从银河航天首发星在轨测试分析低轨宽带卫星通信的优势

李建成

[银河航天（北京）科技有限公司，北京 100089]

0 引言

低轨卫星互联网是通过一定数量的低轨宽带通信卫星形成组网模式，旨在覆盖全球，为部署在地面、海洋和空域的用户终端提供宽带互联网数据接入服务，其具备覆盖区域大、传输速率高、传输时延低、环境适应性好等优点。 2020年4月20日，国家发改委首次将卫星互联网和 5G、工业互联网等一起列入信息基础设施，明确了建设卫星互联网在新一代信息技术演进上的重大战略意义。在 3GPP RAN主导的 5G NR（新空口）网络标准中，非地面网络（NTN）技术也将卫星和高空平台作为重要的研究方向，已经有众多参与方提交并形成了一系列重要的技术报告，并积极推进相关的技术规范制定工作。星地融合的通信时代已是渐行渐近。

银河航天作为国内民营商业航天的独角兽企业，在2020年1月16日成功发射首发星，该卫星是一颗低轨宽带通信卫星。目前，该星已成功开展了近一年的星地通信联试，完成了信关站信标跟踪对比测试、卫星信道特性测试、通信业务呼叫流程以及相关的通信性能验证等一系列测试用例，同时基于信关站和卫星用户波束的覆盖范围，开展场景场地适应性测试，验证了低轨宽带卫星的通信能力，探索出一套行之有效的低轨卫星通信系统测试方法，为后续低轨卫星星座的建设提供了有力的测试 数据支撑。在此期间，银河航天选择了绵阳市北川县山区（7月中旬）和唐山市曹妃甸滨海高湿度环境（9月中旬）进行了不同环境条件下的试验，实测证明首发星的链路预算指标能有效对抗中雨、大雾等水汽环境，为用户提供端到端的数据通信服务。本文结合银河航天首发星通信系统在不同环境条件下的测试情况，分析了低轨卫星通信在带宽、时延、覆盖等方面的特点，并探讨了低轨卫星互联网在未来服务应用中的优势。

1 卫星通信环境适应性

卫星互联网的独特性在于不受地面环境影响，因而成为灾难应急、偏远区域通信等场景下的重要选择。随着低频段频谱资源的日益拥挤，拥有更高可用频谱带宽的 Q/V/Ka频段成为卫星空口使用的重要资源。然而高频段信号由于频率较高，在空间的损耗较大，受降雨、大气中的水凝物以及大气湍流等影响更为严重，降雨甚至可以引起高达 10 dB以上的信号衰减，导致信号中断，进而影响通信系统的可用性等重要指标。有关雨衰的理论研究以及相关的试验验证较为复杂，美、英、日、意等国早在 20世纪70年代就开始结合本国气候特点，利用辐射计法、雷达法、卫星信标法等，做了大量的实验与理论研究，利用实验实际的测试数据和统计方法建立了诸如 Assis-Einloft Improved、ITU-R等模型系统。为对抗雨衰带来的影响，通常的做法是在原有链路计算的基础上，引入链路余量，随之而来的是设备配置等级、链路自适应动态运行与无线资源调度以及设备成本预算等一系列的问题。为了应对局部小范围的高强度降雨而保留过高余量的做法，显得极为不合理、不经济。为探索合理的系统设计方法，银河航天的工程开发人员在测试过程中积累气象数据，并且选择在滨海区域进行了降雨中及降雨后高湿度条件下的通信测试并取得成功。

图1 信关站的气象仪采集的气象信息

就场地适应性而言，地面光纤作为传输网络的重要媒介，可以光纤到户，其优势是通信带宽大，其劣势是在偏远山区、海洋等区域铺设受到地形地貌的限制，成本高昂。卫星终端能够以固定、便携、车载、船载或者机载等多种站型快速部署并提供服务，在部署成本和使用便捷性上优势显著。银河航天在山区环境下开展的通信试验很好地印证了这一点。

