卫星移动通信发展现状及趋势

余风平，陈 侃

（中国交通通信信息中心，北京 100011）

卫星移动通信发展现状及趋势

余风平，陈 侃

（中国交通通信信息中心，北京 100011）

本文首先分析了目前全球主要卫星移动通信的发展现状，重点介绍了海事卫星和铱星，然后展望了未来卫星移动通信的发展趋势。

卫星移动通信；海事卫星；国际移动卫星公司

1　引言

卫星通信是以空间卫星作为中继载体的一种通信方式，是在地面微波中继通信和空间电子技术的基础上发展起来的，上世纪六十年代中期，卫星通信技术走向成熟。按照国际电信联盟（ITU）的规定，卫星通信业务可分为两类，即卫星固定通信业务（FSS）和卫星移动通信业务（MSS）。本文将主要介绍卫星移动通信的发展现状，并就其发展趋势进行展望。

2　卫星移动通信发展现状

2.1移动通信卫星分类

卫星移动通信的频率资源非常有限，由几家主要的卫星移动运营商形成了垄断，按照卫星移动通信轨道分布的情况，下面分别进行简要介绍。

2.1.1 同步轨道移动通信卫星

最早问世的移动通信卫星是同步轨道移动通信卫星，从上世纪七十年代至今已经发展了几代，经历从模拟到数字，从窄带到宽带，从电路交换到IP交换，从单波束到多点波束，实现了跨越式发展。世界主要的同步轨道移动通信卫星系统有海事卫星和铱星。

海事卫星是由国际移动卫星公司（Inmarsat）运营的全球移动通信卫星系统，从上世纪八十年代至今已经发展了四代L波段的卫星通信系统。它通过有限的频率资源，使用按需分配多址接入的方式为全世界提供了近50万个通信终端的服务。它可以提供传统的移动话音业务、低速数据业务、高速互联网接入，以及全球海上遇险与安全服务。4 颗Inmarsat-4卫星是目前Inmarsat系统的主力军，相比Inmarsat-3容量大20倍，可以提供全球宽带局域网（BGAN）业务，并支持手持机通话业务。Inmarsat-4每颗卫星有193个窄点波束、19个区域波束、1个全球波束，信道总数超过600个，可支持用户最高数据速率达到800kb/s。

阿联酋的瑟拉亚（Thuraya）卫星由美国波音公司制造，第一颗卫星Thuraya-1于2000年10月发射升空，2003年和2008年陆续发射了Thuraya-2与Thuraya-3。Thuraya卫星使用了增强的有源相控阵天线与数字信号处理器相结合的多波束成形技术，可以改变波束指向，实现波束变形，进行信道组合与切换，从而能够根据地面通信容量的变化灵活地控制波束的方向和功率，提高覆盖范围和频率的利用率。地面使用的多模手机可以兼容卫星、GSM和GPS业务。近年来瑟拉亚开始发展宽带数据业务，共享IP可以实现最高444kb/s通信速率。

2.1.2 低轨道移动通信卫星

由于同步轨道移动通信卫星存在轨道高、路径长、链路损耗大、传输时延长、单星成本高等弱点，加上同步轨道资源紧张，同步轨道卫星在两极地区有盲区不能实现真正全球覆盖，为此，20世纪90年代中期起，一些低轨道卫星应运而生。典型的低轨道移动通信卫星系统主要有铱星（Iridium）、全球星（Globalstar）、轨道通信卫星（Orbcomm）等。

“铱星”(Iridium)卫星通信系统是美国摩托罗拉公司设计的全球移动通信系统。1987年提出第一代铱星通信星座系统；1992年“铱星”卫星开始研发；1997年5月5日，第一批5颗“铱星”卫星在范登堡空军基地升空；1998年11月铱星系统在全球投入运营。通过多年的摸索，铱星公司改换思路，走低价、普及、平民化的道路，逐步开始盈利。2007年铱星公司宣布进行新一代铱星的研发工作，将在2016年开始卫星发射，并于2017年提供服务。

全球星是由美国劳拉公司和高通公司倡导发起的卫星移动通信系统，由48颗卫星组成。从1998年2月到2000年2月，经过14次发射，第一代全球星卫星星座建成并开始提供服务，在全球范围（不包括南北极）向用户提供无缝隙覆盖的、低价的卫星移动通信业务，业务包括话音、传真、数据、短信息、定位服务等。由于全球星系统没有星间链路，是一个星型结构的通信系统，所有用户通信均需要通过地面关口站进行交换处理，因此其服务覆盖范围受地面基础设施的限制。第二代的全球星已于2013年2月正式完成与第一代的更新换代，可以运行至2025年,可以提供更大的高峰需求呼叫容量，能为文件传输和视频应用提供更高的数据传输速率，并可集成辅助地面组件和地面应用，为视频流和宽带数据业务提供更好的网络管理。

