非静地轨道通信卫星与阿基米德系统

米广

众所周知,在赤道上空距地心42万公里的静止地球轨道上的通信卫星从地面上看起来是不动的,所以通常可采用非跟踪式的地面站天线。这是静地轨道卫星的优点之一。使用静地轨道的另一个好处是,在这样高的轨道上,一颗卫星可覆盖近1/3的地球表面,卫星与这一覆盖区之内的任何区域之间都可实现通信。这样,只需数目很少的卫星就可以实现几乎全球范围的通信。

然而,将静地轨道用于通信也存在一些问题。一个突出的问题就是该轨道上卫星数量的不断增多,因为静地轨道这块“地皮”远不能用“取之不尽”来形容。静地轨道上的通信卫星相互间必须有一定的距离,以避免相邻的卫星之间产生信号干扰。

静地轨道的另一问题是相对于高纬度地区来说,该轨道上的卫星就显得太低了,一些靠南或靠北的高纬度地区甚至几乎看不到卫星。低仰角意味着用户与卫星之间的通信联系易被障碍物所阻挡。这一问题对移动通信来说尤为严重,对山区内的定点通信也有影响。低仰角还意味着由大气条件和天气状况引起的信号衰减较严重,并会因“多径效应”而引发许多问题。

静地轨道卫星还有一些问题与卫星同地面用户之间的距离有关。即使信号以光速传播,静地轨道卫星与地面间的单跳延时仍达250毫秒以上。这样长的延迟是许多电话用户所不喜欢的。有时一个电话还要经过两颗静地轨道卫星,延迟时间达半秒以上,这是绝大多数用户都难以接受的。

用户与静地轨道卫星之间相对很长的距离还意味着信号的路径损耗高,这就要求卫星和地面站都要使用更大的天线或者提高发射功率。对于定点通信来说,与卫星联系的地面站数量相对较少,所以这样的做法虽然费用高,但因一般通过这种地面站的通话量都较大,因此每一话路的费用还可保持在有竞争力的范围之内。而对移动通信来说,由于每个用户都有自己的小型终端,静地轨道卫星通信对天线尺寸和发射功率的要求就会使某些移动通信业务完全失去经济上的合理性。

由于以上几个问题,近几年来人们的注意力逐渐从静地轨道环转移到较低的轨道上来。这一趋势始于1990年,当时摩托罗拉公司提出要研制并在低地轨道上部署铱卫星系统。随后又出现了许多其它低地轨道系统方案,如劳拉公司与卡尔通信公司提出的全球星系统、中地轨道的奥德赛系统以及移动通信控股有限公司提出的采用几种不同类型轨道的伊利普索系统等。最近又出现了国际海事卫星P中地轨道方案以及由800多颗工作星组成的特里德西克低地轨道系统方案。

除了伊利普索系统最初打算以北美市场为目标之外,其它几个系统的目标都是要提供全球通信业务,至少也是要覆盖所有有人居住的陆地。为了达到这样的全球覆盖,就需要建造造价很高、由许多颗卫星组成的星座。于是就出现了这样一个问题,即为什么要进行全球覆盖?

到目前为止,在上述提到的低地与中地轨道系统中,似乎只有伊利普索以及奥德赛多少考虑了这一问题。分析一下移动卫星系统潜在用户的地理分布就会发现,无论是一般的通信还是广播,有90%以上的这种用户都集中在三个特定的地区内,即北美、欧洲和东亚。在这三大地区内有一个颇具吸引力的移动通信市场,即数字、音频与多媒体广播(DAB)业务市场,仅汽车内娱乐及旅行管理环境就将吸引几百万用户。

欧空局现正与欧洲和加拿大的工业界合作开发一个称为阿基米德的系统。它是一个由6颗卫星组成的大倾角椭圆轨道卫星系统,如获成功,将成为DAB市场开发的一个典范。选用大倾角椭圆轨道是由于多媒体移动通信有一个基本要求,即要能以较低的成本获得高可用性的信道。在L波段和S波段频率上,若想做到无论在任何位置都能获得高可用性信道,那么用户与卫星间的假想连线与水平面之间的夹角(即仰角)就应大于50度,因为这样才能降低由于障碍物而引起的通信中断。

