低轨通信星座发展的思考

肖永伟 孙晨华 赵伟松（中国电子科技集团公司第五十四研究所）

从低轨移动通信星座、低轨宽带互联网星座两个发展方向，分析了包括“铱”（Iridium）卫星系统、“一网”（OneWeb）卫星系统等在内的多个国外典型系统的总体发展情况、应用支持能力以及“小卫星多功能”、“小卫星大容量”的设计特点。针对我国低轨通信星座发展，从频率、应用定位以及系统实用性等方面探讨了总体设计应关注的问题；从解决我国全球通信保障急需出发，提出以移动通信为主、多功能综合、兼顾宽带通信、规模逐步扩展的低轨星座发展建议，并给出了空间组网、全球服务、频谱感知、频率共用、宽窄结合、协同应用的总体设计思路。

1 国外低轨通信星座发展概况与特点

低轨通信星座从20世纪90年代末、21世纪初的发展低谷后，在物联网、移动互联网的发展带动下，为低轨通信星座发展注入了新的活力，迎来一个崭新的发展高潮。以L、S、VHF等低频段为主的Iridrum、“全球星”（Globalstar）、“轨道通信”（Orbcomm）系统等传统的三大低轨移动通信星座已经完成升级换代，并向多功能综合、物联网方向发展；以Ku、Ka频段甚至更高频段的新兴互联网星座计划呈现爆发式增长，如一网公司（OneWeb）、美国太空探索技术公司（SpaceX）、低轨卫星公司（LEOSat）、加拿大电信卫星公司（TeleSat）等提出的计划，弥补了低频段移动通信星座宽带支持能力的不足。2014年12月－2015年4月，国内外相关单位向国际电信联盟（ITU）递交的非地球同步轨道（NGSO）星座申报资料就超过了10份，涉及卫星数量达数万颗。

国外低轨通信星座发展过程

国外典型低轨高通量卫星星座计划

根据应用方向和支持的业务，与地球静止轨道（GEO）卫星通信系统划分方式一样，低轨通信星座也可以划分为移动和宽带2个方向。移动通信星座，如Iridrum、Globalstar，采用L、S低频段工作，以中低速率业务为主，支持面向手持移动通信和低功耗小型化物联网服务；宽带互联网星座，又称为低轨高通量卫星（HTS）星座，如OneWeb、SpaceX等公司的星座，采用Ku、Ka等高频段工作，卫星数量多，以中高速业务为主（几十兆比特每秒到吉比特每秒量级），支持互联网接入、网络节点互联以及基站回程等服务。

根据市场应用的细分，不同低轨通信星座采用的设计思路和技术路线区别也比较大，以下针对几个典型低轨通信星座分别进行简单分析和对比。

Iridium及Iridium NEXT

到目前为止，在移动通信领域，Iridium系统设计依然是其他系统无法超越的，如基于星间链和星载路由交换的空间组网、真正全球无缝覆盖和服务、不依赖地面关口站的端到端通信等。

2015年启动了“下一代铱星”（Iridium

NEXT）部署，延续了Iridium的星座构型设计和用频设计，近极轨道，6个轨道面，66颗卫星，L和Ka频段。依然采用空间组网技术，具备全球无缝覆盖、全球无缝服务的能力。在提供业务种类方面，从原来较为单一的话音和低速数据业务，扩展到移动通信、宽带通信、航空监视[广播式自动相关监视系统（ADS-B）]、导航增强、机器对机器（M2M）以及低分辨率对地观测等，具备多功能综合服务能力。业务支持能力方面，一是提升了原有业务的速率；其次增加了L频段高速业务，速率可达512kbit/s～1.5Mbit/s；另外还面向便携和移动载体，提供Ka频段宽带通信能力，速率可达8Mbit/s。

Globalstar

Globalstar系统应用定位与Iridium系统有所区别，定位于地面移动通信系统的延伸。

Globalstar星座构型为“玫瑰”（Walker）星座，高度1400km，覆盖范围为70°（S）～70°（N）。Globalstar卫星采用星上透明转发模式工作，系统设计相对简单。由于没有星间链路和星上处理，每颗卫星对外提供服务均需要关口站的支持。

