国外中低轨高通量通信卫星星座发展研究

刘悦 （北京空间科技信息研究所）

国外中低轨高通量通信卫星星座发展研究

Study of Foreign Low & Medium Earth Orbit High Throughput Communications Satellite Constellation Development

刘悦 （北京空间科技信息研究所）

近年来，随着全球掀起星座“热潮”，多家传统或新兴卫星运营商致力于打造全球高通量卫星（HTS）星座，为全球提供高速宽带服务。自2004年全球首颗高通量卫星发射以来，经过10余年的发展，已经迈过了技术验证、市场培育，正在向全球化和产业化方向发展。伴随着全球移动互联网的发展步伐，中低轨高通量卫星星座越来越多的出现，成为市场关注焦点，成为全球系统部署的重要解决方案之一。

1 概述

高通量卫星的概念于2008年由美国航天咨询公司北方天空研究所（NSR）率先提出，将其定义为“采用多点波束和频率复用技术、在同样频谱资源的条件下，整星的通信容量（简称通量）是传统固定通信卫星（FSS）数倍的卫星”。高通量卫星概念由宽带卫星演化而来，但与之有所区别。宽带卫星以“运行在Ka频段、大容量、提供宽带互联网接入”为特点，开辟了卫星互联网接入的新业务，因此称为“宽带”。如今，产业界对于高通量卫星的概念逐渐达成共识，即“高通量卫星是以点波束和频率复用为标志，可以运行在任何频段，通量有大有小，取决于分配的频谱和频率复用次数，可以提供固定、广播和移动等各类商业卫星通信服务的一类卫星系统”。

高通量卫星最基本的特征是多点波束和频率复用。对比传统固定通信卫星的宽波束，点波束的覆盖范围仅为300～700km，宽波束的覆盖范围在2000km左右。采用点波束的通信卫星的优势在于通过减小天线波束的孔径角，带来卫星天线的增益提高，实现不同波束之间频率的复用，提高卫星系统的通量。

一直以来，卫星运营商大多选择部署地球静止轨道（GEO）卫星，率先进行技术和市场验证，之后增加卫星数量以扩展业务能力。如今，越来越多的商业航天企业计划部署中低轨卫星星座，寻求全球范围内的服务能力。例如，欧洲的另外三十亿人网络公司（O3b Networks）部署中轨星座系统，美国的一网公司（ONEWEB）、太空探索技术公司（SpaceX）和低轨卫星公司（LEOSat）计划部署低地球轨道（LEO）卫星星座系统。

2 国外典型中低轨高通量星座系统

从2004年首颗高通量卫星发射以来，截至2016年底，国外共计发射了56颗高通量卫星，其中GEO卫星占绝大多数，为44颗，还有28颗GEO高通量卫星在研。高通量卫星中低轨星座部署目前只有O3b星座，在轨12颗卫星，并有8颗卫星在研，O3b公司表示2016年还将新增44颗卫星。此外，一网公司、太空探索技术公司、加拿大电信卫星公司（TeleSat）、低轨卫星公司等运营商计划部署低轨高通量卫星星座，在研卫星数量达到上千颗。

高通量卫星星座O3b卫星星座

欧洲O3b卫星系统是目前全球唯一在轨的高通量星座系统，运行在中圆轨道（MEO），轨道高度8060km× 8072km，倾角0.03°，周期287.93min/s，地面站单颗卫星的可见时间约45min，为全球45°（S）～45°（N）的区域提供高通量卫星通信服务，扩展服务的覆盖范围为62°（S）～62°（N）。

O3b卫星系统目前由12颗MEO卫星组网，其中10颗工作星，2颗在轨备份星，工作在Ka频段。2015年，又额外签订了8颗卫星订单，预计2018年发射，主要用于增加在轨容量，提高保密性，降低干扰。2016年，O3b公司向美国联邦通信委员会（FCC）申请了3个星座的许可：第一个申请是对现有8颗新增O3b卫星的申请，O3b公司希望将8颗改为12颗卫星；第二个申请是希望发展一个由最多24颗Ka频段卫星组成的星座，称为O3bN，同样运行在MEO轨道；第三个申请是发展一个由最多16颗Ka频段卫星组成的星座，运行在倾斜轨道和轨道高度为8062km、倾角为70°的轨道。该星座称为O3bI，将会位于2个轨道面，每个轨道面有8颗卫星。O3bI星座将会把当前63°（S）～63°（N）之间的覆盖服务扩展到全球覆盖。

