太空早已成為人類探索的終極目標(biāo)之一。

在這片廣袤的宇宙中，

一場(chǎng)無聲的太空競爭早已悄然進(jìn)行。

當(dāng)我們仰望星空時(shí)，

可曾想過在我們深邃的天空中，

有著成千上萬的人造地球衛(wèi)星

從頭頂上掠過。

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從1957年前蘇聯(lián)發(fā)射世界第一顆人造衛(wèi)星斯普特尼克1號(hào)（Sputnik-1），到2014年實(shí)現(xiàn)人造衛(wèi)星千顆（1261顆）在軌，用了整整57年。而到2024年的近萬顆在軌衛(wèi)星（截止2024年5月全球在軌衛(wèi)星數(shù)量為9770顆）卻僅僅只用了10年時(shí)間。這其中有72%是通信衛(wèi)星，而在這近萬顆衛(wèi)星中，低軌衛(wèi)星占了91.5%。

本文分為上下兩篇，簡述了衛(wèi)星通信的演進(jìn)趨勢(shì)和近年來的測(cè)量方案匯總，本期為「上篇」。

1、衛(wèi)星軌道概述

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衛(wèi)星根據(jù)軌道離地球的遠(yuǎn)近概況起來大致有四種類型的星座

01

地球同步軌道(GSO，Geosynchronous orbit)

地球同步軌道 (GSO) 衛(wèi)星在環(huán)繞地球的圓形軌道上運(yùn)行，高度距離地表35 786 km，考慮窄波束時(shí)，波束足跡的大小范圍約為200 km，使用大尺寸波束時(shí)，范圍可達(dá)4000 km。這類GSO 衛(wèi)星的速度為11070 km/h，軌道周期相當(dāng)于一天。GSO衛(wèi)星的RTT 約為544 ms。地球同步軌道 (GSO) 衛(wèi)星根據(jù)軌道跟地球赤道的夾角，又分為三種：

1

地球靜止軌道（GEO：Geostationary Orbit）

當(dāng)?shù)厍蛲杰壍佬l(wèi)星軌道面的傾角為零度，即衛(wèi)星在地球赤道上空運(yùn)行，且運(yùn)行方向與地球自轉(zhuǎn)方向相同時(shí)，由于運(yùn)行周期與地球同步，因此，人們從地球上仰望衛(wèi)星，仿佛懸掛在太空靜止不動(dòng)，所以，把零傾角的同步軌道稱作靜止軌道，在靜止軌道上運(yùn)行的衛(wèi)星稱作靜止衛(wèi)星。這類衛(wèi)星在過去應(yīng)用是最多的。這樣GEO衛(wèi)星有比如Inmarsat這樣的國際海事通信衛(wèi)星，還有Astra或Eutelsat這樣的電視廣播媒體衛(wèi)星，甚至中國的北斗三代也有三顆GEO，等等。GEO因?yàn)槎紨D在赤道上空的固定高度，這條軌道的容量是有限的，每顆衛(wèi)星為了不互相影響，都在經(jīng)度方向上分配有一定的漂移范圍。如果按照0.5°的間隔，那這個(gè)軌道的容量就是720顆。截止2023年8月為止，全球一共有563顆地球同步靜止軌道衛(wèi)星。其中中國控制著80顆。

2

傾斜地球同步軌道（IGSO：Inclined Geosynchronous Orbit ）

傾斜同步軌道(IGSO)是指傾角不為0的地球同步軌道,其星下點(diǎn)軌跡是一個(gè)跨南北半球的 “8”字,其星下點(diǎn)軌跡與赤道相交于一點(diǎn),該點(diǎn)常稱之為交叉點(diǎn)。GEO對(duì)于高緯度區(qū)域的信號(hào)覆蓋并不好。IGSO很容易做到某一個(gè)區(qū)域的區(qū)域覆蓋。

3

極地軌道同步軌道，又名太陽同步軌道（SSO：Sun-synchronous Orbit ）

衛(wèi)星的軌道平面和太陽始終保持相對(duì)固定的取向，軌道傾角（軌道平面與赤道平面的夾角）接近90度。人造衛(wèi)星運(yùn)行時(shí)能到達(dá)南北極區(qū)上空，即衛(wèi)星能飛經(jīng)全球范圍的上空。需要在全球范圍內(nèi)進(jìn)行觀測(cè)和應(yīng)用的氣象衛(wèi)星、導(dǎo)航衛(wèi)星、地球資源衛(wèi)星等都采用這種軌道。

