什么是静止轨道(GEO)卫星系统

什么是静止轨道(GEO)卫星系统

中、低轨道与静止轨道卫星通信的竞争与互补

——提供北美卫星蜂窝电话、数据业务的L频段GEO MSAT卫星系统由美国AMSC公司及加拿大TMI通信公司组成，可提供手提箱式终端或车载移动业务。AMSC计划及组织的诞生还需归功于70年代末至80年代初美国宇航局（NASA）的研究支持。当时加州理工学院的喷气动力研究所（JPL）进行了UHF及L频段GEO卫星的移动通信可行性试验； 1982年NASA建议FCC发放此移动卫星的许可申请，促进其推向实用化。MSAT卫星由Hughes公司制造，已于1995年4月由AMSC发射成功，1996年再由加拿大方发射一颗SAT，两者分别定点于259°E 和253.5°E，互为备用，覆盖美国本土、加拿大、阿拉斯加、夏威夷及波多黎哥，像INMARSAT系统一样，MSAT的发射功率依然无法支持手持机终端，这是其最大弱点。但是它奠定了迈向手机运行的新一代空带GEO卫星通信系统的基础，从而诞生了诸如ACeS、ASC及APMT等系统。从体制上说，这三个系统属同一类型，均瞄准了亚太电信市场，L频段实现了手机用户的卫星移动通信。下面以ACeS系统为主进行较详细的介绍。

——ACeS系统的设想起源于1993年发起，由印尼的PT Pasifik Satelit Nusantara（PSN）公司发起，目标是经济地解决亚洲一些地区对移动及固定业务电话的需求，从而由印尼行政当局登记了相应轨道位置，并使PSN公司获得了经营此移动业务的许可证。此后，其系统概念进一步扩展。1994年底，菲律宾的主要电话公司菲律宾长途电话公司（PLDT）加入，成为合作伙伴，1995年初泰国电信公司Jasmine加入，成为第三个合作伙伴，于是在1995年6月正式成立ACeS（PT Asia Cellular Satellite）公司，其经营许可证由印尼旅游邮电部颁发。并于1995年5月与美国洛克希德-马丁（L-M）公司签署了此系统的GARUDA卫星、卫星控制设施（SCF）及网络控制中心（NCC）的制造合同。计划中的GARUDA卫星为4颗（GARUDA1～GARUDA4），轨道位置分别为 118°E、123°E、135°E、80°E，三个关口站分别为雅加达、马尼拉和曼谷，并拟由瑞典 Ericsson公司为其开发制造双模手机，第一GARUDA卫星拟于1998年上半年发射，下半年投入业务。

——GARUDA 1及 GARUDA 2卫星拟利用C／L频段，C频段用于链接NCC及关口站，L频段用于建立移动用户链路； GARUDA 3及GARUDA 4将利用S频段以扩充容量。初期的GARUDA 1、GARUDA 2的两个L频段收发天线反射面尺寸达12m，该卫星运用L-M公司的AZ100AX平台，卫星寿命约12年，发射工具拟用Proton、 Ariane 44L或Ariane 5。ACeS系统的覆盖域包括整个中国、朝鲜半岛、日本、印度及东南亚地区。其手机为与地面蜂窝电话兼容的双模型，即双模ACeS／GSM或双模ACeS／AMPS，可方便地与地面移动网互联。

——ASC和APMT系统构想基本与ACeS类似，两系统的卫星均拟用Hughes公司的HS601平台，借助L频段提供卫星移动业务。 ASC的全称为Afro-Asian Satellite Communications，拟用3颗名为OBSIDIAN的GEO卫星覆盖中东、亚太及非洲地区的 55个国家，由印度Essel联合集团年月有，并已与Hughes公司签订了价值达7亿美元的合同，以 HS601平台为基础建造此系统，其手持机亦为双模型。APMT亦称APMS（Asia Pacific Mobile Satellite），该系统由新加坡电信、新加坡科技、Hughes通信公司和中国国防科工委等单位发起，瞄准亚太地区移动业务，计划投资约9亿美元。

2 INTELSAT新一代GEO卫星通信系统

——INTELSAT（国际通信卫星组织）是世界上最大的商业卫星组织，目前有141个成员国，拥有25颗世界上最先进的连接全球进行商业运作的GEO卫星通信系统，可为约200个国家和地区提供相应国际／区域／国内卫星通信综合业务，具有参与全球竞争的丰富运营经验与财力。该组织积极引入各类卫星通信新业务、新技术，有效地利用卫星轨道、频谱及空间段，以其最佳服务和可靠性誉满全球。

