据统计截至2012年年底,全球经营卫星固定业务(FSS)空间段的运营商约有30家,共拥有在轨静止卫星约270颗。其中按拥有的卫星数量排名前三位的有国际通信卫星(Intelsat)公司(含已被收购的泛美卫星公司(Pan Amsat))拥有54颗,SES全球公司(含已被收购的新天卫星公司(NSS))拥有53颗,欧洲通信卫星公司(Eutelsat)拥有31颗,三家跨国大公司共拥有卫星数已占全球卫星总数的50%以上。全球各空间段运营商除主要经营卫星转发器租赁业务外,一般还自建地球站,经营国际或国内卫星固定业务。
这些卫星以多种频段(C、Ku和Ka等)、极化(圆和线)和波束(全球、半球、区域、点波束等)分别覆盖地球赤道南北各个服务区。服务区内用户根据各种业务(音频、视频、数据、多媒体)需要,使用各种体制和标准的地球站,与相关卫星组成各种卫星通信系统,开展卫星通信业务。
上述各个卫星通信系统中,具有代表性的静止轨道大容量宽带卫星如下:
(1)阿尼克-F2卫星。它是2004年7月发射的由加拿大电信卫星公司(Telesat)经营的世界上第一颗面向大众消费者的商用宽带卫星。该星具有107台转发器,其中C频段24台、Ku频段32台、Ka频段51台。C和Ku频段为赋形波束的透明转发器。Ka频段大部分转发器为透明转发器,其馈线链路有6个点波束,用户链路有45个点波束;小部分转发器具有星上处理功能,其上下行链路各有2个点波束。它是一个多频段(C、Ku、Ka)、多波束(赋形波束、多点波束)、多体制(透明转发、处理转发)的综合应用卫星。
(2)IPSTAR卫星。它是2005年8月发射的由泰国Shin公司经营的商用宽带卫星。该星Ku频段用户链路有84个点波束、3个赋形通信波束、7个赋形广播波束,Ka频段馈线链路有18个点波束,共有114台转发器。该星通信总容量为45Gbps,相当于1000个以上常规36MHz带宽转发器容量,是全球第一颗超大容量宽带卫星。
(3)太空之路-3卫星。它是2007年8月发射的由美国休斯网络系统公司经营的世界上技术最先进的商用宽带卫星。星上全部转发器为Ka频段再生处理转发器,接收点波束112个,发射点波束784个,发射天线采用2m直径、1500单元相控阵多点波束天线,通信容量达10Gbps。
(4)Ka-SAT卫星。它是2010年12月发射的由欧洲卫星通信公司经营的商用宽带卫星。它是全Ka频段多点波束透明转发器的超大容量卫星。该卫星馈线链路有9个点波束,用户链路有82个点波束,通信总容量为70Gbps。采用美国卫讯公司的“冲浪波束-2(SurfBeam-2)”系统来支持双向宽带通信业务。
(5)ViaSat-1卫星。它是2011年10月发射的由美国卫讯公司经营的ViaSat-1卫星。它是全Ka频段多点波束透明转发器的超大容量卫星。该卫星馈线链路有21个点波束,用户链路有71个点波束,通信总容量为140Gbps,超过了现今覆盖北美的双向C、Ku、Ka频段所有卫星容量之总和。该星采用本公司开发的“冲浪波束-2(SurfBeam-2)”系统来支持双向宽带通信业务。
卫星移动通信发展按其运行轨道分为两类:静止轨道卫星移动通信和低轨道卫星移动通信。
静止轨道卫星移动通信中,有全球覆盖的国际海事卫星(Inmarsat)通信系统,区域覆盖的亚洲蜂窝卫星(ACeS)通信系统、瑟拉亚(Thuraya)卫星通信系统、ICO-G1卫星通信系统、TerreStar卫星通信系统和Skyterra卫星通信系统等,国内覆盖的有日本卫星(N-STAR)通信系统和澳大利亚(Optus)卫星通信系统等。
(1)国际海事卫星通信系统。它是由国际海事组织经营的全球卫星移动通信系统。自1982年开始经营以来,该系统L频段业务的卫星已发展到第四代,正在开发Ka频段业务的第五代卫星。现有11颗(3颗Inmarsat-4工作星,4颗Inmarsat-3工作星,4颗Inmarsat-2备用星)不同轨道位置卫星和分布全球的30多个固定地球站为全球广大用户终端提供各种移动通信服务。自第四代卫星投入应用起还提供称为BGAN的宽带移动多媒体业务。该系统是世界上唯一能为海、陆、空各种用户提供全球化、全天候的公众通信和遇险通信服务的系统。
