全球卫星通信

低轨道通信卫星

为了克服静止轨道通信卫星的种种不足，各国发射了一些低轨道通信卫星。低轨道卫星离地球近、路径短，能克服地球静止轨道卫星存在的种种缺陷。由于低轨道卫星信号覆盖地面面积小，为了覆盖全球，需要用几十颗卫星组成星座和系统才能进行全球通信。

低轨道通信卫星主要用于移动通信，可为卫星电话、车载、船载、飞机等移动终端在任何时间、任何地点提供全球通信、无缝链接服务，十分方便，通信质量也好。它广泛应用于卫星通信、全球通信、远洋通信、抗灾救灾、搜索救援等。

1990年代，美国率先开展了低地球轨道通信卫星计划。20多年来，低轨道卫星系统几经起落，甚至差一点全军覆没。经过艰难发展，特别是手机技术、移动通信技术、互联网技术的迅猛发展，低轨道通信卫星系统死而复生。如今，卫星手机、移动电脑等移动终端可随时链接卫星通信，传输电话与数据，下载图片、视频和多媒体内容。

低轨道通信卫星系统有三大特点：低轨道、大星座、移动通信。低轨道通信卫星系统对其他卫星系统和各国卫星发展具有重要意义。著名的低轨道通信卫星系统有：“铱星”卫星通信系统、“全球星”卫星通信系统、“泰利迪斯”卫星通信系统等。

“铱星”卫星通信系统

“铱星”（Iridium）卫星通信系统是美国摩托罗拉公司设计的全球移动通信系统。铱星系统是1987年提出的第一代通信星座系统，1992年，“铱星”卫星开始研发。摩托罗拉公司制造卫星有效载荷，洛克希德·马丁公司负责“LM-700A”卫星平台。每颗“铱星”卫星质量689千克左右，功率为1200瓦，采取三轴稳定结构，设计寿命5～8年。

“铱星”系统的空间部分是运行在7条轨道上的卫星，每条轨道上均匀分布着11颗卫星，组成一个完整的星座。它们就像化学元素铱（Ir）原子核外的77个电子围绕原子核运转一样，因此被称为铱星。后来经过计算证实，6条轨道就够了，卫星总数也减少到66颗，但仍习惯称为铱星。

“铱星”系统最大特点是，通过卫星之间的链接实现全球通信，相当于把地面蜂窝移动电话系统搬到了天上。它与目前使用的静止轨道卫星通信系统比较有2大优势：1. “铱星”轨道低，传输速度快，信息损耗小，通信质量大大提高；2. “铱星”系统不需要专门的地面接受站，每部移动电话都可以与卫星联络。地球上人迹罕至的不毛之地，一望无际的远洋深海，没有人烟的南北极，通信设施落后的边远地区，自然灾害现场等都变得畅通无阻。“铱星”宣告：个人卫星通信的新时代到来！

“铱星”卫星通信系统有66颗卫星，分布在6条轨道上，轨道平面间隔30°，组成卫星星座。“铱星”运行在约781千米，倾角86.4°的低轨道，轨道速度大约27000千米/小时。“铱星”卫星通信系统信号覆盖全球，包括南北两极。

“铱星”每条轨道上部署11颗在轨卫星，备份1～2颗。备份卫星通常运行在666千米，倾角86.4°的轨道上。在某一颗卫星故障情况下，备份卫星将提高轨道到正确高度和投入服务。铱星公司破产后，新主人决定推出7颗新的备份卫星，保证每个轨道平面保持2颗备份卫星。如果需要的话，这些卫星可以被移动到一个不同的平面。这可能需要几个星期时间，消耗的燃料将缩短卫星的预期寿命。

“铱星”星座可以覆盖全球。用户用手持话机、集成收发器直接接通卫星进行通信，而无需几米直径的抛物面天线就可以进行全球范围内的通话。每颗“铱星”卫星可以支持多达1100个并行电话。目前，卫星转发器运行在1618.85MHz～1626.5MHz民用频率，1610.6MHz～1613.8 MHz的射电天文服务频率。

