從運營角度探討ＧＥＯ 衛(wèi)星演進關鍵技術

摘 要：在衛(wèi)星通信逐步轉變?yōu)榫W絡化運營的背景下，針對近年來低軌星座對同步靜止軌道（Ｇｅｏｓｔａｔｉｏｎａｒｙ Ｏｒｂｉｔ，ＧＥＯ）衛(wèi)星運營帶來的挑戰(zhàn)，提出了提高ＧＥＯ 衛(wèi)星資源利用效率和降低通信成本的運營思路。在此基礎上，結合衛(wèi)星通信未來發(fā)展面對的時空變化的業(yè)務、高價值移動載體、天地協(xié)同泛在互聯(lián)三類重要應用場景，根據(jù)各場景特點分析了ＧＥＯ 衛(wèi)星提高服務性價比的關鍵技術，包括衛(wèi)星靈活載荷技術和衛(wèi)星與蜂窩網絡融合技術，指出了這些技術的架構和功能要點，以及技術實施后對衛(wèi)星資源利用的重要影響。

關鍵詞：全靈活衛(wèi)星；星地融合；衛(wèi)星通信；靜止軌道衛(wèi)星；衛(wèi)星運營

中圖分類號：ＴＮ９１ 文獻標志碼：Ａ 開放科學（資源服務）標識碼（ＯＳＩＤ）：

文章編號：１００３－３１１４（２０２４）０３－０４２２－０５

０ 引言

從技術變革和運營角度來說，衛(wèi)星通信領域近十年最大的變化有兩點：一是高通量通信衛(wèi)星技術趨于成熟［１］，并成為國際上主流的新造通信衛(wèi)星；二是低軌衛(wèi)星及其星座的再次興起，并進入大規(guī)模星座落地實施階段［２］。前者改變了通信衛(wèi)星運營商的運營模式，從通信衛(wèi)星運營商演變?yōu)樾l(wèi)星通信運營商，經營模式由出租出售轉發(fā)器物理頻譜帶寬，轉變?yōu)槔米越ǖ男l(wèi)星通信網絡向終端用戶提供約定速率或時長的通信和數(shù)據(jù)傳輸流量包服務，衛(wèi)星運營商完成了向網絡化運營衛(wèi)星的轉變。后者則在同步靜止軌道（Ｇｅｏｓｔａｔｉｏｎａｒｙ Ｏｒｂｉｔ，ＧＥＯ）衛(wèi)星單星組網模式外，增加了多星多軌構建衛(wèi)星通信網的形態(tài)，構建了衛(wèi)星互聯(lián)網的概念，使得多軌道衛(wèi)星協(xié)同組網、星地融合通信走進了衛(wèi)星通信研究視野；同時，從商業(yè)運營上講，低軌星座提出了面向個人消費者服務的運營模式，這也將原本衛(wèi)星通信面向商業(yè)（Ｔｏ Ｂ）模式轉變?yōu)楦臃匣ヂ?lián)網特點的面向個人（Ｔｏ Ｃ）模式，潛在目標市場立即擴大上萬倍。這兩項重大變化，改變了通信衛(wèi)星研制、應用和運營的技術、規(guī)模和模式。

與高通量ＧＥＯ 衛(wèi)星體制成熟、技術和資源門檻較高不同，低軌衛(wèi)星星座由于技術可塑空間大、技術創(chuàng)新角度較多，同時衛(wèi)星軌道、頻率等網絡資料有較多可申報的資源，近年來已成為衛(wèi)星通信領域新入局制造商、運營商的首選項。目前，全球有超３００ 個低軌衛(wèi)星星座提出了建設計劃，其中一部分已經開始建設，具有代表性的星座是ＳｐａｃｅＸ 公司的Ｓｔａｒｌｉｎｋ［３］和Ｅｕｔｅｌｓａｔ 公司的ＯｎｅＷｅｂ 星座。截至２０２４ 年３ 月，Ｓｔａｒｌｉｎｋ 累計發(fā)射５ ５０４ 顆衛(wèi)星，在軌可操作５ ４４２ 顆；截至２０２３ 年５ 月，ＯｎｅＷｅｂ 在軌衛(wèi)星數(shù)量達到６３４ 顆。其他星座計劃如中國星網、亞馬遜Ｋｕｉｐｅｒ、Ｌｙｎｋ Ｇｌｏｂａｌ 也在加速推進星座建設［２，４］。

