低軌衛星動中通的現狀和前景展望

文｜林廣榮

銀河航天（北京）科技有限公司

一、前言

衛星動中通是指衛星終端能夠在移動中進行通信，其中衛星終端可以安裝在汽車、火車、輪船、飛機等各類交通載體上[1]。傳統的衛星固定通信業務僅能為固定地球站提供通信業務，有了動中通，即使在沒有地面信號的海洋、天空或偏遠地區的汽車、火車上，乘客也能通過衛星接入通信網絡。

太空探索技術（SpaceX）公司迄今已將3000多顆星鏈衛星送入軌道，目前已開始為部分大型郵輪提供海上高速互聯網連接；國內，2022年3月銀河航天發射了6 顆低軌寬帶試驗衛星，并依托該試驗星座，成功開展了車載動中通測試，突破了實際車輛行駛條件下，終端天線波束實時精確跟蹤低軌衛星的技術難題，實現了運動中的持續衛星通信，邁出了低軌衛星互聯網應用探索的重要一步。

本文以低軌車載動中通為例，介紹衛星動中通原理、國內外發展狀況、應用前景和未來趨勢。

二、衛星動中通原理及分類

1.原理

從用戶體驗出發，希望通信終端網速高、小巧輕便，使用不受約束，“想在哪用，就在哪用”。隨著移動通信技術的發展，手機已經可以做到非常小巧且通信速率很高，在行駛的汽車、火車、輪船（只要周邊有信號）上均可自由使用，基本滿足了人們的需求。但對衛星通信來說，由于衛星距離地表太遠，如同步軌道衛星距離我們有36000km，無線電信號在傳播過程中損耗巨大，所以傳統的衛星通信終端，一般或尺寸巨大，或通信速率極低，很難二者兼顧。因此國際電信聯盟（ITU）之前將衛星通信業務定義為兩類，一類稱作衛星固定業務（FSS），一類稱作衛星移動業務（MSS），前者天線較大，采用C、Ku、Ka等較高的頻段，僅能固定在原地使用，通信速率可達幾M 到幾十Mbit/s；后者終端可手持，采用L、S 等低頻段，可像手機一樣移動使用，速率通常僅有幾k 到幾百kbit/s。這種受到技術制約的分類，必然會嚴重影響使用者的用戶體驗，也促使了衛星動中通場景的產生。

衛星動中通終端通常由兩個部分組成，一部分類似傳統的衛星終端，包括天線、射頻、基帶處理等模塊，實現衛星信號的收發處理，但衛星天線需要方向可快速調整；另一部分是衛星的跟蹤控制系統，可根據衛星信號或載體姿態的變化，控制天線快速準確地對準和跟蹤衛星[2]。兩者配合，從而實現終端在移動中通信。

2.分類

高軌動中通是指依托高軌（主要為同步軌道）通信衛星實現的移動通信。由于衛星距地球過遠，需要大口徑的高增益天線精確對準衛星才能進行通信。所以高軌動中通主要需解決在平臺運動中，衛星終端天線如何克服運動的方向變化，保持天線指向的問題。

低軌動中通則是指依托低軌通信星座實現的移動通信。傳統的低軌通信星座系統頻段低、波束寬，對波束指向要求較低，通信速率較低。近年興起的低軌寬帶通信星座，在具備通信速率高、天線口徑小等優點的同時，對天線技術和波束指向控制的要求也大大提高。

三、動中通發展狀況

1.高軌衛星動中通發展狀況

衛星動中通終端最早應用于美軍[3]，為快速前進的部隊與其指揮官、友軍和后方間保持實時通信，后續隨著技術的發展和成本的下降，逐步應用到新聞直播、警用、海事、航空等民用領域。傳統同步通信衛星所采用的動中通終端天線主要有反射面+機械傳動天線、平面陣列+機械傳動天線、相控陣天線、相控陣結合機械掃描天線等多種類型[4-5]。

反射面+機械傳動天線是指通過機械傳動機構和伺服跟蹤系統來控制反射面天線的方向，使其在載體運動過程中始終指向衛星位置，實現動中通。為了降低天線的高度，反射面天線通常會拆用切角拋物面或柱形拋物面等，會較大降低天線的增益和收發性能。

平面陣列+機械傳動天線則是將上述天線中的反射面替換為平面陣列，平面陣列由許多輻射單元組成，可以將天線的輪廓做得較低，但口徑不易做大，增益性能相對受限，成本較反射面高。

