國外低軌衛星通訊系統發展現狀
來源 https://zhuanlan.zhihu.com/p/658550537
國外低軌衛星通訊系統發展現狀
國外低軌衛星通訊星座的發展過程
國外典型低軌窄帶衛星通訊系統
早期衛星質量大、研製週期長、製造成本高，短時間內難以完成大規模低軌星座的部署。20 世紀 80 年代的小衛星技術熱潮對星座的發展起了巨大的推動作用，20 世紀 90 年代初期，低軌通訊星座開始盛行，最多時有十幾個衛星通訊星座計劃，典型的系統包括“銥星系統”、ORBCOMM 和“全球星”系統其中第一代“銥星系統”因商業化運營失敗而破產，ORBCOMM 是低成本的資料通訊和定位系統，“全球星”主要是滿足國防、邊遠、沙漠地區通訊的需要，填補了地面通訊網的空白。
全球主要低軌窄帶衛星星座
| ORBCOMM | Iridium/Iridium Next | GlobalStar | |
| 在軌衛星數量 | 47 | 66 LEO+6 |
48+8 |
| 軌道高度 | 780km | 780km | 1410km |
| 業務鏈路 工作頻段 |
UL:VHF：148-150Mhz DL: VHF：137Mhz-138Mhz |
L：1616-1626.5Mhz | L：1616-1626.5Mhz |
| 地面端 工作頻段 |
NA | UL:KA：19.4-19.6Ghz DL：KA：29.1-29.3Ghz |
UL:C:6875-7055Mhz DL:C:509-5250Mhz |
| 多址接入方式 | FDMA | FDMA/TDMA | CDMA/FDMA/SDMA |
| 業務型別 | 遠端檢測，定位跟蹤，端資料 | 語音，傳真，資料，尋呼 | 語音，傳真，資料，定位 |
ORBCOMM 系統：
ORBCOMM 系統是一個在全球範圍內提供雙向、窄帶的資料傳送、資料通訊以及定位業務的衛星通訊系統。系統主要由空間段、地面端和使用者終端三部分組成，系統星座由 47 顆（包括 6 顆 備用衛星）分佈在7 個軌道平面，系統透過地面網路控制中心實現對系統的管理。關口地面站一方面為衛星星座與關口站之間提供射頻鏈路，另一方面為特定服務區提供資訊處理和使用者管理功能。衛星控制中心則負責對衛星傳送控制指令，並收集和分析衛星的遙感資訊。Orbcomm公司已經建立了14個全球分佈的地面站，用以連線閘道器控制中心，進而實現較大區域的覆蓋。目前該系統已經在交通運輸、油氣田、水利、環保、漁船以及消防報警等方面發揮重要作用。
“銥星”系統：
銥星系統是美國摩托羅拉公司於 1987 年提出的一種利用低軌道星座實現全球個人衛星行動通訊的系統，它與現有的通訊網相結合，可以實現全球數字化個人通訊。“銥星系統”區別於其他衛星行動通訊系統的特點之一是衛星具有星間通訊鏈路，能夠不依賴地面轉接為地球上任意位臵的終端提供連線，因而系統的效能極為先進、複雜，這導致其投資費用較高。銥星系統由空間衛星段、地面段和使用者段三部分組成。Iridium Next 已在2019年1月完成了全部發射任務，隨後完成了第二代星座系統的網路組網。在Iridium Next部署後，其手持終端支援的資料業務將從現有的2.4kbit/s 增加到最高1.5Mbit/s，仍然工作在L頻段；行動式終端可以達到10Mbit/s,運輸式終端可達30Mbit/s,工作在KA頻段。
“全球星”系統：
