張棟 顧竹鑫 王枚鈺

摘要：隨著低軌衛(wèi)星通信技術(shù)的不斷發(fā)展，衛(wèi)星通信作為民用通信方式成為可能。相較于當(dāng)前普及使用的民用的寬帶通信方式，包括4G，5G和光纖通信等，衛(wèi)星通信方式具有不受地形限制的優(yōu)勢(shì)。除此之外，傳統(tǒng)的衛(wèi)星通信具有建設(shè)和維護(hù)成本高，使用費(fèi)用高，傳輸速率低，傳輸時(shí)延大等問(wèn)題，但其具有的覆蓋范圍廣，不受地形限制等優(yōu)勢(shì)，非常適合滿足遠(yuǎn)洋船舶、飛機(jī)和偏遠(yuǎn)地區(qū)的終端等地面的4G/5G等無(wú)線通信無(wú)法覆蓋以及光纖通信無(wú)法連接到或連接成本高的通信需求。本文深入分析當(dāng)前主流低軌衛(wèi)星通信技術(shù)并給出未來(lái)在航天技術(shù)發(fā)展中的啟示。

關(guān)鍵詞：低軌衛(wèi)星;星鏈;鴻雁

1.引言

低軌道：衛(wèi)星通信技術(shù)是指由大量低軌道衛(wèi)星構(gòu)建的大型衛(wèi)星通信系統(tǒng)提供通信的技術(shù)。大量衛(wèi)星構(gòu)建的衛(wèi)星群稱為衛(wèi)星星座。低軌道衛(wèi)星指的是位于距離地面200公里至2000公里的衛(wèi)星，在其衛(wèi)星波束覆蓋的范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)不受地域限制的通信。同時(shí)，由于其具有數(shù)量多，距離地面近等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)傳輸速率大，傳輸時(shí)延低的高質(zhì)量通信。

低軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要有銥（Iridium）星衛(wèi)星通信系統(tǒng)，一網(wǎng)（OneWeb）衛(wèi)星通信系統(tǒng)，星鏈（Starlink）衛(wèi)星通信系統(tǒng)以及我國(guó)的鴻雁衛(wèi)星通信系統(tǒng)。本文從多個(gè)角度分析研究各低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)的特點(diǎn)及優(yōu)劣勢(shì)，對(duì)我國(guó)低軌衛(wèi)星通信的發(fā)展研究提出建議。

2.銥星衛(wèi)星通信系統(tǒng)

銥星衛(wèi)星通信系統(tǒng)是由摩托羅拉公司研究的一種低軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)。該通信系統(tǒng)的概念發(fā)起與1985年，目的是實(shí)現(xiàn)一個(gè)覆蓋全球的通信系統(tǒng)，可在全球范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)任意兩點(diǎn)間通過(guò)專用衛(wèi)星電話進(jìn)行通信。時(shí)隔十年后，詳細(xì)的設(shè)計(jì)方案推出并隨后正式投入運(yùn)營(yíng)。

銥星系統(tǒng)發(fā)射的衛(wèi)星距離地面780km，由66顆主用衛(wèi)星和6顆備用衛(wèi)星組成，共構(gòu)建6條極軌道，并且衛(wèi)星之間具有星間鏈路，提供不同衛(wèi)星覆蓋范圍之間的數(shù)據(jù)通信。

銥星衛(wèi)星通信系統(tǒng)的提出具有跨時(shí)代的意義，其作為最早的一批低軌衛(wèi)星通信方案，將衛(wèi)星通信首次用于商業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景。但是其同時(shí)也存在諸多瑕疵，如使用費(fèi)用高，維護(hù)成本高，用戶終端不夠便攜等多方面問(wèn)題，最后于本世紀(jì)初破產(chǎn)。后續(xù)由美國(guó)軍方接手，作為軍用通信。目前，銥星已于2019年借助SpaceX公司的火箭將第八批衛(wèi)星發(fā)射升空，完成了新一代銥星衛(wèi)星星座的部署。

3.星鏈衛(wèi)星通信系統(tǒng)

星鏈衛(wèi)星通信系統(tǒng)是由美國(guó)SpaceX公司提出的衛(wèi)星通信方案。該項(xiàng)目在2015年1月對(duì)外公開(kāi)，其目的是構(gòu)建一個(gè)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座，提供衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)接入通信，能夠完成在高密度的城市范圍內(nèi)百分之五十的回傳數(shù)據(jù)傳輸和約百分之十的本地互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸。

