科普 | 低轨通信卫星和卫星互联网技术

通信卫星作为地面发射站与接收站的信号中继点，首先上链（Up-link）信号接收器接收地面信关站点传来的数据，将此信号放大移频后再经下链（Down-link）发射器传回地面另一个站点，实现远距通 信。当前发展低轨通信卫星的主要目的是建设卫星互联网。卫星互联网是一种新型通信方式，通过多次发射数百颗乃至上千颗小型卫星，在低轨组成卫星星座，并以这些卫星作为“空中基站”。典型案例为SpaceX和OneWeb等发起的太空互联网计划。

低轨通信卫星的四点优势： 

（1）由于低轨通信卫星网络的轨道高度最低，其通讯传播时延最短。低轨通信卫星网络的往返时延一般都小于 100ms，而高轨通信卫星的往返时延会达到600ms左右；

（2）由于低轨通信卫星相对较短的传播距离，使得信号的传播衰减较小，有助于将终端设备的能耗控制在一定范围内； 

（3）与传统通信卫星系统中重达几吨的卫星相比，低轨通信卫星系统中使用的小卫星重量通常在1吨以下（SpaceX的卫星在200-300kg），轻型复合材料技术以及集成化应用是小卫星轻型化的特点。卫星的重量下降使得单次发射所能搭载的卫星数量进一步提升，从而降低了平均发射成本； 

（4）相对于其他卫星通信网络，低轨通信卫星网络中单个卫星对地面的覆盖范围有限。为了实现全球范围的信号覆盖，通常需要数十颗甚至数百颗卫星。这意味着在低轨卫星轨道上，卫星数量会更多，从而存在更多硬件资源，为用户提供更好的服务。

典型的低轨通信卫星系统包括空间段、地面段和用户段三部分。

空间段由数百颗甚至更多数量的小卫星构成低轨卫星星座。SpaceX星链计划中的在轨卫星是目前商业公司中最多的，截止2022年6月17日，SpaceX已累计发射2706颗星链卫星，其中在轨2547颗。星链计划的目的是通过庞大的卫星网络为地球偏远地区提供互联网服务。巨型星座网络由于涉及卫星数量庞大，多采用不同轨道高度、不同倾角的子星座构成多层混合星座。卫星作为空间网络的接入节点，起到天基移动基站的功能。星座网络中，卫星间可建立微波或激光星间链路，实现数据包中继转发。

地面段主要实现卫星星座的管理与运营，用于完成卫星网络和地面网络的连接。地面段包括信关站、综合运控管理系统以及连接地面核心网络的基础设施。信关站起到连接卫星网络和地面网络的网关功能。数据经信关站接入地面网络，完成星地空口通信协议和网络协议转换，即可利用地面网络设施访问地面网络资源。综合运控管理系统包括网络、星座、数据、运营、数据等管理系统以及卫星测控站等，对全网进行综合 管理和监控。

用户段主要由接入网及接入终端组成，主要包括车载站、舰载站、机载终端、电脑以及手持移动终端等。用户终端可作为接入点（AP, access point）建立局域网络，将用户设备接入网络。低轨通信星座可按照应用方向和支持业务划分为移动服务和宽带服务两类： 

（1）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； 

（2）宽带互联网星座，又称为低轨高通量卫星（HTS）星座，代表企业有OneWeb、SpaceX，采用Ku、Ka等高频段工作，卫星数量多，以中高速业务为主，支持互联网接入、网络节点互联以及基站回程等服务。

根据空间网络与地面网络的关系，可将卫星网络工作模式分为天星地网、天基网络和天网地网三类。

卫星之间无星间链路连接，卫星将地面接收的用户数据直接转发至地面网络完成传输，卫星可看作地面网络的延伸。天星地网只有在用户和地面站被同一卫星覆盖时才能进行实时通信业务；因此，卫星业务能否在全球范围展开取决于在全球范围内部署信关站的能力。目前，OneWeb系统采用此架构，计划在全球部署70余个信关站，但对于远洋和偏远地区等难以部署站点的区域， 仍存在服务盲区。

用户可以直接通过卫星和星间链路实现端到端连接，而不需要地面网络设施参与。该架构摆脱了对地面设施的依赖， 具有独立性、安全性和抗毁性优势。

卫星由星间链路连接，地面信关站通过地面网络连接。根据任务需要，用户数据可经卫星转发到另一端用户，也可经单跳或多跳星间转发到信关站，再通过地面网络完成传输。天网地网模式充分利用卫星的广域覆盖优势和地面网络的容量资源优势，实现了天网地网的优势互补。此组网方式下，卫星业务在全球范围内铺开不依赖于全球布站（技术上），仅需少量信关站即可开展业务。