傾斜軌道和極地軌道同步衛(wèi)星從地球上看是移動(dòng)的，但卻每天可以經(jīng)過特定的地區(qū)，因此，通常用于科研、氣象或軍事情報(bào)的搜集，以及兩極地區(qū)和高緯度地區(qū)的通信。

02

中地球軌道(MEO)衛(wèi)星

中地球軌道 (MEO) 衛(wèi)星在環(huán)繞地球的圓形軌道上運(yùn)行，高度在7000 km到25000 km之間，運(yùn)行速度約為13800 km/h，軌道周期約為6至12小時(shí)。比較著名的MEO衛(wèi)星星座之一是用于定位服務(wù)的GNSS。這類衛(wèi)星的波束足跡與LEO星座類似。中軌道衛(wèi)星需要避開兩個(gè)輻射帶：內(nèi)范艾倫輻射帶和外范艾倫輻射帶。這兩個(gè)輻射帶有大量的高能粒子，對(duì)電子電路具有很強(qiáng)的破壞性。內(nèi)范艾倫帶大概在距地3700km左右，是質(zhì)子和電子的混合物。外范艾倫帶大概在距地18500km左右，主要是電子。

03

高橢圓軌道?(HEO，Highly Elliptical Orbit)

衛(wèi)星在環(huán)繞地球的橢圓軌道上運(yùn)行。由于采用這種軌道形狀，從地球點(diǎn)可以觀測(cè)到衛(wèi)星的范圍更遠(yuǎn)，例如，當(dāng)所需的信號(hào)覆蓋服務(wù)區(qū)域?yàn)閮蓸O這樣的邊遠(yuǎn)地區(qū)時(shí)，HEO衛(wèi)星可能更有優(yōu)勢(shì)。另外，HEO由于在近地點(diǎn)速度很快，遠(yuǎn)地點(diǎn)速度慢，因此非常容易做到區(qū)域覆蓋，例如俄羅斯的閃電號(hào)，大概有2/3的時(shí)間都在北半球上空。HEO的缺點(diǎn)是橢圓軌道形狀需要一定的控制，由此還會(huì)產(chǎn)生浮動(dòng)延遲，存在時(shí)間或軌道變化的頻率漂移，并且需要來回穿越內(nèi)外范艾倫帶，對(duì)電子電路有一定的壽命損耗。

圖1：衛(wèi)星軌道示意圖

04

低地球軌道(LEO)衛(wèi)星

低地球軌道 (LEO) 衛(wèi)星在環(huán)繞地球的圓形軌道上運(yùn)行，高度約在500 km到2000 km之間，運(yùn)行速度約為28000 km/h，軌道周期約為90分鐘。由于LEO衛(wèi)星的高度不算很高，發(fā)射這類衛(wèi)星不需要大推力火箭，因此更具成本效益。近地距離帶來的另一項(xiàng)明顯優(yōu)勢(shì)是往返時(shí)間 (RTT) 較短，通常小于30 ms。LEO衛(wèi)星的尺寸一般也較小，通常周長小于1米，甚至只有十幾厘米（納米衛(wèi)星），重量則在500 kg以下。通常假定NTN在衛(wèi)星站使用波束賦形機(jī)制。LEO衛(wèi)星的典型波束足跡范圍介于100 km到1000 km之間。LEO衛(wèi)星的缺點(diǎn)是運(yùn)行環(huán)境惡劣（在該環(huán)境中仍可能存在大氣氣體），因此生命周期一般不到10年。

2、通信衛(wèi)星的發(fā)展演進(jìn)

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通信衛(wèi)星的發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)階段：