星鏈星座由數(shù)千顆在低地球軌道面上的大量小型衛(wèi)星組成，這些衛(wèi)星與專用的地面收發(fā)終端進(jìn)行通信。該星座方案的估計(jì)成本約為一百億美元，項(xiàng)目周期長(zhǎng)達(dá)十年之久。

星座系統(tǒng)的研發(fā)始于2015年，并在2018年發(fā)射了兩顆用于試驗(yàn)的原型衛(wèi)星，次年，進(jìn)行了更多測(cè)試衛(wèi)星的發(fā)射以及60顆業(yè)務(wù)衛(wèi)星的發(fā)射。

2016年至2017年，SpaceX公司先后向美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）提交多次申請(qǐng)，計(jì)劃分兩個(gè)階段在地球上空建設(shè)兩層軌道，第一階段為在距離地面約1200公里處部署4425顆衛(wèi)星，工作頻段為Ku和Ka頻段，構(gòu)建非靜止地球軌道衛(wèi)星（NSGO）系統(tǒng);第二階段是在距離地面約340公里處部署約7500顆衛(wèi)星，工作頻段為之前并未大范圍使用的V頻段，構(gòu)建極低地球軌道衛(wèi)星系統(tǒng)，并得到批準(zhǔn)。后續(xù)美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)代表SpaceX向國(guó)際通信聯(lián)盟（ITU）提交申請(qǐng)，申請(qǐng)額外新增30000顆星鏈衛(wèi)星，截止目前，共計(jì)劃發(fā)射約42000顆衛(wèi)星。

SpaceX的軌道部署計(jì)劃先后經(jīng)過(guò)多次更改，其中主要的更改在2019年初和2020年4月。

在2019年將原計(jì)劃的兩層軌道更改為三層軌道，包括距離地面550公里的1440顆衛(wèi)星，距離地面1110公里處的2825顆衛(wèi)星以及距離地面340公里的7500顆衛(wèi)星。

隨后在2020年4月在次修改，其修改內(nèi)容依然是對(duì)第一階段的計(jì)劃進(jìn)行修改。在這次修改中，將第一階段的4400多顆衛(wèi)星進(jìn)一步細(xì)化，共分為五層軌道：

第一層：距地550公里處，共計(jì)1440顆衛(wèi)星，傾斜角為53°;

第二層：距地540公里處，共計(jì)1440顆衛(wèi)星，傾斜角為53.2°;

第三層：距地570公里處，共計(jì)720顆衛(wèi)星，傾斜角為70°;

第四層：距地560公里處，共計(jì)336顆衛(wèi)星，傾斜角為97.6°;

第五層：距地560公里處，共計(jì)172顆衛(wèi)星，傾斜角97.6°;

星鏈計(jì)劃截止2021年5月，共發(fā)射1737顆衛(wèi)星，并已于2020年下半年推出測(cè)試版服務(wù)，向大眾公開(kāi)預(yù)購(gòu)，已有超一萬(wàn)名用戶使用。在測(cè)試階段，用戶的通信數(shù)據(jù)速率可達(dá)到50Mbps到150Mbps之間，最終目標(biāo)可達(dá)1G。相較于4G通信的100Mbps-1Gbps和5G通信的1Gbps-10Gbps還有差距，但可以滿足日常使用，后續(xù)也會(huì)有進(jìn)一步優(yōu)化。星鏈計(jì)劃的理論通信時(shí)延約為4-8ms，相較于4G通信10公里處66μs的延遲和5G通信1公里處6.6μs的延遲差距較大，但限于衛(wèi)星通信的通信傳輸距離，在時(shí)延問(wèn)題上難以進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化。

相比于之前夭折和破產(chǎn)的低軌衛(wèi)星星座方案，星鏈計(jì)劃在初期階段便積極考慮成本問(wèn)題，包括研制成本、建設(shè)成本和用戶的使用成本，因此創(chuàng)造了一箭多星（可達(dá)到一艘火箭運(yùn)送60顆衛(wèi)星）技術(shù)、火箭回收（可重復(fù)使用10次）技術(shù)，大幅度降低了成本，相應(yīng)的用戶的使用成本也得到了降低，提高了用戶體驗(yàn)。同時(shí)，其使用的通信頻段主要選擇了未大范圍商用的V頻段，也大大擴(kuò)大了其發(fā)展空間。

4.鴻雁衛(wèi)星通信系統(tǒng)

