1.2 靜止軌道衛星移動通信系統及特點

1.2.1 靜止軌道衛星移動通信系統

自20世紀70年代至今，靜止軌道衛星移動通信已經有近50年的發展歷程。根據技術先進性（代表性），它們大致可以劃分為四代[4]：① 第一代衛星采用全球波束，容量非常有限；② 第二代衛星采用區域波束，并通過頻率復用技術增加可用容量；③ 第三代衛星采用上百個點波束，可以實現用戶間的單跳通信，具有靈活分配功率、帶寬和波束的能力；④ 第四代衛星采用地基波束成形（Ground Based Beam Forming，GBBF）技術、輔助地面組件（Ancillary Terrestrial Component，ATC）技術構建天地融合的衛星-地面移動通信系統。目前全球在役的靜止軌道衛星移動通信系統主要是第三代靜止軌道衛星移動通信系統，第四代靜止軌道衛星移動通信系統均在2008年之后發射，代表了未來移動衛星通信的發展方向。

（1）第一代靜止軌道衛星移動通信系統

第一代靜止軌道衛星移動通信系統部署于20世紀80年代，主要提供海事衛星通信服務，其典型系統有：美國海事通信衛星（Marisat）、歐洲海事通信衛星（Marecs）和國際移動衛星-2（Inmarsat-2）系統。

（2）第二代靜止軌道衛星移動通信系統

第二代靜止軌道衛星移動通信系統部署于20世紀90年代。衛星的技術進步主要體現在采用多波束天線，系統能力類似于地面模擬蜂窩移動通信系統，典型的衛星系統有：國際移動衛星-3和加拿大/美國的移動通信衛星系統。

（3）第三代靜止軌道衛星移動通信系統[5-6]

第三代靜止軌道衛星移動通信系統部署于2000年之后，主要標志是衛星能形成上百個點波束，載荷的數字化，移動用戶間直接通信，能夠靈活分配衛星的功率、帶寬和波束。其典型系統是印度尼西亞的亞洲蜂窩衛星（ACeS）（衛星名為“格魯達”（Garuda））系統、阿聯酋的瑟拉亞（Thuraya）衛星系統和國際移動衛星-4 （Inmarsat-4）系統。第三代靜止軌道衛星移動通信系統衛星技術指標見表1-1。第三代靜止軌道移動通信衛星采用的關鍵技術包括：大型可展開天線技術、大型通信衛星平臺技術、多波束成形技術、星上處理和交換技術等。

① 大型可展開天線技術。

第三代靜止軌道衛星移動通信系統的終端尺寸普遍較小，有些已經接近地面蜂窩網絡的手持終端。對于靜止軌道衛星系統來說，為了支持手持移動終端，并且受限于衛星的功率和較長的傳輸距離造成的信道衰落等問題，該系統對衛星的增益和EIRP提出了較高的要求，先進的衛星移動通信系統多采用大型可展開天線。圖1-3所示的是Inmarsat-4的在軌情況。

② 大型通信衛星平臺技術。

比起傳統的固定通信衛星，衛星移動通信對衛星平臺提出了較高的要求，一般情況下，要求靜止軌道通信衛星平臺能夠支持質量超過800 kg的有效載荷，衛星的總功率大約在10kW以上。大型可展開天線對平臺的控制系統提出了更高的要求。圖1-4所示為Inmarsat-4的組裝情況。

③ 多波束成形技術。

第三代靜止軌道衛星移動通信系統多采用星載多波束天線技術，提高覆蓋范圍和頻率的利用率。星上數字波束成形技術是重要的組成部分，它可以優化形成波束，改善天線的等效全向輻射功率和G/T值，實現部分的在軌波束重構，并可支持星上單跳業務。其基本原理是通過對多饋源信號的加權求和操作形成多個波束，這些權值稱為波束成形系數。波束成形系數可以根據預先的計算進行預置，也可以根據系統需求進行在軌波束重構。圖1-5所示為多波束衛星。

