李 毅 侯 睿 張更新 ( 軍事科學(xué)院系統(tǒng)工程研究院 解放軍理工大學(xué))

衛(wèi)星通信是航天技術(shù)的重要應(yīng)用領(lǐng)域，本文從介紹國外低軌衛(wèi)星通信星座系統(tǒng)發(fā)展概況入手，分析了發(fā)展我國低軌衛(wèi)星通信星座系統(tǒng)的必要性和面臨的一些問題，提出了發(fā)展我國低軌衛(wèi)星通信星座系統(tǒng)的設(shè)想。

1 國外低軌衛(wèi)星通信星座系統(tǒng)的發(fā)展概況

工作于低地球軌道（LEO）的通信衛(wèi)星由于采用各種部件小型化和輕型化的技術(shù)，具有質(zhì)量輕、研制周期短、成本低和易于發(fā)射等優(yōu)點(diǎn)，美、俄等國十分重視對(duì)此的應(yīng)用研究。國外提出的方案很多，但至今真正發(fā)射組網(wǎng)并進(jìn)行運(yùn)營的只有三個(gè)：“銥”（Iridium）衛(wèi)星、“全球星”（Globalstar）和“軌道通信”（Orbcomm）系統(tǒng)。

經(jīng)過十多年的運(yùn)營，這些LEO衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)均克服了運(yùn)行初期遇到的困難，顯現(xiàn)出了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。目前，上述三大系統(tǒng)均已經(jīng)啟動(dòng)了其下一代計(jì)劃，其中，“全球星”系統(tǒng)已經(jīng)完成了24顆全球星-2衛(wèi)星的發(fā)射，“軌道通信”系統(tǒng)發(fā)射了18顆第二代“軌道通信”衛(wèi)星（Orbcomm OG2），“銥”衛(wèi)星系統(tǒng)也于2017年啟動(dòng)了“下一代銥星”（Iridium NEXT）的發(fā)射，計(jì)劃在2018年完成新一代星座的部署。

此外，近些年國外還陸續(xù)提出了以一網(wǎng)公司（OneWeb）、美國太空探索技術(shù)公司（SpaceX）為代表的新一代低軌衛(wèi)星通信星座系統(tǒng)，其特點(diǎn)是星座中的衛(wèi)星數(shù)量更多、從提供窄帶移動(dòng)業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)向提供寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)。

三個(gè)典型LEO衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)概況

2 發(fā)展我國低軌衛(wèi)星通信星座系統(tǒng)的必要性分析

我國幅員遼闊，自然災(zāi)害較多，經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速但不平衡，國際和國內(nèi)安全及治安形勢(shì)嚴(yán)峻。雖然電信業(yè)這些年得到飛速的發(fā)展，但受地理?xiàng)l件和經(jīng)濟(jì)因素的限制，目前地面通信網(wǎng)只覆蓋了國土面積的約15%，采用衛(wèi)星通信來解決對(duì)我國所有國土面積的覆蓋問題是一種較好的解決方案。

我國現(xiàn)有的通信系統(tǒng)對(duì)重大自然災(zāi)害，如汶川、舟曲等地區(qū)的搶險(xiǎn)救災(zāi)缺乏有效保障手段，對(duì)遠(yuǎn)海和高緯度地區(qū)沒有通信能力，針對(duì)全球范圍內(nèi)的維和維權(quán)、救援和科學(xué)考察、資源運(yùn)輸?shù)然顒?dòng)沒有我國主導(dǎo)的通信網(wǎng)絡(luò)，信息安全保密存在重大隱患，迫切需要建立我國自主可控的衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)。

LEO衛(wèi)星通信相對(duì)于傳統(tǒng)的GEO衛(wèi)星通信，具有軌道多樣化、衛(wèi)星生產(chǎn)批量化、終端小型化及頑存性強(qiáng)、通信時(shí)延短、頻率利用率高、通信容量大、能全球覆蓋的特點(diǎn)，是衛(wèi)星移動(dòng)通信的重要手段。特別是目前，國際上對(duì)軌道、頻譜資源的爭(zhēng)奪日益白熱化，為占領(lǐng)太空制高點(diǎn)，迫切需要建立我國自主的全球天基信息系統(tǒng)，去爭(zhēng)取、維護(hù)我國的軌道和頻譜權(quán)益。一帶一路倡議的提出更是為低軌衛(wèi)星通信星座系統(tǒng)的發(fā)展注入了巨大的推動(dòng)力。

