衛(wèi)星通信在人們的日常生活中有著廣泛的應(yīng)用，例如，很多家庭收看的電視節(jié)目都是通過(guò)衛(wèi)星廣播來(lái)發(fā)送的，大海中的航船也是通過(guò)衛(wèi)星通信來(lái)和外界進(jìn)行聯(lián)系。
衛(wèi)星通信具有一些其他的通信方式難以媲美的優(yōu)勢(shì)。衛(wèi)星信號(hào)在地面的覆蓋范圍極其廣闊，能夠很方便的連接從天涯到海角的用戶，以及向地廣人稀的地區(qū)提供通信網(wǎng)絡(luò)或廣播等通信服務(wù)。衛(wèi)星在空中運(yùn)行，不會(huì)受到地面環(huán)境變化和自然災(zāi)害的影響，具有地面通信系統(tǒng)無(wú)法企及的高可靠性，能夠在應(yīng)急救災(zāi)事故中發(fā)揮出關(guān)鍵的作用。衛(wèi)星通信可用的頻率資源非常豐富，能夠向地面、海上、空中等各種類型的用戶提供寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)。
下面我們將從衛(wèi)星廣播、衛(wèi)星移動(dòng)通信、衛(wèi)星應(yīng)急通信和衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)四個(gè)方面，來(lái)看看衛(wèi)星通信的具體應(yīng)用。
1.衛(wèi)星廣播
衛(wèi)星是一種空間電臺(tái)，可以看成是將地面的通信基站抬升到幾百公里至三萬(wàn)多公里的高空。我們知道，通信基站發(fā)射塔建的越高，則信號(hào)的覆蓋范圍越廣。因此衛(wèi)星可以輕松地利用高度優(yōu)勢(shì)來(lái)覆蓋地面上非常廣泛的區(qū)域，例如，僅通過(guò)三顆靜止軌道衛(wèi)星就可以覆蓋地球上除南北極以外的所有區(qū)域。
衛(wèi)星廣播能夠很好的發(fā)揮出衛(wèi)星覆蓋范圍廣的優(yōu)勢(shì)，利用衛(wèi)星作為“空中廣播基站”將電視或音頻信號(hào)送到千家萬(wàn)戶。我們以衛(wèi)星電視廣播為例來(lái)看一下衛(wèi)星廣播系統(tǒng)。圖1為衛(wèi)星電視廣播系統(tǒng)的構(gòu)成示意圖，主要由廣播電視衛(wèi)星、廣播電視上行站、地面用戶接收站三個(gè)部分組成。
廣播電視上行站將錄制好的電視節(jié)目通過(guò)地面上的一個(gè)尺寸較大的拋物面天線發(fā)射到衛(wèi)星，然后衛(wèi)星將收到的信號(hào)以很寬的波束向地面轉(zhuǎn)發(fā)下來(lái)。這樣，在地球上衛(wèi)星所覆蓋的上千公里范圍內(nèi)的用戶就都可以通過(guò)天線收到電視廣播信號(hào)了。最后用戶再通過(guò)一個(gè)機(jī)頂盒就可以收看豐富多彩的電視節(jié)目了。
圖1 衛(wèi)星廣播系統(tǒng)示意圖
世界上很多國(guó)家和地區(qū)都發(fā)射了用于廣播的衛(wèi)星，并且有些國(guó)家同時(shí)擁有多顆廣播衛(wèi)星，這些衛(wèi)星都在空中軌道上向地面提供廣播服務(wù)。由于這些衛(wèi)星的覆蓋范圍有非常多的重疊區(qū)域，如果它們都使用相同的頻率來(lái)發(fā)射信號(hào)，就會(huì)發(fā)生信號(hào)干擾事件，因此必須給它們分配不同的頻率。
分配衛(wèi)星頻率是一個(gè)十分復(fù)雜的過(guò)程，需要進(jìn)行國(guó)際協(xié)調(diào)。這一工作是在國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）的主持下進(jìn)行的。在頻率分配計(jì)劃中，將全世界分為三個(gè)區(qū)域，我國(guó)屬于第三區(qū)（主要包括亞太國(guó)家）[1]。在第三區(qū)中，衛(wèi)星廣播業(yè)務(wù)的常用頻段是[2] ：
Ku頻段，下行頻率11.7-12.2 GHz；
Ka頻段：下行頻率21.4-22 GHz；
L頻段：下行頻率1452-1492 MHz（限于數(shù)字聲音廣播）；
S頻段：下行頻率2520-2670 MHz。
目前，我國(guó)所使用的廣播電視專用衛(wèi)星有3顆，即中星6A、中星6B和亞洲6號(hào)。此外，亞太5號(hào)、亞太6號(hào)、中星10號(hào)等通信衛(wèi)星也承擔(dān)了部分廣播電視業(yè)務(wù)。在直播衛(wèi)星方面，我國(guó)現(xiàn)有2顆廣播電視專用直播衛(wèi)星，分別是中星9號(hào)和中星9A，主要為我國(guó)邊遠(yuǎn)地區(qū)、農(nóng)村地區(qū)的用戶提供廣播電視節(jié)目的個(gè)體接收[3]。
2.衛(wèi)星移動(dòng)通信