“铱星”通过星间链路与周边卫星进行Ka频段通信。每颗卫星可以有4条星间链路：在同一轨道平面前后的2颗“铱星”，在相邻平面两边的2颗“铱星”。卫星轨道从南极到北极大约运行100分钟。

“铱星”卫星的这种设计意味着优良的卫星可见性和在南北两极覆盖服务。由于“接缝”卫星按照极轨道设计，当卫星沿轨道方向的轨道平面运行，另一轨道平面的卫星在相反的方向行进。横向的星间链路会发生非常迅速切换，以应付多普勒频移；因此，“铱星”星间链路之间仅支持在同一方向轨道的卫星。

铱星公司选择在美国空军范登堡空军基地、苏联拜科努尔航天中心、中国太原卫星发射中心、俄罗斯普列谢茨克航天中心成组发射“铱星”卫星。1997年5月5日，第一批5颗“铱星”卫星在范登堡空军基地升空。到2002年6月2日，共计96颗“铱星”卫星发射升空，全部成功部署在轨道。

由于“铱星”卫星高反射天线造型独特，卫星将太阳光聚焦在一个小面积。这个效应称为“铱星闪光”。当“铱星”卫星飞越地球表面，暂时是夜空中最亮的天体，有时在白天也可见。“铱星”卫星系统被誉为卫星通信的里程碑。

时过境迁。铱星公司的卫星电话价格和费用极高，“贵族化”用户很少。地面上的无线通信技术和手机广泛普及，给铱星公司迎头打击。2000年3月18日，铱星公司以40多亿美元债务宣告破产。新老板以2500万美元极低价格买下铱星公司。铱星公司改换思路，走低价、普及、平民化的道路。

2008年8月，铱星公司选择了2家公司：洛克希德·马丁公司和阿莱尼亚宇航公司参加下一代卫星星座的竞标。2010年6月2日，铱星公司宣布获胜者为泰利斯·阿莱尼亚空间公司，研发、建造和发射的总合同金额为29亿美元。阿莱尼亚空间公司研发有效载荷，美国轨道科学公司提供卫星平台。

目前，铱星公司正在开发第二代“铱星”星座（Iridium-NEXT），共计81颗，预计在2015年初推出。现有的“铱星”卫星星座有望保持运行，直到第二代“铱星”全面运作，许多卫星将一直服役到2020年。新一代“铱星”卫星具有改进的带宽规划。该系统将向后兼容现有的系统。

第二代“铱星”包括66颗卫星在轨卫星，6～9颗备份卫星。卫星将包含附加载荷，如一些客户和合作伙伴的摄像头和传感器。“铱星”也可以被用来为太空中的其他卫星提供数据链接，无论地面站和网关的位置在哪里，都可命令与控制其他航天器。

第二代“铱星”重量约800千克，设计寿命10年，计划寿命15年。它将运行在高度780千米、倾角86.4°的低轨道。备份卫星运行在高度667千米、倾角86.4°的储备轨道上。

第二代“铱星”卫星提供L频段速度高达1.5 Mbit/s和Ka频段8 Mbit/s 的高速服务。它采用48个L频段相控阵阵列天线，覆盖地球表面直径4700千米，蜂窝模式卫星通信。Ka频段链接也提供了地面网关的通信和对相邻轨道卫星交联。在空间由66颗卫星组成交联星座，允许地球上任何位置的地面或空中的用户通信，组成几乎覆盖地球上任何地方的全球网络。

科技就是追求先进。第二代“铱星”内置一套“ADS-B”飞机自动监视接收机。它能为飞机提供完全的连续的天基监视与控制，甚至在海洋和偏远地区。目前，它是不可能的。美国哈里斯公司和前身为国际电话与电报公司的ITT公司提供技术支持。美国联邦航空管理局、加拿大空中交通机构享受新技术的成果。

