2.10 Iridium卫星通信系统

2.10.1 系统简介

铱（Iridium）卫星通信系统（以下简称铱系统）是由66颗低轨道卫星组成的全球卫星移动通信系统，是一个包括南、北极在内的真正全球覆盖的系统。系统的名称源自星座中有77颗环绕地球旋转的卫星，就像化学元素“铱”中有77个电子环绕原子核旋转一样。经过初始设计后，星座中的卫星数降为66颗，但保留了原来的名称。该系统星上转发器采用先进的处理和交换技术及多波束天线，且有星间链路。该系统用户在地球任何地方都可通过星座星间链路和星地链路进行全球范围内的直接通信，而无须通过地面通信网络中转。它提供电话、传真、数据和寻呼等业务。它的用户终端有双模手机、单模手机和寻呼机。铱星公司于1998年11月开始商业运营该系统；2000年3月，铱星公司破产；2001年，新铱星公司成立，并重新提供通信服务。

铱系统由空间段（星座）、地面段（系统控制段和信关站）和用户段组成。其空间段由星座组成，包括66颗主用卫星，各卫星间由Ka频段链路连接，组成了一个覆盖全球的L频段蜂窝小区（波束）群，用于向移动用户提供通信业务。

铱系统的地面段由系统控制段（SCS）和信关站组成。系统控制段负责控制星座并为卫星计算和提供频率计划及路由信息；信关站负责呼叫的建立，连接地面PSTN和星座。

用户段向用户提供业务，包括手持机、车载终端、机载终端、船载终端和可搬运终端（如移动交换单元、太阳能电话亭）等。

铱系统的空间段、地面段和用户段间的基本连接关系：用户段经由L频段用户链路与空间段进行互联；地面段经由Ka频段馈电链路与空间段进行互联；空间段内部通过Ka频段星间链路实现卫星之间的互联。

铱系统可提供语音、传真、数据、定位、寻呼等业务。该系统设计的漫游方案，除了解决卫星网与地面蜂窝网间的漫游问题，还解决地面蜂窝网间的跨协议漫游问题，这是铱系统有别于其他卫星移动通信系统的特点。

铱系统是一个网格状的通信系统，卫星和信关站都是信息交换节点，通过星上处理和交换及星间链路，移动用户之间可直接利用卫星网络进行通信。铱系统3种链路（用户链路、馈电链路和星间链路）的技术性能如表2-43所示。

在表2-43中，用户链路的多址方式为FDMA/TDMA/SDMA/TDD，即系统对每颗卫星上的48个点波束，按照相邻12波束使用一组频率的方式对总可用频带进行空分频率复用（SDMA），在每个波束内再把频带按频分多址（FDMA）方式分为许多条时分多址（TDMA）信道，每条TDMA载波内使用时分复用（TDD），即同一用户的上行链路和下行链路分别处在同一条TDMA载波的同一帧的不同时隙内。

用户链路FDMA频率计划如下。

在分配的1616～1626.5MHz的总带宽中，1616～1626MHz为双工信道（DC）带宽使用，1626～1626.5MHz为单工信道（SC）带宽使用。其中，双工信道作为业务信道使用，单工信道作为信令信道使用。

双工信道带宽分配：将1616～1626MHz频带分为30个子带，每个子带又分为8个信道，共240个信道。其中，每个子带频带宽度约333.333kHz，每个信道频带宽度约41.67kHz。

单工信道带宽分配：将1626～1626.5MHz频带分为12个信道，每个信道频带宽度约41.67kHz。

在上述双工信道和单工信道41.67kHz的频带宽度中，又包括31.5kHz的工作带宽，以及10.17kHz的保护带宽，如图2-58所示。

用户链路的TDMA帧结构如图2-59所示。每个TDMA帧的帧长为90ms，主要分配给单工信道和双工信道及其他应用。其中，单工信道占用的时隙为20.32ms，双工信道占用4个8.28ms的上行链路时隙和4个8.28ms的下行链路时隙。每条TDMA载波的速率为50kbps，每条信道的速率为4.8kbps。

综合分析FDMA/TDMA/SDMA/TDD机制，可得1616～1626MHz业务频带共有240个信道频带，分给12个波束，每个波束为20个信道频带；每个信道频带通过时分复用可得4个双工信道，每个波束可得80个双工信道；整个卫星有48个波束，最多可得3840个速率为4.8kbps的双工信道。

2.10.2 空间段

铱系统的星座共有66颗工作卫星。这些卫星大致均匀分布在南北方向的6条轨道上，每条轨道上均匀分布着11颗卫星。所有卫星均沿同一方向飞行，也就是说，在地球的一侧都向北极方向飞行，在地球的另一侧都向南极方向飞行。图2-60给出了铱系统的星座配置。