GEO和LEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)在設(shè)計(jì)思想、技術(shù)手段、應(yīng)用領(lǐng)域等方面有很大的不同，各有利弊，可以說分別代表了衛(wèi)星通信領(lǐng)域內(nèi)兩個(gè)不同的發(fā)展方向，各有其優(yōu)勢(shì)和不足，任何一方都不可能完全代替另一方，因此，值得我們分別對(duì)其開展研究，而不是試圖通過重點(diǎn)研究某一方來削弱對(duì)另一方的研究。

經(jīng)過數(shù)十年的研究，我國在GEO衛(wèi)星通信技術(shù)方面已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展，正在縮小與國外先進(jìn)水平的差距；反觀在LEO衛(wèi)星通信技術(shù)方面的研究，由于種種因素的限制，與國外先進(jìn)水平的差距則沒有得到明顯縮小，甚至有擴(kuò)大的趨勢(shì)。因此，加強(qiáng)LEO衛(wèi)星通信技術(shù)研究，盡早建立我國自主的低軌衛(wèi)星通信星座系統(tǒng)就顯得非常有必要。

3 發(fā)展我國低軌衛(wèi)星通信星座系統(tǒng)面臨的問題

系統(tǒng)定位問題

由于衛(wèi)星通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)單位造價(jià)和用戶終端價(jià)格都要比地面通信網(wǎng)貴，其業(yè)務(wù)難以被地面通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)的普通用戶所接受。因此，短期內(nèi)衛(wèi)星通信的市場(chǎng)定位應(yīng)該是地面通信的延伸和補(bǔ)充，主要服務(wù)于地面通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋不到的區(qū)域及有特殊通信需求的人群，以及滿足應(yīng)急通信和軍事通信等特殊通信需求。因此，在系統(tǒng)建設(shè)的初始階段，大容量不應(yīng)該是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)，可用度才應(yīng)該是系統(tǒng)追求的目標(biāo)，從而解決我國衛(wèi)星通信長(zhǎng)期以來存在的“平時(shí)不想用、急時(shí)不好用”的問題。隨著市場(chǎng)規(guī)模的增大，再逐步增加系統(tǒng)容量。

建設(shè)費(fèi)用問題

系統(tǒng)建設(shè)和運(yùn)行成本高是影響LEO系統(tǒng)建設(shè)的主要因素之一。第一代“銥”衛(wèi)星系統(tǒng)建設(shè)花費(fèi)了57億美元，“全球星”系統(tǒng)建設(shè)花費(fèi)了33億美元。雖然其第二代系統(tǒng)的建設(shè)費(fèi)用均有所下降，但按照國外系統(tǒng)的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，建立我國自主LEO系統(tǒng)的費(fèi)用估計(jì)在200億元人民幣左右，而且由于我國LEO衛(wèi)星的壽命（5～8年）相對(duì)較短，過幾年就需要重新發(fā)射衛(wèi)星。因此，采用新技術(shù)、新方案，降低衛(wèi)星造價(jià)和發(fā)射費(fèi)用，延長(zhǎng)衛(wèi)星壽命是解決此問題的根本途徑。

關(guān)鍵技術(shù)問題

技術(shù)復(fù)雜是影響LEO系統(tǒng)建設(shè)的另一個(gè)主要因素，受星載器件能力所限，我國的LEO衛(wèi)星很可能不能如“銥”衛(wèi)星系統(tǒng)那樣完全基于星上處理和交換技術(shù)來設(shè)計(jì)系統(tǒng)，由于很難實(shí)現(xiàn)全球頻率協(xié)調(diào)，技術(shù)體制上要做到既不干擾別人，也不怕別人干擾，組網(wǎng)上要支持全球通信，但要避免如“全球星”系統(tǒng)那樣在全球設(shè)置固定信關(guān)站，開展更廣泛的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)是解決此問題的出路。尚需解決的主要關(guān)鍵技術(shù)包括：