在信息技術(shù)飛速發(fā)展的今天，手機(jī)等通信終端已經(jīng)成為人們生活中不可或缺的一部分。地面移動(dòng)通信，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是手機(jī)和手機(jī)的通信是通過(guò)基站來(lái)完成的，基站就相當(dāng)于把手機(jī)連在一起的無(wú)形的線。圖2是地面移動(dòng)通信系統(tǒng)示意圖。
圖2 地面移動(dòng)通信系統(tǒng)
然而移動(dòng)基站的覆蓋能力是有限的，如山區(qū)、荒漠、海上等無(wú)法搭設(shè)基站的地區(qū)，手機(jī)就無(wú)法與外界進(jìn)行通信。衛(wèi)星移動(dòng)通信能彌補(bǔ)地面移動(dòng)通信這一缺點(diǎn)，它可以利用地球靜止軌道或中、低軌衛(wèi)星作為中繼站，提供不受地理環(huán)境、氣候條件限制的通信服務(wù)，實(shí)現(xiàn)全球覆蓋。圖3為衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)示意圖。
圖3 衛(wèi)星移動(dòng)通信
衛(wèi)星移動(dòng)通信起步于二十世紀(jì)七十年代，起初是為船舶與陸地用戶之間提供區(qū)域性移動(dòng)通信服務(wù)。后來(lái)由國(guó)際海事組織倡導(dǎo)成立了國(guó)際海事衛(wèi)星組織，并于1982年開始提供全球海上移動(dòng)通信業(yè)務(wù)。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，衛(wèi)星移動(dòng)通信也在更多的領(lǐng)域發(fā)揮作用，如應(yīng)急通信、偏遠(yuǎn)地區(qū)通信等。表1為目前國(guó)外提供衛(wèi)星移動(dòng)通信服務(wù)的系統(tǒng)。
表1 衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)
我國(guó)加速發(fā)展衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的建設(shè)與2008年汶川大地震有一定的關(guān)系。當(dāng)時(shí)震區(qū)通信線路和大型通信設(shè)施都遭到破壞，主要依靠租用國(guó)外的海事衛(wèi)星系統(tǒng)（Inmarsat）來(lái)確保應(yīng)急通信，用于導(dǎo)航定位的北斗終端也“客串”通信。經(jīng)過(guò)各方的不懈努力，2012年我國(guó)首個(gè)衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)—天通一號(hào)衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)工程正式啟動(dòng)。2016年8月6日，天通一號(hào)首顆靜止軌道衛(wèi)星在西昌成功發(fā)射，并于2018年投入使用，由中國(guó)電信負(fù)責(zé)運(yùn)營(yíng)。目前覆蓋我國(guó)領(lǐng)土、領(lǐng)海和周邊地區(qū)，提供語(yǔ)音、短信、數(shù)據(jù)接入等業(yè)務(wù)，可以與地面公共電話網(wǎng)、移動(dòng)通信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)互連互通。圖4為我國(guó)的天通一號(hào)衛(wèi)星通信手持終端。
圖4 天通一號(hào)T900終端
由于地面移動(dòng)通信的快速發(fā)展，衛(wèi)星移動(dòng)通信目前僅作為其補(bǔ)充和延伸。但衛(wèi)星移動(dòng)通信的作用不僅僅體現(xiàn)在覆蓋范圍上，更重要的是在地震、洪水、冰雪等自然災(zāi)害后，地面移動(dòng)通信可能遭到損壞而陷入癱瘓，衛(wèi)星移動(dòng)通信能夠快速啟用，保證受災(zāi)區(qū)域與外界的聯(lián)系，加快救援速度，降低生命、財(cái)產(chǎn)的損失。衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)是國(guó)家的戰(zhàn)略性通信資源，在國(guó)家安全保障等方面發(fā)揮著重要的作用。
3.衛(wèi)星應(yīng)急通信
應(yīng)急通信是在出現(xiàn)自然災(zāi)害、突發(fā)事件、通信需求驟增等情況時(shí)，保障救援、緊急救助和必要通信所需的暫時(shí)性的通信手段和方法。在應(yīng)急通信中，衛(wèi)星通信系統(tǒng)相對(duì)于地面通信系統(tǒng)有著天然的優(yōu)勢(shì)：
l 通信范圍大。由于三顆地球靜止軌道衛(wèi)星就能覆蓋全球除兩極以外的地區(qū)，出現(xiàn)緊急情況時(shí)，可以利用衛(wèi)星對(duì)覆蓋區(qū)域內(nèi)的任意地點(diǎn)建立通信。