商用低軌星座并非新鮮事物，其誕生與發(fā)展可以追溯至２０ 世紀９０ 年代銥星系統(tǒng)，但銥星系統(tǒng)由于運營成本過高，于２０００ 年破產，后因美國國防用途注資得以起死回生。此后，十幾年間低軌星座一直較為沉寂，僅有少量用于窄帶物聯(lián)網用途的星座系統(tǒng)存活運營。近年來低軌星座的再次興起，主要歸于以下幾點原因：

① 一箭多星、火箭回收等技術創(chuàng)新，極大降低了衛(wèi)星發(fā)射成本和行業(yè)進入門檻，發(fā)射小衛(wèi)星具備了經濟可行性。

② 零器件工藝進步使采用工業(yè)級器件制造衛(wèi)星成為可能。此外，衛(wèi)星制造商通過采用流水線生產進一步降低了衛(wèi)星制造成本、縮短了研制周期。

③ 集成電路技術進步在保證衛(wèi)星性能指標能力基礎上，使衛(wèi)星小型化、模塊化、商業(yè)化，同時使用戶終端也變得更小、更便宜。

④ Ｑ／ Ｖ、Ｗ 等新頻段技術研發(fā)使得更多的衛(wèi)星頻軌網絡資料可被用于低軌星座。

低軌星座大量投入應用，對ＧＥＯ 衛(wèi)星的通信運營帶來了一定挑戰(zhàn)：① 低軌星座可以實現(xiàn)全球覆蓋。ＧＥＯ 衛(wèi)星由于定點在赤道上空，當用戶終端位于高緯度地區(qū)時，用戶終端對星時天線仰角過低造成無法通信，一般ＧＥＯ 衛(wèi)星有效覆蓋區(qū)域為南北緯７０°以內地區(qū)，對南北兩極地區(qū)無法覆蓋；而近年來由于氣候變化，北極航道逐漸具備通航能力，國際航運市場對北極通信覆蓋需求越來越大，一些客戶可能由于潛在的北極通信需求而選擇低軌衛(wèi)星。② 低軌星座可實現(xiàn)高容量和低時延。低軌星座由于在軌衛(wèi)星數(shù)量龐大，可以提供的通信容量總供給較大；同時由于衛(wèi)星距離地面較近，無線電信號傳播時延較低。③ 低軌衛(wèi)星終端可以做得更小，且更容易降低成本。由于空間傳播損耗的降低，低軌星座用戶終端不需要維持較大的天線口徑以保證較大的天線等效全向輻射功率和接收系統(tǒng)品質因數(shù)（Ｇ／ Ｔ值），同時低傳播損耗留出了簡配天線終端的空間，必要時可以把終端成本降低。低軌星座這三方面優(yōu)勢會對ＧＥＯ 衛(wèi)星應用造成較大影響［５］。

面對低軌星座帶來的挑戰(zhàn)，ＧＥＯ 衛(wèi)星要加強其本身的優(yōu)勢，并對不足之處加以彌補。ＧＥＯ 衛(wèi)星最主要的優(yōu)勢是性價比高，因此提升性價比是ＧＥＯ 衛(wèi)星技術發(fā)展的重要方向。具體而言，就是提升衛(wèi)星資源利用率，降低通信成本。

１ 面向重要應用場景的變革思路

高性價比是ＧＥＯ 衛(wèi)星相對于低軌星座天然的優(yōu)勢［５］：① 從組網角度來說，ＧＥＯ 衛(wèi)星單星即可成網，因而實現(xiàn)全球覆蓋所需衛(wèi)星數(shù)量少，衛(wèi)星網絡建設周期短、投入低；而低軌星座往往需要發(fā)射大量衛(wèi)星才能實現(xiàn)全球覆蓋，雖然單星造價便宜，但總體成本高昂。② ＧＥＯ 衛(wèi)星壽命較長，目前一般衛(wèi)星壽命在１５ 年以上，而低軌衛(wèi)星壽命普遍在３ ～５ 年，短壽命意味著低軌星座的衛(wèi)星更換周期頻繁，造成了對網絡的持續(xù)性投入。③ 從資源分配上講，ＧＥＯ 衛(wèi)星對地靜止，衛(wèi)星資源可以根據(jù)用戶業(yè)務需求進行重分配，需求大的地方多放資源，需求少的地方少放資源；但低軌衛(wèi)星由于繞地球旋轉，衛(wèi)星會均勻地飛過軌道的每一個位置，即使在需求度極低的無人地區(qū)，低軌衛(wèi)星資源也不得不分布在那里；因此，低軌衛(wèi)星的資源無法做到不浪費，經估算，以目前的組網架構，低軌星座大約７０％ 以上的覆蓋屬于低效覆蓋。

