2.卫星通信的发展历程

1945年，20世纪著名的英国科幻作家阿瑟·查尔斯·克拉克（Arthur Charles Clarke）在《世界无线电》杂志发表的著名论文《地球外的中继》中提出利用通信卫星实现全球通信的科学设想，指出利用3颗同步轨道卫星即可实现全球通信，卫星通信的概念也因此诞生。卫星通信发展历程可分为试验、模拟卫星通信、数字卫星通信、卫星移动通信、窄带卫星星座、高通量卫星通信和宽带卫星星座等阶段。卫星通信发展历程如图1-2所示。

2.1　试验

1954年，美国海军成功实现了利用月球、无源气球卫星等进行跨大洋的中继通信，证实了通信卫星和卫星通信的实用价值。1957年，苏联发射了第一颗人造卫星“斯普特尼克”（Sputnic），开启了人造卫星进行有源通信的历史，同时，苏联发射卫星这一标志性事件震惊了美国，史称“斯普特尼克时刻”。1958年12月，美国航空航天局（NASA）将世界上第一颗试验通信卫星“斯科尔”（Score）（见图1-3）发射到椭圆轨道上，利用星载录音磁带实现了异步电话、电报通信，正式拉开了卫星通信的序幕。1960年8月，美国将世界上第一颗试验型无源通信卫星“回声1号”（ECHO 1）发射升空，并进行了第一次通过卫星直播的语音通信、第一次图像信息的传递、第一个横跨大陆的卫星通话等试验。1960年10月，美国国防部又将“信使”（Courier）卫星发射到高度为1000km、倾角为28.3°的倾斜轨道上，并使用2GHz频率进行了类似“斯科尔”（Score）卫星的低轨道时延通信实验。

1962年7月，美国电话电报公司（AT&T）发射了“电星1号”（Telestar-1）低轨道卫星，实现了横跨大西洋两岸的电话和电视服务，奠定了商用卫星的技术基础。1962年12月，AT&T又发射了“中继1号”（Relay）卫星，进入1270～8300km的椭圆轨道，在美国、欧洲、南美洲之间进行了洲际电话、电视、传真的传输实验，并对卫星的通信频率、姿态控制、遥测跟踪、通信方式等进行了实验。1963年11月，美国和日本利用“中继1号”卫星成功地进行了横跨太平洋的有源中继通信。

1963年7月和1964年8月，美国NASA先后发射了3颗“同步”卫星（SyncomⅠ/Ⅱ/Ⅲ），第一颗卫星未能进入预定轨道，第二颗进入了周期为24小时的倾斜轨道，只有“辛康3号”（SyncomⅢ）卫星（见图1-4）进入了近似圆形的静止同步轨道，成为第一颗试验性静止同步通信卫星。SyncomⅢ成功地进行了电话、电视和传真的传输试验，并向美国转播了1964年在东京举行的奥运会实况，至此，卫星通信的试验阶段结束。

2.2　模拟卫星通信

在卫星通信技术发展的同时，承担卫星通信业务和管理的组织机构也陆续成立。1964年8月20日，美国、日本等11个国家为了建立世界性商业卫星网，在美国华盛顿成立了世界性商业卫星临时组织，并于1965年11月正式定名为国际通信卫星组织（International Telecommunication Satellite Organization，Intelsat）。该组织在1965年4月把第一代国际通信卫星（Intelsat-I，简称IS-I，原名“晨鸟”）（见图1-5）发射到地球静止轨道，正式为北美和欧洲之间提供通信服务。这标志着模拟卫星通信进入实用阶段。

为满足海洋通信的迫切需要，海事卫星应运而生。1979年，几个拥有海洋船舶的国家建立了一个国际海事卫星组织（International Maritime Satellite Organization，INMARSAT），我国是参加该组织的最早成员国之一。该组织经营海事卫星，在全球范围内特别是海洋、高山等常规公用通信网络难以覆盖的地方提供通信和定位服务，并于1994年更名为国际移动卫星组织（INMARSAT）。在20世纪70年代末至80年代初，INMARSAT租用美国的Marisat、欧洲的Marecs和国际通信卫星组织的Intelsat-V卫星，构成了第一代的INMARSAT系统。1999年，英国、美国、加拿大的4家公司组成的财团以34亿美元收购了INMARSAT，将其转变为国际商业公司，全面提供海事、航空、陆地移动卫星通信和信息服务。