該系統是美國 Loral和 Qualcomm（高通）公司發起的，是目前唯一正式商業執行的語音行動通訊系統。衛星系統由48 顆工作衛星和12 顆備用衛星組成。 “全球星”系統的衛星設臵彎管式（BentPipe）轉發器，透過地面建立不在同一衛星覆蓋區內的使用者的連線，因此，需要建立較多的閘道器地球站。全球星是一個星型結構的通訊系統，所有通訊都需要透過信關站交換。地面操作控制中心負責管理全球星系統的地面單元，執行網路計劃，分配通道使用資源，管理使用者計費賬單。衛星操作控制中心負責管理和控制衛星發射的工作、監視衛星在軌道上的工作情況，控制衛星的軌道操作等。“全球星”在主要的商業服務區（北緯 25°~49°）滿足任何時刻至少兩重覆蓋的要求，而其他地區則只要求保證一重覆蓋。
國外典型低軌寬頻衛星通訊系統
通訊技術和微小衛星技術的快速進步，使低軌衛星通訊星座在很多場景的應用成為了可能。2015 年前後，國外先後提出多個大規模低軌衛星通訊系統，例如 OneWeb、StarLink 等。國外企業建設的中軌和低軌寬頻衛星通訊系統中，以O3b公司、OneWeb 公司和 SpaceX 的星座計劃發展最為迅速；OneWeb 公司已有 6 顆低軌衛星在軌開展前期試驗，並在美國、英國、澳大利亞等 19 個國家初步取得落地權或市場準入授權；SpaceX 的 Starlink 星座已進入密集組網階段，截止目前位置已經發射4000顆衛星。
國外典型低軌道寬頻衛星星座（Source One Web）
Starlink 星座：
Elon Musk 的 SpaceX 計劃利用自己的獵鷹 9 號可回收火箭，建立一個由超過1 萬顆低軌通訊衛星組成的網際網路星座，為全球客戶提供高速寬頻網際網路服務。Starlink 系統將主要被用於為全球個人使用者、商業使用者、機構使用者、政府和專業使用者提供各種寬頻和通訊服務，部署 1600 顆衛星就能提供覆蓋全球的寬頻服務，系統建成後能為全球消費者和商業使用者提供高頻寬（最高每使用者1Gbps）。
OneWeb 星座：
第一代 Oneweb 低軌衛星系統將由 720 顆衛星及在軌備份星組成，星座總容量高達 5.4Tbit/s，每顆衛星的容量為 7.5Gbit/s，可為使用者提供下行200Mbit/s 和上行 50Mbit/s 的入服務，時延約為30ms。此外，Oneweb 還將建設一個由 1280 顆衛星構成的構成的低軌星座，並將根據服務需求和覆蓋區域內的業務量在這兩個星座之間動態分配業務。OneWeb 第一代星座計劃在全球部署55 至 75座衛星關口站。
OneWeb 藉助 Airbus 的飛機制造經營推進衛星研發流程的創新，採用模組化的設計製造思想實現工業化流水線生產，目前已形成 2 顆/天的生產能力。OneWeb 星座應用場景包括應急救援、高空低延遲寬頻、海上石化企業通訊、車載蜂窩網路、偏遠地區網路覆蓋等，目前正藉助巴蒂電信、休斯公司、Intelsat 等分銷商向終端使用者提供服務。2023年3月OneWeb星座組網已經完成，正在進行測試，計劃2023年年底開始商業服務。
Telesat星座：
加拿大的 Telesat 成立於 1969 年，在衛星通訊領域擁有數十年的經驗。其 LEO 計劃始於 2016 年， 2018 年它的第一顆（也是唯一一顆）LEO 衛星在軌道上發射並開始測試，並在 2021 年宣佈了其名為 Lightspeed 的 LEO 星座的詳細資訊，該星座由 298 顆衛星組成。Telesat 預計將於 2023 年開始發射衛星（在亞馬遜的藍色起源運載火箭上），該星座預計耗資 50 億美元。為了提供無與倫比的速度和效能，Telesat LEO 衛星網路採用了下一代技術，其中包括：結合了極地和傾斜軌道的混合軌道，可實現完整的全球覆蓋，包括極地地區。用於全數字調製、解調和資料路由的空間資料處理，以實現更高的容量和靈活性。相控陣天線，這是每顆衛星上的複雜天線，帶有跳頻波束，可以動態地將容量精確地集中在需要的地方。光學衛星間鏈路，用於資料以光速在衛星之間傳輸，以提供完全互連的全球網狀網路
