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中、低轨道卫星通信热及其基本特征

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中、低轨道卫星通信热及其基
本特征

信息产业部无线电管理局
陈如明

摘要
face="仿宋_GB2312">本文讨论了中、低轨道卫星通信热的兴起背景，与信息高速公路和全球
个人通信的关系及其基本特征。最后纵观了目前全世界各种典型中、低轨道卫星通信系统的概貌。

关键词 face="仿宋_GB2312">低轨／中轨／静止轨道信息高速公路
全球／区域／国内信息基础设施无疑隙覆盖

1
INMARSAT GEO全球卫星移动通信系统及其基本缺陷

——INMARSAT（国际海
事卫星组织，现称国际移动卫星组织），是INTELSAT（国际通信卫星组织）的姐妹组织，她在
INTELSAT之后诞生，是一个利用GEO卫星（静止轨道卫星或同步轨道卫星）经营全球卫星移动通信
业务的商业性国际组织，总部设在伦敦。与具有139个成员国的世界上最大的商业卫星组织
INTELSAT相比，其成员国及总部工作人员均较少，但很多INMARSAT的重要成员也是INTELSAT的成
员，两者“默契”分工，一个从事固定卫星业务，一个从事移动卫星业务。

——追溯历史，
INMARSAT的前身为国际海事咨询组织（IMCO）。1976年投入太平洋区域（POR）同步轨道提供船
岸间通信的第一颗Marisat卫星开创了卫星移动通信的新纪元，尔后在大西洋区（AOR）及印度洋
区（IOR）进一步布局此类L频段卫星，由美国COMSAT总公司操作运行，直至1982年转移给
INMARSAT租用，并以A类标准全球海事卫星通信站构成了所谓第一代海事卫星通信系统，形成了卫
星移动通信进行全球连接服务的样板。1979年7月16日INMARSAT正式宣告成立，尔后即租用
Marisat及INTELSAT的IS-V和欧洲宇航局（ESA）的Maices卫星进行以全球海事移动卫星业务为主
的运营工作。

——至今INMARSAT系统
已更新了三代。第一代于1982年投入使用；第二代于1990年投入使用；目前，第三代INMARSAT
3F1于1996年4月3日由Atlas IAC 122火箭发射成功，定点于印度洋区64°E。

——INMARSAT系统的标
准移动终端至今共有6种基本类型，即进行海上／陆地业务的A、B、C、M、Mini-M标准以及进行航
空业务的航空标准（AeroH及L）。A、B、M、Mini-M标准及Aero-H标准均可进行语音通信，A为模
拟FM方式，2∶1语音压扩；其它均为运用BPSK／QPSK型的数字调制方式，并借助卷积码进行前向
纠错；语音压缩编码借助APC（自适应预测编码）、RELPC（残余低频谱激励线性预测声码器）等
算法，其压kbit／s、9.6kbit／s、4.8kbit／s、3.6kbit／s及2.4kbit／s等。这是目前世界上
唯一可借助手提箱式或笔记本式终端实现语音、数据、传真等综合业务的全球卫星移动通信系统。

——应该指出，已有17
年左右运营历史的INMARSAT海事卫星全球通信系统以海上通信、定位、援救等为基本目标，扩充
至海岸间及陆地卫星移动通信和航空卫星移动通信，对满足全球移动用户的需求做出了突出贡献。
但是，随着通信技术的飞速发展以及全球用户信息业务需求结构和竞争环境的急剧变化，
INMARSAT系统依然暴露出下述几项明显的不足与缺陷：

——（1）终端笨重，不
能适应小型灵巧手持机型个人通信需求。

——（2）从空间段至地
面用户终端均体现出其价格昂贵，难以适应全球普遍服务这一未来信息社会基本要求，对此可参阅
表1。Globalstar（全球星）的LEO（低地球轨道，简称低轨）系统，其典型单跳空间段通话费为
0.65美元左右，手持机价格约小于500美元，显然INMARSAT系统缺乏竞争力，更不要说其存在着系
统结构与技术性能方面的弱点。

表1 INMARSAT语音终端
及空间段费用比较

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cellpadding="0" cellspacing="1" width="500">

