窄带中、低轨道卫星通信系统

窄带中、低轨道卫星通信系统

信息产业部无线电管理局 陈如明

摘  要 face="仿宋_GB2312">本文介绍一些典型窄带中、低轨道卫星通信系统，诸如Iridium、
Globalstar、Odyssey、INMARSAT-P、Ellipso等的基本结构与特征参数。

关键词 face="仿宋_GB2312">窄带卫星通信系统 中、低轨道 Iridium Globalstar Odyssey
INMARSAT-P Ellipso

——在具体介绍窄带
中、低轨道卫星通信系统之前，先让我们回顾与汇总一下与此实施密切相关的频段定义及ITU的有
关频率分配问题。

1
频段定义及窄带中、低轨道卫星通信系统的频率分配

——当讨论MEO／LEO卫
星系统时，通常涉及VHF、UHF、L、S、C、X、Ku、Ka以及EHF等频段缩写名称，这些缩写称呼起
源于雷达应用，按IEEE标准确定的雷达频段标准确定的雷达频段标称如表1所示，而且亦常称
30GHz～300GHz为EHF，300GHz～3000GHz为亚毫米波（smm）。

——实际上上述频带仅
有一小部分分配给雷达应用，大部分由ITU的世界无线电通信大会（WRC，原先称为世界无线电行
政大会（WARC）分配给空间无线电通信运用，其频段对应缩写标称如表2所示。

——通常亦将表1中K及
Ka统称为Ka频段；而将40GHz～60GHz称为EHF频段。

——鉴于1987年以来卫
星无线电定位业务(RDSS)的发展远不像原先预想的那样乐观，因此WARC92决定将其所占用的频段
上行1610MHz～1626.5MHz和下行2483.5MHz～2500MHz分配给包括MEO在内的大LEO.1994年,美国
FCC将此频段再分为两部分,低端11.35MHz分配给CDMA系统,余下5.15MHz分配给TDMA
Iridium系统.如果仅有1个CDMA系统获得应用许可证,则此CDMA分配频段将降为8.25MHz,留下
3.15MHz频谱留给将来获得CDMA应用申请许可的其它CDMA系统,或分配给Iridium,使之亦增至
8.25MHz。因此，为满足全还需容量需求，此大LEO系统必须采用数十次乃至上百次频率复用，或
由CDMA扩频兼容。因而从频谱分配上看，有竞争力的全球大LEO系统只是少数几个。

——WRC-95主要分配了
相应大LEO的馈线链路频带。所谓馈线链路（Feeder
Link）是指与公用网固定连接的关口地球站（Gateway Earth station）和卫星相接的上、下
行链路。移动通信终端需由此馈线链路才能经该系统的卫星与公用网相连接。例如，WRC-95决定
将C频段的5.091GHz～5.250GHz及6.700GHz～7.075GHz分别用作Globalstar的上行馈线链路及
中圆轨道（ICO）的下行馈线链路。美国MCHI（Mobile
Communication Holding Inc.）公司的Ellipso系统馈线链路可用Ku频段15.40GHz～
15.45GHz作上行，15.45GHz～15.65GHz作双向运作，而15.65GHz～15.7GHz作下行。Ka频段的
19.3GHz～19.6GHz用作Iridium的上、下行馈线链路，29.1GHz～29.4GHz用作Odyssey的上行馈
线链路，而附加100MHz
Ka馈线链路频段WRC-97再作决定。此外，也规定了Teledesic的上行频段为18.9GHz～
19.3GHz，下行频段为28.7GHz～29.1GHz。