欧空局等机构开展的传播测欧空局的阿基米德系统将用于提供数字、音频与多媒体广播

量活动也已证实,要向用户提供这种类型的业务,高仰角是至关重要的。世界上三个最大的DAB市场,即集中了90%以上高级车用收音机的地区在欧洲、远东和北美。它们都位于北半球。能向所有这几个地区都提供低成本的这种卫星业务的轨道只有一种,那就是大倾角椭圆轨道。例如,在德国,根据数字地形图的显示,在高速公路网上仰角低于60度就会遇到树木的遮挡。但一般来说,如在整个大陆的范围内最低仰角都能大于50度,就可保证移动通信在城区以外的地区不受干扰。

阿基米德系统的大倾角椭圆轨道周期为8小时,属于中等高度轨道,半长轴长约2万公里。从斜距来说,大倾角椭圆轨道也要比静地轨道优越。静地轨道卫星的斜距(业务区域内)在4万公里以上。

阿基米德系统的业务应被视为对正在兴起的地面数字式通信业务的补充和完善。理论上说,卫星和地面系统应能共同提供完全的业务覆盖,且应能使配有双工接收机的用户顺利地实现天、地两种系统间的切换。很显然,广播服务并不仅限于音频广播,还将包括其它各种点对多点的业务,如无线电数据业务、个人信息发送以及便携/移动式超小屏幕压缩电视等。为了增强广播服务的效果, 交互操作性将成为一个基本特征。典型的交互返回频道将提供低速率信息传送业务,使用户能与广播中心建立交互式联系。

阿基米德系统的服务对象是城区以外的车辆,因为在城区以内地面通信系统一般要比卫星的通信效果好。所以,主要干线和高速公路上的所有旅行人员都是阿基米德系统的潜在用户。此外,持有手持式话机的用户也可在进行户外活动时接收卫星信号。在一些固定场所也将有一部分用户。

如上所述,阿基米德系统将覆盖世界三大主要地区,而每一地区又被划分为许多区域,每一区域由一个点波束提供服务。其天上部分可适应多种不同型号的用户接收机。就该系统的市场营销来说,最关键的还是车载终端。阿基米德系统的车载终端的基本特点是安装简便,体积小和价格低。研究表明,考虑到阿基米德系统的轨道因素,在点波束覆盖范围内,-18分贝/ 开的增益温度比对这种车载终端就足够了。通信时的基本要求是将DAB天线指向地面上需要服务的区域。对阿基米德系统而言,在其工作轨道弧段内这样做是必要的。该系统的工作弧段为远地点前、后各两小时,因此其有效工作时间总是在白天。阿基米德卫星在工作时有两个指向目标,一个是太阳(由太阳能发电机构跟踪),另一个是覆盖区的中心(由天线跟踪)。

已选定的阿基米德卫星的结构与一般的静地轨道卫星平台相比区别不大。卫星可一直指向地球,而其太阳能帆板可在一个自由度上转动以与太阳保持垂直。同时,天线可重新使波束指向覆盖区。预计每颗阿基米德卫星重约1吨,星上负载功率为3千瓦。

欧空局已基于阿基米德系统方案对卫星DAB业务做了广泛的市场分析,并建立了业务模型,对欧洲听众数量和卫星广播机构所需要的频道数量都做了系统的预测。如假设阿基米德系统将要覆盖的三个地区具有相近的人均购买力,那么其它两大覆盖区就也可借用这一市场模型。到目前为止所做的市场调查显示,阿基米德系统潜在的服务市场和接收机市场是非常大的,用户数量可达8000万,其中半数为移动用户。该系统目前的设计能力与这个商业市场还是很相称的。

要开始像卫星移动DAB这样全新的、革命性的计划,需要公开筹资来提供基础设施建设所需的基本投资。考虑到空间部分可视为基础设施,欧空局等部门的加入很可能会引来众多有关厂家(如广播、接收机制造、DAB业务经营以及卫星制造厂商)的纷纷参与。考虑到用户设备销售方面显著的倍增效应以及这种项目所具有的参与者经济效应,这一点就显得格外重要。据估计,仅欧洲市场上接收机的购买金额就将是卫星系统本身总投资的40倍。