第一階段：20世紀(jì)90年代年以前主要以面向電視廣播和傳統(tǒng)固定通信的地球靜止同步軌道衛(wèi)星為主

第二階段：20世紀(jì)90年代到2000年伴隨地面移動(dòng)通信發(fā)展的低軌尋求出路，同步軌道緩慢發(fā)展時(shí)代

第三階段：2010年至今低軌爆發(fā)+同軌換代全面發(fā)展時(shí)代

在這一發(fā)展過程中，不同種類的通信衛(wèi)星能力得到了相應(yīng)的演進(jìn)。

早在上世紀(jì)90年代中期，國際電信聯(lián)盟 (ITU) 就通過其國際移動(dòng)通信方案IMT- 2000提出了21世紀(jì)全球無線接入的愿景。以此為契機(jī)標(biāo)準(zhǔn)化組織3GPP（第三代合作伙伴計(jì)劃）創(chuàng)立了，著手推進(jìn)第三代無線通信技術(shù)的國際標(biāo)準(zhǔn)化。引人注目的實(shí)例是由標(biāo)準(zhǔn)化組織 3GPP2牽頭的CDMA2000和通用移動(dòng)通信系統(tǒng) (UMTS)，其中采用兩項(xiàng)關(guān)鍵無線接入技術(shù) (RAT)：寬帶碼分多址接入 (WCDMA) 和時(shí)分碼分多址接入 (TD-CDMA)。IMT-2000方案提出“靈活性”和“全球化”兩項(xiàng)屬性作為主要設(shè)計(jì)目標(biāo)，并表示，熱點(diǎn)的峰值數(shù)據(jù)速率達(dá)到2 Mbps、移動(dòng)條件下的平均數(shù)據(jù)速率達(dá)到384 kbps是未來公共陸地移動(dòng)網(wǎng)絡(luò) (FPLMN) 所要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。地面和衛(wèi)星通信系統(tǒng)都應(yīng)支持這些目標(biāo)。受制于更多商業(yè)和成本原因，這個(gè)最早的設(shè)想在當(dāng)時(shí)的衛(wèi)星通信系統(tǒng)中并未成為現(xiàn)實(shí)。而二十多年后的今天，伴隨著航空航天領(lǐng)域的發(fā)展，無線技術(shù)的演進(jìn)使5G系統(tǒng)更具靈活性。發(fā)射低軌道火箭和衛(wèi)星星座并非不可逾越的技術(shù)挑戰(zhàn)，在許多應(yīng)用中已成為現(xiàn)實(shí)。商用和專用衛(wèi)星系統(tǒng)持續(xù)部署，并向相應(yīng)生態(tài)系統(tǒng)提供商業(yè)服務(wù)。當(dāng)3GPP Rel-17正式考慮將非地面網(wǎng)絡(luò) (NTN) 納入5G系統(tǒng)時(shí)，3GPP Rel-17首次支持NTN連接，希望勾勒出長期技術(shù)演進(jìn)和大范圍普及NTN用例的框架。

圖2 IMT2000中關(guān)于衛(wèi)星通信的設(shè)想

截止2023年底當(dāng)前在軌運(yùn)行的9691顆衛(wèi)星中，地球同步軌道衛(wèi)星有625顆，主要為通信衛(wèi)星。而Starlink僅在2023年就發(fā)射了1961顆。

首先是地球同步軌道衛(wèi)星的演進(jìn)，固定的地球同步通信衛(wèi)星正在由C/Ku頻段大波束向Ka等高頻段多點(diǎn)波束、高吞吐量等方向加速演進(jìn)。前者是大波束廣域覆蓋，后者傾向于大量點(diǎn)波束廣域覆蓋，有更大的容量，更高的終端傳輸速率。

在移動(dòng)通信衛(wèi)星領(lǐng)域，使用移動(dòng)通信頻段，受益于地面終端和衛(wèi)星天線能力的提升，以及3GPP NTN標(biāo)準(zhǔn)的推動(dòng)，從僅支持傳統(tǒng)衛(wèi)星電話向兼容地面手機(jī)直連、構(gòu)建天地一體化發(fā)展。

衛(wèi)星電視、衛(wèi)星直播、衛(wèi)星廣播是地球同步靜止衛(wèi)星中的重要業(yè)務(wù)，用于地球站向多個(gè)用戶提供單向傳輸業(yè)務(wù)。受益于星上數(shù)字載荷技術(shù)的發(fā)展，廣播衛(wèi)星和通信衛(wèi)星由廣播/通信星上分離向廣播通信一體化衛(wèi)星方向發(fā)展。

數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星頁是通信衛(wèi)星的一個(gè)重要領(lǐng)域。目前星間鏈路使用星間通信頻段，甚至使用激光通信，科研為中低軌航天器和地球站提供通信服務(wù)。利用商業(yè)衛(wèi)星提供低成本數(shù)據(jù)中繼服務(wù)將成為新探索，隨著星上處理能力的提升，預(yù)計(jì)中繼衛(wèi)星和通信衛(wèi)星的能力邊界將日益模擬。

總的來說，通信衛(wèi)星的發(fā)展經(jīng)歷了由地球同靜止衛(wèi)星朝低軌發(fā)展的加速趨勢(shì)，多國提供低軌星座發(fā)展計(jì)劃。目前全球近萬顆在軌衛(wèi)星，91.5%都是低軌衛(wèi)星。如下是全球低軌衛(wèi)星在軌高度及數(shù)量分布圖（截止2024年5月），其中580km以上大約60%,580km以下大約40%。

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