低轨通信卫星星座的建设与构想

低轨通信卫星星座的建设与构想
作者：张有志
来源：《计算机与网络》2020年第17期
摘要：随着航天产业的发展，基于低轨星座的通信、导航、遥感等方面的应用规划方案日益增多，尤其是通信卫星星座的建设炙手可热，而我国由于受限于特殊国情和国际政治环境等因素，在低轨通信卫星星座方面发展缓慢。

鉴于此，在对比和总结国外各类低轨通信卫星星座的构成和发展演进情况基础上，提出了低轨通信卫星星座系统的建设和发展方向建议，并对星座建设过程中可能存在的一些问题进行了简要论述。

关键词：低轨通信星座；星座建设；多功能融合；天地一体化
中图分类号：TN927文献标志码：A文章编号：1008-1739（2020）17-70-4
0引言
相较于地球同步轨道上的通信卫星，研发和部署位于低地球轨道上的通信卫星有着诸多优势，例如轨道高度降低带来的低通信时延，以及卫星体积和重量降低带来的低研发成本和低发射部署成本等优点。

目前，国内外低轨卫星星座系统的建设工作在如火如荼地开展，且多集中在通信系统领域。

早期的低轨通信卫星星座系统充分利用卫星覆盖不受地理和距离限制的特点，主要用于满足地面移动通信网络不发达地区，以及空域和海域作业时的个人移动通信需求服务等。

近年来，随着互联网的发展和地面通信网络的建设，低轨卫星在宽带接入、导航增强和卫星物联网等领域的应用也在不断探索和发展。

我国低轨卫星通信由于受到国内发达地面移动通
信系统的挑战，以及国际关系和地缘政治等因素的影响而发展缓慢。

面对如今宽带通信的快速发展，从满足人民日益增长的美好生活需要和国家战略安全考虑，亟需加快我国低轨通信卫星星座的建设和发展。

1低轨通信卫星星座发展现状
1.1典型通信卫星星座的发展
上世纪末和本世纪初，国外涌现了一批低轨通信卫星星座系统，典型的包括铱星（Iridium）、轨道通信（ORBCOMM）及全球星（GlobalStar）等。

以铱星为例，1987年在汽车电子和通信电子领域处于绝对领先地位的摩托罗拉公司，正式提出了在太空建立铱星系统进行全球网络覆盖的概念，于1998年完成建设并开始运营。

设计出发点正是基于地面微波基站覆盖密度低，移动电话通信质量差。

铱星系统作为地面通信网络的补充，实现了“把地面基站搬到天上”的创新性操作。

但由于该系统完全为语音通信而设计，仅能提供2.4 kbit/s的窄带低速数据传输服务，并且卫星通话的掉话率高达8%[1]，同时，高昂的使用费无法切中用户使用痛点，以至于运营不到一年便宣告破产。

而随着近年来地面通信网络的蓬勃发展，以及由此带来的技术水平飞速提升和通信需求不断更新，这几个典型低轨通信星座系统又重新焕发出了新的生命活力，通过继承和改造原有系统，均适应性地开发出了二代卫星系统，并借着成熟的卫星制造业和火箭发射服务而迅猛发展，又由于在频率、轨位以及星座构型等方面的继承性[2]，使得这些系统先天具有先发优势，尤其是在低轨通信卫星的轨道和频率资源竞争愈发激烈的今天，显得尤为重要。

1.2新型通信卫星星座的发展
随着商业航天的蓬勃发展，以及互联网应用服务的普及和应用领域的拓展，国际上又涌现出了一批像一网（OneWeb）、星链（StarLink）及通信卫星（Telesat）等新兴的低轨通信星座计划。

相较于传统航天产业，这类商业公司运作的星座系统通常卫星体积较小，质量较轻，卫星研制生产成本降低的同时，还采取一箭多星的发射方式降低发射成本。

这些系统主要用于开展面向个人和企业的高带宽低时延的互联网接入服务，以及面向全球用户的低成本、大连接量的物联网服务。

这些星座系统中的佼佼者当属太空探索公司的星链计划，自2019年5月发射第一批星链卫星起，截至2020年8月SpaceX以一箭60星的方式，已经发射了10批共600余颗星链卫星，一跃成为全球拥有在轨卫星数量最多的公司，而根据SpaceX公司CEO马斯克的表述，星链服务最初将在2020年提供给加拿大和北美客户，并在2021年进一步扩大服务范围至世界其他地区。

2低轨通信卫星星座建设
2.1卫星星座空间系统构成
2.1.1卫星星座构型
卫星运行的轨道参数称为轨道六根数，其中轨道半长轴和偏心率决定了轨道大小和形状，轨道倾角、升交点赤经和近地点幅角决定了轨道在空间中的方位和指向，真近点角决定了卫星在轨道上的位置，6个参数共同决定了某一时刻卫星在空间的位置。

