基于低轨互联网星座的卫星通信新应用分析

于杰 王玉云

摘 要：卫星通信作为航天技术系统中的重要组成部分，在现阶段以低轨互联网星座的形式呈现出来，在卫星通信领域应用极为广泛。文章针对低轨互联网星座技术展开论述，探究低轨互联网星座技术的发展进程与现状，深入分析低轨互联网星座在卫星通信中的新应用，以此为相关研究人员提供参考。

关键词：低轨卫星；互联网星座系统；卫星通信；技术应用

0 引言

近年来，随着卫星通信技术服务范围不断拓宽，全球卫星通信系统建设效率提高，逐渐成为推动数字化信息时代发展的重要引擎，同时也为构建低轨互联网星座系统提供技术支持，加快实现全球卫星网络全覆盖目标，进一步提高卫星通信与网络信息传输效率。

1 低轨互联网星座概述

低轨互联网星座系统由成百上千的低轨道小卫星组成，为地球提供互联网接入服务，在消除对地卫星数字鸿沟方面应用广泛，是实现全球互联网通信卫星覆盖布局的关键。就当前卫星通信行业发展状况而言，低轨卫星互联网技术已然成为全球通信卫星互联网建设的新风口，全球科技信息通信行业巨头纷纷涌入其中，卫星互联网通信逐渐迈向激烈的竞争时代。以虹云星座、鸿雁星座、OneWeb星座、StarLink星座等低轨互联网星座为主的互联网通信卫星的发射，刺激和带动了巨型低轨互联网宽带通信卫星星座的发展与进步，通过科技创新的形式，对卫星互联网通信方式进行更新，在未来行业社会发展进程中，将成为卫星互联网通信技术发展的新方向[1]。

2 低轨互联网星座技术发展进程及现状

低轨道卫星一般存在于对地遥感系统之中，在互联网移动通信领域占据重要作用，信息数据传输受卫星轨道高度影响，低轨道互联网卫星星座位置的确定，有效缩短信号传输时间，减少信号传输延时问题，在卫星运行期间，信号传输环境对信号的传输损耗较小，应用效果较好。随着蜂窝通信、点对点波束、多地址频率复用技术的推广与应用，为低轨道卫星互联网移动通信系统的建设与发展提供技术支持，将小型部件与轻型技术相结合，综合考虑通信卫星的重量、成本、运行模式等问题，经过长期的探索和实践工作，地轨卫星发射技术逐渐成熟，成为构建低轨互联网星座系统的重要动力。

低轨卫星互联网通信相较传统的地面通信网络而言，其造价成本更高，在普通民用领域应用范围小，在卫星通信系统建设进程中，解决卫星通信网络市场定位问题迫在眉睫，逐渐成为约束和限制低轨互联网技术发展的关键因素。当前，全球卫星通信系统轨道均采用Leo模式，系统建设与完善的核心技术在创新与应用期间，存在明显的复杂性特征，由于星载器件实用性能有限，整体动力不足，直接导致我国低轨卫星互联网信号处理与交换技术研发陷入困境，全球卫星互联网通信频率协调目标难以实现，网络荷载技术与核心控制技术研发滞后，严重影响低轨互联网星座卫星通信网络建设效果。

3 低轨互联网星座在卫星通信中的新应用分析

3.1 目标优化设计

低轨互联网星座在卫星通信系统建设中占主导地位，对系统整体建设目标进行优化设计，是解决通信卫星互联网星座系统建设问题的前提。为此，相关人员通过深入分析卫星星座设计环节存在的具体问题，结合当前卫星通信市场上应用最广泛的卫星通信技术，构建基本的卫星通信互联网星座系统的基本模型，综合考量多方面影响因素和约束条件，建立多目标优化模型，经过精准、严密的优化计算，生成系统建设目标数据库，寻求低轨互联网卫星通信技术网络系统建设的最优方案[2]。

3.1.1 基本星座模型

针对低轨道卫星通信星座设计问题，其最终目的是获取星座卫星数目与轨道卫星运行相关参数，充分考虑卫星位置对近地点、春分点、升交点位置产生的变化和影响，以此确定卫星中轨道参数，保证星座参数设计符合卫星数目分布特点，利用较为常见的Walker星座与Flower星座为基本模型，降低空间维数求解难度。

3.1.2 多目标优化模型

低轨道通信卫星星座系统构建期间，存在多目标约束问题，其本质问题在于系统内部各子目标之间的冲突性和矛盾性，要求技术人员通过多种方式和手段，对星座系统中多目标进行优化设计，构建目标优化模型，逐步满足任务覆盖量，降低轨道高度与通信仰角对轨道卫星互联网通信服务能力覆盖产生的不良影响。多目标优化模型包含多目标函数与诸多约束条件，通过目标函数精准反映本质性问题，综合考虑通信卫星发射成本、技术研发进度、通信网络系统维护成本等问题，建立满足约束条件的卫星系统多目标优化模型。

3.1.3 约束条件分析

低轨道卫星通信星座模型中，星座覆盖性能是影响卫星星座设计的关键，按照覆盖范围可以分为全球覆盖和区域覆盖；从时间覆盖来看，主要分为连续覆盖与间断覆盖；按覆盖维度可分为单一覆盖与多重覆盖、模型构建过程中，需对系统建设约束条件进行分析，通过覆盖带法和网格设计法实现对卫星星座覆盖情况的精准计算。

