国外低轨卫星通信系统发展现状

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国外低轨卫星通信系统发展现状

国外低轨卫星通信星座的发展过程

国外典型低轨窄带卫星通信系统

早期卫星质量大、研制周期长、制造成本高，短时间内难以完成大规模低轨星座的部署。20 世纪 80 年代的小卫星技术热潮对星座的发展起了巨大的推动作用，20 世纪 90 年代初期，低轨通信星座开始盛行，最多时有十几个卫星通信星座计划，典型的系统包括“铱星系统”、ORBCOMM 和“全球星”系统其中第一代“铱星系统”因商业化运营失败而破产，ORBCOMM 是低成本的数据通信和定位系统，“全球星”主要是满足国防、边远、沙漠地区通信的需要，填补了地面通信网的空白。

全球主要低轨窄带卫星星座

ORBCOMM 系统：

ORBCOMM 系统是一个在全球范围内提供双向、窄带的数据传送、数据通信以及定位业务的卫星通信系统。系统主要由空间段、地面端和用户终端三部分组成，系统星座由 47 颗（包括 6 颗 备用卫星）分布在7 个轨道平面，系统通过地面网络控制中心实现对系统的管理。关口地面站一方面为卫星星座与关口站之间提供射频链路，另一方面为特定服务区提供信息处理和用户管理功能。卫星控制中心则负责对卫星发送控制指令，并收集和分析卫星的遥感信息。Orbcomm公司已经建立了14个全球分布的地面站，用以连接网关控制中心，进而实现较大区域的覆盖。目前该系统已经在交通运输、油气田、水利、环保、渔船以及消防报警等方面发挥重要作用。

“铱星”系统：

铱星系统是美国摩托罗拉公司于 1987 年提出的一种利用低轨道星座实现全球个人卫星移动通信的系统，它与现有的通信网相结合，可以实现全球数字化个人通信。“铱星系统”区别于其他卫星移动通信系统的特点之一是卫星具有星间通信链路，能够不依赖地面转接为地球上任意位臵的终端提供连接，因而系统的性能极为先进、复杂，这导致其投资费用较高。铱星系统由空间卫星段、地面段和用户段三部分组成。Iridium Next 已在2019年1月完成了全部发射任务，随后完成了第二代星座系统的网络组网。在Iridium Next部署后，其手持终端支持的数据业务将从现有的2.4kbit/s 增加到最高1.5Mbit/s，仍然工作在L频段；便携式终端可以达到10Mbit/s,运输式终端可达30Mbit/s,工作在KA频段。

“全球星”系统：

该系统是美国 Loral和 Qualcomm（高通）公司发起的，是目前唯一正式商业运行的语音移动通信系统。卫星系统由48 颗工作卫星和12 颗备用卫星组成。 “全球星”系统的卫星设臵弯管式（BentPipe）转发器，通过地面建立不在同一卫星覆盖区内的用户的连接，因此，需要建立较多的网关地球站。全球星是一个星型结构的通信系统，所有通信都需要通过信关站交换。地面操作控制中心负责管理全球星系统的地面单元，执行网络计划，分配信道使用资源，管理用户计费账单。卫星操作控制中心负责管理和控制卫星发射的工作、监视卫星在轨道上的工作情况，控制卫星的轨道操作等。“全球星”在主要的商业服务区（北纬 25°~49°）满足任何时刻至少两重覆盖的要求，而其他地区则只要求保证一重覆盖。　

国外典型低轨宽带卫星通信系统

通信技术和微小卫星技术的快速进步，使低轨卫星通信星座在很多场景的应用成为了可能。2015 年前后，国外先后提出多个大规模低轨卫星通信系统，例如 OneWeb、StarLink 等。国外企业建设的中轨和低轨宽带卫星通信系统中，以O3b公司、OneWeb 公司和 SpaceX 的星座计划发展最为迅速；OneWeb 公司已有 6 颗低轨卫星在轨开展前期试验，并在美国、英国、澳大利亚等 19 个国家初步取得落地权或市场准入授权；SpaceX 的 Starlink 星座已进入密集组网阶段，截止目前位置已经发射4000颗卫星。

