基于“铱星”“星链”“鸿雁”系统的低轨卫星的发展启示

张栋 顾竹鑫 王枚钰

摘要：随着低轨卫星通信技术的不断发展，卫星通信作为民用通信方式成为可能。相较于当前普及使用的民用的宽带通信方式，包括4G，5G和光纤通信等，卫星通信方式具有不受地形限制的优势。除此之外，传统的卫星通信具有建设和维护成本高，使用费用高，传输速率低，传输时延大等问题，但其具有的覆盖范围广，不受地形限制等优势，非常适合满足远洋船舶、飞机和偏远地区的终端等地面的4G/5G等无线通信无法覆盖以及光纤通信无法连接到或连接成本高的通信需求。本文深入分析当前主流低轨卫星通信技术并给出未来在航天技术发展中的启示。

关键词：低轨卫星;星链;鸿雁

1.引言

低轨道：卫星通信技术是指由大量低轨道卫星构建的大型卫星通信系统提供通信的技术。大量卫星构建的卫星群称为卫星星座。低轨道卫星指的是位于距离地面200公里至2000公里的卫星，在其卫星波束覆盖的范围内可实现不受地域限制的通信。同时，由于其具有数量多，距离地面近等特点，可实现传输速率大，传输时延低的高质量通信。

低轨道卫星通信系统主要有铱（Iridium）星卫星通信系统，一网（OneWeb）卫星通信系统，星链（Starlink）卫星通信系统以及我国的鸿雁卫星通信系统。本文从多个角度分析研究各低轨卫星通信系统的特点及优劣勢，对我国低轨卫星通信的发展研究提出建议。

2.铱星卫星通信系统

铱星卫星通信系统是由摩托罗拉公司研究的一种低轨道卫星通信系统。该通信系统的概念发起与1985年，目的是实现一个覆盖全球的通信系统，可在全球范围内实现任意两点间通过专用卫星电话进行通信。时隔十年后，详细的设计方案推出并随后正式投入运营。

铱星系统发射的卫星距离地面780km，由66颗主用卫星和6颗备用卫星组成，共构建6条极轨道，并且卫星之间具有星间链路，提供不同卫星覆盖范围之间的数据通信。

铱星卫星通信系统的提出具有跨时代的意义，其作为最早的一批低轨卫星通信方案，将卫星通信首次用于商业应用场景。但是其同时也存在诸多瑕疵，如使用费用高，维护成本高，用户终端不够便携等多方面问题，最后于本世纪初破产。后续由美国军方接手，作为军用通信。目前，铱星已于2019年借助SpaceX公司的火箭将第八批卫星发射升空，完成了新一代铱星卫星星座的部署。

3.星链卫星通信系统

星链卫星通信系统是由美国SpaceX公司提出的卫星通信方案。该项目在2015年1月对外公开，其目的是构建一个卫星互联网星座，提供卫星互联网接入通信，能够完成在高密度的城市范围内百分之五十的回传数据传输和约百分之十的本地互联网数据传输。

星链星座由数千颗在低地球轨道面上的大量小型卫星组成，这些卫星与专用的地面收发终端进行通信。该星座方案的估计成本约为一百亿美元，项目周期长达十年之久。

星座系统的研发始于2015年，并在2018年发射了两颗用于试验的原型卫星，次年，进行了更多测试卫星的发射以及60颗业务卫星的发射。

2016年至2017年，SpaceX公司先后向美国联邦通信委员会（FCC）提交多次申请，计划分两个阶段在地球上空建设两层轨道，第一阶段为在距离地面约1200公里处部署4425颗卫星，工作频段为Ku和Ka频段，构建非静止地球轨道卫星（NSGO）系统;第二阶段是在距离地面约340公里处部署约7500颗卫星，工作频段为之前并未大范围使用的V频段，构建极低地球轨道卫星系统，并得到批准。后续美国联邦通信委员会代表SpaceX向国际通信联盟（ITU）提交申请，申请额外新增30000颗星链卫星，截止目前，共计划发射约42000颗卫星。

SpaceX的轨道部署计划先后经过多次更改，其中主要的更改在2019年初和2020年4月。

在2019年将原计划的两层轨道更改为三层轨道，包括距离地面550公里的1440颗卫星，距离地面1110公里处的2825颗卫星以及距离地面340公里的7500颗卫星。

随后在2020年4月在次修改，其修改内容依然是对第一阶段的计划进行修改。在这次修改中，将第一阶段的4400多颗卫星进一步细化，共分为五层轨道：

第一层：距地550公里处，共计1440颗卫星，倾斜角为53°;

第二层：距地540公里处，共计1440颗卫星，倾斜角为53.2°;

第三层：距地570公里处，共计720颗卫星，倾斜角为70°;

第四层：距地560公里处，共计336颗卫星，倾斜角为97.6°;

第五层：距地560公里处，共计172颗卫星，倾斜角97.6°;

星链计划截止2021年5月，共发射1737颗卫星，并已于2020年下半年推出测试版服务，向大众公开预购，已有超一万名用户使用。在测试阶段，用户的通信数据速率可达到50Mbps到150Mbps之间，最终目标可达1G。相较于4G通信的100Mbps-1Gbps和5G通信的1Gbps-10Gbps还有差距，但可以满足日常使用，后续也会有进一步优化。星链计划的理论通信时延约为4-8ms，相较于4G通信10公里处66µs的延迟和5G通信1公里处6.6µs的延迟差距较大，但限于卫星通信的通信传输距离，在时延问题上难以进行进一步的优化。

