banner.jpg)
星座衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)是指利用一組衛(wèi)星構(gòu)成的星座作為中繼節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)通信的一種衛(wèi)星通信系統(tǒng)。根據(jù)構(gòu)成星座的衛(wèi)星軌道類型不同可分為對地靜止軌道(GEO)星座衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)，如ACeS、INMARSAT等；低地球軌道(LEO)星座衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)，如Iridium、Globalstar等；中等高度地球軌道(MEO)星座衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)，如Odyssey、ICO等。與GEO星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)相比，LEO/MEO星座衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)具有傳輸路徑損耗小、傳輸時延小、容量大、可實(shí)現(xiàn)全球覆蓋等系統(tǒng)性能上的優(yōu)勢，但是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度較大，成本較高。
本文從經(jīng)濟(jì)效能角度對比分析LEO、MEO和GEO 3種星座衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)。在對星座衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的成本進(jìn)行分解的基礎(chǔ)上，分析了Globalstar、Odyssey和INMARSAT 3個系統(tǒng)的空間段成本、地面段成本以及系統(tǒng)總體成本。本文得出的結(jié)論對我國星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)建設(shè)具有一定的參考價值。
1 星座衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)成本構(gòu)成
星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)成本由空間段成本、地面段成本和終端成本構(gòu)成(如圖1所示)，本文重點(diǎn)分析星座衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)空間段與地面段的成本構(gòu)成。空間段成本包括星座系統(tǒng)建設(shè)階段付出的星座衛(wèi)星的研制、發(fā)射和保險成本，星座系統(tǒng)運(yùn)行階段的空間段更新維護(hù)成本。地面段成本包括系統(tǒng)建設(shè)初期TT&C站和信關(guān)站建設(shè)成本，系統(tǒng)運(yùn)行期間的地面段維護(hù)成本等。
2 星座衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)空間段成本估算
星座衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)空間段成本與軌道高度、衛(wèi)星數(shù)量、總功率、系統(tǒng)壽命等參數(shù)密切相關(guān)，本文在星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)成本分析過程中以GlobalStar、Odyssey和INMARSAT系統(tǒng)為參照，3個系統(tǒng)基本參數(shù)如表1所示。
表1 GlobalStar系統(tǒng)[1]、Odyssey系統(tǒng)和INMARSAT系統(tǒng)基本參數(shù)
參數(shù)GlobalStarOdysseyINMARSAT
軌道高度(km)14001000036000
衛(wèi)星數(shù)48123
備用衛(wèi)星831
波束數(shù)1619200
總功率(W)100018003700
系統(tǒng)壽命(年)7.51015
空間段成本估算首先確定衛(wèi)星的總功率軌道高度，然后根據(jù)總功率和軌道高度利用估算公式估算出系統(tǒng)單顆衛(wèi)星的空間段質(zhì)量、造價和發(fā)射費(fèi)等。
設(shè)衛(wèi)星總功率為Ptotal，根據(jù)下面公式估算單顆衛(wèi)星的質(zhì)量(單位lb)：
。
其中， 表示太陽能陣列重量， 表示電池重量， 表示星上轉(zhuǎn)發(fā)器重量， 表示星上天線重量，h表示軌道高度(km),α表示飛行器重量與加載重量之比，一般取1。
星座系統(tǒng)空間段總成本估算公式如下： 。
其中，N表示星座覆蓋全球所需的衛(wèi)星總數(shù)；Csat表示衛(wèi)星制造成本，估算公式為： ；Claunch表示衛(wèi)星發(fā)射成本，估算公式為： ，h表示軌道高度(英里)；Cinsurance表示衛(wèi)星保險成本，估算公式為： ，β表示保險費(fèi)用所占比例，一般取0.2。
綜合上述公式，可得出： 。
空間段維護(hù)成本可以用年平均費(fèi)用 來估算，其中Ylife為衛(wèi)星壽命。根據(jù)上述估算公式，對Globalstar等3個星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)的成本估算如表2所示。
表2星座系統(tǒng)空間段成本估算[2]
參數(shù)LEOMEOGEO
Ptotal(W)100018003700
Warray(lb)100180370
Wbattery(lb)125225463
Wtran(lb)125185327.5
Wantenna(lb)750180
Wsat (lb)71412802681
Csat(百萬美元)39.370.4147.5
Claunch(百萬美元)6.426.897.5
Cinsurance(百萬美元)9.119.449
Cspace(億美元)30.717.511.7
Cav(億美元)4.11.80.8
