首页>卫星通信教程>文章详情

小LEO卫星系统的发展现状

2/14/2005
8184
小LEO卫星系统的发展现状(徐晓书) 在高速发展的信息社会里,高效、迅速、廉价地传输短消息是一种重要的通信需求。利用 现有的地面有线或无线通信手段,可以方便地建立起覆盖一个城市或一个小区域的短消息通信 系统。然而,如果这个系统要覆盖广大农村和边远地区,甚至全国或全球,考虑到经济因素, 只依靠地面通信手段是无法实现的。小LEO卫星系统就是基于建立一个覆盖全球难实时廉价的短 消息通信系统的目的而提出的。 按照卫星的轨道高度,卫星可分为三类:低轨道卫星(LEO),轨道高度小于5000km;中轨 道卫星(MEO),轨道高度介于500km~20000km;高轨道卫星(HEO),轨道高度大于20000km。 按照系统的业务特点,LEO卫星通信系统又可分为:提供短消息业务的小LEO系统问,(lITTLE -LEO),如OBCOMM、LEO ONE;提供话音业务的大LEO系统(Big-LEO),如GlobalStar、 Iridium; 提供高速数据业务的巨LEO系统(Mega-LEO),如Teledeslc、SkyBrldge。 1小LEO卫星系统的发展过程和现状 商用小LEO卫星系统的提出始于1990年,由OHCOMM、Starsys和VITA三个小LEO卫星系统向 美国联邦通信委员会(FCC)提出申请,但当时还没有小LEO卫星系统的工作频段。1992年,世 界无线电行政会议为小LEO卫星系统分配了工作频段:137~138MHz(下行)、400.15~401.00 MHz(下行)和148.010~150.05MHZ(上行)。尔后,FCC向上述三个系统颁发了许可证。 1993年至1994年期间,又先后有leo OneWorlewide、Final Analysis Communication、 ESAI、GE American Communication等公司向FCC提出了小LEO系统的运营申请。1995年,世界 无线电行政会议分配399.9~400.05MHz作为小LEO系统在全球范围的上行频率,455~456MH。 和459~460MHz频段作为小LEO系统在西半球范围的上行频率。1997年,世界无线电行政会议又 为小LEO系统增加了工作频段。 近年来,由于自身发展方向的调整,某些小LEO系统撤消了运营申请。目前取得FCC运营许 可证的LEO系统,其中OB-COMM系统已于1998年投入运营,LEO ONE系统预计于2002年投入运营。 2小LEO卫星系统的特点 从技术角度来看,小LEO系统和大LEO系统都可用于短消息通信。然而,小LEO系统是专门 针对短消息通信设计的,与大LEO系统相比,它的卫星有效载荷、卫星网络管理系统和用户终 端设备要简单得多,系统投资、运营费用和终端设备价格则比大LEO系统低得多,因而对于大 范围、多终端、有短消息通信需求的用户(如环境监测、管线监控和车船监控等)来说,小 LEO系统无疑是一种经济、有效的通信手段。 3 OBCOMM系统 OBCOMM系统是由美国Orbital Sciences公司和加拿大Teleglobe公司共同提出的,是目前 世界上唯一投入商用的小LEO系统。它是一个采用分组交换方式,覆盖全球的双向短消息通信 系统,由空间段和地面段两部分组成:空间段有 48颗卫星;地面段包括网络控制中心、一定 数量的网关以及各种移动或固定用户终端设备。 3.1空间段 OBCOMM星座由A、B、C、D、E、F、G7个轨道平面组成,计划发射48颗小卫星(Orbital Microstar),其中7颗为备用星,每颗卫星覆盖区域的直径约为5400km。