发展我国低轨卫星通信星座系统的思考*

孙建亮，崔国刚，周英庆

（上海卫星工程研究所 上海市 201109）

0 引言

低轨卫星星座系统通常指的是由多个卫星组成的，能够实现实时信息处理的大型卫星系统，其中的卫星分布情况被称为卫星星座。低轨道卫星一般应用在对地遥感领域中，在目标物的图像分辨率方面具有十分显著的优势。同时，低轨道卫星还能够在移动通信领域发挥一定的效果，卫星轨道的高度低能够缩短传输延时，并且路径的损耗相对较小。多个卫星构成的通信系统能够真正地达到全球覆盖的目的，并且能够获得更加有效的频率复用。近年来，蜂窝通信、点波束、多址以及频率复用技术的发展和应用，能够为低轨道卫星移动通信的发展进步提供更加有力的技术基础。

1 低轨卫星通信星座系统发展进程及现状

低轨道通信卫星采取的是小型化部件与轻型化技术，在重量、研制周期、成本和发射方式等方面，均具有十分显著的优势，基于此，各个国家在低轨道通信卫星中均投入了较大的力量[1]。自1985 年以来，国际卫星发射表当中具有正式编号的低轨道小卫星达到160 颗以上。在近年来的卫星通信领域发展中，低轨道小卫星通信是研究开发的重点，同时也是全球无缝覆盖个人通信系统得以实现的重要条件。随着技术的发展，国外针对低轨卫星通信发展提出了较多的方案，当下实现实际运营并且真正发射组网的主要是三种：铱、全球星与轨道通信系统。三个系统的轨道类型均为LEO，轨道高度分别是780km、1414km 和825km，工作频段分别为L、L/S和VHF，对应的卫星数为66、48 和36 颗，三种方案的总投资分别是57 亿美元、33 亿美元和5 亿美元。三种系统经过多年的运营发展，均逐渐形成自身特有的优势，初期遇到的问题均得到有效解决。除此之外，近几年OneWeb、OuterNet 和SpaceX 等新一代低轨卫星系统逐渐研发出来，逐步实现了窄带移动业务向宽带卫星通信业务的转化[2]。美国SpaceX 公司星链（starlink）属于低轨宽带通信卫星系统计划，通过自主研发的猎鹰9 号可回收火箭，将Starlink 卫星送入轨道，组成小卫星互联网星座，并在全球范围内提供互联网接入服务。2020 年6 月13 日，SpaceX 公司再次成功发射一批星链（Starlink）卫星，总数达到540 颗。

2 发展我国低轨卫星通信星座系统的背景与意义

我国的国土面积广阔，发生自然灾害的地域范围较大，概率较高，对于卫星通信系统提出了较高的要求，同时受到经济发展不均衡以及国内外安全局势的影响，卫星通信系统需求显著增加。尽管政府及相关单位在通信行业中投入了较大的精力，但在地理位置及经济条件等因素的影响下，当下我国的地面通信网覆盖率仅为15%左右，针对我国的实际情况构建符合需求的卫星通信系统，拓展国土面积覆盖率，是解决当下通信问题的重要途径。从当下的实际情况来看，国内现有通信系统对于支援自然灾害抢险救灾尚不能够起到有效的保障作用，在汶川和舟曲等灾害事故中，通信系统对于抢险救灾未发挥应有效用[3]。同时，当下的通信系统在远海及高纬度地区无法有效应用，这就导致我国进行全球范围的科考、维和、救援等活动时，不具备主导的通信网络，还增加了信息安全保密风险，构建自主控制的卫星移动通信系统势在必行。

与传统GEO 卫星通信相比，低轨卫星通信的轨道更加多样，终端小型且顽存性强，能够实现批量化生产，同时低轨卫星在通信时延、频率利用率、通信容量和全球覆盖方面，均具有显著优势[4]。随着国际竞争形势的变化和信息技术的发展，各个国家和地区在轨道和频谱资源方面的竞争态势愈加严峻。在这种背景下，建设符合我国卫星通信需求的自主信息系统，是十分必要的，能够保证我国在竞争中获得太空制高点，实现对于自身轨道及频谱权益的保护。

GEO 与LEO 卫星通信系统的设计构想、技术手段和应用情况，均存在较大的差异，两者各有优势与不足，在一定程度上代表了卫星通信领域的不同发展方向，均不能够替代另一方，分别对两者进行研究是十分必要的[5]。随着相关研究的深入，我国研究人员在GEO 卫星通信技术领域取得较大的研究成效，逐渐接近国际先进水平，但在LEO 卫星通信技术方面，受到多种因素的制约与影响，尚与国际先进水平存在较大差距，基于此，强化我国LEO 卫星通信技术的研究至关重要，构建自主低轨星座卫星通信系统是十分必要的。

3 发展我国低轨卫星通信星座系统面临的问题

3.1 系统定位方面

相较于地面通信网而言，卫星通信系统造价更高，经济成本是不可忽视的影响因素，这种情况下，卫星通信系统在普通用户中的接受程度是相对有限的。基于此，卫星通信市场的定位不能够是替代或是重复地面通信系统，而是作为地面通信的延展，通信系统服务的对象应当为地面通信网络无法覆盖或是存在特殊通信需求的群体，同时满足应急及军事通信等特殊需求[6]。因此，卫星通信系统的设计不应当将大容量作为目标，而是将可用度作为系统目标，以此解决我国卫星通信中应急需求无法满足的问题。

