低轨宽带通信卫星系统定义、工作原理及发展趋势分析 - 低轨宽带通信卫星系统定义 低轨宽带通信卫星系统由大量（通常是数百或数千颗）低轨小型通信卫星组成系统/星座通常使用Ku、Ka、Q/V等高频段进行宽带通信。 一些低轨宽信道通信卫星系统包括少量中高轨卫星，这些卫星大多充当节点/过境卫星。 大部分通信数据链路仍是在低轨卫星与地面之间完成。 由于地球曲率的影响，高轨卫星可以用较少的数量实现全球覆盖，而低轨卫星则需要数百甚至数千颗卫星组成星座才能实现全球覆盖，即“站”高，看得远。” 在卫星制造和发射成本居高不下的时代，低轨道卫星系统由于复杂的网络和所需的大量发射而在经济上不可行。 近年来卫星电话原理，随着技术的进步，卫星的尺寸、质量和成本逐渐下降，可靠性和集成度不断提高。 同时，随着火箭发射成本大幅下降，低轨小卫星系统大规模部署的条件逐渐具备。 根据通信卫星运行的轨道不同，卫星通信（系统）可分为： 低轨道（LEO）卫星通信：LEO卫星较小，运行在距地面500-2000km的轨道上，存在传输延迟（星链）双向通信时间延迟为50-70ms)，覆盖范围小，链路损耗小，功耗低等特点。 典型的系统是美国铱星通信公司（IRDM）的第二代铱星卫星系统。
中轨（MEO）卫星通信：MEO卫星在距地面2000-20000公里的轨道上运行。 它们的传输时延（MEO卫星系统O3b双向通信时延约为300ms）、覆盖范围、链路损耗、功耗均大于LEO但小于GEO。 典型的系统是英国Inmarsat公司的国际海事卫星系统。 高轨道 (GEO) 同步卫星通信：GEO 卫星在距地面 35,800 公里的地球静止轨道上运行。 传统GEO通信系统技术最为成熟，但由于传播时延长（双向通信时延超过500ms）、链路损耗大，导致实时通信存在明显时延。 星链Ku频段波束覆盖图 来源：中国知网 低轨小卫星一般是指运行在距地面500-2000公里轨道、重量小于1000公斤的现代卫星。 它们具有通信、导航、遥感等一项或多项功能。 虽然小卫星在运行功率、有效载荷、在轨功能等方面均弱于大卫星，但在低轨通信卫星系统中，小卫星功率较低更节能（低轨道距离地面更近，并且信号传输需要较少的能量（需要相对较少的功率），其有限的功能可以通过大量的卫星来补偿。 此外，小卫星相比较大卫星具有成本低、研制周期短、发射灵活等特点，因此低轨通信系统往往以小卫星为主。 低轨宽带通信卫星系统的优点 1）轻量化、小型化：与传统通信卫星系统中数吨重的卫星相比，低轨通信卫星系统中使用的小卫星的重量通常小于1吨。
轻质复合材料技术及集成应用是轻量化小卫星发展的重要前提。 卫星重量的减轻进一步增加了单次发射可携带的卫星数量，从而降低了平均发射成本。 2）制造成本低：传统大型卫星的研制周期一般需要5年左右，且项目投资大，发射成本高，项目风险高。 小卫星的研制周期一般在2年左右，研制成本大大降低。 此外，低轨通信卫星系统所需的大量卫星预计将大大降低卫星制造的边际成本。 3）发射灵活：小卫星可以作为大卫星的附件一起发射，也可以在同一枚火箭上一起发射数十甚至数百颗微小卫星。 运载工具和运载火箭包括火箭、导弹、航天器等。发射地点可以是地面、大气层或太空平台。 4）冗余组网：小型卫星网络快速部署能力强，抗毁能力强。 利用大量小卫星形成冗余备份，当一颗卫星发生故障或被摧毁时，附近的卫星可以迅速接管。 虽然单颗小卫星的功能有限，但组成卫星系统或多颗小卫星组成网络部署则具有空间扩展的优势。 5）方便的信号接收：地球同步轨道（高轨道）卫星对用户终端接收机的性能要求较高，需要12米以上的卫星天线（L波段）与卫星对准，以保证通信速度，同时手持式接收机机器很难通过卫星直接进行高速通信。 低轨通信卫星对用户终端要求较低，可采用微小型手持用户终端。 例如，星链系统可以使用6-9英寸便携式地面设备（带有支撑杆的圆盘结构，配备自动跟踪卫星的相控阵天线，插入插座并保持在露天时即可工作）来实现高- 通信速度快，轨道较高的卫星接收信号更方便。
