孫晨華，肖永偉，趙偉松，周坡

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天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)低軌移動及寬帶通信星座發(fā)展設(shè)想

孫晨華，肖永偉，趙偉松，周坡

（中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081）

隨著全球互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的延伸，可以實現(xiàn)包括南北兩極在內(nèi)全球無縫覆蓋的低軌通信星座又一次進(jìn)入了發(fā)展機遇期。通過分析國外典型星座的特點，結(jié)合我國“科技創(chuàng)新2030—重大項目”：天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)重大工程的發(fā)展背景，提出了一種創(chuàng)新的低軌移動及寬帶通信星座方案構(gòu)想，并給出了發(fā)展建議，希望能夠為相關(guān)系統(tǒng)研制提供參考。

低軌通信星座；衛(wèi)星移動通信；衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座

1 引言

低軌通信星座相對于高軌通信星座而言，具有更低的傳輸時延、更好的全球覆蓋性（包括南北兩極），可以更好地克服南山效應(yīng)，終端有可能更小，速率有可能更高。因此，20世紀(jì)80年代末，美國等發(fā)達(dá)國家就開始發(fā)展低軌通信星座。我國以“天通一號”“中星16”等為代表的同步軌道移動和寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的建設(shè)，為解決個人移動通信、小型終端高速傳輸?shù)忍峁┝擞行侄危泊蟠筇岣吡宋覈h(yuǎn)距離通信服務(wù)能力。但是隨著我國“一帶一路”倡議的提出及不斷推進(jìn)，通信傳輸保障“走出去”的需求迫切，利用低軌通信星座實現(xiàn)全球覆蓋，提供移動和寬帶各類服務(wù)，成為解決通信傳輸保障“走出去”的重要選擇。

2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 國外典型系統(tǒng)概況

目前全球無論是已經(jīng)運營的典型系統(tǒng)還是新的研究發(fā)展計劃，主要由美國引領(lǐng)其技術(shù)和市場發(fā)展[1]，美國具有全產(chǎn)業(yè)鏈的先進(jìn)技術(shù)，具有頻率軌位的戰(zhàn)略儲備，從而奠定了其發(fā)展基礎(chǔ)。另外，由于美國低軌通信星座系統(tǒng)起步早，不僅切合了當(dāng)時地面移動不發(fā)達(dá)情況下的個人移動通信需求，同時充分利用星座覆蓋地域不受限制和距離遠(yuǎn)的特點，提供航空航海等服務(wù)。主要的系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 美國引領(lǐng)的全球低軌通信星座發(fā)展

圖1中包括Iridium、ORBCOMM、Globalstar 3個典型低軌通信星座系統(tǒng)，O3b（other 3 billion，另外30億）1個中軌系統(tǒng)以及OneWeb、SpaceX、LeoSat等新的星座計劃。Iridium、ORBCOMM、Globalstar發(fā)展之初，地面移動通信落后，低軌通信星座系統(tǒng)突出了對海上、偏遠(yuǎn)地區(qū)以及當(dāng)前萬物互聯(lián)（物聯(lián)網(wǎng)）背景下地面移動難以到達(dá)地域的覆蓋優(yōu)勢。隨著需求的不斷更新和技術(shù)水平的發(fā)展，這幾個典型系統(tǒng)均由一代向二代轉(zhuǎn)變，呈現(xiàn)出載荷能力更強、功能更綜合、應(yīng)用定位更準(zhǔn)確的趨勢，但是保持了頻率、軌位以及星座構(gòu)型的持續(xù)性，O3b中軌系統(tǒng)主要為大客戶提供互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)。OneWeb、SpaceX等主要開展面向個人的寬帶互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)。

（1）全球唯一的星間組網(wǎng)、全球無縫覆蓋的Iridium一代、二代系統(tǒng)

Iridium是目前世界上唯一支持包括兩極在內(nèi)的全球無縫覆蓋服務(wù)的系統(tǒng)，采用星間鏈路組網(wǎng)，不依賴全球布站實現(xiàn)用戶間互通。一代系統(tǒng)于1998年5月建成，二代系統(tǒng)Iridium NEXT于2007年啟動。