l 抗毀能力強(qiáng)。作為通信中繼的衛(wèi)星位于地球外的空間，不會(huì)受到地面自然災(zāi)害的影響，例如地震、颶風(fēng)等。
l 網(wǎng)絡(luò)部署快。衛(wèi)星通信不易受到地理?xiàng)l件的限制，只需要架設(shè)輕便的終端設(shè)備就能很快建立起可用的通信網(wǎng)絡(luò)。
衛(wèi)星應(yīng)急通信系統(tǒng)一般由衛(wèi)星、固定站、車載站、便攜站等構(gòu)成，如圖5所示。固定站一般作為指揮中心，進(jìn)行信息的匯總、命令的發(fā)布等；車載站可第一時(shí)間開赴應(yīng)急現(xiàn)場(chǎng)，將現(xiàn)場(chǎng)情況通過(guò)衛(wèi)星發(fā)送到指揮中心，并可提供與外界的應(yīng)急通信；便攜站可以深入到車輛無(wú)法到達(dá)的現(xiàn)場(chǎng)，并可快速的進(jìn)行架設(shè)，提供小范圍的與外界的應(yīng)急通信。
圖5 衛(wèi)星應(yīng)急通信系統(tǒng)示意圖
考慮到重大自然災(zāi)害可能造成地面通信網(wǎng)絡(luò)癱瘓的極端情況，國(guó)際電聯(lián)建議將衛(wèi)星通信作為重要備用通信手段。
世界上主要的發(fā)達(dá)國(guó)家均擁有較為完善的衛(wèi)星應(yīng)急系統(tǒng)。美國(guó)聯(lián)邦緊急事務(wù)管理局（FEMA）負(fù)責(zé)的緊急報(bào)警系統(tǒng)（EAS），在遇重大突發(fā)自然災(zāi)害等緊急狀況時(shí)，可通過(guò)商用衛(wèi)星系統(tǒng)向公眾發(fā)布相關(guān)信息。歐盟的e-Risk衛(wèi)星通信系統(tǒng)可用于支持突發(fā)公共事件的應(yīng)急處理，利用衛(wèi)星定位技術(shù)高效指導(dǎo)救援工作。日本建立了完善的應(yīng)急信息化基礎(chǔ)設(shè)施，用于災(zāi)害通信的衛(wèi)星有ETS-Ⅷ衛(wèi)星、WINDS衛(wèi)星、Superbird-D衛(wèi)星等。
我國(guó)也把衛(wèi)星通信作為應(yīng)急通信的一個(gè)重要組成部分來(lái)建設(shè)。中國(guó)移動(dòng)部署的“超級(jí)基站”，可在地面通信傳輸光纜中斷的情況下，切換至衛(wèi)星通信模式，以保障政府應(yīng)急通信指揮的需求。地震主管部門的專網(wǎng)包含了衛(wèi)星通信，部署了海事BGAN衛(wèi)星通信小站，遇突發(fā)地震等緊急情況下可啟用，以保障地震應(yīng)急通信；其他行業(yè)及行政部門如人防、水利、公安、林業(yè)等也均在全國(guó)建立了專屬的衛(wèi)星應(yīng)急通信平臺(tái)。
隨著衛(wèi)星通信的發(fā)展及應(yīng)急通信需求的提升，衛(wèi)星應(yīng)急通信未來(lái)將向低軌衛(wèi)星星座和高通量衛(wèi)星方向發(fā)展。低軌衛(wèi)星星座具有高分辨率和低成本的優(yōu)勢(shì)，大大降低衛(wèi)星應(yīng)急通信系統(tǒng)的建設(shè)成本和進(jìn)入門檻；高通量衛(wèi)星則具有容量大、終端小的優(yōu)勢(shì)，可以傳送高清視頻等多媒體信息，有效提高應(yīng)急通信的質(zhì)量和效率。
4.衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)
衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)是利用衛(wèi)星作為中繼站為各種類型的用戶提供互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)的系統(tǒng)。衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的最大優(yōu)勢(shì)是網(wǎng)絡(luò)覆蓋非常廣泛，并且不受地球上地理?xiàng)l件的限制，能夠以較低的運(yùn)營(yíng)成本將網(wǎng)絡(luò)延伸到地面通信網(wǎng)難以到達(dá)的任何地方，例如為海洋、空中或偏遠(yuǎn)山區(qū)等區(qū)域提供高速互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)。
圖6是衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的工作場(chǎng)景，在全球任何地方都可以通過(guò)衛(wèi)星將飛機(jī)、輪船、石油開采平臺(tái)、火車、住宅等各種場(chǎng)景中的用戶連接到互聯(lián)網(wǎng)。