——在全球连接实施视频广播业务方面，INTELSAT拥有世界上最强的实现能力。亚特兰大奥运会期间，INTELSAT投入了 13颗卫星全力以赴进行360 color="#000000">°连接全球节目快速实时广播，使全球35亿电视观众大饱眼福，INTELSAT卫星系统的优良传输性能对此作出了卓越的贡献。

——color="#000000">1993年，INTELSAT首先在丹麦格陵兰地区大面积成功地使用了传输带宽仅为 5MHz的数字压缩电视广播系统。INTELSAT的数字电视业务带宽需求范围可以从100kHz扩展至 72MHz，从静止图像、会议电视、卫星新闻采集（SNG），直至HDTV。

——color="#000000">在1994年12月9日的新闻发布会上，INTELSAT正式宣告将在其目前运行的第七代、第八代卫星和更新一代卫星系统中引入宽带ISDN同步传输所需的编码调制新技术，以便使卫星电路能支持全球信息高速公路（亦称共为国际信息基础设施）的运行。这一编码调制新技术突破了原有四状态传输的QPSK调制模式，上升为8PSK调制，并利用多维（6维）网格编码调制与RS（里德—索洛蒙）外码技术级联，构成功率、频谱利用非常紧凑的有效传输手段，可支持在一个72MHz 标准卫星转发器中传输B-ISDN／SDH STM-1的155mbit／s的高速率综合业务，并且运行误码率可低达10-10，即可与光纤传输质量相比拟；亦可利用ATM传输以满足未来高速多媒体数据业务的需求。借助这一传输技术，一个单一INTELSAT转发器可传输10路数字高清晰度电视节目或50路常规广播质量的数字电视业务。这一新型编码调制技术信噪比Eb／No=10.8dB

静止轨道(GEO)卫星系统(二)

一、 概述

静止轨道卫星（GEO）移动通信业务的特征来源于使用位于赤道上方35800km的对地同步卫星开展通信业务的条件。在这个高度上，一颗卫星几乎可以覆盖整个半球，形成一个区域性通信系统，该系统可以为其卫星覆盖范围内的任何地点提供服务，例如美国一颗卫星就可以覆盖美国大陆的连续部分，如阿拉斯加、夏威夷、波多黎各几百海里的近海地区。在GEO卫星系统中，只需要一个国内交换机对呼叫进行选路，信令和拨号方式比较简单，任何移动用户都可以被呼叫，无需知道其所在地点。同时，移动呼叫可以在任何方便的地点落地，不需要昂贵的长途接续，卫星通信费用与距离无关，它与提供本地业务的陆地系统的费用相近。当卫星对地面台站的仰角较大的时候（如在美国本土经度范围内，卫星对地面的仰角一般在20°～56°之间），移动天线具有朝上指向的波束，可以与地面的反射区分开，这样就可以几乎完全避免在陆地系统中常见的深度多径衰落。卫星信号因其仰角大，仅仅穿过树冠，从而使由枝叶引起的衰减降到只有几dB。

二、 特点

卫星移动通信业务可以提供两种普通的业务：一种为公共卫星电话，另一种是专用卫星电话，前者需要互联公用交换电话网，使一个移动体呼叫世界上任一个固定电话，后者只是在一移动台和它的调度员之间进行。这两种业务都可以传送电话，寻呼和定位信息。这两种业务也可以结合起来形成特有的通信能力。

（1） 公用卫星电话业务

该网络包括卫星，工作于L频段的移动台、工作于K频段的网络操作中心和关口地球站/交换机互连完成，它使用由网络操作中心经专用信令信道指配给移动台和关口站的射频信号。为了建立一个呼叫和确定接续路由，移动台拨叫终点地址电话号码，同时也给出自己的号码。网络操作中心指配给该移动台一个L频段射频信道，并将相应的K频段信道指配给靠近固定电话地址的关口站，在此产生通常的电话信令，以建立呼叫。网络操作中心记录路由、主叫和通话时间以便计算。另一方面上的操作与此类似。在提供长途连接灵活接续能力上，关口站的重要性是值得注意的，可能需要成百上千个关口站。呼叫一旦建立，话音带内数据、分组消息、定位和寻呼等业务信息均可以传递，一个无线台可以完成所有这些功能。

（2） 专用卫星移动电话业务

该系统包括卫星、移动台和位于用户建筑外的基站，该基站由简化的关口（无呼叫路由选择和长途互连设备），根据需要指配给系统一条或几条电路，它可以使用简单的“按下即谈话”操作，也可以使用更复杂的交换方式，以便将系统的时间指配给不同的用户用于不同的目的。每一个移动体可以使用单一无线台完成调度电话、不同速率数据、分组消息以及寻呼、定位消息的传递。若该无线台可以调谐到上面所提到的公用卫星电话信令信道，则它也可以具有无线公用电话功能。

