低軌通信衛(wèi)星星座的建設(shè)與構(gòu)想

張有志

摘要：隨著航天產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，基于低軌星座的通信、導(dǎo)航、遙感等方面的應(yīng)用規(guī)劃方案日益增多，尤其是通信衛(wèi)星星座的建設(shè)炙手可熱，而我國由于受限于特殊國情和國際政治環(huán)境等因素，在低軌通信衛(wèi)星星座方面發(fā)展緩慢。鑒于此，在對比和總結(jié)國外各類低軌通信衛(wèi)星星座的構(gòu)成和發(fā)展演進(jìn)情況基礎(chǔ)上，提出了低軌通信衛(wèi)星星座系統(tǒng)的建設(shè)和發(fā)展方向建議，并對星座建設(shè)過程中可能存在的一些問題進(jìn)行了簡要論述。

關(guān)鍵詞：低軌通信星座；星座建設(shè)；多功能融合；天地一體化

中圖分類號：TN927文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1008-1739（2020）17-70-4

0引言

相較于地球同步軌道上的通信衛(wèi)星，研發(fā)和部署位于低地球軌道上的通信衛(wèi)星有著諸多優(yōu)勢，例如軌道高度降低帶來的低通信時(shí)延，以及衛(wèi)星體積和重量降低帶來的低研發(fā)成本和低發(fā)射部署成本等優(yōu)點(diǎn)。目前，國內(nèi)外低軌衛(wèi)星星座系統(tǒng)的建設(shè)工作在如火如荼地開展，且多集中在通信系統(tǒng)領(lǐng)域。早期的低軌通信衛(wèi)星星座系統(tǒng)充分利用衛(wèi)星覆蓋不受地理和距離限制的特點(diǎn)，主要用于滿足地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)不發(fā)達(dá)地區(qū)，以及空域和海域作業(yè)時(shí)的個(gè)人移動(dòng)通信需求服務(wù)等。

近年來，隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展和地面通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，低軌衛(wèi)星在寬帶接入、導(dǎo)航增強(qiáng)和衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域的應(yīng)用也在不斷探索和發(fā)展。我國低軌衛(wèi)星通信由于受到國內(nèi)發(fā)達(dá)地面移動(dòng)通信系統(tǒng)的挑戰(zhàn)，以及國際關(guān)系和地緣政治等因素的影響而發(fā)展緩慢。面對如今寬帶通信的快速發(fā)展，從滿足人民日益增長的美好生活需要和國家戰(zhàn)略安全考慮，亟需加快我國低軌通信衛(wèi)星星座的建設(shè)和發(fā)展。

1低軌通信衛(wèi)星星座發(fā)展現(xiàn)狀

1.1典型通信衛(wèi)星星座的發(fā)展

上世紀(jì)末和本世紀(jì)初，國外涌現(xiàn)了一批低軌通信衛(wèi)星星座系統(tǒng)，典型的包括銥星（Iridium）、軌道通信（ORBCOMM）及全球星（GlobalStar）等。以銥星為例，1987年在汽車電子和通信電子領(lǐng)域處于絕對領(lǐng)先地位的摩托羅拉公司，正式提出了在太空建立銥星系統(tǒng)進(jìn)行全球網(wǎng)絡(luò)覆蓋的概念，于1998年完成建設(shè)并開始運(yùn)營。設(shè)計(jì)出發(fā)點(diǎn)正是基于地面微波基站覆蓋密度低，移動(dòng)電話通信質(zhì)量差。銥星系統(tǒng)作為地面通信網(wǎng)絡(luò)的補(bǔ)充，實(shí)現(xiàn)了“把地面基站搬到天上”的創(chuàng)新性操作。但由于該系統(tǒng)完全為語音通信而設(shè)計(jì)，僅能提供2.4 kbit/s的窄帶低速數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，并且衛(wèi)星通話的掉話率高達(dá)8%[1]，同時(shí)，高昂的使用費(fèi)無法切中用戶使用痛點(diǎn)，以至于運(yùn)營不到一年便宣告破產(chǎn)。

而隨著近年來地面通信網(wǎng)絡(luò)的蓬勃發(fā)展，以及由此帶來的技術(shù)水平飛速提升和通信需求不斷更新，這幾個(gè)典型低軌通信星座系統(tǒng)又重新煥發(fā)出了新的生命活力，通過繼承和改造原有系統(tǒng)，均適應(yīng)性地開發(fā)出了二代衛(wèi)星系統(tǒng)，并借著成熟的衛(wèi)星制造業(yè)和火箭發(fā)射服務(wù)而迅猛發(fā)展，又由于在頻率、軌位以及星座構(gòu)型等方面的繼承性[2]，使得這些系統(tǒng)先天具有先發(fā)優(yōu)勢，尤其是在低軌通信衛(wèi)星的軌道和頻率資源競爭愈發(fā)激烈的今天，顯得尤為重要。