2 LEO-
Iridium系统

——Iridium系统的原始
设计是取77颗小型智能卫星均匀有充地分布于离地785km上空的7条极地轨道上，通过微波链路形
成全球连接网络，由于其星座结构与原子序数为77的铱（Ir）原子的外层电子分布状况有一定的
类似，故取名为“铱”系统。尔后为减少投资、简化结构、增强与其它LEO系统的竞争能力，将其
卫星数由77颗降为66颗，极轨数亦由原先的7条降为6条，而每条极轨上的卫星数则仍为11颗。照
例说，此星座结构已偏离“Iridium”这一原始含义，但至今未见其有更名（或临时更名）为
“Dysprosium”（即镝（Dy），原子序数为66）系统的计划。Iridium系统计划首先于1990年6月
分布，1992年12月3日由Motorola卫星通信公司向美国FCC提出许可证申请，并于1992年8月8日又
提出了修正，而于1992年9月FCC发放了建造和发射卫星的许可证，而真正取得此卫星发射和操作
运营许可证是在1995年1月31日。

——Iridium系统结构主
要由下述三部分组成：卫星星座及其地面控制设施，关口站以及用户终端。卫星与用户终端使用L
频段中的1.610GHz～1.6265GHz频带，星间链路及卫星与关口站之间的链路使用Ka频段，即星间
链路频带为23.18GHz～23.38GHz，卫星与关口站上行线频带为29.1GHz～29.3GHz，下行线频带
为19.4GHz～19.6GHz。每颗卫星可建立3840条全双工电路，系统连接的最小仰角为8.2°，卫星
按圆轨道运行，倾角为86.4°，对一用户的平均卫星连接时间为9min左右。关口站是铱系统与
PSTN间接口的地球站，它可使铱系统用户终端与PSTN中任何类型的电话、传真和数据等终端通
信，并为已登记的用户收集、存储通信记录及计费信息，以及跟踪用户位置。归属关口站（Home
Gateway）则为用户单元登记的关口站，计费信息即由此归属关口站产生，不管用户在何处通
话，他每月只从归属关口站收到一份帐单。归属关口站亦决定某一用户单元是否有权建立呼叫或使
用某项业务。

——该系统卫星设计采
用三轴稳定，寿命5年左右，相邻平面上卫星按相反方向运行，有星上处理能力及星间链路连接，
每一个卫星有4条星间交叉连接链路，一条前向，一条反向，另两条为交叉连接。星间链路工作速
率高达25Mbit／s，在Ka频段运行。天线设计用3×16=48波束的相控阵结构。此星间链路及星上处
理的引入为用户路由的选择提供了灵活性，具有对地面业务流量旁路的能力，当然，这也增加了系
统设计的复杂性。卫星发射EIRP对L频段为12.3dBW～31.7dBW，Ka关口站为15.1dBW～28.1dBW，
Ka星间链路为39.6dBW。卫星G／T值L频段为-5.1dB／K～-19.2dB／K，Ka关口站为-10.1dB／K，
Ka星间链路为4.0dB／K～6.2dB／K，包括液体燃料等在内卫星质量约为700kg～800kg。

——在多址连接方面，
铱系统运用FDMA／TDMA混合结构，在上述L频段10.5MHz频带内按FDMA方式划分为12个子频带，在
此基础上再利用TDMA结构，其帧长为90ms，每帧可支持4个50kbit／s用户连接。上述频段分割及
多波束相阵天线构成每一卫星48个小区天线波束及其相邻卫星的小区边际跨接。每一小区平均支持
80个信道，从而48个小区形成3840路信道。按其原始设计中全球覆盖额定小区数为2150个计算，
即形成全球172000路信道的吞吐能力。

——手持机设计应该说
是Motorola公司的强处，它由总部在芝加哥的Motorola蜂窝用户集团制造，基于TDMA／FDMA结
构，运用成熟的GSM协议；附加修正为由于卫星移动引起的Doppler频移。调制方式为QPSK以及卷
积码前向纠错，其码率R=3／4，约束长度K=7。支撑话音的数据速率为4.8kbit／s，而且其门限比
特误码率很低，仅为1×10^-2。其手持机设计有多种不同型式，体积与重量和地面蜂
窝系统手机类似，也可用于车载终端、机载终端及传真、数据等通信附属装置，还可支持全球定位
业务（GPS）、无线电定位业务（RDSS）及全球寻呼，并可构成地面蜂窝系统及铱系统兼容运用的
双模结构。

