第2章 國外天地一體化衛星通信網絡

2.1 衛星通信概述

2.1.1 衛星通信的定義

1979年，國際電信聯盟世界無線電行政會議對空間無線電通信做了如下明確的定義：利用一個或多個空間電臺，或者利用一個或多個反射衛星或空間中其他物體所進行的任何無線電通信，統稱為空間無線電通信。

根據此定義，空間無線電通信有3種形式：空間站與地球站之間的通信；空間站之間的通信；地球站相互間通過空間站的轉發或反射進行的通信。

這里的空間站是指設在地球大氣層之外的空間飛行體或其他天體（如月球或別的行星等）上的通信站。地球站是指設在地球表面（包括陸地、水上和大氣層中）的通信站。共同進行一定空間無線電通信業務的一組地球站和空間站，稱為空間通信系統，簡稱空間系統。

衛星通信是指地球站之間利用空間站轉發或反射的無線電通信。因此，衛星通信屬于空間無線電通信的第三種形式。

地球站之間利用空間站反射的無線電通信通常是指利用無源衛星反射的衛星通信。由于無源衛星反射的信號質量差，因此其無實用價值，早已淘汰。

地球站之間利用空間站轉發的無線電通信通常是指利用通信衛星（有源衛星）轉發的衛星通信，主要包括衛星固定業務（FSS）、衛星移動業務（MSS）和衛星廣播業務（BSS）三大類。這3類業務的主要區別是：FSS是指各地球站都在固定狀態下彼此進行通信；MSS是指通信雙方的地球站至少其中一方可在移動狀態下進行通信；BSS是指用戶站（通常是指在固定狀態下）可直接收視衛星下發的電視信號（稱為衛星電視廣播）或直接收聽衛星下發的聲音信號（稱為衛星聲音廣播），因此，BSS習慣上稱為衛星直播業務，廣播衛星也稱為直播衛星。

早在20世紀80年代就在FSS和MSS的基礎上發展了衛星跟蹤與數據中繼業務，其衛星為靜止軌道的跟蹤與數據中繼衛星，其用戶站由傳統的分布于地球表面（包括陸地、水上和大氣層中）的各種陸、海、空通信站演變為中、低軌道航天器（通常稱為用戶航天器）。

20世紀末至21世紀初，在MSS和BSS的基礎上又發展了衛星移動廣播業務，其用戶站比固定接收用戶站進一步小型化，可在移動狀態下（手持或車載等）直接接收大功率靜止衛星下發的電視信號或音頻廣播信號。

無源衛星被淘汰，衛星跟蹤與數據中繼業務及衛星移動廣播業務誕生，在此情況下，現代的衛星通信定義演變為如下內容：衛星通信是地球站之間或用戶航天器與地球站之間利用通信衛星轉發的無線電通信，主要包括衛星固定通信、衛星移動通信、衛星直接廣播、衛星移動廣播和衛星數據中繼通信五大領域。前四個是地球站之間利用通信衛星轉發的無線電通信，最后一個是用戶航天器與地球站之間利用通信衛星轉發的無線電通信。

2.1.2 衛星通信系統的組成

衛星通信系統通常由空間分系統、測控與管理分系統、衛星應用分系統三部分組成，如圖2-1所示。

空間分系統由給定軌道的衛星或星座組成。它是設在空間的通信中繼站，其任務是向地球站轉發通信信號和（或）測控信號。設置在地面的測控與管理分系統由跟蹤遙測指令分系統和監測管理分系統組成。其中，跟蹤遙測指令分系統又稱為跟蹤遙測遙控分系統，它的主要任務是測量和控制衛星的軌道與姿態，監測衛星的各種工程參數和環境參數，以及對衛星實施各種功能狀態的切換；監測管理分系統的任務是在衛星通信業務開通前對衛星的各項通信參數進行在軌測試和對地球站的各項通信參數進行入網驗證測試，并在業務開通后對衛星和地球站的各項通信參數進行監測和管理。衛星應用分系統由通信業務管理控制中心（或稱為網絡管理控制中心）和各通信地球站組成。網絡管理控制中心對整個衛星通信網實施控制管理，包括資源控制、多址連接、信道分配、入網控制、狀態監測等，它是眾多地球站的中心站，稱為主站，其他站則稱為遠端站或用戶站。遠端站可包括固定站、便攜站、車載站、機載站、船載站和手持機等。

