巨型低軌星座頻率軌道資源趨勢分析及啟示建議

袁俊，鮑曉月，孫茜，彭菲，張馨予

（1.中國空間技術研究院通信與導航衛星總體部，北京100094；2.國家航天局衛星通信系統創新中心，北京100094）

1 引言

近年來隨著大量巨型低軌星座的相繼部署，低軌衛星的頻率軌道資源分配問題日益嚴峻。為此，國際電聯陸續出臺了若干針對低軌星座頻率軌道資源的規則和建議書，包括里程碑計劃、與地球靜止軌道衛星的協調機制等。與此同時，我國正加緊步伐，諸多國企和商業航天公司紛紛加入低軌星座頻率軌道資源的國際申報工作中，為最大程度爭取、維護我國太空權益奠定基礎。隨著相應工作進展到一定程度并取得了一些進展，本文從全局視角，結合當前全球低軌星座系統建設現狀及頻率軌道資源態勢分析，再次審視我國在巨型低軌星座領域中的頻率軌道資源態勢，嘗試梳理我國在下一步發展中面臨的具體問題，以期獲得新的啟示，并作為下一步工作的借鑒和參考。

2 全球低軌星座系統建設現狀及頻軌資源態勢分析

2.1 發展現狀概述

隨著通信衛星和衛星通信新技術的突破、5G時代的推動、智慧城市的發展，對衛星通信大容量、低延時的強烈需求將低軌星座系統推向了高峰。目前已有10余家國內外公司提出建設大型衛星星座，旨在為全球用戶提供廣覆蓋、低延遲、高可靠性的寬帶網絡接入。截至2021年2月，全球在軌衛星數量約為3373顆，其中約2624顆衛星運行在低地球軌道 （LEO，距離地球表面120～2000km）上，占比超過77.8%［1］。與此同時，各大巨型低軌星座公司，如SpaceX、Oneweb、Telesat等，都在積極申報、協調、獲取頻率軌道資源，甚至快速部署衛星入軌，加速全球衛星互聯網市場布局。表1對國際主要低軌星座建設基本信息進行了匯總。

表1 國際主要低軌星座建設基本信息匯總［2］Table 1 Basic information on the construction ofmajor international LEO constellations

由表1可以看出，各主要低軌巨型星座系統在頻率軌道資源的選擇上基本形成了比較一致的觀點，主要包括：

在軌道特性上，大多數星座計劃選擇2000km以下低軌軌道，低軌道高度可以有效減少通信時延，滿足大多數實時網絡業務的QoS服務，也可提高規避通信干擾，但由于低軌衛星過境速度較快，覆蓋一定面積的有效時間較短，因此需要大量部署衛星，從而實現全天全球覆蓋；O3b和OneWeb MEO星座更傾向于選擇中軌道 （MEO）高度，大致在8000～12000km左右，減少了星座體系的衛星數量，在單星覆蓋范圍和通信時延方面進行了折中處理。

在頻段特性上，大部分衛星使用Ku、Ka頻段作為主要業務頻段，并在Q／V頻段上尋求突破，部分星座采取了Ka頻段和V頻段作為星間鏈路，其中SpaceX等星座還廣泛采用了激光星間鏈路，可以看出O3b、OneWeb、SpaceX為代表的的中低軌星座系統的發展較為迅速，其中以One-Web、SpaceX最為顯著。

在頻率軌道資源國際申報上，各主要星座系統均采用了多輪次迭代申報的策略。以SpaceX和One-Web為例，SpaceX截至目前，通過數次多份網絡資料的申報，已向國際電聯申報了累計多達42000顆衛星的網絡資料，OneWeb在初期提出了720顆LEO衛星后，也通過修改和補充申報其衛星網絡資料，不斷更新其星座規模和后續發展路線［3，4］。

