低軌寬帶通信衛(wèi)星系統(tǒng)定義、工作原理及其發(fā)展趨勢分析

低軌寬帶通信衛(wèi)星系統(tǒng)定義、工作原理及其發(fā)展趨勢分析

——低軌寬帶通信衛(wèi)星系統(tǒng)定義低軌寬帶道通信衛(wèi)星系統(tǒng)由大量（通常為數(shù)百或數(shù)千顆）低軌道小型通信衛(wèi)星組成衛(wèi)星系統(tǒng)/星座，通常使用Ku、Ka、Q/V等高頻頻段進(jìn)行寬帶通信。部分低軌寬帶道通信衛(wèi)星系統(tǒng)中包含少量中高軌衛(wèi)星，其多作為節(jié)點/中轉(zhuǎn)星，大部分通信數(shù)據(jù)鏈仍在低軌衛(wèi)星和地面之間完成。由于地球曲率的影響，高軌道衛(wèi)星能夠以更少的數(shù)量實現(xiàn)全球覆蓋，而低軌道衛(wèi)星則需要成百甚至上千顆衛(wèi)星組成星座才能實現(xiàn)全球覆蓋，即“站得高，看得遠(yuǎn)”。在衛(wèi)星制造成本和發(fā)射成本高居不下的時代，低軌道衛(wèi)星系統(tǒng)由于組網(wǎng)復(fù)雜、所需發(fā)射量大，并不具備經(jīng)濟可行性。近年來，伴隨技術(shù)的進(jìn)步，衛(wèi)星的體積、質(zhì)量、成本逐步下降、可靠性、集成度不斷提升，同時伴隨火箭發(fā)射成本的顯著下降，低軌道小型衛(wèi)星系統(tǒng)的大規(guī)模部署已逐漸具備條件。按照通信衛(wèi)星運行的軌道不同，衛(wèi)星通信（系統(tǒng)）可分為：低軌道（LEO）衛(wèi)星通信：LEO衛(wèi)星較小，運行于距地面500-2000km的軌道上，具有傳輸時延（Starlink雙向通信時延為50-70ms）、覆蓋范圍、鏈路損耗、功耗較小等特征。典型系統(tǒng)為美國銥星通訊公司(IRDM)的第二代銥星系統(tǒng)。中軌道（MEO）衛(wèi)星通信：MEO衛(wèi)星運行于距地面2000-20000km的軌道上，其傳輸時延（MEO衛(wèi)星系統(tǒng)O3b雙向通信時延約為300ms）、覆蓋范圍、鏈路損耗、功耗大于LEO但小于GEO。典型系統(tǒng)為英國Inmarsat公司的國際海事衛(wèi)星系統(tǒng)。高軌道（GEO）同步衛(wèi)星通信：GEO衛(wèi)星運行于距地面35800km的地球同步靜止軌道上。傳統(tǒng)的GEO通信系統(tǒng)的技術(shù)最為成熟，但由于存在較長的傳播時延（雙向通信時延500ms以上）和較大的鏈路損耗，在實時通信中存在顯著的延遲。StarLinkKu頻段波束覆蓋示意圖資料來源：CNKI低軌小衛(wèi)星一般指運行于距地面500-2000km的軌道上，重量在1000kg以下的現(xiàn)代衛(wèi)星，具有通信、導(dǎo)航、遙感等一種或多種功能。雖然小衛(wèi)星在工作功率、有效載荷、在軌功能等方面弱于大型衛(wèi)星，但在低軌通信衛(wèi)星系統(tǒng)中，小衛(wèi)星較低的功率反而更加節(jié)能（低軌道離地面距離較近，信號傳輸所需功率相對較?。?，且其有限的功能可以通過龐大的衛(wèi)星數(shù)量來彌補。加之小衛(wèi)星較大衛(wèi)星具有成本低、研制周期短、發(fā)射靈活等特點，因而低軌通信系統(tǒng)中往往以小衛(wèi)星為主。低軌寬帶通信衛(wèi)星系統(tǒng)的優(yōu)勢1）輕小型化：與傳統(tǒng)通信衛(wèi)星系統(tǒng)中重達(dá)幾噸的衛(wèi)星相比，低軌通信衛(wèi)星系統(tǒng)中使用的小衛(wèi)星重量通常在1噸以下。輕型復(fù)合材料技術(shù)以及集成化應(yīng)用是小衛(wèi)星輕型化發(fā)展的重要前提。衛(wèi)星的重量下降使得單次發(fā)射所能搭載的衛(wèi)星數(shù)量進(jìn)一步提升，從而降低了平均發(fā)射成本。2）制造成本低：傳統(tǒng)大衛(wèi)星的研制周期一般需要5年左右，且項目投資大、發(fā)射費用高、項目風(fēng)險大。小衛(wèi)星的研制周期一般為2年左右，研制成本大大降低。此外，低軌通信衛(wèi)星系統(tǒng)所需衛(wèi)星數(shù)量龐大，有望極大地降低衛(wèi)星制造邊際成本。3）靈活發(fā)射：小衛(wèi)星可以作為大衛(wèi)星的附屬物一起發(fā)射，也可以是幾十甚至上百個微小衛(wèi)星搭載同一個火箭一齊發(fā)射。運載和發(fā)射工具包括火箭、導(dǎo)彈、空間飛行器等，發(fā)射地點可以為地面、大氣層或太空平臺。4）冗余組網(wǎng)：小衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的快速部署能力和抗毀能力強。利用大量小衛(wèi)星組成冗余備份，當(dāng)某顆衛(wèi)星失效或摧毀時，附近衛(wèi)星可以快速補位。雖然單顆小衛(wèi)星功能有限，但通過多顆微小衛(wèi)星組成衛(wèi)星系統(tǒng)或編隊進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)部署，呈現(xiàn)出空間拓展優(yōu)勢。