2.11 全球星卫星通信系统
2.11.1 系统简介
全球星（Globalstar）卫星通信系统（以下简称全球星系统）是由美国劳拉、高通等公司倡导发展的由48颗低轨道卫星组成的全球卫星移动通信系统。全球星卫星采用透明转发器和多波束天线，向用户提供语音、传真、数据和定位等业务。其用户终端包括：单模手机、双模手机、三模手机；车载/机载/船载移动终端；半固定终端及固定终端。
全球星系统于1999年开始商业运营。2002年2月，美国全球星公司宣布申请破产保护，并于2004年4月完成重组。全球星系统在中国地区的业务由中宇卫星移动通信有限责任公司经营管理。该公司第一个信关站建在北京，全球星系统中国信关站的服务区可以覆盖中国陆地领土面积80%以上的区域，并覆盖中国的渤海、东海，以及日本海的部分区域，于2000年5月在国内正式提供全球星服务。
全球星系统由空间段、地面段和用户段组成。其系统架构如图2-70所示。
全球星系统的空间段由分布在8个轨道面上的48颗工作卫星组成，卫星采用透明转发方式；地面段包括地面操作控制中心（GOCC）、卫星操作控制中心（SOCC）、信关站（GW）和全球星数据网（GDN）；用户段指使用全球星系统业务的各类用户终端设备。
图2-70 全球星系统架构
用户链路用于移动用户与卫星之间的通信，采用L频段和S频段，上行L频段的频率为1610～1626.5MHz，下行S频段的频率为2483.5～2500MHz；调制方式为QPSK，采用卷积编码、维特比译码，多址方式为CDMA/FDMA/SDMA，即系统利用48颗卫星和每颗卫星上的16个点波束，按照相邻波束使用同一组频率的方式对可用频带进行空分频率复用，然后在每个波束内把16.5MHz的总可用频带划分为13条带宽为1.23MHz的CDMA信道，如图2-71所示。每个CDMA载波的码片速率为1.2288Mchip/s，信息速率最高可为9.6kbps。每颗卫星可提供2000～3000条信道。
馈电链路用于信关站和卫星之间的通信，采用C频段，上行工作频率为5091～5250MHz，下行工作频率为6875～7055MHz；调制方式为QPSK，多址方式为FDMA/FDM。馈电链路占用约160MHz的连续带宽，此带宽被分为8个子带，通过交叉极化复用（LHCP和RHCP），使得上行链路和下行链路各得到16个带宽为16.5MHz的子带，每个子带对应一个用户链路的上行或下行点波束，如图2-72所示。需要说明的是，图2-72中上行工作频率5091～5250MHz、下行工作频率6875～7055MHz中依次包含遥控频率和遥测频率占用的频带，图中未画出。
图2-71 全球星系统用户链路频率计划
图2-72 全球星系统馈电链路频率计划
2.11.2 空间段
全球星系统的空间段由分布在8个轨道面上的48颗低轨道卫星组成，它是一个覆盖地球南、北纬70°之间地区的华尔克网状星座（见图2-73），其运行模式是随时都保证绕全球均匀分布。
48颗卫星分别按8个圆形倾斜轨道运行，每个轨道面有6颗卫星，轨道离地球表面高度为1400km，用户对一颗卫星的可见时间平均为10～12min。
对于48颗卫星对地球的覆盖情况，在中纬度地区，卫星重复覆盖频次最多；在南、北纬度高于60°和低于25°的地区，卫星重复覆盖频次最少，在覆盖区内经常保持2～4颗卫星覆盖同一用户所在地区。卫星在覆盖区的仰角平均大于16°，最低约10°。在南、北纬50°之间的地区，用户终端至少能同时与两颗全球星卫星建立通信，以提供路径分集。
图2-73 全球星系统星座
