第2章 国外天地一体化卫星通信网络

2.1 卫星通信概述

2.1.1 卫星通信的定义

1979年，国际电信联盟世界无线电行政会议对空间无线电通信做了如下明确的定义：利用一个或多个空间电台，或者利用一个或多个反射卫星或空间中其他物体所进行的任何无线电通信，统称为空间无线电通信。

根据此定义，空间无线电通信有3种形式：空间站与地球站之间的通信；空间站之间的通信；地球站相互间通过空间站的转发或反射进行的通信。

这里的空间站是指设在地球大气层之外的空间飞行体或其他天体（如月球或别的行星等）上的通信站。地球站是指设在地球表面（包括陆地、水上和大气层中）的通信站。共同进行一定空间无线电通信业务的一组地球站和空间站，称为空间通信系统，简称空间系统。

卫星通信是指地球站之间利用空间站转发或反射的无线电通信。因此，卫星通信属于空间无线电通信的第三种形式。

地球站之间利用空间站反射的无线电通信通常是指利用无源卫星反射的卫星通信。由于无源卫星反射的信号质量差，因此其无实用价值，早已淘汰。

地球站之间利用空间站转发的无线电通信通常是指利用通信卫星（有源卫星）转发的卫星通信，主要包括卫星固定业务（FSS）、卫星移动业务（MSS）和卫星广播业务（BSS）三大类。这3类业务的主要区别是：FSS是指各地球站都在固定状态下彼此进行通信；MSS是指通信双方的地球站至少其中一方可在移动状态下进行通信；BSS是指用户站（通常是指在固定状态下）可直接收视卫星下发的电视信号（称为卫星电视广播）或直接收听卫星下发的声音信号（称为卫星声音广播），因此，BSS习惯上称为卫星直播业务，广播卫星也称为直播卫星。

早在20世纪80年代就在FSS和MSS的基础上发展了卫星跟踪与数据中继业务，其卫星为静止轨道的跟踪与数据中继卫星，其用户站由传统的分布于地球表面（包括陆地、水上和大气层中）的各种陆、海、空通信站演变为中、低轨道航天器（通常称为用户航天器）。

20世纪末至21世纪初，在MSS和BSS的基础上又发展了卫星移动广播业务，其用户站比固定接收用户站进一步小型化，可在移动状态下（手持或车载等）直接接收大功率静止卫星下发的电视信号或音频广播信号。

无源卫星被淘汰，卫星跟踪与数据中继业务及卫星移动广播业务诞生，在此情况下，现代的卫星通信定义演变为如下内容：卫星通信是地球站之间或用户航天器与地球站之间利用通信卫星转发的无线电通信，主要包括卫星固定通信、卫星移动通信、卫星直接广播、卫星移动广播和卫星数据中继通信五大领域。前四个是地球站之间利用通信卫星转发的无线电通信，最后一个是用户航天器与地球站之间利用通信卫星转发的无线电通信。

2.1.2 卫星通信系统的组成

卫星通信系统通常由空间分系统、测控与管理分系统、卫星应用分系统三部分组成，如图2-1所示。

空间分系统由给定轨道的卫星或星座组成。它是设在空间的通信中继站，其任务是向地球站转发通信信号和（或）测控信号。设置在地面的测控与管理分系统由跟踪遥测指令分系统和监测管理分系统组成。其中，跟踪遥测指令分系统又称为跟踪遥测遥控分系统，它的主要任务是测量和控制卫星的轨道与姿态，监测卫星的各种工程参数和环境参数，以及对卫星实施各种功能状态的切换；监测管理分系统的任务是在卫星通信业务开通前对卫星的各项通信参数进行在轨测试和对地球站的各项通信参数进行入网验证测试，并在业务开通后对卫星和地球站的各项通信参数进行监测和管理。卫星应用分系统由通信业务管理控制中心（或称为网络管理控制中心）和各通信地球站组成。网络管理控制中心对整个卫星通信网实施控制管理，包括资源控制、多址连接、信道分配、入网控制、状态监测等，它是众多地球站的中心站，称为主站，其他站则称为远端站或用户站。远端站可包括固定站、便携站、车载站、机载站、船载站和手持机等。

