深扒低轨道卫星通信①—铱星的故事

2017-03-22

为了克服静止轨道通信卫星的种种不足,各国发射了一些低轨道通信卫星。低轨道卫星离地球近、路径短,能克服地球静止轨道卫星存在的种种缺陷。由于低轨道卫星信号覆盖地面面积小,为了覆盖全球,需要用几十颗卫星组成星座和系统才能进行全球通信。用于卫星通信、全球通信、远洋通信、抗灾救灾、搜索救援等。

1990年代,美国率先开展了低地球轨道通信卫星计划。20多年来,低轨道卫星系统几经起落,甚至差一点全军覆没。经过艰难发展,特别是手机技术、移动通信技术、互联网技术的迅猛发展,低轨道通信卫星系统死而复生。如今,卫星手机、移动电脑等移动终端可随时链接卫星通信,传输电话与数据,下载图片、视频和多媒体内容。

低轨道通信卫星系统有三大特点:低轨道、大星座、移动通信。

“铱星”卫星通信系统

“铱星”(Iridium)卫星通信系统是美国摩托罗拉公司设计的全球移动通信系统。铱星系统是1987年提出的第一代通信星座系统,1992年,“铱星”卫星开始研发。摩托罗拉公司制造卫星有效载荷,洛克希德·马丁公司负责“LM-700A”卫星平台。每颗“铱星”卫星质量689千克左右,功率为1200瓦,采取三轴稳定结构,设计寿命5~8年。

“铱星”系统的空间部分是运行在7条轨道上的卫星,每条轨道上均匀分布着11颗卫星,组成一个完整的星座。(Ir)原子核外的77个电子围绕原子核运转一样,因此被称为铱星。后来经过计算证实,6条轨道就够了,卫星总数也减少到66颗,但仍习惯称为铱星。

“铱星”系统最大特点是:通过卫星之间的链接实现全球通信,相当于把地面蜂窝移动电话系统搬到了天上。它与目前使用的静止轨道卫星通信系统比较有2大优势:

1.“铱星”轨道低,传输速度快,信息损耗小,通信质量大大提高;


2. “铱星”系统不需要专门的地面接受站,每部移动电话都可以与卫星联络。

地球上人迹罕至的不毛之地,一望无际的远洋深海,没有人烟的南北极,通信设施落后的边远地区,自然灾害现场等都变得畅通无阻。“铱星”宣告:个人卫星通信的新时代到来!

地球上人迹罕至的不毛之地,一望无际的远洋深海,没有人烟的南北极,通信设施落后的边远地区,自然灾害现场等都变得畅通无阻。“铱星”宣告:个人卫星通信的新时代到来!

铱星”卫星通信系统有66颗卫星,分布在6条轨道上,轨道平面间隔30°,组成卫星星座。“铱星”运行在约781千米,倾角86.4°的低轨道,轨道速度大约27000千米/小时。“铱星”卫星通信系统信号覆盖全球,包括南北两极。

“铱星”每条轨道上部署11颗在轨卫星,备份1~2颗。备份卫星通常运行在666千米,倾角86.4°的轨道上。在某一颗卫星故障情况下,备份卫星将提高轨道到正确高度和投入服务。铱星公司破产后,新主人决定推出7颗新的备份卫星,保证每个轨道平面保持2颗备份卫星。如果需要的话,这些卫星可以被移动到一个不同的平面。这可能需要几个星期时间,消耗的燃料将缩短卫星的预期寿命。

“铱星”星座可以覆盖全球。用户用手持话机、集成收发器直接接通卫星进行通信,而无需几米直径的抛物面天线就可以进行全球范围内的通话。每颗“铱星”卫星可以支持多达1100个并行电话。目前,卫星转发器运行在1618.85MHz~1626.5MHz民用频率,1610.6MHz~1613.8 MHz的射电天文服务频率。

“铱星”通过星间链路与周边卫星进行Ka频段通信。每颗卫星可以有4条星间链路:在同一轨道平面前后的2颗“铱星”,在相邻平面两边的2颗“铱星”。卫星轨道从南极到北极大约运行100分钟。

