星座卫星移动通信系统的成本分析与比较

星座卫星移动通信系统是指利用一组卫星构成的星座作为中继节点来实现通信的一种卫星通信系统。根据构成星座的卫星轨道类型不同可分为对地静止轨道(GEO)星座卫星移动通信系统，如ACeS、INMARSAT等；低地球轨道(LEO)星座卫星移动通信系统，如Iridium、Globalstar等；中等高度地球轨道(MEO)星座卫星移动通信系统，如Odyssey、ICO等。与GEO星座卫星通信系统相比，LEO/MEO星座卫星移动通信系统具有传输路径损耗小、传输时延小、容量大、可实现全球覆盖等系统性能上的优势，但是系统实现复杂度较大，成本较高。

本文从经济效能角度对比分析LEO、MEO和GEO 3种星座卫星移动通信系统。在对星座卫星移动通信系统的成本进行分解的基础上，分析了Globalstar、Odyssey和INMARSAT 3个系统的空间段成本、地面段成本以及系统总体成本。本文得出的结论对我国星座卫星通信系统建设具有一定的参考价值。

1 星座卫星移动通信系统成本构成

星座卫星通信系统成本由空间段成本、地面段成本和终端成本构成(如图1所示)，本文重点分析星座卫星移动通信系统空间段与地面段的成本构成。空间段成本包括星座系统建设阶段付出的星座卫星的研制、发射和保险成本，星座系统运行阶段的空间段更新维护成本。地面段成本包括系统建设初期TT&C站和信关站建设成本，系统运行期间的地面段维护成本等。

2 星座卫星移动通信系统空间段成本估算

星座卫星移动通信系统空间段成本与轨道高度、卫星数量、总功率、系统寿命等参数密切相关，本文在星座卫星通信系统成本分析过程中以GlobalStar、Odyssey和INMARSAT系统为参照，3个系统基本参数如表1所示。

表1 GlobalStar系统[1]、Odyssey系统和INMARSAT系统基本参数

参数GlobalStarOdysseyINMARSAT

轨道高度(km)14001000036000

卫星数48123

备用卫星831

波束数1619200

总功率(W)100018003700

系统寿命(年)7.51015

空间段成本估算首先确定卫星的总功率轨道高度，然后根据总功率和轨道高度利用估算公式估算出系统单颗卫星的空间段质量、造价和发射费等。

设卫星总功率为Ptotal，根据下面公式估算单颗卫星的质量(单位lb)：

。

其中， 表示太阳能阵列重量， 表示电池重量， 表示星上转发器重量， 表示星上天线重量，h表示轨道高度(km),α表示飞行器重量与加载重量之比，一般取1。

星座系统空间段总成本估算公式如下： 。

其中，N表示星座覆盖全球所需的卫星总数；Csat表示卫星制造成本，估算公式为： ；Claunch表示卫星发射成本，估算公式为： ，h表示轨道高度(英里)；Cinsurance表示卫星保险成本，估算公式为： ，β表示保险费用所占比例，一般取0.2。

综合上述公式，可得出： 。

空间段维护成本可以用年平均费用 来估算，其中Ylife为卫星寿命。根据上述估算公式，对Globalstar等3个星座卫星通信系统的成本估算如表2所示。

表2星座系统空间段成本估算[2]

参数LEOMEOGEO

Ptotal(W)100018003700

Warray(lb)100180370

Wbattery(lb)125225463

Wtran(lb)125185327.5

Wantenna(lb)750180

Wsat (lb)71412802681

Csat(百万美元)39.370.4147.5

Claunch(百万美元)6.426.897.5

Cinsurance(百万美元)9.119.449

Cspace(亿美元)30.717.511.7

Cav(亿美元)4.11.80.8

从表2可以看出，随着卫星轨道高度增加，单星的总功率需求增加，单星的质量也相应的增加，MEO单星总功率需求和卫星重量都是LEO的1.8倍，GEO单星总功率需求和卫星重量分别是LEO的3.7倍和3.8倍；但是由于轨道越低覆盖全球所需的卫星数目增加，因此，LEO星座卫星总成本最高，是MEO卫星总成本的1.8倍，是GEO的2.6倍；由于轨道越低受地球引力等因素的影响，卫星的寿命越短，在轨系统更新维护的周期就越短，LEO的年平均费用分别是MEO和GEO的2.3倍和5.1倍。