④ 星上處理和交換技術。

目前，主要有3種星上處理和交換的方式：透明轉發、完全星上處理和交換、部分星上處理和交換。其中，大多數衛星采用透明轉發方式，因此技術成熟度最高，缺點是交換需要在地面進行，會產生較大的時延；完全星上處理和交換通常采用全數字化的方式，因而能夠降低時延，提高通信效率，缺點是適應性較差，技術難度較大，容易受到宇宙輻射的影響；部分星上處理和交換是上述兩種方式的折中。圖1-6所示為透明處理轉發器和星上處理轉發器組成結構。

（4）第四代靜止軌道衛星移動通信系統[7-10]

第四代靜止軌道移動通信衛星部署于2008年前后，其主要標志是衛星移動通信系統采用輔助地面組件技術為用戶提供天地融合的4G服務。其典型衛星是2008年發射的DBSD-G1衛星，2009年發射的“地網星”（Terre Star），2010年發射的“天地通”（Sky Terra）衛星。輔助地面組件技術通過衛星移動通信的地面輔助基站能夠解決衛星信號在高樓林立的城市以及室內覆蓋性不佳的問題，衛星和大量輔助地面組件基站組合在一起可以很好地實現大區域無縫覆蓋，終端可以自動地在輔助地面組件基站和衛星之間進行無縫切換。第四代靜止軌道衛星移動通信系統的衛星技術指標見表1-2。

① 地基波束成形技術。

針對第三代靜止軌道衛星移動通信普遍采用的星上波束成形技術，為了降低星上的復雜度，提高穩定度，第四代靜止軌道衛星移動通信普遍采用了地基波束成形技術。地基波束成形技術是將數字波束成形技術與其他數字處理技術放到地面上進行工作的方式。使用地基波束成形技術的衛星，星上的有效載荷僅需要天線及相關的射頻網絡，所有的處理工作均交由地面信關站，并且可以根據用戶需求，形成數目不同的，且各自獨立的頻段發射點波束和接收點波束，根據用戶實際需要，靈活地分配衛星容量及帶寬；同時節省星上資源，增強衛星的可靠性。圖1-7所示的是地基波束成形技術。

② 輔助地面組件技術。

第四代靜止軌道衛星移動通信采用了基于輔助地面組件技術的天地融合的網絡架構，整個衛星移動通信網絡由2個相對獨立的網絡構成：天基網絡和輔助地面網絡。天基網絡由衛星（1顆或2顆）和衛星信關站組成。采用2顆衛星的空間段設計主要是為了通過空間分集來增強鏈路能力，提高鏈路余量，減小終端尺寸，用戶可以選用與手機類似大小的終端。系統的地面網絡由大量的輔助地面組件基站和基站控制中心構成，該基站主要致力于為室內或高樓林立處的手機用戶提供通信服務。網絡控制中心負責對衛星網絡和基站之間進行實時協調控制，從而使終端在系統的控制下自動地在衛星網絡和地面網絡之間進行無縫切換。輔助地面組件基站并非衛星信號的簡單中繼器，而是用于構成完整的輔助地面網絡，即使沒有衛星，用戶在大量輔助地面組件基站覆蓋的服務區仍然能夠享受移動通信服務。圖1-8所示為輔助地面組件技術原理。

1.2.2 靜止軌道衛星移動通信系統的特點

采用靜止軌道衛星來提供衛星移動通信業務具有很多優點，如單顆衛星能夠覆蓋地球表面面積的42.2%；相對地面靜止，不存在切換；多普勒頻移小；技術相對成熟簡單，投資相對小，運行維護方便等。但是，單純采用一顆靜止軌道衛星的區域性衛星移動通信系統存在以下一些問題[11]。

① 向高緯度地區用戶提供手持機業務較困難，速率不能太高。

② 向特定地形和存在較多建筑物的城市區域提供衛星移動通信服務很困難。

③ 支持手持機所需的衛星較大，技術復雜，發射困難，風險較大。

④ 只有一顆衛星，一旦受干擾或者發生故障，整個系統就會癱瘓。

⑤ 兩極附近有盲區。

⑥ 發生日凌中斷和星蝕現象時系統會中斷。

鑒于靜止軌道衛星的這些優點和缺點，尤其是靜止軌道衛星對于中高緯度地區始終是低仰角，導致為保證鏈路可用度所需的衰落余量很大，這樣支持手持機通信所需的衛星天線就很大，有較大的技術難度和風險。