广播卫星系统应用现状与发展趋势

2019-02-14王晓海周宇昌

数字通信世界 2019年1期

王晓海，周宇昌

（空间电子信息技术研究院空间微波技术重点实验室，西安 710100）

1 广播卫星

广播卫星是指直接向用户转播音频、视频和数据等信息的通信卫星。根据国际电信联盟（ITU）的定义，广播卫星是运营卫星电视广播业务的卫星，其主要功能是为地面电视运营商提供节目源。广播卫星是一种专用的通信卫星，主要用于电视广播，具有信息单向传输、一发多收特点。广播卫星是卫星广播系统的重要组成部分，是空间广播的发射台。

2 广播卫星系统应用现状[1]-[26]

2.1 GBS系统[1]-[2]

美国在1994年为满足战场信息化对卫星通信带宽的需求，特别是战区内的通信需求，发展了全球广播服务（Global Broadcast Service，GBS）系统。1995年4月，提出了GBS系统的任务需求文件，向战区内提供宽带单向军事信息广播业务，包括情报、图像、地图和视频等数据传输，用户终端较小，成本较低。

整个GBS的发展规划为3个阶段：第1阶段为能力试验阶段，租用商用卫星上的一个转发器，购买有限数量的商用终端，使用商用频段，对GBS概念和操作进行试验和验证，曾应用于波黑战争中。第2阶段为搭载实用阶段，利用搭载在UFO-8、9和10卫星上的GBS载荷，提供全球范围的实用战场信息广播业务。第3阶段在总结前2个阶段的经验的基础上，将GBS系统与MILSATCOM体系有效集成为一体。不论哪个阶段，GBS系统都包括3大部分：广播管理段，提供系统与数据提供者之间的接口，建立并管理广播信息流，使信息传送到所需的注入点；空间段，提供卫星传输和覆盖能力；终端段，接收卫星传送的广播信息，提供用户接口。目前，美军有3个卫星广播管理/主注入站，分别位于弗吉尼亚州Nor folk、意大利西西里岛的Sigonel la和夏威夷的Wahiawa。有2个战区注入站，机动部署到战区，快速传送战区专用信息。目前已经部署了超过300套接收设备，包括地面接收设备、潜艇接收设备和舰载接收设备等。

为节省成本和缩短进度，美国选择了在UFO窄带军事通信卫星上的搭载方案。GBS采用4台130W的Ka频段转发器，每台数据率24Mb/s，上/下行频率30/20GHz，每颗卫星GBS系统的总容量为96Mb/s。Ka频段接收机对每个上行频率进行放大和变频。输入复用器（IMUX）采用共鸣腔带通滤波器组件实现信道化。转发器控制单元（TCU）提供自动增益控制（AGC），可消除因气象条件或注入站EIRP变化等引起的接收信号变化，保持微波功率放大器（MPA）工作在饱和状态，同时也提高了系统的抗干扰性能。微波功率放大器由2个65W行波管放大器组成，通过1个通用电子功率调节器（EPC）控制。

系统有2部接收天线，3部发射天线。2部接收天线，其中1部为固定天线，1部为可控点波束天线。3部发射天线为相互独立的可控点波束天线，其中2部为窄点波束天线，1部为宽点波束天线。

按照地面指令，由交换矩阵实现天线与转发器间的切换，可以将接收天线的信号路由至任意或全部转发器。

GBS是一个基于商用卫星技术的单向高速卫星通信系统，与全球指挥控制系统（Global Command Control System，GCCS）等重要国防信息基础设施互联，成为美国重要的空间支持力量而被纳进国家安全空间体系。

图1 GBS系统体系架构

2.2 MBSAT系统[3]-[6]

2001年，日本的移动广播公司（MBCO）与美国的劳拉空间系统公司签订合同，制造MBSAT卫星。该星于2004年3月13日发射，这是第一颗为日韩移动用户提供高质量数字业务的多媒体广播卫星。该卫星重3900kg，星上功率7.5kW，设计寿命12年，轨道位置为144°E。星上有120W的S频段转发器，星上的S频段Ast roMesh反射面天线直径12m，由美国的TRW公司下属的Ast ro Space公司负责制造。该卫星接收来自地面广播中心的Ku频段信号（13.824-13.883GHz），经过变频，以S频段（2630-2655MHz，载频为2642.5MHz，带宽为25MHz）和Ku频段（12.214-12.239GHz）将信号发送到全国范围内的服务区域，为日本和韩国的移动用户提供数据、MPEG4视频和其他数字多媒体信息业务，数据传输速率为128kb/s～384kb/s。