“铱星”卫星的这种设计意味着优良的卫星可见性和在南北两极覆盖服务。由于“接缝”卫星按照极轨道设计,当卫星沿轨道方向的轨道平面运行,另一轨道平面的卫星在相反的方向行进。横向的星间链路会发生非常迅速切换,以应付多普勒频移;因此,“铱星”星间链路之间仅支持在同一方向轨道的卫星。。

铱星公司选择在美国空军范登堡空军基地、苏联拜科努尔航天中心、中国太原卫星发射中心、俄罗斯普列谢茨克航天中心成组发射“铱星”卫星。1997年5月5日,第一批5颗“铱星”卫星在范登堡空军基地升空。到2002年6月2日,共计96颗“铱星”卫星发射升空,全部成功部署在轨道。

由于“铱星”卫星高反射天线造型独特,卫星将太阳光聚焦在一个小面积。这个效应称为“铱星闪光”。当“铱星”卫星飞越地球表面,暂时是夜空中最亮的天体,有时在白天也可见。“铱星”卫星系统被誉为卫星通信的里程碑。

时过境迁。铱星公司的卫星电话价格和费用极高,“贵族化”用户很少。地面上的无线通信技术和手机广泛普及,给铱星公司迎头打击。2000年3月18日,铱星公司以40多亿美元债务宣告破产。新老板以2500万美元极低价格买下铱星公司。铱星公司改换思路,走低价、普及、平民化的道路。

2008年8月,铱星公司选择了2家公司:洛克希德·马丁公司和阿莱尼亚宇航公司参加下一代卫星星座的竞标。2010年6月2日,铱星公司宣布获胜者为泰利斯·阿莱尼亚空间公司,研发、建造和发射的总合同金额为29亿美元。阿莱尼亚空间公司研发有效载荷,美国轨道科学公司提供卫星平台。

目前,铱星公司正在开发第二代“铱星”星座(Iridium-NEXT),共计81颗,。现有的“铱星”卫星星座有望保持运行,直到第二代“铱星”全面运作,许多卫星将一直服役到2020年。新一代“铱星”卫星具有改进的带宽规划。该系统将向后兼容现有的系统。

第二代“铱星”包括66颗卫星在轨卫星,6~9颗备份卫星。 卫星将包含附加载荷,如一些客户和合作伙伴的摄像头和传感器。“铱星”也可以被用来为太空中的其他卫星提供数据链接,无论地面站和网关的位置在哪里,都可命令与控制其他航天器。

第二代“铱星”重量约800千克,设计寿命10年,计划寿命15年。它将运行在高度780千米、倾角86.4°的低轨道。备份卫星运行在高度667千米、倾角86.4°的储备轨道上。

第二代“铱星”卫星提供L频段速度高达1.5Mbit/s和Ka频段8 Mbit/s的高速服务。它采用48个L频段相控阵阵列天线,覆盖地球表面直径4700千米,蜂窝模式卫星通信。Ka频段链接也提供了地面网关的通信和对相邻轨道卫星交联。在空间由66颗卫星组成交联星座,允许地球上任何位置的地面或空中的用户通信,组成几乎覆盖地球上任何地方的全球网络。

科技就是追求先进。第二代“铱星”内置一套“ADS-B”飞机自动监视接收机。它能为飞机提供完全的连续的天基监视与控制,甚至在海洋和偏远地区。目前,它是不可能的。美国哈里斯公司和前身为国际电话与电报公司的ITT公司提供技术支持。美国联邦航空管理局、加拿大空中交通机构享受新技术的成果。

全球控制: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。
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。
全球安全:实时、准确地显示任何飞机和航线附近的空气流量,从而提高世界各地的安全性。
全球优化:提供一个低成本效益的解决方案,优化飞行轨迹和高度,提高效率和燃油经济性,并减少延迟和拥塞。

按照计划,2015年1月,俄罗斯首先从栋巴洲际导弹基地发射“第聂伯”火箭,将2颗“铱星”卫星送入轨道。2010年6月,铱星公司与美国太空探索公司签署最大的商业火箭发射协议,金额为4.92亿美元。在2015年~2017年间,美国太空探索公司从范登堡空军基地8次发射“猎鹰-9”号运载火箭,将79颗“铱星”卫星送入太空。预计到2017年8月,第二代“铱星”星座部署完毕。

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