低軌通信衛星星座的建設與構想

張有志

摘要：隨著航天產業的發展，基于低軌星座的通信、導航、遙感等方面的應用規劃方案日益增多，尤其是通信衛星星座的建設炙手可熱，而我國由于受限于特殊國情和國際政治環境等因素，在低軌通信衛星星座方面發展緩慢。鑒于此，在對比和總結國外各類低軌通信衛星星座的構成和發展演進情況基礎上，提出了低軌通信衛星星座系統的建設和發展方向建議，并對星座建設過程中可能存在的一些問題進行了簡要論述。

關鍵詞：低軌通信星座；星座建設；多功能融合；天地一體化

中圖分類號：TN927文獻標志碼：A文章編號：1008-1739（2020）17-70-4

0引言

相較于地球同步軌道上的通信衛星，研發和部署位于低地球軌道上的通信衛星有著諸多優勢，例如軌道高度降低帶來的低通信時延，以及衛星體積和重量降低帶來的低研發成本和低發射部署成本等優點。目前，國內外低軌衛星星座系統的建設工作在如火如荼地開展，且多集中在通信系統領域。早期的低軌通信衛星星座系統充分利用衛星覆蓋不受地理和距離限制的特點，主要用于滿足地面移動通信網絡不發達地區，以及空域和海域作業時的個人移動通信需求服務等。

近年來，隨著互聯網的發展和地面通信網絡的建設，低軌衛星在寬帶接入、導航增強和衛星物聯網等領域的應用也在不斷探索和發展。我國低軌衛星通信由于受到國內發達地面移動通信系統的挑戰，以及國際關系和地緣政治等因素的影響而發展緩慢。面對如今寬帶通信的快速發展，從滿足人民日益增長的美好生活需要和國家戰略安全考慮，亟需加快我國低軌通信衛星星座的建設和發展。

1低軌通信衛星星座發展現狀

1.1典型通信衛星星座的發展

上世紀末和本世紀初，國外涌現了一批低軌通信衛星星座系統，典型的包括銥星（Iridium）、軌道通信（ORBCOMM）及全球星（GlobalStar）等。以銥星為例，1987年在汽車電子和通信電子領域處于絕對領先地位的摩托羅拉公司，正式提出了在太空建立銥星系統進行全球網絡覆蓋的概念，于1998年完成建設并開始運營。設計出發點正是基于地面微波基站覆蓋密度低，移動電話通信質量差。銥星系統作為地面通信網絡的補充，實現了“把地面基站搬到天上”的創新性操作。但由于該系統完全為語音通信而設計，僅能提供2.4 kbit/s的窄帶低速數據傳輸服務，并且衛星通話的掉話率高達8%[1]，同時，高昂的使用費無法切中用戶使用痛點，以至于運營不到一年便宣告破產。

而隨著近年來地面通信網絡的蓬勃發展，以及由此帶來的技術水平飛速提升和通信需求不斷更新，這幾個典型低軌通信星座系統又重新煥發出了新的生命活力，通過繼承和改造原有系統，均適應性地開發出了二代衛星系統，并借著成熟的衛星制造業和火箭發射服務而迅猛發展，又由于在頻率、軌位以及星座構型等方面的繼承性[2]，使得這些系統先天具有先發優勢，尤其是在低軌通信衛星的軌道和頻率資源競爭愈發激烈的今天，顯得尤為重要。