Iridium一代、二代星座由分布在6 個軌道面上的66 顆衛(wèi)星組成，軌道高度780 km，用戶鏈路采用L頻段。Iridium二代通過對一代衛(wèi)星的逐步替換，實現(xiàn)更大容量、更高業(yè)務(wù)速率以及更多功能[2]，L頻段業(yè)務(wù)高達(dá)1.5 Mbit/s，Ka頻段業(yè)務(wù)高達(dá)8 Mbit/s。Iridium二代還具備氣候變化監(jiān)視、多光譜對地成像、空間氣象監(jiān)視、航空監(jiān)視、導(dǎo)航增強等功能。強大的載荷能力也使得該系統(tǒng)業(yè)務(wù)定位由最早的個人移動通信，發(fā)展到了綜合業(yè)務(wù)。正是由于該系統(tǒng)的諸多特點，使得它在低軌通信星座市場占比最高，2015年營業(yè)收入達(dá)到4億美元。

一代和二代Iridium系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

（2）典型無星間鏈路，依托地面關(guān)口站運行的ORBCOMM及Globalstar一代、二代系統(tǒng)

創(chuàng)建于1993年的ORBCOMM公司，是一家領(lǐng)先的“機器到機器”和物聯(lián)網(wǎng)解決方案供應(yīng)商，公司提供支持基于衛(wèi)星網(wǎng)（不僅是ORBCOMM星座，也可利用Inmarsat和Globalstar星座）和蜂窩網(wǎng)的服務(wù)。1996年2月，依托ORBCOMM星座，該公司啟動全球首個低軌通信星座服務(wù)，提供全球數(shù)據(jù)通信商業(yè)服務(wù)。ORBCOMM低軌通信星座系統(tǒng)包括約40顆衛(wèi)星及16個地面站，衛(wèi)星分布在距地面740～975 km的7個軌道面上，關(guān)口站分布在13個國家。用戶鏈路采用VHF頻段，無星間鏈路，采用存儲轉(zhuǎn)發(fā)模式，可以為世界上任何地方提供廉價的跟蹤、監(jiān)視和消息服務(wù)。二代ORBCOMM[3]與一代相比，衛(wèi)星質(zhì)量增加到原來的4倍，接入能力增加了6倍，見表2。目前擁有世界上最大的天基AIS（automatic identification system，船舶自動識別系統(tǒng)）網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，目前每天處理來自大約15萬艘船只的超過1 800萬條AIS消息。

Globalstar系統(tǒng)與ORBCOMM相類似，無星間鏈路設(shè)計，需要依托關(guān)口站實現(xiàn)服務(wù)，采用玫瑰星座（高度1 400 km），48顆衛(wèi)星，用戶鏈路采用L、S頻段[4]，采用彎管透明轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)計，服務(wù)區(qū)域受限于關(guān)口站部署。Globalstar二代系統(tǒng)提高了系統(tǒng)容量和數(shù)據(jù)速率，新增互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)、ADS-B（automatic dependent surveillance-broadcast，廣播式自動相關(guān)監(jiān)視）、AIS等新業(yè)務(wù)。

表1 Iridium一代到二代系統(tǒng)配置及能力對比

（3）在軌提供互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)的中軌O3b系統(tǒng)

O3b系統(tǒng)是目前唯一成功運營的中軌星座寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)。從其名稱可以看出，其建設(shè)目標(biāo)是讓亞洲、非洲、大洋洲和美洲地區(qū)缺乏上網(wǎng)條件的“另外30億人”能夠通過衛(wèi)星接入互聯(lián)網(wǎng)。該星座位于8 062 km的中軌道，采用多點波束、透明轉(zhuǎn)發(fā)模式，用戶速率可達(dá)百Mbit/s量級，如2.4 m天線可達(dá)300 Mbit/s以上。運營上，與地面運營商合作，提供4G基站回程、地面電信干線傳輸、石油和天然氣企業(yè)離岸平臺通信、海上寬帶通信等服務(wù)，支持偏遠(yuǎn)地區(qū)高品質(zhì)互聯(lián)網(wǎng)接入，如圖2所示。O3b一代到二代系統(tǒng)發(fā)展見表3。

表2 ORBCOMM一代到二代系統(tǒng)發(fā)展

（4）先進(jìn)的互聯(lián)網(wǎng)星座計劃—OneWeb和SpaceX計劃

OneWeb公司提出以低軌衛(wèi)星群來普及互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，使小型用戶終端能夠高速低時延地接入互聯(lián)網(wǎng)。

圖2 O3b基站回程服務(wù)