MBSAT卫星的技术特点之一，是可提供较高EIRP的下行链路信号。为了获得较高的EIRP，卫星上安装了大功率的S频段发射机和一副直径为12m的S频段高增益天线。其S频段的EIRP大于67dBW。这样，移动终端就可以通过一个小型的全向天线接收到卫星下行链路信号。

通过使用MPEG-4和AAC压缩技术，MBSAT卫星的S频段有效载荷可以发送数据、CD质量的音频和TV质量的视频。该系统可以同时提供60多套音频节目和10套视频节目。

为了消除建筑物及隧道内对信号的影响，地面采用了一种名为填缝器（Gap-Filler）的中继装置。该装置有大范围和小范围两种。前者的覆盖半径为1km～3km，后者用于覆盖隧道、地下空间和商厦等建筑物的内部。

图2 MBSAT系统工作示意

2.3 Sirius系统[7]-[11]

Sirius XM公司的空间段资源包括位于西经85°和西经115°的5颗XM卫星和4颗Sirius FM卫星，即Sir ius FM-1、2、3、5，目前均在轨运行。Sir ius FM-6卫星质量6018kg，寿命末期功率20kW，是第一代Sirius卫星功率的两倍，定点于GEO西经115.2°位置，寿命15年。Sirius FM-6是Sirius XM公司的第10颗卫星，也是SS/L公司为天狼星XM公司建造的第6颗卫星。前5颗卫星（Sirius FM-1、2、3、5、XM-5）全部采用LS-1300平台建造。

2000年，美国劳拉空间系统公司为天狼星卫星广播公司设计和建造了4颗第一代“天狼星”通信卫星。第一代“天狼星”卫星每颗重3800千克，选用“LS-300”卫星平台，装载1台X/S频段转发器，采用传统的抛物面反射天线，2个太阳能帆板各安装5片，功率容量近20千瓦，设计寿命15年。“天狼星”公司的3颗卫星组成第一个卫星星座，运行在近地点23975千米，远地点46983千米，倾斜63.4°的轨道上。

2006年，“天狼星”公司委托美国劳拉空间系统公司再建造第二代更加强大的新的地球静止卫星，用于卫星广播服务。2008年第4季度，“天狼星FM-5”建造完成；2009年6月30日，俄罗斯将“天狼星-5”送入静止轨道。“天狼星-5”号重5840千克，应用美国劳拉公司的“LS-300”卫星平台，装载1台X/S频段转发器，2个十字架形的太阳能帆板各安装6片非常漂亮的光伏板，功率容量近20千瓦，设计寿命15年，运行在西经960的静止轨道。“天狼星-5”装载上行和下行S频段转发器。末期功率达20千瓦以上。

它采取一系列先进技术，包括9米展开式反射天线。“天狼星-5”没有采用传统的天线系统，而是金光闪闪的可展开式网状反射天线，达到高密度传输，提供比上一代“天狼星”卫星近一倍的广播能力。2013年10月25日，美国天狼星XM广播公司（英文简称Sirius XM）的Sirius FM-6卫星搭乘俄罗斯的“质子”号火箭成功发射。Sirius FM-6卫星由美国劳拉空间系统公司（SS/L）建造，是Sirius XM公司现役卫星之中功率最高、质量最大的商业通信卫星。Sirius FM-6用于接替即将寿命到期的FM-1和FM-2卫星。配置与“天狼星-5”基本相同，卫星携带X频段上行链路有效载荷和S频段下行链路有效载荷，卫星也装备一个9米展开式网状反射天线，2个十字架形的太阳能帆板，末期功率达20千瓦，它是世界上功率最强大的卫星。卫星投入运营之后将提高Sirius XM公司服务性能和提供额外的备用能力。

图3 “天狼星FM6”通信卫量

2.4 ABS系统[12]-[16]

1999年9月，亚洲广播卫星-1（ABS-1）成功发射并定点于75°E轨道上。该星原名洛马1号（LMT-1），后因2006年，洛克希德·马丁公司（Lockheed Martin Space System Company，LMT）被亚洲广播卫星公司（ABS）收购，故更名至此。

ABS-1卫星具有44个大功率转发器，其中C频段28个转发器，Ku频段16个转发器。C频段拥有能够覆盖半个地球以及全球的A波束和B波束，Ku频段则分为北波束和南波束。

2014年2月6日，ABS-2由阿里安-5运载火箭成功发射。

ABS-2卫星采用LS-1300平台，其发射质量超过6000kg，携带89台转发器，包括32台C频段转发器、51台Ku频段转发器和6台Ka频段转发器。卫星的设计寿命超过15年，是一颗高功率、大容量卫星，整星容量接近7.6GHz。ABS-2卫星定点于75°（E）轨道位置。该轨道位置是亚洲广播卫星公司的主要轨道位置，目前ABS-1、1A、2I等多颗卫星均位于该位置。ABS-2卫星投入运营之后，可为亚太、非洲、欧洲和中东等地区提供电视直播、多媒体接入、通信和其他数据传输服务。卫星可形成10个不同波束，其中6个高功率Ku频段波束用于提供东半球的直播到户（DTH）服务；3个C频段波束用于非洲和东南亚地区的网络业务；1个Ka频段波束主要覆盖中东与北非地区，用于商业和军事应用。