受限于关口站部署，Globalstar系统不能实现与覆盖相匹配的业务服务能力。Globalstar系统全球部署24个关口站，服务能力仅限于陆地和沿海周边。

2013年完成Globalstar二代24颗卫星的部署。在提供业务种类方面，从原来较为单一的移动话音和低速数据等通信业务外，扩展支持“自动识别系统”（AIS）、ADS-B以及M2M等，具备多功能综合服务的能力。Globalstar二代系统注重与地面业务融合发展，提供基于卫星的WiFi服务（Sat-Fi）。

Orbcomm

Orbcomm是一个低速数据传输系统，定位于物联网服务，是唯一一个专用于M2M的低轨星座。用户链路工作在VHF频段，星上采用存储转发模式工作，没有星间链路。

Orbcomm星座部署3种类型轨道，倾斜圆轨道、赤道圆轨道和近极轨道，尽可能实现全球覆盖。目前，Orbcomm一代与二代卫星同时在轨，依托地面部署的16个关口站对外提供服务。Orbcomm二代单星质量达到170kg，在传输能力和处理容量方面有了明显提升。Orbcomm二代卫星还搭载了AIS载荷，是目前世界最大的天基AIS网络服务供应商，每天处理来自大约15万艘船只超过1800万条的AIS消息。

OneWeb

OneWeb应该是目前最有影响力的宽带互联网低轨星座，目标是使每个人都能够使用互联网接入，支持面向用户的互联网直接接入、热点接入（WiFi/3G/4G）等。

OneWeb星座构型为近极轨道，18个轨道面，轨道高度1200km，每个轨道面部署40颗卫星，共计720颗卫星，支持全球覆盖。

OneWeb卫星面向用户接入采用Ku频段，每颗卫星配置16个固定Ku点波束，星上为透明转发模式工作。与GEO-HTS卫星的“点波束、频率复用、透明转发”设计理念类似，单星容量大，150kg小卫星可以提供超过5Gbit/s的容量，面向小口径终端（0.36m×0.16m），可以提供50Mbit/s的互联网接入。

由于OneWeb系统没有星间链路和星上处理能力，服务区域受限于关口站部署。OneWeb系统计划全球部署70余个关口站，但对于大部分洋区和部分偏远山区，存在关口站部署困难的问题，依然会存在服务盲区。

LEOSat

LEOSat互联网星座首期将发射108颗卫星完成星座构建，轨道高度1400km，星座采用星间激光链路、星上处理交换技术，提供Ka频段大容量宽带数据传输服务。具有按需全球可达、低时延、点对点大容量。LEOSat系统服务与“另外三十亿人”（O3b）系统类似，将自身视为卫星固定运营商的容量补充，只为大型企业和政府提供高速数据接入，未来计划为3000家大型企业和机构用户提供数据传输服务。

典型星座主要参数对比

在单星设计方面，LEOSat系统将会使用高功率卫星平台，通过提高单星能力的方式减少卫星数量。每颗LEOSat卫星配置4个星间链路，包括同轨道星间链路和异轨道星间链路。每颗LEOSat卫星配置12个Ka频段跟踪点波束，10个用户链路波束，每个波束可支持1.6Gbit/s点对点连接；2个馈电链路波束（也支持面向用户互连），支持高达10Gbit/s的星地传输。

从国外低轨通信星座发展来看，其中2个特点比较突出：

1）小卫星多功能。“移动通信+物联网”应用成为低轨卫星移动星座发展的共识，特别是卫星物联网业务，已成为低轨星座新的经济增长点。单纯的移动通信业务很难支撑低轨星座可持续发展，如Iridium NEXT、Globalstar二代均支持ADS-B、M2M业务，Orbcomm本身就定位于M2M业务，二代还增加了AIS等。Orbcomm在近几年则出现了快速的增长，保持了每年近10%的收入增速。