1）涉及整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)：星地一體化的優(yōu)化設(shè)計(jì)、移動(dòng)性管理、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行控制與管理、空中接口、電磁兼容、系統(tǒng)時(shí)間同步等技術(shù)；

2）涉及衛(wèi)星有效載荷的關(guān)鍵技術(shù)：多波束天線技術(shù)、高效功放技術(shù)、異軌星間通信技術(shù)、星上處理技術(shù)、支持高移動(dòng)性的拓?fù)淇刂坪吐酚蛇x擇技術(shù)等；

3）在衛(wèi)星平臺(tái)方面，需要解決與標(biāo)準(zhǔn)化（能批量生產(chǎn)）、高功能密度、長(zhǎng)壽命和廉價(jià)化有關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)。

軍民融合問題

在潛在用戶空間不太大，并且已有多個(gè)國外系統(tǒng)競(jìng)爭(zhēng)的狀態(tài)下，完全依靠企業(yè)自已投入一筆巨資去建設(shè)一個(gè)民用低軌衛(wèi)星通信星座系統(tǒng)，從經(jīng)濟(jì)上說是有風(fēng)險(xiǎn)的。因此，在目前的條件下，走軍民融合的發(fā)展道路是比較合理的。比如，初期投資以軍方為主、長(zhǎng)期運(yùn)行維護(hù)依靠商業(yè)服務(wù)所得來支撐是一個(gè)較好發(fā)展策略，國外的發(fā)展道路也證明了這一點(diǎn)。

軌道結(jié)合問題

隨著國家利益的全球化，迫切需要建設(shè)一個(gè)我國自主可控的常態(tài)化全球衛(wèi)星通信系統(tǒng)。但由于我國沒有境外GEO通信衛(wèi)星軌道位置，也不能在境外設(shè)置信關(guān)站，因此，建設(shè)LEO衛(wèi)星通信星座系統(tǒng)是解決我國全球通信問題的一種有效手段?？紤]到已有的和在建的衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要采用GEO衛(wèi)星，需要解決好GEO和LEO綜合應(yīng)用的問題，逐步實(shí)現(xiàn)“區(qū)域覆蓋以GEO為主，全球服務(wù)以LEO為主”的全球信息傳輸服務(wù)。

頻率共用問題

由于GEO和LEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)同時(shí)存在，一方面，頻率資源極其有限，必須充分利用頻率復(fù)用技術(shù)以實(shí)現(xiàn)大的系統(tǒng)容量；另一方面，用戶必然希望能夠通過同一個(gè)終端同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)GEO和LEO衛(wèi)星的接入。因此，如果能夠在GEO和LEO衛(wèi)星之間實(shí)現(xiàn)頻率共用，對(duì)于解決頻率資源緊張、提高系統(tǒng)容量、便于終端雙模是非常有好處的。但由于GEO和LEO衛(wèi)星之間不規(guī)則的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致這種頻率復(fù)用非常復(fù)雜，如不注意可能會(huì)造成非常嚴(yán)重的系統(tǒng)間干擾。因此，需要系統(tǒng)采用復(fù)雜的資源實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)管控技術(shù)，才能實(shí)現(xiàn)GEO和LEO衛(wèi)星之間的頻率復(fù)用。

4 發(fā)展我國低軌衛(wèi)星通信星座系統(tǒng)的設(shè)想

這里提出一種綜合利用GEO和LEO衛(wèi)星的基本方案：把GEO和LEO衛(wèi)星綜合在同一個(gè)系統(tǒng)中，先由1顆或多顆GEO衛(wèi)星組成一個(gè)初期系統(tǒng)，隨著業(yè)務(wù)量的增大、技術(shù)的成熟，逐步增加LEO衛(wèi)星，最終達(dá)到由GEO衛(wèi)星和LEO衛(wèi)星共同組成一個(gè)空間段，向用戶提供統(tǒng)一的信息服務(wù)。達(dá)到的最終目標(biāo)是一個(gè)網(wǎng)二種星(GEO衛(wèi)星和LEO衛(wèi)星)，通過這種結(jié)合，使它們互為補(bǔ)充和備份，從而提高整個(gè)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的性能，也便于實(shí)施分階段建設(shè)的計(jì)劃。