還需要說明的是，由于跟蹤遙測指令分系統只負責衛星的測控管理，因此有的文獻把它與衛星一起統稱為空間段。此外，由于跟蹤遙測指令分系統和監測管理分系統組成的測控與管理分系統并不關心具體的通信業務，因此習慣上只將包括各種通信地球站的衛星應用分系統和由通信衛星組成的通信網絡稱為衛星通信系統。此外，圖2-1中的衛星應用分系統是指衛星已發射成功并投入運營進行通信時參與工作的各分系統。因此，它不包括發射通信衛星時必不可少的另外兩個重要的分系統：運載火箭和衛星發射場。

2.1.3 衛星通信的特點

衛星通信與微波中繼通信等地面通信方式相比具有以下特點。

（1）覆蓋范圍大，通信距離遠。通信衛星在高空，衛星對地球的覆蓋范圍取決于衛星的高度。一顆地球靜止軌道（GEO）衛星位于赤道上空35786.6km，可覆蓋地球面積的42.46%，3顆GEO衛星可基本覆蓋全球（除南、北極之外）。在衛星覆蓋區內的任意兩點，無論是遠隔重洋還是近在咫尺，都可通過衛星進行通信。

（2）通信容量大，支持多種業務。衛星通信采用微波頻段，可供使用的頻帶寬。衛星通信過去常用C、Ku頻段，近年來已擴展為Ka頻段甚至V頻段。C、Ku頻段可用帶寬一般為500MHz，Ka頻段可用帶寬為2GHz。加上多點波束頻率復用和極化復用，單顆衛星可用帶寬可達幾十吉赫茲。隨著技術的不斷發展，衛星轉發器單信道的傳輸速率也越來越高，可支持語音、數據、傳真、圖像、電視廣播等多種傳輸業務。

（3）通信線路穩定，質量好。衛星通信的電波主要在大氣層以外的自由空間傳播，電波在自由空間傳播十分穩定，因此衛星通信受氣候和氣象條件影響較小，且通常只經過一次轉送，噪聲小，通信質量好。

（4）以廣播方式傳輸，具有多址連接的特性。衛星通信是以廣播方式進行的，只要在衛星天線的覆蓋范圍內，各地球站相互間都可以利用此衛星進行通信，可采用頻分多址、時分多址、碼分多址和空分多址等多種方式組建各種通信網絡。

（5）建設周期短，組網靈活。衛星通信的建立不受地理條件的限制，無論是現代化的大城市，還是邊遠落后的山區和島嶼，無論是汽車、飛機、艦船，還是個人，只要需要，都可隨時利用衛星通信，且其建站迅速、組網靈活，特別是對于邊遠地區，效果更為顯著。

（6）建設成本與通信距離無關。衛星通信中通信線路的造價不隨通信距離的增加而增加，因此其特別適用于遠距離通信。這是微波中繼通信、蜂窩移動通信、光纖通信等通信方式所不能比擬的。

以上介紹了衛星通信的主要優點，但它也存在以下缺點。

（1）傳輸時延大。利用GEO衛星進行通信，電波傳輸距離遠，單向距離約80000km，傳輸時延約0.27s。通話時，會使用戶感到不習慣，同時會產生明顯的回波現象，必須采取回波抵消技術來抑制回波。

（2）保密與抗干擾性能較差。衛星通信具有廣播特性，一般來說，傳輸的信息比較容易被竊聽。因此，對于不公開的信息，應采用安全保密防范措施。GEO衛星的軌道位置及使用的工作頻率都是公開的，且衛星天線波束的覆蓋面大，通常使用的又是透明轉發器，因此衛星易受到有意或無意的干擾，嚴重時會使正常的通信業務無法進行。