1.2新型通信衛(wèi)星星座的發(fā)展

隨著商業(yè)航天的蓬勃發(fā)展，以及互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用服務(wù)的普及和應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，國際上又涌現(xiàn)出了一批像一網(wǎng)（OneWeb）、星鏈（StarLink）及通信衛(wèi)星（Telesat）等新興的低軌通信星座計(jì)劃。相較于傳統(tǒng)航天產(chǎn)業(yè)，這類商業(yè)公司運(yùn)作的星座系統(tǒng)通常衛(wèi)星體積較小，質(zhì)量較輕，衛(wèi)星研制生產(chǎn)成本降低的同時(shí)，還采取一箭多星的發(fā)射方式降低發(fā)射成本。這些系統(tǒng)主要用于開展面向個(gè)人和企業(yè)的高帶寬低時(shí)延的互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)，以及面向全球用戶的低成本、大連接量的物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。這些星座系統(tǒng)中的佼佼者當(dāng)屬太空探索公司的星鏈計(jì)劃，自2019年5月發(fā)射第一批星鏈衛(wèi)星起，截至2020年8月SpaceX以一箭60星的方式，已經(jīng)發(fā)射了10批共600余顆星鏈衛(wèi)星，一躍成為全球擁有在軌衛(wèi)星數(shù)量最多的公司，而根據(jù)SpaceX公司CEO馬斯克的表述，星鏈服務(wù)最初將在2020年提供給加拿大和北美客戶，并在2021年進(jìn)一步擴(kuò)大服務(wù)范圍至世界其他地區(qū)。

2低軌通信衛(wèi)星星座建設(shè)

2.1衛(wèi)星星座空間系統(tǒng)構(gòu)成

2.1.1衛(wèi)星星座構(gòu)型

衛(wèi)星運(yùn)行的軌道參數(shù)稱為軌道六根數(shù)，其中軌道半長軸和偏心率決定了軌道大小和形狀，軌道傾角、升交點(diǎn)赤經(jīng)和近地點(diǎn)幅角決定了軌道在空間中的方位和指向，真近點(diǎn)角決定了衛(wèi)星在軌道上的位置，6個(gè)參數(shù)共同決定了某一時(shí)刻衛(wèi)星在空間的位置。

衛(wèi)星星座是由按照某種規(guī)則分布在預(yù)定軌道上的多顆衛(wèi)星組成的系統(tǒng)[3]，通常這些衛(wèi)星功能相近或相同，軌道的半長軸、偏心率和軌道傾角也相同，升交點(diǎn)赤經(jīng)的個(gè)數(shù)即為組成星座的軌道面?zhèn)€數(shù)，升交點(diǎn)赤經(jīng)相同的衛(wèi)星在軌道面內(nèi)以不同的近地點(diǎn)幅角和真近點(diǎn)角區(qū)分。典型的星座構(gòu)型有Walker傾斜軌道星座和近極軌道星座等[4]，2種星座構(gòu)型各有特色。

例如全球星星座（GlobalStar）和GPS導(dǎo)航衛(wèi)星星座系統(tǒng)均采用Walker傾斜軌道星座，這些星座具有節(jié)點(diǎn)衛(wèi)星分布均勻的特點(diǎn)[5]，其空間構(gòu)型具有極強(qiáng)的對稱性，且更適合用于對中低緯度地區(qū)的覆蓋；采用近極軌道星座構(gòu)型的系統(tǒng)包含Iridium和OneWeb等星座，對兩極地區(qū)具有良好的覆蓋性，并且在這種構(gòu)型下星座中相鄰軌道之間（除反向縫外）的衛(wèi)星相對運(yùn)動(dòng)變化比較緩慢，更容易建立穩(wěn)定的異軌星間鏈路。

2.1.2衛(wèi)星軌道參數(shù)

通信衛(wèi)星星座系統(tǒng)主要有軌道高度低、軌道傾角高的特點(diǎn)。國際上現(xiàn)有的通信衛(wèi)星星座系統(tǒng)大多分布在軌道高度為550～1 500 km的低軌空間范圍內(nèi)，充分利用衛(wèi)星通信距離短、傳輸時(shí)延小的優(yōu)勢，相較于運(yùn)行在約36 000 km高度軌道上的通信衛(wèi)星，一跳通信傳輸時(shí)延（終端—衛(wèi)星—終端）可由240 ms降至10 ms，極大地提升了用戶的使用體驗(yàn)[6]。