国外典型低轨道宽带卫星星座（Source One Web）

Starlink 星座：

Elon Musk 的 SpaceX 计划利用自己的猎鹰 9 号可回收火箭，建立一个由超过1 万颗低轨通信卫星组成的互联网星座，为全球客户提供高速宽带互联网服务。Starlink 系统将主要被用于为全球个人用户、商业用户、机构用户、政府和专业用户提供各种宽带和通讯服务，部署 1600 颗卫星就能提供覆盖全球的宽带服务，系统建成后能为全球消费者和商业用户提供高带宽（最高每用户1Gbps）。

OneWeb 星座：

第一代 Oneweb 低轨卫星系统将由 720 颗卫星及在轨备份星组成，星座总容量高达 5.4Tbit/s，每颗卫星的容量为 7.5Gbit/s，可为用户提供下行200Mbit/s 和上行 50Mbit/s 的入服务，时延约为30ms。此外，Oneweb 还将建设一个由 1280 颗卫星构成的构成的低轨星座，并将根据服务需求和覆盖区域内的业务量在这两个星座之间动态分配业务。OneWeb 第一代星座计划在全球部署55 至 75座卫星关口站。

OneWeb 借助 Airbus 的飞机制造经营推进卫星研发流程的创新，采用模块化的设计制造思想实现工业化流水线生产，目前已形成 2 颗/天的生产能力。OneWeb 星座应用场景包括应急救援、高空低延迟宽带、海上石化企业通信、车载蜂窝网络、偏远地区网络覆盖等，目前正借助巴蒂电信、休斯公司、Intelsat 等分销商向终端用户提供服务。2023年3月OneWeb星座组网已经完成，正在进行测试，计划2023年年底开始商业服务。

Telesat星座：

加拿大的 Telesat 成立于 1969 年，在卫星通信领域拥有数十年的经验。其 LEO 计划始于 2016 年， 2018 年它的第一颗（也是唯一一颗）LEO 卫星在轨道上发射并开始测试，并在 2021 年宣布了其名为 Lightspeed 的 LEO 星座的详细信息，该星座由 298 颗卫星组成。Telesat 预计将于 2023 年开始发射卫星（在亚马逊的蓝色起源运载火箭上），该星座预计耗资 50 亿美元。为了提供无与伦比的速度和性能，Telesat LEO 卫星网络采用了下一代技术，其中包括：结合了极地和倾斜轨道的混合轨道，可实现完整的全球覆盖，包括极地地区。用于全数字调制、解调和数据路由的空间数据处理，以实现更高的容量和灵活性。相控阵天线，这是每颗卫星上的复杂天线，带有跳频波束，可以动态地将容量精确地集中在需要的地方。光学卫星间链路，用于数据以光速在卫星之间传输，以提供完全互连的全球网状网络

亚马逊柯伊伯

Project Kuiper 是互联网公司亚马逊的通信卫星星座。该项目仍处于早期阶段，尚未向太空发射任何卫星。长期计划是在近地轨道 590 至630 公里之间有 3236 颗卫星在轨，提供全球宽带互联网。这些卫星将分为三大组，部署在三个不同的高度点——784 颗卫星将在 590 公里的高度运行，1,296 颗卫星在 610 公里的高度运行，1,156 颗卫星在 630 公里的高度运行。亚马逊的星座还旨在通过使用更多卫星来比其他纬度更好地覆盖地球的某些纬度。Kuiper 项目的卫星将与亚马逊先前宣布的AWS 地面站单元（一个由全球 12 个卫星设施组成的网络）合作，用于在轨道卫星之间传输数据。

