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卫星通信在人们的日常生活中有着广泛的应用，例如，很多家庭收看的电视节目都是通过卫星广播来发送的，大海中的航船也是通过卫星通信来和外界进行联系。 卫星通信具有一些其他的通信方式难以媲美的优势。卫星信号在地面的覆盖范围极其广阔，能够很方便的连接从天涯到海角的用户，以及向地广人稀的地区提供通信网络或广播等通信服务。卫星在空中运行，不会受到地面环境变化和自然灾害的影响，具有地面通信系统无法企及的高可靠性，能够在应急救灾事故中发挥出关键的作用。卫星通信可用的频率资源非常丰富，能够向地面、海上、空中等各种类型的用户提供宽带互联网接入服务。 下面我们将从卫星广播、卫星移动通信、卫星应急通信和卫星互联网四个方面，来看看卫星通信的具体应用。 1.卫星广播 卫星是一种空间电台，可以看成是将地面的通信基站抬升到几百公里至三万多公里的高空。我们知道，通信基站发射塔建的越高，则信号的覆盖范围越广。因此卫星可以轻松地利用高度优势来覆盖地面上非常广泛的区域，例如，仅通过三颗静止轨道卫星就可以覆盖地球上除南北极以外的所有区域。 卫星广播能够很好的发挥出卫星覆盖范围广的优势，利用卫星作为“空中广播基站”将电视或音频信号送到千家万户。我们以卫星电视广播为例来看一下卫星广播系统。图1为卫星电视广播系统的构成示意图，主要由广播电视卫星、广播电视上行站、地面用户接收站三个部分组成。 广播电视上行站将录制好的电视节目通过地面上的一个尺寸较大的抛物面天线发射到卫星，然后卫星将收到的信号以很宽的波束向地面转发下来。这样，在地球上卫星所覆盖的上千公里范围内的用户就都可以通过天线收到电视广播信号了。最后用户再通过一个机顶盒就可以收看丰富多彩的电视节目了。 图1 卫星广播系统示意图 世界上很多国家和地区都发射了用于广播的卫星，并且有些国家同时拥有多颗广播卫星，这些卫星都在空中轨道上向地面提供广播服务。由于这些卫星的覆盖范围有非常多的重叠区域，如果它们都使用相同的频率来发射信号，就会发生信号干扰事件，因此必须给它们分配不同的频率。 分配卫星频率是一个十分复杂的过程，需要进行国际协调。这一工作是在国际电信联盟（ITU）的主持下进行的。在频率分配计划中，将全世界分为三个区域，我国属于第三区（主要包括亚太国家）[1]。在第三区中，卫星广播业务的常用频段是[2] ： Ku频段，下行频率11.7-12.2 GHz； Ka频段：下行频率21.4-22 GHz； L频段：下行频率1452-1492 MHz（限于数字声音广播）； S频段：下行频率2520-2670 MHz。 目前，我国所使用的广播电视专用卫星有3颗，即中星6A、中星6B和亚洲6号。此外，亚太5号、亚太6号、中星10号等通信卫星也承担了部分广播电视业务。在直播卫星方面，我国现有2颗广播电视专用直播卫星，分别是中星9号和中星9A，主要为我国边远地区、农村地区的用户提供广播电视节目的个体接收[3]。 2.卫星移动通信 在信息技术飞速发展的今天，手机等通信终端已经成为人们生活中不可或缺的一部分。地面移动通信，简单来说就是手机和手机的通信是通过基站来完成的，基站就相当于把手机连在一起的无形的线。图2是地面移动通信系统示意图。 图2 地面移动通信系统 然而移动基站的覆盖能力是有限的，如山区、荒漠、海上等无法搭设基站的地区，手机就无法与外界进行通信。卫星移动通信能弥补地面移动通信这一缺点，它可以利用地球静止轨道或中、低轨卫星作为中继站，提供不受地理环境、气候条件限制的通信服务，实现全球覆盖。图3为卫星移动通信系统示意图。 图3 卫星移动通信 卫星移动通信起步于二十世纪七十年代，起初是为船舶与陆地用户之间提供区域性移动通信服务。后来由国际海事组织倡导成立了国际海事卫星组织，并于1982年开始提供全球海上移动通信业务。随着技术的不断发展，卫星移动通信也在更多的领域发挥作用，如应急通信、偏远地区通信等。