圖6 衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的工作場(chǎng)景（來(lái)源：英國(guó)Ofcom）
衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)按照衛(wèi)星軌道高度的不同分為兩種類型：對(duì)地靜止軌道高通量衛(wèi)星系統(tǒng)和低軌道衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。
l 對(duì)地靜止軌道高通量衛(wèi)星系統(tǒng)
目前在用的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)主要使用的是對(duì)地靜止軌道高通量衛(wèi)星系統(tǒng)。這些衛(wèi)星在地球赤道上空的36000公里的高度運(yùn)行，能夠在幾千公里的覆蓋區(qū)域中實(shí)現(xiàn)高速互聯(lián)網(wǎng)連接。典型的衛(wèi)星系統(tǒng)有國(guó)際海事衛(wèi)星Global Xpress、ViaSat-1、Intelsat 29e以及我國(guó)的中星16號(hào)衛(wèi)星。這些衛(wèi)星都使用了頻率更高的Ka頻段，通信容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)的通信衛(wèi)星（容量從幾十Gbps到幾百Gbps），能夠提供高速互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)，如支持高清視頻傳輸。
但是，由于對(duì)地靜止軌道衛(wèi)星距離地面很遠(yuǎn)，無(wú)線電信號(hào)在從地面發(fā)射到衛(wèi)星并返回地面的傳輸過(guò)程中，所產(chǎn)生的時(shí)間延遲很大，大約是600-700毫秒。較長(zhǎng)的通信延遲影響了那些對(duì)通信實(shí)時(shí)性要求較高的應(yīng)用，如網(wǎng)絡(luò)電話或網(wǎng)絡(luò)游戲等。此外，赤道上空的對(duì)地靜止軌道衛(wèi)星的數(shù)量已經(jīng)接近飽和，很難找到合適的軌道位置再發(fā)射新的衛(wèi)星。這些條件都限制了對(duì)地靜止軌道高通量衛(wèi)星系統(tǒng)的應(yīng)用和發(fā)展。
l 低軌道衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)
近年來(lái)，低軌道衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)迅速發(fā)展起來(lái)，彌補(bǔ)了對(duì)地靜止軌道高通量衛(wèi)星的通信延遲較大和衛(wèi)星軌道位置有限的不足。低軌道衛(wèi)星在相對(duì)很低的空中運(yùn)行，距地面的高度大約是500～1200公里，大大減少了衛(wèi)星信號(hào)傳播經(jīng)過(guò)的距離，將時(shí)間延遲降到50毫秒之下，這與地面的通信網(wǎng)絡(luò)延遲相差不多。從而極大地?cái)U(kuò)展了衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用場(chǎng)景，能夠?yàn)樽≌⑸虡I(yè)、政府、車聯(lián)網(wǎng)、傳感器設(shè)備等提供廣覆蓋、高速率、低延時(shí)的網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)。
目前全球至少有10多家衛(wèi)星公司提出了低軌道衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座計(jì)劃，大多數(shù)計(jì)劃在未來(lái)兩三年內(nèi)組網(wǎng)建立衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。我國(guó)的衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商也在陸續(xù)提出由幾百顆衛(wèi)星組成的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座計(jì)劃。表2為全球幾家典型的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座情況。
表2 典型的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座情況
星座名稱
衛(wèi)星規(guī)模
軌道高度
軌道傾角
組網(wǎng)時(shí)間
所屬國(guó)家
O3b
42顆
8062km
0°
2018年
盧森堡
70°
OneWeb
1980顆