由于頻率軌道資源開發工作受頻率軌道特性及國際相關規則的約束和影響較大，下節將從頻率軌道特性和相關國際規則兩方面入手分析低軌星座頻率軌道資源工作的趨勢。

2.2 低軌星座系統頻率軌道資源特點及趨勢

2.2.1 頻率軌道特性

根據上述國際主要非靜止軌道 （NGSO）星座系統衛星網絡用頻設計來看，目前絕大多數低軌星座系統集中使用的主要業務頻段包括：L頻段、Ku頻段（13.75～14.5／10.95～11.2，11.45～11.7，12.2～12.75 GHz）、Ka頻段 （27.5～31／17.7～21.2 GHz）、V頻段 （37.5～51.4GHz）及E頻段 （66～86GHz）。考慮到L頻段穿透力強、穩定性高等特點，一直是空間及地面的熱門頻段，其配對劃分和應用情況主要分為以下三個：1610～1626.5MHz／2483.5～2500MHz、1626.5～1660.5MHz／1525～1559MHz、1668～1675MHz／1518～1525MHz，其中 1668～1675MHz／1518～1525MHz該段分配是我國低軌衛星系統主要考慮使用的L頻段。因此，本文以下部分主要針對L頻段 （1668～1675／1518～1525MHz）、Ku頻段 （13.75～14.5／10.95～11.2，11.45～11.7，12.2～12.75 GHz）、Ka頻段 （27.5～31／17.7～21.2 GHz）、V頻段 （37.5～51.4GHz）及 E頻段（66～86GHz）這五個頻段的申報使用情況展開討論，針對申報的NGSO衛星網絡資料在軌道高度、申報階段、申報數量，從用頻設計和軌道設計這兩個方面進行統計分析。

截至2020年1月，根據國際電信聯盟（ITU）公布的衛星網絡資料申報數據顯示，共有225份NGSO寬帶星座衛星網絡資料，所涉及的衛星總數多達215531顆［5］。整體來看，從全球NGSO寬帶通信類衛星網絡申報數量可以發現，Ka頻段和低軌道 （500～2000km）的衛星網絡資料數目最多。

從頻段設計的角度可以看出 （見圖3），更高頻段的寬帶衛星星座已逐漸成為發展趨勢，Ka頻段是各國主管部門最為青睞的主用業務頻段，衛星網絡申報數量位居第一，V頻段的申報數量緊隨其后，值得我們關注的是，V頻段衛星網絡所包含的衛星總數排名第一，衛星數量總數多達89178顆，即申報使用V頻段的衛星星座規模最為龐大 （見圖1）。此外，部分星座還采用Ka／V頻段的星間鏈路和激光星間鏈路。

圖1 NGSO寬帶通信類衛星頻段分布占比Fig.1 Frequency band distribution of NGSO wideband communications satellites

圖2 NGSO寬帶通信類衛星軌道分布占比Fig.2 Orbit distribution of NGSO wideband communications satellites

圖3 各階段NGSO通信類衛星網絡頻率分布統計Fig.3 Frequency distribution of NGSO communications satellite networks in different phases

從軌道設計的角度可以看出，低軌道 （500～2000km）申報的衛星占比最高，是中軌道的兩倍 （見圖2），其中低軌道中Ka頻段較其他頻段相比，網絡規模明顯要大很多，低軌衛星互聯網星座在覆蓋范圍、填補數字鴻溝、網絡時延、系統容量等方面能力優勢明顯，用戶終端設備更易實現小型化、手持化；中軌道 （2000～20000km）申報的衛星總數中V頻段占主要業務頻段，其星座規模普遍小于低軌道星座，但單星重量通常較低軌道衛星更大，載荷能力也相應提升；極少數星座選擇極低軌道 （小于500km）（見圖4）。

圖4 各頻段NGSO衛星網絡軌道分布情況統計Fig.4 Orbit distribution of NGSO satellite networks in different frequency bands