2015年3月1日，美国太空探索技术（Space X）公司的猎鹰9 号运载火箭将美国卫星制造商波音网络与空间系统公司（Boeing）研制的亚洲广播卫星-3A卫星（ABS-3A）送入太空，ABS-3A卫星携带24路C频段和24路Ku频段转发器，设计寿命15年，整星质量约2200千克，计划定点于西经3°轨道位置。

2016年6月15日，波音卫星系统公司（BSS）制造的亚洲广播卫星-2A（ABS-2A）由猎鹰-9（Falcon-9）火箭成功发射。

图4 ABS-2卫星展开地面试验

2.5 Outernet计划[17]-[24]

2014年，美国媒体发展投资基金（MDIF）发起了外联网（Outernet）项目，该项目计划借助数以百计的人造卫星为全球提供全天候的免费Wi-Fi接入。Outernet整个卫星系统架构十分简单：首先是利用低成本、批量化生产的立方体小卫星构成空间段；其次是寻求NASA等航天部门帮助，得到低价的卫星发射服务；最后是选择内容提供商，通过地面网络上传给卫星，再借助于卫星向全球免费广播无线信号。

MDIF计划向近地轨道发射150余颗立方体卫星，并在地面建立基站向卫星发射数据流，在卫星上使用基于用户数据报（UDP）的Wi-Fi多播技术，将解析后的数据转换为无线网络传播到世界各地。值得注意的是，Outernet卫星网络并不等同于Wi-Fi，因为它仅提供单向的广播服务，而非地面互联网的交互服务。其播发内容包括国际地区新闻、英国文化协会课程、软件、音乐、视频、各语种维基百科等内容，同时援救部门也可以通过Outernet接入紧急通信频道。同时，由于国际电信联盟（ITU）并未对微型卫星使用频段作出规定，Outernet计划使用的频段与Wi-Fi频段相同，若实现双向通信，卫星将极易受到地面无线网络的干扰。此外，考虑到播发信息安全，Outernet能否得到各国政府支持，也是该计划需要考虑的重要因素。

2.6 SkyLAN星簇[25]-[26]

SkyLAN是由欧空局（ESA）主导开发的一个GEO卫星星簇网络系统，它由一组较小的GEO卫星组成，卫星之间通过星间链路实现互联互操作，从而完成一颗大卫星功能。SkyLAN系统实际上就是一个由多颗GEO卫星组成的空间网络。它以标准化的星间通信接口为基础，将通常由单颗通信卫星实现的功能分布到多颗不同的、更小的、处于同一轨道的卫星上。因此，SkyLAN是一个通过ISL交换信息，执行综合。集成功能的卫星星簇。

意大利的阿尔卡特宇航公司（Alcatel Space）、西班牙的GMV公司、瑞士的康特拉弗斯公司、卢森堡的SES-Astra公司和加拿大的Telesat公司聚集了许多著名的航天业务和航天工程方面的专家，对SkyLAN进行了研究。研究的目标就是为三种不同任务评估SkyLAN概念在技术和财政上可行性。这三种任务是：移动卫星服务（MSS）任务，固定卫星服务FSS（FSS）任务和广播卫星服务（BSS）任务。选择这三种任务进行研究是因为它们均需要庞大的轨道资源，而现有的平台并不能满足其巨大的需求。MSS任务为全欧洲提供S波段的S-DMB（卫星数字多媒体广播系统）服务，它是为实现广播和多播服务而在3G移动网络基础上增加的系统。欧洲上空极高功率的卫星能让移动网络操作者通过前向链路给移动用户手持终端传输丰富的多媒体信息。卫星广播覆盖范围大的特点和它本身所具有的广播特性，使其对这种S-DMB服务具有很强的适应能力和很高的性价比。但是，S-DMB系统卫星天线1∶3径和功率消耗都很大，功耗超过14kW，这么大的系统在现有平台上很难实现。FSS任务系统在全欧洲提供Ka波段多媒体宽带业务服务。从带宽和电路数量上来说，只有大容量卫星能达到高性价比的要求，以保证卫星系统从经济上来说是可行的。该系统的宽带有效载荷具有复杂的多波束天线，数百个接收、路由和发送通道。另外，为了再生和转发数字信号，还需要很大的、功能很强的星上处理器。因此，也只有很重的高功率卫星能实现这些功能。