轨道通信（Orbcomm）是目前全球第一个也是惟一一个广域、分组交换、双向段数据低轨小卫星通信系统，用于短数据通信，同时兼备定位能力,使用其通信服务的企业和政府机构能够有效跟踪、监测、控制拥有的固定或流动资产。美国第一代Orbcomm系统由位于4个轨道面上的35颗卫星组成，1998年组成星座并正式提供商业服务。Orbcomm公司已投资2.3亿美元建设二代卫星系统,今年将发射第二批11颗卫星，完成组网。第二代卫星系统可支持用户数量是第一代卫星的12倍，数据传输速率更快，传输量更大。卫星拟配备AIS自动识别系统有效载荷，接受与报告来自配备了AIS的海上船只的信号，它将在海上船只避碰、助航、搜寻、救助等各方面有着广泛应用。第二代Orbcomm卫星星座具有向下兼容性，第一代用户通信终端设备可与第二代卫星实现无缝链接。

2.2卫星移动通信市场现状

目前，根据2014年披露的数据，全球共有五家主要的卫星移动通信运营商，其中Inmarsat占据了市场一半的份额，处于绝对优势地位。传统卫星移动通信公司也认识到了市场上对于宽带数据通信需求的不断增长，由于MSS带宽资源的限制，现在只能提供类似于陆地移动通信3G的服务，而对于4G及更高速率业务的需求暂时心有余而力不足。Inmarsat正跳出传统的业务市场划分思维，即将推出Ka波段的宽带通信业务，实现MSS和FSS的跨界。而Iridium和Orbcomm则另辟蹊径，着眼AIS这类小数据业务发展。

表1 卫星移动通信市场占有率

3　典型卫星移动通信系统

作为同步、低轨道卫星的代表，下面将分别就海事卫星、铱星的系统特点、发展现状做重点分析阐述。

3.1海事卫星

自1979年Inmarsat成立，随着通信技术发展的日新月异，用户对卫星通信的需求也在不断增长变化，在迎合满足用户需求的同时，海事卫星也在循序渐进的稳步向前。至今，Inmarsat卫星系统已发展至第五代，在保证提供安全性移动性优异的L波段业务同时，跨界转战Ka波段提供高容量、高带宽业务。经过不断的技术升级和发展，Inmarsat卫星从第一代的模拟信号，发展到第二、三代的数字信号，再到第四代的宽带通信，直到今天第五代更高宽带的高速数据通信。海事卫星追随着技术、适应着时代、充分发挥着自身的特长，持续不断地为全球提供公益和商用的无缝通信服务。

目前，Inmarsat正在准备研发第六代卫星，其主要目标是将自己开发六代星的核心模块和射频授权给相应终端厂商，降低行业进入门槛，提供更丰富的产品线。同时，通过软件无线电、芯片集成的方式，实现终端的小型化、价格平民化，提供更加丰富、市场接受度更高的应用。六代星现确定使用L波段，计划设计三颗地面静止轨道卫星。考虑到四代星将在2023年达到预期寿命，计划2019年发射第一颗卫星，2022年完成星群部署。另外，六代星还将搭载Ka波段载荷，实现对五代星的补充覆盖。另外，Inmarsat还与欧洲陆地移动电信运营商合作，建设S波段卫星与地面基站混合组网的通信系统，满足欧洲不断增长的航空通信需求。

Inmarsat在2015年实现总收入12.74亿美元，与2014年12.86亿美元相比出现小幅下降，但基本保持稳定。按照不同业务板块划分，其中海上市场占收入份额51%，政府市场24%，企业市场14%，航空市场11%。针对传统的L波段业务，2015年收入8.32亿美元，连续3年实现增长。