——截止1993年8月已有
9个国家、12家公司承诺向该系统投资8亿美元，仍有21家公司与其签订了所谓无约束协议书。
Lockheed公司为铱系统进行卫星设计；火箭发射可由三家执行：美国McDonell
Douglas公司用Delta-2C火箭、1箭5星，中国长城工业总公司CGWIC用LM-2C火箭、1箭2星，俄
罗斯Khrunichev
Enterprise公司用Proton火箭、1箭7星，LM-2C及Proton火箭的价格有吸引力；GE公司进行地
球站设计；Motorola公司进行电子学设计。直接经营铱系统的机构为Iridium
Inc.，属Motorola卫星通信公司的子公司。

3 LEO-
Globalstar系统

——Globalstar（全球
星）系统于1991年6月3日由美国Loral
Aerospace公司及Qualcomm公司合资组成的Loral Qualcomm卫星业务公司（LQSS）向美国FCC
提交了该系统的发展计划，为全球用户提供电话、数据、寻呼、定位等综合业务，同样于1995年1
月31日获得了FCC的卫星发射和操作运营许可证。它由48颗卫星构成，离地面高度为1414km，等分
为8个轨道平面。该全球星系统属非迂回旁路型，不单独组网，其作用只是保证全球范围内任一移
动用户随时通过该系统连接到地面网，与地面网联合组网，其连接接口设在关口站内。

——其基本系统结构由
卫星星座、关口地球站、网控关口站（NCG）、网控中心（NCC）及用户终端等组成。用户终端至
卫星的上行线使用L频段中的1.610GHz～1.6265GHz频带，下行线使用S频段中2.4835GHz～
2.5GHz频带，卫星至关口站的下行线使用C频段的5.199GHz～5.216GHz频带，上行线使用C频段的
6.700GHz～7.075GHz频带，系统连接最小仰角为10°左右，该系统不提供星间链咱。每一卫星可
建立2800条双工电路，用两颗卫星即可覆盖美国大陆，提供近5000条电路容量，卫星按圆轨道运
行，倾角52°，平均卫星连接时间为10min～12min。关口站包括天馈线、射频设备、调制解调器
及数据库等，它可与NCC互连，也可与PSTN互连。任一用户终端可通过相应卫星与其最靠近的关口
站互连，并接入地面网络。关口站按分组网接口与NCC相连，NCC与所有数据库以及一个或几个NCG
通信，NCG与NCC完成数据库管理、系统软件装载、计费与呼叫路由选择等功能。

——其卫星设计亦用三
轴稳定，寿命7.5年左右，天线设计利用6波束相控阵天线，为简化结构及降低成本，如上所述，
较多依赖地面网络连接，不设星上处理及星间链路，从而卫星干质量亦很小，为319kg。

——在多址连接方面，
Globalstar系统用户终端至卫星和卫星至关口站的链路均取用Qualcomm公司的CDMA技术，以充分
发挥CDMA制式的优越性。可使每一波束内重复使用全部频带，对全球48颗星，可有6×48-288次频
率复用。在整个16.5MHz频带内借助CDMA可按4.8kbit／s数据速率及BER=10^-3支持
2808条双工数字话凌晨电路。其CDMA设计模式与Gualcomm公司在现有地面蜂窝系统中所用模式相
同。

——在手持机系统设计
方面，亦利用QPSK调制方式及卷积码FEC技术，对用户至卫星其FEC取用R=1／3及K=9的卷积码，
而对用户接收方面则用R=1／2及K=9的卷积码，对语音的门限比特误码率为10^-3，语
音传输最高速率达9.6kbit／s。手持机有单模、双模两种结构，拟由韩国金星公司制造，重量约
0.35kg左右。