全球星卫星采用三轴姿态稳定方式，由一个梯形主体部分、两个展开式太阳能电池翼和一个位于悬杆上的展开式磁场计组成。梯形的设计便于一枚运载火箭运载多颗卫星。全球星卫星外形如图2-74所示。
全球星卫星有效载荷方框图如图2-75所示。其采用透明转发方式，用户链路使用L频段和S频段多波束天线，馈电链路使用C频段全球波束天线。
图2-74 全球星卫星外形
图2-75 全球星卫星有效载荷方框图
全球星系统星座及全球星卫星的主要技术性能如表2-55和表2-56所示。
表2-55 全球星系统星座的主要技术性能
表2-56 全球星卫星的主要技术性能
续表
2.11.3 地面段
全球星系统的地面段包括信关站、地面操作控制中心、卫星操作控制中心和全球星数据网4个部分。
信关站是指设置在全球各地的地球站。每个信关站可同时与3颗卫星通信，并把卫星网和地面公用通信网（PSTN/PLMN）连接起来，每个用户终端可通过一颗或几颗卫星和信关站实现与全球任何地区终端的通信。
信关站是连接全球星用户和地面公用通信网的桥梁。全球星用户经全球星卫星由信关站介入PSTN/PLMN。信关站的主要功能如下。
（1）利用卫星操作控制中心提供的卫星星历信息按程序跟踪卫星。
（2）分别跟踪相对于信关站不断移动的、与信关站距离最近的3颗卫星。
（3）将通信信道周期性地由一颗即将下落的卫星切换至正在升起的下一颗卫星，这种切换对用户来说是透明的。
（4）处理本系统与各种不同通信网，如PSTN/PLMN之间的接口，接续处理用户呼叫信息，以及建立和拆除通信电路。
信关站分为网路协调信关站（NCG）和标准信关站两种。两种信关站的主要传输性能相同，网路协调信关站比标准信关站增设了相关的计算机设备。网路协调信关站是处理一个信关站以上业务的主要信关站，它协助地面操作控制中心处理信关站之间的路由选择，并向地面操作控制中心提供通信信号的监测信息。
每个信关站包括射频分系统、CDMA通信分系统、管理分系统和交换分系统四部分。交换分系统与地面蜂窝移动交换中心相连，这样可通过全球星系统扩大地面蜂窝移动通信网的覆盖范围。
信关站把全球星卫星的无线网络与地面公共通信网相连，或者直接连入市话局。从这个意义上说，信关站是网络传输和网络信令的终端点。信关站的主要技术特性如表2-57所示。
表2-57 全球星系统信关站的主要技术特性
地面操作控制中心负责管理全球星系统的地面设备，接收有关业务的数据信息，编制通信业务资源计划，给各信关站分配各卫星信道、频率及时序，实施通信系统的监测等。
卫星操作控制中心负责管理全球星系统的星座。其设置主、备用站，并与跟踪、遥测和指令（TT&C）站设置共用天线。主、备用站位于不同经度，以减少与卫星保持联络过程的不衔接所造成的联系中断时间。选择站址的纬度时，要保证在卫星跨越赤道和向北最大偏移（52°）时能保持联系。每个TT&C站有4副天线，以保证与每颗卫星在整个可见时间内保持联系。
卫星操作控制中心的主要功能如下。
（1）通过TT&C站接收遥测跟踪信息，发送实时和存储的定时指令，监控星上分系统的工作状态。
（2）通过测距和测角等信息，确定卫星轨道参数，编制星历表，对卫星的启用、退役和备用进行规划、监测与控制。
（3）利用网路协调信关站的通信信号监测设备进行在轨测试。
（4）向地面操作控制中心、信关站提供星座运行状态的各种信息。
全球星数据网是一个用于连接信关站、地面操作控制中心和卫星操作控制中心的广域通信网。信关站、地面操作控制中心和卫星操作控制中心彼此通过全球星数据网进行信息交换。
2.11.4 用户段
