1.4 低軌道衛星移動通信系統及特點

低軌道衛星移動通信系統經歷了從20世紀90年代末到21世紀初的發展低谷，近年來，物聯網、移動互聯網的發展，為低軌道衛星移動通信系統注入了新的活力，使之迎來一個嶄新的發展高潮[13]。以L、S、VHF等低頻段為主的銥系統、全球星系統、軌道通信系統等傳統的三大低軌道衛星移動通信系統已經完成升級換代，并向多功能綜合、物聯網方向發展。以Ku、Ka頻段甚至更高頻段的新興互聯網星座計劃呈現爆發式增長，如美國一網（One Web）公司的One Web系統、美國太空探索技術（Space X）公司的星鏈（Star Link）系統、美國低軌衛星（Leo Sat）公司的Leo Sat系統、加拿大電信衛星（Tele Sat）公司的Tele Sat系統計劃，彌補了低頻段移動通信星座寬帶支持能力的不足。2014年12月至2015年4月，國內外相關單位向國際電信聯盟（International Telecommunication Union，ITU）遞交的非地球同步軌道星座申報資料就超過了10份，涉及衛星數量達數萬顆。

根據應用方向和支持的業務，與靜止軌道衛星移動通信系統劃分方式一樣，低軌道衛星移動通信系統也可以劃分為移動和寬帶兩個方向，如圖1-10所示，分別為移動通信星座和寬帶互聯網星座。移動通信星座，如Iridrum、Globalstar，采用L、S 低頻段工作，以中低速率業務為主，支持面向手持移動通信和低功耗小型化物聯網服務；寬帶互聯網星座，又稱為低軌高通量衛星（High Throughput Satellite，HTS）星座，如One Web、Space X等公司的星座，采用Ku、Ka等高頻段工作，衛星數量多，以中高速業務為主（幾十Mbit/s到Gbit/s量級），支持互聯網接入、網絡節點互聯以及基站回程等服務。

1.4.1 基于移動通信星座的低軌道衛星移動通信系統

（1）Iridium系統[14]

到目前為止，在移動通信領域，Iridium系統設計依然是其他系統無法超越的，如基于星間鏈路和星載路由交換的空間組網、真正全球無縫覆蓋和服務、不依賴地面關口站的端到端通信等。2015年啟動了“下一代銥星”（Iridium NEXT）部署，延續了第一代Iridium系統的星座構型設計和用頻設計。66顆衛星分布在6個近極軌道面上，每個軌道面上均勻分布11顆衛星，系統采用L和Ka頻段。該部署依然采用空間組網技術，具備全球無縫覆蓋，全球無縫服務的能力。在提供業務種類方面，從原來較為單一的話音和低速數據業務，擴展到移動通信、寬帶通信、航空監視（廣播式自動相關監視（Automatic Dependent Surveillance-Broadcast，ADS-B））、導航增強、機器對機器（Machine to Machine，M2M）以及低分辨率對地觀測等，具備多功能綜合服務能力。業務支持能力方面，提升了原有業務的速率；增加了L頻段高速業務，速率可達512 kbit/s～1.5 Mbit/s；面向便攜和移動載體，提供Ka頻段寬帶通信能力，速率可達8 Mbit/s。

（2）Globalstar系統[15]

Globalstar系統應用定位與Iridium系統有所區別，定位于地面移動通信系統的延伸。Globalstar星座構型為“玫瑰”（Walker）星座，高度1 400 km，覆蓋范圍為70°（S）～ 70°（N）。Globalstar衛星采用星上透明轉發模式工作，系統設計相對簡單。由于沒有星間鏈路和星上處理，每顆衛星對外提供服務均需要關口站的支持。受限于關口站部署，Globalstar 系統不能實現與覆蓋相匹配的業務服務能力。Globalstar系統全球部署24個關口站，服務能力僅限于陸地和沿海地區。2013年完成Globalstar二代24顆衛星的部署。在提供業務種類方面，從原來提供較為單一的移動話音和低速數據等通信業務，擴展支持“自動識別系統”（Automatic Identification System，AIS）、ADS-B以及M2M等，具備多功能綜合服務的能力。Globalstar二代系統注重與地面業務融合發展，提供基于衛星的Wi-Fi（Sat-Fi）服務。

（3）Orbcomm系統[16]

Orbcomm是一個低速數據傳輸系統，定位于物聯網服務，是唯一一個專用于M2M的低軌星座。用戶鏈路工作在VHF頻段，星上采用存儲轉發模式工作，沒有星間鏈路。Orbcomm星座部署3種類型軌道：傾斜圓軌道、赤道圓軌道和近極軌道，盡可能實現全球覆蓋。目前，Orbcomm一代與二代衛星同時在軌，依托地面部署的16個關口站對外提供服務。Orbcomm二代單星質量達到170 kg，在傳輸能力和處理容量方面有了明顯提升。Orbcomm二代衛星還搭載了AIS載荷，是目前世界較大的天基AIS網絡服務供應商，每天處理來自大約15萬艘船只超過1 800萬條的AIS消息。

基于移動通信星座的低軌道衛星移動通信系統參數見表1-3。

1.4.2 基于寬帶通信星座的低軌道衛星移動通信系統

（1）One Web系統[17-18]

