低轨卫星动中通的现状和前景展望

文｜林广荣

银河航天（北京）科技有限公司

一、前言

卫星动中通是指卫星终端能够在移动中进行通信，其中卫星终端可以安装在汽车、火车、轮船、飞机等各类交通载体上[1]。传统的卫星固定通信业务仅能为固定地球站提供通信业务，有了动中通，即使在没有地面信号的海洋、天空或偏远地区的汽车、火车上，乘客也能通过卫星接入通信网络。

太空探索技术（SpaceX）公司迄今已将3000多颗星链卫星送入轨道，目前已开始为部分大型邮轮提供海上高速互联网连接；国内，2022年3月银河航天发射了6 颗低轨宽带试验卫星，并依托该试验星座，成功开展了车载动中通测试，突破了实际车辆行驶条件下，终端天线波束实时精确跟踪低轨卫星的技术难题，实现了运动中的持续卫星通信，迈出了低轨卫星互联网应用探索的重要一步。

本文以低轨车载动中通为例，介绍卫星动中通原理、国内外发展状况、应用前景和未来趋势。

二、卫星动中通原理及分类

1.原理

从用户体验出发，希望通信终端网速高、小巧轻便，使用不受约束，“想在哪用，就在哪用”。随着移动通信技术的发展，手机已经可以做到非常小巧且通信速率很高，在行驶的汽车、火车、轮船（只要周边有信号）上均可自由使用，基本满足了人们的需求。但对卫星通信来说，由于卫星距离地表太远，如同步轨道卫星距离我们有36000km，无线电信号在传播过程中损耗巨大，所以传统的卫星通信终端，一般或尺寸巨大，或通信速率极低，很难二者兼顾。因此国际电信联盟（ITU）之前将卫星通信业务定义为两类，一类称作卫星固定业务（FSS），一类称作卫星移动业务（MSS），前者天线较大，采用C、Ku、Ka等较高的频段，仅能固定在原地使用，通信速率可达几M 到几十Mbit/s；后者终端可手持，采用L、S 等低频段，可像手机一样移动使用，速率通常仅有几k 到几百kbit/s。这种受到技术制约的分类，必然会严重影响使用者的用户体验，也促使了卫星动中通场景的产生。

卫星动中通终端通常由两个部分组成，一部分类似传统的卫星终端，包括天线、射频、基带处理等模块，实现卫星信号的收发处理，但卫星天线需要方向可快速调整；另一部分是卫星的跟踪控制系统，可根据卫星信号或载体姿态的变化，控制天线快速准确地对准和跟踪卫星[2]。两者配合，从而实现终端在移动中通信。

2.分类

高轨动中通是指依托高轨（主要为同步轨道）通信卫星实现的移动通信。由于卫星距地球过远，需要大口径的高增益天线精确对准卫星才能进行通信。所以高轨动中通主要需解决在平台运动中，卫星终端天线如何克服运动的方向变化，保持天线指向的问题。

低轨动中通则是指依托低轨通信星座实现的移动通信。传统的低轨通信星座系统频段低、波束宽，对波束指向要求较低，通信速率较低。近年兴起的低轨宽带通信星座，在具备通信速率高、天线口径小等优点的同时，对天线技术和波束指向控制的要求也大大提高。

三、动中通发展状况

1.高轨卫星动中通发展状况

卫星动中通终端最早应用于美军[3]，为快速前进的部队与其指挥官、友军和后方间保持实时通信，后续随着技术的发展和成本的下降，逐步应用到新闻直播、警用、海事、航空等民用领域。传统同步通信卫星所采用的动中通终端天线主要有反射面+机械传动天线、平面阵列+机械传动天线、相控阵天线、相控阵结合机械扫描天线等多种类型[4-5]。

反射面+机械传动天线是指通过机械传动机构和伺服跟踪系统来控制反射面天线的方向，使其在载体运动过程中始终指向卫星位置，实现动中通。为了降低天线的高度，反射面天线通常会拆用切角抛物面或柱形抛物面等，会较大降低天线的增益和收发性能。

平面阵列+机械传动天线则是将上述天线中的反射面替换为平面阵列，平面阵列由许多辐射单元组成，可以将天线的轮廓做得较低，但口径不易做大，增益性能相对受限，成本较反射面高。