INMARSAT终端类别	A	B	M	Minni- M
空间段费用（美元／分钟）	7	6	5	3
终端费用（美元）	style="text-align:center">45000	style="text-align:center">35000	style="text-align:center">12000	style="text-align:center">3000

——
（3）容量能力的弱点同样明显。即使按1991年已作出决定的第三代INMARSAT点波束结构为例，一
个INMARSAT-3卫星点波束约可覆盖100个Iridium（铱）LEO系统小波束，而每个铱系统小波束
（小区）在10.5MHz带宽内却能容纳大约110个双向语音信道，从而在一个INMARSAT点波束大区内
铱系统可运作11000路话音信道，相应INMARSAT系统仅能运作300～400路话音信道，其差距近3倍
之多。

——（4）频谱利用效率
较差。

——（5）移动用户与移
动用户间连接需经GEO卫星双跳完成，时延大，回声抑制要求难度大、费用高。

——这些情况亦道破了
INMARSAT为何要在新的全球竞争环境中尽快建立下面将要讨论的新一代MEO（中地球轨道简称中
轨）INMARSAT-P（ICO，中圆轨道）系统的原委。

2 新一代
MEO／LEO卫星通信系统的诞生基础与动力

——（1）非静止轨道卫
星系统的应用基础

——①HEO（高椭圆轨
道）卫星系统

——HEO是指卫星运行轨
道为椭圆，其远地点高度大于静止卫星高度（36000km）。众所周知的有Molnyia、Ioopus等系
统，其中Molnyia系统最具有代表性。

——Molnyia（闪电）系
统，于1965年由原苏联发射成功，其轨道周期为12小时，远地点39500km，近地点约500km。其动
因在于苏联大部分地区位于50°以上，北极圈横贯东西静止卫星难以覆盖其全国，为使由莫斯科向
远隔6000km东达海参威的人烟稀少的广宽的西伯利亚地区传输电视节目，开发了此HEO
Molnyia系统，在大倾斜（倾角为63.4°）椭圆非静止轨道上设置120°间隔三颗卫星构成其星
座。利用由开普勒定律决定的远地点广大区域卫星运行慢速移动（0.1°／min）的滞留（Dwell）
现象，以实现有效的电视传输。至1992年“闪电”系列卫星即已发射了127颗，单Molnyia-3卫星
即有43颗，从而累积了丰富的非静止HEO轨道卫星系统的轨道与系统设计、运行的实际经验。

——②小MEO／LEO卫星
系统

——从军用、科学试验
到商用，产生了一系列小MEO／LEO系统，如GPS、Glonass、Orbcomm、Faisat、Gonets、Pacsat
等，其中以GPS、Orbcomm等最为闻名。

——GPS为MEO系统，为
美国空军系统运作，用作全球定位。早期为12个卫星星座，在1978～1985年间发射;新的GPS系统,
在1989～1994年间发射;为24颗小卫星星座系统,分6个轨道平面覆盖全球,轨道高度为17723km,倾
角为55°，该星座亦称NAVSTAR
GPS。据悉，美国空军还拟发射第二个小LEO系统，称为Brilliant Eyes（BE），用于跟踪弹道
导弹弹头，作为美军以太空为基础的红外线寻的系统（SBIRS）的一部分，卫星数约为18～32个。

——（2）新一代
MEO／LEO系统的发展动力

——①从INMARSAT GEO
型三代卫星移动通信系统到上述包括导航、定位、营救、搜索在内的各种军用／科学试验非静止轨
道小卫星系统，一方面为新一代MEO／LEO系统的发展提供了基本实践经验，另一方面其业务范围
与综合能力依然非常有限。进入90年代中期，随着同步轨道资源限制与拥塞矛盾的白热化及其高纬
度区域覆盖的局限性，人们寄希望于非同步轨道运作而开发出克服上述缺陷的新一代MEO／LEO系
统。

——②陆地移动通信的
迅猛发展，使人们尝到了移动通信与个人通信的甜头，而且价格性能方面也为越来越多的用户所接
受。

——③信息高速公路的
无疑隙覆盖含义上的全球个人通信目标使人们意识到新一代MEO／LEO卫星移动通信可充当重要的
角色。

——④全球竞争环境、
政策、规则及用户需求结构的快速变化愈来愈严峻，亦导致人们在上述基础上加速推进新一代
MEO／LEO系统的发展，以求捷足先登、抢占有限的全球用户市场。正是由于这些原因才掀起了
MEO／LEO卫星通信的狂热！

