國外中低軌高通量通信衛星星座發展研究

劉悅 （北京空間科技信息研究所）

國外中低軌高通量通信衛星星座發展研究

Study of Foreign Low & Medium Earth Orbit High Throughput Communications Satellite Constellation Development

劉悅 （北京空間科技信息研究所）

近年來，隨著全球掀起星座“熱潮”，多家傳統或新興衛星運營商致力于打造全球高通量衛星（HTS）星座，為全球提供高速寬帶服務。自2004年全球首顆高通量衛星發射以來，經過10余年的發展，已經邁過了技術驗證、市場培育，正在向全球化和產業化方向發展。伴隨著全球移動互聯網的發展步伐，中低軌高通量衛星星座越來越多的出現，成為市場關注焦點，成為全球系統部署的重要解決方案之一。

1 概述

高通量衛星的概念于2008年由美國航天咨詢公司北方天空研究所（NSR）率先提出，將其定義為“采用多點波束和頻率復用技術、在同樣頻譜資源的條件下，整星的通信容量（簡稱通量）是傳統固定通信衛星（FSS）數倍的衛星”。高通量衛星概念由寬帶衛星演化而來，但與之有所區別。寬帶衛星以“運行在Ka頻段、大容量、提供寬帶互聯網接入”為特點，開辟了衛星互聯網接入的新業務，因此稱為“寬帶”。如今，產業界對于高通量衛星的概念逐漸達成共識，即“高通量衛星是以點波束和頻率復用為標志，可以運行在任何頻段，通量有大有小，取決于分配的頻譜和頻率復用次數，可以提供固定、廣播和移動等各類商業衛星通信服務的一類衛星系統”。

高通量衛星最基本的特征是多點波束和頻率復用。對比傳統固定通信衛星的寬波束，點波束的覆蓋范圍僅為300～700km，寬波束的覆蓋范圍在2000km左右。采用點波束的通信衛星的優勢在于通過減小天線波束的孔徑角，帶來衛星天線的增益提高，實現不同波束之間頻率的復用，提高衛星系統的通量。

一直以來，衛星運營商大多選擇部署地球靜止軌道（GEO）衛星，率先進行技術和市場驗證，之后增加衛星數量以擴展業務能力。如今，越來越多的商業航天企業計劃部署中低軌衛星星座，尋求全球范圍內的服務能力。例如，歐洲的另外三十億人網絡公司（O3b Networks）部署中軌星座系統，美國的一網公司（ONEWEB）、太空探索技術公司（SpaceX）和低軌衛星公司（LEOSat）計劃部署低地球軌道（LEO）衛星星座系統。

2 國外典型中低軌高通量星座系統

從2004年首顆高通量衛星發射以來，截至2016年底，國外共計發射了56顆高通量衛星，其中GEO衛星占絕大多數，為44顆，還有28顆GEO高通量衛星在研。高通量衛星中低軌星座部署目前只有O3b星座，在軌12顆衛星，并有8顆衛星在研，O3b公司表示2016年還將新增44顆衛星。此外，一網公司、太空探索技術公司、加拿大電信衛星公司（TeleSat）、低軌衛星公司等運營商計劃部署低軌高通量衛星星座，在研衛星數量達到上千顆。

高通量衛星星座O3b衛星星座

歐洲O3b衛星系統是目前全球唯一在軌的高通量星座系統，運行在中圓軌道（MEO），軌道高度8060km× 8072km，傾角0.03°，周期287.93min/s，地面站單顆衛星的可見時間約45min，為全球45°（S）～45°（N）的區域提供高通量衛星通信服務，擴展服務的覆蓋范圍為62°（S）～62°（N）。

O3b衛星系統目前由12顆MEO衛星組網，其中10顆工作星，2顆在軌備份星，工作在Ka頻段。2015年，又額外簽訂了8顆衛星訂單，預計2018年發射，主要用于增加在軌容量，提高保密性，降低干擾。2016年，O3b公司向美國聯邦通信委員會（FCC）申請了3個星座的許可：第一個申請是對現有8顆新增O3b衛星的申請，O3b公司希望將8顆改為12顆衛星；第二個申請是希望發展一個由最多24顆Ka頻段衛星組成的星座，稱為O3bN，同樣運行在MEO軌道；第三個申請是發展一個由最多16顆Ka頻段衛星組成的星座，運行在傾斜軌道和軌道高度為8062km、傾角為70°的軌道。該星座稱為O3bI，將會位于2個軌道面，每個軌道面有8顆衛星。O3bI星座將會把當前63°（S）～63°（N）之間的覆蓋服務擴展到全球覆蓋。