平板相控阵天线的天线阵面也是由许多个辐射单元（称为阵元）组成，单元数目可以从几十个到几万个，这些单元有规则地排列在平面上，构成阵列天线。但工作时，天线阵面在物理上固定不动，而是通过控制阵列中辐射单元的馈电相位来改变所合成波束的指向，以达到波束扫描的目的，称之为电扫。

相控阵结合机械扫描天线可改善波束扫描范围有限、价格昂贵等问题，在船载等对终端尺寸要求不高的场景下较为适用。

国内的卫通平板相控阵天线也是最近十年间才开始逐步发展的。此前高轨动中通天线主要还是采用反射面或平面阵列+机械传动方式。

2.低轨卫星动中通发展概况

随着国外一网、SpaceX 等公司掀起了一波低轨互联网发展热潮，动中通开始向低轨卫星动中通的方向发展。由于相控阵电扫的速度极快，非常适合低轨星座中快速跟踪切换的工作场景，因此在低轨通信星座的建设兴起后，相控阵天线受到了广大厂家的关注。

随着国内射频芯片技术的发展，国内也有多家研究机构、高校和企业开始研究开发平板相控阵天线。由于多数采用了瓦片式天线阵面设计，这一阶段相控阵天线样机的尺寸和轮廓得到了较大的优化。

但因为一网和星链等低轨星座未能在国内落地，国内目前仅有少量低轨试验卫星在轨，大部分天线和终端样机仅能通过同步轨道卫星进行通信验证，未在低轨星座中实际工程验证其收发、跟踪和动中通性能，离产品化尚有较大距离。

3.银河航天卫星动中通技术研发和测试

（1）产品情况

银河航天卫星动中通天线（图1）通过与业界顶尖厂家合作，采用了国产的低成本高性能硅CMOS 射频T/R 芯片和瓦片式天线阵面设计，在单块多层PCB 电路板上集成了微带天线面、馈电网络和射频T/R 芯片，使平板相控阵天线产品具备尺寸小、增益高、功耗低、成本低等优点，提升了用户体验。

天线主要指标：

通信频段：Ka，频分双工；

EIRP：≥40dBW（法向）；

G/T 值：法向≥8.5dB/K（法向）；

扫描角：方位角0°—360°，法向离轴角0°—60°；

天线尺寸：680mm×400mm×60mm；

重量：9.5kg。

图1 银河航天卫星动中通天线

（2）测试过程与结果

实际测试时，低轨动中通终端天线通过定制夹具安装在测试车辆的车顶行李架上，终端基带单元摆放在车辆后备箱内，两者间通过中频电缆连接，如图2 所示。

图2 跑车试验时的车内设备

测试时，测试人员将低轨卫星的星历数据下载进终端，启动天线的波束控制软件和终端基带单元，进行了车载动中通终端的跑车试验。测试的内容包括在行驶过程中，相控阵天线波束对卫星的跟踪情况、信号的信噪比、通信时延和稳定性，以及互联网业务的访问表现等。测试结果表明，该低轨动中通终端可在高速行驶（最高超过时速100km/h）、拐弯和上下坡等条件下实现对低轨卫星的稳定跟踪，信噪比变化与理论计算相符，通信时延约在20 ～40ms 范围，可流畅访问网页、在线视频或和他人进行视频通话，用户体验良好。

跑车试验的结果表明，该型车载动中通终端在技术上解决了车辆行驶过程中，对相控阵天线波束的控制问题，克服了在车辆颠簸、转弯等情况下，精确地跟踪快速运动的低轨卫星的技术难题。在工程实现方面，成功实现了小型化、低成本的车载相控阵天线的产品化，让国产车载卫星天线突破了以往笨重的外形和相控阵的昂贵价格门槛，在未来有望像汽车、甚至手机一样普及应用。

四、低轨卫星动中通的应用前景

1.低轨卫星动中通应用特点

低轨卫星动中通最大的优势，一是覆盖范围广，且不受地理条件限制；二是可以支持汽车、轮船、飞机等各类移动平台，这使其可以和地面移动通信形成良好的互补。现在4G/5G 的通信体验虽好，但也存在一个严重的短板，就是对地面基础设施，也就是对基站的依赖非常高。一旦来到地面条件恶劣，或者海上等其他无法连接光纤的地方，就无法布设4G/5G 网络。随着技术和经济的发展，用户对通信的需求越来越高，未来的数字生活场景定义也需要随时随地可接入宽带通信网络。低轨卫星动中通可以和地面移动通信网络相互补充，真正实现通信的天地融合、无缝覆盖。

