低轨宽带通信卫星系统定义、工作原理及其发展趋势分析

发布时间：2020-05-12　　来源：立鼎产业研究网　点击量： 8950　

——低轨宽带通信卫星系统定义

低轨宽带道通信卫星系统由大量（通常为数百或数千颗）低轨道小型通信卫星组成卫星系统/星座，通常使用 Ku、Ka、Q/V 等高频频段进行宽带通信。部分低轨宽带道通信卫星系统中包含少量中高轨卫星，其多作为节点/中转星，大部分通信数据链仍在低轨卫星和地面之间完成。

由于地球曲率的影响，高轨道卫星能够以更少的数量实现全球覆盖，而低轨道卫星则需要成百甚至上千颗卫星组成星座才能实现全球覆盖，即“站得高，看得远”。在卫星制造成本和发射成本高居不下的时代，低轨道卫星系统由于组网复杂、所需发射量大，并不具备经济可行性。近年来，伴随技术的进步，卫星的体积、质量、成本逐步下降、可靠性、集成度不断提升，同时伴随火箭发射成本的显著下降，低轨道小型卫星系统的大规模部署已逐渐具备条件。

按照通信卫星运行的轨道不同，卫星通信（系统）可分为：

低轨道（ LEO ）卫星通信：LEO 卫星较小，运行于距地面 500-2000km 的轨道上，具有传输时延（Starlink双向通信时延为 50-70ms）、覆盖范围、链路损耗、功耗较小等特征。典型系统为美国铱星通讯公司(IRDM)的第二代铱星系统。

中轨道（ MEO ）卫星通信：MEO 卫星运行于距地面 2000-20000km 的轨道上，其传输时延（MEO 卫星系统 O3b 双向通信时延约为 300ms）、覆盖范围、链路损耗、功耗大于 LEO 但小于 GEO。典型系统为英国 Inmarsat 公司的国际海事卫星系统。

高轨道（ GEO ）同步卫星通信：GEO 卫星运行于距地面 35800km 的地球同步静止轨道上。传统的GEO 通信系统的技术最为成熟，但由于存在较长的传播时延（双向通信时延 500ms 以上）和较大的链路损耗，在实时通信中存在显著的延迟。

StarLink Ku频段波束覆盖示意图

资料来源：CNKI

低轨小卫星一般指运行于距地面 500-2000km 的轨道上，重量在 1000kg 以下的现代卫星，具有通信、导航、遥感等一种或多种功能。虽然小卫星在工作功率、有效载荷、在轨功能等方面弱于大型卫星，但在低轨通信卫星系统中，小卫星较低的功率反而更加节能（低轨道离地面距离较近，信号传输所需功率相对较小），且其有限的功能可以通过庞大的卫星数量来弥补。加之小卫星较大卫星具有成本低、研制周期短、发射灵活等特点，因而低轨通信系统中往往以小卫星为主。

低轨宽带通信卫星系统的优势

1）轻小型化：与传统通信卫星系统中重达几吨的卫星相比，低轨通信卫星系统中使用的小卫星重量通常在 1 吨以下。轻型复合材料技术以及集成化应用是小卫星轻型化发展的重要前提。卫星的重量下降使得单次发射所能搭载的卫星数量进一步提升，从而降低了平均发射成本。

2）制造成本低：传统大卫星的研制周期一般需要 5 年左右，且项目投资大、发射费用高、项目风险大。小卫星的研制周期一般为 2 年左右，研制成本大大降低。此外，低轨通信卫星系统所需卫星数量庞大，有望极大地降低卫星制造边际成本。

3）灵活发射：小卫星可以作为大卫星的附属物一起发射，也可以是几十甚至上百个微小卫星搭载同一个火箭一齐发射。运载和发射工具包括火箭、导弹、空间飞行器等，发射地点可以为地面、大气层或太空平台。

4）冗余组网：小卫星网络的快速部署能力和抗毁能力强。利用大量小卫星组成冗余备份，当某颗卫星失效或摧毁时，附近卫星可以快速补位。虽然单颗小卫星功能有限，但通过多颗微小卫星组成卫星系统或编队进行网络部署，呈现出空间拓展优势。

5）信号接收方便：地球同步轨道（高轨道）卫星对用户终端接收机性能要求较高，其需要采用 12 米以上的星载天线(L 波段)对准卫星进行通信以保证通信速率，而手持机难以直接通过卫星进行高速通信。低轨通信卫星对用户终端的要求低，可以采用微型/小型手持用户终端，如 Starlink 系统可通过大小为 6-9 寸便携式地面设备（带有支撑杆的圆盘结构，装有可自动追踪卫星的相控阵天线，插入插座并保持露天即可工作）实现高速通信，较高轨道卫星接收信号更加方便。

6）低时延：传统卫星通信系统多采用中轨或高轨卫星，以减少卫星部署数量。然而中轨、高轨卫星离地面较远，导致其双向通信时延分别为 300ms 和 500ms 量级；而低轨卫星双向通信时延为 50ms 左右，具有天然的时延优势。

小卫星相对大卫星的优缺点

资料来源：CNKI

——低轨宽带通信卫星系统工作原理

低轨通信卫星系统与传统通信卫星系统工作原理较为相似：以个人通信为例，卫星通信系统通过在地球表面形成蜂窝状服务小区，服务区内用户至少被一颗卫星覆盖，对应的卫星在处理语音与数据等多种信息的同时，与陆地无线移动通信网相互协调配合，使用户通过所持的便携式移动终端将信号直接发向最近的卫星，再经卫星之间的转发，把信号传送到地面电话网中的接收用户，从而完成在全球范围内的个人通信。尽管每颗低轨道卫星所能覆盖的地域比同步卫星小得多，但由于离地表近，其信号强度、可使用频率、数据带宽等都远强于同步卫星。

典型卫星通信系统示意图

资料来源：《中国卫星通信产业发展白皮书》

根据应用方向和支持的业务，低轨通信卫星系统可以划分为移动和宽带两类。其中低轨移动通信卫星系统采用 L、S 低频段工作，以中低带宽业务为主，支持面向手持移动通信和低功耗小型化物联网服务，如 Iridrum（铱星系统）、Globalstar（全球星系统）；低轨宽带通信卫星系统又称为低轨高通量卫星系统，采用 Ku、Ka、Q/V 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，如 OneWeb计划、Starlink（星链）计划等。此外，低带宽的移动通信星座接收器较为简单，可为手持机、船载/车载站、一体化终端等；而低轨宽带通信卫星一般无法直接与用户终端通信，需要地面设备中转信号，如 Starlink 计划使用大小为 6-9 寸地面设备中转信号，但仍较高轨通信卫星系统接收信号更方便。

——低轨通信卫星系统发展趋势：高频、高通量是未来主流发展方向

自 20世纪90年代以来，低轨宽带通信卫星系统开始受到各国广泛关注，但由于发射成本、建设成本高，推进缓慢。近年来，随着卫星小型化、轻量化、低轨道发射成本的大幅下降，以及物联网、移动互联网的发展，低轨通信星座迎来了新的发展高潮。以 L、S、VHF 等低频段为主的 Iridrum、“全球星”（Globalstar）、“轨道通信”（Orbcomm）系统等传统低轨移动通信星座已经完成升级换代，并向高频高速、多功能综合、物联网方向发展；以 Ku、Ka 频段甚至 Q/V 等更高频段的宽带互联网星座计划呈现爆发式增长，如OneWeb 公司、SpaceX 公司、低轨卫星公司（LEOSat）、加拿大电信卫星公司（TeleSat）相关计划。高频高速已成为低轨道通信卫星未来主流发展方向。