現(xiàn)有通信衛(wèi)星星座系統(tǒng)的衛(wèi)星運(yùn)行軌道也多為傾角大于70°的高傾角軌道，并且有較多星座系統(tǒng)采用近極軌道，例如OneWeb的衛(wèi)星運(yùn)行在87°傾角軌道上，以及Telesat的衛(wèi)星運(yùn)行在99.5°傾角軌道上，這樣可以利用軌道的高傾角滿足星座對南北兩極的覆蓋，最終實(shí)現(xiàn)對全球范圍的寬帶服務(wù)或者移動(dòng)通信服務(wù)。

針對星座的服務(wù)性能，由于新興低軌通信星座系統(tǒng)的衛(wèi)星規(guī)模較大，數(shù)量眾多的通信衛(wèi)星在提高星座對地面某地覆蓋重?cái)?shù)的同時(shí)，也使地面終端可以靈活地選擇通信條件最好的衛(wèi)星接入，這樣間接提高了地面終端的通信仰角，例如銥星系統(tǒng)的地面仰角為8.3°而星鏈系統(tǒng)的地面通信仰角可達(dá)40°，這樣可以避免在通信過程中受到樹木或建筑等的遮擋影響，提升了系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量。

2.1.3星間鏈路

星間鏈路是同軌道面內(nèi)相鄰2顆衛(wèi)星之間，以及異軌道面內(nèi)2顆衛(wèi)星之間建立的通信鏈路，使多顆在軌衛(wèi)星形成以衛(wèi)星為交換節(jié)點(diǎn)的空間通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星之間的信息傳輸和交換。星間鏈路屬于無線鏈路，例如銥星系統(tǒng)采用微波星間鏈路而星鏈系統(tǒng)則采用激光星間鏈路，目前微波傳輸?shù)淖罡咚俾适? Gbit/s級，而激光鏈路的傳輸速率可達(dá)到10～40 Gbit/s，更適合空間寬帶組網(wǎng)需求[7]。由于OneWeb星座沒有配置星間鏈路，每顆衛(wèi)星都配有一個(gè)彎管有效載荷，采用透明轉(zhuǎn)發(fā)工作模式，只能在用戶和地面站同時(shí)位于衛(wèi)星視線（LOS）范圍內(nèi)的區(qū)域提供服務(wù)，若考慮500個(gè)關(guān)口站時(shí)，與無星間鏈路相比，增加星間鏈路可能會(huì)使總系統(tǒng)容量增加33%[8]，但系統(tǒng)配置星間鏈路的同時(shí)也要求衛(wèi)星具備星上處理以及星間交換的能力，增加設(shè)計(jì)衛(wèi)星的復(fù)雜性。

通過對現(xiàn)有通信星座星間組網(wǎng)狀態(tài)以及應(yīng)用需求分析，未來在星座內(nèi)配置星間通信鏈路將勢在必行。這樣可以減少低軌通信衛(wèi)星星座運(yùn)行對地面信息網(wǎng)絡(luò)的依賴性，從而為全球范圍內(nèi)的各類應(yīng)用提供更加靈活可靠的通信及寬帶接入等多種服務(wù)。尤其是激光通信鏈路的建立，將極大提高星間的數(shù)據(jù)傳輸速率，增加系統(tǒng)寬帶組網(wǎng)的通信容量，而且不存在頻譜資源和頻率干擾等方面的問題[7]。不僅如此，激光通信載荷還具有體積小和重量輕的特點(diǎn)，便于整星結(jié)構(gòu)的布局優(yōu)化，更適應(yīng)多星發(fā)射需求。

2.2系統(tǒng)建設(shè)意義

衛(wèi)星通信可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的話音、數(shù)據(jù)、圖像傳輸及合作對象信息采集等業(yè)務(wù)功能，是通信和信息監(jiān)聽的重要手段，隨著國家戰(zhàn)略利益的不斷拓展，對建立覆蓋全球的通信網(wǎng)絡(luò)提出了強(qiáng)烈需求，迫切需要建立我國自主控制的低軌通信衛(wèi)星星座系統(tǒng)。具備全球服務(wù)能力不僅可以為用戶在航空航海、地球南北極等地面通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋盲區(qū)活動(dòng)提供通信支持，還對我國在全球范圍內(nèi)的維和維權(quán)、國際救援和科學(xué)考察、資源運(yùn)輸?shù)然顒?dòng)具有重要意義[9]。斯諾登棱鏡門事件、汶川地震事件、馬航客機(jī)事件、新冠疫情事件等自然和社會(huì)事件的發(fā)生，使相關(guān)部門重新審視我國在信息安全、信息監(jiān)視及應(yīng)急服務(wù)等領(lǐng)域的應(yīng)對和保障能力，建立一個(gè)自主控制的全球安全信息通信網(wǎng)絡(luò)對國家至關(guān)重要。