A、B、C3个轨道平 面的倾角为45°,间隔120° 轨道高度835km,每个平面上有6颗卫星;D平面为赤道轨道,轨 道高度1000km,有6颗卫星;E平面的倾角为70°、F平面的倾角为108°,轨道高度均为780hm, 每个平面有2颗卫星;为了加强南、北纬25°~55°之间的覆盖,系统增加了G平面,G平面的 倾角为45°,与A平面的间隔为20°,轨道高度825km,有7颗卫星。目前已经完成了A、B、C、 E、F、G6个平面35颗卫星的发射,预计2004年将完成所有轨道平面卫星的发射和调整。 3.2地面段 (1)网络控制中心(NCC) OBCOMM系统的网络管理中心设在美国弗吉尼亚州,负责OBCOMM系统空;和段的管理,保 证卫星正常运作。同时它也是美国国内的网关控制中心,负责管理国内通信业务。 (2)网关(Gateway) 网关的主要任务是负责指定服务区域内的用户业务管理,OBCOMM系统内的所有通信都必 须通过某个网关进行,同时网关也是OBCOMM系统与外部的接口,用户可以通过公共电话网 (PSTN)、公共数据网(DDN)或专用数据网(PDN)接入OBCOMM系统。网关包括一个网关控 制中心(GCC)和至少一个网关地球站(GES)。 ·网关控制中心(GCC)是网关的核心,它有两个主要的子系统:网关报文交换系统 (GMSS)和网络管理系统(NMS)。GMSS的功能包括报文处理、路由选择、规程转换和与外 部网络接口;NMS的功能是对两关的各种设备进行监控。 ·网关地球站(GES)的作用是为网关与卫星星座之间提供无线通信链路。GES由跟踪天 线、调制解调器和相关接口设备组成,通常一个GES有两套相同的天线和收发设备,彼此互 为备份,以提高可靠性。GES并不一定同GCC处于同一地理位置,GES的选址原则为获取最佳 服务区覆盖和最小电磁干扰。GES与GCC之间则由专用线路连接。 (3)用户终端(SC) SC的作用是将用户信息发送给服务区上空的卫星,再通过卫星发送给服务区网关,同时 也接收网关通过卫星发送给用户的信息。SC的基本单元是VHF调制解调器,为了适应不同的 用户需求,SC还配备不同接口,通常有具备定位功能的GPS接收机。 3.3卫星信道和工作频段 在OBCOMM系统中,卫星与网关地球站(GES)之间的通信采用TDMA方式,每个GES的上下 行链路各占用一个TDMA时隙,每颗卫星最多可以同时与16个GES通信。卫星与用户终端的下 行链路通信采用FDMA方式,总共设置12个下行信道,每个信道可复用4次,每颗卫星使用一 个信道。卫星与用户终端之间的上行链路采用FDMA/TDMA方式,共有6个信道。卫星网管中 心可以根据需要,将这些信道设置为随机接入信道或预分配信道。 3.4基本业务 OBCOMM系统提供4类基本业务:数据报告(Data Report)、报文(Message)、全球数 据报(GlobalGram)和指令(Command)。 (1)数据报告 由用户终端发送的短消息,信息长度一般小于6个字节,接收者通过同一服务区的网关 接收信息。 (2)报文 由用户终端发送或接收的较长信息,信息长度不超过2000字节,信息发送者与接收者 位于同一个网关服务区。 (3)全球数据报 由用户终端发送或接收的信息,信息长度不超过229字节,信息发送者与接收者不在同 一个网关服务区,信息传输依靠卫星的存储转发功能完成。 (4)指令 由网关发送给用户终端的短消息,用于设置用户终端状态或通知其发送信息,信息长 度小于5字节。 3.5通信过程 OBCOMM系统中所有的通信过程都是在网关控制下完成,卫星主要起转发作用。网关始 终与过顶卫星保持联系。过顶卫星向服务区内所有用户终端连续广播控制信息,包括时间 同步信号、所连接网关的ID标志和随机接入信道频率等。 如果用户终端要发送信息,先通过随机接入信道发出“请求发送”信号,卫星收到信 号后,就向该用户终端发出应答信号,并通知它发送短消息的信道和时隙。如果用户终端 要发送的是数据报告,则在所分配的时隙内直接发送,卫星收到数据报告后,立即转发给 网关,然后由网关传送给相应的接收端。