3星座卫星通信系统地面段成本估算

地面段成本主要与信关站和TT&C站的数量、单站成本等相关。星座卫星通信系统轨道越低，卫星数越多，过顶时间越短，地面TT&C站的测控任务越繁重，因而需要更多的测控站来确保星座系统的正常运行；同时星座卫星通信系统轨道越低，单颗卫星覆盖面积越小，要实现与地面系统有效的融合所需的信关站数目越多。对地面段的成本估算如表3所示。可以看出LEO系统覆盖全球所需的信关站/TT&C站最多，分别约是GEO和MEO系统的4倍多和2倍多；如果按照地面段的维护成本与信关站和TT&C站的数量成比例来估算，LEO系统地面段的维护费用分别约是GEO和MEO系统的2.5倍和2倍。

表3 地面段成本估算

LEO系统MEO系统GEO系统

单个信关站成本(百万美元)222

信关站个数38169

总信关站成本(百万美元)763218

TT&C站个数1263

TT&C站成本(百万美元)101020

总TT&C成本(百万美元)1206060

地面段成本(亿美元)1.960.920.78

4 星座卫星通信系统总成本分析

根据以上对星座卫星通信系统的空间段和地面段成本分析，可以得出星座卫星通信系统的总成本。3个系统的总成本对比如表4所示。可以看出，LEO星座卫星系统的总成本约是GEO系统的2.6倍，MEO系统的总成本是LEO总成本的56%。

表4 系统总成本比较

LEO系统MEO系统GEO系统

空间段成本(亿美元)30.717.511.7

地面段成本(亿美元)1.960.920.78

总成本(亿美元)32.6618.4212.48

如果以效能-费用之比R=E/C(E为系统效能)作为选择星座系统的依据，则有

当 即 时，LEO系统相对GEO系统具有优势，反之选择GEO系统具有优势；

当 即 时，LEO系统相对MEO系统具有优势，反之选择MEO系统具有优势。

5结论

星座卫星通信系统是对地面固定/移动通信网的有效补充，是提供任何时间、任何地点通信的必要通信基础设施。但是，建设星座卫星通信系统耗资巨大，有必要在建设之前进行不同方案的成本分析，权衡需求与代价做出正确的决策。本文通过对星座卫星通信系统空间段和地面段的费用估算，对比分析了不同轨道高度星座卫星通信系统的成本，并得出如下结论：如果56颗星(包括备用星)的LEO星座卫星移动通信全球系统的效能高于15颗星(包括备用星)的MEO全球系统和4颗星(包括备用星)的GEO全球系统的2.5倍和1.6倍，则前者具有较高的经济效能，否则后者的经济效能将更好。

参考文献

[1] 郑碧月，胡金泉，王小骏.全球星卫星移动通信系统及其发展现状.山东电子 2002年第2期

[2] Bruce R. Elbert, Patrice A. Louie, The Economics of Mobile Service by Satellite, Hughes Communications. Inc., AIAA-92-2056-CP

[3] 郑林华等.卫星移动通信原理与应用.国防工业出版社 2000

[4] 吴诗其 冯钢 胡剑浩等.移动卫星通信系统的技术经济性能分析.国防工业出版社 2001

[5] Michael David Violet, The Development and Application of a Cost per Minute Metric'for the Evaluation of MobileSatellite Systems in a Limited-Growth Voice Communications Market, Massachusetts Institute of Technology, September, 1995