卫星星座是由按照某种规则分布在预定轨道上的多颗卫星组成的系统[3]，通常这些卫星功能相近或相同，轨道的半长轴、偏心率和轨道倾角也相同，升交点赤经的个数即为组成星座的轨道面个数，升交点赤经相同的卫星在轨道面内以不同的近地点幅角和真近点角区分。

典型的星座构型有Walker倾斜轨道星座和近极轨道星座等[4]，2种星座构型各有特色。

例如全球星星座（GlobalStar）和GPS导航卫星星座系统均采用Walker倾斜轨道星座，这些星座具有节点卫星分布均匀的特点[5]，其空间构型具有极强的对称性，且更适合用于对中低纬度地区的覆盖；采用近極轨道星座构型的系统包含Iridium和OneWeb等星座，对两极地区具有良好的覆盖性，并且在这种构型下星座中相邻轨道之间（除反向缝外）的卫星相对运动变化比较缓慢，更容易建立稳定的异轨星间链路。

2.1.2卫星轨道参数
通信卫星星座系统主要有轨道高度低、轨道倾角高的特点。

国际上现有的通信卫星星座系统大多分布在轨道高度为550～1 500 km的低轨空间范围内，充分利用卫星通信距离短、传输时延小的优势，相较于运行在约36 000 km高度轨道上的通信卫星，一跳通信传输时延（终端—卫星—终端）可由240 ms降至10 ms，极大地提升了用户的使用体验[6]。

现有通信卫星星座系统的卫星运行轨道也多为倾角大于70°的高倾角轨道，并且有较多星座系统采用近极轨道，例如OneWeb的卫星运行在87°倾角轨道上，以及Telesat的卫星运行在99.5°倾角轨道上，这样可以利用轨道的高倾角满足星座对南北两极的覆盖，最终实现对全球范围的宽带服务或者移动通信服务。

针对星座的服务性能，由于新兴低轨通信星座系统的卫星规模较大，数量众多的通信卫星在提高星座对地面某地覆盖重数的同时，也使地面终端可以灵活地选择通信条件最好的卫星接入，这样间接提高了地面终端的通信仰角，例如铱星系统的地面仰角为8.3°而星链系统的地面通信仰角可达40°，这样可以避免在通信过程中受到树木或建筑等的遮挡影响，提升了系统的服务质量。

2.1.3星间链路
星间链路是同轨道面内相邻2颗卫星之间，以及异轨道面内2颗卫星之间建立的通信链路，使多颗在轨卫星形成以卫星为交换节点的空间通信网络，实现卫星之间的信息传输和交
换。

星间链路属于无线链路，例如铱星系统采用微波星间链路而星链系统则采用激光星间链路，目前微波传输的最高速率是1 Gbit/s级，而激光链路的传输速率可达到10～40 Gbit/s，更适合空间宽带组网需求[7]。

由于OneWeb星座没有配置星间链路，每颗卫星都配有一个弯管有效载荷，采用透明转发工作模式，只能在用户和地面站同时位于卫星视线（LOS）范围内的区域提供服务，若考虑500个关口站时，与无星间链路相比，增加星间链路可能会使总系统容量增加33%[8]，但系统配置星间链路的同时也要求卫星具备星上处理以及星间交换的能力，增加設计卫星的复杂性。

通过对现有通信星座星间组网状态以及应用需求分析，未来在星座内配置星间通信链路将势在必行。

这样可以减少低轨通信卫星星座运行对地面信息网络的依赖性，从而为全球范围内的各类应用提供更加灵活可靠的通信及宽带接入等多种服务。

尤其是激光通信链路的建立，将极大提高星间的数据传输速率，增加系统宽带组网的通信容量，而且不存在频谱资源和频率干扰等方面的问题[7]。

不仅如此，激光通信载荷还具有体积小和重量轻的特点，便于整星结构的布局优化，更适应多星发射需求。

2.2系统建设意义
卫星通信可实现远距离的话音、数据、图像传输及合作对象信息采集等业务功能，是通信和信息监听的重要手段，随着国家战略利益的不断拓展，对建立覆盖全球的通信网络提出了强烈需求，迫切需要建立我国自主控制的低轨通信卫星星座系统。

具备全球服务能力不仅可以为用户在航空航海、地球南北极等地面通信网络覆盖盲区活动提供通信支持，还对我国在全球范围内的维和维权、国际救援和科学考察、资源运输等活动具有重要意义[9]。

斯诺登棱镜门事件、汶川地震事件、马航客机事件、新冠疫情事件等自然和社会事件的发生，使相关部门重新审视我国在信息安全、信息监视及应急服务等领域的应对和保障能力，建立一个自主控制的全球安全信息通信网络对国家至关重要。