O3b衛星采用“擴展壽命平臺”（EliteBus），該平臺繼承自“全球星”（Globalstar）二代衛星。O3b衛星發射質量約700kg，設計壽命10年，功率15kW。衛星采用透明轉發有效載荷，載有12臺Ka頻段轉發器，帶寬最高可達20MHz。

星上載有12副天線，其中10副天線用于用戶波束，2副天線用于信關站波束，波束尺寸720km。衛星采用靈活有效載荷設計，每個波束均為可移動波束，單個波束既可以分別覆蓋不同的服務區域，也可以疊加在一起，用于同一覆蓋地區獲得更高的容量，O3b衛星單個用戶波束前向和反向鏈路的帶寬各為216MHz，總帶寬為432MHz，單個波束的容量最高可擴展至1.6Gbit/s。

O3b衛星采用處理類有效載荷，支持同一波束內的“環回”（Loopback）。同一波束覆蓋內用戶之間可以實現單跳通信，用戶可以部署任意的地面平臺，并且能夠選擇適合的網絡拓撲（例如星狀網、網狀網、分布式星狀網）。衛星采用開放的系統架構，使得用戶可以按需選擇數據速率和網絡容量，以及網速共享或專享的使用方式。

O3b衛星還支持不同波束間的“鉸鏈”（Crosslinked），即同一衛星間不同波束間的單跳通信。1顆O3b衛星最多可支持4個波束間的鉸鏈，對于系統的軍事應用意義重大。軍用終端可以繞過O3b公司的信關站與軍用信關站直接通信，保證通信的安全性。

O3b系統主要面向集團級用戶，提供干線傳輸和蜂窩電話回程、企業網絡和海事業務，未來還將提供軍用衛星通信業務。O3b公司提供的干線傳輸服務下行速率650Mbit/s，上行速率600Mbit/s，終端天線口徑4m；蜂窩電話回程服務下行速率20Mbit/s，終端天線口徑1.8m；海事服務下行速率400Mbit/s，上行速率150Mbit/s，終端天線口徑1.2m。

其他在研的低軌星座

繼O3b星座之后，涌現了多個衛星星座計劃在研。一網公司計劃部署一個低軌高通量衛星（LEOHTS）系統，由650顆工作星組成，容量約5Tbit/s，運行在Ku頻段，為偏遠地區提供互聯網接入服務和個人消費類服務；低軌衛星公司關注企業級通信服務，計劃為大型通信、能源企業提供服務；太空探索技術公司計劃發射4425顆衛星，為消費者、企業和政府機構提供寬帶和通信服務。此外，加拿大電信衛星公司、空間諾威公司（Space Norway）、開普勒通信公司（Kepler）也宣布了類似的星座計劃。

計劃部署的中低軌高通量衛星星座

這些低軌星座大多在2020年前完成部署。其中，只有一網公司獲得了國際電信聯盟（ITU）的頻率軌位授權。根據國際電信聯盟的要求，2020年前將會完成星座部署，2016年，一網公司和空客防務與航天公司（ADS）合作，在美國建立衛星制造工廠，首批10顆衛星在法國研制，之后的衛星均在美國的工廠完成。其他星座系統目前還在進行頻率軌位協調。

3 中低軌星座系統的優勢與風險

優勢

（1）信號傳輸時延的優勢

中低軌高通量衛星星座系統的優勢主要體現在時延方面。對于1顆GEO高通量衛星，傳輸時延在250ms左右，無法滿足地面交互式通信需要；MEO衛星的傳輸時延為150ms左右，主要適用于干線傳輸和蜂窩回程等應用；LEO衛星的傳輸時延僅為30～50ms，已經與地面通信手段較為接近（無線蜂窩通信的傳輸時延為10～50ms，光纖的傳輸時延為10～20ms）。

（2）更具性價比的容量使用成本優勢

GEO衛星一般是小型運營商或運營商作為高通量衛星市場驗證的選擇，先通過部署1顆衛星覆蓋容量需求較為密集的地區，有了一定的用戶基礎和商業模式之后向區域和全球覆蓋方向逐顆衛星進行擴展，投資風險較小，但單顆衛星容量有限，如今在軌的高通量衛星單顆衛星容量大多在數百吉比特每秒左右，限制了市場的發展。而中低軌星座一旦入軌，星座容量在太比特每秒級別量級，可大大降低用戶的容量使用成本，擴大了用戶群。

