【重磅】低轨通信星座发展的思考

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目前，我国多个单位已经提出了低轨星座计划，包括“鸿雁”星座、“虹云”工程等。本文针对我国低轨通信星座发展，从频率、应用定位以及系统实用性等方面探讨了总体设计应关注的问题；提出了以移动通信为主、多功能综合、兼顾宽带通信、规模逐步扩展的低轨星座发展建议，并给出了空间组网、全球服务、频谱感知、频率共用、宽窄结合、协同应用的总体设计思路。

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低轨通信星座设计需关注的问题

频率问题

频率轨道资源是低轨通信星座发展不可或缺的战略资源。从目前来看，我国提出的低轨通信星座计划，频率资源问题是后续系统建设与应用面临的最大瓶颈，无论是支持卫星移动通信的L、S 频段，还是支持宽带互联网接入的Ku、Ka频段。从目前频率划分形势来看，对于发展我国的低轨星座，一是在ITU 规则下，通过先进技术（如频谱感知、更高频段技术等）、双边合作等手段推进频率国际协调；二是研究ITU 规则，与时俱进提出规则修改建议和提案，为我们及后来者留出一定的发展空间。

应用定位问题

从目前国外典型低轨星座发展来看，应用定位基本可以分为2 种。一种类型是面向大众服务的星座。一般采用常态化无缝覆盖设计思路，卫星波束设计一般为固定指向，典型如Iridium、OneWeb 星座，均支持全球无缝覆盖。另一种类型是面向部分高端用户服务的星座。其特点是用户数量有限，单用户对传输能力要求较高，服务的用户群主要以高端和高价值目标为主。该类型星座一般采用全球可达的、高频段可移动点波束的设计思路，如LEOSat 系统。

从国外典型系统来看，面向不同的应用定位，星座总体设计思路不同；即使应用定位类似，但由于频段的不同，系统实现的差别也非常大。对于我国低轨星座设计，首先应明确应用定位，其次还需要综合考虑技术路线在技术风险、经济性等对工程实现的影响。

系统实用性问题

低轨通信星座，特别是宽带互联网低轨星座的系统设计，需要考虑系统运行后能不能提供稳定服务、如何大规模应用等问题。

对于Ku、Ka 等高频段低轨互联网星座，目前申报资料中的卫星数量大都在几百颗、上千颗，一方面是提高面向用户的常态化无缝覆盖能力，另外也有利于实现频率干扰的协调和规避。

▲ 与GSO 卫星共线干扰规避的星地协同切换示意

对于Ku、Ka 等高频段低轨互联网星座，面向大众用户在应用上还需要解决2个关键技术：“动中通”和“低成本”。由于低轨卫星相对地面的高速运动，要求所有地面站都必须具备类似“动中通”的跟踪指向能力。难点在于地面站天线的体积、质量和功耗（SWaP）设计及低成本设计。

对于宽带互联网星座设计，从降低地面应用复杂度和地面站成本，一是需要关注地面电扫描天线低成本设计；二是星座卫星数量应尽可能多，降低地面站切换卫星时的角度变化范围，有利于天线小型化和低成本设计。

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低轨通信星座总体设计的几点思路

应用定位考虑

发展低轨通信星座首先要解决通信全球无缝覆盖、全球服务的问题。当前，我国GEO 通信卫星轨位主要位于国土可见范围，即使在70°（S）～ 70°（N）范围也不能实现全覆盖或可达覆盖，南北极覆盖更是空白。

在支持业务方面，应分阶段发展，逐步提升能力。第一阶段应以移动通信和物联网数据采集服务为主，低轨通信星座的显著特点或优势就是轨道低，空间传输损耗小，有利于地面终端小型化、低功耗设计，是面向个人卫星移动通信和小目标类卫星物联网数据传输的最佳手段。同时，基于低轨通信星座无缝覆盖和全球通联的优势，通过搭载ADS-B、AIS、导航增强等载荷，提供多功能综合信息服务能力。

第一阶段的研制建设应兼顾宽带通信业务，但应定位于弥补GEO 卫星通信的覆盖空白和提供能力增强为主，面向高价值或高端用户提供按需实时服务，而不是一开始就力推面向大众服务的互联网星座，形成与国内外GEO-HTS 系统、类似OneWeb 系统的国外LEO-HTS 系统市场竞争的局面，提高系统研制建设和运营的风险。

总体设计思路

（1）空间组网，全球服务

基于星间链路、星上处理交换的空间组网是实现全球无缝服务能力的唯一途径，同时还可以解决境外部署关口站的难题。全球覆盖并不等于全球服务，如Globalstar、OneWeb 卫星均采用星上透明转发，需要依托关口站实现服务，服务区域受限于关口站部署。

为支持空间组网，我国低轨星座的构型设计采用具有良好覆盖特性、星间拓扑结构相对稳定的近极轨道。在星间链路以及星上处理能力设计上，除移动业务外，还需要考虑宽带业务的跨星传输与交换，如采用60GHz 毫米波或激光星间链路，提升星间链路能力。

（2）频谱感知，频率共用

针对可用频率资源稀缺、协调困难的现状，设计上考虑采用基于频谱感知信号检测技术，实现与其他卫星网络的无干扰/ 低干扰共存。基于频谱感知，选择空闲载波进行业务传输，从而达到低轨卫星移动通信星座与已有的GEO 卫星移动通信网络的同频段共存。另外，利用ITU“落地功率谱小于噪声功率谱6%”规则，采用宽带扩频的方式，构建可靠的、全球覆盖的控制信令传输网，为基于频谱感知的干扰规避提供控制信令传输。重点突破星载实时频谱分析处理、星地一体资源动态实时分配等技术，在实现干扰规避的情况下，为用户提供不间断服务。

（3）宽窄综合，协同应用

根据目前我国相关单位提交的NGSO 申报资料，移动通信以L 频段为主、宽带通信以Ka 频段为主。基于L 频段多波束设计，移动通信可以实现全球无缝覆盖。Ka 频段波束窄，在卫星数量不是足够多、单颗卫星能力受限的情况下，难以实现全球无缝覆盖，为满足高价值或高端用户全球服务，系统需要采用可调点波束，按需提供实时服务。结合L 频段波束全球无缝覆盖的特点，设计面向全球覆盖的信令传输网络，按照地面终端业务需求和申请，为其提供按需的Ka 频段点波束宽带数据传输服务。

（4）软件定义，功能重构

对于低轨星座卫星载荷在设计上需要考虑支持在轨软件定义和功能重构，在卫星寿命周期内，实现星上通信资源的高效按需调度和配置，能够针对不断变化的应用需求，及时做出调整。具体设计上主要包括波束覆盖灵活性、频率带宽配置和分配、功率分配、星载灵活交换以及空口体制的可重构等。如采用数字化阵列天线技术，针对不同区域、不同用户的业务量变化的需求，支持波束按需动态覆盖。

（5）体制融合，天地一体

在体系架构设计方面，面对未来运营和应用，采用与5G 兼容的“接入网+核心网+软件定义网络（SDN）/ 网络功能虚拟化（NFV）”设计，与地面5G 共用核心网，支持与未来地面5G 移动通信网络的融合。在空口波形设计上，借鉴5G 成熟的波形设计，如正交频分复用（OFDM）、Polar 码等，针对低轨星座多普勒频移大、传输时延长等特点进行适应性改进，其中包括随机接入、闭环功控和混合自动重传等，降低研发成本。

来源：《国际太空》2018年第11期

作者：肖永伟 孙晨华 赵伟松

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