5）信號接收方便：地球同步軌道（高軌道）衛(wèi)星對用戶終端接收機性能要求較高，其需要采用12米以上的星載天線(L波段)對準(zhǔn)衛(wèi)星進(jìn)行通信以保證通信速率，而手持機難以直接通過衛(wèi)星進(jìn)行高速通信。低軌通信衛(wèi)星對用戶終端的要求低，可以采用微型/小型手持用戶終端，如Starlink系統(tǒng)可通過大小為6-9寸便攜式地面設(shè)備（帶有支撐桿的圓盤結(jié)構(gòu)，裝有可自動追蹤衛(wèi)星的相控陣天線，插入插座并保持露天即可工作）實現(xiàn)高速通信，較高軌道衛(wèi)星接收信號更加方便。6）低時延：傳統(tǒng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)多采用中軌或高軌衛(wèi)星，以減少衛(wèi)星部署數(shù)量。然而中軌、高軌衛(wèi)星離地面較遠(yuǎn)，導(dǎo)致其雙向通信時延分別為300ms和500ms量級；而低軌衛(wèi)星雙向通信時延為50ms左右，具有天然的時延優(yōu)勢。小衛(wèi)星相對大衛(wèi)星的優(yōu)缺點資料來源：CNKI——低軌寬帶通信衛(wèi)星系統(tǒng)工作原理低軌通信衛(wèi)星系統(tǒng)與傳統(tǒng)通信衛(wèi)星系統(tǒng)工作原理較為相似：以個人通信為例，衛(wèi)星通信系統(tǒng)通過在地球表面形成蜂窩狀服務(wù)小區(qū)，服務(wù)區(qū)內(nèi)用戶至少被一顆衛(wèi)星覆蓋，對應(yīng)的衛(wèi)星在處理語音與數(shù)據(jù)等多種信息的同時，與陸地?zé)o線移動通信網(wǎng)相互協(xié)調(diào)配合，使用戶通過所持的便攜式移動終端將信號直接發(fā)向最近的衛(wèi)星，再經(jīng)衛(wèi)星之間的轉(zhuǎn)發(fā)，把信號傳送到地面電話網(wǎng)中的接收用戶，從而完成在全球范圍內(nèi)的個人通信。盡管每顆低軌道衛(wèi)星所能覆蓋的地域比同步衛(wèi)星小得多，但由于離地表近，其信號強度、可使用頻率、數(shù)據(jù)帶寬等都遠(yuǎn)強于同步衛(wèi)星。典型衛(wèi)星通信系統(tǒng)示意圖資料來源：《中國衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)發(fā)展白皮書》根據(jù)應(yīng)用方向和支持的業(yè)務(wù)，低軌通信衛(wèi)星系統(tǒng)可以劃分為移動和寬帶兩類。其中低軌移動通信衛(wèi)星系統(tǒng)采用L、S低頻段工作，以中低帶寬業(yè)務(wù)為主，支持面向手持移動通信和低功耗小型化物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，如Iridrum（銥星系統(tǒng)）、Globalstar（全球星系統(tǒng)）；低軌寬帶通信衛(wèi)星系統(tǒng)又稱為低軌高通量衛(wèi)星系統(tǒng)，采用Ku、Ka、Q/V等高頻段工作，衛(wèi)星數(shù)量多，以中高速業(yè)務(wù)為主（幾十兆比特每秒到吉比特每秒量級），支持互聯(lián)網(wǎng)接入、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點互聯(lián)以及基站回程等服務(wù)，如OneWeb計劃、Starlink（星鏈）計劃等。此外，低帶寬的移動通信星座接收器較為簡單，可為手持機、船載/車載站、一體化終端等；而低軌寬帶通信衛(wèi)星一般無法直接與用戶終端通信，需要地面設(shè)備中轉(zhuǎn)信號，如Starlink計劃使用大小為6-9寸地面設(shè)備中轉(zhuǎn)信號，但仍較高軌通信衛(wèi)星系統(tǒng)接收信號更方便?！蛙壨ㄐ判l(wèi)星系統(tǒng)發(fā)展趨勢：高頻、高通量是未來主流發(fā)展方向自20世紀(jì)90年代以來，低軌寬帶通信衛(wèi)星系統(tǒng)開始受到各國廣泛關(guān)注，但由于發(fā)射成本、建設(shè)成本高，推進(jìn)緩慢。近年來，隨著衛(wèi)星小型化、輕量化、低軌道發(fā)射成本的大幅下降，以及物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，低軌通信星座迎來了新的發(fā)展高潮。以L、S、VHF等低頻段為主的Iridrum、“全球星”（Globalstar）、“軌道通信”（Orbcomm）系統(tǒng)等傳統(tǒng)低軌移動通信星座已經(jīng)完成升級換代，并向高頻高速、多功能綜合、物聯(lián)網(wǎng)方向發(fā)展；以Ku、Ka頻段甚至Q/V等更高頻段的寬帶互聯(lián)網(wǎng)星座計劃呈現(xiàn)爆發(fā)式增長，如OneWeb公司、SpaceX公司、低軌衛(wèi)星公司（LEOSat）、加拿大電信衛(wèi)星公司（TeleSat）相關(guān)計劃。高頻高速已成