孫萌 張淼

航天恒星科技有限公司 北京 100086

近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展衛(wèi)星技術(shù)的不斷進(jìn)步，衛(wèi)星應(yīng)用領(lǐng)域逐漸擴(kuò)大。同時(shí)，隨著萬(wàn)物互聯(lián)時(shí)代的到來(lái)，衛(wèi)星通信與人們的日常生活越來(lái)越密切。人們通過(guò)衛(wèi)星通信可做到對(duì)地球的無(wú)縫覆蓋，衛(wèi)星通信已成為人們生活中不可或缺的一部分。

1 衛(wèi)星通信的組成及特點(diǎn)

衛(wèi)星通信是以空間衛(wèi)星作為中繼載體的一種通信方式，是在地面微波中繼通信和空間電子技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，衛(wèi)星通信系統(tǒng)一般由空間衛(wèi)星、網(wǎng)絡(luò)控制中心站、地面關(guān)口站和移動(dòng)終端站四部分組成。其中，對(duì)衛(wèi)星控制最為重要的是網(wǎng)絡(luò)控制中心站，負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)、協(xié)調(diào)和控制網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有衛(wèi)星的操作運(yùn)行，包括對(duì)衛(wèi)星姿態(tài)、燃料消耗、星上工作環(huán)境參數(shù)和設(shè)備工作狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。

2 我國(guó)高低軌衛(wèi)星移動(dòng)通信現(xiàn)狀

經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，中國(guó)在軌衛(wèi)星數(shù)已成為世界第二，衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)在國(guó)家信息化建設(shè)高速發(fā)展中起到支柱的作用支。但就目前來(lái)看，衛(wèi)星遙感和衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域優(yōu)勢(shì)較大，而在應(yīng)用空間最大的衛(wèi)星通信領(lǐng)域已經(jīng)嚴(yán)重滯后。截至2013年年底，中國(guó)1.53萬(wàn)家境內(nèi)投資者在境外設(shè)立2.54萬(wàn)家直接對(duì)外企業(yè)，分布于184個(gè)國(guó)家（地區(qū)），對(duì)外直接投資累計(jì)凈額超過(guò)6，600億美元，各類外派勞務(wù)人員超過(guò)70萬(wàn)人。通過(guò)對(duì)我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)18個(gè)主要應(yīng)用行業(yè)的調(diào)研和統(tǒng)計(jì)分析，預(yù)計(jì)我國(guó)未來(lái)衛(wèi)星移動(dòng)通信覆蓋范圍需求將從國(guó)土擴(kuò)展至全球，潛在用戶數(shù)量達(dá)到300萬(wàn)，公眾用戶產(chǎn)品年市場(chǎng)容量110億元。為保障我國(guó)海外人員的生命財(cái)產(chǎn)安全、國(guó)家全球化的經(jīng)濟(jì)利益，建設(shè)我國(guó)自主可控、全球覆蓋的衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)既是迫切需要，也是必然選擇[1]。

目前，中國(guó)的地面移動(dòng)通信網(wǎng)只能覆蓋到15%的國(guó)土面積，尤其是落后偏遠(yuǎn)地區(qū)，地面基礎(chǔ)通信嚴(yán)重缺失，如果采用傳統(tǒng)地面通信方式來(lái)覆蓋面積龐大的偏遠(yuǎn)地區(qū)，經(jīng)濟(jì)壓力會(huì)很大。針對(duì)偏遠(yuǎn)地區(qū)地面通信系統(tǒng)的“短板”，在統(tǒng)籌規(guī)劃建設(shè)自主衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)時(shí)，需要同時(shí)考慮以我國(guó)及周邊地區(qū)作為高容量熱點(diǎn)區(qū)域，這不僅是我國(guó)新時(shí)期國(guó)家戰(zhàn)略的客觀要求、經(jīng)濟(jì)社會(huì)建設(shè)協(xié)調(diào)發(fā)展的必然趨勢(shì)，也是有效解決我國(guó)邊遠(yuǎn)地區(qū)通信、有效應(yīng)對(duì)各類自然災(zāi)害威脅和彰顯負(fù)責(zé)任大國(guó)形象的需要。但是因?yàn)镚EO衛(wèi)星和LEO衛(wèi)星在設(shè)計(jì)思想、技術(shù)手段、應(yīng)用領(lǐng)域等方面都有著明顯區(qū)別，分別代表了衛(wèi)星移動(dòng)通信領(lǐng)域內(nèi)兩種不同的發(fā)展方向，各有自己的優(yōu)勢(shì)、不足，任何一方都不可能完全代替另一方。