2）小卫星大容量。宽带互联网接入服务的普及与推广应用，促进了低轨互联网星座的发展。随着卫星通信技术和卫星平台能力的提升，为降低系统费效比，小卫星大容量成为低轨互联网星座发展的显著特征。如OneWeb系统的卫星质量约150kg，单星容量可达5Gbit/s；LEOSat卫星质量约800kg，单星容量可达10Gbit/s，而且支持激光星间链路和星上处理交换。

2 低轨通信星座设计需关注的问题

频率问题

频率轨道资源是低轨通信星座发展不可或缺的战略资源。从目前来看，我国提出的低轨通信星座计划，频率资源问题是后续系统建设与应用面临的最大瓶颈，无论是支持卫星移动通信的L、S频段，还是支持宽带互联网接入的Ku、Ka频段。

卫星移动通信系统的频率和轨道资源是极为稀缺的战略性资源，1.5GHz和2GHz的L、S频段有卫星移动通信系统“黄金频段”之称。根据ITU《无线电规则》频率划分规定，在全球以主要业务形式划分给卫星移动通信业务的L、S频率资源共计2×87.5MHz。对于上行1610.0～1626.5MHz/下行2483.5～2500.0MHz及上行1626.5～1660.5MHz/下 行1525.0～1559.0MHz这2对频率资源，几乎没有获得频率独立使用的可能。对于上行1668.0～1675.0MHz/下行1518.0～1525.0MHz各7MHz的频率资源，在我国主要用于卫星气象业务，卫星移动业务目前是次要业务划分，且在国际上还需要保护射电天文业务以及美国的航空遥测业务，实现全球覆盖的难度较大。基于上行1980～2010MHz/下行2170～2200MHz各30MHz频率资源，实现全球覆盖的难度也比较大。首先，该频率是我国天通－1卫星移动通信使用频率；另外，该频率也可用于地面移动业务，目前如俄罗斯、加拿大、韩国等很多国家很可能将其用于国际移动通信（IMT）地面移动业务。

对于NGSO宽带互联网星座，大部分都选择Ku、Ka频段，频率干扰协调难度越来越大。其一，Ku、Ka频段是GEO宽带卫星通信主用频段，Ku、Ka频段在轨GEO卫星网络资料数量大，与GEO卫星网络协调难度大；其二，NGSO之间协调难度大，同一区域的多个NGSO几乎不可能共享同一频谱，排他性更严重，如OneWeb，声称拥有Ku频段独家频谱拥有权。

卫星移动通信业务常用L、S频段划分

从目前频率划分形势来看，对于发展我国的低轨星座，一是在ITU规则下，通过先进技术（如频谱感知、更高频段技术等）、双边合作等手段推进频率国际协调；二是研究ITU规则，与时俱进提出规则修改建议和提案，为我们及后来者留出一定的发展空间。

应用定位问题

从目前国外典型低轨星座发展来看，应用定位基本可以分为2种。

一种类型是面向大众服务的星座。一般采用常态化无缝覆盖设计思路，卫星波束设计一般为固定指向。典型如Iridium、OneWeb星座，均支持全球无缝覆盖。对于低频段NGSO星座，波束宽，单星多波束视场覆盖达到±60°，卫星数量一般在几十颗，如L频段Iridium系统，66颗卫星，实现全球无缝覆盖，为各类用户提供全球移动通信服务。对于NGSO低轨互联网星座，频率高，波束窄，为实现全球无缝覆盖，需要的波束数量远大于移动通信星座，同时，为降低单星成本及实现的难度，低轨互联网星座一般需要更多的卫星，如OneWeb星座，部署720颗卫星，总波束数量11520个。

另一种类型是面向部分高端用户服务的星座。其特点是用户数量有限，单用户对传输能力要求较高。服务的用户群主要以高端和高价值目标为主，如海上大型邮轮、地面骨干节点、偏远基站、石油和天然气离岸平台，以及政府/军队等。该类型星座一般采用全球可达的、高频段可移动点波束的设计思路，如LEOSat系统，采用Ka频段，单星面向用户提供10个可调点波束，可按需跟踪指向用户。该类型星座支持用户数量有限（在千量级），但单波束提供能力强，可达吉比特每秒量级。