表1为目前国外提供卫星移动通信服务的系统。 表1 卫星移动通信系统 我国加速发展卫星移动通信系统的建设与2008年汶川大地震有一定的关系。当时震区通信线路和大型通信设施都遭到破坏，主要依靠租用国外的海事卫星系统（Inmarsat）来确保应急通信，用于导航定位的北斗终端也“客串”通信。经过各方的不懈努力，2012年我国首个卫星移动通信系统—天通一号卫星移动通信系统工程正式启动。2016年8月6日，天通一号首颗静止轨道卫星在西昌成功发射，并于2018年投入使用，由中国电信负责运营。目前覆盖我国领土、领海和周边地区，提供语音、短信、数据接入等业务，可以与地面公共电话网、移动通信网、互联网互连互通。图4为我国的天通一号卫星通信手持终端。 图4 天通一号T900终端 由于地面移动通信的快速发展，卫星移动通信目前仅作为其补充和延伸。但卫星移动通信的作用不仅仅体现在覆盖范围上，更重要的是在地震、洪水、冰雪等自然灾害后，地面移动通信可能遭到损坏而陷入瘫痪，卫星移动通信能够快速启用，保证受灾区域与外界的联系，加快救援速度，降低生命、财产的损失。卫星移动通信系统是国家的战略性通信资源，在国家安全保障等方面发挥着重要的作用。 3.卫星应急通信 应急通信是在出现自然灾害、突发事件、通信需求骤增等情况时，保障救援、紧急救助和必要通信所需的暂时性的通信手段和方法。在应急通信中，卫星通信系统相对于地面通信系统有着天然的优势： l 通信范围大。由于三颗地球静止轨道卫星就能覆盖全球除两极以外的地区，出现紧急情况时，可以利用卫星对覆盖区域内的任意地点建立通信。 l 抗毁能力强。作为通信中继的卫星位于地球外的空间，不会受到地面自然灾害的影响，例如地震、飓风等。 l 网络部署快。卫星通信不易受到地理条件的限制，只需要架设轻便的终端设备就能很快建立起可用的通信网络。 卫星应急通信系统一般由卫星、固定站、车载站、便携站等构成，如图5所示。固定站一般作为指挥中心，进行信息的汇总、命令的发布等；车载站可第一时间开赴应急现场，将现场情况通过卫星发送到指挥中心，并可提供与外界的应急通信；便携站可以深入到车辆无法到达的现场，并可快速的进行架设，提供小范围的与外界的应急通信。 图5 卫星应急通信系统示意图 考虑到重大自然灾害可能造成地面通信网络瘫痪的极端情况，国际电联建议将卫星通信作为重要备用通信手段。 世界上主要的发达国家均拥有较为完善的卫星应急系统。美国联邦紧急事务管理局（FEMA）负责的紧急报警系统（EAS），在遇重大突发自然灾害等紧急状况时，可通过商用卫星系统向公众发布相关信息。欧盟的e-Risk卫星通信系统可用于支持突发公共事件的应急处理，利用卫星定位技术高效指导救援工作。日本建立了完善的应急信息化基础设施，用于灾害通信的卫星有ETS-Ⅷ卫星、WINDS卫星、Superbird-D卫星等。 我国也把卫星通信作为应急通信的一个重要组成部分来建设。中国移动部署的“超级基站”，可在地面通信传输光缆中断的情况下，切换至卫星通信模式，以保障政府应急通信指挥的需求。地震主管部门的专网包含了卫星通信，部署了海事BGAN卫星通信小站，遇突发地震等紧急情况下可启用，以保障地震应急通信；其他行业及行政部门如人防、水利、公安、林业等也均在全国建立了专属的卫星应急通信平台。 随着卫星通信的发展及应急通信需求的提升，卫星应急通信未来将向低轨卫星星座和高通量卫星方向发展。低轨卫星星座具有高分辨率和低成本的优势，大大降低卫星应急通信系统的建设成本和进入门槛；高通量卫星则具有容量大、终端小的优势，可以传送高清视频等多媒体信息，有效提高应急通信的质量和效率。 4.卫星互联网 卫星互联网是利用卫星作为中继站为各种类型的用户提供互联网接入服务的系统。卫星互联网的最大优势是网络覆盖非常广泛，并且不受地球上地理条件的限制，能够以较低的运营成本将网络延伸到地面通信网难以到达的任何地方，例如为海洋、空中或偏远山区等区域提供高速互联网接入服务。 