国内发展现状及趋势

国内低轨卫星通信系统发展现状

在空间基础设施、天地一体化信息网络等重点项目建设，以及国内商业航天产业蓬勃发展等因素的共同推动下，国内低轨卫星通信系统正处于快速发展阶段。目前由各类企业、高校提出的星座建设计划超过 10 个，“虹云”星座、“鸿雁”星座成功完成试验星的空中试验，电科集团“天象”试验 1 星、2 星在 2019 年完成发射。在民营企业主导的组网计划中，“天启”星座已完成 5 颗组网星发射，其天启卫星物联网系统正式上线，银河航天低轨宽带通信卫星星座首发星于2020年 1月 16 日成功发射。

国内主要低轨道卫星星座

鸿雁全球卫星

鸿雁全球卫星星座通信系统是中国航天科技集团公司计划 2020 年建成的项目。该系统将由300 颗低轨道小卫星及全球数据业务处理中心组成，具有全天候、全时段及在复杂地形条件下的实时双向通信能力，可为用户提供全球实时数据通信和综合信息服务。

作为复合型、宽领域的星座系统，鸿雁星座集成了数据采集、数据交换、ABS-B、AIS、移动广播、导航增强等多项卫星应用功能，特别适合于海洋海事、交通运输、气象环境、石油和天然气、农林业、电力等需要对目标进行远距离采集、监测的物联网应用行业。对于个人用户来说，鸿雁星座的双向数据交互功能，可以保证这些用户在无国内地面网络覆盖的区域，如科考、登山、探险等活动的通信需求，同时可以为应急救援提供有力保障。

航天科工集团“虹云”工程

虹云工程是中国航天科工五大商业航天工程之一，脱胎于中国航天科工的“福星计划”，计划发射 156 颗卫星，它们在距离地面1000 公里的轨道上组网运行，构建一个星载宽带全球移动互联网络，实现网络无差别的全球覆盖。

虹云工程定位的用户群体主要是集群的用户群体，包括飞机、轮船、客货车辆、野外场区、作业团队以及一些偏远地区的村庄、岛屿等。无人机、无人驾驶行业等，都是虹云工程未来可能服务的行业。虹云工程以其极低的通信延时、极高的频率复用率、真正的全球覆盖，可满足中国及国际互联网欠发达地区、规模化用户单元同时共享宽带接入互联网的需求。同时，也可满足应急通信、传感器数据采集以及工业物联网、无人化设备远程遥控等对信息交互实时性要求较高的应用需求。

中国电科集团天地一体化信息网络

天地一体化信息网络是国家首批启动的“科技创新2030—重大项目”之一，按照“天基组网、天地互联、全球服务”的思路，建设全球覆盖、随遇接入、按需服务、安全可信的公用信息基础设施，为全球海陆空天各类用户提供网络信息服务。天地一体化信息网络由天基骨干网、天基接入网、地基节点网组成，并与地面互联网和移动通信网互联互通，建成“全球覆盖、随遇接入、按需服务、安全可信”的天地一体化信息网络体系，中国电科集团已将低轨卫星通信星座纳入其实施方案内，完成试验系统第一阶段研发工作。建成后卫星通信将更加普及，可为用户提供成本更加低廉、信号更加优质、速率更高的数据传输服务，并帮助公众在沙漠腹地、偏远深山、远离岸边海上等移动通信困难的特殊场景中，通过低轨接入网卫星服务实现“通信自由”。

银河航天“银河 Galaxy”5G 星座

“银河 Galaxy”卫星星座是由银河航空公司主持研发的，银河航天成立于2016 年，致力于通过敏捷开发、快速迭代模式，规模化研制低成本、高性能小卫星，打造全球领先的上千颗卫星组成的低轨宽带通信卫星星座，建立一个覆盖全球的天地融合通信网络。“ 银河 Galaxy ”卫星星座由千百颗通信卫星，在 500km-1200km 的近地轨道组成网络星座。覆盖全球：星座能无缝扩展地面通信网络，覆盖陆地、航空、海上等全球各个区域。