图2 部署在绵阳市北川县山区的固定式低轨卫星终端

承担以上环境适应性通信试验任务的银河航天首发星，是中国境内首颗通信能力达 24 Gb/s的低轨宽带通信卫星。

2 银河航天首发星试验系统

银河航天首发星系统由在轨卫星、信关站、测控站、卫星终端和卫星运控中心组成，其中，在轨卫星使用 Q/V频段信号与信关站进行连接，使用 Ka频段信号与卫星终端进行连接。同时，卫星系统与多种制式的地面网络实现对接连通，如 5G，LTE，GSM，Wi-Fi等，可开展各种星地融合网络试验。整个试验系统全景如图 3所示。

图3 银河航天首发星试验系统全景

在滨海环境通信测试中，信关站位于北京市海淀区，卫星终端位于唐山市曹妃甸，临近渤海湾，测试过程中用户段区域有中等强度降雨。此次测试是国内首次利用在轨低轨宽带卫星验证高频毫米波在雨区海洋等气候环境下的通信能力。如图4所示。

图4 滨海环境通信测试

3 在轨测试分析

3.1 环境适应性

图5为持续降雨条件下，在信关站采用频谱分析仪按秒采集信标信号强度及信标锁定情况。排除快速过顶时产生的 2个失锁样本点，在中雨条件下信标信号锁定正常，满足通信条件。

3.2 通信带宽

图6实测数据表明，在降雨条件下，卫星终端接收信号信噪比（信号与噪声强度之比）依然能达到 20 dB左右，且保持稳定。参考 ETSI EN 302 307-2规范文档中关于解调性能仿真结果，此信噪比可支持比较高阶的编码率，结合前向配置的信号带宽（20 Ms/s），信息速率超过 80 Mb/s，足以支持现行大多数的卫星互联网业务应用场景。

图5 信标信号接收和锁定指示

图6 信号接收强度和信噪比（降雨条件下实测数据）

如图7、图8所示，在晴好天气条件下进行的基于卫星链路的 5G基站回传测试中，回传链路数据吞吐量达到了 500 Mb/s以上。这一测试结果表明，银河航天的低轨通信卫星在信关站和卫星覆盖范围内实现的大带宽传输，可为 LTE或者5G蜂窝网络提供卫星链路回传，为现有的电信运营商提供了一个非常重要的选择。

图7 卫星终端接收情况（晴好天气条件实测数据）

图8 信关站接收情况（晴好天气条件实测数据）

3.3 通信时延

如图 9所示，在银河航天首发星测试中，对通信时延进行了统计，典型值在 20 ms-40 ms，可与地面光纤相比拟。在长距传输的情形下，低轨卫星传输跳数相比地面光纤网络更少，时延优势将更为明显。这一低轨卫星通信的重要特征，对于金融交易等对低时延有强烈需求的场景尤为重要。

图9 通信时延实测结果

3.4 地域覆盖

相比于地面通信基站，低轨星座天然具备广覆盖的特性，地面基站天线高度和低轨卫星轨道高度及覆盖方式对比如图 10所示。

图10 地面基站与低轨卫星覆盖对比示意图

卫星的波束覆盖范围远远大于地面蜂窝基站，低轨卫星覆盖宽，在满足低容量密度区域的通信需求时具有优势，地面蜂窝基站则可以用于覆盖城市地区等容量密度需求大的区域。

银河航天基于覆盖的测试需求，以北京信关站为中心，在唐山（210 km左右）、石家庄（300 km）等多地开展了异地通信测试，为验证信关站服务区域、服务时间、多区域连续服务能力以及可能的卫星工作模式提供了重要的试验数据。图 11为以信关站为中心的覆盖区域示意图。

图11 以信关站为中心的覆盖区域范围

4 结束语

受益于火箭发射技术、卫星批产、 HTS高通量卫星等产业技术进步，低轨卫星通信星座正在迎来发展热潮。凭借广覆盖、低时延、大通量和环境适应性强等显著优势，低轨卫星通信系统将获得广阔的发展空间。国内外正涌现出一批致力于低轨卫星系统建设的企业，卫星互联网产业也将随着卫星制造、测运控技术和星地通信等诸多技术突破，成为关键的基础设施，为全球越来越多的用户提供通信应用服务。