2.2.2 相關國際規則的應對

（1）里程碑政策

在2015年的世界無線電通信大會上，很多國家提出國際電聯的現有規則 “1顆衛星在軌即投入使用整個星座網絡”，對于各國大量申報的包含幾百甚至幾千顆衛星的NGSO衛星星座來說是對規則的濫用。因此，國際電聯通過2015年至2019年周期內的研究，制定并公布了新的規則條款，對NGSO星座的 “投入使用”定義加以限制，決定包括：任何NGSO星座，在第一份衛星網絡資料申報后的7年內，應至少發射一顆衛星并按規定將衛星網絡激活；對于使用Ku、Ka和Q／V頻段的固定衛星業務 （FSS）、廣播衛星業務（BSS）和移動衛星業務 （MSS）NGSO星座，必須遵守 “里程碑”規定，在規定的時間節點內發射指定數目的衛星［6］，具體規定見圖5。

圖5 NGSO衛星星座 “里程碑”規則Fig.5 Deploymentm ilestones for NGSO satellite constellations

（2）NGSO與GSO兼容共用

同時，根據國際電聯無線電條款第22.2條的規定，NGSO衛星系統需要避免對GSO造成有害干擾。無線電規則通過限制NGSO星座系統發射到地面的等效功率通量密度 （EPFD）值來避免NGSO對GSO衛星造成干擾，其中EPFD需要計算所有NGSO衛星發射到GSO地面站信號的累加值的平均。除低軌衛星端的發射性能外，EPFD值還受GSO地面站天線性能影響，實際計算較為復雜［6］。國際電聯在2019—2023年的研究周期內，也正在開展多項低軌星座相關的頻率兼容議題，深入研究低軌星座與其他衛星系統間的同頻共用標準，后續會根據研究成果來相應地優化和修改規則。

（3）NGSO使用Q／V頻段政策

此外，國際電聯鼓勵在30GHz以上FSS頻段開發并采用新技術，不斷討論和制定Q／V頻段的使用規則。雖然目前還沒有公布具體的決議，提出Q／V頻段NGSO系統對GSO FSS業務保護的具體要求。但WRC－19大會確定使用Q／V頻段的NGSO星座應按照WRC－19制定的單入干擾保護標準確保同頻段GSO衛星不受干擾，并且為Q／V頻段的NGSO星座和GSO衛星設定了帶外功率發射限值，以保護鄰頻衛星無源遙感業務［7］。

2.2.3 頻率軌道資源整體趨勢小結

在頻率軌道資源申報方面，由于 “里程碑政策”的實施，大多數巨型低軌星座計劃選擇分批申報，即啟用多份網絡資料來分攤投入使用規則約束的壓力，同時也可以減輕星座建設壓力，使得布局較為合理。以SpaceX為例，在獲得近12000顆衛星的發射許可后，繼續分批申請30000顆衛星網絡資料，具體策略是通過其位于多個國家的分公司分批獨立申報，主要申報情況如表2。

表2 SpaceX星鏈網絡資料的分批申報Table 2 Information on Starlink network app lied by SpaceX in batches

在頻率軌道資源協調方面，各大低軌衛星公司的用頻設計高度一致，大多是以使用Ku、Ka頻段為主，以Q／V頻段為突破，這與地球靜止軌道的高通量衛星使用頻段重合。因此需要開展大量的兼容分析和規避策略研究工作，即通過低軌星座的規避策略來降低對高軌衛星系統的干擾，以達到國際電聯的EPFD門限值要求。目前主要的規避策略是通過調整低軌衛星地面站及其衛星連線與高軌衛星地面站及其連線的夾角，避免兩個衛星系統的鏈路指向共線，同時輔以控制低軌衛星在特定干擾區域的發射功率，降低下行EPFD值，減少對高軌衛星的干擾。

以OneWeb提出的漸進傾斜技術 （Progressive Pitch）為例，當衛星地面站、低軌衛星和高軌衛星處于一條直線時，干擾值達到最大［7］。由圖6可知，在高緯度覆蓋區，低軌衛星指向地心，與GEO衛星不相互干擾；在低緯度地區，高軌衛星更容易受到低軌衛星干擾，因為二者連線夾角小，此時需要通過傾斜低軌衛星，使其指向非地心，避免連線減少干擾。

圖6 One Web衛星與GEO衛星兼容運行示意圖Fig.6 Operation of One Web satellites compatible with GEO satellites

