动通信卫星，至今已发展了四代：第一代采用全球波束，容量较小；第二代开始采用区域波束，并通过频率复用技术增加容量；第三代能形成上百个点波束，载荷采用数字化，可实现用户间的直接通信以及灵活分配卫星的功率、带宽和波束；第四代采用辅助地面组件等技术为用户提供天地融合的卫星- 地面移动通信系统及4G服务。

目前在轨提供业务的主要是第三、四代静止轨道移动通信卫星，其中第三代卫星的主要技术特征是采用多波束形成技术、大型通信卫星平台技术、大型可展开天线技术、星上处理和交换技术，其典型卫星是“国际移动卫星”-4、阿联酋的“瑟拉亚”卫星和印尼的“格鲁达”卫星；第四代卫星的主要技术特征是采用地基波束成形技术、大型可展开天线技术、辅助地面组件技术等，其典型卫星是美国“地网星”-1、“天地通”-1 和“中圆轨道”-G1 卫星。

第三、四代静止轨道移动通信卫星之所以都采用大型可展开天线技术，是为了增强卫星性能，缩小用户终端的尺寸，其中第四代卫星的天线更大。未来，卫星通信终端与地面通信终端的兼容性还将进一步提高，从而能大大增加卫星通信业务进军地面无线通信市场的竞争力。

第四代采用的辅助地面组件技术是一种用于卫星移动通信的辅助地面基站，能够解决卫星信号在高楼林立的城市以及室内覆盖性不佳的问题。卫星和大量辅助地面基站组合在一起可以很好实现大区域无缝覆盖，终端可以自动地在辅助地面基站和卫星之间进行无缝切换，即在有地面网络覆盖的地区使用地面网络，在没有地面网络覆盖的地区使用卫星网络，从而大大降低了用户的使用成本，也吸引了地面移动运营商的关注。该技术在发生自然灾害或地面通信设施覆盖不到的极限环境下，更能发挥巨大的作用。2

当红第四代技高一筹2008年4月14日发射的美国“中圆轨道”-G1 是首颗使用DVB-SH标准的移动视频广播卫星，天线直径15.8 米。它首次使用了地基波束成形技术，可以形成250 个发送及250 个接收的S 频段波束。其用户链路采用与地面移动3G 系统相近的频率，以有利于与地面系统的互联互通，也有效地提高了频谱的利用率。该卫星主要面向汽车等移动载体提供实时的移动视频、数据等业务，同时也向手持终端（如手机）提供移动多媒体业务。

所谓地基波束成形技术是将数字波束成形技术与其他数字处理技术放到地面上进行工作的方式。使用地基波束成形技术的卫星，星上的有效载荷仅需要天线及相关的射频网络，所有的处理工作均交由地面站进行处理，并可根据用户需求形成数目不同、且各自独立的频段发射点波束和接收点波束，满足用户实际需要，灵活分配卫星容量及带宽，节省星上资源，增强卫星可靠性。

2009 年发射的由美国劳拉公司研制的“地网星”-1 是世界上首颗能用地面终端直接通信的卫星，也是目前世界最重的通信卫星，发射质量达6910 千克，其上直径达18 米的大型S 频段天线可生成数百个波束。它采用了辅助地面组件技术，可在卫星信号被建筑物所遮挡的地区提供覆盖；它利用频谱复用技术构建混和网络，形成真正的“星地联合”，提供高质量、低成本、无缝隙的网络，为北美地区的乡村、城市和其他偏远地区提供了2GHz 的移动话音、数据通信、监视和信息等业务。由于采用S 频段，“地网星”-1 避开了“GPS 干扰问题”，因而成为目前最成功运行的天地融合系统。2015-2016 年，还将发射“地网星”-2，整星重量超过6900 千克。

2010 年11 月14 日发射的“天地通”-1 卫星天线口径达22 米，是目前直径最大的在轨通信卫星天线。该卫星利用辅助地面组件技术来实现天地融合的宽带移动通信服务，还采用了数字信道化器、高功率固态功率放大器等先进技术，是目前美国最先进的L 频段移动卫星。“天地通”-1 与地面4G 网络组成了天地融合的移动通信系统，即在地面网络覆盖的地区使用地面蜂窝，在地面覆盖不到的地区使用卫星。