GEO和LEO衛(wèi)星的結(jié)合可包括下列幾個(gè)方面：

1）覆蓋結(jié)合。GEO衛(wèi)星系統(tǒng)主要覆蓋我國領(lǐng)土及附近海域(稱為主服務(wù)區(qū))，而LEO衛(wèi)星系統(tǒng)可覆蓋全球主要區(qū)域(開始階段可以用少量幾顆衛(wèi)星構(gòu)成對(duì)全球主要地區(qū)的間斷覆蓋)，兩者對(duì)主服務(wù)區(qū)構(gòu)成雙重覆蓋。在主服務(wù)區(qū)內(nèi)，GEO衛(wèi)星系統(tǒng)主要解決中低緯度地區(qū)的通信，高緯度地區(qū)的通信主要由LEO衛(wèi)星系統(tǒng)承擔(dān)。

2）業(yè)務(wù)結(jié)合。由于GEO衛(wèi)星系統(tǒng)在提供廣播業(yè)務(wù)和寬帶業(yè)務(wù)方面有優(yōu)勢(shì)，而LEO衛(wèi)星系統(tǒng)在提供手持機(jī)式的窄帶業(yè)務(wù)方面有優(yōu)勢(shì)，通過結(jié)合，在一個(gè)大系統(tǒng)中可以同時(shí)提供廣播業(yè)務(wù)、寬帶業(yè)務(wù)和窄帶業(yè)務(wù)。

3）資源結(jié)合。兩個(gè)系統(tǒng)的信道資源可以統(tǒng)一管理，互為備份和迂回。同時(shí)根據(jù)各自特點(diǎn)，把GEO衛(wèi)星的資源主要分配給寬帶業(yè)務(wù)、廣播業(yè)務(wù)及車(機(jī)、船)載站等非手持機(jī)式移動(dòng)業(yè)務(wù)，把LEO衛(wèi)星的資源主要分配給手持機(jī)式的移動(dòng)業(yè)務(wù)。

4）鏈路結(jié)合。由于系統(tǒng)在主服務(wù)區(qū)外很難建立信關(guān)站，當(dāng)LEO衛(wèi)星運(yùn)行到不能與主服務(wù)區(qū)內(nèi)的地面信關(guān)站直接進(jìn)行通信的軌道弧段時(shí)，為了利用這些衛(wèi)星向處在當(dāng)?shù)氐挠脩籼峁┩ㄐ欧?wù)，就必須要采用星間鏈路。此星間鏈路可以是在LEO衛(wèi)星之間，也可以是在LEO衛(wèi)星與GEO衛(wèi)星之間。由于GEO衛(wèi)星位置固定，后一種星間鏈路實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單。在此條件下，GEO衛(wèi)星作為L(zhǎng)EO衛(wèi)星的中繼節(jié)點(diǎn)，如果能在我國領(lǐng)土兩側(cè)放置2顆此類衛(wèi)星，就可以利用LEO系統(tǒng)建立一個(gè)覆蓋全球主要地區(qū)的通信系統(tǒng)。

5 結(jié)束語

采用LEO通信小衛(wèi)星作為傳統(tǒng)GEO通信衛(wèi)星之外的一種新選擇，能夠有助于解決我國衛(wèi)星通信能力不能很好滿足國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國防建設(shè)需要的問題。從技術(shù)上講，LEO小衛(wèi)星通信技術(shù)是有別于傳統(tǒng)GEO衛(wèi)星通信技術(shù)的一種新技術(shù)，面對(duì)國外投入巨資大力發(fā)展的情況，迫切需要國家加大投入力度，開展關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和系統(tǒng)演示驗(yàn)證，以逐步縮小與國際先進(jìn)水平的差距。從經(jīng)濟(jì)上來說，隨著國家利益的拓展、國家經(jīng)濟(jì)實(shí)力的提升和技術(shù)的進(jìn)步，這種新的解決手段能夠以適當(dāng)?shù)拇鷥r(jià)滿足我國未來對(duì)全球衛(wèi)星移動(dòng)通信的迫切需要。