全球控制：为空中交通管制员提供准确的全球实时、可见性的飞机和飞行。

全球覆盖：在没有雷达系统、地球上到处存在的远洋、极地、远程和广大欠发达地区，提供超出常规的航空控制能力。

全球安全：实时、准确地显示任何飞机和航线附近的空气流量，从而提高世界各地的安全性。

全球优化：提供一个低成本效益的解决方案，优化飞行轨迹和高度，提高效率和燃油经济性，并减少延迟和拥塞。

按照计划，2015年1月，俄罗斯首先从栋巴洲际导弹基地发射“第聂伯”火箭，将2颗“铱星”卫星送入轨道。2010年6月，铱星公司与美国太空探索公司签署最大的商业火箭发射协议，金额为4.92亿美元。在2015年～2017年间，美国太空探索公司从范登堡空军基地8次发射“猎鹰-9”号运载火箭，将79颗“铱星”卫星送入太空。预计到2017年8月，第二代“铱星”星座部署完毕。

“全球星”移动卫星通信系统

美国有一个世界著名卫星公司——全球星卫星通信公司，由劳拉公司等十多个空间、卫星和通信公司组成，宗旨是：贡献科技，共享文明。2000年前，人们盼望低轨道通信卫星诞生，给全球带来移动通信的好时光。这家初出茅庐的美国卫星通信公司将自己的移动通信卫星命名为——全球星。

当移动通信卫星、卫星移动通信真正来临，大多数老百姓却不愿使用和承担不起移动通信的费用，技术难题也让技术人员挠头抓腮。全球星卫星通信公司和铱星卫星通信公司等卫星移动通信公司陷入进退两难的地步，多个卫星移动通信公司陷入绝境而倒闭。

全球星卫星通信公司知道在太空挣钱比在地面挣钱的投资更大、周期更长、技术更难。既然选择了太空、卫星、移动通信等高科技，全球星卫星通信公司只能冒险前行。事实证明：办法总比困难多。全球星卫星通信公司成功了。

“全球星”（Globalstar）卫星系统已发展了2代。第一代“全球星”卫星由阿莱尼亚空间系统公司研制和集成，美国劳拉公司提供“LS-400”卫星平台，质量450千克，2片4联太阳能帆板，设计寿命7.5年，典型轨道为1410千米，倾角52°的圆轨道。

1998年2月14日，全球星卫星通信公司的首批卫星——“全球星-1” ～“全球星-4”在肯尼迪航天中心第17号发射台搭乘“德尔塔”运载火箭发射升空成功。到2007年5月29日，第一代“全球星”卫星共计发射72颗，其中60颗发射成功。

“全球星”系统的命运一直比较比较坎坷。1998年9月9日，俄罗斯在拜科努尔航天中心利用“天顶-2”运载火箭，计划1箭12星将12颗“全球星”卫星一次发射进入太空。俄罗斯本来希望这是一次壮观的商业发射，也是一次创造世界纪录的好机会。然而，命运总与理想开玩笑。“天顶-2”运载火箭发射，12颗“全球星”卫星命丧路途，成为太空垃圾。全球星卫星通信公司也无可奈何，领取一些保险金作为补偿。

美国第2代“全球星”卫星系统由阿尔卡特·阿莱尼亚空间公司研发，为全球企业、政府和个人用户提供卫星语音、数据的移动服务。“全球星”卫星重700千克，2片3联太阳能帆板，初始功率为2.2千瓦，末级功率为1.7千瓦，设计寿命15年。“全球星”卫星采用简单、高效、可靠性强的“弯管”式转发器设计，装载16 台C频段～S频段转发器，16 台L频段～C频段转发器。“全球星”卫星系统分为空间段、地面段和用户段。