3 我國低軌星座系統頻軌資源現狀及主要特點

3.1 我國低軌星座系統頻軌資源現狀

我國低軌衛星星座發展目前處于起步階段，從建設進度上看，與美國等發達國家相比較為落后。

我國在“十五”期間，組織了低軌通信星座論證，安排了相關關鍵技術攻關；“十一五”期間，上海微小衛星工程中心等單位，發射了多顆存儲轉發類小衛星，并得到應用；“十二五”期間，清華大學與北京信威通信技術股份有限公司（信威公司）聯合研制的靈巧通信試驗衛星成功發射，測試驗證了低軌衛星開展語音、數據、圖像、互聯網等多種業務。目前，我國低軌星座工作也已經進入實質性階段。

根據表3所示的我國主要申報的非靜止軌道星座系統衛星網絡資料可以看出：在用頻設計上，我國大部分低軌通信衛星也計劃使用L、Ku、Ka頻段作為主要業務頻段，并通過儲備Q／V頻段，從更高的頻段上尋求突破。在軌道設計上，我國與國際觀點也保持一致，大多數星座選取2000km以下的低軌道，降低通信時延，提升復雜地形條件下的全球通信能力，有較少部分的衛星網絡選取中高軌道，可以提升單顆衛星的載荷能力。

表3 國內主要非靜止軌道星座系統衛星網絡資料申報匯總Table 3 Information on satellite networks of NGSO constellation systems applied by China

國內主要非靜止軌道申報情況結合圖7可以看出，2017年到2019年申報的衛星數量呈持續增長的趨勢，我國低軌星座正借助全球這一輪高速發展的歷史機遇，迅速壯大論證和建設規模，尤其是在國際申報中，從星座規模，到頻段和軌道的豐富性都在逐步深化和完善。

圖7 國內2017－2019年申報星座衛星數量統計Fig.7 Number of constellation satellites applied by China during 2017－2019

3.2 我國低軌星座系統頻軌資源的特點

縱觀上述全球低軌星座發展現狀和態勢，以及我國低軌星座系統頻軌資源工作現狀，我國低軌星座系統頻率工作呈現以下幾方面特點：

（1）我國星座衛星網絡資料申報呈現對國際的追趕趨勢

就目前公布的低軌通信星座衛星網絡申報情況來看 （表3所示），我國目前所申報的低軌星座規模已逐漸呈現與國際追趕趨勢，在網絡資料申報數量上看，排在我國星座前的還有OneWeb、Starlink，星座規模位于全球第三。

其次，如圖8所示，我國目前已覆蓋主流低軌星座系統所涉及的頻率軌道資源，國內申報的網絡資料主要集中于500～2000km的低軌道高度，所申報的頻段基本涵蓋了國際主流的Ka、Q／V等寬帶頻段，以及具備全球覆蓋規則基礎的L等窄帶頻段。同時，在更高的頻段上也有相應儲備，以面對未來的發展趨勢。從當前進展來看，我國所申報的網絡資料，基本能夠涵蓋建設低軌星座系統的主要需求，國際申報已不是我國星座頻率資源工作的首要突出問題。

圖8 國內主要低軌星座系統衛星網絡資料申報情況Fig.8 Distribution of main LEO constellation satellite networks app lied by China

（2）我國對頻率軌道資源的實際使用速度亟待提升

自2017年我國開始規劃低軌星座建設并開展國際頻軌資源申報以來，陸續有低軌星座的試驗衛星發射成功并進入驗證星測試階段，包括鴻雁星座、虹云星座、銀河航天試驗衛星等。但當前各家操作者的低軌衛星規劃較為獨立，還需要完成大量操作者間互相協調等工作，因此在資料投入使用申報和N資料申報的工作上進展緩慢。

此外，雖然我國既有發射成功的低軌星座試驗星，也滿足國際規則上界定投入使用的要求，但與已經具有大量在軌衛星的其他發達國家相比，我國在國際電聯議題研究等國際平臺上，各家低軌衛星操作者力量分散且話語權不高，在相關國際規則的制定上，依然處于落后跟跑階段。