2.应用前景

（1）为船舶和飞机等提供互联网访问服务

高速率、小尺寸、低轮廓的低轨卫星动中通的应用前景其实非常广阔。譬如航空和航海都是传统的卫星通信刚需领域。由于低轨卫星轨道低，链路损耗远低于同步轨道卫星，再结合技术上的进步，目前的平板相控阵动中通终端，已经可以做到约1/4 平方米尺寸甚至更小，接近笔记本电脑的厚度，相比之前的动中通天线大大缩小，可以方便地安装在汽车、船舶和飞机上，最高通信速率仍可达数百Mbit/s，可以让人们在任何地方都方便地接入高速互联网络。

（2）为垂直行业提供动中通相关解决方案

低轨通信可以和工业互联网、工业控制、无人驾驶等结合起来，用低轨互联网赋能电力、采矿、林业、交通运输、生态环境等垂直行业，打造新的行业应用模式。譬如将低轨动中通安装在矿车上，就可以实现远程操控偏远矿场里的各类挖掘和运输车辆，解决施工安全和人力不足的痛点，提供智慧矿山等行业解决方案。

（3）应用于无人平台和宽带物联网数据采集等场景

未来随着技术的发展和成本进一步降低，可以展望，低轨的相控阵终端可以做到像平板电脑甚至手机大小，依然可达到数十兆的通信速率。低轨终端就可以安装到各种中小型无人机上，用来实现在偏远无信号地区的电力巡检、工地勘察等任务；和各类摄像头和传感器结合，用于在森林、沙漠、边防、海上平台、浮标等地域和场景下的数据采集回传等。真正在未来实现每个人、甚至每件物体都连接在网络上，做到万物互联。

（4）服务应急通信保障

在应急通信领域，低轨动中通可以安装在应急通信车或大型应急无人机上，通过与5G 基站相结合，实现灾后应急通信网络的快速部署开通。在近年的水灾和地震抢险中，安装高轨卫通设备和5G基站的翼龙无人机已多次大显身手。但由于高轨卫通速率受限，往往仅能为灾区提供窄带短信服务。若采用低轨动中通宽带通信，则可以提供话音和宽带上网等业务，更好地保障救灾抢险任务。

五、低轨卫星动中通的发展趋势

一是持续提升低轨动中通终端的性能，并不断降低成本。随着技术的进步，在低轨卫星动中通终端方面，必然会朝着进一步提升终端的传输性能，不断优化减小终端尺寸和低功耗，以及降低终端的量产成本方向发展。作为低轨终端天线的主流趋势，预计相控阵天线会通过迭代优化硅基CMOS 芯片、收发共面、多波束等技术，在天线尺寸、收发增益和成本间达到最佳的平衡点，并通过量产快速降低终端成本，让低轨卫星互联网走入千家万户。

二是加快低轨系统基础设施的建设。低轨卫星动中通，并不仅仅是终端层面的问题，需要从整个星座通信系统的角度综合考虑。要发挥出低轨通信的优势，让低轨卫星动中通用得更好，首先需要加快我国低轨宽带通信星座的基础设施建设，快速缩小我国与美欧航天大国在低轨建设方面的差距，包括技术上采用星载多波束相控阵天线、跳波束等先进技术，发射部署更多的卫星，优化通信覆盖和用户容量，以及推进星地一体通信体制乃至整个网络的融合，才能让动中通用得更好，真正做到网络无处不在。

三是进一步开拓探索更合适的应用场景，优化用户体验。在用户和应用侧，通过让终端更小、适用场景更广，可以安装到从小汽车、长途客货车、高铁、邮轮、货轮，乃至大小飞机甚至航天器等各种交通工具上，为用户提供一种无感而又无处不在的宽带网络连接体验。可以应用在日常的互联网上网，或是工业互联网场景：包括采矿、电力等行业和远程操控、协同作业、智能物流、智能巡检等场景，以及宽带物联网等场景中，让通信更好地改善我们的生活。