O3b卫星采用“扩展寿命平台”（EliteBus），该平台继承自“全球星”（Globalstar）二代卫星。O3b卫星发射质量约700kg，设计寿命10年，功率15kW。卫星采用透明转发有效载荷，载有12台Ka频段转发器，带宽最高可达20MHz。

星上载有12副天线，其中10副天线用于用户波束，2副天线用于信关站波束，波束尺寸720km。卫星采用灵活有效载荷设计，每个波束均为可移动波束，单个波束既可以分别覆盖不同的服务区域，也可以叠加在一起，用于同一覆盖地区获得更高的容量，O3b卫星单个用户波束前向和反向链路的带宽各为216MHz，总带宽为432MHz，单个波束的容量最高可扩展至1.6Gbit/s。

O3b卫星采用处理类有效载荷，支持同一波束内的“环回”（Loopback）。同一波束覆盖内用户之间可以实现单跳通信，用户可以部署任意的地面平台，并且能够选择适合的网络拓扑（例如星状网、网状网、分布式星状网）。卫星采用开放的系统架构，使得用户可以按需选择数据速率和网络容量，以及网速共享或专享的使用方式。

O3b卫星还支持不同波束间的“铰链”（Crosslinked），即同一卫星间不同波束间的单跳通信。1颗O3b卫星最多可支持4个波束间的铰链，对于系统的军事应用意义重大。军用终端可以绕过O3b公司的信关站与军用信关站直接通信，保证通信的安全性。

O3b系统主要面向集团级用户，提供干线传输和蜂窝电话回程、企业网络和海事业务，未来还将提供军用卫星通信业务。O3b公司提供的干线传输服务下行速率650Mbit/s，上行速率600Mbit/s，终端天线口径4m；蜂窝电话回程服务下行速率20Mbit/s，终端天线口径1.8m；海事服务下行速率400Mbit/s，上行速率150Mbit/s，终端天线口径1.2m。

其他在研的低轨星座

继O3b星座之后，涌现了多个卫星星座计划在研。一网公司计划部署一个低轨高通量卫星（LEOHTS）系统，由650颗工作星组成，容量约5Tbit/s，运行在Ku频段，为偏远地区提供互联网接入服务和个人消费类服务；低轨卫星公司关注企业级通信服务，计划为大型通信、能源企业提供服务；太空探索技术公司计划发射4425颗卫星，为消费者、企业和政府机构提供宽带和通信服务。此外，加拿大电信卫星公司、空间诺威公司（Space Norway）、开普勒通信公司（Kepler）也宣布了类似的星座计划。

计划部署的中低轨高通量卫星星座

这些低轨星座大多在2020年前完成部署。其中，只有一网公司获得了国际电信联盟（ITU）的频率轨位授权。根据国际电信联盟的要求，2020年前将会完成星座部署，2016年，一网公司和空客防务与航天公司（ADS）合作，在美国建立卫星制造工厂，首批10颗卫星在法国研制，之后的卫星均在美国的工厂完成。其他星座系统目前还在进行频率轨位协调。

3 中低轨星座系统的优势与风险

优势

（1）信号传输时延的优势

中低轨高通量卫星星座系统的优势主要体现在时延方面。对于1颗GEO高通量卫星，传输时延在250ms左右，无法满足地面交互式通信需要；MEO卫星的传输时延为150ms左右，主要适用于干线传输和蜂窝回程等应用；LEO卫星的传输时延仅为30～50ms，已经与地面通信手段较为接近（无线蜂窝通信的传输时延为10～50ms，光纤的传输时延为10～20ms）。

（2）更具性价比的容量使用成本优势

GEO卫星一般是小型运营商或运营商作为高通量卫星市场验证的选择，先通过部署1颗卫星覆盖容量需求较为密集的地区，有了一定的用户基础和商业模式之后向区域和全球覆盖方向逐颗卫星进行扩展，投资风险较小，但单颗卫星容量有限，如今在轨的高通量卫星单颗卫星容量大多在数百吉比特每秒左右，限制了市场的发展。而中低轨星座一旦入轨，星座容量在太比特每秒级别量级，可大大降低用户的容量使用成本，扩大了用户群。