目前，银河航天首发星在酒泉卫星发射中心搭载快舟一号甲运载火箭发射成功，成为中国首颗通信能力达 10Gbps 的低轨宽带通信卫星。银河航天自主研制的首颗卫星，也是我国首颗由商业航天公司研制的 200 公斤量级的卫星，单星可覆盖 30 万平方公里，相当于大约50 个上海市的面积，轨道高1200Km。

国电高科天启物联网星座

天启星座由38 颗低轨道、低倾角小卫星组成，其中36 颗采用轨道高度 900km、轨道倾角 45 度，每一轨道面6 颗卫星，共 6 个轨道面；另外还有 2 颗太阳同步轨道卫星。天启星座初步组网运行后，时间分辨率将达到4 小时，即能够支持全球任意地点一天6 次信号传输。

目前天启星座的应用场景将从煤矿水文监测、泛在电力物联网建设、海洋牧场监测管理，拓展到集装箱跟踪、渔船跟踪监测、生态环境监测、水利工程监测、动植物保护跟踪、自然灾害预警等领域。

卫星通信系统简介

卫星通信系统是指利用人造地球卫星作为中继站转发或发射无线电波，实现两个或多个地球站之间或地球站与航天器之间通信的一种通信系统。卫星通信的概念最早由阿瑟.拉克在 1945 年提出，1965 年美国“晨鸟”通信卫星成功发射，卫星通信技术正式进入实用阶段。早期的卫星通信系统基本实现数据通信、广播业务、电话业务等基本通信需求，在航海通信、应急通信、军事通信、偏远地区网络覆盖等应用领域发挥不可替代的作用。随着以高频段（Ku、KA 等）、大容量、高通量为特点的宽带通信技术的成熟，通过通信卫星实现互联网接入已经成为可能。

卫星在空间中通常绕地球做无动力飞行，卫星运动所在的平面称为轨道面，运动的轨迹称为轨道。根据卫星轨道形状、倾角、周期、高度等不同特征，卫星轨道可以有不同的分类。对于卫星通信系统来说，通常是根据卫星轨道高度进行分类，具体可分为静止轨道（GEO，Geostationary Earth Oribt）、中轨（MEO，Medium Earth Orbit）和低轨（LEO，Low Earth Orbit）三种：

1. 静止轨道卫星通信系统（GEO）：通常指地球同步轨道通信卫星系统，其轨道高度为 35786 公里，卫星运动方向与地球自转方向相同，轨道面与地球赤道面重合，运行周期为一个恒星日（23 小时 56 分 4 秒），从地面上看卫星在空中是静止不动的。

2. 低轨道卫星通信系统（LEO）：卫星距地面高度在 500-2000 公里，系统通常由分布于若干轨道平面上卫星构成的，卫星形成的覆盖区域在地面快速移动，轨道周期通常在 2 个小时左右。

3. 中轨卫星通信系统（MEO）：卫星距地面高度在 2000-35786 公里之间，单星覆盖范围大于低轨通信卫星，是建立全球或区域卫星通信系统的较优解决方案。

上述三种系统中，LEO 系统和 MEO 系统统称为非静止轨道通信系统（NGSO，Non-GeoStationary Orbit）。在讨论卫星通信时，有时会以“高轨”来指代运行在GEO 轨道，相对的以“低轨”指代包括 MEO和 LEO的 NGSO 轨道。

卫星通信系统由空间段、地面段和用户段三部分构成：

1. 空间段：以通信卫星为主体，卫星上的转发其是通信卫星的主要有效载荷，也是卫星通信系统空间段最重要的功能组成，用于接收和转发卫星通信地球站发来的信号，实现地球站之间或地球站与航天器之间通信。

