天地一體化信息網絡低軌移動及寬帶通信星座發展設想

孫晨華，肖永偉，趙偉松，周坡

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天地一體化信息網絡低軌移動及寬帶通信星座發展設想

孫晨華，肖永偉，趙偉松，周坡

（中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081）

隨著全球互聯網和物聯網服務的延伸，可以實現包括南北兩極在內全球無縫覆蓋的低軌通信星座又一次進入了發展機遇期。通過分析國外典型星座的特點，結合我國“科技創新2030—重大項目”：天地一體化信息網絡重大工程的發展背景，提出了一種創新的低軌移動及寬帶通信星座方案構想，并給出了發展建議，希望能夠為相關系統研制提供參考。

低軌通信星座；衛星移動通信；衛星互聯網星座

1 引言

低軌通信星座相對于高軌通信星座而言，具有更低的傳輸時延、更好的全球覆蓋性（包括南北兩極），可以更好地克服南山效應，終端有可能更小，速率有可能更高。因此，20世紀80年代末，美國等發達國家就開始發展低軌通信星座。我國以“天通一號”“中星16”等為代表的同步軌道移動和寬帶衛星通信系統的建設，為解決個人移動通信、小型終端高速傳輸等提供了有效手段，也大大提高了我國遠距離通信服務能力。但是隨著我國“一帶一路”倡議的提出及不斷推進，通信傳輸保障“走出去”的需求迫切，利用低軌通信星座實現全球覆蓋，提供移動和寬帶各類服務，成為解決通信傳輸保障“走出去”的重要選擇。

2 國內外發展現狀

2.1 國外典型系統概況

目前全球無論是已經運營的典型系統還是新的研究發展計劃，主要由美國引領其技術和市場發展[1]，美國具有全產業鏈的先進技術，具有頻率軌位的戰略儲備，從而奠定了其發展基礎。另外，由于美國低軌通信星座系統起步早，不僅切合了當時地面移動不發達情況下的個人移動通信需求，同時充分利用星座覆蓋地域不受限制和距離遠的特點，提供航空航海等服務。主要的系統如圖1所示。

圖1 美國引領的全球低軌通信星座發展

圖1中包括Iridium、ORBCOMM、Globalstar 3個典型低軌通信星座系統，O3b（other 3 billion，另外30億）1個中軌系統以及OneWeb、SpaceX、LeoSat等新的星座計劃。Iridium、ORBCOMM、Globalstar發展之初，地面移動通信落后，低軌通信星座系統突出了對海上、偏遠地區以及當前萬物互聯（物聯網）背景下地面移動難以到達地域的覆蓋優勢。隨著需求的不斷更新和技術水平的發展，這幾個典型系統均由一代向二代轉變，呈現出載荷能力更強、功能更綜合、應用定位更準確的趨勢，但是保持了頻率、軌位以及星座構型的持續性，O3b中軌系統主要為大客戶提供互聯網接入服務。OneWeb、SpaceX等主要開展面向個人的寬帶互聯網業務。

（1）全球唯一的星間組網、全球無縫覆蓋的Iridium一代、二代系統

Iridium是目前世界上唯一支持包括兩極在內的全球無縫覆蓋服務的系統，采用星間鏈路組網，不依賴全球布站實現用戶間互通。一代系統于1998年5月建成，二代系統Iridium NEXT于2007年啟動。

Iridium一代、二代星座由分布在6 個軌道面上的66 顆衛星組成，軌道高度780 km，用戶鏈路采用L頻段。Iridium二代通過對一代衛星的逐步替換，實現更大容量、更高業務速率以及更多功能[2]，L頻段業務高達1.5 Mbit/s，Ka頻段業務高達8 Mbit/s。Iridium二代還具備氣候變化監視、多光譜對地成像、空間氣象監視、航空監視、導航增強等功能。強大的載荷能力也使得該系統業務定位由最早的個人移動通信，發展到了綜合業務。正是由于該系統的諸多特點，使得它在低軌通信星座市場占比最高，2015年營業收入達到4億美元。

一代和二代Iridium系統的主要技術參數見表1。

（2）典型無星間鏈路，依托地面關口站運行的ORBCOMM及Globalstar一代、二代系統

創建于1993年的ORBCOMM公司，是一家領先的“機器到機器”和物聯網解決方案供應商，公司提供支持基于衛星網（不僅是ORBCOMM星座，也可利用Inmarsat和Globalstar星座）和蜂窩網的服務。1996年2月，依托ORBCOMM星座，該公司啟動全球首個低軌通信星座服務，提供全球數據通信商業服務。ORBCOMM低軌通信星座系統包括約40顆衛星及16個地面站，衛星分布在距地面740～975 km的7個軌道面上，關口站分布在13個國家。用戶鏈路采用VHF頻段，無星間鏈路，采用存儲轉發模式，可以為世界上任何地方提供廉價的跟蹤、監視和消息服務。二代ORBCOMM[3]與一代相比，衛星質量增加到原來的4倍，接入能力增加了6倍，見表2。目前擁有世界上最大的天基AIS（automatic identification system，船舶自動識別系統）網絡服務，目前每天處理來自大約15萬艘船只的超過1 800萬條AIS消息。