从国外典型系统来看，面向不同的应用定位，星座总体设计思路不同；即使应用定位类似，但由于频段的不同，系统实现的差别也非常大。对于我国低轨星座设计，首先应明确应用定位，其次还需要综合考虑技术路线在技术风险、经济性等对工程实现的影响。

系统实用性问题

低轨通信星座，特别是宽带互联网低轨星座的系统设计，需要考虑系统运行后能不能提供稳定服务、如何大规模应用等问题。

与GSO卫星共线干扰规避的星地协同切换示意

不同卫星规模对地面站天线波束扫描范围的需求

对于Ku、Ka等高频段低轨互联网星座，目前申报资料中的卫星数量大都在几百颗、上千颗，一方面是提高面向用户的常态化无缝覆盖能力，另外也有利于实现频率干扰的协调和规避。如对于GEO卫星网络的干扰规避，很重要的一点就是避免“地面站－LEO－GEO”的共线发生。对低轨星座来说，本质就是地面站需要切换卫星。前提条件就是LEO卫星数量足够多，地面站同时可见多颗卫星，在发生或即将发生共线干扰时，保证星地协同切换的实施。在卫星数量比较少的情况下，在大部分区域地面站仅能见1颗卫星，只能通过关断信号规避共线干扰，影响正常服务。

对于Ku、Ka等高频段低轨互联网星座，面向大众用户在应用上还需要解决2个关键技术：“动中通”和“低成本”。由于低轨卫星相对地面的高速运动，要求所有地面站都必须具备类似“动中通”的跟踪指向能力。难点就是地面站天线的体积、质量和功耗（SWaP）设计及低成本设计。对于传统抛物面天线，为保证切星过程中业务不间断，地面终端需要配置双天线，这就导致设备体积和质量增加，一定程度上会影响小平台用户及机动用户使用；对于相控阵天线，支持波束指向快速变化，体积小，但波束扫描范围受限（±60°），而且目前成本控制依然是个问题，面向大众用户推广应用还有一段很长的路要走。

对于宽带互联网星座设计，从降低地面应用复杂度和地面站成本，一是需要关注地面电扫描天线低成本设计；二是星座卫星数量应尽可能多，降低地面站切换卫星时的角度变化范围，有利于天线小型化和低成本设计。

3 低轨通信星座总体设计的几点思路

应用定位考虑

发展低轨通信星座首先要解决通信全球无缝覆盖、全球服务的问题。当前，我国GEO通信卫星轨位主要位于国土可见范围，即使在70°（S）～70°（N）范围也不能实现全覆盖或可达覆盖，南北极覆盖更是空白。

在支持业务方面，应分阶段发展，逐步提升能力。第一阶段应以移动通信和物联网数据采集服务为主，低轨通信星座的显著特点或优势就是轨道低，空间传输损耗小，有利于地面终端小型化、低功耗设计，是面向个人卫星移动通信和小目标类卫星物联网数据传输的最佳手段。同时，基于低轨通信星座无缝覆盖和全球通联的优势，通过搭载ADS-B、AIS、导航增强等载荷，提供多功能综合信息服务能力。

第一阶段的研制建设应兼顾宽带通信业务，但应定位于弥补GEO卫星通信的覆盖空白和提供能力增强为主，面向高价值或高端用户提供按需实时服务，而不是一开始就力推面向大众服务的互联网星座，形成与国内外GEO-HTS系统、类似OneWeb系统的国外LEO-HTS系统市场竞争的局面，提高系统研制建设和运营的风险。

总体设计思路

（1）空间组网，全球服务

基于星间链路、星上处理交换的空间组网是实现全球无缝服务能力的唯一途径，同时还可以解决境外部署关口站的难题。全球覆盖并不等于全球服务，如Globalstar、OneWeb卫星均采用星上透明转发，需要依托关口站实现服务，服务区域受限于关口站部署。Globalstar系统全球部署24个关口站，OneWeb系统计划部署70余个关口站，但依然难以实现全球无缝服务。

为支持空间组网，我国低轨星座的构型设计采用具有良好覆盖特性、星间拓扑结构相对稳定的近极轨道。在星间链路以及星上处理能力设计上，除移动业务外，还需要考虑宽带业务的跨星传输与交换，如采用60GHz毫米波或激光星间链路，提升星间链路能力。