BSS任务在全欧洲提供Ku波段的语音电视广播服务。尽管现在对卫星电视广播服务的需求不大，但随着小广播公司直接接入卫星需求的增加和特定地区的语音广播服务需求通常是基于语音和文化的特性，这种情况有望在几年内改变。而且，未来卫星都希望占据热点轨道位置，如19.2°E或13°E，并使用分配的所有Ku波段频谱，以接入大量的用户，也只有大的高功率卫星能提供这种服务。在以上三种情况下，大卫星面临技术可行性的限制。接下来自然就考虑到基于SkyLAN概念的卫星星簇了。卫星星簇显然是一种更加灵活的方法，到目前为止，ESA已经对数个功能分布原理和在数个小卫星上进行资源分配方法进行了评估。评估结果显示，对于FSS任务，最好的方式是各卫星具有相同的覆盖范围和容量，ISL保证每颗卫星覆盖范围的全球连接。对于BSS任务，卫星星簇的形成需要两个步骤，第一是分离星上处理功能并将其放在一颗专用卫星上，第二步将覆盖范围和容量分布到各弯管式卫星上。lSL将处理卫星和各弯管式卫星连接起来并扩展各弯管式卫星覆盖区域。SkyLAN概念对MSS任务的吸引力很小，ISL不会给MSS任务系统带来任何好处，这种任务的星簇需要的是小卫星之间的协同定位，而不星间连接。因此，该任务不适合SkyLAN概念，所以不予考虑。卫星之间的通信链路具有多种拓扑：星型、网状、环形和总线型。双环结构是FSS星簇的最好选择。在双环拓扑中，ISL是双向的，数据流能在正反两个方向上传输。这种拓扑的主要优势是对故障具有更好的健壮性。星簇内所有卫星配置相同，具有相同的软硬件。双环拓扑相对网状和星型拓扑，ISL的数量减少了，在路由上具有更高的灵活性，并且不需要中断服务就可以添加新的卫星到星簇中。其缺点是，需要很大的ISL载荷，且在每颗交叉卫星（crossed satellite）中需要本地路由，以使数据流能在环中循环流动。具有处理卫星（hub卫星）的星型拓扑更适合于BSS任务。星型拓扑的选择是由处理卫星的中心角色所决定的，其主要缺点是在hub卫星中，ISL终端数目巨大。整个星簇的轨道布置受备用卫星和SkyLAN定义的影响。在相同轨道窗口通过偏心率和倾角分离实现的协同定位被证明对ISL的操作是不利的。在白天，卫星彼此不断旋转，为了保持连续地ISL连接，要求在每颗卫星上布置数个ISL终端，并需要扩展扫描能力和进行复杂的切换。ESA已经评估了轨道布置和位置保持的数个场景，但是没有一个对SkyLAN概念提出挑战和质疑。

3 广播卫星系统发展趋势[27]、[28]

广播卫星因其覆盖面广以及上世纪90年代以来视频数字压缩技术的突破（90∶1），使得投资少、见效快、频谱利用率高、信号质量高、可靠性高、维护工作量少、运行成本低、接收系统成本低。全球通信广播卫星需求旺盛，在轨、在研数量快速增长，近5年相继发射了144颗通信广播卫星。除传统固定通信卫星外，高吞吐量通信卫星和下一代全球移动卫星星座等占据了订单的大部分份额，新兴国家和地区的通信市场需求带动了全球通信广播卫星市场的繁荣发展。未来，广播卫星系统主要有以下发展趋势：

3.1 技术更新换代，研制水平不断提高

宽带、视频、高清电视、移动通信等业务需求决定了大功率、大天线、多点波束、频率复用等技术得以应用；近5年全球发射的81颗GEO商业通信广播卫星中50%的发射质量都大于5000kg，大型化发展趋势明显。

3.2 平台承载能力与应用效率显著提高

以“阿尔法平台”（Alphabus）为代表的大型卫星平台和以波音卫星系统-702SP平台为代表的全电推进平台是新一代通信广播卫星平台的发展方向，大型卫星平台可支持多达200台转发器，有效载荷功率能力达18kW，全电推进平台卫星2015年3月已完成首发星，并因效率高、成本低而持续受到市场的青睐。

3.3 天地网络不断融合

卫星通信与有线电视、宽带互联网、移动互联网四业融合。目前，有线电视、宽带互联网、移动互联网在数字媒体、信息服务行业已经占主流地位，其主要原因是地面网络天然具有互动性和社交功能，而卫星通信则以单向广播见长。但是，它们之间具有明显的互补性。这为它们的相互融合提供了基础。毕竟，卫星通信、有线电视、宽带互联网、移动互联网都属于信息服务业，相互融合是共同的发展趋势，全网络、全终端、全内容是共同的发展战略。