低轨卫星星座通信系统的分析与发展建议

● 文|中国卫星应用产业协会 汪宏武解放军理工大学 张更新上海微小卫星工程中心 余金培

低轨卫星星座通信系统的分析与发展建议

● 文|中国卫星应用产业协会 汪宏武
解放军理工大学 张更新
上海微小卫星工程中心 余金培

低轨卫星星座通信系统具有全天候全时段和在复杂地形条件下的实时通信能力，与静止轨道卫星通信系统相比，系统具有覆盖范围广、通信容量大、顽存性高、便于实现用户终端小型化、卫星发射灵活等突出特点，目前，是实现全球移动通信无缝覆盖的惟一手段。

国际上，以铱星为代表的低轨通信星座正在建设第二代，不仅通信系统能力显著提升，系统建设成本显著下降，同时系统运营、应用模式也随着地面移动互连网的普及呈现新的特点。原有军队、政府用户数量稳定，商业用户数量有较快增长。

低轨通信星座是国家信息基础设施的重要组成部分。随着国家战略利益的不断拓展，对覆盖全球、个人移动通信网络提出了强烈需求，迫切需要建立我国自主控制的低轨卫星星座通信系统。

具备全球通信能力不仅对我国在全球范围内的维和维权、救援和科学考察、资源运输等活动具有重要意义，同时也可为远海和高纬度地区、通信网络薄弱区域提供通信手段，斯诺登棱镜门事件更突显出自主通信网络对信息安全的至关重要。

卫星星座通信系统的建设发展，将带动我国火箭、卫星制造及其应用等航天产业链的快速发展，促进航天产品批量生产、快速发射及测控管理等整体技术水平的提高；带动我国卫星通信应用业务向规模化发展，构建我国自主的天地一体化电信服务网络；带动以物联网、全球搜救等为代表的新兴产业的发展，提升我国经济社会发展的信息服务保障水平。

1．基本能力与发展阶段

低轨卫星星座通信系统可分3个阶段实施，逐步建成由分布在6个极轨轨道面的48颗卫星构成的星座通信系统，实现对全球的有效覆盖。支持手持、车载、舰载、机载等终端设备，提供内部话音、宽带数据等业务，系统活跃用户容量可达100万个以上，满足各类用户远程、机动通信信息保障需求。

参考国外类似系统的建设，我国低轨星座系统建设亦可分3个阶段：第一阶段，发射1个极轨轨道面的8颗低轨星座试验卫星，在纬度0o～55o范围内可以实现25%以上的覆盖率，在纬度55o～75o范围内可以实现60%以上的覆盖率，在纬度75o以上范围内实现100%的覆盖率。在中低纬度地区支持数据业务和部分时段的实时话音通信，在高纬度地区可实现实时的话音与数据通信。第二阶段，构建3个极轨轨道面的24星低轨星座，在纬度30o～50o范围内可以实现90%以上的覆盖率，在纬度50o以上范围内实现100%的覆盖率。第三阶段，构建48星的极轨星座，卫星均匀分布在距地面1450km的6个轨道面，实现全球覆盖。

2．建设及运营管理模式探讨

在通信星座产业链上，卫星制造投入较大，美国铱星星座、全球星星座、O3b星座均由相应公司借助于资本市场投入，并由公司负责运营，军队、政府及行业用户作为基本用户群，同时培育商用市场。这一做法，对促进民间资本进入卫星应用领域特别是空间段建设值得借鉴。

通信星座作为国家重大信息空间传输基础设施，提供基本的全球信息传输能力是它的最基本属性，但在工程组织、工程设计、系统研制、演示验证、试验定型、系统试用等各个阶段，均需兼顾各类用户需求。系统在设计过程中，选用的技术体制必须可实现系统空间资源统一管理、按照需求灵活调配。

系统在运行过程中，还需制定完善的网络的信息安全及网络核心资源管理机制，对商用市场的开发、经营由电信基础业务运营商运营。

3.市场前景预测

建立低轨卫星星座通信系统，构建天地一体的国家信息基础设施，对传统电信服务、物联网、扩展产业链等方面将产生显著的经济效益，同时对拓展全球应用市场，特别是国际电信服务方面也将有巨大的市场空间。下面仅就国内用户市场部分的运作前景加以分析。

(1)传统电信领域服务

卫星移动通信市场用户数的预测，一般取地面移动通信系统用户数总量的0.2%～1%（国际咨询公司的预测）。目前中国地面移动通信用户达12.73亿（截至2014年9月底），按预测值下限计算，国内卫星移动通信市场的潜在用户数将达254万，按本系统占该市场的1/3计算，保守估计直接使用本系统活跃用户数量可超过80万。而移动互联网的发展，为卫星移动培育了大量潜在的使用多模终端配置用户，即使按1%计算，多模终端数量也有望突破1000万。