表3 O3b一代到二代系統(tǒng)發(fā)展

OneWeb將發(fā)射720顆衛(wèi)星完成初期構(gòu)建，軌道高度1 200 km，18個軌道面，采用透明轉(zhuǎn)發(fā)，基于地面關(guān)口站，提供直接面向用戶的Ku頻段互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)。OneWeb單星重量不大于150 kg，單星容量可達(dá)5 Gbit/s以上，可以為0.36 m口徑天線的終端提供50 Mbit/s的互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)[6]。OneWeb現(xiàn)已獲得美國FCC授權(quán)，可以在美國提供互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。計劃2018年開始發(fā)射，2019年提供服務(wù)。后續(xù)考慮對星座進(jìn)行擴展，增加1 972顆衛(wèi)星。OneWeb公司采取多種技術(shù)和管理措施，降低成本，向產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展，追求衛(wèi)星制造的標(biāo)準(zhǔn)化、自動化，可將單星成本控制在50萬美元，預(yù)計每天可生產(chǎn)3顆。采用一箭多星發(fā)射節(jié)約成本。

SpaceX計劃構(gòu)想了4 000多顆星的星座，進(jìn)一步降低衛(wèi)星成本，通過火箭回收技術(shù)，降低發(fā)射成本。開創(chuàng)商業(yè)互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星新時代。

2.2 國外典型系統(tǒng)發(fā)展特點及啟示

（1）特點

早期發(fā)展的低軌通信星座系統(tǒng)，占據(jù)了最有利的低頻段資源，繼續(xù)保持其頻段低、波束寬、無縫覆蓋所需衛(wèi)星數(shù)量少的優(yōu)勢，在傳統(tǒng)個人移動通信的基礎(chǔ)上，向物聯(lián)網(wǎng)及多功能方向發(fā)展?！耙苿油ㄐ?物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用”成為低軌移動通信星座發(fā)展的共識。例如Iridium NEXT支持ADS-B業(yè)務(wù)，Globalstar二代系統(tǒng)支持ADS-B、AIS業(yè)務(wù)，ORBCOMM本身就定位于M2M（machine to machine，機器與機器）業(yè)務(wù)，二代還增加了AIS等。衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)已經(jīng)成為新的經(jīng)濟增長點，ORBCOMM在近幾年出現(xiàn)了快速的增長，保持了每年10%的收入增速，特別是2014—2015年，其收入增長了幾乎70%。

新的星座計劃主要基于寬帶互聯(lián)網(wǎng)需求，采用Ku、Ka高頻段實現(xiàn)高速率，通過成倍甚至10倍以上的衛(wèi)星數(shù)量盡可能實現(xiàn)連續(xù)覆蓋。由于單星速率高、星間交換需要的容量大、技術(shù)復(fù)雜、成本高，因此，目前大多計劃均未考慮配置星間鏈路，這樣也使得其服務(wù)地域范圍受到限制。

作為地面來講，構(gòu)建多種星座與地面移動網(wǎng)融合的綜合服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)天地互補、不同星座互補，ORBCOMM公司的天地融合服務(wù)網(wǎng)絡(luò)是最好的案例。

寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)的普及與推廣應(yīng)用，促進(jìn)了低軌互聯(lián)網(wǎng)星座的發(fā)展。隨著衛(wèi)星通信技術(shù)和衛(wèi)星平臺能力提升，為降低系統(tǒng)費效比，“小衛(wèi)星大容量”成為低軌互聯(lián)網(wǎng)星座發(fā)展的顯著特征。例如OneWeb，衛(wèi)星重量約150 kg，單星容量可達(dá)5 Gbit/s。

（2）啟示

國外的典型系統(tǒng)發(fā)展歷程，給人們很好的啟示。

? 要發(fā)展星座，必須先要有頻率資源儲備。Iridium、ORBCOMM、Globalstar等20世紀(jì)80年代開始發(fā)展，占領(lǐng)全球低頻段資源先機。根據(jù)ITU先登先占的原則，其他同類星座頻率申報變得非常困難。對于新的NGSO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)頻率申報，基本需要提前5~10年的儲備或者合作獲得。