三、 系统的组成

1、空间系统

由于移动天线终端尺寸小，在L频段每信道所需卫星辐射功率较固定卫星业务中相应的信道的功率为大，预计所需的卫星功率为3000W，天线直径约为5m，用多波束覆盖业务区。这就要使每个信号选定从单一K频段波束到所需L频段波束以及反向的接续路由。K频段被划分几段，每段对应L频段的一个特定的点波束。为解决以下两个难点： （1）每个L段上的业务无法精确预测，而且随时变化；（2）国内业务和国际业务的分配很复杂，也使得卫星移动通信系统业务的陆地、海上、空中三个部分的分配很困难，以便与本波束内业务取得一致。但是，这里不存在L频段到L频段的路径。

2、地面系统

（1）卫星移动无线电台和天线

卫星移动无线电台和陆地移动无线电台的功能、复杂性。部件数量和类型很相似，只是卫星移动无线电台使用5kHz信道间隔而不是25或30kHz。电台话音、调度电话、数据、消息分组、定位、寻呼等都属于该卫星电话系统本身的功能，每个卫星移动电台都需要一个频率综合器，以便将他们调谐到所需的5kHz信道。该系统还采用专用信令信道，以免系统在公共安全紧急救援期间饱和，并为天线的指向调整提供参考。信令信道在移动台从一个卫星波束进入相邻卫星波束时，为波束转换提供幅度参考电平。

为获得满意的话音质量以及邻星的频率再用，需要约13dBi的高增益天线。天线的辐射图形可以是圆的或是椭圆的，在方位角上通过电动的机械方法实现调整。也可以通过圆形阵列的切换达到近13dBi的增益。

（2）关口站、基站

地球站工作于K频段，由于卫星移动通信服务的基本结构是每载波单信道，所以关口站必须自动按网控中心从信令信道传来的指令调谐到5kHz信道。基站需要频率合成器，可以工作在固定信道。这两种站都使用3.3m天线，但通信密度大的地区的关口站需要较大的天线。关口站应有足够的容量，以免阻塞；还要有足够备份以保证高的可用性。一个出故障的关口站将被旁路，这时呼叫由相邻的关口站临时转接。

北美卫星移动通信系统——MSAT

北美卫星移动通信系统MSAT是世界上第一个区域性卫星移动通信系统。1983年，加拿大通信部和美国宇航局达成协议，联合开发北美地区的卫星业务，加拿大TMI公司和美国AMSC公司负责该系统的实施和运营。MSAT是加拿大经营的第一颗星，MSAT系统可服务于公众通信，又可以服务于专用通信。关口站通过有线环路与市话本地网相连，移动用户和固定用户之间的通信通过由网络控制中心分配的射频信道和关口站、市话本地网互连之后进行。

总的来说MSAT系统主要提供两大类业务：一类是公众通信的无线业务，另一类是面向专用通信的专用通信业务。具体可以分为以下6种：

1.移动电话业务：把移动的陆上车辆、船舶或飞机同公众电话交换网互连起来的语音通信。

2.移动无线电业务：用户移动终端与基站之间双向话音调度业务。

3.移动数据业务：可与移动电话业务或移动无线电业务结合起来的双向数据通信。

4.航空业务：为了安全或其它目的的话音和数据通信

5.终端可搬移的业务：在人口稀少地区在固定的位置上使用可搬移的终端为用户提供电话和双向数据业务

6.寻呼业务

MSAT系统的网络管理是分级实现的。在系统级上，网络操作中心负责全系统的管理和业务控制，包括数据库管理、用户信息服务、业务协调、航空安全优先业务的安排，以及向各网络控制中心提供使用的线路数量以及其频率。具体的线路中心是在网络控制中心实现的。每个网络控制中心管理一个或多个用户集团。每个用户集团包括一组移动用户以及其相应的链路站。这种分级管理的办法，可以各自独立地解决各用户集团内部的问题，使整体管理简单化。与此同时，系统操作中心仍可以优先调用下一级网络中的线路。

由移动终端到网络控制中心的信令通道采用随机地址方式，控制中心到移动用户的信令则采用点到多点连续数据包复用方式，当移动终端或链路站通过信令通道发出呼叫时，网络控制中心的网路管理选择呼叫信息，然后根据数据库提供的状态信息、允许的业务信息和配置信息等，选择两端的连接线路并确定业务的类型。频率指配信息通过信令信道传到两个端站，控制其频率合成器，把频率设置在指定的频道。当通信完毕后，网络管理器把线路归入空闲的通道备用、路由选择和地址区分选择上，还有一些特殊的考虑，例如单向呼叫、限定范围呼叫等。