One Web是由格雷格·維勒（Greg Wyler）于2012年創建的，旨在利用大規模低軌衛星提供全球寬帶通信服務。One Web的目標是使每個人都能夠使用互聯網接入，支持面向用戶的互聯網直接接入、熱點接入（Wi-Fi/3G/4G）等。One Web星座構型為近極軌道，有18個軌道面，軌道高度為1 200 km，每個軌道面部署40顆衛星，共計720顆衛星，支持全球覆蓋。One Web衛星面向用戶接入，采用Ku頻段，每顆衛星配置16個固定Ku點波束，星上為透明轉發模式工作。與靜止軌道高通量衛星（GEO-HTS）的“點波束、頻率復用、透明轉發”設計理念類似，單星容量大， 150 kg小衛星可以提供超過5 Gbit/s的容量，面向小口徑終端（0.36 m×0.16 m），可以提供50 Mbit/s的互聯網接入。由于One Web系統沒有星間鏈路和星上處理能力，服務區域受限于關口站部署。One Web系統計劃全球部署70余個關口站，但對于大部分海洋區和部分偏遠山區，存在關口站部署困難的問題，依然存在服務盲區。目前，One Web系統已經發射了74顆衛星。

（2）Star Link系統[19-20]

SpaceX公司低軌互聯網星座項目最早于2015年提出，旨在利用大規模低軌衛星提供全球高速寬帶接入服務。2016年11月，SpaceX公司正式向FCC提交在美國運營Ka頻段低軌互聯網通信系統的申請，文件顯示該系統名為“SpaceX 非靜止軌道衛星系統”（SpaceX NGSO Satellite System），共包括4 425顆衛星，分為32個軌道面，軌道傾角為53°，每個軌道面有50顆衛星，軌道高度為1 150 km。2017年3月，SpaceX公司再次向 FCC 提交 V 頻段低軌星座運營申請，并命名為“SpaceX V頻段非靜止軌道衛星系統”，該星座由7 518顆衛星構成，分為24個軌道面，軌道傾角為53°，每個軌道面有66顆衛星，軌道高度為550 km。2017年8月，SpaceX公司向美國專利局提交商標注冊申請，將其兩大星座計劃正式統一命名為“Star Link”。截至2020年10月19日，Star Link系統已經發射了800多顆衛星。

（3）Leo Sat系統[21]

Leo Sat公司的低軌通信星座計劃部署108顆衛星，分布在1 400 km的LEO上，星座采用了6個軌道面，每個軌道面上部署18顆衛星。星座采用星間激光鏈路、星上處理交換技術，提供Ka頻段大容量寬帶數據傳輸服務，具有按需全球可達、低時延、點對點大容量的特點。Leo Sat系統服務與O3b系統類似，將自身視為衛星固定運營商的容量補充，只為大型企業和機構用戶提供高速數據接入，未來計劃為3 000家大型企業和機構用戶提供數據傳輸服務。在單星設計方面，Leo Sat系統將會使用高功率衛星平臺，通過提高單星能力的方式減少衛星數量。每顆Leo Sat衛星配置4個星間鏈路，包括同軌道星間鏈路和異軌道星間鏈路。每顆Leo Sat衛星配置12個Ka頻段跟蹤點波束、10個用戶鏈路波束（每個波束可支持1.6 Gbit/s點對點連接）、2個饋電鏈路波束（支持面向用戶互聯，支持高達10 Gbit/s的星地傳輸）。

（4）Tele Sat系統[22]

Tele Sat公司計劃在太空建造寬帶衛星星座，在2016年11月其向FCC提交的申請文件中，聲稱衛星星座至少由117顆衛星組網。衛星軌道分為兩種，傾角為99.5°的極地軌道包括6個軌道平面，每個軌道平面至少使用12顆衛星，軌道高度為1 000 km；傾角為37.4°的傾斜軌道包括5個軌道平面，每個軌道平面上使用9顆衛星，軌道高度為1 248 km。截至目前，Tele Sat制造了2顆試驗衛星，第1顆試驗衛星由多倫多大學航空航天研究所航天飛行實驗室建造，但是在2017年11月28日發射時由于俄羅斯火箭事故已經被損毀。另一顆試驗衛星LEO Vantage 1由英國薩里衛星技術有限公司建造，于2018年1月12日成功發射。這顆衛星重約168 kg，星上配有高通量Ka頻段有效載荷和激光星間鏈路發射接收設備。

基于寬帶通信星座的低軌道衛星移動通信系統參數見表1-4。

1.4.3 低軌道衛星移動通信系統發展特點

從低軌道衛星移動星座發展來看，有 2個特點比較突出。

（1）小衛星多功能

“移動通信+物聯網”應用成為低軌道衛星移動星座發展的共識，特別是衛星物聯網業務已成為低軌道衛星移動星座新的經濟增長點。單純的移動通信業務很難支撐低軌道衛星移動星座的可持續發展，如Iridium NEXT、Globalstar二代均支持ADS-B、M2M業務，Orbcomm本身就定位于M2M業務，Globalstar二代還增加了AIS等。Orbcomm 在近幾年則出現了快速增長，保持每年近10%的收入增速。

（2）小衛星大容量

寬帶互聯網接入服務的普及與推廣應用，促進了低軌道衛星移動星座的發展。隨著衛星通信技術和衛星平臺能力的提升，為降低系統費效比，小衛星大容量成為低軌道衛星移動星座發展的顯著特征。如One Web系統的衛星質量約150 kg，單星容量可達5 Gbit/s；Leo Sat系統的衛星質量約800 kg，單星容量可達 10 Gbit/s，而且支持激光星間鏈路和星上處理交換。