3 高低軌衛(wèi)星組網(wǎng)面臨的難題

高低軌衛(wèi)星由于其軌道特性不同，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)也不同。高軌衛(wèi)星位于地球同步軌道，與地面保持相對(duì)靜止，而低軌衛(wèi)星軌道高度較低，繞地旋轉(zhuǎn)速度大于地球自轉(zhuǎn)速度，因此，高軌衛(wèi)星與低軌衛(wèi)星之間處于相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，由此引發(fā)了高低軌衛(wèi)星相互通信時(shí)，星載天線對(duì)準(zhǔn)難、對(duì)準(zhǔn)開(kāi)銷大的問(wèn)題。一方面，對(duì)準(zhǔn)難度高，對(duì)星載天線提出了很高的要求；另一方面，對(duì)準(zhǔn)開(kāi)銷大，對(duì)攜帶有限燃料的衛(wèi)星是一個(gè)挑戰(zhàn)，嚴(yán)重影響了衛(wèi)星的壽命[2]。此外，對(duì)于高軌衛(wèi)星，其視場(chǎng)內(nèi)有多顆低軌通信衛(wèi)星。組網(wǎng)時(shí)需要一顆高軌衛(wèi)星對(duì)多顆低軌衛(wèi)星同時(shí)進(jìn)行通信，但因?yàn)轭l率資源有限，每個(gè)低軌衛(wèi)星與高軌衛(wèi)星通信時(shí)不具備使用不同頻率進(jìn)行區(qū)隔的條件，因此，如何避免多顆低軌衛(wèi)星與高軌衛(wèi)星同時(shí)進(jìn)行通信時(shí)的干擾，是另一個(gè)需要解決的問(wèn)題。最后，當(dāng)前設(shè)計(jì)衛(wèi)星的主要思路和方法仍然是設(shè)計(jì)安裝對(duì)應(yīng)的星載硬件設(shè)備來(lái)匹配不同的衛(wèi)星功能，這種設(shè)計(jì)方法帶來(lái)了衛(wèi)星用途僵化的問(wèn)題，無(wú)法根據(jù)情況的變化改變使用場(chǎng)景和使用方式，同時(shí)也帶來(lái)載荷設(shè)備復(fù)雜性，不僅提高了使用衛(wèi)星的技術(shù)門檻，也使衛(wèi)星系統(tǒng)的不可靠性風(fēng)險(xiǎn)大大增加。

4 星間共享信道組網(wǎng)方式

針對(duì)高低軌聯(lián)合組網(wǎng)難題，本文提出興建共享信道組網(wǎng)方式。高低軌衛(wèi)星聯(lián)合組網(wǎng)通信著重解決一星對(duì)多星的通信干擾問(wèn)題，同時(shí)盡量降低高低軌衛(wèi)星天線對(duì)準(zhǔn)復(fù)雜度。根據(jù)這個(gè)設(shè)計(jì)要求，高低軌衛(wèi)星星間通信信道應(yīng)采用共享信道的設(shè)計(jì)模式，保證多顆低軌衛(wèi)星有序共享信道資源，同時(shí)，星間通信天線應(yīng)采用方向性要求低的天線。針對(duì)共享信道協(xié)議，有基于競(jìng)爭(zhēng)和非競(jìng)爭(zhēng)的信道協(xié)議模式，競(jìng)爭(zhēng)信道是讓共享用戶隨機(jī)競(jìng)爭(zhēng)信道，依靠協(xié)議的概率模型設(shè)計(jì)，在統(tǒng)計(jì)學(xué)上保證多用戶有序接入信道；非競(jìng)爭(zhēng)信道協(xié)議則是依靠系統(tǒng)控制器進(jìn)行調(diào)度，使多用戶有序接入信道。由于非競(jìng)爭(zhēng)信道的中心控制使高低軌衛(wèi)星聯(lián)合組網(wǎng)復(fù)雜度大大增加，因此，信道通信協(xié)議宜采用基于競(jìng)爭(zhēng)的多用戶共享信道接入模式。針對(duì)星載天線，為了降低星間相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)天線對(duì)準(zhǔn)的難度和對(duì)準(zhǔn)過(guò)程的開(kāi)銷，天線可使用主瓣方向角大、對(duì)方向性要求不高的天線，這將大大提高天線對(duì)準(zhǔn)的幾率，提高傳輸連接成功率[3]。

為降低衛(wèi)星天線波束對(duì)準(zhǔn)的復(fù)雜度，高低軌衛(wèi)星間通信采用波束寬度較寬的天線，高軌衛(wèi)星天線對(duì)下發(fā)射信號(hào)，低軌衛(wèi)星天線對(duì)上發(fā)射信號(hào)。高低軌衛(wèi)星間天線發(fā)射和接收信號(hào)的波束角度范圍很寬，這樣的設(shè)計(jì)可以讓高低軌衛(wèi)星在相對(duì)運(yùn)動(dòng)且天線沒(méi)有精確對(duì)準(zhǔn)的情況下也能完成通信，提高了通信成功的概率。由于收發(fā)天線波束角較寬，高軌衛(wèi)星可以同時(shí)收到視場(chǎng)內(nèi)多顆低軌衛(wèi)星的信號(hào)，而無(wú)線電頻譜資源有限，無(wú)法通過(guò)設(shè)置不同的頻段給各衛(wèi)星鏈路加以區(qū)分通信信號(hào)。為了避免多顆低軌衛(wèi)星的信號(hào)互相干擾，方案將星間通信鏈路協(xié)議設(shè)計(jì)為分時(shí)隙的應(yīng)答確認(rèn)與退避機(jī)制。

5 結(jié)語(yǔ)

高低軌寬帶通信衛(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)展，要結(jié)合各自特點(diǎn)，找好市場(chǎng)定位，提前進(jìn)行布局，開(kāi)拓一個(gè)新的廣闊的前景。