平板相控陣天線的天線陣面也是由許多個輻射單元（稱為陣元）組成，單元數目可以從幾十個到幾萬個，這些單元有規則地排列在平面上，構成陣列天線。但工作時，天線陣面在物理上固定不動，而是通過控制陣列中輻射單元的饋電相位來改變所合成波束的指向，以達到波束掃描的目的，稱之為電掃。

相控陣結合機械掃描天線可改善波束掃描范圍有限、價格昂貴等問題，在船載等對終端尺寸要求不高的場景下較為適用。

國內的衛通平板相控陣天線也是最近十年間才開始逐步發展的。此前高軌動中通天線主要還是采用反射面或平面陣列+機械傳動方式。

2.低軌衛星動中通發展概況

隨著國外一網、SpaceX 等公司掀起了一波低軌互聯網發展熱潮，動中通開始向低軌衛星動中通的方向發展。由于相控陣電掃的速度極快，非常適合低軌星座中快速跟蹤切換的工作場景，因此在低軌通信星座的建設興起后，相控陣天線受到了廣大廠家的關注。

隨著國內射頻芯片技術的發展，國內也有多家研究機構、高校和企業開始研究開發平板相控陣天線。由于多數采用了瓦片式天線陣面設計，這一階段相控陣天線樣機的尺寸和輪廓得到了較大的優化。

但因為一網和星鏈等低軌星座未能在國內落地，國內目前僅有少量低軌試驗衛星在軌，大部分天線和終端樣機僅能通過同步軌道衛星進行通信驗證，未在低軌星座中實際工程驗證其收發、跟蹤和動中通性能，離產品化尚有較大距離。

3.銀河航天衛星動中通技術研發和測試

（1）產品情況

銀河航天衛星動中通天線（圖1）通過與業界頂尖廠家合作，采用了國產的低成本高性能硅CMOS 射頻T/R 芯片和瓦片式天線陣面設計，在單塊多層PCB 電路板上集成了微帶天線面、饋電網絡和射頻T/R 芯片，使平板相控陣天線產品具備尺寸小、增益高、功耗低、成本低等優點，提升了用戶體驗。

天線主要指標：

通信頻段：Ka，頻分雙工；

EIRP：≥40dBW（法向）；

G/T 值：法向≥8.5dB/K（法向）；

掃描角：方位角0°—360°，法向離軸角0°—60°；

天線尺寸：680mm×400mm×60mm；

重量：9.5kg。

圖1 銀河航天衛星動中通天線

（2）測試過程與結果

實際測試時，低軌動中通終端天線通過定制夾具安裝在測試車輛的車頂行李架上，終端基帶單元擺放在車輛后備箱內，兩者間通過中頻電纜連接，如圖2 所示。

圖2 跑車試驗時的車內設備

測試時，測試人員將低軌衛星的星歷數據下載進終端，啟動天線的波束控制軟件和終端基帶單元，進行了車載動中通終端的跑車試驗。測試的內容包括在行駛過程中，相控陣天線波束對衛星的跟蹤情況、信號的信噪比、通信時延和穩定性，以及互聯網業務的訪問表現等。測試結果表明，該低軌動中通終端可在高速行駛（最高超過時速100km/h）、拐彎和上下坡等條件下實現對低軌衛星的穩定跟蹤，信噪比變化與理論計算相符，通信時延約在20 ～40ms 范圍，可流暢訪問網頁、在線視頻或和他人進行視頻通話，用戶體驗良好。

跑車試驗的結果表明，該型車載動中通終端在技術上解決了車輛行駛過程中，對相控陣天線波束的控制問題，克服了在車輛顛簸、轉彎等情況下，精確地跟蹤快速運動的低軌衛星的技術難題。在工程實現方面，成功實現了小型化、低成本的車載相控陣天線的產品化，讓國產車載衛星天線突破了以往笨重的外形和相控陣的昂貴價格門檻，在未來有望像汽車、甚至手機一樣普及應用。

四、低軌衛星動中通的應用前景

1.低軌衛星動中通應用特點

低軌衛星動中通最大的優勢，一是覆蓋范圍廣，且不受地理條件限制；二是可以支持汽車、輪船、飛機等各類移動平臺，這使其可以和地面移動通信形成良好的互補。現在4G/5G 的通信體驗雖好，但也存在一個嚴重的短板，就是對地面基礎設施，也就是對基站的依賴非常高。一旦來到地面條件惡劣，或者海上等其他無法連接光纖的地方，就無法布設4G/5G 網絡。隨著技術和經濟的發展，用戶對通信的需求越來越高，未來的數字生活場景定義也需要隨時隨地可接入寬帶通信網絡。低軌衛星動中通可以和地面移動通信網絡相互補充，真正實現通信的天地融合、無縫覆蓋。