还需要说明的是，由于跟踪遥测指令分系统只负责卫星的测控管理，因此有的文献把它与卫星一起统称为空间段。此外，由于跟踪遥测指令分系统和监测管理分系统组成的测控与管理分系统并不关心具体的通信业务，因此习惯上只将包括各种通信地球站的卫星应用分系统和由通信卫星组成的通信网络称为卫星通信系统。此外，图2-1中的卫星应用分系统是指卫星已发射成功并投入运营进行通信时参与工作的各分系统。因此，它不包括发射通信卫星时必不可少的另外两个重要的分系统：运载火箭和卫星发射场。

2.1.3 卫星通信的特点

卫星通信与微波中继通信等地面通信方式相比具有以下特点。

（1）覆盖范围大，通信距离远。通信卫星在高空，卫星对地球的覆盖范围取决于卫星的高度。一颗地球静止轨道（GEO）卫星位于赤道上空35786.6km，可覆盖地球面积的42.46%，3颗GEO卫星可基本覆盖全球（除南、北极之外）。在卫星覆盖区内的任意两点，无论是远隔重洋还是近在咫尺，都可通过卫星进行通信。

（2）通信容量大，支持多种业务。卫星通信采用微波频段，可供使用的频带宽。卫星通信过去常用C、Ku频段，近年来已扩展为Ka频段甚至V频段。C、Ku频段可用带宽一般为500MHz，Ka频段可用带宽为2GHz。加上多点波束频率复用和极化复用，单颗卫星可用带宽可达几十吉赫兹。随着技术的不断发展，卫星转发器单信道的传输速率也越来越高，可支持语音、数据、传真、图像、电视广播等多种传输业务。

（3）通信线路稳定，质量好。卫星通信的电波主要在大气层以外的自由空间传播，电波在自由空间传播十分稳定，因此卫星通信受气候和气象条件影响较小，且通常只经过一次转送，噪声小，通信质量好。

（4）以广播方式传输，具有多址连接的特性。卫星通信是以广播方式进行的，只要在卫星天线的覆盖范围内，各地球站相互间都可以利用此卫星进行通信，可采用频分多址、时分多址、码分多址和空分多址等多种方式组建各种通信网络。

（5）建设周期短，组网灵活。卫星通信的建立不受地理条件的限制，无论是现代化的大城市，还是边远落后的山区和岛屿，无论是汽车、飞机、舰船，还是个人，只要需要，都可随时利用卫星通信，且其建站迅速、组网灵活，特别是对于边远地区，效果更为显著。

（6）建设成本与通信距离无关。卫星通信中通信线路的造价不随通信距离的增加而增加，因此其特别适用于远距离通信。这是微波中继通信、蜂窝移动通信、光纤通信等通信方式所不能比拟的。

以上介绍了卫星通信的主要优点，但它也存在以下缺点。

（1）传输时延大。利用GEO卫星进行通信，电波传输距离远，单向距离约80000km，传输时延约0.27s。通话时，会使用户感到不习惯，同时会产生明显的回波现象，必须采取回波抵消技术来抑制回波。

（2）保密与抗干扰性能较差。卫星通信具有广播特性，一般来说，传输的信息比较容易被窃听。因此，对于不公开的信息，应采用安全保密防范措施。GEO卫星的轨道位置及使用的工作频率都是公开的，且卫星天线波束的覆盖面大，通常使用的又是透明转发器，因此卫星易受到有意或无意的干扰，严重时会使正常的通信业务无法进行。