“全球星”卫星通信系统空间段由48颗低轨道卫星分布在8个轨道平面上，每个轨道平面上有6颗卫星，备份一颗卫星，共同组成覆盖全球的星座，实现全球南北纬70°之间的全覆盖。“全球星”卫星典型轨道高度为1414千米，倾角52°；调相轨道高度为920千米，倾角52°。

“全球星”卫星通信系统地面段主要由关口站、卫星运行控制中心（SOCC）、地面运行控制中心（GOCC）和全球星数据网（GDN）组成。关口站把全球星卫星的无线网络与地面公网和移动网相连。每一个关口站同时与3颗卫星通信，并将来自不同卫星数据流的信号进行合成。全球星可以与固定网、移动网之间相互兼容。关口站的设计采用了灵活的模块式结构，可随着市场需求进行扩建。

“全球星”卫星系统除南北极在全球范围提供无缝隙覆盖，提供低价的卫星移动通信业务，包括话音、传真、数据、短信息、定位等。“全球星”可为几乎在全球范围内任何个人、任何地点、任何时间与任何人以任何方式通信，即所谓的全球个人通信。“全球星”号称一机在手，链接全球。

阿尔卡特·阿莱尼亚空间公司设计和供应卫星有效载荷、结构、热子系统以及完整的卫星集成。生产基地在法国、意大利、西班牙和比利时。第二代“全球星”卫星在意大利罗马组装和集成。有效载荷在法国图卢兹研发；结构以及热子系统在法国戛纳的科研单位提供研制和测试。阿尔卡特·阿莱尼亚空间公司还负责制造和安装地面站天线、各种移动终端。第

目前，第二代“全球星”共计48颗，2010年10月开始部署。全球星卫星通信公司选择俄罗斯作为商业发射伙伴。“全球星”在拜科努尔航天中心搭乘“联盟-2-1a”运载火箭发射，每一批发射5～6颗。2010年10月19日，第二代首批6颗编号为“全球星-73”～ “全球星-77”，以及“全球星-79”发射成功。2011年，全球星卫星通信公司又发射2批12颗“全球星”卫星，每次发射都成功。

2013年2月6日，新一批6颗卫星飞上太空，进入预定轨道。未来2年，“全球星”还有20多颗卫星将奔赴太空。目前，全球星卫星通信公司已经将庞大的卫星系统编号到“全球星-120”了。“全球星”卫星通信系统将增添新的卫星通信力量。

“泰利迪斯”移动卫星通信系统

1990年，泰利迪斯公司由微软公司的创始人比尔·盖茨和保罗·艾伦、蜂窝电话的先驱克雷格麦考、沙特王子阿尔瓦利德·本·塔拉勒的阿布扎比投资公司、摩托罗拉公司、波音飞机公司共同创建，总部设在美国华盛顿州西雅图的贝尔维市。

1995年，“泰利迪斯”通信卫星计划非常雄心勃勃，成本超过90亿美元，计划建造840颗卫星运行在700千米的低轨道。“泰利迪斯”通信卫星计划为全世界提供双向宽带电信服务，包括计算机网络，快速宽带互联网接入，交互式多媒体和高质量的语音技术。小天线能够提供多达100Mbit/s的上行链路和720Mbit/s的下行链路。“泰利迪斯”卫星通信系统，号称空中光纤网。

“泰利迪斯”（Teledesic）卫星通信系统为全世界提供宽带数字传输电信服务。“泰利迪斯”主要提供计算机网络、快速宽带互联网接入、交互式多媒体、高质量语音、视频会议和其他数字数据服务，实现全球性空中互联网。“泰利迪斯”网络的终端之间的卫星网、地面的最终用户、网络网关和运行与控制系统，实现网络管理功能。

“泰利迪斯”的空间部分可以提供通信联系和终端之间交换信息。它以卫星网络为基础，利用快速分组交换，提供无缝和全球覆盖。每颗卫星与其他同一和相邻轨道平面上的卫星，通过跨界通道建立快速分组交换网和沟通。