? 基于星間鏈的空間組網(wǎng)是突破全球地面布站限制的唯一選擇，也是實現(xiàn)全球無縫服務(wù)的唯一選擇。Iridium是唯一真正實現(xiàn)全球無縫服務(wù)的低軌通信星座。Globalstar、OneWeb均采用星上透明轉(zhuǎn)發(fā)，需要依托關(guān)口站實現(xiàn)服務(wù)，而且服務(wù)區(qū)域受限于關(guān)口站部署。Globalstar全球部署24個關(guān)口站，OneWeb計劃部署55~75個關(guān)口站提供服務(wù)，即使這樣也很難提供全球服務(wù)能力。我國發(fā)展星座可優(yōu)先考慮基于星間鏈路和星間組網(wǎng)的方案，彌補全球部署關(guān)口站不方便的不足。

? 成本控制、先進(jìn)的技術(shù)、多渠道融資，也是星座良好發(fā)展的重要保障。低軌通信星座系統(tǒng)由于衛(wèi)星數(shù)量多、系統(tǒng)復(fù)雜、維護(hù)成本高，與同步軌道衛(wèi)星相比投入大，因此不僅要考慮技術(shù)實現(xiàn)，還必須同期考慮融資和運營。

3 我國低軌通信星座現(xiàn)狀

3.1 我國發(fā)展低軌通信星座的必要性

低軌通信星座是保障全球無縫通信的最佳途徑。隨著我國經(jīng)濟和社會的發(fā)展，國家經(jīng)濟貿(mào)易、科技、文化等領(lǐng)域的利益不斷向海外拓展，我國在全球的利益對實時無縫信息保障有很大需求。GEO（geosynchronous orbit，地球同步軌道）衛(wèi)星由于其軌道特性，無法實現(xiàn)全球覆蓋。而且在GEO衛(wèi)星發(fā)展上我國已經(jīng)取得了很大進(jìn)步，但在低軌通信星座方面，與國外先進(jìn)水平還有很大差距，因此發(fā)展低軌通信星座十分必要。

低軌通信星座是爭取空間戰(zhàn)略資源的重要舉措。目前，可用于全球衛(wèi)星移動通信的黃金頻段L/S頻段被瓜分殆盡；低軌Ku、Ka頻段資源也幾乎被新興互聯(lián)網(wǎng)星座的申報資料填滿。因此，我國必須加快發(fā)展低軌通信星座，搶占可用頻率使用權(quán)，為確立太空優(yōu)勢奠定基礎(chǔ)。

3.2 國內(nèi)發(fā)展情況

我國低軌移動通信星座發(fā)展目前處于單星試驗和系統(tǒng)規(guī)劃階段，總體上看，與美國等發(fā)達(dá)國家相比，按照形成能力的時間計算，預(yù)計落后20年以上。

“十五”期間組織了低軌通信星座論證，安排了相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)；“十一五”期間上海小衛(wèi)星等單位，發(fā)射了多顆存儲轉(zhuǎn)發(fā)類小衛(wèi)星，并得到應(yīng)用；“十二五”期間，清華大學(xué)與北京信威通信技術(shù)股份有限公司（以下簡稱信威公司）聯(lián)合研制的靈巧通信試驗衛(wèi)星成功發(fā)射，測試驗證了低軌衛(wèi)星開展語音、數(shù)據(jù)、圖像、互聯(lián)網(wǎng)等多種業(yè)務(wù)。目前，中國航天科技集團(tuán)公司（以下簡稱航天科技）、信威公司、中國航天科工集團(tuán)有限公司（以下簡稱航天科工）、中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所等單位以及科技部依托中國電子科技集團(tuán)牽頭論證的天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)重大工程等提出多個低軌通信星座系統(tǒng)規(guī)劃方案。航天科工的“虹云”工程計劃，以天基互聯(lián)網(wǎng)接入為主要目標(biāo)，規(guī)劃發(fā)射156顆小衛(wèi)星；航天科工的“行云”工程計劃，以物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)為主要目標(biāo)，預(yù)計部署50余顆低軌小衛(wèi)星；航天科技的“Universe Link”計劃，以互聯(lián)網(wǎng)接入、物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)為目標(biāo)，預(yù)計部署54+270余顆衛(wèi)星。