2. 地面段：包括支持移动电话、电视观众、网络运营商地面用户访问卫星转发器，并实现用户间通信的所有设施，网关站是地面段的核心设备。卫星通信系统的地面段也包括地面的卫星控制中心（SCC，Satellite Control Center）和跟踪、测控及指令站（TT&C，Tracking，Telemetry and Command station），SCC 和 TT&C 主要负责卫星发射阶段的跟踪和定位，下达变轨、太阳能电池板展开等动作指令，以及卫星在轨运行期间轨道监测和校正、干扰和异常问题监测与检测等。

3. 用户段：主要由各类终端用户设备组成，包括VSAT 小站、手持终端，以及搭载在车、船、飞机上的移动终端，以及基于卫星通信的各种应用软件和服务。

根据不同业务类型对无线电频段也有大致的划分：C 频段、Ku 频段和 KA 频段是目前卫星通信系统中使用最广泛的频段，C 频段和 Ku 频段主要用于卫星广播业务和卫星固定通信业务，带宽有限且利用较早，目前频谱的使用已趋于饱和；KA 频段主要用于高通量卫星，提供海上、空中和陆地移动宽带通信。Q/V 频段将是未来卫星通信领域争夺的重点，目前 ITU正在制定NGSO 卫星通信中使用 Q/V 频段的频谱共享规则，以确保NGSO 系统与 GSO系统以及其他 NGSO 系统能够共存，值得注意的是 2020 年 1 月 16 日银河航天成功发射的 5G 星座的首发星是全球首颗Q/V 频段的 NGSO 通信卫星。

低轨卫星通信系统的特点与优势

与传统的地球静止轨道卫星通信系统相比，低轨卫星通信系统最显著的特性在于其卫星工作轨道高度和系统复杂程度的不同，从而带来单星技术、规模、成本上的差异，最终影响系统建设与运营成本以及系统可靠性。低轨卫星通信星座的技术特点，也将影响系统的通信质量，对地面终端设备也提出了不同的技术和性能要求。此外，低轨卫星通信系统可以采用蜂窝通信、点波束、多址、频率复用等技术，且通信具有全球覆盖、低延时等方面的优点，可以支持在线游戏、视频通话等实时或近实时数据传输，在与地面通信骨干网融合后可能将催生出新的应用场景。

从技术角度来看，低轨卫星通信系统与高轨卫星通信系统之间最主要的区别在于卫星轨道高度和单颗卫星通信能力，由此带来的具体的技术上的主要差异表现在以下几方面：

1) 传输时延：高轨通信卫星轨道高度为 35786 公里，每一跳（终端-卫星-终端）通信传输时延约为 270 毫秒。目前主流的低轨星座的卫星大多位于1000~1400 千米上空，其通信传输时延一跳约在7 毫秒左右，考虑到其他方面时延影响也可以做到50 毫秒以内，与地面光纤网络的时延相当。 传输损耗：低轨星座宽带卫星轨道高度约为静止轨道卫星轨道高度的1/30，则低轨卫星信号自由空间损耗比静止轨道卫星少 29.5dB，这是低轨卫星系统实现终端小型化和高速数据传输的基石。

2) 星下点移动速度：地球静止轨道卫星运动速度与地球自转速度相同，卫星4 时绕地球一周，相对地面静止；低轨卫星运动速度约为 7.5 千米/秒，卫星 85~115 分钟绕地球一周，相对地球表面高速运动，从而带来多普勒频移、地面终端天线指向跟踪、波束间切换等技术问题。

3) 波束覆盖：高轨通信卫星轨道高度高、对地视场大，部署3 颗卫星即可实现对南北极点以外的全球覆盖；低轨通信卫星轨道高度低、单星对地覆盖较小，必须通过多星组网才能实现全球覆盖，避免遮挡带来的通信干扰问题，但也会因频率复用难度增大带来对通信体制更高的要求。

4) 卫星容量：低轨卫星通信系统单星体积小、重量轻，通信能力弱，但整个系统通信容量较高。如OneWeb 星座系统单个卫星设计质量仅125kg，单星容量约为 10Gb/s，整个星座将具有7Tb/s 的容量。Viasat-3 卫星系统由三颗卫星组成，单颗卫星设计重量约为6400kg，单星容量约为 1Tb/s，整个系统具有 3Tb/s 的容量。

