基于“銥星”“星鏈”“鴻雁”系統(tǒng)的低軌衛(wèi)星的發(fā)展啟示

張棟 顧竹鑫 王枚鈺

摘要：隨著低軌衛(wèi)星通信技術的不斷發(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。除此之外，傳統(tǒng)的衛(wèi)星通信具有建設和維護成本高，使用費用高，傳輸速率低，傳輸時延大等問題，但其具有的覆蓋范圍廣，不受地形限制等優(yōu)勢，非常適合滿足遠洋船舶、飛機和偏遠地區(qū)的終端等地面的4G/5G等無線通信無法覆蓋以及光纖通信無法連接到或連接成本高的通信需求。本文深入分析當前主流低軌衛(wèi)星通信技術并給出未來在航天技術發(fā)展中的啟示。

關鍵詞：低軌衛(wèi)星;星鏈;鴻雁

1.引言

低軌道：衛(wèi)星通信技術是指由大量低軌道衛(wèi)星構建的大型衛(wèi)星通信系統(tǒng)提供通信的技術。大量衛(wèi)星構建的衛(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可實現(xiàn)不受地域限制的通信。同時，由于其具有數(shù)量多，距離地面近等特點，可實現(xiàn)傳輸速率大，傳輸時延低的高質量通信。

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)以及我國的鴻雁衛(wèi)星通信系統(tǒng)。本文從多個角度分析研究各低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)的特點及優(yōu)劣勢，對我國低軌衛(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，目的是實現(xiàn)一個覆蓋全球的通信系統(tǒng)，可在全球范圍內實現(xiàn)任意兩點間通過專用衛(wèi)星電話進行通信。時隔十年后，詳細的設計方案推出并隨后正式投入運營。

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)應用場景。但是其同時也存在諸多瑕疵，如使用費用高，維護成本高，用戶終端不夠便攜等多方面問題，最后于本世紀初破產。后續(xù)由美國軍方接手，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SpaceX公司提出的衛(wèi)星通信方案。該項目在2015年1月對外公開，其目的是構建一個衛(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)終端進行通信。該星座方案的估計成本約為一百億美元，項目周期長達十年之久。

星座系統(tǒng)的研發(fā)始于2015年，并在2018年發(fā)射了兩顆用于試驗的原型衛(wèi)星，次年，進行了更多測試衛(wèi)星的發(fā)射以及60顆業(yè)務衛(wèi)星的發(fā)射。

2016年至2017年，SpaceX公司先后向美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）提交多次申請，計劃分兩個階段在地球上空建設兩層軌道，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，構建極低地球軌道衛(wèi)星系統(tǒng)，并得到批準。后續(xù)美國聯(lián)邦通信委員會代表SpaceX向國際通信聯(lián)盟（ITU）提交申請，申請額外新增30000顆星鏈衛(wèi)星，截止目前，共計劃發(fā)射約42000顆衛(wèi)星。

SpaceX的軌道部署計劃先后經過多次更改，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，其修改內容依然是對第一階段的計劃進行修改。在這次修改中，將第一階段的4400多顆衛(wèi)星進一步細化，共分為五層軌道：

第一層：距地550公里處，共計1440顆衛(wèi)星，傾斜角為53°;

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

第三層：距地570公里處，共計720顆衛(wèi)星，傾斜角為70°;

第四層：距地560公里處，共計336顆衛(wèi)星，傾斜角為97.6°;

第五層：距地560公里處，共計172顆衛(wèi)星，傾斜角97.6°;

星鏈計劃截止2021年5月，共發(fā)射1737顆衛(wèi)星，并已于2020年下半年推出測試版服務，向大眾公開預購，已有超一萬名用戶使用。在測試階段，用戶的通信數(shù)據(jù)速率可達到50Mbps到150Mbps之間，最終目標可達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)也會有進一步優(yōu)化。星鏈計劃的理論通信時延約為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，在時延問題上難以進行進一步的優(yōu)化。

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

4.鴻雁衛(wèi)星通信系統(tǒng)

我國的衛(wèi)星研制技術雄厚，發(fā)射經驗豐富，已躋身世界航天強國的行列。在低軌衛(wèi)星通信領域也緊抓機遇，于2018年初向公眾公開了鴻雁星座建設計劃。鴻雁星座計劃由中國航天科技集團公司提出，符合國家的多方面發(fā)展需求，目的是建設一個處于國際先進水平的低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)。