卫星通信的这些特点使它在国际通信、国内通信、军事通信、应急通信、边远地区通信，以及远程医疗和教育等领域得到了广泛应用。

2.1.4 卫星通信的分类

卫星通信按业务分类，通常分为FSS、MSS和BSS 3类，后来随着卫星通信技术的发展和应用需求的增加，又增加了卫星移动广播业务和卫星跟踪与数据中继业务两类。按以上所述的业务分类组成的卫星通信系统，又可分为卫星固定通信系统、卫星移动通信系统、卫星广播系统、卫星移动广播系统、跟踪与数据中继卫星通信系统5类。这5类系统可按卫星通常所用的运行轨道进一步分类，如图2-2所示。

卫星通信系统按用途分，可分为商用卫星通信系统和军用卫星通信系统，或者分为公用卫星通信系统和专用卫星通信系统；按全系统卫星（单星或星座）波束覆盖的地球范围分，可分为国内卫星通信系统、区域卫星通信系统和全球卫星通信系统（其中又分为包含南北两极和不包含南北两极两种）；按业务频段分，可分为UHF频段卫星通信系统、L频段卫星通信系统、S频段卫星通信系统、C频段卫星通信系统、X频段卫星通信系统、Ku频段卫星通信系统和Ka频段卫星通信系统等单频段卫星通信系统及多频段卫星通信系统。

2.1.5 卫星通信的现状

1.静止轨道卫星通信

据统计，截至2018年6月底，全球在静止轨道运行的通信卫星约372颗（不包括美国的军事通信卫星和跟踪与数据中继卫星）。在372颗卫星中，有FSS卫星和BSS卫星325颗（含高通量通信卫星）、MSS卫星15颗、移动广播业务卫星11颗、跟踪与数据中继卫星（俄罗斯）2颗、军事通信卫星（相关国家）19颗。

上述众多卫星以多种频段（UHF、L、S、C、X、Ku、Ka和SHF等）、极化（圆极化和线极化）和波束（全球波束、半球波束、区域波束、点波束等）分别覆盖地球赤道南、北各服务区。服务区内各用户单位或个人根据各种业务（音频、视频、数据、多媒体、互联网等）需要，使用各种体制和标准的地球站或用户终端，与相关卫星组成各种卫星通信系统，开展卫星通信业务。

在上述各种业务卫星中，值得注意的是高通量通信卫星（HTS）。美国航天咨询公司北方天空研究所率先提出高通量通信卫星的概念，并将其定义为“采用多点波束和频率复用技术，在同样频谱资源的条件下，整星通量是传统固定通信卫星数倍的卫星”。高通量通信卫星与传统通信卫星波束覆盖的区别如图2-3所示。

高通量通信卫星以蜂窝状点波束和频率复用为标志，可以运行在任何频段，其通量有大有小，取决于分配的频谱宽度和频率复用次数，可以提供固定、广播和移动等各类业务应用。

全球第一颗高通量通信卫星是泰国Thaicom公司的Thaicom-4，即IP-star卫星。IP-star卫星于2005年8月发射成功并投入使用，标志着通信卫星进入高通量时代。此后到2018年6月底，据不完全统计，全球发射的高通量通信卫星如表2-1所示。

2.中低轨道卫星通信

前面已提到，在静止轨道卫星通信中，高通量通信卫星已是发展的热点，现在非静止轨道卫星通信中的高通量通信卫星星座也引起了业界的高度关注。据参考文献[6]介绍，截至2020年2月15日，美国FCC（联邦通信委员会）共收到13家商业公司提交的20个NGSO（非地球同步轨道）宽带通信卫星星座（须说明，这些宽带通信卫星星座一般也是多波束、频率复用的高通量通信卫星星座）的授权申请，共包括24267颗卫星。其中有10个星座隶属于美国，申请类型为“星座建设执照授权”；其余10个为其他国家的星座，分别来自英国、卢森堡、荷兰、加拿大、挪威5个签署WTO协定的国家，申请类型为“美国市场准入授权”。这20个星座中除了中轨道的O3b系统已提供商业应用和某些星座已发射了部分卫星但尚未提供商业应用，大部分星座处于概念研究或建设中。其中，备受业界关注的是OneWeb、SpaceX StarLink和Telesat 3个星座，其基本情况如表2-2所示。