此外，我国公用移动通信网目前仅能覆盖15%的国土面积，若采用传统地面通信方式覆盖面积巨大的偏远地区及领海，经济上不可承受。这些区域也是低轨卫星星座通信系统的未来市场。

（2）物联网等新兴领域应用

物联网是继互联网之后全球范围又一规模庞大的新兴领域，低轨卫星星座通信系统与多种具备感知、信息采集功能的物联终端结合，可形成天、空、地一体化的信息获取与传输系统，能够实现全球态势感知信息的实时回传，解决目前各类感知信息回传效能低下的问题，从而对物联网起到良好的支撑和融合作用，为我国乃至世界“感知中国、感知全球 ”战略的实施提供有力支撑。

1）在经济物流中的应用

物联网在零售、公共事业管理、水利等多个行业的现代经济物流方面有着广泛的应用前景。世界上几大电信运营企业已经将物联网经济物流作为重点发展的业务来推动，2013年中国物联网产业规模突破6000亿元,预计2016年总体规模将突破万亿元。 保守估计在我国经济物流领域有2000万台的市场容量，若本系统占其中5%的市场份额，便有100万的多模物联网终端。

2）在交通运输中的应用

汽车、火车、飞机、远洋船、游艇、工程机械车等贵重资产的跟踪、保全需要大地域范围的无缝通信保障，本系统是一种经济有效的传输手段。截至2014年4月，全国机动车保有量约为2.56亿辆。其中，汽车（含三轮汽车和低速载货汽车）约1.43亿， 按安装位置/状态信息传感器的车辆占全部车辆的10%、其中20%的车辆采用本系统作通信保障计算，潜在用户512万；此外，火车、游艇、通用航空、渔船等更适合采用本系统，安装传感器并接入本系统的比率更高。因此，综合两者的潜在用户，保守估计交通运输应用中约有用户600万。

（3）在能源通道安全领域中的应用

随着国民经济的发展，能源战略的实施，保障能源通道的安全性问题日益突出。本系统能够实现高压电力传输线、石油天然气管道等能源通道在广域范围内的实时无缝监测，有效解决现有通信网覆盖范围受限的问题，为我国能源生命线保驾护航。以石油天然气管道为例，目前我国的管线总长约7万公里，按每50公里设置1个备份监测点计算，共需3500个，高压电力传输线总长度近百万公里，监测密度更大。因此，保守估计能源通道安全领域至少有5万左右的用户需求。

（4）在防灾减灾中的应用

我国自然环境监测正迈向立体监测时代，通过将遍布于国土和领海的多种功能传感器感知的数据信息，及时、准确地搜集送达指定的地面控制台进行数据融合处理，可在森林火灾、洪灾、泥石流、干旱、水质、大气质量、海洋环境、土地荒漠化及辐射环境等灾害预警预报中发挥极其重要的作用。以陆地、海洋资源监测为例，我国河流总长度42万千米，平均每10km一个传感器，共需4.2万个；淡水湖泊3.6万平方千米，荒漠化土地264万平方千米，水土流失面积356万平方千米，森林总面积175万平方千米，平均每10km2一个传感器，共需80万个；

海洋面积300万平方千米，平均每百平方千米一个传感器共需3万个。上述方面共需约90万个传感节点，按其中10%通过本系统回收信息，则有潜在用户9万。

（5）在围界防入侵中的应用

在地面网未覆盖区域，围界防入侵采用本系统作为传输网络是最经济、最有效、最安全的手段。在我国西藏、新疆、内蒙古等地广人稀地区的矿山、油气勘探、工厂、海岛、森林等围界防入侵数万个，涉外投资建设的工程、矿山、油气勘探、工厂等超过2000个，一共需要提供卫星接入点5万个。我国陆地边境线总长2.2万千米，假定10%边境安装电子岗哨防止人步行穿越，按每10m布置一个探测器，每千米布置一个卫星接入点计算，需要2200个。围界防入侵共有潜在用户5.22万个。

4．相关产业链方面

相关产业链效益前景主要包括对上游制造业、下游产业的拉动和对劳动就业的推动，以及其他间接产生的效益。

（1）对上游制造业产值拉动

上游制造业主要涉及卫星、火箭和用户终端等行业。其中，终端产业制造业包括终端和增值模块两大类。按本系统80万的直接用户数（按5000元/部）、1000万的多模用户计算（按500元/部），由此带动卫星终端制造业约90亿元的直接产值。

（2）对下游产业的拉动

根据上述分析，本系统带动的物联网用户约620万，按每台增值模块售价200元计算，拉动的产值约为12.4亿元。若增值模块与整机价格比为1:5，相关的物联网制造业每年的产值约为62亿元。

