目前，人類在先進衛(wèi)星發(fā)射和制造技術(shù)方面取得了重大突破，低軌衛(wèi)星（LEO）巨型通信網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為學(xué)界和業(yè)界的研究熱點。非地面網(wǎng)絡(luò)（NTN）被廣泛認(rèn)為是6G網(wǎng)絡(luò)的組成部分。

業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)與無線AI，將是6G網(wǎng)絡(luò)的顯著特征。

國際上，以Starlink、OneWeb為代表的衛(wèi)星星座建設(shè)取得了巨大的進展，并逐漸應(yīng)用到多個國家和地區(qū)。

中、美、歐、俄四大航天大國競爭日益激烈，顯然壓力已經(jīng)給到了我們這一邊。正如國內(nèi)某大型航天科技集團所言：“對標(biāo)SpaceX，集團公司在發(fā)展理念上、科研生產(chǎn)模式上、關(guān)鍵核心技術(shù)上、質(zhì)量效率效益上存在明顯差距和不足，整體上大而不強、大而不優(yōu)，這與我們在航天領(lǐng)域率先實現(xiàn)強國目標(biāo)還相去甚遠(yuǎn)，每個航天人對此要懷有深深的危機感，堅決克服驕傲自滿的情緒，堅決摒棄盲目自大的心態(tài)，永不自滿、永不自大。”

網(wǎng)友不解：十幾萬人干不過幾千人，國家隊需要反思，社會也需要反思，正視差距，取長補短。

回到正文，本文先介紹典型的衛(wèi)星系統(tǒng)架構(gòu)，然后簡單介紹國內(nèi)外星座建設(shè)情況。

一、典型衛(wèi)星系統(tǒng)架構(gòu)

本文對典型的衛(wèi)星系統(tǒng)架構(gòu)進行介紹，里面涉及的調(diào)制解調(diào)、數(shù)字變頻、天線收發(fā)等具體技術(shù)方案不在本文的討論之內(nèi)。

典型的衛(wèi)星通信系統(tǒng)架構(gòu)方案如圖所示。它包括地面段、空間段和控制段。

運行的衛(wèi)星接收地面站發(fā)射的無線電波，這叫做上行鏈路（Uplink）。衛(wèi)星接收到的信號經(jīng)過處理，轉(zhuǎn)換成另一種無線電頻率，并進行放大。接著，這些信號被進一步傳送到接收地面站。這被稱為下行鏈路(Downlink)。上行鏈路和下行鏈路基于射頻調(diào)制載波的原理。載波由基帶信號調(diào)制，包括模擬或數(shù)字信號，為通信或其他目的傳送信息。

圖?典型衛(wèi)星通信系統(tǒng)架構(gòu)

空間段包括一個或幾個組成星座的活動衛(wèi)星和備用衛(wèi)星。衛(wèi)星是繞地球軌道運行的人造物體，作為“飛行”收發(fā)器，用于通信或科學(xué)目的。每顆衛(wèi)星由有效載荷和平臺(總線)組成。有效載荷包括接收和發(fā)射天線以及支持無線電載波接收和傳輸?shù)乃须娮釉O(shè)備。衛(wèi)星的有效載荷有兩個主要功能:

放大接收到的載波以便重傳到下行鏈路。地面站與衛(wèi)星之間距離大，導(dǎo)致衛(wèi)星接收機輸入端的載波功率過低。因此，功率必須被放大，以便向衛(wèi)星覆蓋區(qū)域內(nèi)的地面用戶提供衛(wèi)星的發(fā)射天線。

頻率轉(zhuǎn)換。需要進行頻率轉(zhuǎn)換，以增加接收輸入和發(fā)送輸出之間的隔離(避免重新注入接收器)。圖給出了透明轉(zhuǎn)發(fā)衛(wèi)星有效載荷，明確了上行/下行隔離。