——除由上述Loral
Gualcomm公司外，尚有美国Air
Touch Comm公司、法国Aerospatiale公司、Alcatel Espace公司、韩国Dacom及Hyndai公司
和意大利Alania
Spazio公司等合作支持。Globalstar系统拟分两步执行，第一步发24颗星，主要对美国服务，
第二步48颗卫星覆盖全球。此外，应该指出，该系统的流量拥塞控制及其正尾部电路在内的端对端
用户通话费用将依赖于相应地面网络结构。

4 MEO-
Odyssey系统

——Odyssey系统是由美
国TRW
Inc.公司的OTI公司及加拿大Teleglobe公司联合开发的MEO系统，于1991年5月28日向美国FCC
提出了使用计可证申请；同样于1995年1月31日获得了FCC的卫星发射操作运营许可证。它由12颗
星组成，分布于3个轨道平面上，每一轨道平面上有4颗星，轨道高度为10354km，属MEO系统，所
需星数较少。

——其系统结构设计思
想为移动用户终端与PSTN间提供链路，对国际电话连接需借助地面长途网。用户终端上行线使用L
频段的1.610GHz～1.6265GHz频带，下行线使用S.GHz～2.5GHz，与Golbalstar系统相同。卫星
与关口站间使用Ka频段，上行29.5GHz～30.0GHz，下行19.7GHz～20.2GHz。系统连接最小仰角
由于中轨道运行可较高，达22°，卫星在圆轨道上运行，倾角为55°，每一颗卫星可提供2300条
双工电路。

——其卫星设计也用三
轴稳定方式，寿命较长，15年左右，质量则相对较大，达1226kg。虽然该系统无星上处理及星间
链路，但由于处在较高轨道位置，为防止卫星受较强辐射影响需较好屏蔽，同时需有较大天线以维
持较高通路增益及需有较大的太阳能电池板，从而使卫星体积质量相应增加，其天线设计利用固定
安装多点波束覆盖结构，上行37个点波束，下行32个波束，并可再定位、适当调整覆盖域。

——在多址连接方面，
该系统利用CDMA及FDMA组合，整个16.5MHz用户频带侵害为3个4.83MHz带宽信道，每一信道利用
CDMA支持多用户连接，3个信道频带彼此正交，以便提高频带利用率及使干扰最小，每一CDMA信道
被分配以16个天线波束中的一个，以形成2300路双工话音电路，传输速率为4.8kbit／s，门限比
特误码率为1×10^-3。16个波束图样设计成两个相邻点波束（或信道）不占据相同的
频带。若按每100个用户至少提供一条话路计算，Odyssey系统可容纳230万个用户；若按每颗星还
可把波束数增加至37计算，则可容纳约1840万用户。

——在手持机设计方
面，该系统同样利用QPSK调制，然而对其卷积码FEC、Viterbi译码技术则取R=1／3及K=7，以确
保其门限比特误码率为上述所说1×10^-3，手机结构与质量和地面蜂窝系统相类似。

——Odyssey系统预计投
资18亿美元，其预计可实现性较强，然初期筹资情况较差。该系统可提供语音、数据、定位及消息
传送等综合业务，每分钟通话费估计为0.65美元，外加尾部连接本地、长途业务费用0.1美元左
右，每月使用费估计为24美元左右。手持机价格便宜，少于500美元。

5 ICO-
INMARSAT-P系统

——INMARSAT-P
（Project）-21系统的目的是在现有INMARSAT系统基础上，针对21世纪需要，使一系列个人通信
业务投入使用。重点是要引入体积小、重量轻、便于随身携带、价格低廉的卫星通信用户终端及低
资费业务。通过对提供此P-21系统业务的GEO、MEO及LEO三种方式进行的全面研究比较，在1993
年7月斯德哥尔摩举行的INMARSAT第46次理事会上，专家认为LEO方案复杂，且成本高，从而否定
了这一方案，进而由专家组再继续集中研究GEO及MEO方案。直至1995年5月INMARSAT理事会上才
作出INMARSAT-P-21系统采用MEO结构的决定，并定名ICO系统，组成INMARSAT独立子公司ICO全
球通信公司经营此系统。