铱系统星座的主要技术性能如表2-44所示。

星座支持用户单元-信关站间的接入信令连接、信关站-信关站间的网络信令连接和信关站-系统控制段间的管理信息连接。

铱系统每颗卫星的主要技术性能如表2-45所示。

每颗铱星由有效载荷[包括3副L频段用户链路相控阵天线（每副产生16个点波束）、4副星间链路天线、4副馈电链路天线及相应的转发器]和平台组成。其星上配置如图2-61所示，48个点波束的覆盖结构如图2-62所示。铱星通信和测控分系统的简化框图如图2-63所示。

用户链路相控阵天线分成3块安装在卫星上。第一块垂直于卫星运动的方向，第二块在逆时针方向相对于第一块间隔120°放置，第三块在逆时针方向相对于第二块间隔120°放置。每块天线板产生16个点波束，每颗卫星产生48（3×16）个点波束，整个星座共产生3168（66×48）个点波束。实际覆盖全球只需2150个波束，其余的波束在卫星向高纬度区域移动时逐步关闭，以节省功率和减少相互间的干扰。

每副馈电链路天线最多能够同时支持960条语音信道，一颗卫星最多能够同时将两副馈电链路天线指向同一个信关站，以实现每个信关站最高有1920条语音信道。每颗卫星负责向申请接入系统的用户处理和分配信道。整个星座能够同时处理和控制超过7.2万个语音呼叫，支持超过200万个用户。

卫星维持与其他卫星、信关站和系统控制段的链路，由这些元素构成的一个网络能够携带的信息有：语音、数据、传真和短信等业务信息；处理呼叫所需的信关站到信关站的信息；在信关站、卫星和系统控制段之间的操作、业务、性能和其他与网络有关的数据。因此，铱系统只在需要与PSTN互联时才依赖于地面网。

为了更有效地传输呼叫、信令和数据，卫星具有复杂的星上处理能力，从而支持星间链路操作；卫星还具有交换功能，使得信息的选路更加方便，并可减少从主叫到被叫的信息传输过程中使用中继地球站的次数。

采用星间链路是铱系统的一大特点。它用于在相邻卫星之间提供可靠、高速的通信，使所有卫星协调工作，共同构成一个空中传输交换网络。任意一个卫星覆盖区内的任何用户都可以通过星间链路与其他覆盖区内的任何用户进行通信，而无须地面设备进行中继。此外，由于星间链路的存在，用户终端可以通过多条路径与系统中的信关站进行通信，多路径的存在大大提高了系统的抗干扰和抗摧毁能力。图2-64所示为铱系统星间链路网状结构示意。

从图2-65中可以看到，每颗卫星包括两条同轨道面星间链路和两条异轨道面星间链路，其中1号卫星与2号、3号卫星之间为同轨道面星间链路，1号卫星与4号、6号卫星之间为异轨道面星间链路。由于每颗卫星仅包含两条异轨道面星间链路，因此1号卫星仅与4号、6号卫星建立链接，与5号、7号卫星之间没有星间链路。

由于同轨道面卫星之间的位置关系是固定的，因此其星间链路保持较容易，但异轨道面卫星之间的相对位置关系（如链路距离、链路方位角和链路俯仰角等）是时变的，不仅星间链路天线需要有一定的跟踪能力，而且星间链路很难维持，约每250s就需要切换一次。图2-65以卫星方位角的变化为例对此进行了说明。

定义方位面为与纸面平行的面。从图2-65中可以看出，当卫星位于东半球赤道上方时，6号卫星位于1号卫星方位面65.1°的位置；随着卫星向极地靠近，6号卫星与1号卫星之间的方位角逐渐变小，即轨道面3和轨道面1逐渐向轨道面2靠拢；在北纬70°附近，6号卫星位于1号卫星方位面约20°的位置；经过极地之后，轨道面3与轨道面1的位置交换，6号卫星与1号卫星之间的方位角由-20°逐渐拉大到-65.1°。总体来说，6号、4号卫星不断地呈钟摆状摆动。

为了避免卫星波束在两极附近相互干扰，一部分卫星在运行到南、北纬70°附近时会关闭电源，这时，与该卫星相连的星间链路会中断。因此，实际的异轨道面星间链路方位角的变化范围是20°～65.1°和-20°～-65.1°。从图2-66中还可以看出，卫星在经过极点时，由于轨道面相互交叉，异轨道面星间链路天线指向也会发生改变，异轨道面星间链路天线需要具备目标捕获能力。

2.10.3 地面段

1.系统控制段

铱系统的系统控制段（SCS）的组成如图2-66所示。它包括两个系统控制设备（SCF）、一个卫星操作控制中心（SOCC）和三个遥测、跟踪和指令（TT&C）站。它们相互之间通过一个运行支撑网络（OSN）连接。

两个系统控制设备及卫星操作控制中心位于美国弗吉尼亚州北部，三个遥测、跟踪和指令站位于美国夏威夷及加拿大。各遥测、跟踪和指令站通过其地球站终端控制器（ETC）经运行支撑网络与系统控制设备及卫星操作控制中心进行通信联系。

系统控制设备是系统控制段的中央处理单元，它与负责卫星控制和网络管理的卫星操作控制中心协同工作，它需要对星座中每颗卫星的跟踪、遥测和姿态控制信息进行处理，并负责控制每颗卫星，以保持卫星处于正确的轨道位置。另外，它还监控通信网络，当网络中任意一个节点损坏时，由它来通知所有卫星，并由卫星对呼叫重新进行选路。