(2)亚洲蜂窝卫星通信系统。它是由印度尼西亚等国家建立起来的区域性个人卫星移动通信系统。该系统现有一颗格鲁达-1(Garuda-1)在轨卫星。该星于2000年2月发射成功,定点于123°E,服务区覆盖东亚、东南亚和南亚地区。星上装有12m直径L频段的一副接收天线和一副发射天线,共有140个点波束,该星可支持20000条语音信道及200万用户。地面用户终端有固定式、移动式、便携式和手持式,可向用户提供双模(卫星和GSM900)的语音、传真、低速数据服务以及区域性漫游等服务。
(3)瑟拉亚卫星通信系统。它是由瑟拉亚卫星电信公司经营的区域性个人卫星移动通信系统。该系统先后于2000年10月、2003年6月和2008年1月共发射了3颗卫星(分别定点于28.5°E、44°E、98.5°E)。服务区覆盖了欧洲、北非、中非、南非大部分、中东、中亚、南亚等110个国家和地区。星上装有一副12m直径的L频段收发公用大天线,共有250~300个点波束;星上数字信号处理器,可对波束覆盖区范围和功率进行动态控制。每星可支持13750条语音信道及175万用户,地面用户终端有固定式、移动式、便携式和手持式,可向用户提供双模的语音、传真、数据、短信、定位(GPS)、应急服务以及区域性漫游等服务。
(4)ICO-G1卫星通信系统。它是由美国ICO公司经营的新型移动业务通信卫星。该星于2008年4月发射,定点于92.85°W。服务区域覆盖整个美国大陆、阿拉斯加、夏威夷以及波多黎各、维尔京群岛等地区。该星用户链路采用S频段的12m大口径天线,发射和接收波束各250个。其主要功能是向汽车等移动载体提供实时的移动视频、数据等服务,同时也向手持终端(如手机)提供移动多媒体服务。ICO-G1卫星移动通信系统在北美地区首次引入了DVB-SH(Digital Video Broadcast-Satellite to Handhelds)标准,而且在全球第一个应用了地基波束成形(Ground-Based Beam Forming,GBBF)技术。
(5)TerreStar卫星通信系统。它是由美国TerreStar网络公司(TerreStar Networks Inc.,TerreStar)经营的星地一体化的新型卫星移动多媒体通信网。2009年7月TerreStar-1卫星发射成功定点于111°W,该星携带了直径18m的收发公用的S频段天线,采用了双向地基波束成形(GBBF)技术,产生500个点波束,覆盖美国、加拿大、阿拉斯加、夏威夷、波多里哥和美属维尔京群岛。它为美国和加拿大两国政府机构、公共安保部门、农村社区和商业客户提供语音、数据和视频移动多媒体通信服务。该系统与WCDMA、CDMA2000或者LTE等多种技术体制结合,可组成天地融合的新一代全IP化卫星通信网络。
(6)Skyterra卫星移动通信系统。该系统原名MSV卫星移动通信系统,是美国移动卫星投资(Mobile Satellite Ventures,MSV)公司规划的基于3G的新一代GEO卫星移动通信系统,为整个美洲地区用户提供先进、可靠的语音业务和数据分发服务。该系统需发射两颗卫星组网,其中“Skyterra-1”卫星已于2010年11月发射成功,开始试用。该系统采用了基于地面辅助组件(Ancillary Terrestrial Component,ATC)的设计。采用ATC技术可实现与地面3G无线系统的无缝连接,解决卫星用户在室内的遮蔽问题,并可实现用户手机在卫星网络与地面网络之间透明转换。ATC基站和卫星复用同一频段,使用几乎相同的空中接口信号格式,用户终端无须使用双模终端。
低轨道卫星移动通信中,代表性的系统有铱(Iridium)系统、全球星(Globalstar)系统和轨道通信(ORBCOMM)系统。
(1)铱系统