低轨卫星互联网的发展，在技术上主要涉及星地之间的通信技术，其中高效的传输和信号接收是关键要素；这之中涉及空间段的信号传输以及地面段的信号接收。从建设低轨卫星互联网的意义来讲，主要在于实现网络信号全球覆盖的同时，能够保持中高速网络连接。因此，发展低轨卫星互联网对于传输的实时性、稳定性和星间资源利用等方面都有更高要求。从建设低轨卫星互联网的过程来讲，其所需的卫星数目多、系统冗余大，庞大的星座规模给网络设计带来挑战，因此星座组网技术也是卫星互联网发展的关键技术。此外，所需低轨通信卫星数量之多使得卫星制造必须将成本控制在一定范围内，才能真正实现低轨卫星互联网的产业化发展，从而打破市场规模的限制。基于此，我们认为低轨卫星互联网实现规模化发展的关键技术集中在“天地”间的通信技术、星座组网技术以及卫星制造。具体如下：

低轨卫星互联网的构建必将面临海量信息的接入和传输问题，卫星与卫星、卫星与地面高速数据传输的能力，成为制约低轨互联网星座发展的一个瓶颈。星间激光通信是一种利用激光束作为载波在空间进行图像、语音和信号等信息传递的通信方式，具有传输速率高、 抗干扰能力强、系统终端体积小、质量轻和功耗低等优势。

采用激光星间链路技术的好处：

（1）可有效减少星座中某一颗卫星馈电链路失效或受到大气、降雨带来的负面影响，保证用户通信不中断，形成相对独立、稳定的通信星座系统，从而更好地满足各类用户需求；

（2）可大幅度降低卫星星座系统对地面网络的依赖，从而减少地面信关站的建设数量和建设成本，扩大覆盖区域、实现全球测控。

卫星天线用于对特定的目标或地域，发射或接收载有各种信息的信号，当需要卫星交换信息的目标是可变的时候， 往往要求天线的波束也做相应的变化。过去的机械天线采用机械扫描的方式进行波束扫描，机械扫描天线只能实现单波束移动，既不能改变波束的形状，也无法实现多移动波束模式。此外，采用机械装置还会导致可靠性下降、重量增加、波束扫描不够快等问题。近年来，卫星技术的快速发展，对天线的重量、体积、便携性、一体化设计等提出了更高的要求，尤其在低轨通信 卫星领域，对于天线的智能化和轻量化都有较高要求。相控阵天线成为克服上述困难的有效途径之一。相控阵天线通过控制各个辐射阵元的相位实现波束的电控扫描，可快速改变波束发射方向而不用改变天线孔面的物理朝向，能够实现对频谱资源的高效利用，并可与其他空间和地面的授权用户灵活使用频谱。

同时，采用功率分布式合成技术，部分模块出现故障，对天线方向图影响有限，可靠性大幅度提高。此外，相控阵天线能够同时跟踪多个目标，可以实现边跟踪边扫描，大幅提高雷达系统在复杂环境下的探测能力。在Starlink系统中，星上有效载荷、用户终端和网关站天线都采用了相控阵天线来提高其性能。

低轨卫星互联网若想用较少数量的卫星实现Ka波段用户链路波束的全球覆盖，采用传统固定的多波束覆盖方式很难 满足宽带通信需求。多波束卫星通信系统中，系统往往只能在单个波束的局限下调配可用资源，卫星资源调度“碎片化”导致各波束存在负荷过重或过度闲置的情况，造成通信资源的浪费。此外，低轨通信卫星轨道高度低，运动速度快，覆盖区域不断变化。动态变化引起的终端需求变化使得合理、高效的资源调度策略成为亟待解决的问题。近年来，跳波束（BH, beam-hopping）技术的发展为卫星资源的灵活分配和高效利用提供了解决方案。跳波束通过 控制星载多波束天线的空间指向、带宽、频点和发射功率，为用户终端动态配置通信资源，提高卫星资源在带宽和功率方面的使用效率。在资源分配上，其通过时间分片技术，并不需要所有的波束都同时工作，而是其中一部分波束按需工作，因此资源分配更加灵活；在资源利用上，通过改变跳变波束在每个波束覆盖区的驻留时间，在有限星载资源条件下提高卫星宽带通信吞吐量，可以最大化星上带宽资源利用率。此外，跳波束技术可以通过将波束聚焦在目标位置来提高吞吐量并灵活利用卫星功率。

低成本批量制造技术是实现卫星产业化的必要条件。

具体来讲，需要打造基于数字孪生模型的小卫星数字化协同设计和云制造模式，加强资源的共享和协同，实现产业链上下游企业数字化集成。此外，短时间内实现批量生产才能更好地发挥星座效益，时间成本也是重要控制量。例如，Starlink目前座集卫星、火箭、地面站制造、火箭发射、卫星运营和服务于一身，在实现核心技术可控的同时能够有效缩减制造时间，从而满足产能需求。在降低成本方面，银河航天的技术人员通过3D打印技术实现高频微距波导、高性能天线等载荷的加工，将部分载荷互联的空间压缩到传统占用空间的三分之一，同时电性能还得到一定程度的提升。

根根据目前低轨通信卫星的发展路径，我们发现多数企业集中在“天星地网”和“天网地网”两种组网方式上。前者对于信关站建设能力有较高要求，后者则更注重星间链路的连接以及地面信关站的连接。结合低轨通信卫星 数量多、轨道高度低的特征，以及用户对于通过低轨通信卫星实现网络全球“无缝”覆盖的需求，分析师将技术主攻方向归纳为网络拓扑动态性管理、星地链路切换策略、路由算法设计以及地面信关站布局优化四个方面。