5．其他方面

本系统的其他间接效益主要体现在信息基础工程对国民经济的相关贡献上。下面我们就以防灾减灾和经济物流为例来分析这方面的间接效益。

我国是自然灾害频发的国家，据相关资料统计，自然灾害平均每年给国民经济带来的损失为8000亿元。假定在低轨星座卫星通信系统支持下，通过灾害预报和灾后救援使得自然灾害造成的损失减少1%以上，则每年至少减小80亿元经济损失。

目前我国物流的成本占总生产成本的18%～20%，远远高于国外水平。研究显示，中国物联网产业市场规模2015年将达到7500亿元。保守估计经济物流领域占50%，并假定有10%的经济物流由低轨星座卫星通信系统支撑，其成本较地面通信网络可降低20%，则每年可节省成本75亿元。

6．建设经济性

目前，国际上已实现的卫星移动通信系统有同步轨道及低轨道二种途径。同步轨道卫星移动通信系统主要适合区域覆盖，低轨道星座卫星通信系统适合全球覆盖，在区域覆盖上同步轨道性价比较高，在全球覆盖上低轨道系统性价比较高。下面仅就全球卫星移动通信系统建设经济性加以分析。

采用低轨道方案建设全球卫星移动通信系统是发展趋势。目前，建设运营比较成功的有美国铱星和全球星系统，铱星二代建设成本26亿美元。我们提出的星座系统，与铱系统相比，减少了卫星数量，降低了建设成本；与全球星系统相比，实现了全球覆盖，提高了系统性能。可以说本系统是“简化的铱系统，提升的全球星”。

美国低轨卫星移动通信系统运营虽然经历了一些波折，但十余年来，低轨星座卫星移动通信系统在提供全球移动通信业务方面的优势得到了充分的展示，其在国防、经济和社会生活中的重要性得到了充分的体现。二代铱星将于2015年发射，下一代系统在性能上更强，但建设成本却只有一代系统的50%左右，并且卫星寿命也提高到接近15年。

7．低轨卫星星座系统方案

低轨卫星星座通信系统是由空间、运控和应用三个分系统组成。空间系统由具有星间链路的48颗星座卫星组成，实现对全球无缝覆盖服务区和国土周边高容量服务区的覆盖；运控系统由中心站、测控站、信关站及地面支撑网组成，负责对空间卫星的测控、卫星网络运行管理及网络的接入；应用系统是指各类用户终端，包括手持机、车（机、船）载站、嵌入式终端、寻呼机、采集终端和固定站等。

（1）服务区

服务区分为全球覆盖服务区（全球范围）和高容量服务区（中国及周边区域）。

全球服务区卫星波束覆盖区如图1所示，其通信业务通过星上处理和星间链路完成。

图 1 星座系统全网运行阶段的卫星波束覆盖区

图 2 境内及周边的高容量服务区

通过设置信关站，采用卫星透明转发方式可提供高容量通信服务，图2是在国内设置5个信关站的情况下对境内及周边地区提供高容量服务的服务区示意图。

增设机动信关站可以满足特殊应用对高容量业务的需求，可为远离本土的远洋舰队提供高容量的通信服务。还可以在南北极、公海等国际公共区域和经协调后的主权国家设立信关站来提供高容量的通信服务。

（ 2）卫星星座与通信组网方式

1）卫星轨道

轨道高度选择为1450km，偏心率为0，轨道倾角为86°，6个轨道面，每个轨道面8颗星（不含备份星），相邻轨道面之间的夹角为32.5°，图3为全网运行阶段空间星座示意图。

随着卫星制造成本及发射成本的下降，采用更多卫星组成的星座在经济上成为可能，届时将可为用户提供更好的体验。

图3 48颗卫星空间星座示意图

2）星座卫星

卫星由载荷、平台两大部分组成，平台提供给载荷的长期功率≥1000W。

星座卫星有效载荷可由收发两副16波束相控阵天线、4副同/异轨道面星间链路天线、两副馈电链路天线，星间链路和馈电链路收发机、星上接入和交换设备组成。

卫星设计寿命≥8年，卫星重量约750kg。

3）通信组网方式

低轨卫星星座通信系统采用网状与星形相结合的混合网络结构实现通信。

全球服务区采用星上处理转发工作模式，为网状结构。如果两个用户位于同一卫星覆盖区内，则两者之间可以通过星上处理和交换实现相互之间的直接通信；如果两个用户处在不同卫星的覆盖区内，则通过星间链路实现两者之间的通信。

高容量服务区采用透明转发工作模式，以信关站为中心形成分布式星形网络结构，系统中用户终端之间不能直接进行通信，所有通信都必须经过信关站转发，卫星采用透明转发工作方式。系统中需要设置多个信关站，各信关站可以独立工作，相互之间通过运行支撑网络实现通信。