自寬帶衛(wèi)星通信技術充分發(fā)展以來，衛(wèi)星通信市場最大的增長點由廣播電視業(yè)務變?yōu)橐苿虞d體的通信服務，包括船舶、飛機、車輛甚至個人終端的上網服務。因此，ＧＥＯ 衛(wèi)星提高服務性價比應面向移動載體衛(wèi)星通信服務進行針對性設計。這種衛(wèi)星通信服務的場景具有幾個特點：一是業(yè)務具有時空變化特征；二是高價值單體用戶需要資源傾斜；三是需要與陸地網絡協(xié)同實現(xiàn)泛在連接，以提升用戶在服務連續(xù)性、經濟性和速率等方面的體驗。

針對業(yè)務具有時空變化特征的應用場景，包括飛機、船舶、汽車等移動載體，這些用戶的業(yè)務特點是在移動狀態(tài)下，隨著時間和空間的變化，業(yè)務強度和分布呈現(xiàn)變化的態(tài)勢。一個典型例子是漁船用戶業(yè)務：我國近海漁船大部分集中于東南沿海衛(wèi)星波束中，每年在休漁季時，這些波束在網船只數(shù)量與周邊波束基本相近，都為往來商船；但到每年８、９ 月，沿海開漁，這些波束在網船只會迅猛增漲１ ～２ 個數(shù)量級，衛(wèi)星波束內資源隨即由供需平衡變?yōu)楣┎粦?，如圖１ 所示。面對這種一年內忙閑季節(jié)變化造成通信資源需求量巨大差異的情況，如果ＧＥＯ 衛(wèi)星資源可以在忙時調集補充、閑時又可調走，則可以實現(xiàn)衛(wèi)星資源的最大利用。

針對高價值移動載體（用戶平均收入高的移動載體）的應用場景，例如民航飛機、大型郵輪，其移動路線非常有特點，雖然航線計劃一年內會變化數(shù)次，但航線一旦確定，移動軌跡根據(jù)計劃航線來定，具有高度規(guī)律性。根據(jù)這個特點，ＧＥＯ 衛(wèi)星可重點在該航線區(qū)域分布衛(wèi)星資源，如根據(jù)飛機和郵輪的航線，多個波束按照移動軌跡聚合成一個波束等。這樣可以減少用戶波束切換帶來的速率降低問題，從而避免其他用戶跟高價值用戶在同一波束內爭搶資源導致業(yè)務服務質量無法達到高價值用戶的要求，在提高資源利用率的同時更好保障用戶體驗。

針對天地協(xié)同泛在連接的應用場景，是ＧＥＯ 衛(wèi)星通信重點發(fā)展方向。單純衛(wèi)星用戶數(shù)量有限，與地面?zhèn)€人用戶動輒數(shù)十億級的規(guī)模差異顯著，ＧＥＯ衛(wèi)星發(fā)展必然要進入個人消費者應用的場景，與陸地網絡融合。對于在陸地網絡信號覆蓋與不覆蓋區(qū)域中穿梭的車輛、船舶，其乘客有４Ｇ／５Ｇ 網絡切換到衛(wèi)星網絡的需求。這個過程如果能實現(xiàn)統(tǒng)一認證和計費、平滑無感切換，用戶可以享受陸地蜂窩＋衛(wèi)星的廣域連續(xù)服務，真正實現(xiàn)泛在接入、協(xié)同通信；ＧＥＯ 衛(wèi)星運營商則納入了地面數(shù)以億計的用戶規(guī)模。

２ 賦能應用的ＧＥＯ 衛(wèi)星下一代關鍵技術

為了實現(xiàn)ＧＥＯ 衛(wèi)星變革，以實現(xiàn)在上述場景中給用戶帶來更好體驗、更低成本的通信服務，基于運營角度考慮，下述關鍵技術將是ＧＥＯ 衛(wèi)星重點發(fā)展的技術。