全球星系统的用户终端主要有固定站、移动站、个人站和无线电定位终端4类。
固定站主要用于地面网很难覆盖到的区域，包括天线、无线电单元和可选的数字电话三部分。数字电话具有显示正进行的呼叫处理、语音及邮件的图标和存储经常使用的电话号码等功能。
移动站是指安装在各类移动载体（如车辆、船舶和飞机等）上的终端。为了方便使用和安全考虑，该类终端被架设在支架上，并由支架供电，以延长电池的寿命。移动站采用全向天线。
个人站是指全球星系统的手持机。手持机有3种工作模式，即单模、双模和三模。
双模手机向GSM蜂窝电话用户提供全球漫游业务，当用户离开地面蜂窝移动通信网的覆盖区域后，全球星系统可向用户提供与蜂窝系统类似的服务；当处在地面蜂窝移动通信网覆盖区域内时，用户可以使用地面蜂窝移动通信网，也可以使用全球星系统提供的服务。
三模手机向IS-95/AMPS（高级移动电话系统）蜂窝电话用户提供全球漫游业务，当用户离开地面蜂窝移动通信网的覆盖区域后，全球星系统向用户提供与蜂窝系统类似的服务；当处在IS-95/AMPS网的覆盖区域内时，用户可以继续使用地面蜂窝移动通信网。
现用的全球星系统多模手机主要有高通三模手机、爱立信双模手机和泰立塔尔双模手机。它们的外形如图2-76所示，其主要技术特性如表2-58所示。
图2-76 全球星系统多模手机外形
表2-58 全球星系统多模手机的主要技术特性
续表
全球星系统提供了专用的无线电定位终端，用于用户无线电定位业务，在80%的时间内，其定位精度优于300m。另外，全球星系统在固定站、移动站和个人站中都提供定位、全球寻呼、传信等可选业务。
2.11.5 第二代系统
2007年2月，全球星公司宣布，由于卫星S频段固态放大器的性能下降，全球星系统无法提供双向语音业务。因此，其于2007年分两次将8颗地面备份卫星发射入轨，尽可能弥补性能损失，同时加速部署第二代系统。
经过论证，全球星公司认为只需要30颗卫星就能提供双向语音业务。于是，全球星公司向泰雷兹-阿莱尼亚空间公司订购了24颗第二代卫星。从2010年10月至2013年2月，24颗卫星经4次一箭6星发射成功。2013年8月，24颗卫星全部投入运行，加上8颗第一代卫星，实际32颗在轨卫星具有全部功能，全球星系统的双向语音业务全面恢复。第二代卫星的外形如图2-77所示，第二代卫星与第一代卫星的主要差别如表2-59所示。
图2-77 第二代卫星的外形
表2-59 全球星系统的第二代卫星与第一代卫星的主要差别
2.11.6 应用情况
全球星系统为透明转发通信系统，没有星间链路，需要依赖复杂的地面网络实现通信功能，相比铱系统来说，这是一个劣势。但是，从另一个角度看，全球星系统的扩展性更强，即在不改变卫星的情况下，其通过地面系统升级，可以快速改善系统性能。
爱立信公司为全球星系统建设核心网；休斯网络系统公司为全球星建设地面无线接入网络，设计新一代终端的接口芯片，实现新一代全球星系统通信能力的大幅度提升，使其业务种类更加丰富。
全球星系统为自己设定了3种应用场景。
（1）无地面网络的区域。
（2）地面网络发生故障时：为易受自然灾害侵扰的区域提供更加可靠的选择；在地面网络拥塞或基础设施故障时，为政府安全部门提供通信服务；为对业务有连续性要求的民间组织、应急响应部门或商业部门提供基本通信服务。
（3）已有地面网络区域的漫游应用：提供全球无处不在、无时不在的资产跟踪服务及低价国际漫游服务。
全球星系统提供3类基本业务，即双工、SPOT和单工，如表2-60所示。
表2-60 全球星系统提供的3类基本业务
续表