Globalstar系統與ORBCOMM相類似，無星間鏈路設計，需要依托關口站實現服務，采用玫瑰星座（高度1 400 km），48顆衛星，用戶鏈路采用L、S頻段[4]，采用彎管透明轉發設計，服務區域受限于關口站部署。Globalstar二代系統提高了系統容量和數據速率，新增互聯網接入服務、ADS-B（automatic dependent surveillance-broadcast，廣播式自動相關監視）、AIS等新業務。

表1 Iridium一代到二代系統配置及能力對比

（3）在軌提供互聯網接入服務的中軌O3b系統

O3b系統是目前唯一成功運營的中軌星座寬帶衛星通信系統。從其名稱可以看出，其建設目標是讓亞洲、非洲、大洋洲和美洲地區缺乏上網條件的“另外30億人”能夠通過衛星接入互聯網。該星座位于8 062 km的中軌道，采用多點波束、透明轉發模式，用戶速率可達百Mbit/s量級，如2.4 m天線可達300 Mbit/s以上。運營上，與地面運營商合作，提供4G基站回程、地面電信干線傳輸、石油和天然氣企業離岸平臺通信、海上寬帶通信等服務，支持偏遠地區高品質互聯網接入，如圖2所示。O3b一代到二代系統發展見表3。

表2 ORBCOMM一代到二代系統發展

（4）先進的互聯網星座計劃—OneWeb和SpaceX計劃

OneWeb公司提出以低軌衛星群來普及互聯網業務，使小型用戶終端能夠高速低時延地接入互聯網。

圖2 O3b基站回程服務

表3 O3b一代到二代系統發展

OneWeb將發射720顆衛星完成初期構建，軌道高度1 200 km，18個軌道面，采用透明轉發，基于地面關口站，提供直接面向用戶的Ku頻段互聯網接入服務。OneWeb單星重量不大于150 kg，單星容量可達5 Gbit/s以上，可以為0.36 m口徑天線的終端提供50 Mbit/s的互聯網接入服務[6]。OneWeb現已獲得美國FCC授權，可以在美國提供互聯網服務。計劃2018年開始發射，2019年提供服務。后續考慮對星座進行擴展，增加1 972顆衛星。OneWeb公司采取多種技術和管理措施，降低成本，向產業化方向發展，追求衛星制造的標準化、自動化，可將單星成本控制在50萬美元，預計每天可生產3顆。采用一箭多星發射節約成本。

SpaceX計劃構想了4 000多顆星的星座，進一步降低衛星成本，通過火箭回收技術，降低發射成本。開創商業互聯網衛星新時代。

2.2 國外典型系統發展特點及啟示

（1）特點

早期發展的低軌通信星座系統，占據了最有利的低頻段資源，繼續保持其頻段低、波束寬、無縫覆蓋所需衛星數量少的優勢，在傳統個人移動通信的基礎上，向物聯網及多功能方向發展。“移動通信+物聯網應用”成為低軌移動通信星座發展的共識。例如Iridium NEXT支持ADS-B業務，Globalstar二代系統支持ADS-B、AIS業務，ORBCOMM本身就定位于M2M（machine to machine，機器與機器）業務，二代還增加了AIS等。衛星物聯網業務已經成為新的經濟增長點，ORBCOMM在近幾年出現了快速的增長，保持了每年10%的收入增速，特別是2014—2015年，其收入增長了幾乎70%。

新的星座計劃主要基于寬帶互聯網需求，采用Ku、Ka高頻段實現高速率，通過成倍甚至10倍以上的衛星數量盡可能實現連續覆蓋。由于單星速率高、星間交換需要的容量大、技術復雜、成本高，因此，目前大多計劃均未考慮配置星間鏈路，這樣也使得其服務地域范圍受到限制。

作為地面來講，構建多種星座與地面移動網融合的綜合服務網絡，實現天地互補、不同星座互補，ORBCOMM公司的天地融合服務網絡是最好的案例。

寬帶互聯網接入服務的普及與推廣應用，促進了低軌互聯網星座的發展。隨著衛星通信技術和衛星平臺能力提升，為降低系統費效比，“小衛星大容量”成為低軌互聯網星座發展的顯著特征。例如OneWeb，衛星重量約150 kg，單星容量可達5 Gbit/s。

