低轨卫星星座系统动态跟踪

国 志，刘 畅

（国家无线电监测中心，北京 100037）

1 低轨星座系统

自世界上第一颗人造卫星由苏联于1957年10月4日发射成功，并首次收到从人造卫星发来的无线电波开始，人类便开始尝试通过卫星进行通信。20世纪90年代起，第一批以铱星、全球星为代表的卫星互联网公司开始将卫星通信商业化，并尝试与地面移动网络争夺市场。但中高轨的卫星通信由于时延长、带宽窄、费用高，未能实现广泛商用。而近些年以SpaceX 为代表的一批低轨星座系统，既有覆盖范围广泛的优势，又有足够的带宽和相对低的时延，以与地面网络互为补充共同发展的运营策略，成为极有潜力的商业模式，并被资本市场看好。

低轨卫星星座主要使用质量在1，000 kg 以下的微小卫星。相比中高轨卫星，微小卫星具备研制周期短、研制发射成本低、发射方式灵活等突出优点。尤其是近年来，得益于微电子技术的进步，轻型材料的研制以及高功率太阳能电池的出现，小卫星得以迅速发展，被广泛应用于全球民用通信、遥感气象、地球科学、空间科学、行星探测、技术验证等领域。

2 国外低轨卫星星座系统发展现状

美国SpaceX 公司的星链计划在2018年3月获得审批，计划于2025年前完成部署。星链使用Ku，Ka，Q/V 频段，计划在335 km–1325 km 轨道高度部署1.2万颗卫星。首批4，425颗星单星容量20 Gb/s，系统吞吐量88 Tb/s，理论时延为25 ms。单星质量227 kg，设计寿命5年。星链计划旨在为公众提供廉价、快速的宽带互联网服务，是迄今为止提出的规模最大的星座项目。先后在2015–2019 年完成了5 轮融资，共计近30 亿美元。SpaceX 通过火箭回收技术、自行研发各种部件等方式，大幅降低发射成本。其猎鹰重型火箭在最大有效载荷的情况下，每颗卫星的生产和发射成本低于50万美元，远低于其他竞争对手。

美国OneWeb 卫星网络于2017年6月获得审批，是美国首个获批的星座计划。使用Ku，Ka 频段，计划在1，200 km 轨道高度的18个轨道面部署1，920颗卫星。首批648颗星单星容量7.5 Gb/s，系统吞吐量5 Tb/s，单星质量150 kg，可提供400 Mb/s 的宽带接入能力和32 ms 的延时，单星造价约100万美元。或受2020年全球疫情的影响，3月28日，OneWeb 公司宣布申请破产保护，此前它已获得34亿美元投资。而仅仅几天之前的3月21日，OneWeb 刚刚发射了34颗卫星。

加拿大Telesat 系统在2017年11月获得审批，使用Ka 和V 频段，计划在1，000 km 和1，248 m 轨道高度的11个轨道面部署117颗卫星，单星容量22 Gb/s，系统吞吐量2.66 Tb/s，计划2022年开始提供包括加拿大在内的区域性服务，2023年开通全球服务。

Leosat 公司成立于2013年，与其他星座不同是，其面向的客户群体是垂直市场，包括企业、金融和政府，不面向个人用户。Leosat 星座系统使用Ka 频段，计划在1，400 km 轨道高度的6个轨道面上部署108颗卫星。该星座采用星间链路技术，无需建立庞大的地面站网络。2019年11月13日，Leosat 因缺乏投资而停止运作。

亚马逊的Kuiper 星座于2019 年7 月向ITU 和FCC提交了频率申请，该星座使用Ka 频段，计划于98个轨道面部署3，236颗卫星，分布在590 km、610 km 和630 km 的三个轨道面上。Kuiper 星座的设计力求使用较少的卫星数量、较低的有效载荷功率和高性能COTS 器件达到高频谱利用率。

3 低轨卫星星座系统前景现状和趋势

几年以内，随着万物互联逐步落地，云计算、大数据、传感器等产业将迎来爆发需求，进而带动软件、人工智能等更多产业的发展。5G 虽然可以解决传输速率问题，但是在覆盖面上仍然有很大缺陷，即使是4G 现在也无法实现无死角全覆盖。但是结合卫星星座网络，万物互联、无人驾驶等应用将很快变成现实。

卫星星座系统的发展不仅在商业上有巨大的价值，在军事战略方面更是意义重大。根据国际电联的规定，频谱与轨道归属采用“先到先得”原则，美国已先行布局众多天基系统。目前，各国的军事卫星主要基于少量的大型高价值卫星，若这些卫星遭受攻击，将对军事通信造成致命打击。而低轨卫星的快速研制和发射，及时投入使用，可有效避免这一威胁。我国在卫星星座系统领域相对落后，仅SpaceX 一家公司近2年发射6次共约360颗卫星，已经超过了中国当前所有在轨卫星总数。

近年来，我国也在国家战略以及民间商业活动中启动了诸多卫星互联网的项目。2020年1月银河航天已完成首次发射，鸿雁星座计划于2020年进行试验系统建设，九天微星计划三年内发射72颗卫星，连尚网络等公司也有相关计划。目前，我国的项目计划发射卫星都在千颗以下。

3GPP、ITU 两大通信标准组织有报告显示，天地融合通信和大规模物联网应用或将成为未来卫星互联网发展的方向。未来的发展将更加注重提高频谱使用效率，增强系统的兼容性和可靠性。卫星频率和轨位资源将成为卫星互联网公司的主要争夺点。2019年11月，国际电联更新“非静止轨道卫星星座频谱的申请和使用规则”，要求运营商申请一个低轨星座和通信频段后，必须在7年内发射第一颗卫星，然后在接下来的7年内按照两年10%、5年50%、7年100%的节奏全部发射完毕。此方案将使已申请得到的频谱资源变得更加宝贵。

4 结束语

全球卫星互联网2020年的建设已经开始，以SpaceX公司为代表的低轨卫星互联网企业已经进入了大批量部署阶段，计划今年入轨1，000多颗卫星，其卫星星座规模庞大，将占据宝贵的空间频率和轨道资源。

低轨卫星星座系统初期投入巨大，建设周期较长，星座运营企业在3–5年内都属于投入期，难以盈利。低轨卫星星座系统运营必将面向全世界，开展国际化竞争，其产品和服务需要具备较强的技术优势和成本优势才能脱颖而出。星座运营在较为激烈的市场竞争中，长期盈利的前景仍然具有一定不确定性。从小型卫星革命到地球观测星座、超高通量卫星、软件定义卫星、NGSO 星座，卫星产业创新步伐已加速到前所未有的水平。