2.11 全球星衛星通信系統

2.11.1 系統簡介

全球星（Globalstar）衛星通信系統（以下簡稱全球星系統）是由美國勞拉、高通等公司倡導發展的由48顆低軌道衛星組成的全球衛星移動通信系統。全球星衛星采用透明轉發器和多波束天線，向用戶提供語音、傳真、數據和定位等業務。其用戶終端包括：單模手機、雙模手機、三模手機；車載/機載/船載移動終端；半固定終端及固定終端。

全球星系統于1999年開始商業運營。2002年2月，美國全球星公司宣布申請破產保護，并于2004年4月完成重組。全球星系統在中國地區的業務由中宇衛星移動通信有限責任公司經營管理。該公司第一個信關站建在北京，全球星系統中國信關站的服務區可以覆蓋中國陸地領土面積80%以上的區域，并覆蓋中國的渤海、東海，以及日本海的部分區域，于2000年5月在國內正式提供全球星服務。

全球星系統由空間段、地面段和用戶段組成。其系統架構如圖2-70所示。

全球星系統的空間段由分布在8個軌道面上的48顆工作衛星組成，衛星采用透明轉發方式；地面段包括地面操作控制中心（GOCC）、衛星操作控制中心（SOCC）、信關站（GW）和全球星數據網（GDN）；用戶段指使用全球星系統業務的各類用戶終端設備。

用戶鏈路用于移動用戶與衛星之間的通信，采用L頻段和S頻段，上行L頻段的頻率為1610～1626.5MHz，下行S頻段的頻率為2483.5～2500MHz；調制方式為QPSK，采用卷積編碼、維特比譯碼，多址方式為CDMA/FDMA/SDMA，即系統利用48顆衛星和每顆衛星上的16個點波束，按照相鄰波束使用同一組頻率的方式對可用頻帶進行空分頻率復用，然后在每個波束內把16.5MHz的總可用頻帶劃分為13條帶寬為1.23MHz的CDMA信道，如圖2-71所示。每個CDMA載波的碼片速率為1.2288Mchip/s，信息速率最高可為9.6kbps。每顆衛星可提供2000～3000條信道。

饋電鏈路用于信關站和衛星之間的通信，采用C頻段，上行工作頻率為5091～5250MHz，下行工作頻率為6875～7055MHz；調制方式為QPSK，多址方式為FDMA/FDM。饋電鏈路占用約160MHz的連續帶寬，此帶寬被分為8個子帶，通過交叉極化復用（LHCP和RHCP），使得上行鏈路和下行鏈路各得到16個帶寬為16.5MHz的子帶，每個子帶對應一個用戶鏈路的上行或下行點波束，如圖2-72所示。需要說明的是，圖2-72中上行工作頻率5091～5250MHz、下行工作頻率6875～7055MHz中依次包含遙控頻率和遙測頻率占用的頻帶，圖中未畫出。

2.11.2 空間段

全球星系統的空間段由分布在8個軌道面上的48顆低軌道衛星組成，它是一個覆蓋地球南、北緯70°之間地區的華爾克網狀星座（見圖2-73），其運行模式是隨時都保證繞全球均勻分布。

48顆衛星分別按8個圓形傾斜軌道運行，每個軌道面有6顆衛星，軌道離地球表面高度為1400km，用戶對一顆衛星的可見時間平均為10～12min。

對于48顆衛星對地球的覆蓋情況，在中緯度地區，衛星重復覆蓋頻次最多；在南、北緯度高于60°和低于25°的地區，衛星重復覆蓋頻次最少，在覆蓋區內經常保持2～4顆衛星覆蓋同一用戶所在地區。衛星在覆蓋區的仰角平均大于16°，最低約10°。在南、北緯50°之間的地區，用戶終端至少能同時與兩顆全球星衛星建立通信，以提供路徑分集。

全球星衛星采用三軸姿態穩定方式，由一個梯形主體部分、兩個展開式太陽能電池翼和一個位于懸桿上的展開式磁場計組成。梯形的設計便于一枚運載火箭運載多顆衛星。全球星衛星外形如圖2-74所示。

全球星衛星有效載荷方框圖如圖2-75所示。其采用透明轉發方式，用戶鏈路使用L頻段和S頻段多波束天線，饋電鏈路使用C頻段全球波束天線。

全球星系統星座及全球星衛星的主要技術性能如表2-55和表2-56所示。

2.11.3 地面段

全球星系統的地面段包括信關站、地面操作控制中心、衛星操作控制中心和全球星數據網4個部分。

信關站是指設置在全球各地的地球站。每個信關站可同時與3顆衛星通信，并把衛星網和地面公用通信網（PSTN/PLMN）連接起來，每個用戶終端可通過一顆或幾顆衛星和信關站實現與全球任何地區終端的通信。

信關站是連接全球星用戶和地面公用通信網的橋梁。全球星用戶經全球星衛星由信關站介入PSTN/PLMN。信關站的主要功能如下。

（1）利用衛星操作控制中心提供的衛星星歷信息按程序跟蹤衛星。

（2）分別跟蹤相對于信關站不斷移動的、與信關站距離最近的3顆衛星。

（3）將通信信道周期性地由一顆即將下落的衛星切換至正在升起的下一顆衛星，這種切換對用戶來說是透明的。

（4）處理本系統與各種不同通信網，如PSTN/PLMN之間的接口，接續處理用戶呼叫信息，以及建立和拆除通信電路。

信關站分為網路協調信關站（NCG）和標準信關站兩種。兩種信關站的主要傳輸性能相同，網路協調信關站比標準信關站增設了相關的計算機設備。網路協調信關站是處理一個信關站以上業務的主要信關站，它協助地面操作控制中心處理信關站之間的路由選擇，并向地面操作控制中心提供通信信號的監測信息。