3 小卫星的
定义

——小卫星的定义早先
偏重于其重量，如称小于1134kg的卫星为小卫星，然而随着新一代MEO／LDO卫星系统的兴起，对
小卫星的定义则侧重于技术先进性与业务综合性。

——目前通常按频段与
功能来定义是小LEO还是大LEO。只传输非话业务、工作频段在1GHz以下者常自然数为小LEO，反之
同时传输语音等多种业务，工作在1GHz以上者则称为大LEO。至于低轨、中轨、高轨本身的含义，
首先与卫星轨道定位高度有关，同时还要避开下一讲要讲到的Van
Allen（范.艾伦）辐射带对卫星的辐射损害影响。LEO高度一般为500km～1500km左右，MEO高
度通常指5000km～15000km左右，GEO为35768km高度赤道上空的轨道，HEO远地点高度本来指大于
GEO高度的椭圆轨道，但目前HEO的设计思想亦在进一步修正，可降低其远地点轨道高度，但仍呈
椭圆星轨，甚至将MEO圆轨道与椭圆轨道两者结合设计为MHEO系统，Ellipso（椭圆星轨）系统即
为此一例，从而通常将此类现代HEO／MHEO系统仍归入MEO之列。更有甚者，有时一些人还将MEO
（或ICO）亦视为大LEO范畴，因为它们往往使用类似的频段和业务。与此同时，则称星座数特别
巨大的系统，诸如共840个小卫星耗资近100亿美元的Teledesic（全球电信网）系统为超级
（Super）LEO系统，它由跨地球高度为700km的21个圆形轨道构成，每一轨道平面上有40个卫
星，加上在轨10％备份，共有924颗卫星在轨移动支行，利用Ka频段，有星上处理及星际链路，且
主要瞄准宽带固定卫星业务连接。这些情况在第四讲中有更为详细的讨论。

4 现代
MEO／LEO卫星通信的基本特征

——归纳起来，面向21
世纪的现代MEO／LEO卫星通信具有下述一些基本特征：

——（1）具有全球／区
域覆盖能力，以适应未来个人化业务连接需要。

——（2）利用极地轨道
或网状覆盖倾斜轨道，一方面可弥补同步轨道资源的不足，另一方面又可支撑更优良的装备实施与
业务性能的需要。

——（3）通信业务向多
样化、综合化方向发展，以期与未来多媒体高速信息传输相沟通。

——（4）由于可能与全
球个人业务相连接，用户终端可使用类似或兼容于陆地蜂窝移动系统的蓄电池供电的小型手持机。

——（5）系统设计及网
络结构可提供进入或组合于现有公用通信网及陆地移动通信网的能力。

——（6）网络设计、系
统构成、星间协调、星星处理等充分利用现代通信智能化、数字化及多媒体化的最新技术，以技术
优势换取市场竞争和价格／性能比上的优势。

——（7）除轨道资源扩
充外，对频率资源亦进行积极扩充，包括利用或混合利用Ku、Ka甚至EHF等高频段，以及光频段开
发，以满足高吞吐量宽带业务传输及馈线链路和星际链路的构成需要。