此外，低轨卫星星座系统的建设，还将刺激国内在芯片、材料、工艺、产业结构等基础领域的创新和发展，寻求新的技术突破。

对商业航天及传统航天企业在管理和技术等方面也提出了更高的要求，大批量航天产品的生产、测试和验收，以及卫星快速发射、星座运维管控等需求均对传统航天产业带来了机遇和挑战。

2.3系统建设制约因素
随着国内外低轨星座的建设增多，低频段频谱资源有限的状态将会突出低轨之间的频率资源协调问题，采用Ka频段通信的低轨卫星系统还会涉及到与同步轨道卫星在频率资源方面的冲突，因此在低轨星座设计时，除了要抢占低轨部署先机，还必须充分考虑频率的共用或干扰规避问题。

解决这些问题一方面，可以充分利用频率复用技术来实现大的系统容量[10]；另一方面，针对高轨卫星需要采用一定的干扰规避策略，例如OneWeb卫星在赤道附近上空采取的渐进俯仰技术[11]。

不同于遥感卫星星座只需几颗星即可开展应用服务，由于较强的实时性和连续性要求，低轨通信卫星星座系统提供各类应用服务的核心在于必须部署一个较为完整的星座，实现对全球或特定区域的连续覆盖。

星座的规模、单颗卫星的造价、发射成本、星座备份及星座运营等都需要大量的经费。

相对于高轨卫星，低轨卫星的寿命较短，星座系统的技术更新和迭代也更为频繁，而用户终端价格和使用费用也将成为用户规模扩大的阻碍。

因此在建设初期需要有大量社会资本的注入，以及国家财政和政策的支持引导。

3低轨卫星星座通信应用构想
3.1市场前景
随着卫星互联网正式被纳入新基建，预计2020年我国市场规模将超800亿元。

低轨卫星星座要健康平稳的运行，一方面需要有完备的产业链，包括卫星制造、卫星发射、地面基站及终端设备及卫星运营服务等环节；另一方面必须依赖于巨大的用户市场，这就需要深入挖掘传统地面领域的移动通信和宽带接入市场潜力，积极开拓物联网、公共安全及信息普惠等领域的市场。

其中，物联网被看作是低轨星座应用的蓝海，在物流管理、交通运输、能源通道安全、防灾减灾及区域安防等领域，采用基于低轨卫星的物联网系统将是最优的技术手段。

3.2主要应用需求
低轨卫星星座系统是典型的前期高投入、后期高收益的巨大工程，在应用需求方面，主要有移动通信、卫星广播、宽带通信及信息采集等。

从目前的行业形势来看，主要的应用需求如下：
①政府应急救灾：在地震、洪水、疫情等灾害应急过程中，利用低轨卫星系统的全覆盖以及重点区域集中覆盖特点，能够快速响应，为灾区及时提供同外界的通信服务，并为相关部门提供数据采集、数据传输等服务，尽快掌握灾情动态从而依次进行决策。

②信息普惠：低轨卫星星座能够为偏远地区以及高原山区等地的分散人口提供数据通信和网络接入服务，相比于铺设光缆或微波中继所需的大量人工、基建和维护费用，用无线方式接入低轨卫星系统更为高效和便捷。

现有通信卫星星座系统的卫星运行轨道也多为倾角大于70°的高倾角轨道，并且有较多星座系统采用近极轨道，例如OneWeb的卫星运行在87°倾角轨道上，以及Telesat的卫星运行在99.5°倾角轨道上，这样可以利用轨道的高倾角满足星座对南北两极的覆盖，最终实现对全球范围的宽带服务或者移动通信服务。

针对星座的服务性能，由于新兴低轨通信星座系统的卫星规模较大，数量众多的通信卫星在提高星座对地面某地覆盖重数的同时，也使地面终端可以灵活地选择通信条件最好的卫星接
入，这样间接提高了地面终端的通信仰角，例如铱星系统的地面仰角为8.3°而星链系统的地面通信仰角可达40°，这样可以避免在通信过程中受到树木或建筑等的遮挡影响，提升了系统的服务质量。

2.1.3星间链路
星间链路是同轨道面内相邻2颗卫星之间，以及异轨道面内2颗卫星之间建立的通信链路，使多颗在轨卫星形成以卫星为交换节点的空间通信网络，实现卫星之间的信息传输和交换。

星间链路属于无线链路，例如铱星系统采用微波星间链路而星链系统则采用激光星间链路，目前微波傳输的最高速率是1 Gbit/s级，而激光链路的传输速率可达到10～40 Gbit/s，更适合空间宽带组网需求[7]。

由于OneWeb星座没有配置星间链路，每颗卫星都配有一个弯管有效载荷，采用透明转发工作模式，只能在用户和地面站同时位于卫星视线（LOS）范围内的区域提供服务，若考虑500个关口站时，与无星间链路相比，增加星间链路可能会使总系统容量增加33%[8]，但系统配置星间链路的同时也要求卫星具备星上处理以及星间交换的能力，增加设计卫星的复杂性。