我國(guó)的衛(wèi)星研制技術(shù)雄厚，發(fā)射經(jīng)驗(yàn)豐富，已躋身世界航天強(qiáng)國(guó)的行列。在低軌衛(wèi)星通信領(lǐng)域也緊抓機(jī)遇，于2018年初向公眾公開(kāi)了鴻雁星座建設(shè)計(jì)劃。鴻雁星座計(jì)劃由中國(guó)航天科技集團(tuán)公司提出，符合國(guó)家的多方面發(fā)展需求，目的是建設(shè)一個(gè)處于國(guó)際先進(jìn)水平的低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)。

鴻雁星座是我國(guó)自主研發(fā)的，面向物聯(lián)網(wǎng)及大眾提供的衛(wèi)星通信，構(gòu)建天地一網(wǎng)融合系統(tǒng)。鴻雁星座針對(duì)智能手機(jī)終端設(shè)計(jì)，建設(shè)完成后用戶可通過(guò)智能手機(jī)直接進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)切換，按需進(jìn)行地面網(wǎng)絡(luò)通信和衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)通信。除此之外，鴻雁星座還可覆蓋兩級(jí)地區(qū)，為極地提供通信服務(wù)，對(duì)后續(xù)兩級(jí)地區(qū)的科考研究都具有積極促進(jìn)影響。同時(shí)，鴻雁星座還可覆蓋中國(guó)的偏遠(yuǎn)地區(qū)，包括海洋，沙漠，山區(qū)等區(qū)域，提供無(wú)線通信傳輸，對(duì)于當(dāng)前的民用通信是極大的補(bǔ)充。

鴻雁星座使用高效能微小衛(wèi)星，其建設(shè)與研究可以進(jìn)一步優(yōu)化和提高我國(guó)當(dāng)前衛(wèi)星及運(yùn)載火箭的研制模式。同時(shí)，針對(duì)鴻雁星座的研制周期短，市場(chǎng)反饋快等特點(diǎn)，也促進(jìn)了我國(guó)先進(jìn)航天技術(shù)的快速商用轉(zhuǎn)化。

2018年底，“長(zhǎng)征”二號(hào)D運(yùn)載火箭載著鴻雁星座的首發(fā)衛(wèi)星成功發(fā)射升空并進(jìn)入預(yù)定軌道，標(biāo)志著鴻雁星座計(jì)劃的正式啟動(dòng)。發(fā)射成功的首發(fā)衛(wèi)星承擔(dān)著通信體制驗(yàn)證、小型業(yè)務(wù)終端聯(lián)試聯(lián)調(diào)等任務(wù)。鴻雁星座計(jì)劃在2020年完成9顆衛(wèi)星的發(fā)射，進(jìn)行示范系統(tǒng)的建設(shè)和驗(yàn)證工作。后續(xù)預(yù)計(jì)到2023年，完成鴻雁星座計(jì)劃的一期規(guī)劃，共計(jì)60顆衛(wèi)星的建設(shè)，并完成網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，可投入使用。

鴻雁星座總體計(jì)劃由300顆低軌道的微小衛(wèi)星組成，并結(jié)合全球數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)處理中心協(xié)同工作，提供全球范圍內(nèi)的全天候、全時(shí)段的衛(wèi)星通信服務(wù)。

5.低軌衛(wèi)星通信技術(shù)發(fā)展啟示

隨著國(guó)內(nèi)外低軌衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，以下從三個(gè)方面分別分析發(fā)展低軌衛(wèi)星的優(yōu)勢(shì)及作用。

·搶占低軌衛(wèi)星資源

太空資源作為全球的公共資源，其衛(wèi)星通信使用的頻率和軌道都是不可再生的資源，這次低軌衛(wèi)星星座的大范圍建設(shè)也引發(fā)了這一資源的爭(zhēng)奪戰(zhàn)。雖然衛(wèi)星資源是國(guó)際社會(huì)的公共資源，但衛(wèi)星通信技術(shù)門檻高，建設(shè)和維護(hù)成本高，因此衛(wèi)星資源主要集中在包括中國(guó)，俄羅斯，美國(guó)等在內(nèi)的少數(shù)大國(guó)之間，太空資源也足夠各國(guó)的撐場(chǎng)需求。但隨著低軌衛(wèi)星星座技術(shù)的發(fā)展，特別是美國(guó)SpaceX的星鏈計(jì)劃申請(qǐng)的42000顆衛(wèi)星總量，將富裕的太空資源變的略顯緊張。

