從銀河航天首發星在軌測試分析低軌寬帶衛星通信的優勢

李建成

[銀河航天（北京）科技有限公司，北京 100089]

0 引言

低軌衛星互聯網是通過一定數量的低軌寬帶通信衛星形成組網模式，旨在覆蓋全球，為部署在地面、海洋和空域的用戶終端提供寬帶互聯網數據接入服務，其具備覆蓋區域大、傳輸速率高、傳輸時延低、環境適應性好等優點。 2020年4月20日，國家發改委首次將衛星互聯網和 5G、工業互聯網等一起列入信息基礎設施，明確了建設衛星互聯網在新一代信息技術演進上的重大戰略意義。在 3GPP RAN主導的 5G NR（新空口）網絡標準中，非地面網絡（NTN）技術也將衛星和高空平臺作為重要的研究方向，已經有眾多參與方提交并形成了一系列重要的技術報告，并積極推進相關的技術規范制定工作。星地融合的通信時代已是漸行漸近。

銀河航天作為國內民營商業航天的獨角獸企業，在2020年1月16日成功發射首發星，該衛星是一顆低軌寬帶通信衛星。目前，該星已成功開展了近一年的星地通信聯試，完成了信關站信標跟蹤對比測試、衛星信道特性測試、通信業務呼叫流程以及相關的通信性能驗證等一系列測試用例，同時基于信關站和衛星用戶波束的覆蓋范圍，開展場景場地適應性測試，驗證了低軌寬帶衛星的通信能力，探索出一套行之有效的低軌衛星通信系統測試方法，為后續低軌衛星星座的建設提供了有力的測試 數據支撐。在此期間，銀河航天選擇了綿陽市北川縣山區（7月中旬）和唐山市曹妃甸濱海高濕度環境（9月中旬）進行了不同環境條件下的試驗，實測證明首發星的鏈路預算指標能有效對抗中雨、大霧等水汽環境，為用戶提供端到端的數據通信服務。本文結合銀河航天首發星通信系統在不同環境條件下的測試情況，分析了低軌衛星通信在帶寬、時延、覆蓋等方面的特點，并探討了低軌衛星互聯網在未來服務應用中的優勢。

1 衛星通信環境適應性

衛星互聯網的獨特性在于不受地面環境影響，因而成為災難應急、偏遠區域通信等場景下的重要選擇。隨著低頻段頻譜資源的日益擁擠，擁有更高可用頻譜帶寬的 Q/V/Ka頻段成為衛星空口使用的重要資源。然而高頻段信號由于頻率較高，在空間的損耗較大，受降雨、大氣中的水凝物以及大氣湍流等影響更為嚴重，降雨甚至可以引起高達 10 dB以上的信號衰減，導致信號中斷，進而影響通信系統的可用性等重要指標。有關雨衰的理論研究以及相關的試驗驗證較為復雜，美、英、日、意等國早在 20世紀70年代就開始結合本國氣候特點，利用輻射計法、雷達法、衛星信標法等，做了大量的實驗與理論研究，利用實驗實際的測試數據和統計方法建立了諸如 Assis-Einloft Improved、ITU-R等模型系統。為對抗雨衰帶來的影響，通常的做法是在原有鏈路計算的基礎上，引入鏈路余量，隨之而來的是設備配置等級、鏈路自適應動態運行與無線資源調度以及設備成本預算等一系列的問題。為了應對局部小范圍的高強度降雨而保留過高余量的做法，顯得極為不合理、不經濟。為探索合理的系統設計方法，銀河航天的工程開發人員在測試過程中積累氣象數據，并且選擇在濱海區域進行了降雨中及降雨后高濕度條件下的通信測試并取得成功。

圖1 信關站的氣象儀采集的氣象信息

就場地適應性而言，地面光纖作為傳輸網絡的重要媒介，可以光纖到戶，其優勢是通信帶寬大，其劣勢是在偏遠山區、海洋等區域鋪設受到地形地貌的限制，成本高昂。衛星終端能夠以固定、便攜、車載、船載或者機載等多種站型快速部署并提供服務，在部署成本和使用便捷性上優勢顯著。銀河航天在山區環境下開展的通信試驗很好地印證了這一點。