從表2可以看出，隨著衛(wèi)星軌道高度增加，單星的總功率需求增加，單星的質(zhì)量也相應(yīng)的增加，MEO單星總功率需求和衛(wèi)星重量都是LEO的1.8倍，GEO單星總功率需求和衛(wèi)星重量分別是LEO的3.7倍和3.8倍；但是由于軌道越低覆蓋全球所需的衛(wèi)星數(shù)目增加，因此，LEO星座衛(wèi)星總成本最高，是MEO衛(wèi)星總成本的1.8倍，是GEO的2.6倍；由于軌道越低受地球引力等因素的影響，衛(wèi)星的壽命越短，在軌系統(tǒng)更新維護(hù)的周期就越短，LEO的年平均費(fèi)用分別是MEO和GEO的2.3倍和5.1倍。
3星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)地面段成本估算
地面段成本主要與信關(guān)站和TT&C站的數(shù)量、單站成本等相關(guān)。星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)軌道越低，衛(wèi)星數(shù)越多，過頂時間越短，地面TT&C站的測控任務(wù)越繁重，因而需要更多的測控站來確保星座系統(tǒng)的正常運(yùn)行；同時星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)軌道越低，單顆衛(wèi)星覆蓋面積越小，要實(shí)現(xiàn)與地面系統(tǒng)有效的融合所需的信關(guān)站數(shù)目越多。對地面段的成本估算如表3所示�？梢钥闯鯨EO系統(tǒng)覆蓋全球所需的信關(guān)站/TT&C站最多，分別約是GEO和MEO系統(tǒng)的4倍多和2倍多；如果按照地面段的維護(hù)成本與信關(guān)站和TT&C站的數(shù)量成比例來估算，LEO系統(tǒng)地面段的維護(hù)費(fèi)用分別約是GEO和MEO系統(tǒng)的2.5倍和2倍。
表3 地面段成本估算
LEO系統(tǒng)MEO系統(tǒng)GEO系統(tǒng)
單個信關(guān)站成本(百萬美元)222
信關(guān)站個數(shù)38169
總信關(guān)站成本(百萬美元)763218
TT&C站個數(shù)1263
TT&C站成本(百萬美元)101020
總TT&C成本(百萬美元)1206060
地面段成本(億美元)1.960.920.78
4 星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)總成本分析
根據(jù)以上對星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)的空間段和地面段成本分析，可以得出星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)的總成本。3個系統(tǒng)的總成本對比如表4所示�？梢钥闯觯琇EO星座衛(wèi)星系統(tǒng)的總成本約是GEO系統(tǒng)的2.6倍，MEO系統(tǒng)的總成本是LEO總成本的56%。
表4 系統(tǒng)總成本比較
LEO系統(tǒng)MEO系統(tǒng)GEO系統(tǒng)
空間段成本(億美元)30.717.511.7
地面段成本(億美元)1.960.920.78
總成本(億美元)32.6618.4212.48
如果以效能-費(fèi)用之比R=E/C(E為系統(tǒng)效能)作為選擇星座系統(tǒng)的依據(jù)，則有
當(dāng) 即 時，LEO系統(tǒng)相對GEO系統(tǒng)具有優(yōu)勢，反之選擇GEO系統(tǒng)具有優(yōu)勢；
當(dāng) 即 時，LEO系統(tǒng)相對MEO系統(tǒng)具有優(yōu)勢，反之選擇MEO系統(tǒng)具有優(yōu)勢。
5結(jié)論
星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)是對地面固定/移動通信網(wǎng)的有效補(bǔ)充，是提供任何時間、任何地點(diǎn)通信的必要通信基礎(chǔ)設(shè)施。但是，建設(shè)星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)耗資巨大，有必要在建設(shè)之前進(jìn)行不同方案的成本分析，權(quán)衡需求與代價做出正確的決策。本文通過對星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)空間段和地面段的費(fèi)用估算，對比分析了不同軌道高度星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)的成本，并得出如下結(jié)論：如果56顆星(包括備用星)的LEO星座衛(wèi)星移動通信全球系統(tǒng)的效能高于15顆星(包括備用星)的MEO全球系統(tǒng)和4顆星(包括備用星)的GEO全球系統(tǒng)的2.5倍和1.6倍，則前者具有較高的經(jīng)濟(jì)效能，否則后者的經(jīng)濟(jì)效能將更好。
參考文獻(xiàn)
[1] 鄭碧月，胡金泉，王小駿.全球星衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)及其發(fā)展現(xiàn)狀.山東電子 2002年第2期
[2] Bruce R. Elbert, Patrice A. Louie, The Economics of Mobile Service by Satellite, Hughes Communications. Inc., AIAA-92-2056-CP
[3] 鄭林華等.衛(wèi)星移動通信原理與應(yīng)用.國防工業(yè)出版社 2000
[4] 吳詩其 馮鋼 胡劍浩等.移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能分析.國防工業(yè)出版社 2001
[5] Michael David Violet, The Development and Application of a Cost per Minute Metric'for the Evaluation of MobileSatellite Systems in a Limited-Growth Voice Communications Market, Massachusetts Institute of Technology, September, 1995