——INMARSAT-P系统由
12个卫星分布于2个圆轨道上运行，每一轨道平面5颗工作星及1颗备用星，对赤道平面倾角为
45°，卫星离地高度为10350km，卫星发射质量约2300kg，有效载荷质量为450kg。每颗卫星移动
用户频段上行为1.980GHz～2.010GHz，下行为2.170GHz～2.200GHz。有121个波束覆盖地面，每
7个波束频率再利用一次。10°仰角条件下可视覆盖范围为40°，每颗卫星可提供4500条双向电
路，整个覆盖区遍及全球南、北纬75°范围内，采用TDMA／FDMA制式，有星上处理能力，每TDMA
帧可提供6个信道，馈线链咱选择拟取Ka30／20GHz或C7／5GHz频段。其用户费用根据不同终端形
式收取，估计初装费为25～100美元，月租费为10～40美元，每分钟通话费约1～4美元。

6 MHEO-
Ellipso系统

——从系统结构与轨道
星座设计思想看，它充分考虑了地球上人口密度随纬度分布状况而设计星座覆盖，并采用降低轨道
高度的HEO设计概念，同时运用较低高度的MEO赤道轨道设计，从而可称之为MHEO系统，仍可视为
MEO范畴。该系统由MCHI系统，仍可视为MEO范畴。该系统由MCHI公司经营，并分阶段布局，以控
制其投资费用。为实施此卫星系统，MCHI已联合美国Fairchild、Westinghouse、Harris、
IBM、Interdigital及以色列飞机公司（Isreal
Aircsaft Industries）一道参与其装备实施。上、下行采用L／S频段，CDMA制式工作，卫星
平均寿命5年，质量约500kg。

——鉴于地球上南纬
40°以南地区人口分布过错比北纬40°以北要少，为使卫星设计成主要集中覆盖此南纬40°以北
人口密集地区，并使卫星数最少，显然用HEO比圆娄道方式更为合适。由此该系统布置两组相互补
充和协调覆盖范围的卫星星座，其椭圆轨道方式集中覆盖北部地区的HEO星座称为Borealis，而围
绕赤道的MEO星座称为Concordiao
Borealis星座取116.6°及64.3°两个倾角，近地点520km，远地点7800km，轨道周期3小时，
最高点在轨道最北端，从而服务于北纬地区。与圆轨道相比，此HEO方式无论覆盖同样区域的卫星
数及发射能量均比圆轨道要少。当卫星移至赤道以南时，电池充电，卫星不工作。此卫星轨道如第
二讲中所述，采用太阳同步轨道方式设计，与太阳相对方位保持不变，亦有利供电。卫星以19个波
束覆盖地球提供移动业务，每一波束覆盖地球相等的面积。

7 结束语

——通过对上述一些典
型MEO／LEO系统的介绍，可了解目前很热门的窄带卫星移动通信的基本设计特征及其主要系统性
能参数。从系统容量、用户对象与市场潜力来看，谁是最后几个幸存者，人们依然拭目以待。这些
大LEO系统与小LEO系统最大的不同之处在于已将传送信息媒体扩充至语音，但目前依然未涉及视
频业务。随着视频数字压缩超低比特速率（≤64kbit／s）的MPEG-4及H.262／H.263标准与相应
商用技术问世，面向21世纪的此类窄带全球卫星个人通信系统可望发行而携带一定质量的多媒体信
息实时传输。然而，应该指出，以MPEG-4的可能实用化为例，这必须根据图像环境与那位综合运
用大量高级信号处理技术，诸如针对像素颜色的常规PCM，针对统计独立图像的预测／变换编码，
针对平移块的运动补偿型DPCM／DCT，针对动体结构的分形与轮廊／纹理编码，针对未知动体的形
状、颜色的分析／合成编码，以及针对已知动体情况的知识基编码和针对面部表情动作的语义编
码，等等。可见其构成与实施相当复杂！而高质量视像传输，包括HDTV传输，依然要依靠宽带传
输才行，MEO／LEO卫星系统亦不例外，这些情况将在下一讲中讨论。