3.2 系统建设经费方面

在LEO 系统建设过程中，系统建设及运行的高成本属于主要的影响因素，相关资料显示，铱系统和全球星系统的建设费用分别需要57 亿美元和33 亿美元，SpaceX 公司的星链（starlink）计划预计需要经费为100 亿美元，以此为参照计算，我国建设自主LEO 系统至少需要200 亿元。与此同时，目前我国LEO 卫星的使用寿命相对较短，几年后就需要重新发射，导致卫星系统建设的成本显著增加。针对系统建设经费昂贵的问题，适当地研发和优化相应技术，有效地控制造价，并延长卫星的使用寿命，是LEO 系统建设经费问题得以解决的关键。

3.3 关键技术发展方面

LEO 系统建设会受到技术复杂性的显著影响，由于星载器件能力不足，我国的LEO 卫星基于星上处理及交换技术设计难度较大，全球频率协调难以实现，而在技术体制方面，要求系统建设不能够干扰别人但自身也不可以受到影响，组网要能够实现全球通信。目前仍有待解决的关键技术有：

第一，系统关键技术，主要包含星地一体化优化设计、移动性管理、网络运行控制和管理等；

第二，有效载荷关键技术，主要是指多波束天线技术、高效功放技术、星上处理技术、路由选择技术等；

第三，卫星平台建设。这一方面的关键在于实现卫星系统的批量生产，保证系统功能性，延长使用寿命并缩减生产成本等相关技术。

3.4 频率共用方面

GEO 与LEO 卫星通信系统共同存在，相应的频率资源十分有限，需要通过频率复用技术达到大系统容量；同时用户希望利用同一个终端达到GEO与LEO 卫星接入的效果。在这种情况下，GEO 与LEO 卫星间的频率共用是十分关键的。但实际上，GEO 与LEO 卫星间属于不规则相对运动形式，使得频率复用较为复杂，发生严重系统间干扰的风险较高。针对这种情况，需要在系统建设中使用复杂的资源动态调度技术，这样才能够达到GEO 与LEO 卫星频率复用的目的。

3.5 军民融合方面

民用低轨星座卫星通信系统的潜在用户空间是较为有限的，加之国外各个系统互相竞争较为激烈，由企业自主投资建设具有较大的经济风险，较为合理的是走军民融合发展道路。主要可以采取的方式是军方进行初期投资，而长期的运行维护由商业服务支撑，国外的相关发展实践也证实了军民融合的可行性与有效性。

3.6 轨道结合方面

全球化背景下，国家之间的竞争愈加多样和深入，实现自主可控常态化全球卫星通信系统建设，是影响我国国际地位和长效发展的重要因素。当下，我国尚无境外GEO 通信卫星轨道位置，也不能够设置境外信关站。在这种现实背景下，LEO 卫星移动通信系统的建设，成为解决通信领域发展难题的关键。国内已有和在建的卫星通信系统大多数使用的是GEO 卫星，构建LEO 卫星系统时，有效地解决GEO 与LEO 综合应用问题，是至关重要的，这样才能够形成“区域覆盖以GEO 为主，全球服务以LEO 为主”的全球信息传输服务模式。

4 发展我国低轨卫星通信星座系统的优化方案

基于潜在用户空间及可用频率资源紧张的背景，综合应用GEO 与LEO 至关重要，基于此提出GEO 与LEO 卫星综合建设与应用方案。在此方案中，GEO 与LEO 卫星被综合于同一系统，在建设初期，系统组建是由GEO 卫星实现的，随着通信业务量的不断增长和技术不断发展成熟，达到一定的范围后，可以增加LEO 卫星，最终形成GEO 卫星与LEO 卫星组成的通信服务系统。此方案的实施，能够通过一网二星的方式，保证两种卫星互相补充及备份的目的，促进卫星通信系统性能的提升，同时有助于分阶段建设计划的实施。

GEO 与LEO 卫星的结合主要包含覆盖、业务、资源及链路几个方面。

（1）覆盖结合。GEO 卫星系统覆盖区域是我国领土和附近海域，也叫作主服务区，LEO 卫星系统能够覆盖全球主要区域，两个系统的覆盖位置存在重合部分。在实际应用中，应当由GEO 卫星系统承担主服务区中低纬度地区的通信，LEO 卫星系统承担高纬度地区通信。

（2）业务结合。GEO 卫星系统的广播及宽带业务能力较为突出，LEO 卫星系统的业务优势主要是在手持机式窄带业务方面，将两个卫星系统进行结合，能够同时实现广播、宽带际对手持机的窄带业务。

（3）资源结合。系统建设中，要保证两个卫星系统能够实现信道资源统一管理，互为备份和迂回。基于卫星系统的不同特征及优势，由LEO 卫星资源分担宽带等非手持机式移动业务，LEO 卫星资源分配负责手持机式移动业务，是较为合理的。

（4）链路结合。主服务区外建设系统信关站较难，LEO 卫星运行到无法和主服务区中地面信关站进行直接通信的轨道弧段时，为保证通信服务，需要采取星际链路。考虑到静止轨道卫星位置的固定特征，LEO 卫星和GEO 卫星间的星际链路比较合理可行，也就是将GEO 卫星当作是LEO 卫星中继节点，利用LEO 系统实现全球主要地区的通信覆盖。

5 结语

综上所述，将低轨道通信小卫星作为传统GEO通信卫星以外的新选择，能够更好地满足我国国民经济发展与国防建设的通信需求，解决当下卫星通信能力不足的问题。我国的低轨卫星通信星座系统发展中，应当致力于构建军民合用的通信系统，将其作为地面通信系统的延展与补充，同时注意综合应用静止轨道与低轨道卫星，最终建设更加完善的卫星通信系统。