２． １ 全靈活衛(wèi)星技術

靈活衛(wèi)星又稱軟件定義衛(wèi)星，軟件定義衛(wèi)星借鑒軟件定義網絡的概念，將“硬件通用而通過軟件調整”的思路移植到衛(wèi)星制造上［６］。具體而言，全靈活衛(wèi)星通過使用數(shù)字透明轉發(fā)器、數(shù)字波束賦形（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｂｅａｍ Ｆｏｒｍｉｎｇ，ＤＢＦ）等靈活載荷技術將實現(xiàn)衛(wèi)星“全靈活”，衛(wèi)星波束的數(shù)量、大小、指向、形狀、頻率、極化和功率可實時在軌重配置。全靈活衛(wèi)星可以使衛(wèi)星的帶寬、頻率、功率等資源得到充分利用，從而有效降低衛(wèi)星系統(tǒng)運營成本。

全靈活衛(wèi)星可調整波束，即在衛(wèi)星可視范圍內，形成任意數(shù)量波束，且波束的數(shù)量，每個波束的大小、指向、形狀、極化實時可調，同時支持點波束、區(qū)域波束、全球波束、可動波束［７］。每個波束可按需配置／ 重配置，滿足不同區(qū)域、不同時間的業(yè)務特點，從而大幅度提升市場風險應對能力。

全靈活衛(wèi)星實現(xiàn)頻率可調，“全載波”可任意連接至“全波束”以支持波束交換、子帶交換、頻率調整、增益調整、載波復制，滿足衛(wèi)星通信市場上用戶多變的業(yè)務需求，可調度空閑區(qū)域的頻率資源至熱點區(qū)域，大幅度提升頻率利用率，有效降低資源開銷。

全靈活衛(wèi)星實現(xiàn)整星有效功率調度。整星全部行波管放大器（ＴｒａｖｅｌｉｎｇＷａｖｅ Ｔｕｂｅ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ，ＴＷＴＡ）的功率匯聚成“功率池”，通過有源電掃相控陣天線和密集排列的小型化ＴＷＴＡ，實現(xiàn)非信道化架構，功率可從功率池中自由分配給任意波束和子信道，全饋源作用于全波束，還可通過ＤＢＦ 的權值計算精密控制功率分配。

通過上述全靈活衛(wèi)星技術，衛(wèi)星資源有效利用率預計可由７２． ９％ 提升至９２． ６％ 。此外，全靈活衛(wèi)星還需通過小型化集中供電技術、ＴＷＴＡ 小型化輕量化技術、ＴＷＴＡ 高集成技術實現(xiàn)高集成小型化ＴＷＴＡ，以及利用超窄點波束實現(xiàn)更大的頻率復用。全靈活衛(wèi)星最終體現(xiàn)為以下幾點：① 高性價比，提供更便宜的單位通信容量；② 高出租率，資源的全靈活伴隨著更高的出租率；③ 強競爭力，靈活性滿足快速變化的未來市場和用戶需求；④ 高滿意度，全靈活衛(wèi)星提供靈活的高速、高穩(wěn)定服務。

２． ２ 衛(wèi)星與蜂窩融合技術

下一代通信技術的發(fā)展方向是天地一體化［８］，要求衛(wèi)星和蜂窩網絡融合組網；同時，讓規(guī)模數(shù)以幾十億計的地面用戶實現(xiàn)廣域連續(xù)服務，真正實現(xiàn)泛在接入、協(xié)同通信，是衛(wèi)星通信豐富使用場景、擴大受眾的重要方式［９］。

天地協(xié)同融合的網絡應具備如下特點：從網絡角度看，融合網絡全網統(tǒng)一資源調度和優(yōu)化；從用戶角度看，全網統(tǒng)一身份無縫使用。運營商可以在衛(wèi)星網和蜂窩網之間匹配資源，實現(xiàn)全鏈路性能最優(yōu)；用戶可以在衛(wèi)星網和蜂窩網無感切換，在廣域內保障服務連續(xù)性，實現(xiàn)星地網絡一體化。