20世纪70年代，我国开始利用国际通信卫星组织的全球通信卫星系统。1977年8月，我国正式加入国际通信卫星组织，成为该组织的第98个成员。1984年，我国成功发射了一颗试验通信卫星“东方红-Ⅰ型”（STW-1）。1986年又成功发射了实用通信广播卫星“东方红-Ⅱ型”（STW-2），用于部分电视、广播及通信的传输。1988～1990年，我国共发射了3颗实用通信卫星“东方红-Ⅱ甲”（见图1-6）。1994年，我国成功发射了实用广播通信卫星“东方红-Ⅲ”，用于电话、电报、传真、数据传输等通信业务。

2.3　数字卫星通信

20世纪70年代至80年代中期是卫星通信发展的成熟时期。随着卫星功率的提高，集成电路、射频器件以及编码和调制等数字信号处理技术日趋成熟，“甚小口径终端”（Very Small Aperture Terminal,VSAT）应运而生，其应用开始面向小型用户。VSAT系统由一个主站及众多分散设置在各个用户所在地的远端VSAT地球站组成，可不借助任何地面线路，不受地形、距离和地面通信条件限制。早期的主站通信广播速率为2Mbit/s以上，目前已达70Mbit/s以上。VSAT系统特别适用于有较大信息量和所辖边远分支机构较多的部门使用。根据不同的应用方式，VSAT地球站可分为固定式、可搬移式、背负式、手提式、车载式、机载式、船载式等。VSAT卫星通信网几乎可支持所有传统通信业务，包括语音、数据、视频、广播、传真、LAN互连、会议电话和视频会议。

2.4　卫星移动通信

国际海事卫星通信系统是世界上第一个全球性的移动业务卫星通信系统。INMARSAT系统在发展过程中，先后推出了INMARSAT-A、B/M、Mini-M、M4、F和BGAN等不同类型的通信终端，以满足不同用户的通信需求。1982年，INMARSAT开始提供全球通信服务，最初主要提供A标准系统，支持模拟语音、传真、电传和数据业务。1991年INMARSAT又推出了数字化系统——C标准系统，主要提供电传、低速数据和增强性群呼等业务。1993年INMARSAT先后推出数字化通信系统——B/M系统。B系统是A系统的数字制式，其提供的业务与A系统相同，目前B系统已经取代了A系统。M系统的主要目的是为了填补标准A（或B）和标准C之间的空隙，使用小型天线提供低速语音、数据和传真等业务。为了充分利用INMARSAT-3卫星的点波束能力，INMARSAT研制了新一代的Mini-M系统，该系统的功能和提供的业务种类与标准的M系统一样。由于采用了INMARSAT第3代卫星的点波束技术，地面终端的功率和体积更小，设备价格和通信费用更低。在Mini-M系统之后，INMARSAT又推出了移动卫星多媒体产品——INMARSATM4、INMARSATFleet。INMARSATM4在Mini-M系统的基础上增加了多媒体业务功能，可以提供速率高达64kbit/s的、基于ISDN的高速业务。INMARSATFleet在兼容原有B系统的基础上增加了移动包交换数据业务，而且其终端天线体积小，设备质量轻，通信资费相对低廉。继A、C、B、M、Mini-M、INMARSAT M4、INMARSAT Fleet系统后，INMARSAT基于INMARSAT-4卫星又推出了技术上更先进的全球宽带系统——BGAN（Broadband Global Area Network）（见图1-7）。

天通一号卫星移动通信系统是我国自主研制建设的卫星移动通信系统。我国于2016年和2020年分别发射了天通一号01星和天通一号02星。天通一号卫星覆盖区域主要为中国及周边、中东、非洲等相关地区，以及太平洋、印度洋大部分海域；覆盖地形没有限制，海洋、山区、高原、森林、戈壁、沙漠都可实现无缝覆盖；覆盖车辆、飞机、船舶和手机等各类移动终端。天通一号卫星为个人通信、海洋运输、远洋渔业、航空救援、旅游科考等各个领域提供全天候、稳定可靠的移动通信服务，支持语音、短消息和数据业务。发生自然灾害时，天通一号卫星的应急通信能力可以发挥巨大作用，此外，天通一号卫星最主要的优势体现在终端的小型化，便于携带。