（3）运控系统

运控系统负责空间系统和应用系统的运行控制和管理，完成应用系统的业务接入与资源分配。由一个中心站、多个信关站、若干测控站和地面支撑网组成。

1）信关站

信关站的主要功能包括呼叫建立、呼叫维持、呼叫清除和移动用户鉴权等。信关站完成馈电链路通信、多星跟踪、星间和信关站间切换控制、用户接入控制和管理、呼叫处理及连接管理、用户终端鉴权、移动性管理、切换和信道分配、信息综合交换、网间互通等功能。

信关站采用6m口径的天线，工作频段采用C频段，功放100W，信关站可同时跟踪3颗以上的卫星。

2）中心站

除信关站功能外，中心站还包括网络操作控制分系统、应用管理分系统、安全内部分系统。

网络操作控制分系统负责星座系统的工程测控、业务测控、星历预报、网络拓扑控制、星地路由生成、信关站资源分配及动态调度、境外通信控制和管理，控制卫星星座的正常运行，管理各个信关站的资源，为两类用户提供各种接入服务。

应用管理分系统负责通信组织和控制、资源调整、网络管理、信息检索、统计分析、民用用户计费、境外通信应用管理、业务受理、用户管理、应用管理等功能，管理用户，并根据用户要求组织各种形式的应用。

安全内部分系统管理整个网络的安全，包括运行支持网络的安全、卫星测控通道的安全、业务通道的安全等。

3）运行支撑网

运行支持网络是连接运控系统各要素的一个专用通信网，既可使用地面光纤网络，也可使用卫星干线网，完成信关站间的通信。

（4）地面应用系统

地面应用系统是指采用低轨卫星星座通信系统进行通信的各类用户终端、应用网络及应用业务。

从使用需求来看，应用系统必须能满足两大类用户在多种不同应用场合的需要。从设备研制、生产、维护和保障的角度出发，终端的种类应尽量少些，并且尽量做到模块化、标准化、小型化、数字化、软件化、智能化。

终端分成以下8类：手持终端、移动载体终端（车载、船载、机载）、采集终端、固定终端、嵌入式终端、寻呼终端、广播终端、多模终端。

手持终端的平均发射功率≤0.5W，体积≤80 mm×50 mm×20mm，重量≤200g。

（5）通信技术体制

1）用户链路

用户链路是指卫星与用户终端间的无线电通道，分前向链路（卫星至用户终端）和反向链路（用户终端至卫星）。

低轨卫星星座通信系统用户链路拟采用S波段，用户终端信息速率为0.6/1.2/2.4/4.8/9.6kbit/s特殊链路支持更高速率，前向链路采用QPSK/FDMA/CDMA体制，反向链路采用OQPSK/CDMA/DS体制。

2）馈电链路

馈电链路是指卫星与信关站间的无线电通道，拟采用C频段（上行：5100～5300MHz，下行：6700～6900MHz），信息速率为15.36Mbit/s，采用QPSK/FDMA/SCPC体制。

3）星间链路

星间链路采用Ka频段（22.55～23.55GHz），信息速率为5.12Mbit/s，采用QPSK/FDMA/SCPC体制。

4）交换方式

在全球服务区内，用户终端利用其上空的卫星，通过星间链路和星上交换机接入到信关站，其中可能经过多颗卫星传送到信关站，星载交换采用自定义专用包交换的技术体制。

在高容量服务区内，用户终端通过卫星透明转发方式接入信关站，信关站进行处理和交换，用户终端可通过信关站实现与地面网络的互连互通，选用成熟的移动交换机。

5）移动性管理

移动性管理保证在卫星的高速运动条件下用户间通信的快速发起和通信过程不间断，包括位置管理和切换管理。

位置管理用于发现移动终端在低轨卫星星座通信系统中的位置，以便快速传递呼叫。与地面移动通信的固定蜂窝结构的位置区不同，本系统采用基于地理位置的动态位置区划分方案，根据终端移动速度灵活设置位置区的大小，进行位置更新。

切换管理确保卫星和波束频繁切换过程中通信的连续性。卫星内以及同一信关站卫星间的切换方案采用空闲码道的软切换，相邻波束不存在空闲码道时，采用不同频分信道的硬切换；不同信关站、不同卫星间以及境外通信的波束的切换方案采用不同频分信道的硬切换。

建立覆盖全球的航天信息传输基础设施是国家利益拓展的客观要求，统筹规划建设低轨卫星星座通信系统是我国新时期经济与国防建设协调发展的必然趋势。

在低轨星座建设上，我们不能再次痛失时间窗口。强化抢占空间频率资源意识、多渠道投入星座建设，对加快发展星座系统，打造星座新型产业链、促进军民融合应用是十分必要的。在未来较短时间内建成低轨卫星星座通信系统，实现通信网由区域向全球的伟大跨越，将为维护我国的全球战略利益提供强力支撑。