中国电子信息工程科技发展研究——卫星通信网络技术发展专题

第1章 卫星通信网络的概念及特点 1.1 卫星通信网络的概念 卫星通信通常指以人造地球卫星作为中继，转发或反射无线信号，在卫星通信地球站之间或地球站与航天器之间的通信。卫星通信在广播电视、移动通信及宽带互联网等领域的应用十分广泛，是航天技术与通信技术结合的成功范例。 卫星通信网络一般由空间段、地面段和控制段组成，通过星地融合网络设计，为陆海空天不同场景的用户提供无处不在的通信服务。其中，空间段主要包括在空间轨道上作为无线电中继站的通信卫星或星座；地面段主要指信关站、终端及相关地面信息基础设施，用户终端有固定、车载、舰载和机载等多种形式；控制端包含系统运行所必须的跟踪、遥测与遥控设施系统[2]。 卫星通信网络可以采用同步轨道(Geostationary Earth Orbit，GEO)、高椭圆轨道(Highly Elliptical Orbit，HEO)、中轨道(Medium Earth Orbit，MEO)或者低轨道(Low Earth Orbit，LEO)卫星作为空间段。目前，GEO通信卫星数量较多，但随着全球(包括南、北两极地区)移动、宽带通信业务的发展，LEO卫星通信星座也在大力发展中。 1.2 卫星通信网络的特点 1945年10月，英国人阿瑟 C 克拉克在第10期《无线电世界》中提出了通过3颗地球同步轨道卫星实现全球通信的设想。自1957年**颗人造卫星发射以来，卫星通信技术发展迅速并日益成熟，已逐渐成为远距离通信、远洋及航空通信、国防军事通信以及行业专网通信的重要手段。随着互联网以及数字多媒体等业务的快速发展，通信个体化、机动性及全覆盖等需求的急速增长，卫星通信网络的重要性日益凸显。相较于微波中继通信及其他通信方式，卫星通信主要具备以下特点[3]： **，覆盖面积大、通信距离远。地球同步轨道卫星距离地球表面约35786km，单颗卫星可覆盖地球表面积的42%以上，因此，通过在地球同步轨道均匀部署3颗通信卫星就可实现除两极附近地区以外的全球通信。在天地远距离通信上，尤其是人烟稀少的地区和海洋区域，卫星通信比微波中继、电缆、光纤及短波无线电通信具有更明显的优势。此外，卫星通信网络覆盖范围广，其覆盖范围内的用户均为潜在的市场，相较于其他通信手段具有更有强的市场竞争力。 第二，组网方式灵活，支持复杂的网络结构。相较于地面网络，卫星通信网络可为分布在广阔地域内的个人、机载、船载、舰载等各类用户提供移动通信、宽带接入、导航增强、星基监视等多种业务。卫星通信网络灵活多样，可在单点、多点之间灵活通信，不需要地面网络复杂的多播协议。此外，借助通信卫星的多波束传输、星上交换和处理技术，多个地球站可以灵活组网，可以支持干线传输、电视广播、新闻采集等多种服务。 第三，安全可靠，对地面基础设施依赖程度低。卫星通信网络的通信链路环节少，且无线电波主要在自由空间传播，因此，通信链路稳定性和可靠性较高。此外，卫星部署位置高，受地面条件限制少，在发生自然灾害和战争的情况下，利用卫星进行通信是安全可靠的一种通信手段，有时甚至是**有效的应急通信手段。 第四，机动范围大，地球站建设不受地理条件限制。地球站可建在偏远地区，以及海岛、大山、沙漠、丛林等地形地貌复杂区域，也可装载于汽车、飞机和舰艇上；既可以在静止时通信，也可以在移动中通信。从真正意义上实现了任何时间、任何地点的信息获取和通信，因此，卫星通信网络在军事通信领域应用广泛。 第2章 国外卫星通信系统发展态势 2.1 高轨卫星通信系统发展现状 自20世纪60年代以来，数以百计的通信卫星已成功发射，并可为远距离通信和电视传输提供重要的基础保障。按照轨道形状分类，高轨卫星通常包含GEO卫星和HEO卫星，其中，GEO卫星位于赤道上空，距离地球表面35786km，通信传输时延(1跳，终端-卫星-终端)约为270ms。