每個信關站包括射頻分系統、CDMA通信分系統、管理分系統和交換分系統四部分。交換分系統與地面蜂窩移動交換中心相連，這樣可通過全球星系統擴大地面蜂窩移動通信網的覆蓋范圍。

信關站把全球星衛星的無線網絡與地面公共通信網相連，或者直接連入市話局。從這個意義上說，信關站是網絡傳輸和網絡信令的終端點。信關站的主要技術特性如表2-57所示。

地面操作控制中心負責管理全球星系統的地面設備，接收有關業務的數據信息，編制通信業務資源計劃，給各信關站分配各衛星信道、頻率及時序，實施通信系統的監測等。

衛星操作控制中心負責管理全球星系統的星座。其設置主、備用站，并與跟蹤、遙測和指令（TT&C）站設置共用天線。主、備用站位于不同經度，以減少與衛星保持聯絡過程的不銜接所造成的聯系中斷時間。選擇站址的緯度時，要保證在衛星跨越赤道和向北最大偏移（52°）時能保持聯系。每個TT&C站有4副天線，以保證與每顆衛星在整個可見時間內保持聯系。

衛星操作控制中心的主要功能如下。

（1）通過TT&C站接收遙測跟蹤信息，發送實時和存儲的定時指令，監控星上分系統的工作狀態。

（2）通過測距和測角等信息，確定衛星軌道參數，編制星歷表，對衛星的啟用、退役和備用進行規劃、監測與控制。

（3）利用網路協調信關站的通信信號監測設備進行在軌測試。

（4）向地面操作控制中心、信關站提供星座運行狀態的各種信息。

全球星數據網是一個用于連接信關站、地面操作控制中心和衛星操作控制中心的廣域通信網。信關站、地面操作控制中心和衛星操作控制中心彼此通過全球星數據網進行信息交換。

2.11.4 用戶段

全球星系統的用戶終端主要有固定站、移動站、個人站和無線電定位終端4類。

固定站主要用于地面網很難覆蓋到的區域，包括天線、無線電單元和可選的數字電話三部分。數字電話具有顯示正進行的呼叫處理、語音及郵件的圖標和存儲經常使用的電話號碼等功能。

移動站是指安裝在各類移動載體（如車輛、船舶和飛機等）上的終端。為了方便使用和安全考慮，該類終端被架設在支架上，并由支架供電，以延長電池的壽命。移動站采用全向天線。

個人站是指全球星系統的手持機。手持機有3種工作模式，即單模、雙模和三模。

雙模手機向GSM蜂窩電話用戶提供全球漫游業務，當用戶離開地面蜂窩移動通信網的覆蓋區域后，全球星系統可向用戶提供與蜂窩系統類似的服務；當處在地面蜂窩移動通信網覆蓋區域內時，用戶可以使用地面蜂窩移動通信網，也可以使用全球星系統提供的服務。

三模手機向IS-95/AMPS（高級移動電話系統）蜂窩電話用戶提供全球漫游業務，當用戶離開地面蜂窩移動通信網的覆蓋區域后，全球星系統向用戶提供與蜂窩系統類似的服務；當處在IS-95/AMPS網的覆蓋區域內時，用戶可以繼續使用地面蜂窩移動通信網。

現用的全球星系統多模手機主要有高通三模手機、愛立信雙模手機和泰立塔爾雙模手機。它們的外形如圖2-76所示，其主要技術特性如表2-58所示。

全球星系統提供了專用的無線電定位終端，用于用戶無線電定位業務，在80%的時間內，其定位精度優于300m。另外，全球星系統在固定站、移動站和個人站中都提供定位、全球尋呼、傳信等可選業務。

2.11.5 第二代系統

2007年2月，全球星公司宣布，由于衛星S頻段固態放大器的性能下降，全球星系統無法提供雙向語音業務。因此，其于2007年分兩次將8顆地面備份衛星發射入軌，盡可能彌補性能損失，同時加速部署第二代系統。

經過論證，全球星公司認為只需要30顆衛星就能提供雙向語音業務。于是，全球星公司向泰雷茲-阿萊尼亞空間公司訂購了24顆第二代衛星。從2010年10月至2013年2月，24顆衛星經4次一箭6星發射成功。2013年8月，24顆衛星全部投入運行，加上8顆第一代衛星，實際32顆在軌衛星具有全部功能，全球星系統的雙向語音業務全面恢復。第二代衛星的外形如圖2-77所示，第二代衛星與第一代衛星的主要差別如表2-59所示。

2.11.6 應用情況

全球星系統為透明轉發通信系統，沒有星間鏈路，需要依賴復雜的地面網絡實現通信功能，相比銥系統來說，這是一個劣勢。但是，從另一個角度看，全球星系統的擴展性更強，即在不改變衛星的情況下，其通過地面系統升級，可以快速改善系統性能。

愛立信公司為全球星系統建設核心網；休斯網絡系統公司為全球星建設地面無線接入網絡，設計新一代終端的接口芯片，實現新一代全球星系統通信能力的大幅度提升，使其業務種類更加豐富。

全球星系統為自己設定了3種應用場景。

（1）無地面網絡的區域。

（2）地面網絡發生故障時：為易受自然災害侵擾的區域提供更加可靠的選擇；在地面網絡擁塞或基礎設施故障時，為政府安全部門提供通信服務；為對業務有連續性要求的民間組織、應急響應部門或商業部門提供基本通信服務。

（3）已有地面網絡區域的漫游應用：提供全球無處不在、無時不在的資產跟蹤服務及低價國際漫游服務。

全球星系統提供3類基本業務，即雙工、SPOT和單工，如表2-60所示。