铱系统是由66颗低轨卫星组成的全球卫星移动通信系统,1998年11月开始商业运营,2000年3月破产,2001年新铱星公司成立,并重新提供通信服务。该系统全球覆盖含南北两极,星上转发器采用先进的处理和交换技术,多点波束天线,且有星间链路,是最先进的低轨卫星通信系统;其星间链路和馈线链路为Ka频段,用户链路为L频段,它提供电话、传真、数据和寻呼等业务。它有双模手机、单模手机和寻呼机等用户终端。
(2)全球星系统
全球星系统是由48颗低轨卫星组成的全球卫星移动通信系统,1999年开始商业运营。卫星采用透明转发器,多波束天线,馈线链路为C频段,用户链路上行为S频段,下行为L频段,向用户提供语音、传真、数据和定位等业务。它有单模手机、双模手机、三模手机、车载机和固定终端等用户终端。
(3)轨道通信系统
轨道通信系统是由36~48颗低轨卫星组成的全球卫星移动通信系统,1997年开始商业运营。卫星采用处理转发器,单波束天线,用户链路和馈线链路同为VHF频段,向用户提供寻呼、传真、低速率数据和定位等业务。它有手机、车载、机载、船载等移动用户终端,以及半固定和固定的用户终端。
卫星广播业务可分电视广播业务和声音广播业务。卫星电视广播可用卫星广播业务(BSS)频段的广播卫星或卫星固定业务(FSS)频段的通信卫星,前者一般称DBS(直接广播卫星)业务,后者称DTH(直接到户)业务。这两种卫星都是静止轨道卫星,公众用户都可使用电视接收终端直接收看这两种卫星广播的电视节目。
卫星电视广播业务是卫星通信业务发展的主流。代表性的国家和地区是美国、欧洲和日本。
(1)美国
在美国,现有DIRECTV和Dish Network两大公司为美国数字卫星电视直播业务主要运营商,也是卫星空间段和地面段业务合一的运营商。它们经营着BSS和FSS业务Ku频段和FSS业务Ka频段卫星的电视直播业务。DIRECTV公司经营的是DIRECTV系列的卫星和Spaceway-1/2卫星,Dish Network公司经营的是EchoStar系列的卫星。两者现有在轨卫星二十多颗,其中2006年2月和2008年7月发射的回声星-10/11(Echostar-10/11)卫星,前者具有42台Ku频段转发器,后者具有29台Ku频段转发器;还有2005年4月和2005年11月发射的太空之路-1/2(Spaceway-1/2)卫星,每星有点波束覆盖的72台Ka频段转发器;2007年7月和2008年3月发射的直播电视-10/11(DirecTV-10/11)卫星,每星有国内波束覆盖的32台Ka频段转发器和点波束覆盖的55台Ka频段转发器。两公司的Ku频段卫星转发器可为全美电视家庭用户提供约1800套全国和地方的数字标清和高清电视节目,用户可用0.45m口径接收天线直接从卫星接收到符合要求的Ku频段电视信号。DIRECTV公司的太空之路-1/2和直播电视-10/11共4颗Ka频段卫星可为全美电视家庭用户提供约1650套全国和地方的数字高清和标清电视节目。
(2)欧洲
欧洲地区的卫星电视运营商定位为数字电视平台和内容的提供商,不参与卫星空间段的运营,在这点上与美国同行们有所差别。SES全球公司在欧洲的ASTRA系列卫星和天狼星(SIRIUS)系列卫星以及欧洲通信卫星公司的Hot Bird系列等卫星都担负着欧洲地区卫星电视直播和宽带通信等业务信号转发任务。该两公司很注重以多星共位方式来扩展频谱资源利用,其中共位数最大的是ASTRA系列19.2°E轨道位置曾达到7颗卫星共位,Hot Bird系列13°E轨道位置曾达到5颗卫星共位。ASTRA系列19.2°E轨道位置7星集成后的综合效果使其拥有FSS和BSS业务的Ku频段频谱资源达2GHz宽度,另有500MHz宽度的Ka频段频谱资源,使其120台Ku频段转发器同时工作,任意一台转发器既有同星备份又有异星备份,用户从一个轨道位置可接收到120台转发器提供的600套节目中任意一套节目。作为欧洲地区电视直播卫星资源主要提供者——SES公司,现由12颗ASTRA卫星及3颗天狼星(SIRIUS)卫星为用户传输2295个模拟及数字电视频道、广播频道,包括30个数字高清电视频道。