圖 透明轉(zhuǎn)發(fā)負(fù)載

透明轉(zhuǎn)發(fā)有效載荷屬于單天線波束衛(wèi)星，其中每個發(fā)射和接收天線只產(chǎn)生一個波束。圖顯示載波經(jīng)過功率放大，頻率下變頻。與每個子波段相關(guān)聯(lián)的放大鏈稱為衛(wèi)星信道或應(yīng)答器。帶寬分割是使用一組濾波器實現(xiàn)的。再生有效載荷(多波束)天線將有許多輸入/輸出作為上行波束/下行波束。從一個上行波束到一個給定的下行波束的載波路由意味著在無線電頻率上的板上切換。用于科學(xué)目的的低軌道衛(wèi)星通常使用單波束天線。

衛(wèi)星平臺由允許有效載荷運行的子系統(tǒng)組成。這些分系統(tǒng)分別是:結(jié)構(gòu)分系統(tǒng)、電源分系統(tǒng)、溫度控制分系統(tǒng)、高度控制分系統(tǒng)和通信分系統(tǒng)(見圖)。

該結(jié)構(gòu)提供了必要的機械支撐。供電子系統(tǒng)提供必要的直流電源。高度控制分系統(tǒng)穩(wěn)定衛(wèi)星并控制其軌道。溫度控制系統(tǒng)將各個子系統(tǒng)的溫度保持在可容忍的范圍內(nèi)。所有這些功能均由板載計算機子系統(tǒng)控制。

原則上，一些任務(wù)僅靠一顆衛(wèi)星就可以實現(xiàn)，但為了服務(wù)的實時連續(xù)性和大范圍或全地球覆蓋，必須將空間段組織為單層或多層星座。單層網(wǎng)絡(luò)僅在相同高度的衛(wèi)星之間提供相互通信，而多層網(wǎng)絡(luò)使不同軌道的衛(wèi)星之間能夠通信。多層網(wǎng)絡(luò)更復(fù)雜，但更可取。

圖?衛(wèi)星平臺方案

與衛(wèi)星-地面綜合通信網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的現(xiàn)役衛(wèi)星項目包括擁有66顆衛(wèi)星的銥星星座、擁有648顆衛(wèi)星的OneWeb星座；亞馬遜已經(jīng)申請在其柯伊伯星座發(fā)射3236顆航天器，以及Telesat，倡議擁有117顆航天器星座。顯示了OneWeb現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的一部分，顯示了其縱向軌道平面。

在我們看來，最震撼的活動是由SpaceX公司進行的，其Starlink星座計劃由4萬顆小型LEO衛(wèi)星組成，分為三層部署，致力于最大限度地向全球覆蓋寬帶互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，并與地面站(收發(fā)器)相結(jié)合，組成一個衛(wèi)星-地面綜合網(wǎng)絡(luò)，提供實時全球?qū)拵Х?wù)，給出了550公里高度的Starlink單層星座。

地面站是在地面上配備適當(dāng)設(shè)備用于與衛(wèi)星通信。地面站的功能是以最可靠的方式從衛(wèi)星接收或發(fā)送信息，同時在目的地保持所需的信號質(zhì)量。科學(xué)任務(wù)原則上只需要一個地面站就可以完成。建立更多地面站的原因是為了增加每個觀測對象或區(qū)域的覆蓋范圍和測量數(shù)量，并實際提高數(shù)據(jù)下載能力。衛(wèi)星與地面站之間的通信是在衛(wèi)星合并在自己的軌道上時建立的，并且從地面站可以看到它。

地面部分由所有地面站組成。這些臺站通常通過地面網(wǎng)絡(luò)與最終用戶設(shè)備相連。站點根據(jù)其大小來區(qū)分，大小根據(jù)要傳輸?shù)耐ㄐ帕亢屯ㄐ帕康念愋?語音、視頻或數(shù)據(jù))而變化。地面站經(jīng)歷了巨大的縮小。最大的地面站通常配備直徑30米的天線(國際通信衛(wèi)星組織網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)A)。最小的地面站通常有0.6米的天線(衛(wèi)星電視天線)。有些電臺既發(fā)射又接收，有些電臺只是接收(RCVO)電臺。

地面站的總體結(jié)構(gòu)由天線分系統(tǒng)及其相關(guān)的跟蹤系統(tǒng)、發(fā)射和接收設(shè)備、監(jiān)測系統(tǒng)和正常電源組成。圖為地面站接收和發(fā)射支路的典型結(jié)構(gòu)。這是一個單天線系統(tǒng)，上行鏈路和下行鏈路分離是通過雙工器實現(xiàn)的。

