卫星移动通信发展现状及展望

航天 · 2016-11-22 23:53:46

目前，地面移动通信基础设施已经能为陆地主要区域提供良好的移动通信服务，但在海上、空中、陆地偏远或极端区域，尤其是在应急和面对重大自然灾害的抢险救灾，以及军事应用等特殊条件下，卫星移动通信系统（MSS）仍是唯一可靠的选择。卫星移动通信系统利用高、低不同轨道移动通信卫星可以向用户提供区域乃至全球范围的话音、数据、短信等移动通信服务；卫星移动通信具有覆盖范围大、作用距离远、组网灵活、通信费用基本与距离无关、不受地面现有设备的限制、受地形地物影响小等突出优点。　　作为一种面向移动通信的卫星通信系统，卫星移动通信的主要市场包括海上用户、航空用户和陆地用户。为海上用户提供高速数据、船员通信和船务管理等业务；为航空用户提供前舱通信、轨迹监控、安全服务和高速数据等业务；为陆地用户提供应急救援、灾难救助、旅游探险和采矿勘探等相关活动的通信。特别是卫星移动通信系统的M2M应用可以提供车、船队管理，集装箱监控、油气监控和气象数据采集有关的业务；政府应用可以提供譬如培训和日常行动、军方通信、无人值守数据、后勤保障等方面的通信和数据业务。　　一、全球卫星移动通信发展现状　　根据卫星运行轨道不同可以把全球主要卫星移动通信系统分为同步轨道卫星移动通信系统（高轨卫星移动通信系统）和非同步轨道卫星移动通信系统（主要是低轨卫星移动通信系统）。其中同步轨道卫星移动通信系统的代表是海事系统和Thuraya系统等，非同步轨道卫星移动通信系统的代表是铱星、全球星和Orbcomm系统等。　　　　1.全球卫星移动通信总体发展现状　　根据美国卫星产业协会（SIA）2014年发布的数据，近五年以来全球卫星移动通信市场通信收入汇总如下表。从表1中可以看出，2014年全球卫星移动通信市场总收入达到了33亿美元，收入当年比上年增长25%。

2.海事卫星系统　　　　国际移动卫星组织（原海事卫星组织）是1979年成立的国际组织，有直接成员国89个，是最早的全球卫星移动通信系统，业务现已遍布全球。国际海事卫星组织在1999年变革为国际商业公司，全面提供海事、航空、陆地移动卫星通信和信息服务。该系统是船舶遇险安全通信的主要支持系统，并承担陆地应急通信和灾害救助通信。　　海事卫星公司目前通过多颗固定轨道卫星向全球提供移动通信服务，其固定轨道卫星分别为I-4 F1（25°E 服务于欧洲和非洲，2005年3月发射）、 I-4 F2（143.5°E服务于亚太地区，2005年11月发射）、 I-4 F3（98°W服务于美洲地区，2008年8月发射）、I-4A（Alphasat，2013年7月发射）。　　近五年，海事卫星公司经营情况以及用户数和收入情况如表2所示：