1200km
87.9°
2022年
英國(guó)
Starlink
4409顆
550km
53°
2024年
美國(guó)
1110km
53.8°
1130km
74°
1275km
81°
1325km
70°
Boeing
2956顆
1030km
45°
未知
美國(guó)
1082km
55°
970km
88°
Telesat
117顆
1000km
99.5°
2022年
加拿大
1248km
37.4°
LeoSat
84顆
1400km
90°
2022年
美國(guó)
Kuiper
3236顆
590km
33°
2029年
美國(guó)
610km
42°
630km
51.9°
虹云
156顆
1040km
80°
2022年
中國(guó)
鴻雁
54顆
1100km
84.6°
2023年
中國(guó)
衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的未來(lái)發(fā)展主要有以下兩個(gè)趨勢(shì)：
l 使用的頻率向更高的頻段擴(kuò)展
目前，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的頻率使用的主要集中在Ku（10.7-14.5GHz）和Ka（17.8-30GHz）頻段，如表3所示。這些頻段的使用目前已接近于飽和狀態(tài)。未來(lái)，為了提供更高的通信帶寬和支持更大的通信容量，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)將繼續(xù)向頻率更高的毫米波頻段演進(jìn)，如Q/V頻段（33-75 GHz）和W頻段（75 – 110 GHz）。
表3典型衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的頻率使用
鏈路類型
頻率使用范圍
OneWeb
SpaceX
O3b
關(guān)口站-衛(wèi)星
27.5-29.1GHz,
29.5-30.0GHz
27.5-29.1GHz,
29.5-30.0GHz
27.5-30GHz
衛(wèi)星-關(guān)口站
17.8-18.6GHz,
18.8-19.3GHz,
19.7-20.2GHz
17.8-18.6GHz,
18.8-19.3GHz
17.7-20.2GHz
用戶終端-衛(wèi)星
12.75-13.25GHz,
14.0-14.5GHz
14.0-14.5GHz
27.5-30GHz
衛(wèi)星-用戶終端
10.7-12.7GHz
10.7-12.7GHz
17.7-20.2GHz
l 衛(wèi)星系統(tǒng)和地面移動(dòng)通信系統(tǒng)相融合
滿足用戶無(wú)處不在的網(wǎng)絡(luò)連接需求是未來(lái)通信系統(tǒng)發(fā)展的重要方向。衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)在覆蓋范圍、可靠性等方面的優(yōu)勢(shì)能夠彌補(bǔ)地面移動(dòng)通信系統(tǒng)的不足，例如，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)可以在地面5G覆蓋的薄弱地區(qū)提供低成本的網(wǎng)絡(luò)覆蓋。衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)和地面移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的融合將構(gòu)成全球無(wú)縫覆蓋的海、陸、空、天一體化綜合通信網(wǎng)。
圖7 未來(lái)的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)
未來(lái)，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)有望成為連接萬(wàn)物的主干網(wǎng)，例如，連接汽車、火車、飛機(jī)、輪船、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備以及各種機(jī)器設(shè)備等，如圖7所示的未來(lái)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的構(gòu)想。最終，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)就像是散布在空中的很多個(gè)“超級(jí)WiFi熱點(diǎn)”，通過(guò)無(wú)線電信號(hào)連接無(wú)處不在的終端和設(shè)備。
參考文獻(xiàn)：
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本章作者：郝才勇 董潔 林輝 肖鑫 李偉