目前，衛(wèi)星僅作為骨干回傳蜂窩網數(shù)據(jù)的角色，這種方式下衛(wèi)星網和蜂窩網互為黑盒，無法互調匹配資源，一張網資源緊缺會成為另一張網的瓶頸，網絡效率低；用戶在衛(wèi)星與蜂窩網間切換時，需要變換身份，也會導致服務中斷。ＩＴＵ、Ｓａｔ５Ｇ、３ＧＰＰ 等組織以及各廠家、科研機構都在研究星地融合方式，其中３ＧＰＰ 的Ｒｅｌｅａｓｅ１７、１８ 明確了非地面網絡（ＮｏｎＴｅｒｒｅｓｔｒｉａｌ Ｎｅｔｗｏｒｋ，ＮＴＮ）一些終端場景的方式，即對５Ｇ ＮＲ（新空口）進行多普勒補償、時延補償、時序優(yōu)化、移動性優(yōu)化等改良，以適應衛(wèi)星信道特點［１０－１１］，如圖２ 所示（圖中網元為３ＧＰＰ 標準網元）。但將５Ｇ 空口技術移植衛(wèi)星鏈路（尤其是ＧＥＯ 衛(wèi)星鏈路）仍存在兩個問題：一是５Ｇ 多載波的波形技術峰均比高，容易造成星上功率放大器運行在低功率狀態(tài)，從而造成衛(wèi)星功率資源浪費，這對ＧＥＯ 衛(wèi)星運營商而言是無法接受的；二是當前全球ＧＥＯ 市場上，從運營商到用戶幾乎全部的設備都為ＤＶＢ 體制，使用５Ｇ 體制意味著全部設備需要更換，衛(wèi)星設備與手機有很大區(qū)別，這對很多運營商和用戶來說，不易接受。

另外一種方式是進行衛(wèi)星ＤＶＢ 體制與５Ｇ 體制的異體制融合，如圖３ 所示（圖中Ｎ６ 為３ＧＰＰ 協(xié)議標準接口），通過對ＤＶＢ 協(xié)議進行增強，以及ＤＶＢ作為接入網協(xié)議與５Ｇ 核心網協(xié)議之間的映射和轉換，實現(xiàn)衛(wèi)星接入網信令與５Ｇ 核心網互通，以及數(shù)據(jù)業(yè)務層面雙網互通。這種方式可以在保持現(xiàn)有衛(wèi)星市場現(xiàn)狀不做大改動情況下，將衛(wèi)星作為無線接入網的控制信令和業(yè)務數(shù)據(jù)接入５Ｇ 核心網，從而實現(xiàn)衛(wèi)星和陸地蜂窩網在控制和業(yè)務層面的融合。

此外，學術界還在積極研究新的波形，以兼顧陸地蜂窩網高移動寬帶和衛(wèi)星大尺度傳輸?shù)囊?。因此，未來以一種新的波形統(tǒng)一衛(wèi)星和陸地蜂窩網的體制仍然是潛在選項之一。

３ 結束語

高通量通信衛(wèi)星技術成熟和低軌星座再次興起是近十年來衛(wèi)星通信市場發(fā)生的重要變化。前者改變了通信衛(wèi)星運營商的運營模式，后者則構建了衛(wèi)星互聯(lián)網的概念，多軌道衛(wèi)星協(xié)同組網、星地融合通信走進了衛(wèi)星通信研究視野。低軌星座由于全球覆蓋、大容量、小終端的優(yōu)勢，對ＧＥＯ 衛(wèi)星通信帶來了一定挑戰(zhàn)。面對低軌星座帶來的挑戰(zhàn)，ＧＥＯ 衛(wèi)星需要提升性價比，即提升衛(wèi)星資源利用率、降低通信成本，特別是對業(yè)務具有時空變化特征的應用、面向高價值移動載體的應用、天地協(xié)同泛在連接的應用三種典型場景要提供性價比高的服務。

ＧＥＯ 衛(wèi)星變革的關鍵技術一是全靈活衛(wèi)星技術，即實現(xiàn)衛(wèi)星的波束數(shù)量、大小、指向、形狀、頻率、極化和功率可實時在軌重配置，使衛(wèi)星的帶寬、頻率、功率等資源得到充分利用；二是衛(wèi)星與蜂窩融合技術，通過３ＧＰＰ ＮＴＮ 為代表的５Ｇ ＮＲ 技術改進方案移植到衛(wèi)星通信鏈路，實現(xiàn)衛(wèi)星與蜂窩網技術體制統(tǒng)一；三是通過衛(wèi)星ＤＶＢ 體制與蜂窩網體制的協(xié)議映射和轉換，使得ＤＶＢ 與蜂窩體制在控制面和業(yè)務面互通，實現(xiàn)衛(wèi)星與蜂窩的異體制融合；四是以新的體制兼顧衛(wèi)星鏈路大尺度傳輸與蜂窩高移動帶寬的需求。

當前衛(wèi)星通信正處于又一個變化的風口，衛(wèi)星研制和運營者應以開放、發(fā)展和革新的角度看待此次變化的浪潮，它可能是將衛(wèi)星通信從一個小而美的領域延展到一個更廣闊消費市場的契機，這將為衛(wèi)星通信帶來深遠的變革。

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