此外，低軌衛(wèi)星星座系統(tǒng)的建設(shè)，還將刺激國內(nèi)在芯片、材料、工藝、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)等基礎(chǔ)領(lǐng)域的創(chuàng)新和發(fā)展，尋求新的技術(shù)突破。對商業(yè)航天及傳統(tǒng)航天企業(yè)在管理和技術(shù)等方面也提出了更高的要求，大批量航天產(chǎn)品的生產(chǎn)、測試和驗(yàn)收，以及衛(wèi)星快速發(fā)射、星座運(yùn)維管控等需求均對傳統(tǒng)航天產(chǎn)業(yè)帶來了機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

2.3系統(tǒng)建設(shè)制約因素

隨著國內(nèi)外低軌星座的建設(shè)增多，低頻段頻譜資源有限的狀態(tài)將會(huì)突出低軌之間的頻率資源協(xié)調(diào)問題，采用Ka頻段通信的低軌衛(wèi)星系統(tǒng)還會(huì)涉及到與同步軌道衛(wèi)星在頻率資源方面的沖突，因此在低軌星座設(shè)計(jì)時(shí)，除了要搶占低軌部署先機(jī)，還必須充分考慮頻率的共用或干擾規(guī)避問題。解決這些問題一方面，可以充分利用頻率復(fù)用技術(shù)來實(shí)現(xiàn)大的系統(tǒng)容量[10]；另一方面，針對高軌衛(wèi)星需要采用一定的干擾規(guī)避策略，例如OneWeb衛(wèi)星在赤道附近上空采取的漸進(jìn)俯仰技術(shù)[11]。

不同于遙感衛(wèi)星星座只需幾顆星即可開展應(yīng)用服務(wù)，由于較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性和連續(xù)性要求，低軌通信衛(wèi)星星座系統(tǒng)提供各類應(yīng)用服務(wù)的核心在于必須部署一個(gè)較為完整的星座，實(shí)現(xiàn)對全球或特定區(qū)域的連續(xù)覆蓋。星座的規(guī)模、單顆衛(wèi)星的造價(jià)、發(fā)射成本、星座備份及星座運(yùn)營等都需要大量的經(jīng)費(fèi)。相對于高軌衛(wèi)星，低軌衛(wèi)星的壽命較短，星座系統(tǒng)的技術(shù)更新和迭代也更為頻繁，而用戶終端價(jià)格和使用費(fèi)用也將成為用戶規(guī)模擴(kuò)大的阻礙。因此在建設(shè)初期需要有大量社會(huì)資本的注入，以及國家財(cái)政和政策的支持引導(dǎo)。

3低軌衛(wèi)星星座通信應(yīng)用構(gòu)想

3.1市場前景

隨著衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)正式被納入新基建，預(yù)計(jì)2020年我國市場規(guī)模將超800億元。低軌衛(wèi)星星座要健康平穩(wěn)的運(yùn)行，一方面需要有完備的產(chǎn)業(yè)鏈，包括衛(wèi)星制造、衛(wèi)星發(fā)射、地面基站及終端設(shè)備及衛(wèi)星運(yùn)營服務(wù)等環(huán)節(jié)；另一方面必須依賴于巨大的用戶市場，這就需要深入挖掘傳統(tǒng)地面領(lǐng)域的移動(dòng)通信和寬帶接入市場潛力，積極開拓物聯(lián)網(wǎng)、公共安全及信息普惠等領(lǐng)域的市場。其中，物聯(lián)網(wǎng)被看作是低軌星座應(yīng)用的藍(lán)海，在物流管理、交通運(yùn)輸、能源通道安全、防災(zāi)減災(zāi)及區(qū)域安防等領(lǐng)域，采用基于低軌衛(wèi)星的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)將是最優(yōu)的技術(shù)手段。

3.2主要應(yīng)用需求

低軌衛(wèi)星星座系統(tǒng)是典型的前期高投入、后期高收益的巨大工程，在應(yīng)用需求方面，主要有移動(dòng)通信、衛(wèi)星廣播、寬帶通信及信息采集等。從目前的行業(yè)形勢來看，主要的應(yīng)用需求如下：