5) 系统可靠性：低轨卫星通信系统可靠性更高。第一，低轨星座卫星数量庞大，且分布于多个轨道面，任意一颗或几颗卫星损坏不会对系统造成大的影响；第二，低轨星座系统卫星造价较低，在轨一般都有多颗备份卫星，可以随时代替损坏的卫星；第三，低轨卫星成本低，研制周期短，卫星体积小、重量轻，轨道高度低，容易进行应急补网发射。

低轨卫星通信系统的价值和战略意义

根据系统支持业务和应用领域的不同，低轨卫星通信系统可分为窄带移动通信和宽带互联网通信链两个方向。窄带移动通信系统主要工作在 L、S 低频段，以中低速率的通信为主，支持手持移动通信、物联网服务等业务，典型系统有“铱星系统”（Iridium）、“全球星”系统（GlobalStar）等。宽带互联网通信系统又可称为高通量卫星通信系统，主要工作在 Ku、KA 等高频段，以中高速率的数据传输业务为主，支持互联网接入、网络节点互联等服务，典型系统包括目前 OneWeb、SpaceX等公司正在建设的低轨卫星通信星座。

通过卫星通信网和地面公用通信网的融合，形成天空地一体化全球网络覆盖，将在互联网接入、物联网等领域实现巨大的商业价值。国际电信联盟 (ITU) 的最新估计显示，仍有 37 亿人没有上网（占全球人口的 49%），63% 的农村家庭没有互联网接入。此外，还有 15 亿人居住在没有高速移动数据覆盖（4G LTE）的地区，而 6.07 亿人居住在根本没有移动数据覆盖（至少 4G 或3G覆盖）的地区。此外，3.13 亿人居住在只有基本语音和短消息服务 (SMS) 覆盖（2G）的地区，2.2 亿人居住在没有蜂窝网络覆盖的地区。 面对普及程度失衡带来的社会不平等，全球尤其是欠发达地区的互联网基础设施继续改善。对于传统地面通信网络开发商来说，在偏远地区普及互联网的困难在于设备成本、数据成本、服务成本等方面，低轨互联网星座具有全球覆盖的天然属性，成为促进全球互联网均衡发展的最优选择。物联网广泛的渗透在生活、生产的各个环节，天基通信网络将弥补地面物联网的短板。根据 GSMA 统计数据，全球物联网设备数量保持高速增长，到 2025 年，全球物联网连接数将从 2018 年的 103 亿增加到近 250 亿。大范围、跨地域、恶劣环境等数据采集是地面物联网目前的主要短板，低轨卫星通信系统可以很好的弥补地面网络的不足，使物联网技术在促进经济发展、推动工业企业升级转型等方面发挥更大作用。

大规模部署近地轨道卫星具有及其重要的商业价值和国家战略价值，而地球的低轨道空间可容纳的卫星数量预计只有6万颗，因此全球各国纷纷在圈地跑马，抢占地球低轨道空间的战略资源。全球各国在轨的低轨卫星和未来的发射计划的数量已经超过低轨卫星的容量。

近地轨道越来越拥挤，优质的轨道及频率资源愈发稀缺，先发国家所占的轨道及频率资源不仅影响它国低轨卫星通信发展规划，甚至会威胁到它国的国防安全。建设自主可控的全球低轨卫星互联网，是新基建战略高度的议题。牢牢抓住网络信息技术革命的重大历史机遇，赢得空间信息基础设施竞争新优势，积极构建自主技术体系和产业生态，可有效提升全球覆盖、技术自主、安全可控的信息网络服务能力，抢占空间信息领域发展制高点和主动权，为网络强国建设提供强大动能，为促进经济社会发展、带动卫星产业发展等提供有力的通信保障手段。

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