虽然技术先进，但由于是单星运行，所以第四代只能提供区域卫星通信业务。2

特殊的新星可上宽带现在，可用于全球卫星移动通信业务的静止轨道移动通信卫星只有“国际移动通信卫星”，其中包括第二代的“国际移动卫星”-3、第三代的“国际移动卫星”-4。“国际移动卫星”-5 主要用于宽带多媒体通信，它属于第四代还是第五代静止轨道移动通信卫星目前还没有定论。

“国际移动卫星”通过有限的带宽频率资源，使用需分多址方式为全世界提供了将近15 万只通信终端的服务业务。它可提供传统的移动话音业务、低速率数据业务、高速互联网接入，以及全球海上遇险与安业务全服务。

2005-2008 年期间发射的4 颗“国际移动卫星”-4 是目前国际卫星移动通信的“主力军”，比“国际移动卫星”-3容量大20 倍，可提供全球宽带局域网业务，并支持手持机通话业务。由于该卫星采用星上处理技术在波束间进行信道重分配，所以可通过组合产生宽带信道，更好地与功率和带宽资源相匹配。“国际移动卫星”-4 综合了高低端多种业务模式，采用高效的频率复用技术，在有限L 频段的带宽资源情况下，实现了容量和多样化的双佳选择。它所采用的新技术可最大限度地节约卫星资源、提高有效功率，使得用户终端小型化、综合一体化以及通信高质量和系统高可用度得到有效保证。

不过，在新兴航空和航海宽带卫星通信市场方兴未艾背景下和固定卫星通信运营商移动甚小孔径终端技术的冲击下，国际移动卫星公司于2010年决定发展采用Ka 频段的高容量卫星——“国际移动卫星”-5，为高端客户提供“全球快讯”业务，为政府和商业用户提供全球首个高速移动宽带服务，为海上舰船、飞行航班提供全球移动宽带通信服务，客机内乘客的飞行期间通信连接，传送高分辨率图像、语音和数据流。

“国际移动卫星”-5 由波音公司研制，采用BSS-702HP 卫星平台，设计寿命15 年，有效载荷功率11.2 千瓦。现已发射了3 颗：第1 颗于2013 年12 月升空，覆盖欧洲、中东、非洲以及亚洲地区；第2 颗于2015 年2 月升空，覆盖美洲和大西洋地区；第3 颗于2015 年8 月升空，覆盖太平洋地区。

国际电联分配给静止轨道移动通信卫星的频率为L 和S 频段，其中L频段有很好的抗雨衰性。但“国际移动卫星”-5 采用的是固定通信卫星用的26.5 至40 吉赫兹Ka 频段， 这是由于Ka 频段频率高，具有宽带大、通量高、成本低、覆盖广、终端小等优势特点，适合用于宽带卫星通信，但技术很复杂。所以，严格地说“国际移动卫星”-5 实际上是提供“动中通”方式通信的固定通信卫星。

每颗“国际移动卫星”-5 携带72台弯管式透明转发器、60 个行波管放大器和14 副反射器天线。通过其中的2 个发射和4 个接收天线能形成89 个固定点波束（用户波束）；卫星还配有采用12 个139 瓦大功率行波管放大器的6 个可控点波束（可转向波束），以便能够根据热点、地区用户需求及时调整指向，并且可以在军用Ka 频段和商用Ka 频段之间切换，灵活满足高密集地区市场应用需要以及军方的需求，响应全球热点事件。“国际移动卫星”-5单星吞吐量可达每秒50 比特，通过它0.6 米口径的海事终端用户能够享受最高下载速率每秒50 兆比特、上传速率每秒5 兆比特的通信，实现全球无缝宽带漫游。陆地终端的口径能够达到60 厘米～ 1 米，航空终端的口径能够达到30 厘米～ 60 厘米。不过，“国际移动卫星”-5 的用户终端是便携式的，而不支持手持式。

由于技术原因，一般移动通信卫星都只能提供窄带移动通信业务，包括今年9 月2 日发射的美国军用移动通信卫星——“移动用户目标系统”（为美军移动作战人员提供类似智能手机服务的窄带移动通信服务）。但“国际移动卫星”-5 一反常态，提供宽带移动通信业务。与“国际移动卫星”-4相比，“国际移动卫星”-5 的宽带和速率大增，能为新老客户提供非常多的新机会来强化他们的网络互连功能、部署大流量应用以及设置高效的解决方案，这一切甚至在最遥远最难以接入的地区都能实现，促成了全球移动宽带，真正做到了“英特网无处不在”。2