①政府應(yīng)急救災(zāi)：在地震、洪水、疫情等災(zāi)害應(yīng)急過程中，利用低軌衛(wèi)星系統(tǒng)的全覆蓋以及重點(diǎn)區(qū)域集中覆蓋特點(diǎn)，能夠快速響應(yīng)，為災(zāi)區(qū)及時(shí)提供同外界的通信服務(wù)，并為相關(guān)部門提供數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸?shù)确?wù)，盡快掌握災(zāi)情動(dòng)態(tài)從而依次進(jìn)行決策。

②信息普惠：低軌衛(wèi)星星座能夠?yàn)槠h(yuǎn)地區(qū)以及高原山區(qū)等地的分散人口提供數(shù)據(jù)通信和網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)，相比于鋪設(shè)光纜或微波中繼所需的大量人工、基建和維護(hù)費(fèi)用，用無線方式接入低軌衛(wèi)星系統(tǒng)更為高效和便捷。

③海洋及民航應(yīng)用：可用于船只、民航飛機(jī)的航標(biāo)信息采集，特殊情況下輔助遇險(xiǎn)搜救工作的開展，向用戶提供航行中的移動(dòng)通信及寬帶接入服務(wù)等。

④公共安全：能夠?yàn)楣病⑽渚ňS穩(wěn)、反恐、緝毒、邊防和消防等）、海關(guān)和交警等提供面向公共安全的通信保障、目標(biāo)監(jiān)視、信息采集等服務(wù)。

⑤物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用：可用于野生動(dòng)物保護(hù)、科學(xué)考察、市政公共設(shè)施監(jiān)控管理、農(nóng)業(yè)園林監(jiān)視管理、智慧交通、物流等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

3.3發(fā)展趨勢

未來的低軌衛(wèi)星星座將作為一種基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)于生活的每個(gè)角落，正如在使用地面網(wǎng)絡(luò)時(shí)不會(huì)感受到基站的存在一樣，衛(wèi)星星座中的每一個(gè)衛(wèi)星都將充當(dāng)“空中基站”的角色，只不過功能要更加豐富和強(qiáng)大。首先，在傳統(tǒng)移動(dòng)通信服務(wù)基礎(chǔ)上，高帶寬大容量的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)將是主流應(yīng)用服務(wù)，并且需要在此基礎(chǔ)上積極開展星地一體化移動(dòng)通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，特別是與地面5G網(wǎng)絡(luò)的連接。低軌衛(wèi)星星座系統(tǒng)可利用其全球覆蓋的特性彌補(bǔ)地面5G網(wǎng)絡(luò)通信覆蓋不足的短板，同時(shí)5G網(wǎng)絡(luò)的更高傳輸速率，亦可提升低軌星座系統(tǒng)的用戶體驗(yàn)。

其次，隨著我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建成與開通，衛(wèi)星定位服務(wù)應(yīng)用將越來越廣泛。通信、導(dǎo)航、遙感等多種功能的異構(gòu)衛(wèi)星和衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)以及地面網(wǎng)絡(luò)設(shè)施之間，通過衛(wèi)星自主管理、高速星間鏈路，高低軌協(xié)同組網(wǎng)等技術(shù)組成的“天地一體化”網(wǎng)絡(luò)，將形成一個(gè)廣域覆蓋與熱點(diǎn)地區(qū)覆蓋相結(jié)合的信息傳輸與分發(fā)網(wǎng)絡(luò)，能夠全方位立體化地獲取信息，并結(jié)合大數(shù)據(jù)和云計(jì)算等技術(shù)更好地實(shí)現(xiàn)未來全球性、綜合型、網(wǎng)絡(luò)化的信息服務(wù)與應(yīng)用。

4結(jié)束語

互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展和通信技術(shù)的不斷創(chuàng)新，給每個(gè)人的生產(chǎn)和生活都帶來了翻天覆地的變化，未來低軌通信衛(wèi)星星座系統(tǒng)的建成也將會(huì)極大提升互聯(lián)網(wǎng)的用戶體驗(yàn)，擴(kuò)大應(yīng)用邊界，使人民的生活再上一個(gè)臺階。但在看到衛(wèi)星星座系統(tǒng)美好應(yīng)用前景的同時(shí)，也要深刻認(rèn)識到國內(nèi)在基礎(chǔ)制造等領(lǐng)域與國外的差距，仰望星空的同時(shí)還要腳踏實(shí)地，努力提升基礎(chǔ)制造能力，并保證技術(shù)的自主可控[12]。

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