5
LEO／MEO／MHEO卫星通信系统一览简表

——为获得对目前现代
LEO／MEO卫星通信系统发展状况一个概貌，特提供新一代LEO／MEO／MHEO卫星通信系统一览简
表，如表2所示以供分析参考。

表2 LEO／MEO现代卫星移
动通信系统性能对比简表

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系统名称	卫星总数	轨道数	发射／业务日期	拥有者	投资额（亿美元）	注
style="text-align:center">Iridium （铱）	66	6	1996年试验发射，1998年投入业务	Motorola Iridium Inc.	34	轨道高度785km，有星际链路、极轨、手机电话、寻呼、数据
GlobalStar（全球星）	48	8	1997～1998年发射， 1998～1999年投入业务	LQSS	20	轨道高度1414km，主要业务：话音、传真、数据、寻呼、定位
style="text-align:center">Odyssey （奥德赛）	12	3	1998～1999年投入业务	TRW Inc. Teleglobe Canada	18	轨道高度10354km，10～11个关口站,电话、传真、数据
style="text-align:center">Aries （白羊座）	48	4	1998年发射	Constellation Comm.Inc.	style="text-align:center">2.94	圆轨道，高度1018km，话音、数据、定位
style="text-align:center">Ellipso （椭圆星轨）	24 （16+8）	3 （2+1）	1997～1998年发射	Ellipsat Corp.	11	2个Bories椭贺轨道，近地点 520km，远地点7800km，一个MEO赤道准圆轨道Concordia，高度4000／78000km
ICO（INMARSATP- 21）	10	2	1999～2000年发射投入业务	ICO(INMARSAT-P)	28	轨道高度10350km，话凌晨、数据等
style="text-align:center">Teledesic （全球电信网）	style="text-align:center">840	21	2001年左右发射投入业务	Teledesic Corp.	90	轨道高度700km，有星际链路，Ka 频段无线宽带业务
M- Star （M-星）	72	12	1999～2000年左右发射投入业务	Motorola(1996年9月4日向FCC申请)	61	轨道高度1368km，Ka频段宽带多媒体型业务，2Mbit／s～500Mbit／s，7.5Gbit／s吞吐量
style="text-align:center">ALCATEL SATIVOD	64	--	2001年	ALCATEL	30	16Kbit／s～60Mbit／s连接 INTERNET、远程医疗、VOD、电子游戏等，LEO系统
style="text-align:center">Orbcomm （轨道通信）	48	6	1995～1997年发射投入业务	Orbital Sciences Corp.	1～ 4	轨道高度970km，双向数据、定位、应急告示等
Leo One （低轨1）	48	8	1997～2000年发射投入业务	Leo One Panamericana	3～ 5	轨道高度950km，数据监测、跟踪定位、Email、寻呼、传真、应急告示等
style="text-align:center">Leosat （低轨卫星）	18	3	--	Leosat Corp.	1～ 2	轨道高度1000km，双向数据通信
style="text-align:center">Starnet （星网）	24	--	1995年发射	Starsys Inc.	1.5～ 2.0	轨道高度1300km，双向数据通信及定位
style="text-align:center">Gonets	36	6	1995～1998年	Smollsat(俄)	style="text-align:center">3.0	轨道高度1300km，主要为数据通信
style="text-align:center">Pacsat	PacsatA、 B	7	1990年发射	Vita	--	VHF／UHF馈送链路，存储／前向转发业务，直至1000个PC为基础的地球站
style="text-align:center">Vitasat	Vitasat1、2、 3	2	--	Vita	--	轨道高度970km，教育、卫生、环保等非盈利目的
style="text-align:center">Macsat	Macsat1、 2	--	1994年已发12个试验卫星，1996年开始业务	DARPA	--	军用、极轨、数据存储转发，海湾战争用过
style="text-align:center">Esat	6	1	--	Esat Inc.	style="text-align:center">0.576	轨道高度1261km，太阳同步， CDMA／TDMA系统、数据传送、工业环境监测、DTH广播等
style="text-align:center">Faisat	26	6	1993年	FACSI	style="text-align:center">1.51	轨道高度1000km，数据通信、跟踪、定位及应急通信等
GE Americomm	24	--	1997～2000年	GE Americomm Inc.	--	轨道高度800km，FDMA／TDMA系统，数据通信、数据中继、定位、公安应用等
style="text-align:center">Temisat	1	1	--	Telespazio S.P.A	--	轨道高度800km，极轨，数据存储转发、环保应用
style="text-align:center">Starsys	24	6	1997～1999年	Starsys GPS	style="text-align:center">1.9	轨道高度1000km，双向数据消息、全球定位
style="text-align:center">Geowarn	5+1（备）	1	--	--	--	轨道高度700km，太阳同步、全球应急观察告警
style="text-align:center">Gemnet	38	5	1997～1999年	CTA	--	轨道高度1000km，运输、DTH数据、环保
Coscon	32	4	--	俄创新联合公司	--	轨道高度1000～1200km，有星际链路