亞馬遜柯伊伯
Project Kuiper 是網際網路公司亞馬遜的通訊衛星星座。該專案仍處於早期階段，尚未向太空發射任何衛星。長期計劃是在近地軌道 590 至630 公里之間有 3236 顆衛星在軌，提供全球寬頻網際網路。這些衛星將分為三大組，部署在三個不同的高度點——784 顆衛星將在 590 公里的高度執行，1,296 顆衛星在 610 公里的高度執行，1,156 顆衛星在 630 公里的高度執行。亞馬遜的星座還旨在透過使用更多衛星來比其他緯度更好地覆蓋地球的某些緯度。Kuiper 專案的衛星將與亞馬遜先前宣佈的AWS 地面站單元（一個由全球 12 個衛星設施組成的網路）合作，用於在軌道衛星之間傳輸資料。
國內發展現狀及趨勢
國內低軌衛星通訊系統發展現狀
在空間基礎設施、天地一體化資訊網路等重點專案建設，以及國內商業航天產業蓬勃發展等因素的共同推動下，國內低軌衛星通訊系統正處於快速發展階段。目前由各類企業、高校提出的星座建設計劃超過 10 個，“虹雲”星座、“鴻雁”星座成功完成試驗星的空中試驗，電科集團“天象”試驗 1 星、2 星在 2019 年完成發射。在民營企業主導的組網計劃中，“天啟”星座已完成 5 顆組網星發射，其天啟衛星物聯網系統正式上線，銀河航天低軌寬頻通訊衛星星座首發星於2020年 1月 16 日成功發射。
國內主要低軌道衛星星座
鴻雁全球衛星
鴻雁全球衛星星座通訊系統是中國航天科技集團公司計劃 2020 年建成的專案。該系統將由300 顆低軌道小衛星及全球資料業務處理中心組成，具有全天候、全時段及在複雜地形條件下的實時雙向通訊能力，可為使用者提供全球實時資料通訊和綜合資訊服務。
作為複合型、寬領域的星座系統，鴻雁星座整合了資料採集、資料交換、ABS-B、AIS、移動廣播、導航增強等多項衛星應用功能，特別適合於海洋海事、交通運輸、氣象環境、石油和天然氣、農林業、電力等需要對目標進行遠距離採集、監測的物聯網應用行業。對於個人使用者來說，鴻雁星座的雙向資料互動功能，可以保證這些使用者在無國內地面網路覆蓋的區域，如科考、登山、探險等活動的通訊需求，同時可以為應急救援提供有力保障。
航天科工集團“虹雲”工程
虹雲工程是中國航天科工五大商業航天工程之一，脫胎於中國航天科工的“福星計劃”，計劃發射 156 顆衛星，它們在距離地面1000 公里的軌道上組網執行，構建一個星載寬頻全球移動網際網路絡，實現網路無差別的全球覆蓋。
虹雲工程定位的使用者群體主要是叢集的使用者群體，包括飛機、輪船、客貨車輛、野外場區、作業團隊以及一些偏遠地區的村莊、島嶼等。無人機、無人駕駛行業等，都是虹雲工程未來可能服務的行業。虹雲工程以其極低的通訊延時、極高的頻率複用率、真正的全球覆蓋，可滿足中國及國際網際網路欠發達地區、規模化使用者單元同時共享寬頻接入網際網路的需求。同時，也可滿足應急通訊、感測器資料採集以及工業物聯網、無人化裝置遠端遙控等對資訊互動實時性要求較高的應用需求。
中國電科集團天地一體化資訊網路
天地一體化資訊網路是國家首批啟動的“科技創新2030—重大專案”之一，按照“天基組網、天地互聯、全球服務”的思路，建設全球覆蓋、隨遇接入、按需服務、安全可信的公用資訊基礎設施，為全球海陸空天各類使用者提供網路資訊服務。天地一體化資訊網路由天基骨幹網、天基接入網、地基節點網組成，並與地面網際網路和行動通訊網互聯互通，建成“全球覆蓋、隨遇接入、按需服務、安全可信”的天地一體化資訊網路體系，中國電科集團已將低軌衛星通訊星座納入其實施方案內，完成試驗系統第一階段研發工作。建成後衛星通訊將更加普及，可為使用者提供成本更加低廉、訊號更加優質、速率更高的資料傳輸服務，並幫助公眾在沙漠腹地、偏遠深山、遠離岸邊海上等行動通訊困難的特殊場景中，透過低軌接入網衛星服務實現“通訊自由”。