（2）啟示

國外的典型系統發展歷程，給人們很好的啟示。

? 要發展星座，必須先要有頻率資源儲備。Iridium、ORBCOMM、Globalstar等20世紀80年代開始發展，占領全球低頻段資源先機。根據ITU先登先占的原則，其他同類星座頻率申報變得非常困難。對于新的NGSO衛星網絡頻率申報，基本需要提前5~10年的儲備或者合作獲得。

? 基于星間鏈的空間組網是突破全球地面布站限制的唯一選擇，也是實現全球無縫服務的唯一選擇。Iridium是唯一真正實現全球無縫服務的低軌通信星座。Globalstar、OneWeb均采用星上透明轉發，需要依托關口站實現服務，而且服務區域受限于關口站部署。Globalstar全球部署24個關口站，OneWeb計劃部署55~75個關口站提供服務，即使這樣也很難提供全球服務能力。我國發展星座可優先考慮基于星間鏈路和星間組網的方案，彌補全球部署關口站不方便的不足。

? 成本控制、先進的技術、多渠道融資，也是星座良好發展的重要保障。低軌通信星座系統由于衛星數量多、系統復雜、維護成本高，與同步軌道衛星相比投入大，因此不僅要考慮技術實現，還必須同期考慮融資和運營。

3 我國低軌通信星座現狀

3.1 我國發展低軌通信星座的必要性

低軌通信星座是保障全球無縫通信的最佳途徑。隨著我國經濟和社會的發展，國家經濟貿易、科技、文化等領域的利益不斷向海外拓展，我國在全球的利益對實時無縫信息保障有很大需求。GEO（geosynchronous orbit，地球同步軌道）衛星由于其軌道特性，無法實現全球覆蓋。而且在GEO衛星發展上我國已經取得了很大進步，但在低軌通信星座方面，與國外先進水平還有很大差距，因此發展低軌通信星座十分必要。

低軌通信星座是爭取空間戰略資源的重要舉措。目前，可用于全球衛星移動通信的黃金頻段L/S頻段被瓜分殆盡；低軌Ku、Ka頻段資源也幾乎被新興互聯網星座的申報資料填滿。因此，我國必須加快發展低軌通信星座，搶占可用頻率使用權，為確立太空優勢奠定基礎。

3.2 國內發展情況

我國低軌移動通信星座發展目前處于單星試驗和系統規劃階段，總體上看，與美國等發達國家相比，按照形成能力的時間計算，預計落后20年以上。

“十五”期間組織了低軌通信星座論證，安排了相關關鍵技術攻關；“十一五”期間上海小衛星等單位，發射了多顆存儲轉發類小衛星，并得到應用；“十二五”期間，清華大學與北京信威通信技術股份有限公司（以下簡稱信威公司）聯合研制的靈巧通信試驗衛星成功發射，測試驗證了低軌衛星開展語音、數據、圖像、互聯網等多種業務。目前，中國航天科技集團公司（以下簡稱航天科技）、信威公司、中國航天科工集團有限公司（以下簡稱航天科工）、中國科學院長春光學精密機械與物理研究所等單位以及科技部依托中國電子科技集團牽頭論證的天地一體化信息網絡重大工程等提出多個低軌通信星座系統規劃方案。航天科工的“虹云”工程計劃，以天基互聯網接入為主要目標，規劃發射156顆小衛星；航天科工的“行云”工程計劃，以物聯網服務為主要目標，預計部署50余顆低軌小衛星；航天科技的“Universe Link”計劃，以互聯網接入、物聯網服務為目標，預計部署54+270余顆衛星。

4 低軌移動和寬帶互聯綜合星座構想

4.1 天地一體化信息網絡重大工程與低軌通信星座

天地一體化信息網絡重大工程是國家科技創新2030先期啟動的4個科技重大工程之一，總體架構如圖3所示，由天基骨干網、天基接入網和地基節點網組成。天基骨干網由GEO軌道的若干（6個）節點聯網而成，天基接入網則以低軌節點為主，地基節點網由多個地面互聯的地基節點（關口站及信息港）組成。天基骨干網、天基接入網和地基節點網構成天地一體的網絡來支撐戰略安全通信、移動寬帶服務、熱點區域增強、聯合信息支援、航天信息支援、防災減災服務、反恐維穩支持、航空信息服務、海洋信息服務和信息普惠服務等十大典型應用。