按照原有设计，“泰利迪斯”卫星通信系统由840颗均匀分布在空间的低轨卫星组成，这些卫星位于21个轨道平面上。每一轨道平面至少有40颗工作卫星，至多4颗备份星，相邻轨道面在赤道上相隔9.5°。卫星运行在高度为695～705千米，倾角98.2°的太阳同步轨道。

“泰利迪斯”系统有很大的覆盖余量，任何时候在地球的大多数地区至少有一颗接收仰角大于40°的卫星。如果有一颗卫星发生故障，“泰利迪斯”系统会在2小时内运行另一颗卫星，飞升到预定轨道值班。“泰利迪斯”系统将覆盖100%世界人口和95%地球表面面积。

因为能够处理多速率，协议和服务的优先级，“泰利迪斯”系统有足够的灵活性，以支持应用程序，包括互联网、企业内部网、范围很广的多媒体通信、局域网互连和无线回程。灵活性是关键。当然，因为拥有许多应用程序和协议，在未来服务中，“泰利迪斯”系统还可以设想更多的服务，前景广阔。

1997年，由于预计市场需求持续下降，“泰利迪斯”公司计划缩减卫星数量，提高轨道高度，减少复杂性、卫星数量和成本。“泰利迪斯”星座被缩减到288颗在轨卫星，运行在1400千米的高度。“泰利迪斯”系统的288颗卫星，分成12个轨道面，每面各有24颗卫星，另有36颗备份卫星。每枚火箭发射6～8颗卫星。如果一颗卫星被摧毁或损坏，“泰利迪斯”系统会从36颗备份卫星中补偿。

在任何辐射圆形区域内，“泰利迪斯”网络的用户终端可以支持多个500Mbps数据。它能够同时支持数百万用户，使用标准的用户设备。为大多数用户提供双向链接，下行链路64Mbps和上行链路2Mbps。速度更高的终端将提供双向64Mbps或更高通信。在需要的时候，网络支持对带宽的需求，允许用户请求和扩大能力。这意味着，用户只需支付实际使用的能力和网络可以支持更多的用户。

“泰利迪斯”卫星的Ka频段部分，相当于上行链路28.6 GHz～29.1GHz，下行链路18.8 GHz～19.3GHz。地球静止轨道必须经历漫长的信号延迟。由于采用了传统的低轨道卫星，它仅使用低功耗终端和天线。“泰利迪斯”卫星运行在1375千米的低轨道，比36000千米的地球静止轨道近约二十六分之一。由于低功耗终端和天线可连接到电脑或计算机内部的网络建设。

1998年2月25日，美国轨道科学公司的“占星师”飞机从范登堡空军基地起飞，在空中发射“飞马座-XL”运载火箭，将“泰利迪斯”系统的第一颗卫星——“泰利迪斯-T1”和美国宇航局的一颗大气卫星送入太空。120千克的“泰利迪斯-T1”卫星被放置在一个近地点535千米，远地点580千米，倾角97.7°的轨道上。

原计划：“泰利迪斯”卫星通信系统需要数百亿美元支持，2004年完成部署。2002年，电信业泡沫在美国乃是全球的破灭。由于美国铱星公司、全球星公司和其他系统的商业失败，申请破产保护，包括分别运行的66颗和48颗卫星。2002年10月1日，“泰利迪斯”公司正式宣布暂停卫星建造工作。“泰利迪斯”，这一疯狂的雄心勃勃的计划也被紧急叫停。

将来，“泰利迪斯”卫星通信系统是否能起死回生尚不可知。低轨道通信卫星系统给人们最好的教训是：逆水行舟，峰回路转；审时度势，急流勇退，都是企业经营的必由之路。成功就是胜利。无论怎样评价，低轨道通信卫星系统已经成为卫星移动通信的主力。