米广

众所周知,在赤道上空距地心42万公里的静止地球轨道上的通信卫星从地面上看起来是不动的,所以通常可采用非跟踪式的地面站天线。这是静地轨道卫星的优点之一。使用静地轨道的另一个好处是,在这样高的轨道上,一颗卫星可覆盖近1/3的地球表面,卫星与这一覆盖区之内的任何区域之间都可实现通信。这样,只需数目很少的卫星就可以实现几乎全球范围的通信。

然而,将静地轨道用于通信也存在一些问题。一个突出的问题就是该轨道上卫星数量的不断增多,因为静地轨道这块“地皮”远不能用“取之不尽”来形容。静地轨道上的通信卫星相互间必须有一定的距离,以避免相邻的卫星之间产生信号干扰。

静地轨道的另一问题是相对于高纬度地区来说,该轨道上的卫星就显得太低了,一些靠南或靠北的高纬度地区甚至几乎看不到卫星。低仰角意味着用户与卫星之间的通信联系易被障碍物所阻挡。这一问题对移动通信来说尤为严重,对山区内的定点通信也有影响。低仰角还意味着由大气条件和天气状况引起的信号衰减较严重,并会因“多径效应”而引发许多问题。

静地轨道卫星还有一些问题与卫星同地面用户之间的距离有关。即使信号以光速传播,静地轨道卫星与地面间的单跳延时仍达250毫秒以上。这样长的延迟是许多电话用户所不喜欢的。有时一个电话还要经过两颗静地轨道卫星,延迟时间达半秒以上,这是绝大多数用户都难以接受的。

用户与静地轨道卫星之间相对很长的距离还意味着信号的路径损耗高,这就要求卫星和地面站都要使用更大的天线或者提高发射功率。对于定点通信来说,与卫星联系的地面站数量相对较少,所以这样的做法虽然费用高,但因一般通过这种地面站的通话量都较大,因此每一话路的费用还可保持在有竞争力的范围之内。而对移动通信来说,由于每个用户都有自己的小型终端,静地轨道卫星通信对天线尺寸和发射功率的要求就会使某些移动通信业务完全失去经济上的合理性。

由于以上几个问题,近几年来人们的注意力逐渐从静地轨道环转移到较低的轨道上来。这一趋势始于1990年,当时摩托罗拉公司提出要研制并在低地轨道上部署铱卫星系统。随后又出现了许多其它低地轨道系统方案,如劳拉公司与卡尔通信公司提出的全球星系统、中地轨道的奥德赛系统以及移动通信控股有限公司提出的采用几种不同类型轨道的伊利普索系统等。最近又出现了国际海事卫星P中地轨道方案以及由800多颗工作星组成的特里德西克低地轨道系统方案。

除了伊利普索系统最初打算以北美市场为目标之外,其它几个系统的目标都是要提供全球通信业务,至少也是要覆盖所有有人居住的陆地。为了达到这样的全球覆盖,就需要建造造价很高、由许多颗卫星组成的星座。于是就出现了这样一个问题,即为什么要进行全球覆盖?

到目前为止,在上述提到的低地与中地轨道系统中,似乎只有伊利普索以及奥德赛多少考虑了这一问题。分析一下移动卫星系统潜在用户的地理分布就会发现,无论是一般的通信还是广播,有90%以上的这种用户都集中在三个特定的地区内,即北美、欧洲和东亚。在这三大地区内有一个颇具吸引力的移动通信市场,即数字、音频与多媒体广播(DAB)业务市场,仅汽车内娱乐及旅行管理环境就将吸引几百万用户。

欧空局现正与欧洲和加拿大的工业界合作开发一个称为阿基米德的系统。它是一个由6颗卫星组成的大倾角椭圆轨道卫星系统,如获成功,将成为DAB市场开发的一个典范。选用大倾角椭圆轨道是由于多媒体移动通信有一个基本要求,即要能以较低的成本获得高可用性的信道。在L波段和S波段频率上,若想做到无论在任何位置都能获得高可用性信道,那么用户与卫星间的假想连线与水平面之间的夹角(即仰角)就应大于50度,因为这样才能降低由于障碍物而引起的通信中断。