从上表中可以看出，海事卫星ARPU较高，高价值用户较多，其用户数量从2012年开始发展缓慢。其收入贡献主要来自于高端的海上及陆地数据业务。 2010－2014年5年间，其收入复合增长率只有1.2%，业务增长低于全球经济增长水平。2010－2014年5年间，尽管ARPU复合增长率为-4.6%，但ARPU年增长率从2013年开始有止跌回升的趋势。　　3.Thuraya（舒拉亚）系统　　Thuraya公司成立于1997，并分别于2000年、2003年和2008年发射了3颗卫星。目前，Thuraya系统实现了对亚、非、欧、澳广大区域的覆盖。2007年，Thuraya推出卫星/GSM双模移动电话Thuraya SG-2520。　　2014年，Thuraya公司收入约为1.22亿美元，各类终端约60万部，ARPU为16.94美元/月。Thuraya是区域高轨通信卫星，其业务主要侧重于低速数据和语音，其用户价值也比海事用户低一些。　　4.铱星系统　　铱星一代系统建设投资共计75亿美元，于1997年5月铱星系统第一次发射，1998年5月完成组网并投入商业运营。2000年3月，铱星公司由于背负40亿美元债务，宣告破产，后于2001年被新铱星公司以2500万美元的价格收购并重新投入运营。铱星一代系统的主要业务类型为话音、短信、电路交换和数据通信等。　　铱星二代系统计划投资30亿美元，建造81颗卫星，其中，66颗卫星组网，6颗卫星在轨备份，9颗卫星地面备份。铱星公司已于2015年10月发射第一、第二颗下一代铱星（Iridium Next），计划2017年完成部署并投入运营。　　铱星二代系统不仅支持一代系统的全部应用，同时还在通信能力方面有了很大提升：　　1）采用增强性语音通信技术，通话更清晰。　　2）星体装载了ADS-B转发器，能够接收和转发飞机位置，支持全球航空监视和通信。　　3）星体新增了AIS载荷，能够提供全球船舶监视和通信服务。　　4）整体通信容量增加一倍。　　5）新一代IP构架使得数据带宽从一代2.4kbit/s演变至二代的16kbit/s，最高可达到1.5Mbit/s。　　铱星二代系统与一代系统主要业务指标比较如表3所示。　　目前，铱星系统已成为全球最大的，唯一提供全球覆盖的低轨星座系统。如表4所示， 2009－2014年，铱星的收入复合增长率约为5%，用户复合增长率为16.7%，ARPU复合增长率约为-10%。与海事卫星系统相比，铱星系统用户数是其两倍，但收入却只有其一半。铱星系统相对ARPU较低的原因在于铱星的业务主要为话音和低端数据服务。

5.全球星系统　　全球星系统是由美国劳拉高通卫星服务公司（LQSS）运营的低轨道卫星移动通信系统。　　全球星的一代系统于1998年开始建设，并于2000年投入运营。但在2007年，由于卫星系统性故障，星座仅具备单向数据传输能力。　　全球星二代系统于2010年开始建设，并于2013年2月完成组网。二代系统总共发射24颗卫星，投资约6.61亿欧元。二代系统通信能力比一代系统增加40%，最高通信速率达到256kbit/s。　　目前全球星系统总共在轨44颗卫星，其中4颗为备份星，24颗为二代卫星系统。　　全球星系统主要支持话音、短信、数据和增强ADS-B业务。　　全球星市场目前发展状况见表5，2010-2014年，其用户数复合增长率达到9.8%，但ARPU复合增长率却为-2.7%，总体呈下降趋势。同为低轨移动通信系统，全球星与铱星用户数相差不多，但其收入不到铱星的1/4，其原因在于全球星主要业务是低端数据服务，并且业务开展区域受地面关口站局限。