6）低时延：传统卫星通信系统大多采用中轨或高轨卫星，以减少部署的卫星数量。 但中轨和高轨卫星距离地面较远，导致双向通信时延分别为300ms和500ms； 而低轨卫星双向通信时延约为50ms，具有天然的时延优势。 小卫星与大型卫星相比的优缺点 资料来源：CNKI - 低地宽带通信卫星系统工作原理 低轨通信卫星系统的工作原理与传统通信卫星系统类似：以个人通信为例，卫星通信系统在地球表面形成蜂窝服务区卫星电话原理，服务区内的用户被至少一颗卫星覆盖。 在处理语音、数据等各种信息的同时，相应的卫星与陆地无线移动通信网络协调，使用户可以使用其持有的便携式移动终端。 信号直接发送到最近的卫星，然后在卫星之间转发，将信号传输到地面电话网络中的接收用户，从而完成全球范围内的个人通信。 虽然每颗低轨卫星能够覆盖的面积比同步卫星小得多，但由于其靠近地球表面，其信号强度、可用频率、数据带宽等都比同步卫星强得多。 典型卫星通信系统示意图 资料来源：《中国卫星通信产业发展白皮书》 根据应用方向和支持的业务，低轨通信卫星系统可分为移动式和宽带式两类。 其中，低轨移动通信卫星系统工作在L、S低频段，聚焦中低带宽业务，支持手持移动通信和低功耗小型化物联网业务，如铱星（Iridium）卫星系统）和Globalstar（全球星系统））； 低轨宽带通信卫星系统也称为低轨高通量卫星系统。 它工作在 Ku、Ka 和 Q/V 等高频段。 拥有大量卫星，主打中高速业务（数十兆每秒到千兆每秒），支持互联网接入、网络节点互联、基站回传等业务，如OneWeb计划、星链计划等
另外，低带宽移动通信星座接收机比较简单，可以是手持设备、船载/车载站、综合终端等。低轨宽带通信卫星一般不能直接与用户终端通信，需要地面设备来中继信号，比如星链计划使用6-9英寸尺寸的地面设备来中继信号，但对于更高轨道的通信卫星系统接收信号来说，还是更方便。 ——低轨通信卫星系统发展趋势：高频、高通量是未来主流发展方向。 20世纪90年代以来，低轨宽带通信卫星系统开始受到各国的广泛关注。 但由于启动成本和建设成本较高，推广缓慢。 近年来，随着卫星的小型化、轻量化、低轨发射成本的大幅降低以及物联网和移动互联网的发展，低轨通信星座迎来了新的发展高潮。 主要针对L、S、VHF等低频频段的传统低轨移动通信星座如Iridrum、Globalstar、Orbcomm系统等已完成升级，正在向高频、高速、高频方向发展。多功能综合及物联网开发； Ku、Ka甚至Q/V等更高频段的宽带互联网星座计划呈现爆发式增长，如OneWeb、SpaceX、低轨道卫星公司（LEOSat）、加拿大电信卫星公司（TeleSat）相关计划。 高频、高速已成为未来低轨通信卫星的主流发展方向。 2009-2018年全球在轨通信卫星数量/颗（按轨道） 来源：USC 国外低轨通信星座发展历程 来源：《低轨通信星座发展思考》 注：SpaceX“星链”计划于文章发表时获批卫星数量为4,425颗，剩余7,518颗卫星于2018年11月16日获得FCC批准。-全文结束-