銀河航天“銀河 Galaxy”5G 星座
“銀河 Galaxy”衛星星座是由銀河航空公司主持研發的，銀河航天成立於2016 年，致力於透過敏捷開發、快速迭代模式，規模化研製低成本、高效能小衛星，打造全球領先的上千顆衛星組成的低軌寬頻通訊衛星星座，建立一個覆蓋全球的天地融合通訊網路。“ 銀河 Galaxy ”衛星星座由千百顆通訊衛星，在 500km-1200km 的近地軌道組成網路星座。覆蓋全球：星座能無縫擴充套件地面通訊網路，覆蓋陸地、航空、海上等全球各個區域。
目前，銀河航天首發星在酒泉衛星發射中心搭載快舟一號甲運載火箭發射成功，成為中國首顆通訊能力達 10Gbps 的低軌寬頻通訊衛星。銀河航天自主研製的首顆衛星，也是我國首顆由商業航天公司研製的 200 公斤量級的衛星，單星可覆蓋 30 萬平方公里，相當於大約50 個上海市的面積，軌道高1200Km。
國電高科天啟物聯網星座
天啟星座由38 顆低軌道、低傾角小衛星組成，其中36 顆採用軌道高度 900km、軌道傾角 45 度，每一軌道面6 顆衛星，共 6 個軌道面；另外還有 2 顆太陽同步軌道衛星。天啟星座初步組網執行後，時間解析度將達到4 小時，即能夠支援全球任意地點一天6 次訊號傳輸。
目前天啟星座的應用場景將從煤礦水文監測、泛在電力物聯網建設、海洋牧場監測管理，擴充到集裝箱跟蹤、漁船跟蹤監測、生態環境監測、水利工程監測、動植物保護跟蹤、自然災害預警等領域。
衛星通訊系統簡介
衛星通訊系統是指利用人造地球衛星作為中繼站轉發或發射無線電波，實現兩個或多個地球站之間或地球站與航天器之間通訊的一種通訊系統。衛星通訊的概念最早由阿瑟.拉克在 1945 年提出，1965 年美國“晨鳥”通訊衛星成功發射，衛星通訊技術正式進入實用階段。早期的衛星通訊系統基本實現資料通訊、廣播業務、電話業務等基本通訊需求，在航海通訊、應急通訊、軍事通訊、偏遠地區網路覆蓋等應用領域發揮不可替代的作用。隨著以高頻段（Ku、KA 等）、大容量、高通量為特點的寬頻通訊技術的成熟，透過通訊衛星實現網際網路接入已經成為可能。
衛星在空間中通常繞地球做無動力飛行，衛星運動所在的平面稱為軌道面，運動的軌跡稱為軌道。根據衛星軌道形狀、傾角、週期、高度等不同特徵，衛星軌道可以有不同的分類。對於衛星通訊系統來說，通常是根據衛星軌道高度進行分類，具體可分為靜止軌道（GEO，Geostationary Earth Oribt）、中軌（MEO，Medium Earth Orbit）和低軌（LEO，Low Earth Orbit）三種：
1. 靜止軌道衛星通訊系統（GEO）：通常指地球同步軌道通訊衛星系統，其軌道高度為 35786 公里，衛星運動方向與地球自轉方向相同，軌道面與地球赤道面重合，執行週期為一個恆星日（23 小時 56 分 4 秒），從地面上看衛星在空中是靜止不動的。
2. 低軌道衛星通訊系統（LEO）：衛星距地面高度在 500-2000 公里，系統通常由分佈於若干軌道平面上衛星構成的，衛星形成的覆蓋區域在地面快速移動，軌道週期通常在 2 個小時左右。
3. 中軌衛星通訊系統（MEO）：衛星距地面高度在 2000-35786 公里之間，單星覆蓋範圍大於低軌通訊衛星，是建立全球或區域衛星通訊系統的較優解決方案。
上述三種系統中，LEO 系統和 MEO 系統統稱為非靜止軌道通訊系統（NGSO，Non-GeoStationary Orbit）。在討論衛星通訊時，有時會以“高軌”來指代執行在GEO 軌道，相對的以“低軌”指代包括 MEO和 LEO的 NGSO 軌道。
衛星通訊系統由空間段、地面段和使用者段三部分構成：