低轨卫星群强势回归地球静止轨道移动通信卫星存在一些不足，例如，轨道高、路径长，因而链路损耗大，传输时延长，不宜于个人移动通信；单星成本太高，一旦发射失败损失惨重；静止轨道资源很紧张；不能实现真正的全球覆盖，在两极有盲区。为此，从20 世纪90年代中期起，一批移动通信低轨道卫星陆续投入建造。

低轨道移动卫星通信系统中的卫星都是小卫星，一般运行在高500 至1500 千米的轨道，故可以克服静止轨道卫星的种种不足，如卫星体积小、重量轻、造价低、制造周期短、可批量生产；卫星之间互为备份、损失较小；地面终端设备简单，造价低廉，便于携带；由于轨道高度低，所以可以消除使用静止卫星工作时存在的电话传输延迟等问题；能进行全球无缝隙个人移动通信。

之所以采用星座方式工作，是由于低轨道卫星覆盖面积小，为了实现全球覆盖，连续通信，所以要采用由多颗小卫星组成的星座方式运行。它是在若干轨道平面上布置多颗卫星，使用各种通信链路将各个轨道平面上的卫星联结起来。整个星座形成一个大型平台，在地球表面形成蜂窝状服务小区，服务区内用户至少被一颗卫星覆盖，用户可以随时接入系统。

根据工作频段和服务内容的不同，低轨道移动通信卫星系统又可分为小低轨和大低轨两种。前者由廉价小卫星组成，工作频率在1 吉赫兹以下，能提供低成本、低数据传输率的Email和双向寻呼等窄带数据通信业务，美国“轨道通信卫星”属于此类。后者由24 颗以上的小卫星组成星座，工作频率在1 至2 吉赫兹，能提供话音和中高速率的数传以及全球个人通信业务，美国“铱”卫星和“全球星”属于此类。

低轨道移动通信卫星系统在历经了20 世纪的“没落”之后现已“强势回归”， 美国三大低轨移动通信卫星星座目前正在更新换代。其中的第二代“轨道通信”卫星星座用户数量比第一代最多可增至12 倍，数据传输率更快，传输量更大，配备了自动识别系统有效载荷，在海上船只的避碰、助航、搜寻、救助等各方面有着广泛的应用。第二代“铱”卫星——“铱星下一代”能在速度、带宽和灵活性方面提供新的增强能力，最高数据下载速率可达每秒30 兆比特。第二代“全球星”寿命由第一代的7.5 年延长至15 年，提供更大的高峰需求呼叫容量，能为文件传输和视频应用提供更高的数据传输速率，并可集成辅助地面组件地面应用、视频流和宽带数据业务提供更好的网络管理。2

未来方向是星地联合地球静止轨道移动通信卫星的发展趋势是大天线、大功率，所以要发展大型通信卫星平台。另外，还要突破和掌握大型可展开天线技术、多波束形成技术、星上处理和交换技术、地基波束成形技术、辅助地面组件技术等，通过创新性的技术进步和市场开拓模式来带动市场发展。

低轨道移动通信卫星的发展趋势是建立由数百颗到上千颗小卫星组成的星座，从而更好地为用户提供低成本的互联网接入。近年，美国太空探索技术公司、英国一网公司、韩国三星公司分别提出了发射4000 颗、900 颗、4600 颗小型卫星的方案。其目的都是向全球各地提供高速互联网接入服务，包括最偏远的地区。建设这种卫星互联网遇到的最大困难仍然是成本问题，虽然低轨卫星的制造与发射费用正在逐年走低，但比起地面网络来说依旧昂贵。此外，卫星网络还有易受干扰、终端体积较大等固有缺陷。因此，近年能否建成全球卫星互联网还很难说。

星地联合是卫星移动通信的发展方向。卫星移动通信系统主要用于覆盖相邻地面蜂窝网之间的“缝隙”，以及地面蜂窝网不能覆盖的区域。因此卫星通信系统必须与地面蜂窝通信系统紧密结合。专家通过分析、研究移动通信卫星发展后，已提出了“天上一颗（或一组）卫星，地上一张网络，天地融合”的思路，已开发出来并投入使用的辅助地面组件就是一项天地融合的专利技术，可解决卫星信号在高楼林立的城市以及室内覆盖性不佳的问题，很好实现大区域无缝覆盖。未来卫星移动通信取得商业成功的关键就是实现室内外无缝覆盖，终端可以自动地在辅助地面组件基站和卫星之间进行无缝切换。

