低軌衛星星座系統動態跟蹤

國 志，劉 暢

（國家無線電監測中心，北京 100037）

1 低軌星座系統

自世界上第一顆人造衛星由蘇聯于1957年10月4日發射成功，并首次收到從人造衛星發來的無線電波開始，人類便開始嘗試通過衛星進行通信。20世紀90年代起，第一批以銥星、全球星為代表的衛星互聯網公司開始將衛星通信商業化，并嘗試與地面移動網絡爭奪市場。但中高軌的衛星通信由于時延長、帶寬窄、費用高，未能實現廣泛商用。而近些年以SpaceX 為代表的一批低軌星座系統，既有覆蓋范圍廣泛的優勢，又有足夠的帶寬和相對低的時延，以與地面網絡互為補充共同發展的運營策略，成為極有潛力的商業模式，并被資本市場看好。

低軌衛星星座主要使用質量在1，000 kg 以下的微小衛星。相比中高軌衛星，微小衛星具備研制周期短、研制發射成本低、發射方式靈活等突出優點。尤其是近年來，得益于微電子技術的進步，輕型材料的研制以及高功率太陽能電池的出現，小衛星得以迅速發展，被廣泛應用于全球民用通信、遙感氣象、地球科學、空間科學、行星探測、技術驗證等領域。

2 國外低軌衛星星座系統發展現狀

美國SpaceX 公司的星鏈計劃在2018年3月獲得審批，計劃于2025年前完成部署。星鏈使用Ku，Ka，Q/V 頻段，計劃在335 km–1325 km 軌道高度部署1.2萬顆衛星。首批4，425顆星單星容量20 Gb/s，系統吞吐量88 Tb/s，理論時延為25 ms。單星質量227 kg，設計壽命5年。星鏈計劃旨在為公眾提供廉價、快速的寬帶互聯網服務，是迄今為止提出的規模最大的星座項目。先后在2015–2019 年完成了5 輪融資，共計近30 億美元。SpaceX 通過火箭回收技術、自行研發各種部件等方式，大幅降低發射成本。其獵鷹重型火箭在最大有效載荷的情況下，每顆衛星的生產和發射成本低于50萬美元，遠低于其他競爭對手。

美國OneWeb 衛星網絡于2017年6月獲得審批，是美國首個獲批的星座計劃。使用Ku，Ka 頻段，計劃在1，200 km 軌道高度的18個軌道面部署1，920顆衛星。首批648顆星單星容量7.5 Gb/s，系統吞吐量5 Tb/s，單星質量150 kg，可提供400 Mb/s 的寬帶接入能力和32 ms 的延時，單星造價約100萬美元。或受2020年全球疫情的影響，3月28日，OneWeb 公司宣布申請破產保護，此前它已獲得34億美元投資。而僅僅幾天之前的3月21日，OneWeb 剛剛發射了34顆衛星。

加拿大Telesat 系統在2017年11月獲得審批，使用Ka 和V 頻段，計劃在1，000 km 和1，248 m 軌道高度的11個軌道面部署117顆衛星，單星容量22 Gb/s，系統吞吐量2.66 Tb/s，計劃2022年開始提供包括加拿大在內的區域性服務，2023年開通全球服務。

Leosat 公司成立于2013年，與其他星座不同是，其面向的客戶群體是垂直市場，包括企業、金融和政府，不面向個人用戶。Leosat 星座系統使用Ka 頻段，計劃在1，400 km 軌道高度的6個軌道面上部署108顆衛星。該星座采用星間鏈路技術，無需建立龐大的地面站網絡。2019年11月13日，Leosat 因缺乏投資而停止運作。

亞馬遜的Kuiper 星座于2019 年7 月向ITU 和FCC提交了頻率申請，該星座使用Ka 頻段，計劃于98個軌道面部署3，236顆衛星，分布在590 km、610 km 和630 km 的三個軌道面上。Kuiper 星座的設計力求使用較少的衛星數量、較低的有效載荷功率和高性能COTS 器件達到高頻譜利用率。

3 低軌衛星星座系統前景現狀和趨勢

幾年以內，隨著萬物互聯逐步落地，云計算、大數據、傳感器等產業將迎來爆發需求，進而帶動軟件、人工智能等更多產業的發展。5G 雖然可以解決傳輸速率問題，但是在覆蓋面上仍然有很大缺陷，即使是4G 現在也無法實現無死角全覆蓋。但是結合衛星星座網絡，萬物互聯、無人駕駛等應用將很快變成現實。

衛星星座系統的發展不僅在商業上有巨大的價值，在軍事戰略方面更是意義重大。根據國際電聯的規定，頻譜與軌道歸屬采用“先到先得”原則，美國已先行布局眾多天基系統。目前，各國的軍事衛星主要基于少量的大型高價值衛星，若這些衛星遭受攻擊，將對軍事通信造成致命打擊。而低軌衛星的快速研制和發射，及時投入使用，可有效避免這一威脅。我國在衛星星座系統領域相對落后，僅SpaceX 一家公司近2年發射6次共約360顆衛星，已經超過了中國當前所有在軌衛星總數。

近年來，我國也在國家戰略以及民間商業活動中啟動了諸多衛星互聯網的項目。2020年1月銀河航天已完成首次發射，鴻雁星座計劃于2020年進行試驗系統建設，九天微星計劃三年內發射72顆衛星，連尚網絡等公司也有相關計劃。目前，我國的項目計劃發射衛星都在千顆以下。

3GPP、ITU 兩大通信標準組織有報告顯示，天地融合通信和大規模物聯網應用或將成為未來衛星互聯網發展的方向。未來的發展將更加注重提高頻譜使用效率，增強系統的兼容性和可靠性。衛星頻率和軌位資源將成為衛星互聯網公司的主要爭奪點。2019年11月，國際電聯更新“非靜止軌道衛星星座頻譜的申請和使用規則”，要求運營商申請一個低軌星座和通信頻段后，必須在7年內發射第一顆衛星，然后在接下來的7年內按照兩年10%、5年50%、7年100%的節奏全部發射完畢。此方案將使已申請得到的頻譜資源變得更加寶貴。

4 結束語

全球衛星互聯網2020年的建設已經開始，以SpaceX公司為代表的低軌衛星互聯網企業已經進入了大批量部署階段，計劃今年入軌1，000多顆衛星，其衛星星座規模龐大，將占據寶貴的空間頻率和軌道資源。

低軌衛星星座系統初期投入巨大，建設周期較長，星座運營企業在3–5年內都屬于投入期，難以盈利。低軌衛星星座系統運營必將面向全世界，開展國際化競爭，其產品和服務需要具備較強的技術優勢和成本優勢才能脫穎而出。星座運營在較為激烈的市場競爭中，長期盈利的前景仍然具有一定不確定性。從小型衛星革命到地球觀測星座、超高通量衛星、軟件定義衛星、NGSO 星座，衛星產業創新步伐已加速到前所未有的水平。