图6是卫星互联网的工作场景，在全球任何地方都可以通过卫星将飞机、轮船、石油开采平台、火车、住宅等各种场景中的用户连接到互联网。 图6 卫星互联网的工作场景（来源：英国Ofcom） 卫星互联网系统按照卫星轨道高度的不同分为两种类型：对地静止轨道高通量卫星系统和低轨道卫星互联网系统。 l 对地静止轨道高通量卫星系统 目前在用的卫星互联网主要使用的是对地静止轨道高通量卫星系统。这些卫星在地球赤道上空的36000公里的高度运行，能够在几千公里的覆盖区域中实现高速互联网连接。典型的卫星系统有国际海事卫星Global Xpress、ViaSat-1、Intelsat 29e以及我国的中星16号卫星。这些卫星都使用了频率更高的Ka频段，通信容量远远大于传统的通信卫星（容量从几十Gbps到几百Gbps），能够提供高速互联网接入服务，如支持高清视频传输。 但是，由于对地静止轨道卫星距离地面很远，无线电信号在从地面发射到卫星并返回地面的传输过程中，所产生的时间延迟很大，大约是600-700毫秒。较长的通信延迟影响了那些对通信实时性要求较高的应用，如网络电话或网络游戏等。此外，赤道上空的对地静止轨道卫星的数量已经接近饱和，很难找到合适的轨道位置再发射新的卫星。这些条件都限制了对地静止轨道高通量卫星系统的应用和发展。 l 低轨道卫星互联网系统 近年来，低轨道卫星互联网系统迅速发展起来，弥补了对地静止轨道高通量卫星的通信延迟较大和卫星轨道位置有限的不足。低轨道卫星在相对很低的空中运行，距地面的高度大约是500～1200公里，大大减少了卫星信号传播经过的距离，将时间延迟降到50毫秒之下，这与地面的通信网络延迟相差不多。从而极大地扩展了卫星互联网的应用场景，能够为住宅、商业、政府、车联网、传感器设备等提供广覆盖、高速率、低延时的网络接入服务。 目前全球至少有10多家卫星公司提出了低轨道卫星互联网星座计划，大多数计划在未来两三年内组网建立卫星互联网系统。我国的卫星运营商也在陆续提出由几百颗卫星组成的卫星互联网星座计划。表2为全球几家典型的卫星互联网星座情况。 表2 典型的卫星互联网星座情况
卫星互联网的未来发展主要有以下两个趋势： l 使用的频率向更高的频段扩展 目前，卫星互联网系统的频率使用的主要集中在Ku（10.7-14.5GHz）和Ka（17.8-30GHz）频段，如表3所示。这些频段的使用目前已接近于饱和状态。未来，为了提供更高的通信带宽和支持更大的通信容量，卫星互联网将继续向频率更高的毫米波频段演进，如Q/V频段（33-75 GHz）和W频段（75 – 110 GHz）。 表3典型卫星互联网的频率使用
l 卫星系统和地面移动通信系统相融合 满足用户无处不在的网络连接需求是未来通信系统发展的重要方向。卫星互联网在覆盖范围、可靠性等方面的优势能够弥补地面移动通信系统的不足，例如，卫星网络可以在地面5G覆盖的薄弱地区提供低成本的网络覆盖。卫星互联网和地面移动网络的融合将构成全球无缝覆盖的海、陆、空、天一体化综合通信网。 图7 未来的卫星互联网 未来，卫星互联网有望成为连接万物的主干网，例如，连接汽车、火车、飞机、轮船、物联网设备以及各种机器设备等，如图7所示的未来卫星互联网发展的构想。最终，卫星网络就像是散布在空中的很多个“超级WiFi热点”，通过无线电信号连接无处不在的终端和设备。 参考文献：[1] Roddy D. Satellite Communications, (Professional Engineering) [M]. McGraw-Hill Professional: New York, 2006. [2]《中华人民共和国无线电频率划分规定》，2014年2月1日起施行. [3] 江澄. 我国卫星广播电视走过30年[J]. 广播与电视技术，2015，Vol. 42（7）. 本章作者：郝才勇 董洁 林辉 肖鑫 李伟 |
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