圖?典型衛(wèi)星地面站的結(jié)構(gòu)

控制部分包括用于控制和監(jiān)測衛(wèi)星的所有地面設(shè)施。這就是所謂的跟蹤、遙測和指揮(TT&C)。

二、國內(nèi)外衛(wèi)星星座建設(shè)情況

目前來說，國外有兩個主要星座：（1）OneWeb，2020年前后向全球?qū)で筚Y金發(fā)展，當(dāng)前有600多顆衛(wèi)星升空；（2）Starlink，2018年左右星鏈發(fā)射了兩顆試驗衛(wèi)星。一期工程為100萬個終端客戶服務(wù)。星鏈2代在1代的基礎(chǔ)上，衛(wèi)星重量由200公斤提升到1噸、衛(wèi)星天線也會加強，介時，手機不做任何改動可以直接連接到衛(wèi)星并接入互聯(lián)網(wǎng)。

下一代LEO巨型星座示例

截至2023年12月12日，Starlink共有5479顆在軌，其中4786顆衛(wèi)星處于正常工作狀態(tài)。

隨著我國衛(wèi)星發(fā)射需求的增加，以固定的衛(wèi)星發(fā)射中心和海上發(fā)射平臺相結(jié)合的方式，將衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)試驗星陸續(xù)發(fā)射進入軌道。

根據(jù)最近業(yè)內(nèi)某次商業(yè)航天活動上的PPT顯示，我國正在加速推動大型星座建設(shè)，以GW星網(wǎng)、G60、銀河航天等為代表的星座正在緊鑼密鼓的研發(fā)和試驗。其中，GW星網(wǎng)和G60星座的衛(wèi)星數(shù)量將達到1萬顆以上。

我國的LEO衛(wèi)星星座應(yīng)用類型將主要聚集在通信、遙感、數(shù)據(jù)采集和導(dǎo)航增強等方面，軌道運行在500km~1200km高度左右、衛(wèi)星的重量根據(jù)載荷功能的不同，在10kg~600kg之間。

除上圖顯示的星座之外，實際上還有虹云、鴻雁、翔云等衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座。

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)發(fā)主要應(yīng)用場景主要有：

偏遠(yuǎn)地區(qū)：衛(wèi)星電話、互聯(lián)網(wǎng)電視、衛(wèi)星寬帶

海洋作業(yè)及科考：衛(wèi)星定位、海事衛(wèi)星電話

航空：機載WIFI等

應(yīng)急通信：應(yīng)急呼叫、數(shù)據(jù)保護恢復(fù)和災(zāi)備等

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)組成，可以用下圖描述。

圖 衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)組成（圖源自華金證券）

圖 衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)與應(yīng)用場景（圖源自華金證券）

雖然參與衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的企業(yè)和科研院所較多，大大小小出現(xiàn)了10幾個星座建設(shè)計劃。但需要指出的是，PPT與建成投入運行之間存在太多不確定性，如何與地面網(wǎng)絡(luò)形成融合互補，在建設(shè)成本與收益之間取得戰(zhàn)略平衡，為國民經(jīng)濟發(fā)展和社會發(fā)展注入新活力，依然值得業(yè)界思考。

回看5G建設(shè)的狀態(tài)，商業(yè)生態(tài)與市場應(yīng)用，將決定相關(guān)企業(yè)的營收和發(fā)展前景。

對于從事移動通信、衛(wèi)星通信等領(lǐng)域的FPGA、ASIC、信號處理算法等工程師而言，可進一步深入研究基站、終端、多波束天線系統(tǒng)等設(shè)備研制技術(shù)，把握新一輪新科技發(fā)展機遇期。

特別是LMS算法、RLS算法、LCMV算法、MVDR算法、高速基帶芯片、SAR圖像處理、RF芯片、毫米波有源相控陣天線、無線AI、通感融合、RNSS授時、慣導(dǎo)、5G NTN、多址等技術(shù)。

審核編輯：黃飛

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