1.2新型通信衛星星座的發展

隨著商業航天的蓬勃發展，以及互聯網應用服務的普及和應用領域的拓展，國際上又涌現出了一批像一網（OneWeb）、星鏈（StarLink）及通信衛星（Telesat）等新興的低軌通信星座計劃。相較于傳統航天產業，這類商業公司運作的星座系統通常衛星體積較小，質量較輕，衛星研制生產成本降低的同時，還采取一箭多星的發射方式降低發射成本。這些系統主要用于開展面向個人和企業的高帶寬低時延的互聯網接入服務，以及面向全球用戶的低成本、大連接量的物聯網服務。這些星座系統中的佼佼者當屬太空探索公司的星鏈計劃，自2019年5月發射第一批星鏈衛星起，截至2020年8月SpaceX以一箭60星的方式，已經發射了10批共600余顆星鏈衛星，一躍成為全球擁有在軌衛星數量最多的公司，而根據SpaceX公司CEO馬斯克的表述，星鏈服務最初將在2020年提供給加拿大和北美客戶，并在2021年進一步擴大服務范圍至世界其他地區。

2低軌通信衛星星座建設

2.1衛星星座空間系統構成

2.1.1衛星星座構型

衛星運行的軌道參數稱為軌道六根數，其中軌道半長軸和偏心率決定了軌道大小和形狀，軌道傾角、升交點赤經和近地點幅角決定了軌道在空間中的方位和指向，真近點角決定了衛星在軌道上的位置，6個參數共同決定了某一時刻衛星在空間的位置。

衛星星座是由按照某種規則分布在預定軌道上的多顆衛星組成的系統[3]，通常這些衛星功能相近或相同，軌道的半長軸、偏心率和軌道傾角也相同，升交點赤經的個數即為組成星座的軌道面個數，升交點赤經相同的衛星在軌道面內以不同的近地點幅角和真近點角區分。典型的星座構型有Walker傾斜軌道星座和近極軌道星座等[4]，2種星座構型各有特色。

例如全球星星座（GlobalStar）和GPS導航衛星星座系統均采用Walker傾斜軌道星座，這些星座具有節點衛星分布均勻的特點[5]，其空間構型具有極強的對稱性，且更適合用于對中低緯度地區的覆蓋；采用近極軌道星座構型的系統包含Iridium和OneWeb等星座，對兩極地區具有良好的覆蓋性，并且在這種構型下星座中相鄰軌道之間（除反向縫外）的衛星相對運動變化比較緩慢，更容易建立穩定的異軌星間鏈路。

2.1.2衛星軌道參數

通信衛星星座系統主要有軌道高度低、軌道傾角高的特點。國際上現有的通信衛星星座系統大多分布在軌道高度為550～1 500 km的低軌空間范圍內，充分利用衛星通信距離短、傳輸時延小的優勢，相較于運行在約36 000 km高度軌道上的通信衛星，一跳通信傳輸時延（終端—衛星—終端）可由240 ms降至10 ms，極大地提升了用戶的使用體驗[6]。

現有通信衛星星座系統的衛星運行軌道也多為傾角大于70°的高傾角軌道，并且有較多星座系統采用近極軌道，例如OneWeb的衛星運行在87°傾角軌道上，以及Telesat的衛星運行在99.5°傾角軌道上，這樣可以利用軌道的高傾角滿足星座對南北兩極的覆蓋，最終實現對全球范圍的寬帶服務或者移動通信服務。

針對星座的服務性能，由于新興低軌通信星座系統的衛星規模較大，數量眾多的通信衛星在提高星座對地面某地覆蓋重數的同時，也使地面終端可以靈活地選擇通信條件最好的衛星接入，這樣間接提高了地面終端的通信仰角，例如銥星系統的地面仰角為8.3°而星鏈系統的地面通信仰角可達40°，這樣可以避免在通信過程中受到樹木或建筑等的遮擋影響，提升了系統的服務質量。