风险

（1）卫星星座设计风险

卫星的轨道高度越低，单颗卫星覆盖范围就越小，要求组成星座的卫星就越多，轨道设计也更复杂（需要包含倾斜轨道面和极轨道），卫星会在极地上空停留更长时间，地面终端需要做更多的信号切换，同时加大了地面终端的设计难度。假设固定接收终端的天线口径为30cm，仰角15°，天线的覆盖区内有数个子波束，当卫星飞行经过，天线在每个波束之间大约45s就需要切换1次。如果考虑到卫星处在不同的轨道面，终端设计更加复杂。

（2）现有发射能力风险

以“一网”卫星发射为例，该星座如果从2017年底开始发射，到国际电信联盟授权的频率轨位到期前（2020年）完成，需要在2～3年内完成900多颗卫星的发射（650颗在轨卫星+备份星）。20世纪90年代拟发展的“泰利迪斯”（Teledesic）系统，为了解决发射能力不足的问题，曾提出要用苏联的洲际弹道导弹发射卫星。从全球发射市场的容量来看，现有的卫星发射能力不能满足未来几年卫星互联网星座的发射需求。过去5年，全球每年大约发射200多颗卫星，但从2017年起，由于OneWeb星座发射启动，待发射卫星数量猛增至300～400颗，大大超过了发射服务提供商的发射能力。

（3）低轨恶劣空间环境的考验

地球的外层空间位于700～10000km高度有2条高能质子辐射带，即范·艾伦辐射带。低轨卫星在变轨的过程中，需要频繁穿越高能质子辐射带，会对卫星的电子系统正常工作造成很大影响，因为对卫星抗辐射能力提出了很高的要求。同时，还会存在与微流星体和轨道碎片碰撞的风险。2009年，俄罗斯宇宙－2251（COSMO－2251）卫星与铱－33（Iridium－33）卫星在790km的轨道高度发生碰撞，2颗卫星相撞造成的空间碎片成百上千，碰撞低轨卫星的概率很大。此外，低轨星座卫星数量众多，退役后一旦成为新的太空垃圾，将会对后续卫星产生很大影响。

（4）巨额资本投入风险

对于一个非地球同步轨道（NGSO）高通量卫星系统来说，关键问题在于要想实现全球覆盖，必须部署一个星座，并且要想实现连续覆盖，星座的每一颗卫星都必须发射（提供连续覆盖的卫星数量取决于卫星的轨道高度，轨道高度越低，所需的卫星数量越多）。从部署成本来看，1颗NGSO高通量卫星星座加上发射成本，至少需要约20亿美元，而1颗GSO卫星的部署成本是1.5亿美元左右。同时，运营商部署1个星座需要的时间成本（3～4年或更多）对该公司的现金流也是一个考验。此外，LEO卫星的寿命一般较短，因而卫星的替换也将更为频繁（LEO卫星的设计寿命一般是5～7年，GEO卫星一般是15年）。

4 总结与启示

从国外近几年的发展情况来看，高通量卫星系统在降低容量使用成本方面具有巨大优势，是卫星通信领域重要的发展方向。从国外主要高通量卫星运营商的发展计划来看，建设面向全球的高通量卫星系统是大势所趋，GEO星座和中低轨星座均是运营商的重要选择。从国外的发展经验来看，GEO高通量卫星系统由于前期部署成本较小，较为适宜系统部署前期、市场需求较小、盈利模式不清晰的市场；而中低轨系统由于单颗卫星部署成本较低，卫星数量庞大，系统容量较高，对于全球覆盖具有巨大优势，同时显著降低用户的容量使用成本和传输时延，在商业模式和服务模式方面易于推陈出新，是最符合成熟市场或市场潜力较大的解决方案。此外，以国际通信卫星公司（INTELSAT）为代表的卫星运营商已经提出了GEO+LEO的发展思路，多轨道系统结合也将是未来发展趋势之一。

中低轨星座的部署既有优势，又有风险。对于卫星运营商而言，没有“一站式”的解决方案，必须根据自身的实际情况，特别是拟投入的资金规模、转发器使用潜力、提供的业务类型、市场发展阶段等因素，设计符合现阶段需要的高通量卫星系统。