低軌接入網主要采用星座部署、空間組網的方式，提供全球無縫覆蓋的移動、寬帶通信服務，通過搭載載荷支持航空/航海監視、頻譜監測、導航增強以及廣域物聯網服務等。

低軌接入網規模考慮12個軌道面，軌道高度800~1 100 km，重大工程實施考慮部署120個節點，后續可擴展到240個節點。星座構型采用近極軌道，拓撲相對穩定，南北極在內全球覆蓋，組網方式采用星間鏈路、星間路由，不依賴地面站提供實現全球服務能力。關口站以國內布站為主，可根據國外業務拓展，在境外拓展部署關口站。

圖3 天地一體化信息網絡重大工程總體架構

首期部署60個綜合節點，以星上處理模式為主，支持廣泛的移動通信、ADS-B、AIS等功能，兼顧有限的寬帶通信能力。后期根據需要增加軌道面和衛星數量，增加60個寬帶增強節點，以透明轉發為主，兼顧星上處理模式，主要提供按需調配的互聯網寬帶接入服務。低軌接入網設計主要融合了國外經典的Iridium和新的互聯網星座計劃的特點及服務能力。

低軌接入網配置同軌道面星間鏈路和異軌道面星間鏈路，同軌道面采用激光星間鏈路，異軌道面采用Ka頻段星間鏈路[7]。用戶鏈路主要以L、Ka頻段為主，L頻段面向用戶提供移動通信服務和物聯網服務，Ka頻段為重點用戶提供寬帶通信和互聯網接入服務。低軌接入網網絡架構如圖4所示。

低軌接入網支持中低速移動業務容量不小于300 Mbit/s，寬帶業務中透明轉發帶寬不小于60 GHz（按照2 bit/（s·Hz）頻譜效率計算，通信容量可達120 Gbit/s），星上處理容量不小于10 Gbit/s。對于移動通信手持類終端，上行接入速率不小于64 kbit/s，接收可達1 Mbit/s；對于小型化低功耗物聯網終端接入速率可達600 bit/s，接入用戶數可達1億；對于典型的0.5 m口徑寬帶接入終端，要求上行接入速率不小于2 Mbit/s，接收速率不小于50 Mbit/s。

4.2 低軌接入網設計的創新點

低軌接入網設計具有如下創新點：寬窄結合、功能綜合，逐步演進、柔性擴展，全球覆蓋、無縫服務，空間組網、安全互聯，軟件定義、靈活重構，智能感知、共譜利用，高低互聯、地基融合。

（1）寬窄結合、功能綜合，逐步演進、柔性擴展，全球覆蓋、無縫服務，空間組網、安全互聯

基于低軌通信星座全球覆蓋的特性，提出移動業務、寬帶業務、ADS-B、AIS、廣域物聯、導航增強等多功能綜合設計思路。移動業務，支持單節點容量不小于5 Mbit/s，總容量不小于300 Mbit/s；寬帶業務單用戶可達50 Mbit/s，用戶數不小于50個；配置ADS-B載荷，單節點支持不小于3 000架飛機航空監視，具備全球實時服務能力；配置AIS載荷，單節點支持每分鐘不少于3 000艘船舶信息采集能力；面向廣域物聯，支持小型低功耗物聯端使用，發射功率不大于地面手機標準；支持導航信號增強、導航信息增強等多種方式的導航增強服務。配置兩類衛星節點，各有側重、協同工作滿足移動為主的各類應用和寬帶接入應用。

圖4 低軌接入網網絡架構

（2）軟件定義、靈活重構，智能感知、共譜利用，高低互聯、地基融合

軟件定義主要包括路由控制、波形、天線波束等方面軟件定義，路由控制主要采用SDN控制器+數據面轉發的思路[8]，波形重構主要對采用的技術體制可以進行軟件上注重構，天線波束軟件定義是指采用智能化天線技術，可以調整大小、功率、覆蓋范圍等。智能感知、共譜利用[9,10]是指基于感知實現與其他系統無干擾/低干擾共存，降低頻軌協調難度和應用風險，一是可利用ITU“落地功率譜小于噪聲功率譜6%”規則，構建擴頻低速信令網；二是基于星地聯合感知，選擇空閑載波傳輸業務，實現與高軌系統同頻段共存。高低互聯、地基融合，是指可與高軌骨干節點互聯，節點數量較少時，用于提高連續覆蓋性和覆蓋范圍，數量較多時，可提供天基控制面備份；地基融合方面，主要是指與地面4G/5G融合實現業務服務無感互補，低軌地基節點、管控均與高軌地基節點統一設計；應用終端方面，高軌、低軌、地面移動等模式綜合設計。基于擴譜和頻譜感知的頻譜資源利用示意如圖5所示。

