姓名：姜国勇
学号：20011210153
【嵌牛导读】 在人们日常生活中，地面通信基础设施可以为人们提供基础通信服务。但有些地面通信基础设施不能覆盖到的沙漠、山区、海洋，用户无法与外界建立联系。同时，通信服务在陆地、海上、空中、救灾等场景中发挥着不可或缺的作用。卫星移动通信成为众多研究者关注度重点方向。卫星移动通信作为地面移动通信的必要补充，卫星通信以其覆盖范围广、不受环境约束等优点可实现全球覆盖，让全球的用户享受全方位的通信服务。
【嵌牛鼻子】 卫星移动通信 发展历史
【嵌牛正文】 通信卫星按照工作轨道划分卫星通信系统可以分为高轨道卫星通信系统(GEO)、中轨道卫星通信系统(MEO)、低轨道卫星通信系统(LEO)。高轨道卫星通信系统即同步静止轨道卫星通信系统，技术最为成熟，已经成为建立卫星通信系统的传统模式。但是，同步卫星有一个不可克服的障碍，就是较长的传播时延和较大的链路损耗，严重影响到它在某些通信领域的应用，特别是在卫星移动通信方面的应用。中轨道卫星通信系统传输时延小于静止轨道卫星，覆盖范围较大，是建立全球或区域性卫星移动通信系统较为优越的方案。但是，如果需要为地面终端提供宽带业务，中轨道系统将存在一定困难。低轨道卫星通信系统，卫星距地面500km～2000km，由于卫星轨道低，其链路损耗小，所以传输时延和功耗较小，可以降低对卫星和用户终端的要求，可以采用微型/小型卫星和手持用户终端，同时可支持多跳通信。低轨道卫星系统作为高速的多媒体卫星通信系统的性能要优于中轨道卫星系统。
自上世纪60年代世界上第一颗人造卫星发射成功以来，卫星通信得到了快速发展。1965年，人类首次利用卫星进行通信，并取得了成功，开创了卫星通信的先河。1970年，我国自主研制的第一颗人造卫星“东方红1号”成功发射，开创了我国卫星通信事业发展的新篇章。
图1 卫星整体通信系统
由美国卫星产业协会(SIA)发布的2019年全球卫星产业状况报告数据，2018年，全球导航卫星发射数量为25颗，较2017年7颗同比增加了18颗。2018年全球卫星发射数量为314颗，其中导航卫星占比为8%，比重较2017年上升了6个百分点。2018年，全球导航卫星发射数量恢复增长，中国北斗卫星功不可没。2018年，中国共有18颗北斗三号卫星送入太空，占全球导航卫星发射量的72%。2019年1-11月，中国仍有6颗北斗卫星送入太空。根据北斗根据导航系统管理办公室消息，2019年计划发射6-8颗北斗导航卫星，完成所有MEO(中圆地球轨道)卫星发射，进一步完善全球系统星座布局，全面提升系统服务性能和用户体验。2020年计划发射2-4颗北斗三号卫星，至2020年底全面完成北斗三号系统建设。
根据美国忧思科学家联盟(Union of Concerned Scientists)最新更新的“在轨卫星统计数据库”显示，截至2019年3月31日，全球在轨正常运行卫星数量为2062颗。其中导航卫星数量为139颗，占比为6.7%。导航卫星数量要远远小于地面观测卫星和通信卫星数量。由于高轨卫星容量太小，其主要提供数字广播和专网通讯服务，而低轨（Low Earth Orbit，LEO）通信卫星由于运行在低轨道，具有传输损耗小、通信时延短、可靠性高等优点，适合为终端用户提供移动通信服务。
图表1 2015-2018年全球卫星发射类型结构（按数量）（单位：%）
表2 全球卫星导肮系统基本情况
低轨卫星移动通信发展
低轨卫星移动通信系统是在上世纪80年代后期提出的一种新构想，20世纪90年代开始，低轨卫星移动通信系统迎来了第一次发展热潮，最多时有十几个卫星通信星座计划被提出，典型的有铱星系统（Iridium）、全球星系统（Globalstar）、轨道通信系统（Orbcomm）、Teledesic等。
①Iridium系统是由美国摩托罗拉（Motorola）公司推出的世界上首个LEO卫星移动通信系统，可以实现全球覆盖。1998年铱星系统开始商用，我国在1999年开始使用铱星系统提供的服务。铱星具备星上处理能力且卫星与卫星之间存在星间链路，这是它与其他低轨系统的最大不同之处。其基本目标是实现全球数字化个人通信。Iridium系统由66颗低轨卫星构成，卫星运行在780km的轨道，于1998年11月进入运营。早期的低轨卫星通讯星座主要服务于卫星电话，提供以语音通讯为主的服务，通讯覆盖全球为数不多的卫星在通讯容量有限的情况下提供个人应用服务。然而低轨卫星通信星座发展并不顺利，由于铱星系统没有解决成本投入过高的问题，尤其是昂贵的造星和发射成本，导致通话费用过高使用者甚少，运营商在持续亏损中于2000年宣布破产。而铱星系统的停用令投资者们失去了信心，导致一大批提出低轨卫星星座的企业和计划倒闭或者部署失败，这股热潮也迅速降温。目前成功运行的只有Iridium、Globalstar、Orbcomm这3个系统，而铱星系统也是在原公司申请破产保护后由新的“铱”星公司恢复的运营。在经历破产、被收购后，铱星公司开始推进系统的更新换代。美国于2017年进行了4批次新一代铱卫星的发射部署，进一步推进了铱星系统的性能升级，升级后的铱星系统将显著提高数据传输速率和系统容量。未来，铱星系统将支持包括航空、海事、陆地移动、政府服务等多个领域的服务，具有广阔的应用前景。