低轨卫星高速运动造成网络拓扑始终处于动态变化中，拓扑动态性主要表现为链路断开或重建切换现象。当链路信噪比、天线跟踪指向等不满足建链条件时，即发生链路中断，导致星地路由需要频繁重新计算和重新收敛。星间拓扑动态性特点及管理难点如下：

（1）同轨星间链路稳定，而异轨星间链路距离、指向均随卫星运动呈周期性变化；

（2）异轨星间链路在靠近极地地区时因变化剧烈而中断，又在飞出极地地区后进行重建；

（3）极轨道星座存在运行方向相反的两轨道面形成“缝隙”，缝隙两侧一般不建链，并且缝隙随地球自转相对地面用户而移动。巨型星座中激增的卫星数目加剧了星间连接切换，增加了网络拓扑动态性和管理开销。

解决方案

由于卫星运动具有周期性和可预测性，且星座拓扑具有规则性，因此可构造虚拟的静态网络实现拓扑动态性管理。

卫星相对地球的高速运动导致星地链路面临频繁切换问题，而巨型星座由于采用低轨道高度和高通信仰角，进一步加快了切换频率。以550km高度的卫星为例，当通信仰角门限为25°时，平均切换间隔仅为2~3min。同时由于巨型星座主要面向宽带业务，在频繁的链路切换过程中还要保证高带宽、低时延抖动等服务质量。此外，巨型星座中卫星密集分布，覆盖域高度重叠，也增大了星地信道切换过程的频率协调难度。

解决方案

提升卫星/用户信道感知和星上处理能力，设计基于机器学习的智能切换策略，优化切换性能，提高资源利用效率和链路服务质量。

巨型星座中密集的卫星数量导致星间传输跳数大幅增加，也提高了路由传输复杂度。星间转发次数的增加一定程度上降低了路由传输的可靠性，因此路由算法应考虑节点/链路失效问题。当节点规模庞大时，网络信令开销将占用大量网络资源，而网络拓扑的频繁切换会导致星上存储和维护的路由表规模激增。此外，巨型星座网络中宽带业务量较大且分布不均衡，使路由传输面临着负载不均衡和网络拥塞的难题。

解决方案

提升星上处理能力可以增强卫星自主决策能力，使星上运行复杂路由计算及智能路由成为可能。

在星地一体化网络中，信关站起到连接空间网络与地面网络的网关作用。相比于传统星座，巨型星座中单星服务范围缩小，需要遍布全球的大量信关站连接卫星入网。巨型星座中星间多跳转发将占用大量星间链路资源，而增加信关站或优化信关站布局可减少星间转发跳数。考虑到建设成本，当信关站数目受限时可通过优化信关站布局提升网络性能。宽带卫星网络与地面互联网的深度融合，还需考虑信关站与地面互联网关键节点如何保持良好连接。

解决方案

信关站布局与多种因素共同影响卫星网络性能，如星座参数、路由算法、系统工作模式、用户业务模型等因素。由于巨型星座网络中以上因素均与传统星座有所不同，因此在优化信关站布局时应综合考虑多重因素影响。

对于卫星互联网来说，人工智能与卫星通信的结合，将计算能力引入卫星，能够更好地实现网络管理和自动化水平。卫星网络中的决策、设计问题一般都可建模为优化问题。巨型星座（如Starlink）中由于卫星数量众多，且需要频繁进行链路切换，上述问题所涉及的规模和复杂度均明显提升，可采用人工智能中的相关算法如神经网络、强化学习等方法解决。具体来讲，人工神经网络可用于网络流量特征提取和流量预测，从而预测网络状态，辅助路由决策。强化学习可根据链路状态信息训练决策模型，用于卫星切换问题。对于网络设计中的大规模优化问题，也可以转换为强化学习模型进行求解。随着星上处理能力的提升，人工智能将推动卫星网络向自主化、智能化方向发展。

与互联网开放的生态相比，航天业“硬件为主，软件为辅”的研发思路使得卫星研发周期长、研发成本高，且不同型号的卫星在硬件上不适配、在软件上不兼容。这种思路下很难实现通信卫星产业化，发展卫星互联网，对卫星数量的需求激增，且对星间通信有更高的要求，传统思路与当前低轨通信卫星的商业化发展无法适配。而软件定义的好处在于，软件易于复用且不增加成本；软件具 有更好的灵活性，通过升级即可满足新的市场需求。因此，软件定义卫星已成为一种新的发展趋势。软件定义卫星是一种以超算平台为核心，采用开放系统架构，支持有效载荷即插即用、应用软件按需加载，能够通过更新软件去重新定义卫星功能，从而灵活适应多种任务、多类用户的新型智能卫星。卫星可通过星上重新编程、 升级与配置，按需调整覆盖、频率、功率等功能，避免卫星进入轨道后陷入“功能锁死”的困境。

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——《太空与网络》，观察，记录，传播，引领。