3.2铱星

第一代“铱星”卫星通信系统使用66颗卫星，分布在6条轨道上，轨道平面间隔30°，组成卫星星座。铱系统的最大特点是采用了星际链路，星际链路采用Ka频段，每个卫星可以同时和同轨道内的前后各一颗卫星及左右相邻轨道中的各一颗卫星交叉相连。由于第一代铱星已经服役快20年，到了生命周期末期，同时为了持续保障整个系统的通信能力，铱星公司正计划启用第二代铱星系统。第二代“铱星”星座（Iridium-NEXT）共计81颗，包括66颗在轨正式卫星，6颗在轨备份卫星，剩余9颗卫星在地面仓库备用。铱星公司计划在2017年完成第二代铱系统的星座部署，在此之前现有的“铱星”卫星星座保持运行，直到第二代“铱星”全面运作。第二代“铱星”卫星提供L频段速度高达1.5Mb/s通信能力，适应了信息化时代对于带宽的需求，提升了市场竞争力。

除了传统的L波段通信载荷外，第二代“铱星”内置“ADS-B”载荷。ADS-B是自动相关监视广播的简称，顾名思义，系统无需人工操作或者询问，可以自动地从相关机载设备获取参数向其他飞机或地面站广播飞机的位置、高度、速度、航向、识别号等信息，以供管制员对飞机状态进行监控。铱星公司与加拿大、意大利、丹麦和爱尔兰空中导航服务提供商(ANSP)成立合资公司Aireon，提供ADS-B全球服务。根据第二代铱星发射计划，Aireon预计将在2018年提供全球无缝隙的ADS-B数据服务。

铱星与Harris公司达成协议，利用二代铱星的剩余空间搭载Harris公司的AppSTAR的可配置载荷平台，提供卫星AIS服务。Harris已经与全球AIS数据服务商exactEarth在2015年达成协议，在第二代铱星搭载58个AIS载荷，使用exactEarth公司AIS算法，通过VHF频段实现海上AIS信号的无缝覆盖。exactEarth现已拥有8颗低轨道AIS卫星，计划还将发射2颗。

截至2015年底，铱星用户数超过78.2万，五年年均增长率13%，营业收入4.114亿美元，实现小幅度提升。

4　卫星移动通信发展趋势

4.1多元化业务

随着卫星移动通信的发展，传统的语音、数据、短信功能已经不能满足越来越高的数据和通信的要求，未来的卫星移动通信系统功能更多样化。比如，ADS-B数据服务和AIS船舶监视功能，基于卫星的ADS-B监视能为飞机提供完全的连续的天基监视与控制，尤其是在缺少地面接收站的海洋和偏远地区，将发挥重要作用，实现飞行轨迹和高度的优化，提高航空公司的运行和燃料效率，同时显著降低世界各国空管机构（ANSPs）的基础设施成本。

4.2融合式发展

从最初的单独组网到多网互联发展，借助地面通信网络的优势，实现与地面通信网络的互联互通和在多制式网络中的相互漫游，最后组成无缝覆盖全球的通信系统。同时，面向用户多样性信息需求，提出多要素融合应用模式，发展天地一体化信息融合共性理论，建立信息融合应用模型，突破相关关键技术并制定标准，形成安全、可靠、标准的多源空间信息融合体系架构，推动天、空、地、海信息的融合应用和产业化发展。

4.3多频段互补

随着日益增加的带宽需求和高速数据处理需求，卫星通信朝着宽带化、IP化发展，卫星移动通信系统使用高频段已经成为一种趋势，各种频段的系统相继出现，并将共同存在，同时，在通信保障上还可以根据频段的自身特点形成互补。InmarsatGX业务通过采用Ka波段宽带通信技术与四代星L波段超强抗干扰通信技术的黄金组合，克服了诸多卫星通信系统中存在的全球覆盖性差、通信质量受不良天气影响明显、通信带宽低等问题，为陆、海、空三大领域提供真正意义上的全球、全时、全天候的宽带数据、语音的通信服务。

5　结束语

在卫星通信迅速发展的形势下，卫星移动通信是未来无所不在的个人通信不可或缺的手段，市场潜力巨大。同时，卫星移动通信正在往多频段、多功能和一体化的方向发展。

[1] 刘思杨．卫星移动通信系统发展现状及趋势．现代电信科技，2014(7):23-28

[2] 吕子平，梁鹏，陈正君，韩淼．卫星移动通信发展现状及展望．卫星应用，2016(1):48-55

[3] 细说低轨道卫星．卫星界

The Latest Development Status and Trends of Mobile Satellite Communication

Yu Fengping, Chen Kan
(China Transport Telecommunications & Information Center, Beijing, 100011)

This paper introduces the latest development status of the main mobile satellite communication in the world, especially elaboratesInmarsat and Iridium, then discusses the trends of mobile satellite communication.

Mobile Satellite Communication; Maritime Satellite; Inmarsat

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2016.11.010

TN927+.23

A

1672-7274（2016）11-0034-04