6.ORBCOMM系统　　美国ORBCOMM公司成立于1993年，是全球第一个也是唯一的100%提供M2M服务的商业卫星网络公司。该公司运营由31颗低轨窄带数据通信卫星组成的星座系统，在全球范围内提供双向数据通信服务。ORBCOMM公司的主要业务是向用户提供基于卫星的终端跟踪、监测、控制系统，使用其通信服务的企业和政府机构能够有效跟踪、监测、控制拥有的固定或流动的资产。　　ORBCOMM公司已投资2.3亿美元建设二代卫星系统，2014年7月14日，第一批9颗卫星已成功发射，今年将发射第二批11颗卫星，完成组网。较之一代卫星通信系统，二代卫星的单星处理能力将比现有卫星扩大6倍，可以提供更快的服务，更广泛的覆盖范围，更大的信息传输能力。　　ORBCOMM的卫星通信载荷为VHF频段，其信号受雨雪天气影响要比L/S频段小得多。ORBCOMM已在13个国家建立了16个关口站，该系统在120多个国家和地区提供服务，2014年在网终端97.6万个，每天处理信息620万条，收入8600万美元，ARPU为7.34美元/月，每条信息价格约为3.8美分。　　二、我国卫星移动通信现状及展望　　1.我国卫星移动通信应用现状　　1979年，中国加入国际海事卫星组织，1998年引入铱星和全球星卫星移动通信系统，之后又相继引进了ACeS、Thuraya等卫星移动通信系统。　　目前，我国有各类卫星移动通信用户约8万户，主要是应急通信用户、海上用户和村通用户。在应急通信方面，卫星移动通信系统发挥着巨大作用，为紧急情况下的通信提供了很好的保障，并为我国经济民生做出了很大贡献。　　例如，2008年5月12日，汶川8级地震发生后，震区地面通信网络全面瘫痪，卫星电话成为汶川抗震救灾的生命线。截至2008年6月30日，四川灾区使用的全部卫星电话累计通话用户数为1800户，累计通话次数为95670次，累计通话时长达到了260213分钟。　　再　如，2010年4月14日青海玉树地震发生后，由于中国电信在当地事先开通了288部村通卫星电话，同时又紧急调运一批卫星移动电话，确保了震区情况及时有效传递，避免了信息孤岛的发生。从管理系统监测的数据显示，灾区村通卫星电话的话务量几乎增长一倍，卫星移动通信在救灾中发挥了巨大的作用。如图1所示。

图1 玉树地区村通卫星电话通话情况统计表　　2.我国卫星移动通信未来展望　　　　从上世纪90年代开始，我国就筹划论证了APMT卫星移动通信系统，但由于种种原因没有建成运行系统。2008年汶川地震促使我国加快了自主卫星移动通信的建设步伐，目前我国正在紧锣密鼓地开展自主卫星移动通信系统的建设工作。通过建设高轨移动通信卫星，为我国及周边地区提供自主可控的话音、短信、数据传输等卫星移动通信服务。　　在低轨卫星移动通信系统方面，2014年9月，由清华大学-信威通信联合研制的灵巧通信试验卫星在中国酒泉卫星发射中心成功搭载发射，10月已完成全部在轨测试试验，验证了语音、数据、图像、互联网等多种业务支持能力。灵巧通信试验卫星实物如图2所示。目前，我国已经在星间链路、星载智能天线、星上处理与交换和天地一体化组网等关键技术方面取得了突破，技术储备和研制条件已经成熟。

图2 灵巧通信试验卫星　　四、卫星移动通信发展趋势　　1. 现有卫星移动通信系统业务情况分析　　　　现就主要卫星移动通信系统2014年报收入情况以及相应SIA报告中全球卫星移动通信数据列表如下。