5 低軌通信星座涉及的關鍵技術

5.1 技術體系

天基接入網低軌通信星座技術體系包括總體設計、天地一體技術體制設計、空間平臺及載荷設計、應用系統設計、運維管控設計、星地一體化測控設計等多個方面，如圖6所示。

圖5 基于擴譜和頻譜感知的頻譜資源利用示意

圖6 天基接入網低軌通信星座技術體系框

總體設計主要包括體系結構設計、星座軌道部署與仿真、頻率設計與協調、業務模型設計等。天地一體技術體制設計主要包括對移動通信傳輸體制[11,12]、寬帶接入傳輸體制、寬窄帶協同通信體制、混合路由交換體制[13]等體制的設計。空間平臺及載荷設計主要包括平臺及載荷一體化設計、L頻段相控陣天線設計、毫米波相控陣天線設計、長壽命高可靠性小型化激光終端設計和綜合處理載荷設計等。應用系統設計主要包括多功能終端型譜設計、導航增強應用設計、寬帶互聯網接入應用設計、物聯網應用設計和航空監視應用設計等。運維管控設計主要包括載荷管理與控制設計、無線資源管理與控制設計、移動性管理設計、基于頻譜感知的動態資源分配等。星地一體化測控設計主要包括星座測控總體架構設計、基于地基節點的測控設計和星間測控及數傳一體化設計等。

5.2 關鍵技術

（1）寬窄帶協同通信技術

使用Ka點波束實現全球無縫覆蓋，基于本文所提方案，其技術實現難度過高，可以采用寬窄帶協同通信技術來為用戶提供按需接入的高速數據業務。用戶可以通過全球連續覆蓋的L頻段信號接入網絡，并在需要時申請Ka寬帶波束，做到根據用戶的實際需求，采用動態點波束的方式提供高速數據服務，對全球特定地區和熱點用戶提供動態寬帶接入服務。

（2）低軌通信星座移動性管理技術

與高軌系統不同，低軌通信星座相對地面用戶在高速運動，地面終端會不斷在波束、衛星間進行切換。與此相關的用戶信道資源管理、數據鏈路管理、用戶錨點管理等移動性管理問題變得非常復雜。實現可用、可靠和安全的用戶移動性管理是系統的關鍵。

（3）基于頻譜感知的動態資源分配技術

利用頻譜感知技術，可對特定的頻段頻譜進行掃描，尋找授權用戶沒有使用的以及通過空分復用可以共用的頻率，動態分配給低軌通信星座使用，解決目前固定分配頻譜普遍存在的頻率資源十分緊張、國際競爭激烈、協調難度非常大的問題。

6 結束語

低軌通信星座的發展建設要加強對關鍵技術的攻關，利用創新思維，突破掌握核心技術，始終堅持軍民融合的發展思路，吸取國外經驗教訓，充分考慮與未來地面移動通信網絡的融合共處，打造具有國際競爭力的優質產業鏈，最后低軌通信星座的發展離不開國家政策扶持和機關統籌協調配合。

總之，建立一個全球覆蓋、多功能綜合、可平滑演進的低軌通信星座是提升我國衛星通信能力，滿足國家利益全球擴展需求的重要舉措。

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Development conception of space-ground inteyrated information network LEO mobile and broadband internet constellation

SUN Chenhua, XIAO Yongwei, ZHAO Weisong, ZHOU Po

The 54th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Shijiazhuang 050081, China

With the extension of global internet and IoT (internet of things), LEO (low earth orbit) communication constellation which can achieve seamless coverage of the world including the two poles once again meets the opportunity for development. An innovative scheme of LEO mobile and broadband internet constellation was proposed after analyzing the characteristics of typical foreign constellations and combining with Science and Technology Innovation 2030 Major Project: Space Integrated Ground Network. Development suggestions that can lay the foundation for relevant research and system construction were presented.

LEO constellation, mobile satellite communication, satellite internet constellation

TN91

A

趙偉松，970468344@qq.com

10.11959/j.issn.1000?0801.2017334

2017?11?05；

2017?12?01

孫晨華（1964?），女，中國電子科技集團公司第五十四研究所研究員、所級副總工程師，主要研究方向為衛星通信。

肖永偉（1976?），男，中國電子科技集團公司第五十四研究所高級工程師、總設計師，主要研究方向為衛星通信。

趙偉松（1990?），男，中國電子科技集團公司第五十四研究所助理工程師、總設計師助理，主要研究方向為衛星通信。

周坡（1978?），男，中國電子科技集團公司第五十四研究所工程師、主任設計師，主要研究方向為衛星通信。