衛星通信的這些特點使它在國際通信、國內通信、軍事通信、應急通信、邊遠地區通信，以及遠程醫療和教育等領域得到了廣泛應用。

2.1.4 衛星通信的分類

衛星通信按業務分類，通常分為FSS、MSS和BSS 3類，后來隨著衛星通信技術的發展和應用需求的增加，又增加了衛星移動廣播業務和衛星跟蹤與數據中繼業務兩類。按以上所述的業務分類組成的衛星通信系統，又可分為衛星固定通信系統、衛星移動通信系統、衛星廣播系統、衛星移動廣播系統、跟蹤與數據中繼衛星通信系統5類。這5類系統可按衛星通常所用的運行軌道進一步分類，如圖2-2所示。

衛星通信系統按用途分，可分為商用衛星通信系統和軍用衛星通信系統，或者分為公用衛星通信系統和專用衛星通信系統；按全系統衛星（單星或星座）波束覆蓋的地球范圍分，可分為國內衛星通信系統、區域衛星通信系統和全球衛星通信系統（其中又分為包含南北兩極和不包含南北兩極兩種）；按業務頻段分，可分為UHF頻段衛星通信系統、L頻段衛星通信系統、S頻段衛星通信系統、C頻段衛星通信系統、X頻段衛星通信系統、Ku頻段衛星通信系統和Ka頻段衛星通信系統等單頻段衛星通信系統及多頻段衛星通信系統。

2.1.5 衛星通信的現狀

1.靜止軌道衛星通信

據統計，截至2018年6月底，全球在靜止軌道運行的通信衛星約372顆（不包括美國的軍事通信衛星和跟蹤與數據中繼衛星）。在372顆衛星中，有FSS衛星和BSS衛星325顆（含高通量通信衛星）、MSS衛星15顆、移動廣播業務衛星11顆、跟蹤與數據中繼衛星（俄羅斯）2顆、軍事通信衛星（相關國家）19顆。

上述眾多衛星以多種頻段（UHF、L、S、C、X、Ku、Ka和SHF等）、極化（圓極化和線極化）和波束（全球波束、半球波束、區域波束、點波束等）分別覆蓋地球赤道南、北各服務區。服務區內各用戶單位或個人根據各種業務（音頻、視頻、數據、多媒體、互聯網等）需要，使用各種體制和標準的地球站或用戶終端，與相關衛星組成各種衛星通信系統，開展衛星通信業務。

在上述各種業務衛星中，值得注意的是高通量通信衛星（HTS）。美國航天咨詢公司北方天空研究所率先提出高通量通信衛星的概念，并將其定義為“采用多點波束和頻率復用技術，在同樣頻譜資源的條件下，整星通量是傳統固定通信衛星數倍的衛星”。高通量通信衛星與傳統通信衛星波束覆蓋的區別如圖2-3所示。

高通量通信衛星以蜂窩狀點波束和頻率復用為標志，可以運行在任何頻段，其通量有大有小，取決于分配的頻譜寬度和頻率復用次數，可以提供固定、廣播和移動等各類業務應用。

全球第一顆高通量通信衛星是泰國Thaicom公司的Thaicom-4，即IP-star衛星。IP-star衛星于2005年8月發射成功并投入使用，標志著通信衛星進入高通量時代。此后到2018年6月底，據不完全統計，全球發射的高通量通信衛星如表2-1所示。

2.中低軌道衛星通信

前面已提到，在靜止軌道衛星通信中，高通量通信衛星已是發展的熱點，現在非靜止軌道衛星通信中的高通量通信衛星星座也引起了業界的高度關注。據參考文獻[6]介紹，截至2020年2月15日，美國FCC（聯邦通信委員會）共收到13家商業公司提交的20個NGSO（非地球同步軌道）寬帶通信衛星星座（須說明，這些寬帶通信衛星星座一般也是多波束、頻率復用的高通量通信衛星星座）的授權申請，共包括24267顆衛星。其中有10個星座隸屬于美國，申請類型為“星座建設執照授權”；其余10個為其他國家的星座，分別來自英國、盧森堡、荷蘭、加拿大、挪威5個簽署WTO協定的國家，申請類型為“美國市場準入授權”。這20個星座中除了中軌道的O3b系統已提供商業應用和某些星座已發射了部分衛星但尚未提供商業應用，大部分星座處于概念研究或建設中。其中，備受業界關注的是OneWeb、SpaceX StarLink和Telesat 3個星座，其基本情況如表2-2所示。