風險

（1）衛星星座設計風險

衛星的軌道高度越低，單顆衛星覆蓋范圍就越小，要求組成星座的衛星就越多，軌道設計也更復雜（需要包含傾斜軌道面和極軌道），衛星會在極地上空停留更長時間，地面終端需要做更多的信號切換，同時加大了地面終端的設計難度。假設固定接收終端的天線口徑為30cm，仰角15°，天線的覆蓋區內有數個子波束，當衛星飛行經過，天線在每個波束之間大約45s就需要切換1次。如果考慮到衛星處在不同的軌道面，終端設計更加復雜。

（2）現有發射能力風險

以“一網”衛星發射為例，該星座如果從2017年底開始發射，到國際電信聯盟授權的頻率軌位到期前（2020年）完成，需要在2～3年內完成900多顆衛星的發射（650顆在軌衛星+備份星）。20世紀90年代擬發展的“泰利迪斯”（Teledesic）系統，為了解決發射能力不足的問題，曾提出要用蘇聯的洲際彈道導彈發射衛星。從全球發射市場的容量來看，現有的衛星發射能力不能滿足未來幾年衛星互聯網星座的發射需求。過去5年，全球每年大約發射200多顆衛星，但從2017年起，由于OneWeb星座發射啟動，待發射衛星數量猛增至300～400顆，大大超過了發射服務提供商的發射能力。

（3）低軌惡劣空間環境的考驗

地球的外層空間位于700～10000km高度有2條高能質子輻射帶，即范·艾倫輻射帶。低軌衛星在變軌的過程中，需要頻繁穿越高能質子輻射帶，會對衛星的電子系統正常工作造成很大影響，因為對衛星抗輻射能力提出了很高的要求。同時，還會存在與微流星體和軌道碎片碰撞的風險。2009年，俄羅斯宇宙－2251（COSMO－2251）衛星與銥－33（Iridium－33）衛星在790km的軌道高度發生碰撞，2顆衛星相撞造成的空間碎片成百上千，碰撞低軌衛星的概率很大。此外，低軌星座衛星數量眾多，退役后一旦成為新的太空垃圾，將會對后續衛星產生很大影響。

（4）巨額資本投入風險

對于一個非地球同步軌道（NGSO）高通量衛星系統來說，關鍵問題在于要想實現全球覆蓋，必須部署一個星座，并且要想實現連續覆蓋，星座的每一顆衛星都必須發射（提供連續覆蓋的衛星數量取決于衛星的軌道高度，軌道高度越低，所需的衛星數量越多）。從部署成本來看，1顆NGSO高通量衛星星座加上發射成本，至少需要約20億美元，而1顆GSO衛星的部署成本是1.5億美元左右。同時，運營商部署1個星座需要的時間成本（3～4年或更多）對該公司的現金流也是一個考驗。此外，LEO衛星的壽命一般較短，因而衛星的替換也將更為頻繁（LEO衛星的設計壽命一般是5～7年，GEO衛星一般是15年）。

4 總結與啟示

從國外近幾年的發展情況來看，高通量衛星系統在降低容量使用成本方面具有巨大優勢，是衛星通信領域重要的發展方向。從國外主要高通量衛星運營商的發展計劃來看，建設面向全球的高通量衛星系統是大勢所趨，GEO星座和中低軌星座均是運營商的重要選擇。從國外的發展經驗來看，GEO高通量衛星系統由于前期部署成本較小，較為適宜系統部署前期、市場需求較小、盈利模式不清晰的市場；而中低軌系統由于單顆衛星部署成本較低，衛星數量龐大，系統容量較高，對于全球覆蓋具有巨大優勢，同時顯著降低用戶的容量使用成本和傳輸時延，在商業模式和服務模式方面易于推陳出新，是最符合成熟市場或市場潛力較大的解決方案。此外，以國際通信衛星公司（INTELSAT）為代表的衛星運營商已經提出了GEO+LEO的發展思路，多軌道系統結合也將是未來發展趨勢之一。

中低軌星座的部署既有優勢，又有風險。對于衛星運營商而言，沒有“一站式”的解決方案，必須根據自身的實際情況，特別是擬投入的資金規模、轉發器使用潛力、提供的業務類型、市場發展階段等因素，設計符合現階段需要的高通量衛星系統。