鴻雁星座是我國自主研發(fā)的，面向物聯(lián)網(wǎng)及大眾提供的衛(wèi)星通信，構建天地一網(wǎng)融合系統(tǒng)。鴻雁星座針對智能手機終端設計，建設完成后用戶可通過智能手機直接進行網(wǎng)絡切換，按需進行地面網(wǎng)絡通信和衛(wèi)星網(wǎng)絡通信。除此之外，鴻雁星座還可覆蓋兩級地區(qū)，為極地提供通信服務，對后續(xù)兩級地區(qū)的科考研究都具有積極促進影響。同時，鴻雁星座還可覆蓋中國的偏遠地區(qū)，包括海洋，沙漠，山區(qū)等區(qū)域，提供無線通信傳輸，對于當前的民用通信是極大的補充。

鴻雁星座使用高效能微小衛(wèi)星，其建設與研究可以進一步優(yōu)化和提高我國當前衛(wèi)星及運載火箭的研制模式。同時，針對鴻雁星座的研制周期短，市場反饋快等特點，也促進了我國先進航天技術的快速商用轉化。

2018年底，“長征”二號D運載火箭載著鴻雁星座的首發(fā)衛(wèi)星成功發(fā)射升空并進入預定軌道，標志著鴻雁星座計劃的正式啟動。發(fā)射成功的首發(fā)衛(wèi)星承擔著通信體制驗證、小型業(yè)務終端聯(lián)試聯(lián)調等任務。鴻雁星座計劃在2020年完成9顆衛(wèi)星的發(fā)射，進行示范系統(tǒng)的建設和驗證工作。后續(xù)預計到2023年，完成鴻雁星座計劃的一期規(guī)劃，共計60顆衛(wèi)星的建設，并完成網(wǎng)絡建設，可投入使用。

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

5.低軌衛(wèi)星通信技術發(fā)展啟示

隨著國內外低軌衛(wèi)星技術的發(fā)展，以下從三個方面分別分析發(fā)展低軌衛(wèi)星的優(yōu)勢及作用。

·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也引發(fā)了這一資源的爭奪戰(zhàn)。雖然衛(wèi)星資源是國際社會的公共資源，但衛(wèi)星通信技術門檻高，建設和維護成本高，因此衛(wèi)星資源主要集中在包括中國，俄羅斯，美國等在內的少數(shù)大國之間，太空資源也足夠各國的撐場需求。但隨著低軌衛(wèi)星星座技術的發(fā)展，特別是美國SpaceX的星鏈計劃申請的42000顆衛(wèi)星總量，將富裕的太空資源變的略顯緊張。

針對當前低軌道資源的監(jiān)管處于真空階段，我國也正在積極爭取近地太空資源。通過國際ITU組織機構的查詢發(fā)現(xiàn)，我國已經申請了約一萬三千顆衛(wèi)星，為我國后續(xù)軍用、民用衛(wèi)星通信技術的發(fā)展提供了保障。

·傳統(tǒng)民用通信方式的補充

當前民用通信技術已經得到極大的發(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過程中，同時光纖通信已可以覆蓋全國大部分家庭。但是4G和5G等無線通信技術收到基站覆蓋范圍的限制，傳統(tǒng)民用通信技術建設依靠“光纖+基站”的建設模式。我國幅員遼闊，不可避免的存在偏遠山區(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”建設方式就存在成本高的情況。對于我國對于特殊地區(qū)的科考等科學研究的通信需求，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現(xiàn)的，并且傳統(tǒng)的衛(wèi)星通信具有成本高、傳輸時延大、帶寬低等特點，顯然不適合未來高數(shù)據(jù)量的需求。

低軌衛(wèi)星通信技術的研究可以很大程度上彌補傳統(tǒng)地面通信網(wǎng)絡的不足，通過與地面通信網(wǎng)絡相結合，依靠低軌衛(wèi)星通信地面終端及復雜的路由通信網(wǎng)絡，為偏遠地區(qū)通信需求，高速列車高質量通信需求，突發(fā)自然災害等的應急救援的高質量通信需求，科學考察等高質量通信需求提供保障。

·軍用領域的前景

在軍用領域的通信方式主要是地面移動通信方式，同時配合有衛(wèi)星通信、散射通信和短波通信等超遠、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，特別是對于超遠、超視距的通信方式，不可避免的存在傳輸速率低，傳輸時延大，通信不穩(wěn)定等問題。低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)在提供超遠超視距通信的同時，可以很大程度避免其他通信方式存在的短板。同時，傳統(tǒng)的衛(wèi)星通信主要采用地球同步軌道衛(wèi)星通信，對衛(wèi)星的穩(wěn)定性要求高，如果敵方在戰(zhàn)時摧毀我方的衛(wèi)星，對于我方的超視距通信影響巨大。而低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)通過海量衛(wèi)星通信，可構建業(yè)務不落地的星間路由交換網(wǎng)絡，敵方不可能在短時間內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)星通信技術不可避免的成為未來各國航天領域的研究中心，我國具有雄厚的航天技術及經驗，在未來的科技博弈中必然會保持先進地位。

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