2.1.3星間鏈路

星間鏈路是同軌道面內相鄰2顆衛星之間，以及異軌道面內2顆衛星之間建立的通信鏈路，使多顆在軌衛星形成以衛星為交換節點的空間通信網絡，實現衛星之間的信息傳輸和交換。星間鏈路屬于無線鏈路，例如銥星系統采用微波星間鏈路而星鏈系統則采用激光星間鏈路，目前微波傳輸的最高速率是1 Gbit/s級，而激光鏈路的傳輸速率可達到10～40 Gbit/s，更適合空間寬帶組網需求[7]。由于OneWeb星座沒有配置星間鏈路，每顆衛星都配有一個彎管有效載荷，采用透明轉發工作模式，只能在用戶和地面站同時位于衛星視線（LOS）范圍內的區域提供服務，若考慮500個關口站時，與無星間鏈路相比，增加星間鏈路可能會使總系統容量增加33%[8]，但系統配置星間鏈路的同時也要求衛星具備星上處理以及星間交換的能力，增加設計衛星的復雜性。

通過對現有通信星座星間組網狀態以及應用需求分析，未來在星座內配置星間通信鏈路將勢在必行。這樣可以減少低軌通信衛星星座運行對地面信息網絡的依賴性，從而為全球范圍內的各類應用提供更加靈活可靠的通信及寬帶接入等多種服務。尤其是激光通信鏈路的建立，將極大提高星間的數據傳輸速率，增加系統寬帶組網的通信容量，而且不存在頻譜資源和頻率干擾等方面的問題[7]。不僅如此，激光通信載荷還具有體積小和重量輕的特點，便于整星結構的布局優化，更適應多星發射需求。

2.2系統建設意義

衛星通信可實現遠距離的話音、數據、圖像傳輸及合作對象信息采集等業務功能，是通信和信息監聽的重要手段，隨著國家戰略利益的不斷拓展，對建立覆蓋全球的通信網絡提出了強烈需求，迫切需要建立我國自主控制的低軌通信衛星星座系統。具備全球服務能力不僅可以為用戶在航空航海、地球南北極等地面通信網絡覆蓋盲區活動提供通信支持，還對我國在全球范圍內的維和維權、國際救援和科學考察、資源運輸等活動具有重要意義[9]。斯諾登棱鏡門事件、汶川地震事件、馬航客機事件、新冠疫情事件等自然和社會事件的發生，使相關部門重新審視我國在信息安全、信息監視及應急服務等領域的應對和保障能力，建立一個自主控制的全球安全信息通信網絡對國家至關重要。

此外，低軌衛星星座系統的建設，還將刺激國內在芯片、材料、工藝、產業結構等基礎領域的創新和發展，尋求新的技術突破。對商業航天及傳統航天企業在管理和技術等方面也提出了更高的要求，大批量航天產品的生產、測試和驗收，以及衛星快速發射、星座運維管控等需求均對傳統航天產業帶來了機遇和挑戰。

2.3系統建設制約因素

隨著國內外低軌星座的建設增多，低頻段頻譜資源有限的狀態將會突出低軌之間的頻率資源協調問題，采用Ka頻段通信的低軌衛星系統還會涉及到與同步軌道衛星在頻率資源方面的沖突，因此在低軌星座設計時，除了要搶占低軌部署先機，還必須充分考慮頻率的共用或干擾規避問題。解決這些問題一方面，可以充分利用頻率復用技術來實現大的系統容量[10]；另一方面，針對高軌衛星需要采用一定的干擾規避策略，例如OneWeb衛星在赤道附近上空采取的漸進俯仰技術[11]。

不同于遙感衛星星座只需幾顆星即可開展應用服務，由于較強的實時性和連續性要求，低軌通信衛星星座系統提供各類應用服務的核心在于必須部署一個較為完整的星座，實現對全球或特定區域的連續覆蓋。星座的規模、單顆衛星的造價、發射成本、星座備份及星座運營等都需要大量的經費。相對于高軌衛星，低軌衛星的壽命較短，星座系統的技術更新和迭代也更為頻繁，而用戶終端價格和使用費用也將成為用戶規模擴大的阻礙。因此在建設初期需要有大量社會資本的注入，以及國家財政和政策的支持引導。

