基于低軌互聯網星座的衛星通信新應用分析

于杰 王玉云

摘 要：衛星通信作為航天技術系統中的重要組成部分，在現階段以低軌互聯網星座的形式呈現出來，在衛星通信領域應用極為廣泛。文章針對低軌互聯網星座技術展開論述，探究低軌互聯網星座技術的發展進程與現狀，深入分析低軌互聯網星座在衛星通信中的新應用，以此為相關研究人員提供參考。

關鍵詞：低軌衛星；互聯網星座系統；衛星通信；技術應用

0 引言

近年來，隨著衛星通信技術服務范圍不斷拓寬，全球衛星通信系統建設效率提高，逐漸成為推動數字化信息時代發展的重要引擎，同時也為構建低軌互聯網星座系統提供技術支持，加快實現全球衛星網絡全覆蓋目標，進一步提高衛星通信與網絡信息傳輸效率。

1 低軌互聯網星座概述

低軌互聯網星座系統由成百上千的低軌道小衛星組成，為地球提供互聯網接入服務，在消除對地衛星數字鴻溝方面應用廣泛，是實現全球互聯網通信衛星覆蓋布局的關鍵。就當前衛星通信行業發展狀況而言，低軌衛星互聯網技術已然成為全球通信衛星互聯網建設的新風口，全球科技信息通信行業巨頭紛紛涌入其中，衛星互聯網通信逐漸邁向激烈的競爭時代。以虹云星座、鴻雁星座、OneWeb星座、StarLink星座等低軌互聯網星座為主的互聯網通信衛星的發射，刺激和帶動了巨型低軌互聯網寬帶通信衛星星座的發展與進步，通過科技創新的形式，對衛星互聯網通信方式進行更新，在未來行業社會發展進程中，將成為衛星互聯網通信技術發展的新方向[1]。

2 低軌互聯網星座技術發展進程及現狀

低軌道衛星一般存在于對地遙感系統之中，在互聯網移動通信領域占據重要作用，信息數據傳輸受衛星軌道高度影響，低軌道互聯網衛星星座位置的確定，有效縮短信號傳輸時間，減少信號傳輸延時問題，在衛星運行期間，信號傳輸環境對信號的傳輸損耗較小，應用效果較好。隨著蜂窩通信、點對點波束、多地址頻率復用技術的推廣與應用，為低軌道衛星互聯網移動通信系統的建設與發展提供技術支持，將小型部件與輕型技術相結合，綜合考慮通信衛星的重量、成本、運行模式等問題，經過長期的探索和實踐工作，地軌衛星發射技術逐漸成熟，成為構建低軌互聯網星座系統的重要動力。

低軌衛星互聯網通信相較傳統的地面通信網絡而言，其造價成本更高，在普通民用領域應用范圍小，在衛星通信系統建設進程中，解決衛星通信網絡市場定位問題迫在眉睫，逐漸成為約束和限制低軌互聯網技術發展的關鍵因素。當前，全球衛星通信系統軌道均采用Leo模式，系統建設與完善的核心技術在創新與應用期間，存在明顯的復雜性特征，由于星載器件實用性能有限，整體動力不足，直接導致我國低軌衛星互聯網信號處理與交換技術研發陷入困境，全球衛星互聯網通信頻率協調目標難以實現，網絡荷載技術與核心控制技術研發滯后，嚴重影響低軌互聯網星座衛星通信網絡建設效果。

3 低軌互聯網星座在衛星通信中的新應用分析

3.1 目標優化設計

低軌互聯網星座在衛星通信系統建設中占主導地位，對系統整體建設目標進行優化設計，是解決通信衛星互聯網星座系統建設問題的前提。為此，相關人員通過深入分析衛星星座設計環節存在的具體問題，結合當前衛星通信市場上應用最廣泛的衛星通信技術，構建基本的衛星通信互聯網星座系統的基本模型，綜合考量多方面影響因素和約束條件，建立多目標優化模型，經過精準、嚴密的優化計算，生成系統建設目標數據庫，尋求低軌互聯網衛星通信技術網絡系統建設的最優方案[2]。

3.1.1 基本星座模型

針對低軌道衛星通信星座設計問題，其最終目的是獲取星座衛星數目與軌道衛星運行相關參數，充分考慮衛星位置對近地點、春分點、升交點位置產生的變化和影響，以此確定衛星中軌道參數，保證星座參數設計符合衛星數目分布特點，利用較為常見的Walker星座與Flower星座為基本模型，降低空間維數求解難度。

3.1.2 多目標優化模型

低軌道通信衛星星座系統構建期間，存在多目標約束問題，其本質問題在于系統內部各子目標之間的沖突性和矛盾性，要求技術人員通過多種方式和手段，對星座系統中多目標進行優化設計，構建目標優化模型，逐步滿足任務覆蓋量，降低軌道高度與通信仰角對軌道衛星互聯網通信服務能力覆蓋產生的不良影響。多目標優化模型包含多目標函數與諸多約束條件，通過目標函數精準反映本質性問題，綜合考慮通信衛星發射成本、技術研發進度、通信網絡系統維護成本等問題，建立滿足約束條件的衛星系統多目標優化模型。

3.1.3 約束條件分析

低軌道衛星通信星座模型中，星座覆蓋性能是影響衛星星座設計的關鍵，按照覆蓋范圍可以分為全球覆蓋和區域覆蓋；從時間覆蓋來看，主要分為連續覆蓋與間斷覆蓋；按覆蓋維度可分為單一覆蓋與多重覆蓋、模型構建過程中，需對系統建設約束條件進行分析，通過覆蓋帶法和網格設計法實現對衛星星座覆蓋情況的精準計算。