4 低軌移動和寬帶互聯(lián)綜合星座構(gòu)想

4.1 天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)重大工程與低軌通信星座

天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)重大工程是國家科技創(chuàng)新2030先期啟動的4個科技重大工程之一，總體架構(gòu)如圖3所示，由天基骨干網(wǎng)、天基接入網(wǎng)和地基節(jié)點網(wǎng)組成。天基骨干網(wǎng)由GEO軌道的若干（6個）節(jié)點聯(lián)網(wǎng)而成，天基接入網(wǎng)則以低軌節(jié)點為主，地基節(jié)點網(wǎng)由多個地面互聯(lián)的地基節(jié)點（關(guān)口站及信息港）組成。天基骨干網(wǎng)、天基接入網(wǎng)和地基節(jié)點網(wǎng)構(gòu)成天地一體的網(wǎng)絡(luò)來支撐戰(zhàn)略安全通信、移動寬帶服務(wù)、熱點區(qū)域增強、聯(lián)合信息支援、航天信息支援、防災(zāi)減災(zāi)服務(wù)、反恐維穩(wěn)支持、航空信息服務(wù)、海洋信息服務(wù)和信息普惠服務(wù)等十大典型應(yīng)用。

低軌接入網(wǎng)主要采用星座部署、空間組網(wǎng)的方式，提供全球無縫覆蓋的移動、寬帶通信服務(wù)，通過搭載載荷支持航空/航海監(jiān)視、頻譜監(jiān)測、導(dǎo)航增強以及廣域物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)等。

低軌接入網(wǎng)規(guī)模考慮12個軌道面，軌道高度800~1 100 km，重大工程實施考慮部署120個節(jié)點，后續(xù)可擴展到240個節(jié)點。星座構(gòu)型采用近極軌道，拓?fù)湎鄬Ψ€(wěn)定，南北極在內(nèi)全球覆蓋，組網(wǎng)方式采用星間鏈路、星間路由，不依賴地面站提供實現(xiàn)全球服務(wù)能力。關(guān)口站以國內(nèi)布站為主，可根據(jù)國外業(yè)務(wù)拓展，在境外拓展部署關(guān)口站。

圖3 天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)重大工程總體架構(gòu)

首期部署60個綜合節(jié)點，以星上處理模式為主，支持廣泛的移動通信、ADS-B、AIS等功能，兼顧有限的寬帶通信能力。后期根據(jù)需要增加軌道面和衛(wèi)星數(shù)量，增加60個寬帶增強節(jié)點，以透明轉(zhuǎn)發(fā)為主，兼顧星上處理模式，主要提供按需調(diào)配的互聯(lián)網(wǎng)寬帶接入服務(wù)。低軌接入網(wǎng)設(shè)計主要融合了國外經(jīng)典的Iridium和新的互聯(lián)網(wǎng)星座計劃的特點及服務(wù)能力。

低軌接入網(wǎng)配置同軌道面星間鏈路和異軌道面星間鏈路，同軌道面采用激光星間鏈路，異軌道面采用Ka頻段星間鏈路[7]。用戶鏈路主要以L、Ka頻段為主，L頻段面向用戶提供移動通信服務(wù)和物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，Ka頻段為重點用戶提供寬帶通信和互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)。低軌接入網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖4所示。

低軌接入網(wǎng)支持中低速移動業(yè)務(wù)容量不小于300 Mbit/s，寬帶業(yè)務(wù)中透明轉(zhuǎn)發(fā)帶寬不小于60 GHz（按照2 bit/（s·Hz）頻譜效率計算，通信容量可達(dá)120 Gbit/s），星上處理容量不小于10 Gbit/s。對于移動通信手持類終端，上行接入速率不小于64 kbit/s，接收可達(dá)1 Mbit/s；對于小型化低功耗物聯(lián)網(wǎng)終端接入速率可達(dá)600 bit/s，接入用戶數(shù)可達(dá)1億；對于典型的0.5 m口徑寬帶接入終端，要求上行接入速率不小于2 Mbit/s，接收速率不小于50 Mbit/s。

4.2 低軌接入網(wǎng)設(shè)計的創(chuàng)新點

低軌接入網(wǎng)設(shè)計具有如下創(chuàng)新點：寬窄結(jié)合、功能綜合，逐步演進(jìn)、柔性擴展，全球覆蓋、無縫服務(wù)，空間組網(wǎng)、安全互聯(lián)，軟件定義、靈活重構(gòu)，智能感知、共譜利用，高低互聯(lián)、地基融合。

（1）寬窄結(jié)合、功能綜合，逐步演進(jìn)、柔性擴展，全球覆蓋、無縫服務(wù)，空間組網(wǎng)、安全互聯(lián)