3低軌衛星星座通信應用構想

3.1市場前景

隨著衛星互聯網正式被納入新基建，預計2020年我國市場規模將超800億元。低軌衛星星座要健康平穩的運行，一方面需要有完備的產業鏈，包括衛星制造、衛星發射、地面基站及終端設備及衛星運營服務等環節；另一方面必須依賴于巨大的用戶市場，這就需要深入挖掘傳統地面領域的移動通信和寬帶接入市場潛力，積極開拓物聯網、公共安全及信息普惠等領域的市場。其中，物聯網被看作是低軌星座應用的藍海，在物流管理、交通運輸、能源通道安全、防災減災及區域安防等領域，采用基于低軌衛星的物聯網系統將是最優的技術手段。

3.2主要應用需求

低軌衛星星座系統是典型的前期高投入、后期高收益的巨大工程，在應用需求方面，主要有移動通信、衛星廣播、寬帶通信及信息采集等。從目前的行業形勢來看，主要的應用需求如下：

①政府應急救災：在地震、洪水、疫情等災害應急過程中，利用低軌衛星系統的全覆蓋以及重點區域集中覆蓋特點，能夠快速響應，為災區及時提供同外界的通信服務，并為相關部門提供數據采集、數據傳輸等服務，盡快掌握災情動態從而依次進行決策。

②信息普惠：低軌衛星星座能夠為偏遠地區以及高原山區等地的分散人口提供數據通信和網絡接入服務，相比于鋪設光纜或微波中繼所需的大量人工、基建和維護費用，用無線方式接入低軌衛星系統更為高效和便捷。

③海洋及民航應用：可用于船只、民航飛機的航標信息采集，特殊情況下輔助遇險搜救工作的開展，向用戶提供航行中的移動通信及寬帶接入服務等。

④公共安全：能夠為公安、武警（維穩、反恐、緝毒、邊防和消防等）、海關和交警等提供面向公共安全的通信保障、目標監視、信息采集等服務。

⑤物聯網應用：可用于野生動物保護、科學考察、市政公共設施監控管理、農業園林監視管理、智慧交通、物流等物聯網應用。

3.3發展趨勢

未來的低軌衛星星座將作為一種基礎設施服務于生活的每個角落，正如在使用地面網絡時不會感受到基站的存在一樣，衛星星座中的每一個衛星都將充當“空中基站”的角色，只不過功能要更加豐富和強大。首先，在傳統移動通信服務基礎上，高帶寬大容量的移動互聯網服務將是主流應用服務，并且需要在此基礎上積極開展星地一體化移動通信系統的設計與實現，特別是與地面5G網絡的連接。低軌衛星星座系統可利用其全球覆蓋的特性彌補地面5G網絡通信覆蓋不足的短板，同時5G網絡的更高傳輸速率，亦可提升低軌星座系統的用戶體驗。

其次，隨著我國北斗衛星導航系統的建成與開通，衛星定位服務應用將越來越廣泛。通信、導航、遙感等多種功能的異構衛星和衛星網絡以及地面網絡設施之間，通過衛星自主管理、高速星間鏈路，高低軌協同組網等技術組成的“天地一體化”網絡，將形成一個廣域覆蓋與熱點地區覆蓋相結合的信息傳輸與分發網絡，能夠全方位立體化地獲取信息，并結合大數據和云計算等技術更好地實現未來全球性、綜合型、網絡化的信息服務與應用。

4結束語

互聯網產業的飛速發展和通信技術的不斷創新，給每個人的生產和生活都帶來了翻天覆地的變化，未來低軌通信衛星星座系統的建成也將會極大提升互聯網的用戶體驗，擴大應用邊界，使人民的生活再上一個臺階。但在看到衛星星座系統美好應用前景的同時，也要深刻認識到國內在基礎制造等領域與國外的差距，仰望星空的同時還要腳踏實地，努力提升基礎制造能力，并保證技術的自主可控[12]。

參考文獻

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