3.1.4 星间链路情况

低轨道通信卫星互联网系统建设期间，卫星星座模型中存在静态和动态两种星间链路方式，根据不同覆盖区域特定用户的通信目标，在相邻卫星之间建立星间链路，利用卫星通信系统向全球卫星互联网通信系统用户提供便捷的通信服务，在一定程度上缓解通信卫星区域覆盖压力，发挥实时通信功能，提高卫星通信效率和质量，推进卫星互联网星座系统建设进程。

3.2 具体应用场景

基于低轨道互联网星座的卫星通信系统，相较传统卫星通信具备更加强大的通信功能，通信轨道呈现多样化发展趋势，通信终端综合性能较强，在全球信号覆盖方面具有明显的应用优势，对我国卫星通信自主信息系统建设提供必要的技术支持，在社会各行业、各领域内应用广泛[3]。

3.2.1 在科考探险中的应用

低轨道卫星在信号传输中占据优势，现代轨道卫星通信技术与互联网卫星星座系统被应用于社会生活中的各个方面，在科学考察探险工作开展期间，科考探险研究人员利用卫星通信的方式，通过低轨道卫星通信星座进行宽带连接，将科学考察分析得来的详细数据信息经由低轨互联网通信卫星传输至科学考察实验室，通信卫星星座系统的应用，有效保证了科考数据的真实性和完整性，提高数据采集与传输的效率和质量，加快实现精准数据傳输作业，为科学考察与实地调研工作提供技术支持。

3.2.2 在自然環境保护中的应用

卫星通信技术为我国部分边远地区自然环境保护做出巨大贡献，以可可西里自然保护区为例，国家相关部门针对保护区开展生态环境保护与环境监测工作，通过建立卫星通信固定基站，利用低轨道卫星星座进行互联网通信，充分发挥卫星通信技术在环境监测中的重要作用，已基本解决自然环境保护区通信卡顿、网络延时、图像不清晰等问题，实现卫星互联网在边远地区的信号全覆盖，自然资源和稀有物种盗猎事件发生概率大大降低，推动自然保护区生态环境的可持续发展。

3.2.3 在海上通信中的应用

地轨卫星互联网星座系统在海洋运输行业中，主要发挥卫星通信技术在船舶信息跟踪、浮标监测、船舶自动识别等方面，在海洋运输生产作业开展期间，为保证船舶安全运行，利用卫星通信技术，在船舶系统中增加海上网络通信模块，一旦出现航行线路有误、船舶运行异常等情况，利用卫星互联网通信功能，向陆上发射紧急救援信号，保证海洋运输作业的安全性和稳定性。

3.2.4 在智能导航中的应用

地轨卫星互联网通信技术在智能导航系统建设中应用效果较好，卫星通信项目逐渐成为未来智能生活布局中的重点发展方向，随着无人驾驶、移动物联网等新兴产业的出现和发展，社会各行业逐渐加大对卫星通信技术的重视，将其与智能导航系统进行有机结合，通过卫星信号传输，综合运用多种定位导航技术，实现多场景化的职能导航定位，对智能产业技术创新与发展提供必要的技术支持。

3.2.5 在卫星通信网络中的应用

地轨卫星互联网星座系统在卫星通信网络构建过程中起到核心作用，以现代化5G移动网络通信技术为依托，自主研发低轨宽带通信卫星，采用Q/V通信频段，平均信号传输速率可达10 Gbps，具备较强的透明转发通信能力，通过建立星间链路的形式，将通信卫星进行信号连接，将5G移动网络接入卫星星座系统，实现对海陆空的全信号覆盖。

4 结语

综上所述，地轨卫星互联网星座系统建设，以卫星通信技术为基础，通过对系统目标进行优化设计，构建通信卫星连接网络，提高信号传输质量和效率，进一步推动社会各行业网络通信技术的发展和创新。

[参考文献]

[1]陈东，裴胜伟，韩绍欢，等.全球巨型低轨星座通信网络发展特征与思考[J].国际太空，2020（4）：44-49.

[2]段佳.空间频率和轨道资源分配规则研究—基于低轨通信卫星星座建设的视角[J].国际太空，2020（10）：42-47.

[3]沈大海，蒙艳松，边朗，等.基于低轨通信星座的全球导航增强系统[J].太赫兹科学与电子信息学报，2019（2）：209-215.

（编辑 王雪芬）

Analysis of the new application of satellite communication based on low - rail Internet constellation

Yu Jie， Wang Yuyun

（Nanjing Panda Handa Technology Co.， Ltd.， Nanjing 210000， China）

Abstract：As an important part of the space technology system， satellite communication is presented in the form of a low - orbit Internet constellation， and is widely used in the field of satellite communication. This paper discusses low - orbit Internet constellation technology， explores the development process and status quo of low - orbit Internet constellation technology， and deeply analyzes the new application of low - track Internet constellation in satellite communication， so as to provide reference for relevant researchers.

Key words：low - orbit satellite； Internet constellation system； satellite communication； technology application