2.5　窄带卫星星座

20世纪90年代，低轨道卫星移动通信系统广受关注，世界各国研发了多个低轨道卫星移动通信系统，包括铱星（Iridium）、全球星（Globalstar）、轨道通信（Orbcomm）等。Iridium系统由66颗低轨道卫星组成，1998年11月开始商业运营，通过使用卫星手持电话机可在地球上的任何地方发出和接收电话信号。铱星星座中的每颗卫星可提供48个点波束，在地面形成48个蜂窝小区，在最小仰角8.2°的情况下，每个蜂窝小区的直径为600km，每颗卫星的覆盖区直径约为4700km。Globalstar系统由48颗低轨道卫星组成，1999年开始商业运营，向用户提供无缝隙覆盖的、低价的卫星移动通信业务，业务包括语音、传真、数据、短信息、定位等。用户可使用双模式手持机（既可支持地面蜂窝通信模式，也可支持卫星通信模式），实现全球个人通信。Orbcomm系统通过29颗低轨道卫星组成的全球卫星移动通信网络为用户提供卫星移动通信业务。该系统从1997年开始商业运营，提供低速、低成本、近乎实时的双向数据传输服务。

2.6　高通量卫星通信

高通量通信卫星（High Throughput Satellite，HTS），也称高吞吐量通信卫星，是指使用相同带宽的频率资源，而数据吞吐量是传统通信卫星数倍甚至数十倍的通信卫星，其通信容量可达数百Gbit/s甚至Tbit/s量级。2005年，泰国Thaicom公司发射了世界上第一颗高通量通信卫星Ipstar。该卫星拥有100多个点波束，通信容量高达45Gbit/s。2005年4月和11月，美国休斯网络系统公司分别发射了“太空之路”（Spaceway-1和Spaceway-2）卫星（见图1-8）。2007年，该公司又发射了Spaceway-3，采用高性能、星载数字处理、分组交换和点波束技术，为北美地区和部分拉丁美洲地区的企业、政府机构及消费者提供互联网、IP数据、语音、视频及多媒体应用的双向高速通信业务。2010年12月欧洲通信卫星公司（EutelSat）发射的“Ka频段卫星”（Ka-Sat），2011年10月美国卫讯公司（ViaSat）与美国劳拉公司联合打造的“卫讯-1”卫星（ViaSat-1）和2012年发射的3颗“木星”（Jupiter）宽带卫星投入使用后，这些卫星通信公司专注于发展卫星宽带接入业务，通信容量达到100Gbit/s以上，用户的网络传输速率大于10Mbit/s。

2017年4月，我国成功发射中星16号通信卫星，它是我国首颗高轨道高通量通信卫星。该卫星应用Ka频段多波束宽带通信系统，通信总容量可达20Gbit/s以上，拥有26个用户点波束，总体覆盖我国除西北、东北之外的大部分陆地和近海近200千米海域。地面无线网络信号覆盖不到或光缆宽带接入达不到的地方，都可以通过该卫星方便地接入网络。2020年7月，我国成功发射亚太6D通信卫星。该卫星是一颗地球静止轨道高通量宽带通信卫星，采用Ku/Ka频段进行传输，通信总容量可达50Gbit/s，单波束容量可达1Gbit/s以上，可以为用户提供高质量的语音、数据通信服务，采用90个用户点波束，实现可视范围下全球覆盖。

2.7　宽带卫星星座

卫星通信从最初的卫星电话、电视广播业务，扩展到数据和多媒体通信，并继续向高通量通信卫星发展。随着互联网和移动互联网的发展，卫星通信开始进入卫星互联网时代。在5G商用之际，随着火箭发射成本的降低、卫星制造能力的提升、集成电路技术的进步等，具有低时延和低成本优势的低轨道卫星通信系统悄然复苏，并受到全球诸多通信、航天航空等巨头企业的青睐。Ku、Ka频段甚至Q/V等更高频段的宽带卫星星座计划（由大量低轨道小型通信卫星组成）呈现爆发式增长，高频高速无疑已成为低轨道通信卫星未来的主流发展方向。如一网公司的“一网”星座、太空探索技术公司（SpaceX）的“星链”（Starlink）星座、低轨道卫星公司的LEOSat星座、亚马逊“柯伊伯”（Kuiper）计划、加拿大电信卫星公司的TeleSat星座、卢森堡SES公司的第二代O3b（Other 3 billion）计划等低轨宽带卫星通信系统相继推出。SpaceX公司最终将部署42000颗卫星组建通信星座。“星链”（Starlink）星座如图1-9所示。