(3)日本
日本BSS业务频段的直播卫星由日本卫星广播系统公司经营,曾有4颗卫星在同一轨道位置运行,每星有4台Ku频段转发器,其中BSAT-1A/1B卫星为模拟电视服务,BSAT-2A/2C为数字标清和高清电视服务。2007年8月此轨道位置又增加了一颗具有8个Ku频段转发器的BSAT-3A卫星,以接替原有卫星工作。另有一颗由日本空间通信公司(SCC)和JSAT公司运营的FSS频段卫星也向本国提供卫星电视直播业务。为了便于用户接收,该星与BSAT卫星同一轨道位置同极化工作。
在卫星广播电视固定接收基础上还发展了移动接收卫星广播电视。卫星移动接收广播电视主要利用静止轨道卫星直接向个体用户和交通工具用户传送音频、视频等广播节目。现有世广卫星集团(WorldSpace)的L频段非洲之星与亚洲之星卫星,美国XM卫星无线电公司(XM Satellite Radio Inc)的S频段XM系列卫星,美国天狼星卫星广播公司(Sirius Satellite Radio)的S频段Sirius系列卫星,日本移动广播公司(MBCO)和韩国SK电信公司共有的S频段MBSAT卫星等在轨提供服务。这些卫星特点是下行波束EIRP很大,可直接向便携式个体接收机传送高质量的声音、数据和图像等多媒体信息。以MBSAT星为例:该星具有2台S频段高功率转发器,通过一副波束覆盖日本和韩国直径12m的S频段大天线,发射EIRP高达67dBW的S频段信号直接给地面用户终端接收;另有2台Ku频段中功率转发器向地面发射信号,经设在卫星S频段直射信号盲区的地面中继站接收并转发为S频段信号后给地面用户终端接收。该星可向用户提供60多套音频和10套视频节目。MBSAT卫星的移动接收终端可以安装在汽车、轮船、火车等交通工具上,也可用于手持终端、PDA及蜂窝电话机上。
早在20世纪80年代,在卫星固定业务和卫星移动业务基础上发展了卫星数据中继业务。
20世纪60年代末,美国国家航空航天局(NASA)为了向用户提供更高的近地轨道覆盖率以及规避国外建地面站的需要,开始研究和设计跟踪与数据中继卫星系统(TDRSS)。自1983年4月第一颗中继卫星TDRS-1发射成功并投入运行以来,美国的跟踪与数据中继卫星系统(TDRSS)已发展成由6颗第一代卫星、3颗第二代卫星和3个地面站组成的完善系统。当前,NASA正在研制第三代TDRS卫星,以满足未来空间探索任务的高带宽通信需要以及替换已经超期服役的第一代TDRS。
欧空局发展数据中继卫星主要目的是实现载人、无人航天器的通信、控制和监视的自主能力。参与该计划有14个国家,主要投资国是意大利、法国和德国。2001年7月,欧洲第1颗试验型数据中继卫星“阿蒂米斯”发射升空,但是因为火箭故障卫星未能进入预定轨道。经过18个月的抢救,终于把这颗卫星定点到了预定的轨道位置,并进行了S/Ka频段数据中继试验和激光星间链路通信试验。该星开创了同步轨道卫星与低轨道卫星间激光通信试验的先例。
日本宇宙开发事业团(NASDA)于1993年确定了先在试验卫星上做搭载试验,后再发展实用的数据中继与跟踪卫星系统(DRTSS)的策略。先后于1994年和1998年在本国的试验卫星上进行了S频段中继链路、Ka频段中继链路、激光通信链路数据中继试验,然后于2002年9月发射了数据中继和试验卫星(DRTS-W),开始建立实用型数据和中继卫星。此外,于2005年8月发射了低轨光学试验卫星与欧空局同步轨道的阿蒂米斯卫星成功地进行了双向激光通信试验。
苏联/俄罗斯采取先利用通信卫星、再研制专用卫星途径来发展跟踪与数据中继卫星业务的策略。自1982年利用通信卫星搭载数据中继转发器做试验起,至今已发展了两代专用“射线”中继卫星,并开始了新一代“射线”中继卫星系统建设。射线系统主要用途是为低地球轨道卫星提供通信和控制,为礼炮号(Salyut)空间站、和平号(Mir)空间站、联盟号(Soyuz)系列载人飞船与地面测控站之间提供双向电视、数据交换等通信业务。