1. 空間段：以通訊衛星為主體，衛星上的轉發其是通訊衛星的主要有效載荷，也是衛星通訊系統空間段最重要的功能組成，用於接收和轉發衛星通訊地球站發來的訊號，實現地球站之間或地球站與航天器之間通訊。
2. 地面段：包括支援行動電話、電視觀眾、網路運營商地面使用者訪問衛星轉發器，並實現使用者間通訊的所有設施，閘道器站是地面段的核心裝置。衛星通訊系統的地面段也包括地面的衛星控制中心（SCC，Satellite Control Center）和跟蹤、測控及指令站（TT&C，Tracking，Telemetry and Command station），SCC 和 TT&C 主要負責衛星發射階段的跟蹤和定位，下達變軌、太陽能電池板展開等動作指令，以及衛星在軌執行期間軌道監測和校正、干擾和異常問題監測與檢測等。
3. 使用者段：主要由各類終端使用者裝置組成，包括VSAT 小站、手持終端，以及搭載在車、船、飛機上的移動終端，以及基於衛星通訊的各種應用軟體和服務。
根據不同業務型別對無線電頻段也有大致的劃分：C 頻段、Ku 頻段和 KA 頻段是目前衛星通訊系統中使用最廣泛的頻段，C 頻段和 Ku 頻段主要用於衛星廣播業務和衛星固定通訊業務，頻寬有限且利用較早，目前頻譜的使用已趨於飽和；KA 頻段主要用於高通量衛星，提供海上、空中和陸地移動寬頻通訊。Q/V 頻段將是未來衛星通訊領域爭奪的重點，目前 ITU正在制定NGSO 衛星通訊中使用 Q/V 頻段的頻譜共享規則，以確保NGSO 系統與 GSO系統以及其他 NGSO 系統能夠共存，值得注意的是 2020 年 1 月 16 日銀河航天成功發射的 5G 星座的首發星是全球首顆Q/V 頻段的 NGSO 通訊衛星。
低軌衛星通訊系統的特點與優勢
與傳統的地球靜止軌道衛星通訊系統相比，低軌衛星通訊系統最顯著的特性在於其衛星工作軌道高度和系統複雜程度的不同，從而帶來單星技術、規模、成本上的差異，最終影響系統建設與運營成本以及系統可靠性。低軌衛星通訊星座的技術特點，也將影響系統的通訊質量，對地面終端裝置也提出了不同的技術和效能要求。此外，低軌衛星通訊系統可以採用蜂窩通訊、點波束、多址、頻率複用等技術，且通訊具有全球覆蓋、低延時等方面的優點，可以支援線上遊戲、視訊通話等實時或近實時資料傳輸，在與地面通訊骨幹網融合後可能將催生出新的應用場景。
從技術角度來看，低軌衛星通訊系統與高軌衛星通訊系統之間最主要的區別在於衛星軌道高度和單顆衛星通訊能力，由此帶來的具體的技術上的主要差異表現在以下幾方面：
1) 傳輸時延：高軌通訊衛星軌道高度為 35786 公里，每一跳（終端-衛星-終端）通訊傳輸時延約為 270 毫秒。目前主流的低軌星座的衛星大多位於1000~1400 千米上空，其通訊傳輸時延一跳約在7 毫秒左右，考慮到其他方面時延影響也可以做到50 毫秒以內，與地面光纖網路的時延相當。 傳輸損耗：低軌星座寬頻衛星軌道高度約為靜止軌道衛星軌道高度的1/30，則低軌衛星訊號自由空間損耗比靜止軌道衛星少 29.5dB，這是低軌衛星系統實現終端小型化和高速資料傳輸的基石。
2) 星下點移動速度：地球靜止軌道衛星運動速度與地球自轉速度相同，衛星4 時繞地球一週，相對地面靜止；低軌衛星運動速度約為 7.5 千米/秒，衛星 85~115 分鐘繞地球一週，相對地球表面高速運動，從而帶來多普勒頻移、地面終端天線指向跟蹤、波束間切換等技術問題。
3) 波束覆蓋：高軌通訊衛星軌道高度高、對地視場大，部署3 顆衛星即可實現對南北極點以外的全球覆蓋；低軌通訊衛星軌道高度低、單星對地覆蓋較小，必須透過多星組網才能實現全球覆蓋，避免遮擋帶來的通訊干擾問題，但也會因頻率複用難度增大帶來對通訊體制更高的要求。