海事卫星移动系统——Inmarsat

一、 系统概述

最早的GEO卫星移动系统，由美国通信卫星公司（COMSAT）利用Marisat卫星进行卫星通信，是一个军用卫星通信系统。70年代中期为增强海上船只的安全保障，将部分内容提供给远洋船只使用。1982年形成了以国际海事卫星组织（Inmarsat）管理的Inmarsat 系统，开始提供全球海事卫星通信服务。1985年对公约作修改，决定把航空通信纳入业务之内，1989年又决定把业务从海事扩展到陆地。目前它已经是一个有72个成员国的国际卫星移动通信组织，控制着135个国家的大量话音和数据系统。中国交通部和中国交通通信中心分布代表中国参加了这个组织。

Inmarsat 系统由船站、岸站、网络协调站和卫星组成。下面简要介绍各部分的工作特点：

1．卫星

分布在大西洋、印度洋和太平洋上空的3颗卫星覆盖了几乎整个地球，并使三大洋的任何点都能接入卫星，岸站的工作仰角在5°以上。

2．岸站

岸站（CES）是指设在海岸附近的地球站，归各国主管部门所有，并归它们经营。它既是卫星系统与地面系统的接口，又是一个控制和接入中心。其主要功能为：（1）对从船舶或陆地上来的呼叫分配和建立信道；（2）信道状态（空闲、正在受理申请、占线等）的监视和排队的管理；（3）船舶识别码的编排和核对；（4）登记呼叫，产生计费信息；（5）遇难信息监收；（6）卫星转发器频率偏差的补偿；（7）通过卫星的自环测试；（8）在多岸站运行时的网络控制功能；（9）对船舶终端进行基本测试；每一海域至少有一个岸站具备这种功能。典型的CES抛物面天线直径为11～14m。

3．网路协调站

网路协调站（NCS）是整个系统的一个组成部分。每一个海域设一个网路协调站，它也是双频段工作。

4．船站

船站（SES）是设在船上的地球站。在海事卫星系统中它必须满足：（1）船站天线满足稳定度的要求，它必须排除船身移位以及船身的侧滚、纵滚和偏航的影响而跟踪卫星；（2）船站必须设计的小而轻，使其不至于影响船的稳定性，同时又要设计的有足够带宽，能提供各种通信业务。

5．系统工作

在Inmarsat 系统中基本信道类型可分为：电话、电报、呼叫申请（船至岸）和呼叫分配（岸至船）。Inmarsat 系统规定在船站与卫星之间采用L频段，岸站与卫星采用双重频段，数字信道采用L频段，FM信道采用C频段，因此对于C频段来说，船站至卫星的L频段信号必须在卫星上变频为C频段信号再转发至岸站，反之亦然。

二、Inmarsat 系统的发展计划--Inmarsat–P

Inmarsat 业务的发展如下表所示。其中移动性更强的Inmarsat -C以及M的开发是借助于该组发射Inmarsat -3卫星的结果，Inmarsat -A/B相当于衣箱大小，而Inmarsat -C/D相当于公文包大小。

Inmarsat为实现21世纪工程，第一步是在1991年推出Inmarsat-C终端，它是采用信息存储转发的方式进行通信，移动用户可以事先在显示屏上编辑好电文，然后以数据的形式通过卫星发往所需的地面站，地面站收好最后一组数据包后，对数据包进行复原处理，然后通过国际电信网在几秒钟内将电文送到用户，采用存储--转发方式，可以使Inmarsat卫星的工作容量得到最大限度的利用，从而可以降低用户对星上的费用，还可以使得用户利用陆地通信网中各种通信方式发送数据。Inmarsat-C终端把接收机、发射机、天线三者集成在一个仅有16开书本大小的公文包内。约3～5Kg，其天线使用小型的定向或全向天线，很易于指向卫星。

Inmarsat-M终端是Inmarsat于1992年底推出的，它是通向全球个人移动通信的桥梁。它可以提供直接拨号、双向电话、第三类传真和数据通信，提供单跳、全国范围内的移动、稀路由电话服务，具有直接与国际电信网连接的选择能力，对于同一城市，其费用比蜂窝电话低。该终端广泛用于各类船舶、航空用户以及各种类型的车辆。其天线能够自动跟踪船舶、飞机、车辆，在行进中能随时保持与卫星的联系。随着世界网络信令系统的发展，Inmarsat-M终端将提供单一号码的入口接续，并与蜂窝系统互连。

Inmarsat为在本世纪末（21世纪）实现全球个人移动通信提出了Inmarsat21世纪工程，其目标是在本世纪末为用户提供的通信终端（称为Inmarsat-P终端）体积小，重量轻、费用低，提供能够越洋的全球手持卫星语音通信以及数据、寻呼、定位等业务，能与国际公众网（PSTNS）接口。