基于低軌通信星座全球覆蓋的特性，提出移動業(yè)務(wù)、寬帶業(yè)務(wù)、ADS-B、AIS、廣域物聯(lián)、導(dǎo)航增強等多功能綜合設(shè)計思路。移動業(yè)務(wù)，支持單節(jié)點容量不小于5 Mbit/s，總?cè)萘坎恍∮?00 Mbit/s；寬帶業(yè)務(wù)單用戶可達(dá)50 Mbit/s，用戶數(shù)不小于50個；配置ADS-B載荷，單節(jié)點支持不小于3 000架飛機航空監(jiān)視，具備全球?qū)崟r服務(wù)能力；配置AIS載荷，單節(jié)點支持每分鐘不少于3 000艘船舶信息采集能力；面向廣域物聯(lián)，支持小型低功耗物聯(lián)端使用，發(fā)射功率不大于地面手機標(biāo)準(zhǔn)；支持導(dǎo)航信號增強、導(dǎo)航信息增強等多種方式的導(dǎo)航增強服務(wù)。配置兩類衛(wèi)星節(jié)點，各有側(cè)重、協(xié)同工作滿足移動為主的各類應(yīng)用和寬帶接入應(yīng)用。

圖4 低軌接入網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

（2）軟件定義、靈活重構(gòu)，智能感知、共譜利用，高低互聯(lián)、地基融合

軟件定義主要包括路由控制、波形、天線波束等方面軟件定義，路由控制主要采用SDN控制器+數(shù)據(jù)面轉(zhuǎn)發(fā)的思路[8]，波形重構(gòu)主要對采用的技術(shù)體制可以進(jìn)行軟件上注重構(gòu)，天線波束軟件定義是指采用智能化天線技術(shù)，可以調(diào)整大小、功率、覆蓋范圍等。智能感知、共譜利用[9,10]是指基于感知實現(xiàn)與其他系統(tǒng)無干擾/低干擾共存，降低頻軌協(xié)調(diào)難度和應(yīng)用風(fēng)險，一是可利用ITU“落地功率譜小于噪聲功率譜6%”規(guī)則，構(gòu)建擴頻低速信令網(wǎng)；二是基于星地聯(lián)合感知，選擇空閑載波傳輸業(yè)務(wù)，實現(xiàn)與高軌系統(tǒng)同頻段共存。高低互聯(lián)、地基融合，是指可與高軌骨干節(jié)點互聯(lián)，節(jié)點數(shù)量較少時，用于提高連續(xù)覆蓋性和覆蓋范圍，數(shù)量較多時，可提供天基控制面?zhèn)浞?；地基融合方面，主要是指與地面4G/5G融合實現(xiàn)業(yè)務(wù)服務(wù)無感互補，低軌地基節(jié)點、管控均與高軌地基節(jié)點統(tǒng)一設(shè)計；應(yīng)用終端方面，高軌、低軌、地面移動等模式綜合設(shè)計?；跀U譜和頻譜感知的頻譜資源利用示意如圖5所示。

5 低軌通信星座涉及的關(guān)鍵技術(shù)

5.1 技術(shù)體系

天基接入網(wǎng)低軌通信星座技術(shù)體系包括總體設(shè)計、天地一體技術(shù)體制設(shè)計、空間平臺及載荷設(shè)計、應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計、運維管控設(shè)計、星地一體化測控設(shè)計等多個方面，如圖6所示。

圖5 基于擴譜和頻譜感知的頻譜資源利用示意

圖6 天基接入網(wǎng)低軌通信星座技術(shù)體系框

總體設(shè)計主要包括體系結(jié)構(gòu)設(shè)計、星座軌道部署與仿真、頻率設(shè)計與協(xié)調(diào)、業(yè)務(wù)模型設(shè)計等。天地一體技術(shù)體制設(shè)計主要包括對移動通信傳輸體制[11,12]、寬帶接入傳輸體制、寬窄帶協(xié)同通信體制、混合路由交換體制[13]等體制的設(shè)計?？臻g平臺及載荷設(shè)計主要包括平臺及載荷一體化設(shè)計、L頻段相控陣天線設(shè)計、毫米波相控陣天線設(shè)計、長壽命高可靠性小型化激光終端設(shè)計和綜合處理載荷設(shè)計等。應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計主要包括多功能終端型譜設(shè)計、導(dǎo)航增強應(yīng)用設(shè)計、寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入應(yīng)用設(shè)計、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計和航空監(jiān)視應(yīng)用設(shè)計等。運維管控設(shè)計主要包括載荷管理與控制設(shè)計、無線資源管理與控制設(shè)計、移動性管理設(shè)計、基于頻譜感知的動態(tài)資源分配等。星地一體化測控設(shè)計主要包括星座測控總體架構(gòu)設(shè)計、基于地基節(jié)點的測控設(shè)計和星間測控及數(shù)傳一體化設(shè)計等。