欧空局等机构开展的传播测欧空局的阿基米德系统将用于提供数字、音频与多媒体广播

量活动也已证实,要向用户提供这种类型的业务,高仰角是至关重要的。世界上三个最大的DAB市场,即集中了90%以上高级车用收音机的地区在欧洲、远东和北美。它们都位于北半球。能向所有这几个地区都提供低成本的这种卫星业务的轨道只有一种,那就是大倾角椭圆轨道。例如,在德国,根据数字地形图的显示,在高速公路网上仰角低于60度就会遇到树木的遮挡。但一般来说,如在整个大陆的范围内最低仰角都能大于50度,就可保证移动通信在城区以外的地区不受干扰。

阿基米德系统的大倾角椭圆轨道周期为8小时,属于中等高度轨道,半长轴长约2万公里。从斜距来说,大倾角椭圆轨道也要比静地轨道优越。静地轨道卫星的斜距(业务区域内)在4万公里以上。

阿基米德系统的业务应被视为对正在兴起的地面数字式通信业务的补充和完善。理论上说,卫星和地面系统应能共同提供完全的业务覆盖,且应能使配有双工接收机的用户顺利地实现天、地两种系统间的切换。很显然,广播服务并不仅限于音频广播,还将包括其它各种点对多点的业务,如无线电数据业务、个人信息发送以及便携/移动式超小屏幕压缩电视等。为了增强广播服务的效果, 交互操作性将成为一个基本特征。典型的交互返回频道将提供低速率信息传送业务,使用户能与广播中心建立交互式联系。

阿基米德系统的服务对象是城区以外的车辆,因为在城区以内地面通信系统一般要比卫星的通信效果好。所以,主要干线和高速公路上的所有旅行人员都是阿基米德系统的潜在用户。此外,持有手持式话机的用户也可在进行户外活动时接收卫星信号。在一些固定场所也将有一部分用户。

如上所述,阿基米德系统将覆盖世界三大主要地区,而每一地区又被划分为许多区域,每一区域由一个点波束提供服务。其天上部分可适应多种不同型号的用户接收机。就该系统的市场营销来说,最关键的还是车载终端。阿基米德系统的车载终端的基本特点是安装简便,体积小和价格低。研究表明,考虑到阿基米德系统的轨道因素,在点波束覆盖范围内,-18分贝/ 开的增益温度比对这种车载终端就足够了。通信时的基本要求是将DAB天线指向地面上需要服务的区域。对阿基米德系统而言,在其工作轨道弧段内这样做是必要的。该系统的工作弧段为远地点前、后各两小时,因此其有效工作时间总是在白天。阿基米德卫星在工作时有两个指向目标,一个是太阳(由太阳能发电机构跟踪),另一个是覆盖区的中心(由天线跟踪)。

已选定的阿基米德卫星的结构与一般的静地轨道卫星平台相比区别不大。卫星可一直指向地球,而其太阳能帆板可在一个自由度上转动以与太阳保持垂直。同时,天线可重新使波束指向覆盖区。预计每颗阿基米德卫星重约1吨,星上负载功率为3千瓦。

欧空局已基于阿基米德系统方案对卫星DAB业务做了广泛的市场分析,并建立了业务模型,对欧洲听众数量和卫星广播机构所需要的频道数量都做了系统的预测。如假设阿基米德系统将要覆盖的三个地区具有相近的人均购买力,那么其它两大覆盖区就也可借用这一市场模型。到目前为止所做的市场调查显示,阿基米德系统潜在的服务市场和接收机市场是非常大的,用户数量可达8000万,其中半数为移动用户。该系统目前的设计能力与这个商业市场还是很相称的。

要开始像卫星移动DAB这样全新的、革命性的计划,需要公开筹资来提供基础设施建设所需的基本投资。考虑到空间部分可视为基础设施,欧空局等部门的加入很可能会引来众多有关厂家(如广播、接收机制造、DAB业务经营以及卫星制造厂商)的纷纷参与。考虑到用户设备销售方面显著的倍增效应以及这种项目所具有的参与者经济效应,这一点就显得格外重要。据估计,仅欧洲市场上接收机的购买金额就将是卫星系统本身总投资的40倍。


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