4) 衛星容量：低軌衛星通訊系統單星體積小、重量輕，通訊能力弱，但整個系統通訊容量較高。如OneWeb 星座系統單個衛星設計質量僅125kg，單星容量約為 10Gb/s，整個星座將具有7Tb/s 的容量。Viasat-3 衛星系統由三顆衛星組成，單顆衛星設計重量約為6400kg，單星容量約為 1Tb/s，整個系統具有 3Tb/s 的容量。
5) 系統可靠性：低軌衛星通訊系統可靠性更高。第一，低軌星座衛星數量龐大，且分佈於多個軌道面，任意一顆或幾顆衛星損壞不會對系統造成大的影響；第二，低軌星座系統衛星造價較低，在軌一般都有多顆備份衛星，可以隨時代替損壞的衛星；第三，低軌衛星成本低，研製週期短，衛星體積小、重量輕，軌道高度低，容易進行應急補網發射。
低軌衛星通訊系統的價值和戰略意義
根據系統支援業務和應用領域的不同，低軌衛星通訊系統可分為窄帶行動通訊和寬頻網際網路通訊鏈兩個方向。窄帶行動通訊系統主要工作在 L、S 低頻段，以中低速率的通訊為主，支援手持行動通訊、物聯網服務等業務，典型系統有“銥星系統”（Iridium）、“全球星”系統（GlobalStar）等。寬頻網際網路通訊系統又可稱為高通量衛星通訊系統，主要工作在 Ku、KA 等高頻段，以中高速率的資料傳輸業務為主，支援網際網路接入、網路節點互聯等服務，典型系統包括目前 OneWeb、SpaceX等公司正在建設的低軌衛星通訊星座。
透過衛星通訊網和地面公用通訊網的融合，形成天空地一體化全球網路覆蓋，將在網際網路接入、物聯網等領域實現巨大的商業價值。國際電信聯盟 (ITU) 的最新估計顯示，仍有 37 億人沒有上網（佔全球人口的 49%），63% 的農村家庭沒有網際網路接入。此外，還有 15 億人居住在沒有高速移動資料覆蓋（4G LTE）的地區，而 6.07 億人居住在根本沒有移動資料覆蓋（至少 4G 或3G覆蓋）的地區。此外，3.13 億人居住在只有基本語音和短訊息服務 (SMS) 覆蓋（2G）的地區，2.2 億人居住在沒有蜂窩網路覆蓋的地區。 面對普及程度失衡帶來的社會不平等，全球尤其是欠發達地區的網際網路基礎設施繼續改善。對於傳統地面通訊網路開發商來說，在偏遠地區普及網際網路的困難在於裝置成本、資料成本、服務成本等方面，低軌網際網路星座具有全球覆蓋的天然屬性，成為促進全球網際網路均衡發展的最優選擇。物聯網廣泛的滲透在生活、生產的各個環節，天基通訊網路將彌補地面物聯網的短板。根據 GSMA 統計資料，全球物聯網裝置數量保持高速增長，到 2025 年，全球物聯網連線數將從 2018 年的 103 億增加到近 250 億。大範圍、跨地域、惡劣環境等資料採集是地面物聯網目前的主要短板，低軌衛星通訊系統可以很好的彌補地面網路的不足，使物聯網技術在促進經濟發展、推動工業企業升級轉型等方面發揮更大作用。
大規模部署近地軌道衛星具有及其重要的商業價值和國家戰略價值，而地球的低軌道空間可容納的衛星數量預計只有6萬顆，因此全球各國紛紛在圈地跑馬，搶佔地球低軌道空間的戰略資源。全球各國在軌的低軌衛星和未來的發射計劃的數量已經超過低軌衛星的容量。
近地軌道越來越擁擠，優質的軌道及頻率資源愈發稀缺，先發國家所佔的軌道及頻率資源不僅影響它國低軌衛星通訊發展規劃，甚至會威脅到它國的國防安全。建設自主可控的全球低軌衛星網際網路，是新基建戰略高度的議題。牢牢抓住網路資訊科技革命的重大歷史機遇，贏得空間資訊基礎設施競爭新優勢，積極構建自主技術體系和產業生態，可有效提升全球覆蓋、技術自主、安全可控的資訊網路服務能力，搶佔空間資訊領域發展制高點和主動權，為網路強國建設提供強大動能，為促進經濟社會發展、帶動衛星產業發展等提供有力的通訊保障手段。
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