低軌衛星的設計制造、發射、測控和運營對技術和資金的集中性要求非常高，因此當前分散的多家衛星操作者運營多個功能重疊的低軌星座的現狀存在優化的需求。亟待頂層統籌調配國有企業和民營企業的發展力量，形成聚集效應，對外形成合力，強有力地參與國際相關規則的研究和制定，引領低軌衛星頻率軌道資源工作發展的方向。

4 低軌星座頻軌資源工作相關建議

（1）“開源節流”提高頻譜利用效率

不可否認，盡管我國在低軌星座頻軌工作中正急速追趕國際領先的系統，但我國落后于若干國際低軌星座系統的國際申報地位，這是不爭的事實。在此前提條件下，一方面要實現頻譜資源的 “節流”，即通過對低軌星座與低軌星座、低軌星座與其他衛星系統之間的頻率干擾兼容分析的深入研究，驗證不同系統間同頻兼容共用的可能性，尋找不同系統之間同頻共用技術方案，進一步提高頻譜的使用效率，以此應對我國申報資料相對靠后，在申報協調中處于的劣勢，陷入被迫遵守既定規則的不利局面。建議研究人員從無線電傳輸的技術本質出發，通過研究系統兼容指標、頻譜共享、兼容協同等工作，從技術方面利用兼容分析提升國際話語權，影響甚至改變國際規則，扭轉自己的后發劣勢。另一方面要 “開源”，建議各大衛星運營商、衛星制造商開拓新頻段、新領域，尋找新的解決思路。比如發展Q／V頻段，太赫茲、激光等更高頻段的傳輸技術。

（2）“全局視角”規劃低軌星座發展

盡管從戰略發展的角度，我國需加緊部署和建設低軌星座系統，但與此同時，外空的空間碎片等問題，也需要以負責任的態度加以重視。根據美國國防部與NASA合作建立的太空監視網數據顯示，截至2018年地球軌道已有19000多個軌道物體。隨著巨型低軌星座的發展，軌道物體數量將會呈幾何式上漲，空間碰撞的概率將會大大增加，也給航天器發射帶來了巨大的風險。空間是一種全球共享的自然資源，目的在于全球各國和平利用太空資源，保障全人類擁有安全和可持續發展的空間環境。目前巨型低軌星座所引發的空間安全問題，已超出航天企業和組織自身的能力范疇，我們需要從全球的頂層視角去合理規劃低軌星座的發展，需要所有國家的規制管理、國際組織的監督協調［8］，對相關國際組織和衛星監管部門提出了挑戰。建議我國加強頂層規劃部署，從和平、安全利用外空的角度積極參與國際電聯對低軌衛星頻軌資源規劃和監管規則的修訂完善工作，共同達到安全、和平、平等開發太空的最終目的。

（3）“兼顧公平”保障后發國家的發展權益

目前國際規則中，衛星頻率和軌道資源的主要思路體現在 “先登先占”，即申報地位落后的國家應采取措施，保障不對先申報國家的衛星產生有害干擾。眾所周知，當前巨星低軌星座的發展主要以發達國家和部分發展中國家為主要參與者，由于巨型低軌星座對頻軌資源的巨大消耗能力，一旦某些巨型星座系統建成，從頻率兼容、軌道安全等規則層面，將對后建的其他衛星星座形成極大的發展屏障。也就是說，和平利用太空資源的發展目標，將很容易演變成通過發展巨型低軌星座來搶占衛星頻率資源。雖然為了遏制頻率資源搶奪，國際電聯的 “里程碑”規則應運而生，但這并沒有完全解決先發低軌星座可能壟斷頻率軌道資源，且剝奪了后發國家在該領域發展權益的問題。

針對該問題，建議從全人類公平使用外太空的權益出發，參考國際電信聯盟針對地球靜止軌道衛星所提出的公平使用原則，即通過劃分規劃資源給每個國家，以確保其在任何時候都有機會進入太空，研究更為公平的規則體系，保障后發國家在低軌星座系統發展領域的權益和機會。