（2）频谱感知，频率共用

针对可用频率资源稀缺、协调困难的现状，设计上考虑采用基于频谱感知信号检测技术，实现与其他卫星网络的无干扰/低干扰共存。基于频谱感知，选择空闲载波进行业务传输，从而达到低轨卫星移动通信星座与已有的GEO卫星移动通信网络的同频段共存。另外，利用ITU“落地功率谱小于噪声功率谱6%”规则，采用宽带扩频的方式，构建可靠的、全球覆盖的控制信令传输网，为基于频谱感知的干扰规避提供控制信令传输。重点突破星载实时频谱分析处理、星地一体资源动态实时分配等技术，在实现干扰规避的情况下，为用户提供不间断服务。

（3）宽窄综合，协同应用

根据目前我国相关单位提交的NGSO申报资料，移动通信以L频段为主、宽带通信以Ka频段为主。基于L频段多波束设计，移动通信可以实现全球无缝覆盖。Ka频段波束窄，在卫星数量不是足够多、单颗卫星能力受限的情况下，难以实现全球无缝覆盖，为满足高价值或高端用户全球服务，系统需要采用可调点波束，按需提供实时服务。低轨星座单星覆盖区域在直径4000km左右，Ka频段可移动点波束直径为100km左右，如何按需实时指向目标？结合L频段波束全球无缝覆盖的特点，设计面向全球覆盖的信令传输网络，按照地面终端业务需求和申请，为其提供按需的Ka频段点波束宽带数据传输服务。

（4）软件定义，功能重构

对于低轨星座卫星载荷在设计上需要考虑支持在轨软件定义和功能重构，在卫星寿命周期内，实现星上通信资源的高效按需调度和配置，能够针对不断变化的应用需求，及时做出调整。具体设计上主要包括波束覆盖灵活性、频率带宽配置和分配、功率分配、星载灵活交换以及空口体制的可重构等。如采用数字化阵列天线技术，针对不同区域、不同用户的业务量变化的需求，支持波束按需动态覆盖。采用在轨波束间频率规划设计，一是适应ITU不同区域的监管要求和协调，避免干扰；二是实现不同波束间的频率动态复用，提高频谱利用率。面向不同波束间不同颗粒度资源交换需求，采用数字化透明交换和分组交换技术。针对未来新波形应用，采用重构设计，支持新波形加载。

（5）体制融合，天地一体

与5G融合的低轨星座网络架构示意

在体系架构设计方面，面对未来运营和应用，采用与5G兼容的“接入网+核心网+软件定义网络（SDN）/网络功能虚拟化（NFV）”设计，与地面5G共用核心网，支持与未来地面5G移动通信网络的融合。可以认为低轨星座是5G接入网的一种，在星上主要部署物理层信号处理、链路层以及网络层路由交换等功能模块，实现空口协议处理和路由转发。在空口波形设计上，借鉴5G成熟的波形设计，如正交频分复用（OFDM）、Polar码等，针对低轨星座多普勒频移大、传输时延长等特点进行适应性改进，其中包括随机接入、闭环功控和混合自动重传等，降低研发成本。

4 结束语

目前，我国多个单位已经提出了低轨星座计划，包括“鸿雁”星座、“虹云”工程等，另外国家“科技创新－2030”天地一体化信息网络重大项目也将低轨星座纳入实施任务内，而且均向ITU递交了申报资料，公布了星座研制建设计划。但问题和困难依然存在，在频率、技术、经费等多因素约束下，在未来5～10年内，我国完成一个时间、空间连续覆盖的低轨通信星座部署难度很大。另外，对于低轨通信星座研制建设组织模式、宽带互联网星座盈利模式等还有待于研究，如是否适合我国国情、能否尽快解决国家急需、如何常态化运营等。从国外发展来看，低轨星座发展时不我待，我国相关单位应以国家“科技创新－2030”天地一体化信息网络重大项目为牵引，遵循开放、团结、协作、共享的原则，集中力量办大事，围绕一个“目标”共同努力，早日完成我国低轨通信星座的研制建设。