从表6数据不难看出：　　1）主要卫星移动通信系统在卫星移动通信总收入中的占比较低。主要卫星移动通信系统2014年报收入合计为14.97亿美元，而SIA的数据中，卫星移动通信总共收入33亿美元，主要卫星移动系统年报收入合计在卫星移动通信总收入的占比还不到一半。　　2）主要卫星移动通信系统的收入增长率普遍低于卫星移动通信服务总收入的增长率。在已有的主要卫星移动系统年报中，收入增长率为3.80% ~7.62%，而SIA 2014数据中，2014年全球卫星移动市场收入增长率为25%。　　由表6结合前文分析还可以得出：　　1）卫星移动通信收入在卫星服务业总收入中的占比太低，只有2.7%。　　2）铱星系统利用率过低。根据理论和经验数据，25条电路可以承载10000个活跃语音用户，即每条电路能够承载400个活跃语音用户。铱星单星有2000条电路，全系统66颗卫星可以承载5000多万个活跃语音用户。而铱星2014年总用户数只有73.9万户。利用率仅为1.4%，因此，目前该系统的使用率仍然很低，系统有很大空间容量供开发使用。　　3）低轨系统比高轨系统运营状况差。从前文列举的各系统的业务收入和ARPU的对比不难看出，以铱星为代表的低轨系统的经营状况比以海事卫星为代表的高轨系统要差。　　通过进一步的分析，我们认为目前卫星移动通信的还有很大的发展空间。　　1）卫星移动通信市场潜力巨大。虽然卫星移动通信收入在卫星应用产业收入中的占比较低，但根据我们所做用户需求调研，仅国内资深户外用户就有1500万人，国内行业用户超过300万，M2M用户更有数千万户。以目前全球卫星移动通信实际应用情况，并参照我国GDP在全世界GDP的权重，我国卫星移动通信行业用户数量应超过43万户。可见我国卫星移动通信市场应该有巨大发展空间，卫星移动通信潜在用户需求巨大。　　2）卫星移动通信服务对象亟待调整。目前主要卫星移动系统收入增长缓慢，卫星移动通信发展没有突破的主要原因在于，卫星移动通信尚未进入大众市场，仍然局限于行业市场，狭窄的服务面极大地掣肘了卫星移动通信市场的发展。要改变这种格局，就需主动放低姿态，面向众多的潜在用户，加强正面引导和宣传，拓宽业务领域，全面拓展应用和市场。　　3）卫星移动通信服务理念有待转变。面对目前卫星移动通信系统容量利用率低，在网用户数量少，潜在用户市场巨大之间的矛盾，要从加强宣传，提高用户对卫星移动通信的认知度、细分市场和资费标准、加快终端功能和业务的开发、拓宽终端销售渠道等途径入手，降低自己在用户心目中高不可攀的印象，提高用户对卫星移动通信系统功能、终端、资费的综合评估和认识；强化终端和业务的多功能融合；推进终端销售的多元化。以期使卫星移动通信得到突破和飞跃。　　4）高、低轨卫星移动通信系统要协调发展。虽然低轨卫星移动系统在全球无缝覆盖，高纬度地区、高山峡谷实现通信保障，以及全球范围航空航海通信与监视服务等方面具有较大优势，但是低轨业务开展情况比高轨差，其主要原因在于以海事卫星为主的高轨系统起步早，先入为主地占据了众多高端数据客户。事实上，具有全球无缝覆盖特点的低轨系统已经开始利用其在全球航空监视和通信的优势，在飞越北极航线的航空器监视和通信方面，对高轨系统提出了强有力的挑战。要使高、低轨系统成为卫星移动通信的两条腿，协调发展，共同前进。　　　　2. 卫星移动通信发展趋势　　（1）多功能融合　　传统的卫星移动通信系统主要是向用户提供区域乃至全球范围的话音、数据、短信等移动通信服务。随着卫星移动通信的发展，单纯的移动语音和短信业务已经不能满足越来越高的数据和通信的要求，未来的卫星移动通信系统将融合越来越多的其他功能。典型的例如铱星二代系统中兼具ADS-B航空器监视功能和AIS船舶监视功能。其中，ADS-B飞机自动监视接收机是一个集通信与监视于一体的信息系统。ADS-B的主要信息是飞机的4维位置信息(经度、纬度、高度和时间)和其它可能附加信息（冲突告警信息，飞行员输入信息，航迹角，航线拐点等信息)以及飞机的识别信息和类别信息。此外，还可能包括一些别的附加信息，如航向、空速、风速、风向和飞机外界温度等。