5.2 關(guān)鍵技術(shù)

（1）寬窄帶協(xié)同通信技術(shù)

使用Ka點波束實現(xiàn)全球無縫覆蓋，基于本文所提方案，其技術(shù)實現(xiàn)難度過高，可以采用寬窄帶協(xié)同通信技術(shù)來為用戶提供按需接入的高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。用戶可以通過全球連續(xù)覆蓋的L頻段信號接入網(wǎng)絡(luò)，并在需要時申請Ka寬帶波束，做到根據(jù)用戶的實際需求，采用動態(tài)點波束的方式提供高速數(shù)據(jù)服務(wù)，對全球特定地區(qū)和熱點用戶提供動態(tài)寬帶接入服務(wù)。

（2）低軌通信星座移動性管理技術(shù)

與高軌系統(tǒng)不同，低軌通信星座相對地面用戶在高速運動，地面終端會不斷在波束、衛(wèi)星間進(jìn)行切換。與此相關(guān)的用戶信道資源管理、數(shù)據(jù)鏈路管理、用戶錨點管理等移動性管理問題變得非常復(fù)雜。實現(xiàn)可用、可靠和安全的用戶移動性管理是系統(tǒng)的關(guān)鍵。

（3）基于頻譜感知的動態(tài)資源分配技術(shù)

利用頻譜感知技術(shù)，可對特定的頻段頻譜進(jìn)行掃描，尋找授權(quán)用戶沒有使用的以及通過空分復(fù)用可以共用的頻率，動態(tài)分配給低軌通信星座使用，解決目前固定分配頻譜普遍存在的頻率資源十分緊張、國際競爭激烈、協(xié)調(diào)難度非常大的問題。

6 結(jié)束語

低軌通信星座的發(fā)展建設(shè)要加強對關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)，利用創(chuàng)新思維，突破掌握核心技術(shù)，始終堅持軍民融合的發(fā)展思路，吸取國外經(jīng)驗教訓(xùn)，充分考慮與未來地面移動通信網(wǎng)絡(luò)的融合共處，打造具有國際競爭力的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)業(yè)鏈，最后低軌通信星座的發(fā)展離不開國家政策扶持和機關(guān)統(tǒng)籌協(xié)調(diào)配合。

總之，建立一個全球覆蓋、多功能綜合、可平滑演進(jìn)的低軌通信星座是提升我國衛(wèi)星通信能力，滿足國家利益全球擴展需求的重要舉措。

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Development conception of space-ground inteyrated information network LEO mobile and broadband internet constellation

SUN Chenhua, XIAO Yongwei, ZHAO Weisong, ZHOU Po

The 54th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Shijiazhuang 050081, China

With the extension of global internet and IoT (internet of things), LEO (low earth orbit) communication constellation which can achieve seamless coverage of the world including the two poles once again meets the opportunity for development. An innovative scheme of LEO mobile and broadband internet constellation was proposed after analyzing the characteristics of typical foreign constellations and combining with Science and Technology Innovation 2030 Major Project: Space Integrated Ground Network. Development suggestions that can lay the foundation for relevant research and system construction were presented.

LEO constellation, mobile satellite communication, satellite internet constellation

TN91

A

趙偉松，970468344@qq.com

10.11959/j.issn.1000?0801.2017334

2017?11?05；

2017?12?01

孫晨華（1964?），女，中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所研究員、所級副總工程師，主要研究方向為衛(wèi)星通信。

肖永偉（1976?），男，中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所高級工程師、總設(shè)計師，主要研究方向為衛(wèi)星通信。

趙偉松（1990?），男，中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所助理工程師、總設(shè)計師助理，主要研究方向為衛(wèi)星通信。

周坡（1978?），男，中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所工程師、主任設(shè)計師，主要研究方向為衛(wèi)星通信。