如果用户终端要发送的是报文,则在所分配的时 隙内发出“报文发送请求”,卫星将该请求转发给网关,经网关确认后,卫星为该用户终 端分配一个预分配信道和发射时隙,用户终端在规定的信道和时隙内,将报文发送给卫星, 卫星收到报文后立即转发给网关。如果接收端处于OB-COMM系统覆盖范围以外,网关就会 通过地面线路将报文传送到接收端;如果接收端是网关服务区内的另一个用户终端,网关 就会将报文发送给过顶卫星,由卫星转发给接收端。如果用户终端所在地没有网关,或者 用户终端需要与不同网关服务区的用户通信,用户终端可以使用全球数据报业务。用户终 端可在卫星过顶时,通过指定信道将信息发送给卫星,待接收并存储信息的卫星飞行到接 收端网关上空时,将信息发送给该网关,再由该网关发送给接收端。 3.6业务发展情况 1998年11月,OBCOMM系统投入商用。到1999年10月,已有100多家美国公司成为OB COMM 系统的用户,用户终端数达18000台,待装数达14万台,用户包括:通用汽车公司、美国电 气公司。美国陆军和海岸警卫队等。OBCOMM已同全球16家运营商签定了运营许可协议,这 些运营商计划在190个国家开展短消息通信业务,目前已在40个国家取得了政府颁发的完全 或有限经营许可证,在建和建成的网关达15个。 4 LEO ONE系统 1993年9月,美国abX公司向美国联邦通信委员会(CC)提出了建造、发射和运营LEO ONE系统的申请,并于1998年2月取得许可证。LEOONE计划于2000年开始发射卫星,2003年 完成卫星发射,并全面投入运营。 LEO ONE系统分为空间段和地面段两部分。空间段有48颗卫星;地面段包括网关。星座 控制中心、网络管理中心和用户终端设备。 4.1空间段 LEO ONE星座由8个轨道平面组成,轨道高度为950km,倾角50°,轨道平面洽赤道均匀 排列,每个平面分布6颗卫星,共48颗。卫星绕行地球一周的时间为104分钟,卫星通过地 面某地点上空的时间为7~10分钟。如果仰角大于15°,则每颗卫星覆盖区直径为3960km, 系统服务区为北纬65°至南纬65°,基本涵盖了地球北极圈到南极圈之间的区域;如果仰 角大于5°,则系统服务区可以扩展到北纬73°至南纬73°。 LEO ONE卫星的主要功能包括:数据包的存储转发、通信协议处理。信道扫描和分配以 及发射功率控制等。 4.2地面段 (1)星座管理中心(CMC) 系统中有一个网关将作为系统的星座管理中心,负责星座中所有卫星的遥控遥测。 (2)网络管理中心(NMC) 系统中有一个网关将作为系统的网络管理中心,负责选用最佳通信路由、验证用户身 份、统计通信量和计费等业务。 (3)网关 网关是一个区域信息包的交换中心,也是LEO ONE系统与地面通信网的接口,由于卫星 具有信息存储能力,不需要与网关保持连续的通信链路。网关接收地面网络传来的信息, 经存储、处理后发送给过顶卫星,然后由卫星转发给接收端;网关还接收过顶卫星转发的 用户终端发送的信息,如果接收端位于系统以外,网关将通过地面网络把信息发送给接收 端。在美国本土,系统计划建立3个网关,分别位于西南部、西北部和阿拉斯加。根据业务 发展情况,还将与有关国家政府共商协议,设立负责境外业务的网关。 (4)用户终端 用户终端的核心是VHF调制解调器,最大发射功率为7W。为了适应各种用户需求,用户 终端将配备各种接口和功能,可用于交通工具的监测和调度、数据采集、寻呼、电子邮件 和告警等。 对需要大范围覆盖,并有短消息业务需求的地面通信网,小LEO卫星通信系统能起到拾 遗补缺的作用。国内的一些科研机构正积极开展低轨道微小卫星技术的研究,预计不久将 会有数颗国产微小卫星升空。同时,建立我国微小卫星星座的方案也在计划、酝酿中。 摘自《电信快报》