1.4 低轨道卫星移动通信系统及特点

低轨道卫星移动通信系统经历了从20世纪90年代末到21世纪初的发展低谷，近年来，物联网、移动互联网的发展，为低轨道卫星移动通信系统注入了新的活力，使之迎来一个崭新的发展高潮[13]。以L、S、VHF等低频段为主的铱系统、全球星系统、轨道通信系统等传统的三大低轨道卫星移动通信系统已经完成升级换代，并向多功能综合、物联网方向发展。以Ku、Ka频段甚至更高频段的新兴互联网星座计划呈现爆发式增长，如美国一网（One Web）公司的One Web系统、美国太空探索技术（Space X）公司的星链（Star Link）系统、美国低轨卫星（Leo Sat）公司的Leo Sat系统、加拿大电信卫星（Tele Sat）公司的Tele Sat系统计划，弥补了低频段移动通信星座宽带支持能力的不足。2014年12月至2015年4月，国内外相关单位向国际电信联盟（International Telecommunication Union，ITU）递交的非地球同步轨道星座申报资料就超过了10份，涉及卫星数量达数万颗。

根据应用方向和支持的业务，与静止轨道卫星移动通信系统划分方式一样，低轨道卫星移动通信系统也可以划分为移动和宽带两个方向，如图1-10所示，分别为移动通信星座和宽带互联网星座。移动通信星座，如Iridrum、Globalstar，采用L、S 低频段工作，以中低速率业务为主，支持面向手持移动通信和低功耗小型化物联网服务；宽带互联网星座，又称为低轨高通量卫星（High Throughput Satellite，HTS）星座，如One Web、Space X等公司的星座，采用Ku、Ka等高频段工作，卫星数量多，以中高速业务为主（几十Mbit/s到Gbit/s量级），支持互联网接入、网络节点互联以及基站回程等服务。

1.4.1 基于移动通信星座的低轨道卫星移动通信系统

（1）Iridium系统[14]

到目前为止，在移动通信领域，Iridium系统设计依然是其他系统无法超越的，如基于星间链路和星载路由交换的空间组网、真正全球无缝覆盖和服务、不依赖地面关口站的端到端通信等。2015年启动了“下一代铱星”（Iridium NEXT）部署，延续了第一代Iridium系统的星座构型设计和用频设计。66颗卫星分布在6个近极轨道面上，每个轨道面上均匀分布11颗卫星，系统采用L和Ka频段。该部署依然采用空间组网技术，具备全球无缝覆盖，全球无缝服务的能力。在提供业务种类方面，从原来较为单一的话音和低速数据业务，扩展到移动通信、宽带通信、航空监视（广播式自动相关监视（Automatic Dependent Surveillance-Broadcast，ADS-B））、导航增强、机器对机器（Machine to Machine，M2M）以及低分辨率对地观测等，具备多功能综合服务能力。业务支持能力方面，提升了原有业务的速率；增加了L频段高速业务，速率可达512 kbit/s～1.5 Mbit/s；面向便携和移动载体，提供Ka频段宽带通信能力，速率可达8 Mbit/s。

（2）Globalstar系统[15]

Globalstar系统应用定位与Iridium系统有所区别，定位于地面移动通信系统的延伸。Globalstar星座构型为“玫瑰”（Walker）星座，高度1 400 km，覆盖范围为70°（S）～ 70°（N）。Globalstar卫星采用星上透明转发模式工作，系统设计相对简单。由于没有星间链路和星上处理，每颗卫星对外提供服务均需要关口站的支持。受限于关口站部署，Globalstar 系统不能实现与覆盖相匹配的业务服务能力。Globalstar系统全球部署24个关口站，服务能力仅限于陆地和沿海地区。2013年完成Globalstar二代24颗卫星的部署。在提供业务种类方面，从原来提供较为单一的移动话音和低速数据等通信业务，扩展支持“自动识别系统”（Automatic Identification System，AIS）、ADS-B以及M2M等，具备多功能综合服务的能力。Globalstar二代系统注重与地面业务融合发展，提供基于卫星的Wi-Fi（Sat-Fi）服务。

（3）Orbcomm系统[16]

Orbcomm是一个低速数据传输系统，定位于物联网服务，是唯一一个专用于M2M的低轨星座。用户链路工作在VHF频段，星上采用存储转发模式工作，没有星间链路。Orbcomm星座部署3种类型轨道：倾斜圆轨道、赤道圆轨道和近极轨道，尽可能实现全球覆盖。目前，Orbcomm一代与二代卫星同时在轨，依托地面部署的16个关口站对外提供服务。Orbcomm二代单星质量达到170 kg，在传输能力和处理容量方面有了明显提升。Orbcomm二代卫星还搭载了AIS载荷，是目前世界较大的天基AIS网络服务供应商，每天处理来自大约15万艘船只超过1 800万条的AIS消息。

基于移动通信星座的低轨道卫星移动通信系统参数见表1-3。

1.4.2 基于宽带通信星座的低轨道卫星移动通信系统

（1）One Web系统[17-18]