②Globalstar系统由美国高通（Qualcomm）公司和劳拉（Loral）公司联合推出，可以覆盖地球南北纬70°之间的区域。其第一代产品主要提供话音和中低速数据传输服务，由于没有采用星间链路，所有的通信都需要通过地面信关站进行交换处理。2013年，Globalstar完成更新换代，系统的网络管理能力得到进一步加强，支持更高速率的数据传输。Globalstar系统于1999年开始商业运营。系统采用玫瑰星座设计(高度1400km)，由48颗卫星组成，用户链路为L、S波段，通过无星间链路、弯管透明转发的设计，降低建设成本。Globalstar二代系统迸一步提高了系统传输速率，增加了互联网接人服务、ADS．B(广播式自动相关监视)、AIS等新业务。
③Orbcomm系统于1996年正式启动面向全球的数据通信商业服务。星座系统由约40颗卫星及16个地面站组成，轨道高度740—975km，共7个轨道面。星座内部无星间链路，用户链路采用VHF频段。相比于第一代系统，二代Orbcomm卫星质量增加3倍，接人能力提升了6倍。当前拥有全球最大的天基AIS(船舶自动识别系统)网络服务。主要应用是短数据传输。目前，Orbcomm公司已经完成第二代卫星系统的组网建设，支持更大的用户数量，并具备向下兼容性，也就是说其第一代用户设备可与第二代卫星系统实现无缝链接。
进入21世纪后，由于计算机、微机电、先进制造等行业的快速发展推动了通信技术和微小卫星技术升级换代，进而使得卫星通信成本的下降，更随着全球互联网和物联网服务的延伸，以及第五代移动通信系统（5G）的逐步商业化应用，低轨卫星移动通信系统目前又迎来了第二次发展热潮。国内外各大公司于2015年前后陆续公布卫星发射计划，知名的有IridiumNext、OneWeb、StarLink、鸿雁星座、虹云星座等大规模低轨卫星通信系统。
铱星通信公司的铱星二代(IridiumNext）由81颗卫星组成天基移动通信系统，其中66颗工作星呈Walker星座均匀分布在6个轨道面上，辅以6颗天基备份星和9颗地基备份星。公司已于2019年2月6日宣布完成星座组网，正式投入运营。
One Web公司计划建造由900颗微小卫星组成的OneWeb星座设计，其中720颗将被发射到倾角为87.9°的1200km高度轨道，均匀分布在18个轨道面，每个轨道面工系统组成作星36颗，辅以4颗备份星，让全球宽带互联网能够实时连通。其首批6颗卫星已于2019年2月28日由联盟号运载火箭（SoyuzST-B/Fregat-MT）发射入轨；SpaceX公司的StarLink计划运营一个由12000颗微低轨卫星组成的互联网星座，并于2018年2月2日成功发射两颗试验星Microsat2-A/B。
在第二次低轨卫星发展热潮中，也离不开国内各大企业的参与。国内首套全球低轨卫星通信系统为中国航天科技集团提出的“鸿雁卫星星座通信系统”，该系统由一个移动通信星座和一个宽带通信星座组成，涉及300余颗低轨道小卫星，具有数据通信、导航增强等功能，能实现全天候在复杂地形下进行实时双向通信。其于2018年12月29日成功发射鸿雁星座首发星—重庆号，并顺利开展了载荷星地通信试验；中国航天科工集团的“虹云工程”计划发射156颗卫星搭建一个星载宽带全球移动互联网络，设计运行在1000km的地球轨道上，计划搭建一个能覆盖全球范围的低轨卫星通信系统，在天基互联网的基础上，实现低轨导航增强、多样化遥感的信息一体化。公司已于2018年12月22日成功开展虹云工程验证卫星实验。新兴的低轨卫星大都能实现50ms以内的时延，与地面光纤网络相当，可以支持在线游戏、视频聊天等基于实时或近实时数据传输的使用。低轨道卫星系统的应用有助于终端小型化，通过多颗低轨卫星构成星座实现全球无缝覆盖，提高互联网和新兴物联网的全球覆盖范围，具有全天候工作能力。目前的低轨道卫星通信服务于全球互联网接入，及全球物联网数据交互。例如，美国的“OneWeb”“StarLink”卫星，中国的“虹云工程”“鸿雁星座”等都是此类低轨道卫星通信系统。以美国OneWeb卫星星座为例，该卫星星座包含720颗低轨卫星和在轨备份星，这些卫星分布在18个轨道面上，每个轨道面上40颗卫星。星座总容量高达5.4Tbit/s(数据传输速率单位，主要有kbps、Mbps、Gbps与Tbit/s），每颗卫星的容量为7.5Gbit/s，可为用户提供下行200Mbit/s和上行50Mbit/s速率的互联网接入服务，时延约为30ms，与光纤网络相当。此外，根据中国航天科工集团此前公布的信息，“虹云工程”计划共发射156颗卫星，整个“虹云工程”分为三个阶段：第一阶段，2018年年底发射首星；第二阶段，“十三五”期末发射4颗业务试验星；第三阶段，到“十四五”中期完成天地融合系统建设，具备全面运营能力。通过组网卫星在轨运行，它们将在距离地面1000公里的轨道上组网运行，基本实现覆盖全球的宽带互联网接入。组建完成后，可以实现网络无差别的全球覆盖，无论在海域还是无人岛或者飞机上，都能接入互联网，和外界保持通信流畅。
表3 国外卫星互联网星座进展概况表 （截止至2020年3月）
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