另外，固定与移动通信卫星业务之间的界限正逐渐模糊，海事和航空移动业务已成为未来发展热点。随着智能手机、平板电脑等移动电子设备和社交网络等互联网应用的普及，利用卫星向乘客提供宽带网络接入的卫星航空和海事宽带业务正悄然兴起。固定天线尺寸的减小和移动终端数据率的提高，固定与移动通信卫星业务领域间的差异正不断缩小。预计在未来10年，卫星航空/ 海事宽带将成为卫星移动业务的重要市场。2

国际移动卫星组织在京“营业”2014年8月6日，国际移动卫星组织（原名国际海事卫星组织，英文简称Inmarsat）宣布其北京办公室正式成立并开门营业。此举旨在更好地拓展其在华业务、服务中国市场客户。Inmarsat 董事会主席安迪·苏卡瓦蒂（Andy Sukawaty）、首席执行官鲁伯特·皮尔斯（Rupert Pearce）、中国区总经理张漪等公司高层人士出席成立仪式。3

中国是目前Inmarsat 基于移动卫星的语音和宽带服务的最大市场之一，在过去5 年里，Inmarsat 在华业绩均获得两位数增长。随着中国企业“走出去”步伐加快，各方面对卫星通信服务的需求也快速增长，Inmarsat 此次专门成立北京办公室，不仅可以为中国企业开展国际化业务提供高水平服务，而且有利于进一步拓展其在华市场。4

安迪·苏卡瓦蒂表示，Inmarsat 高度重视中国市场，重视其在中国政府应用、应急救灾、航空通信等领域发挥的作用。安迪·苏卡瓦蒂说，多年来Inmarsat 与代表中国参加Inmarsat 的北京船舶通信导航公司通力合作，为应急通信、航空通信、海事应用等业务做出了努力。目前，Inmarsat 正在参与云南鲁甸的地震救灾，第一批进入地震现场的救援队伍携带了超过100 台终端。在这样的背景下，北京办公室的成立是Inmarsat 发展过程中的一个重要里程碑，将有效促进Inmarsat 业务在中国的发展。鲁伯特·皮尔斯回顾了Inmarsat 的发展史和在中国的历程。他补充说，中国国际航空公司将在2015 年成为Inmarsat 公司GX AVIATION 航空卫星通信服务的全球第一个用户。3

关于下一代L 频段卫星，也就是第六代卫星的问题，鲁伯特·皮尔斯说，第六代卫星正在研发之中，将在2019 年前后发射。这一代卫星将为用户提供更大的带宽，支持体积更小、便携性更好的终端，其适应恶劣使用环境的能力也更强。实验室的主要任务是展示在世界各地取得成功应用的产品和解决方案，并建立测试环境，供用户测试和验证所提出的应用方案。3

国际移动卫星通信系统中频率补偿技术国际移动卫星(Inmarsat)通信系统也称作海事卫星系统，Inmarsat通信卫星分布在地球同步轨道，基本功能是接收发自岸站和船站的信号，将其放大并再次发送它们。卫星转发器还执行频率变换，在岸到船方向从6GHz波段变频到1.5GHz波段，在船到岸方向从1.6GHz波段变频到4GHz波段。

在实际通信过程中要考虑到多普勒效应，同时由于卫星上变频器的性能会随着温度和时间等环境因素的波动而变化，频率也会出现偏移。频移达到一定程度时会对系统频带资源利用率和接收性能等造成很大影响，极大地限制系统的应用范围。为了扩展卫星移动通信系统的应用，通信中频率补偿是不可缺少的技术。对于同步轨道卫星和固定的地面卫星接收站之间的多普勒频移，由于卫星的运行规律，对多普勒频移进行24h的累加，其期望值是可以取零的。计算时如果对频移量进行长时间的储存并积分，这样就叮以排除这段时间多普勒频移，算出卫星转发器的频偏。然后通过使用发射已知频率的参考信号的方法来实时估算通信中的多谱勒频移。这样，地面站可以准确预测卫星通信空间段的频偏值，根据这个数值，实时对发送和接收端的本振频率进行调整，修正卫星通信中产生的频偏，从而最大程度地降低锁相环路的负担，达到正确解调数据的目的。5

虽然Inmarsat卫星通信系统采用的是同步轨道卫星，但是实际工作过程中卫星也会出现一定程度的漂移，频率补偿技术是要保证收、发调制解调器能够准确地找到通信载波并进行调制和解调。也就是说在发射方向上调制器要把基带信号准确地调制到分配的通信载波上，同时在接收方向上解调器要找到通信载波并把基带信号解调还原出来。5