通过对现有通信星座星间组网状态以及应用需求分析，未来在星座内配置星间通信链路将势在必行。

这样可以减少低轨通信卫星星座运行对地面信息网络的依赖性，从而为全球范围内的各类应用提供更加灵活可靠的通信及宽带接入等多种服务。

尤其是激光通信链路的建立，将极大提高星间的数据传输速率，增加系统宽带组网的通信容量，而且不存在频谱资源和频率干扰等方面的问题[7]。

不仅如此，激光通信载荷还具有体积小和重量轻的特点，便于整星结构的布局优化，更适应多星发射需求。

2.2系统建设意义
卫星通信可实现远距离的话音、数据、图像传输及合作对象信息采集等业务功能，是通信和信息监听的重要手段，随着国家战略利益的不断拓展，对建立覆盖全球的通信网络提出了强烈需求，迫切需要建立我国自主控制的低轨通信卫星星座系统。

具备全球服务能力不仅可以为用户在航空航海、地球南北极等地面通信网络覆盖盲区活动提供通信支持，还对我国在全球范围内的维和维权、国际救援和科学考察、资源运输等活动具有重要意义[9]。

斯诺登棱镜门事件、汶川地震事件、马航客机事件、新冠疫情事件等自然和社会事件的发生，使相关部门重新审视我国在信息安全、信息监视及应急服务等领域的应对和保障能力，建立一个自主控制的全球安全信息通信网络对国家至关重要。

此外，低轨卫星星座系统的建设，还将刺激国内在芯片、材料、工艺、产业结构等基础领域的创新和发展，寻求新的技术突破。

对商业航天及传统航天企业在管理和技术等方面也提出了更高的要求，大批量航天产品的生产、测试和验收，以及卫星快速发射、星座运维管控等需求均对传统航天产业带来了机遇和挑战。

2.3系统建设制约因素
随着国内外低轨星座的建设增多，低频段频谱资源有限的状态将会突出低轨之间的频率资源协调问题，采用Ka频段通信的低轨卫星系统还会涉及到与同步轨道卫星在频率资源方面的冲突，因此在低轨星座设计时，除了要抢占低轨部署先机，还必须充分考虑频率的共用或干扰规避问题。

解决这些问题一方面，可以充分利用频率复用技术来实现大的系统容量[10]；另一方面，针对高轨卫星需要采用一定的干扰规避策略，例如OneWeb卫星在赤道附近上空采取的渐进俯仰技术[11]。

不同于遥感卫星星座只需几颗星即可开展应用服务，由于较强的实时性和连续性要求，低轨通信卫星星座系统提供各类应用服务的核心在于必须部署一个较为完整的星座，实现对全球或特定区域的连续覆盖。

星座的规模、单颗卫星的造价、发射成本、星座备份及星座运营等都需要大量的经费。

相对于高轨卫星，低轨卫星的寿命较短，星座系统的技术更新和迭代也更为频繁，而用户终端价格和使用费用也将成为用户规模扩大的阻碍。

因此在建设初期需要有大量社会资本的注入，以及国家财政和政策的支持引导。

3低轨卫星星座通信应用构想
3.1市场前景
随着卫星互联网正式被纳入新基建，预计2020年我国市场规模将超800亿元。

低轨卫星星座要健康平稳的运行，一方面需要有完备的产业链，包括卫星制造、卫星发射、地面基站及终端设备及卫星运营服务等环节；另一方面必须依赖于巨大的用户市场，这就需要深入挖掘传统地面领域的移动通信和宽带接入市场潜力，积极开拓物联网、公共安全及信息普惠等领域的市场。

其中，物联网被看作是低轨星座应用的蓝海，在物流管理、交通运输、能源通道安全、防灾减灾及区域安防等领域，采用基于低轨卫星的物联网系统将是最优的技术手段。

3.2主要应用需求
低轨卫星星座系统是典型的前期高投入、后期高收益的巨大工程，在应用需求方面，主要有移动通信、卫星广播、宽带通信及信息采集等。

从目前的行业形势来看，主要的应用需求如下：
①政府应急救灾：在地震、洪水、疫情等灾害应急过程中，利用低轨卫星系统的全覆盖以及重点区域集中覆盖特点，能够快速响应，为灾区及时提供同外界的通信服务，并为相关部门提供数据采集、数据传输等服务，尽快掌握灾情动态从而依次进行决策。

②信息普惠：低轨卫星星座能够为偏远地区以及高原山区等地的分散人口提供数据通信和网络接入服务，相比于铺设光缆或微波中继所需的大量人工、基建和维护费用，用无线方式接入低轨卫星系统更为高效和便捷。