針對(duì)當(dāng)前低軌道資源的監(jiān)管處于真空階段，我國(guó)也正在積極爭(zhēng)取近地太空資源。通過(guò)國(guó)際ITU組織機(jī)構(gòu)的查詢發(fā)現(xiàn)，我國(guó)已經(jīng)申請(qǐng)了約一萬(wàn)三千顆衛(wèi)星，為我國(guó)后續(xù)軍用、民用衛(wèi)星通信技術(shù)的發(fā)展提供了保障。

·傳統(tǒng)民用通信方式的補(bǔ)充

當(dāng)前民用通信技術(shù)已經(jīng)得到極大的發(fā)展和普及。全民已基本普及4G通信，5G通信也在如火如荼的建設(shè)過(guò)程中，同時(shí)光纖通信已可以覆蓋全國(guó)大部分家庭。但是4G和5G等無(wú)線通信技術(shù)收到基站覆蓋范圍的限制，傳統(tǒng)民用通信技術(shù)建設(shè)依靠“光纖+基站”的建設(shè)模式。我國(guó)幅員遼闊，不可避免的存在偏遠(yuǎn)山區(qū)和荒漠等地區(qū)，且這類地區(qū)一般人口稀少。這類地區(qū)距離人口密集地區(qū)的距離可能存在非常遠(yuǎn)的情況，因此，為聯(lián)通這些地區(qū)，解決這些地區(qū)人民的通信需求，傳統(tǒng)的“光纖+基站”建設(shè)方式就存在成本高的情況。對(duì)于我國(guó)對(duì)于特殊地區(qū)的科考等科學(xué)研究的通信需求，傳統(tǒng)的通信方式也非常不友好。

不僅如此，我國(guó)還具有遼闊的海上疆域，為解決海上船舶的通信需求，傳統(tǒng)的通信方式必然是不可能實(shí)現(xiàn)的，并且傳統(tǒng)的衛(wèi)星通信具有成本高、傳輸時(shí)延大、帶寬低等特點(diǎn)，顯然不適合未來(lái)高數(shù)據(jù)量的需求。

低軌衛(wèi)星通信技術(shù)的研究可以很大程度上彌補(bǔ)傳統(tǒng)地面通信網(wǎng)絡(luò)的不足，通過(guò)與地面通信網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，依靠低軌衛(wèi)星通信地面終端及復(fù)雜的路由通信網(wǎng)絡(luò)，為偏遠(yuǎn)地區(qū)通信需求，高速列車高質(zhì)量通信需求，突發(fā)自然災(zāi)害等的應(yīng)急救援的高質(zhì)量通信需求，科學(xué)考察等高質(zhì)量通信需求提供保障。

·軍用領(lǐng)域的前景

在軍用領(lǐng)域的通信方式主要是地面移動(dòng)通信方式，同時(shí)配合有衛(wèi)星通信、散射通信和短波通信等超遠(yuǎn)、超視距的通信方式，但這些通信方式都不可避免的存在各自的優(yōu)劣勢(shì)，特別是對(duì)于超遠(yuǎn)、超視距的通信方式，不可避免的存在傳輸速率低，傳輸時(shí)延大，通信不穩(wěn)定等問(wèn)題。低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)在提供超遠(yuǎn)超視距通信的同時(shí)，可以很大程度避免其他通信方式存在的短板。同時(shí)，傳統(tǒng)的衛(wèi)星通信主要采用地球同步軌道衛(wèi)星通信，對(duì)衛(wèi)星的穩(wěn)定性要求高，如果敵方在戰(zhàn)時(shí)摧毀我方的衛(wèi)星，對(duì)于我方的超視距通信影響巨大。而低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)通過(guò)海量衛(wèi)星通信，可構(gòu)建業(yè)務(wù)不落地的星間路由交換網(wǎng)絡(luò)，敵方不可能在短時(shí)間內(nèi)摧毀我方大量的低軌衛(wèi)星，極大程度上保障了軍用衛(wèi)星通信的穩(wěn)定性和可靠性。

低軌衛(wèi)星通信技術(shù)不可避免的成為未來(lái)各國(guó)航天領(lǐng)域的研究中心，我國(guó)具有雄厚的航天技術(shù)及經(jīng)驗(yàn)，在未來(lái)的科技博弈中必然會(huì)保持先進(jìn)地位。

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