遥测、跟踪和指令站通过星地测控链路直接对卫星进行测量和控制，它通过运行支撑网络线路接受系统控制设备的管理。

运行支撑网络是连接系统控制段各组成部分的一个独立的通信系统，它由商用对地静止卫星链路连接遥测、跟踪和指令站，系统控制设备，以及卫星操作控制中心，它还提供到信关站、发射控制设施（LCF）等相关设施的接口。运行支撑网络传输卫星控制数据、用户连接控制数据及网络操作数据。另外，它还支持系统控制段设施之间的语音连接。

系统控制段负责监控铱系统网络，并维持它自身及其分系统的正常工作。其监控铱系统网络是通过Ka频段链路与各卫星之间传送控制信息完成的，可实现控制卫星、监视和控制网络节点、控制卫星上的通信资源等功能。

2.信关站

信关站是铱系统与外部通信网之间的连接接口。每个信关站包含三个地球站终端和交换设备，它们共同负责本系统内用户与地面公共交换电话网[PSTN、PLMN、分组交换数据网（PSDN）]的控制和接续，完成对用户的识别与呼叫、越区切换处理、路由选择、计费状态报告、所归属的用户资料保存及地面电路接口转换等功能。图2-67所示为铱系统信关站的组成框图。

相对于信关站来说，沿轨道运行的卫星始终处于运动中。每个信关站的三个地球站终端有两个分别跟踪与之距离最近的两颗卫星，其中一个用于跟踪提供服务的卫星并与之建立上/下行链路，另一个跟踪下一个即将接替服务的卫星并与之保持通信联系。当提供服务的卫星正在下落，将在视区消失时，该卫星承担的通信业务立即倒换至下一个正在升起的卫星。第三个地球站终端用作备份，也可进行地理分集接收，以减少太阳或大气对服务质量的不利影响。每个地球站终端包括Ka频段天线、接收机、发射机、调制器、解调器和TDMA缓冲器等。

信关站的地球站终端的主要技术性能如表2-46所示。

2.10.4 用户段

铱系统提供多种类型的用户终端，用户能够在世界任何地方获得系统提供的语音、数据、传真、寻呼等业务，其中铱系统电话业务是其最主要的通信业务，它能使用户直接通过铱网络进行通信。另外，铱系统还可提供语音信箱、电话会议、呼叫转移和呼叫等待等增值业务。

对于个人用户，铱系统提供了多种手持终端，包括单模手机和多模手机及寻呼机等。图2-68所示为铱系统中典型手持用户终端的外形结构。

表2-47所示为铱系统用户终端的主要技术性能。

2.10.5 第二代铱系统

第二代铱系统是铱星公司于2007年提出发展的下一代低轨道移动通信卫星系统。该系统包括66颗在轨运行卫星、9颗在轨备份卫星、6颗地面备份卫星，与第一代系统的轨道设计保持一致。第二代铱星发射质量为860kg，设计寿命为12.5年（最多可延长至15年），收拢状态下星体尺寸为3.1m×2.4m×1.5m，太阳翼展开后长度达9.4m，平均供电功率为2200W。其外形如图2-69所示。

第二代铱星的主任务载荷为可再生处理式通信载荷，其采用时分双工机制，工作于L频段，可通过平板相控阵天线形成48个用户波束，单星覆盖区域直径约4500km。同时，星上还利用两副Ka频段馈电链路天线形成2个20/30GHz的可移动波束并连接至地面信关站。第二代铱系统支持星间链路功能，通过2副固定天线和2副可移动天线，与同一轨道面前、后，以及相邻轨道面左、右共计4颗卫星保持通信连接，星间链路工作于23GHz频段，也采用时分双工机制。

第二代铱星星座支持包括海事、航空、陆地、M2M（机器对机器）及政府服务等多个应用领域，并通过Iridium Certus（Certus为拉丁语，意为“确定”）新型多功能服务平台提供不同等级的速率组合的数据服务。此外，它搭载了对地观测和科学实验载荷，还搭载了用于全球民航飞机监测的广播式自动相关监视（ADS-B）载荷和用于船舶监测的自动识别系统（AIS）载荷，从而使第二代铱星演变成多功能卫星。

1.第二代铱系统通信能力提高

第二代铱系统相比第一代铱系统，在语音质量和数据传输速率方面的提升如表2-48所示。

2.第二代铱系统的应用

第二代铱系统开发了名为“Iridium Certus^SM”的新型多功能系列服务平台，可提供不同等级的速率组合的数据服务。该平台的优势如表2-49所示。

Iridium Certus^SM的种类及应用如表2-50所示。

3.第二代铱系统用户终端的应用

第二代铱系统用户终端的海上应用、陆地应用和空中应用依次如表2-51～表2-53所示。

4.第二代铱星地球观测搭载项目

第二代铱星地球观测搭载项目示例如表2-54所示。