圖2 部署在綿陽市北川縣山區的固定式低軌衛星終端

承擔以上環境適應性通信試驗任務的銀河航天首發星，是中國境內首顆通信能力達 24 Gb/s的低軌寬帶通信衛星。

2 銀河航天首發星試驗系統

銀河航天首發星系統由在軌衛星、信關站、測控站、衛星終端和衛星運控中心組成，其中，在軌衛星使用 Q/V頻段信號與信關站進行連接，使用 Ka頻段信號與衛星終端進行連接。同時，衛星系統與多種制式的地面網絡實現對接連通，如 5G，LTE，GSM，Wi-Fi等，可開展各種星地融合網絡試驗。整個試驗系統全景如圖 3所示。

圖3 銀河航天首發星試驗系統全景

在濱海環境通信測試中，信關站位于北京市海淀區，衛星終端位于唐山市曹妃甸，臨近渤海灣，測試過程中用戶段區域有中等強度降雨。此次測試是國內首次利用在軌低軌寬帶衛星驗證高頻毫米波在雨區海洋等氣候環境下的通信能力。如圖4所示。

圖4 濱海環境通信測試

3 在軌測試分析

3.1 環境適應性

圖5為持續降雨條件下，在信關站采用頻譜分析儀按秒采集信標信號強度及信標鎖定情況。排除快速過頂時產生的 2個失鎖樣本點，在中雨條件下信標信號鎖定正常，滿足通信條件。

3.2 通信帶寬

圖6實測數據表明，在降雨條件下，衛星終端接收信號信噪比（信號與噪聲強度之比）依然能達到 20 dB左右，且保持穩定。參考 ETSI EN 302 307-2規范文檔中關于解調性能仿真結果，此信噪比可支持比較高階的編碼率，結合前向配置的信號帶寬（20 Ms/s），信息速率超過 80 Mb/s，足以支持現行大多數的衛星互聯網業務應用場景。

圖5 信標信號接收和鎖定指示

圖6 信號接收強度和信噪比（降雨條件下實測數據）

如圖7、圖8所示，在晴好天氣條件下進行的基于衛星鏈路的 5G基站回傳測試中，回傳鏈路數據吞吐量達到了 500 Mb/s以上。這一測試結果表明，銀河航天的低軌通信衛星在信關站和衛星覆蓋范圍內實現的大帶寬傳輸，可為 LTE或者5G蜂窩網絡提供衛星鏈路回傳，為現有的電信運營商提供了一個非常重要的選擇。

圖7 衛星終端接收情況（晴好天氣條件實測數據）

圖8 信關站接收情況（晴好天氣條件實測數據）

3.3 通信時延

如圖 9所示，在銀河航天首發星測試中，對通信時延進行了統計，典型值在 20 ms-40 ms，可與地面光纖相比擬。在長距傳輸的情形下，低軌衛星傳輸跳數相比地面光纖網絡更少，時延優勢將更為明顯。這一低軌衛星通信的重要特征，對于金融交易等對低時延有強烈需求的場景尤為重要。

圖9 通信時延實測結果

3.4 地域覆蓋

相比于地面通信基站，低軌星座天然具備廣覆蓋的特性，地面基站天線高度和低軌衛星軌道高度及覆蓋方式對比如圖 10所示。

圖10 地面基站與低軌衛星覆蓋對比示意圖

衛星的波束覆蓋范圍遠遠大于地面蜂窩基站，低軌衛星覆蓋寬，在滿足低容量密度區域的通信需求時具有優勢，地面蜂窩基站則可以用于覆蓋城市地區等容量密度需求大的區域。

銀河航天基于覆蓋的測試需求，以北京信關站為中心，在唐山（210 km左右）、石家莊（300 km）等多地開展了異地通信測試，為驗證信關站服務區域、服務時間、多區域連續服務能力以及可能的衛星工作模式提供了重要的試驗數據。圖 11為以信關站為中心的覆蓋區域示意圖。

圖11 以信關站為中心的覆蓋區域范圍

4 結束語

受益于火箭發射技術、衛星批產、 HTS高通量衛星等產業技術進步，低軌衛星通信星座正在迎來發展熱潮。憑借廣覆蓋、低時延、大通量和環境適應性強等顯著優勢，低軌衛星通信系統將獲得廣闊的發展空間。國內外正涌現出一批致力于低軌衛星系統建設的企業，衛星互聯網產業也將隨著衛星制造、測運控技術和星地通信等諸多技術突破，成為關鍵的基礎設施，為全球越來越多的用戶提供通信應用服務。