2.應用前景

（1）為船舶和飛機等提供互聯網訪問服務

高速率、小尺寸、低輪廓的低軌衛星動中通的應用前景其實非常廣闊。譬如航空和航海都是傳統的衛星通信剛需領域。由于低軌衛星軌道低，鏈路損耗遠低于同步軌道衛星，再結合技術上的進步，目前的平板相控陣動中通終端，已經可以做到約1/4 平方米尺寸甚至更小，接近筆記本電腦的厚度，相比之前的動中通天線大大縮小，可以方便地安裝在汽車、船舶和飛機上，最高通信速率仍可達數百Mbit/s，可以讓人們在任何地方都方便地接入高速互聯網絡。

（2）為垂直行業提供動中通相關解決方案

低軌通信可以和工業互聯網、工業控制、無人駕駛等結合起來，用低軌互聯網賦能電力、采礦、林業、交通運輸、生態環境等垂直行業，打造新的行業應用模式。譬如將低軌動中通安裝在礦車上，就可以實現遠程操控偏遠礦場里的各類挖掘和運輸車輛，解決施工安全和人力不足的痛點，提供智慧礦山等行業解決方案。

（3）應用于無人平臺和寬帶物聯網數據采集等場景

未來隨著技術的發展和成本進一步降低，可以展望，低軌的相控陣終端可以做到像平板電腦甚至手機大小，依然可達到數十兆的通信速率。低軌終端就可以安裝到各種中小型無人機上，用來實現在偏遠無信號地區的電力巡檢、工地勘察等任務；和各類攝像頭和傳感器結合，用于在森林、沙漠、邊防、海上平臺、浮標等地域和場景下的數據采集回傳等。真正在未來實現每個人、甚至每件物體都連接在網絡上，做到萬物互聯。

（4）服務應急通信保障

在應急通信領域，低軌動中通可以安裝在應急通信車或大型應急無人機上，通過與5G 基站相結合，實現災后應急通信網絡的快速部署開通。在近年的水災和地震搶險中，安裝高軌衛通設備和5G基站的翼龍無人機已多次大顯身手。但由于高軌衛通速率受限，往往僅能為災區提供窄帶短信服務。若采用低軌動中通寬帶通信，則可以提供話音和寬帶上網等業務，更好地保障救災搶險任務。

五、低軌衛星動中通的發展趨勢

一是持續提升低軌動中通終端的性能，并不斷降低成本。隨著技術的進步，在低軌衛星動中通終端方面，必然會朝著進一步提升終端的傳輸性能，不斷優化減小終端尺寸和低功耗，以及降低終端的量產成本方向發展。作為低軌終端天線的主流趨勢，預計相控陣天線會通過迭代優化硅基CMOS 芯片、收發共面、多波束等技術，在天線尺寸、收發增益和成本間達到最佳的平衡點，并通過量產快速降低終端成本，讓低軌衛星互聯網走入千家萬戶。

二是加快低軌系統基礎設施的建設。低軌衛星動中通，并不僅僅是終端層面的問題，需要從整個星座通信系統的角度綜合考慮。要發揮出低軌通信的優勢，讓低軌衛星動中通用得更好，首先需要加快我國低軌寬帶通信星座的基礎設施建設，快速縮小我國與美歐航天大國在低軌建設方面的差距，包括技術上采用星載多波束相控陣天線、跳波束等先進技術，發射部署更多的衛星，優化通信覆蓋和用戶容量，以及推進星地一體通信體制乃至整個網絡的融合，才能讓動中通用得更好，真正做到網絡無處不在。

三是進一步開拓探索更合適的應用場景，優化用戶體驗。在用戶和應用側，通過讓終端更小、適用場景更廣，可以安裝到從小汽車、長途客貨車、高鐵、郵輪、貨輪，乃至大小飛機甚至航天器等各種交通工具上，為用戶提供一種無感而又無處不在的寬帶網絡連接體驗。可以應用在日常的互聯網上網，或是工業互聯網場景：包括采礦、電力等行業和遠程操控、協同作業、智能物流、智能巡檢等場景，以及寬帶物聯網等場景中，讓通信更好地改善我們的生活。