HEO卫星比较典型的有俄罗斯“宇宙”(Cosmos)系列高轨侦察卫星，在通信领域应用较少，本书不做赘述。 2.1.1 WGS通信系统 1997年，美国国防部提出发展新一代宽带通信卫星系统(WGS)，用于接替“国防卫星通信系统”(DSCS)，以满足在“转型卫星体系”(TSAT)部署之前美军通信需求[4]。该系统于2007年开始正式部署，空间段计划由10～12颗GEO卫星构成，可实现星上信号处理和交换，目前已经成功发射10颗卫星。卫星基于波音702卫星平台制造，工作在X频段和Ka频段，具备双向Ka频段通信能力，通信容量为1.2～3.6Gbps，瞬时*高容量可达4.875Gbps，使其具备了语音、数据、图像等多媒体信息高速率传输能力。WGS系统具有19个独立覆盖范围，业务范围覆盖南北纬65°以内，当用于军事活动时，业务范围可扩展到北纬70°～南纬65°。系统采用了星上数字信道化器、射频旁路等大量先进技术，作为美军容量*大的宽带卫星通信系统可提供多媒体高速通信、实时数据传输等作战信息支持。 2.1.2 Inmarsat通信系统 Inmarsat*初是由联合国国际海事组织发起的，国际海事卫星组织开发的卫星移动通信系统，到目前共发展了5代。空间段由13颗GEO卫星组成(Inmarsat-3在轨4颗，Inmarsat-4在轨4颗，Inmarsat-5在轨5颗)，实现了除两极以外的全球覆盖。2015年推出的基于Inmarsat-5卫星的全球高速移动网络[5]，采用全IP体制，提供Inmarsat-GX超高速移动宽带业务，每颗卫星有89个固定转发器和6个大容量机动转发器，单个转发器容量可达50 Gbps。Inmarsat-5配置了全球波束、固定点波束、高容量点波束等3种类型波束，其中用户数据使用固定点波束和高容量点波束。卫星通过频率复用使整星可用带宽达到5.76 GHz，单个点波束的通信速率可达50Mbps(下行)/5Mbps(上行)。Inmarsat-5卫星通信系统继承了前四代的特点，成为全球**个超高速卫星宽带网络持续为全球海上、陆地和航空各行业提供无缝、安全、稳定、可靠的通信服务。 2.1.3 ViaSat通信系统 美国卫讯(ViaSat)公司分别于2011年、2017年发射了ViaSat-1和ViaSat-2宽带通信卫星，从此开启了全球高轨高通量时代。 ViaSat-1采用Ka频段多波束天线提供宽带服务，下载速率可达12 Mbps，总容量为140 Gbps，可为200万以上用户提供宽带接入服务，超过当时北美各频段卫星宽带容量的总和。 ViaSat-2卫星为迄今为止波音公司发射的*大容量卫星，整星容量约350 Gbps，可为250万用户提供*高可达25 Mbps的宽带服务，覆盖面积是ViaSat-1卫星的7倍。 ViaSat-3由3颗GEO卫星和新型地面网络基础设施组成，预计2022年完成部署。其中，第1颗将向美洲提供服务，第2颗将覆盖欧洲、中东和非洲，第3颗将向亚太市场提供服务[6]，每颗ViaSat-3卫星预计将提供超过1 Tbps的总容量。当完成部署后，ViaSat将有可能成为全球**家宽带服务提供商，除了民用服务，还将为商业航空和高价值的政府交通运输提供空中连接服务和视频流服务，并且能够为全球数十亿未联网的用户提供价格合理的卫星WiFi连接。 2.1.4 EDRS项目 欧空局(ESA)发布的“欧洲数据中继卫星”(EDRS)项目[7]，旨在GEO轨道通过激光通信技术为低轨卫星和空中平台提供中继服务。第1颗激光通信卫星EDRS-A于2016年1月成功发射，定点于中非上空，为欧洲提供服务，成为商业运营的激光中继卫星通信系统。第2颗激光通信卫星EDRS-C于2019年8月成功发射，位于EDRS-A东侧。