相比于之前夭折和破产的低轨卫星星座方案，星链计划在初期阶段便积极考虑成本问题，包括研制成本、建设成本和用户的使用成本，因此创造了一箭多星（可达到一艘火箭运送60颗卫星）技术、火箭回收（可重复使用10次）技术，大幅度降低了成本，相应的用户的使用成本也得到了降低，提高了用户体验。同时，其使用的通信频段主要选择了未大范围商用的V频段，也大大扩大了其发展空间。

4.鸿雁卫星通信系统

我国的卫星研制技术雄厚，发射经验丰富，已跻身世界航天强国的行列。在低轨卫星通信领域也紧抓机遇，于2018年初向公众公开了鸿雁星座建设计划。鸿雁星座计划由中国航天科技集团公司提出，符合国家的多方面发展需求，目的是建设一个处于国际先进水平的低轨卫星通信系统。

鸿雁星座是我国自主研发的，面向物联网及大众提供的卫星通信，构建天地一网融合系统。鸿雁星座针对智能手机终端设计，建设完成后用户可通过智能手机直接进行网络切换，按需进行地面网络通信和卫星网络通信。除此之外，鸿雁星座还可覆盖两级地区，为极地提供通信服务，对后续两级地区的科考研究都具有积极促进影响。同时，鸿雁星座还可覆盖中国的偏远地区，包括海洋，沙漠，山区等区域，提供无线通信传输，对于当前的民用通信是极大的补充。

鸿雁星座使用高效能微小卫星，其建设与研究可以进一步优化和提高我国当前卫星及运载火箭的研制模式。同时，针对鸿雁星座的研制周期短，市场反馈快等特点，也促进了我国先进航天技术的快速商用转化。

2018年底，“长征”二号D运载火箭载着鸿雁星座的首发卫星成功发射升空并进入预定轨道，标志着鸿雁星座计划的正式启动。发射成功的首发卫星承担着通信体制验证、小型业务终端联试联调等任务。鸿雁星座计划在2020年完成9颗卫星的发射，进行示范系统的建设和验证工作。后续预计到2023年，完成鸿雁星座计划的一期规划，共计60颗卫星的建设，并完成网络建设，可投入使用。

鸿雁星座总体计划由300颗低轨道的微小卫星组成，并结合全球数据业务处理中心协同工作，提供全球范围内的全天候、全时段的卫星通信服务。

5.低軌卫星通信技术发展启示

随着国内外低轨卫星技术的发展，以下从三个方面分别分析发展低轨卫星的优势及作用。

·抢占低轨卫星资源

太空资源作为全球的公共资源，其卫星通信使用的频率和轨道都是不可再生的资源，这次低轨卫星星座的大范围建设也引发了这一资源的争夺战。虽然卫星资源是国际社会的公共资源，但卫星通信技术门槛高，建设和维护成本高，因此卫星资源主要集中在包括中国，俄罗斯，美国等在内的少数大国之间，太空资源也足够各国的撑场需求。但随着低轨卫星星座技术的发展，特别是美国SpaceX的星链计划申请的42000颗卫星总量，将富裕的太空资源变的略显紧张。

针对当前低轨道资源的监管处于真空阶段，我国也正在积极争取近地太空资源。通过国际ITU组织机构的查询发现，我国已经申请了约一万三千颗卫星，为我国后续军用、民用卫星通信技术的发展提供了保障。

·传统民用通信方式的补充

当前民用通信技术已经得到极大的发展和普及。全民已基本普及4G通信，5G通信也在如火如荼的建设过程中，同时光纤通信已可以覆盖全国大部分家庭。但是4G和5G等无线通信技术收到基站覆盖范围的限制，传统民用通信技术建设依靠“光纤+基站”的建设模式。我国幅员辽阔，不可避免的存在偏远山区和荒漠等地区，且这类地区一般人口稀少。这类地区距离人口密集地区的距离可能存在非常远的情况，因此，为联通这些地区，解决这些地区人民的通信需求，传统的“光纤+基站”建设方式就存在成本高的情况。对于我国对于特殊地区的科考等科学研究的通信需求，传统的通信方式也非常不友好。

不仅如此，我国还具有辽阔的海上疆域，为解决海上船舶的通信需求，传统的通信方式必然是不可能实现的，并且传统的卫星通信具有成本高、传输时延大、带宽低等特点，显然不适合未来高数据量的需求。

低轨卫星通信技术的研究可以很大程度上弥补传统地面通信网络的不足，通过与地面通信网络相结合，依靠低轨卫星通信地面终端及复杂的路由通信网络，为偏远地区通信需求，高速列车高质量通信需求，突发自然灾害等的应急救援的高质量通信需求，科学考察等高质量通信需求提供保障。

·军用领域的前景

在军用领域的通信方式主要是地面移动通信方式，同时配合有卫星通信、散射通信和短波通信等超远、超视距的通信方式，但这些通信方式都不可避免的存在各自的优劣势，特别是对于超远、超视距的通信方式，不可避免的存在传输速率低，传输时延大，通信不稳定等问题。低轨卫星通信系统在提供超远超视距通信的同时，可以很大程度避免其他通信方式存在的短板。同时，传统的卫星通信主要采用地球同步轨道卫星通信，对卫星的稳定性要求高，如果敌方在战时摧毁我方的卫星，对于我方的超视距通信影响巨大。而低轨卫星通信系统通过海量卫星通信，可构建业务不落地的星间路由交换网络，敌方不可能在短时间内摧毁我方大量的低轨卫星，极大程度上保障了军用卫星通信的稳定性和可靠性。

低轨卫星通信技术不可避免的成为未来各国航天领域的研究中心，我国具有雄厚的航天技术及经验，在未来的科技博弈中必然会保持先进地位。

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