铱星ADS-B能够实现全球覆盖，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；能够获得实时控制，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；能够提升飞机安全，实时、准确地显示任何飞机和航线附近的空气流量，从而提高飞机在世界各地的安全性。　　随着卫星定位服务应用的越来越广泛，卫星定位服务与卫星移动通信相结合也将越来越普遍，多个卫星移动通信系统终端可同时支持卫星定位服务。　　因此，未来的卫星移动通信系统要发展，必将不能拘泥于传统的数据和话音业务，多功能的融合将会变得越来越普遍。　　　　（2）天地一体化　　天地一体化是未来移动网络的发展趋势。空间网络与地面网络互联互通、互为补充、高效协同，构建全新的天地一体化网络构架。目前地面5G移动通信技术预研正在日益升温，卫星移动通信的发展可以借鉴地面5G移动通信网络的研究思路，构建全新的融合卫星移动通信系统和地面移动通信系统的开放式、通用的体系架构，以实现地面空中的移动无线系统的无缝切换和业务融合。　　天地一体化主要包括体制、芯片、终端以及应用等几个层面的融合。体制融合就是使网络层协议实现全网互联互通。目前各系统采用的体制各有所取，例如，Thuraya、亚洲蜂窝卫星移动通信系统采用了与全球移动通信（GSM）系统相兼容的设计方案，而国际移动卫星-4全球宽带局域网和“移动用户目标系统”卫星移动通信系统则采用的是与地面宽带码分多址3G系统相兼容的设计方案。未来如果能逐步达成各系统之间的兼容，互联互通，将会对行业的发展起到极大地推动作用。　　芯片融合是将天、地通信及其众多业务集成到同一芯片中。芯片的集成度越来越高，处理能力越来越强，要将地面移动通信、卫星移动通信以及北斗定位、卫星多媒体广播接收等通信手段融合到一张芯片上已完全可能。这将有助于业务的互相促进，连带发展。　　终端融合是芯片融合的结果。伴随着卫星技术和终端技术的进步，卫星移动通信系统的地面终端小型化、手持化已成为可能。未来卫星移动通信的终端将向着各系统相互兼容，卫星与地面移动通信、移动与固定通信互联互通，实现一个终端走遍全球的个人通信目标。　　应用融合即将各类业务和应用集合打包推向市场。通过服务平台融合，将地面移动通信和卫星移动通信有机结合，从而为用户提供更广泛、便捷、实用的服务。如目前和未来一段时间内可推广或预见的诸如航空、高铁、海上等交通导航指挥、通信；智慧城市建设、物联网应用等。真正使卫星移动通信同其它各类通信手段共同构成人们提高生活质量的通信保障。　　（3）多频段共存　　为满足日益增加的带宽需求和高速数据处理需求，积极应对业务宽带化、IP 化的趋势，卫星移动通信系统使用高频段已经成为一种趋势，各种频段的系统相继出现，并将共同存在。例如，在铱星二代系统中所使用的技术，Ka馈电链路空闲时用于卫星宽带通信，单用户可获得50Mbps的传输速率。这样在铱星系统中，既有L频段语音和窄带数据通信业务，也有Ka频段宽带通信业务，从而实现了L/Ka频段共存。海事卫星也开始发展 Ka频段卫星通信系统以满足业务需求。工作在Ku频段上的MSS系统可分为多种载体提供宽带业务，比如火车、飞机、汽车、舰船。　　（4）宽窄带协同　　目前卫星移动通信宽窄带业务均持续发展，一方面是高速率宽带交互通信业务迅猛发展，构筑空间信息高速公路；另一方面，窄带数字话音、传真、数据低速业务也将继续存在和发展。卫星移动通信系统宽带和窄带通信除了是平行应用，宽窄带还将协同传输。　　具有代表性的是铱星系统，其L频段窄带链路除了传输语音和窄带业务，还可以被用于传递信令以调用Ka宽带链路资源，从而传输宽带数据业务，实现了宽窄带协同。　　四、结束语　　在卫星通信迅速发展的形势下，卫星移动通信大有可为。作为实现无所不在的个人通信不可或缺的卫星移动通信正在往多功能融合、宽窄带协同、多频段共存和天地一体化的方向发展。卫星移动通信在我国尚有巨大的潜在市场，借鉴国外发展经验和教训，努力发展我国自主知识产权的卫星移动通信系统，包括同步轨道卫星移动通信系统和低轨卫星移动通信系统，是我国卫星通信事业近期发展的一项重要任务。　　上文选自《卫星应用》，如有需要请查阅该期刊。

账号		自动登录	找回密码
密码			立即注册