3.1.4 星間鏈路情況

低軌道通信衛星互聯網系統建設期間，衛星星座模型中存在靜態和動態兩種星間鏈路方式，根據不同覆蓋區域特定用戶的通信目標，在相鄰衛星之間建立星間鏈路，利用衛星通信系統向全球衛星互聯網通信系統用戶提供便捷的通信服務，在一定程度上緩解通信衛星區域覆蓋壓力，發揮實時通信功能，提高衛星通信效率和質量，推進衛星互聯網星座系統建設進程。

3.2 具體應用場景

基于低軌道互聯網星座的衛星通信系統，相較傳統衛星通信具備更加強大的通信功能，通信軌道呈現多樣化發展趨勢，通信終端綜合性能較強，在全球信號覆蓋方面具有明顯的應用優勢，對我國衛星通信自主信息系統建設提供必要的技術支持，在社會各行業、各領域內應用廣泛[3]。

3.2.1 在科考探險中的應用

低軌道衛星在信號傳輸中占據優勢，現代軌道衛星通信技術與互聯網衛星星座系統被應用于社會生活中的各個方面，在科學考察探險工作開展期間，科考探險研究人員利用衛星通信的方式，通過低軌道衛星通信星座進行寬帶連接，將科學考察分析得來的詳細數據信息經由低軌互聯網通信衛星傳輸至科學考察實驗室，通信衛星星座系統的應用，有效保證了科考數據的真實性和完整性，提高數據采集與傳輸的效率和質量，加快實現精準數據傳輸作業，為科學考察與實地調研工作提供技術支持。

3.2.2 在自然環境保護中的應用

衛星通信技術為我國部分邊遠地區自然環境保護做出巨大貢獻，以可可西里自然保護區為例，國家相關部門針對保護區開展生態環境保護與環境監測工作，通過建立衛星通信固定基站，利用低軌道衛星星座進行互聯網通信，充分發揮衛星通信技術在環境監測中的重要作用，已基本解決自然環境保護區通信卡頓、網絡延時、圖像不清晰等問題，實現衛星互聯網在邊遠地區的信號全覆蓋，自然資源和稀有物種盜獵事件發生概率大大降低，推動自然保護區生態環境的可持續發展。

3.2.3 在海上通信中的應用

地軌衛星互聯網星座系統在海洋運輸行業中，主要發揮衛星通信技術在船舶信息跟蹤、浮標監測、船舶自動識別等方面，在海洋運輸生產作業開展期間，為保證船舶安全運行，利用衛星通信技術，在船舶系統中增加海上網絡通信模塊，一旦出現航行線路有誤、船舶運行異常等情況，利用衛星互聯網通信功能，向陸上發射緊急救援信號，保證海洋運輸作業的安全性和穩定性。

3.2.4 在智能導航中的應用

地軌衛星互聯網通信技術在智能導航系統建設中應用效果較好，衛星通信項目逐漸成為未來智能生活布局中的重點發展方向，隨著無人駕駛、移動物聯網等新興產業的出現和發展，社會各行業逐漸加大對衛星通信技術的重視，將其與智能導航系統進行有機結合，通過衛星信號傳輸，綜合運用多種定位導航技術，實現多場景化的職能導航定位，對智能產業技術創新與發展提供必要的技術支持。

3.2.5 在衛星通信網絡中的應用

地軌衛星互聯網星座系統在衛星通信網絡構建過程中起到核心作用，以現代化5G移動網絡通信技術為依托，自主研發低軌寬帶通信衛星，采用Q/V通信頻段，平均信號傳輸速率可達10 Gbps，具備較強的透明轉發通信能力，通過建立星間鏈路的形式，將通信衛星進行信號連接，將5G移動網絡接入衛星星座系統，實現對海陸空的全信號覆蓋。

4 結語

綜上所述，地軌衛星互聯網星座系統建設，以衛星通信技術為基礎，通過對系統目標進行優化設計，構建通信衛星連接網絡，提高信號傳輸質量和效率，進一步推動社會各行業網絡通信技術的發展和創新。

[參考文獻]

[1]陳東，裴勝偉，韓紹歡，等.全球巨型低軌星座通信網絡發展特征與思考[J].國際太空，2020（4）：44-49.

[2]段佳.空間頻率和軌道資源分配規則研究—基于低軌通信衛星星座建設的視角[J].國際太空，2020（10）：42-47.

[3]沈大海，蒙艷松，邊朗，等.基于低軌通信星座的全球導航增強系統[J].太赫茲科學與電子信息學報，2019（2）：209-215.

（編輯 王雪芬）

Analysis of the new application of satellite communication based on low - rail Internet constellation

Yu Jie， Wang Yuyun

（Nanjing Panda Handa Technology Co.， Ltd.， Nanjing 210000， China）

Abstract：As an important part of the space technology system， satellite communication is presented in the form of a low - orbit Internet constellation， and is widely used in the field of satellite communication. This paper discusses low - orbit Internet constellation technology， explores the development process and status quo of low - orbit Internet constellation technology， and deeply analyzes the new application of low - track Internet constellation in satellite communication， so as to provide reference for relevant researchers.

Key words：low - orbit satellite； Internet constellation system； satellite communication； technology application