One Web是由格雷格·维勒（Greg Wyler）于2012年创建的，旨在利用大规模低轨卫星提供全球宽带通信服务。One Web的目标是使每个人都能够使用互联网接入，支持面向用户的互联网直接接入、热点接入（Wi-Fi/3G/4G）等。One Web星座构型为近极轨道，有18个轨道面，轨道高度为1 200 km，每个轨道面部署40颗卫星，共计720颗卫星，支持全球覆盖。One Web卫星面向用户接入，采用Ku频段，每颗卫星配置16个固定Ku点波束，星上为透明转发模式工作。与静止轨道高通量卫星（GEO-HTS）的“点波束、频率复用、透明转发”设计理念类似，单星容量大， 150 kg小卫星可以提供超过5 Gbit/s的容量，面向小口径终端（0.36 m×0.16 m），可以提供50 Mbit/s的互联网接入。由于One Web系统没有星间链路和星上处理能力，服务区域受限于关口站部署。One Web系统计划全球部署70余个关口站，但对于大部分海洋区和部分偏远山区，存在关口站部署困难的问题，依然存在服务盲区。目前，One Web系统已经发射了74颗卫星。

（2）Star Link系统[19-20]

SpaceX公司低轨互联网星座项目最早于2015年提出，旨在利用大规模低轨卫星提供全球高速宽带接入服务。2016年11月，SpaceX公司正式向FCC提交在美国运营Ka频段低轨互联网通信系统的申请，文件显示该系统名为“SpaceX 非静止轨道卫星系统”（SpaceX NGSO Satellite System），共包括4 425颗卫星，分为32个轨道面，轨道倾角为53°，每个轨道面有50颗卫星，轨道高度为1 150 km。2017年3月，SpaceX公司再次向 FCC 提交 V 频段低轨星座运营申请，并命名为“SpaceX V频段非静止轨道卫星系统”，该星座由7 518颗卫星构成，分为24个轨道面，轨道倾角为53°，每个轨道面有66颗卫星，轨道高度为550 km。2017年8月，SpaceX公司向美国专利局提交商标注册申请，将其两大星座计划正式统一命名为“Star Link”。截至2020年10月19日，Star Link系统已经发射了800多颗卫星。

（3）Leo Sat系统[21]

Leo Sat公司的低轨通信星座计划部署108颗卫星，分布在1 400 km的LEO上，星座采用了6个轨道面，每个轨道面上部署18颗卫星。星座采用星间激光链路、星上处理交换技术，提供Ka频段大容量宽带数据传输服务，具有按需全球可达、低时延、点对点大容量的特点。Leo Sat系统服务与O3b系统类似，将自身视为卫星固定运营商的容量补充，只为大型企业和机构用户提供高速数据接入，未来计划为3 000家大型企业和机构用户提供数据传输服务。在单星设计方面，Leo Sat系统将会使用高功率卫星平台，通过提高单星能力的方式减少卫星数量。每颗Leo Sat卫星配置4个星间链路，包括同轨道星间链路和异轨道星间链路。每颗Leo Sat卫星配置12个Ka频段跟踪点波束、10个用户链路波束（每个波束可支持1.6 Gbit/s点对点连接）、2个馈电链路波束（支持面向用户互联，支持高达10 Gbit/s的星地传输）。

（4）Tele Sat系统[22]

Tele Sat公司计划在太空建造宽带卫星星座，在2016年11月其向FCC提交的申请文件中，声称卫星星座至少由117颗卫星组网。卫星轨道分为两种，倾角为99.5°的极地轨道包括6个轨道平面，每个轨道平面至少使用12颗卫星，轨道高度为1 000 km；倾角为37.4°的倾斜轨道包括5个轨道平面，每个轨道平面上使用9颗卫星，轨道高度为1 248 km。截至目前，Tele Sat制造了2颗试验卫星，第1颗试验卫星由多伦多大学航空航天研究所航天飞行实验室建造，但是在2017年11月28日发射时由于俄罗斯火箭事故已经被损毁。另一颗试验卫星LEO Vantage 1由英国萨里卫星技术有限公司建造，于2018年1月12日成功发射。这颗卫星重约168 kg，星上配有高通量Ka频段有效载荷和激光星间链路发射接收设备。

基于宽带通信星座的低轨道卫星移动通信系统参数见表1-4。

1.4.3 低轨道卫星移动通信系统发展特点

从低轨道卫星移动星座发展来看，有 2个特点比较突出。

（1）小卫星多功能

“移动通信+物联网”应用成为低轨道卫星移动星座发展的共识，特别是卫星物联网业务已成为低轨道卫星移动星座新的经济增长点。单纯的移动通信业务很难支撑低轨道卫星移动星座的可持续发展，如Iridium NEXT、Globalstar二代均支持ADS-B、M2M业务，Orbcomm本身就定位于M2M业务，Globalstar二代还增加了AIS等。Orbcomm 在近几年则出现了快速增长，保持每年近10%的收入增速。

（2）小卫星大容量

宽带互联网接入服务的普及与推广应用，促进了低轨道卫星移动星座的发展。随着卫星通信技术和卫星平台能力的提升，为降低系统费效比，小卫星大容量成为低轨道卫星移动星座发展的显著特征。如One Web系统的卫星质量约150 kg，单星容量可达5 Gbit/s；Leo Sat系统的卫星质量约800 kg，单星容量可达 10 Gbit/s，而且支持激光星间链路和星上处理交换。