从同步轨道到星链组网（上）：卫星通信的世纪跨越

太空早已成为人类探索的终极目标之一。

在这片广袤的宇宙中，

一场无声的太空竞争早已悄然进行。

当我们仰望星空时，

可曾想过在我们深邃的天空中，

有着成千上万的人造地球卫星

从头顶上掠过。

 

从1957年前苏联发射世界第一颗人造卫星斯普特尼克1号（Sputnik-1），到2014年实现人造卫星千颗（1261颗）在轨，用了整整57年。而到2024年的近万颗在轨卫星（截止2024年5月全球在轨卫星数量为9770颗）却仅仅只用了10年时间。这其中有72%是通信卫星，而在这近万颗卫星中，低轨卫星占了91.5%。

本文分为上下两篇，简述了卫星通信的演进趋势和近年来的测量方案汇总，本期为「上篇」。

1、卫星轨道概述

 

卫星根据轨道离地球的远近概况起来大致有四种类型的星座

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地球同步轨道(GSO，Geosynchronous orbit)

地球同步轨道 (GSO) 卫星在环绕地球的圆形轨道上运行，高度距离地表35 786 km，考虑窄波束时，波束足迹的大小范围约为200 km，使用大尺寸波束时，范围可达4000 km。这类GSO 卫星的速度为11070 km/h，轨道周期相当于一天。GSO卫星的RTT 约为544 ms。地球同步轨道 (GSO) 卫星根据轨道跟地球赤道的夹角，又分为三种：

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地球静止轨道（GEO：Geostationary Orbit）

当地球同步轨道卫星轨道面的倾角为零度，即卫星在地球赤道上空运行，且运行方向与地球自转方向相同时，由于运行周期与地球同步，因此，人们从地球上仰望卫星，仿佛悬挂在太空静止不动，所以，把零倾角的同步轨道称作静止轨道，在静止轨道上运行的卫星称作静止卫星。这类卫星在过去应用是最多的。这样GEO卫星有比如Inmarsat这样的国际海事通信卫星，还有Astra或Eutelsat这样的电视广播媒体卫星，甚至中国的北斗三代也有三颗GEO，等等。GEO因为都挤在赤道上空的固定高度，这条轨道的容量是有限的，每颗卫星为了不互相影响，都在经度方向上分配有一定的漂移范围。如果按照0.5°的间隔，那这个轨道的容量就是720颗。截止2023年8月为止，全球一共有563颗地球同步静止轨道卫星。其中中国控制着80颗。

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倾斜地球同步轨道（IGSO：Inclined Geosynchronous Orbit ）

倾斜同步轨道(IGSO)是指倾角不为0的地球同步轨道,其星下点轨迹是一个跨南北半球的 “8”字,其星下点轨迹与赤道相交于一点,该点常称之为交叉点。GEO对于高纬度区域的信号覆盖并不好。IGSO很容易做到某一个区域的区域覆盖。

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极地轨道同步轨道，又名太阳同步轨道（SSO：Sun-synchronous Orbit ）

卫星的轨道平面和太阳始终保持相对固定的取向，轨道倾角（轨道平面与赤道平面的夹角）接近90度。人造卫星运行时能到达南北极区上空，即卫星能飞经全球范围的上空。需要在全球范围内进行观测和应用的气象卫星、导航卫星、地球资源卫星等都采用这种轨道。

倾斜轨道和极地轨道同步卫星从地球上看是移动的，但却每天可以经过特定的地区，因此，通常用于科研、气象或军事情报的搜集，以及两极地区和高纬度地区的通信。

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中地球轨道(MEO)卫星

中地球轨道 (MEO) 卫星在环绕地球的圆形轨道上运行，高度在7000 km到25000 km之间，运行速度约为13800 km/h，轨道周期约为6至12小时。比较著名的MEO卫星星座之一是用于定位服务的GNSS。这类卫星的波束足迹与LEO星座类似。中轨道卫星需要避开两个辐射带：内范艾伦辐射带和外范艾伦辐射带。这两个辐射带有大量的高能粒子，对电子电路具有很强的破坏性。内范艾伦带大概在距地3700km左右，是质子和电子的混合物。外范艾伦带大概在距地18500km左右，主要是电子。

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高椭圆轨道 (HEO，Highly Elliptical Orbit)

卫星在环绕地球的椭圆轨道上运行。由于采用这种轨道形状，从地球点可以观测到卫星的范围更远，例如，当所需的信号覆盖服务区域为两极这样的边远地区时，HEO卫星可能更有优势。另外，HEO由于在近地点速度很快，远地点速度慢，因此非常容易做到区域覆盖，例如俄罗斯的闪电号，大概有2/3的时间都在北半球上空。HEO的缺点是椭圆轨道形状需要一定的控制，由此还会产生浮动延迟，存在时间或轨道变化的频率漂移，并且需要来回穿越内外范艾伦带，对电子电路有一定的寿命损耗。

图1：卫星轨道示意图

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低地球轨道(LEO)卫星

低地球轨道 (LEO) 卫星在环绕地球的圆形轨道上运行，高度约在500 km到2000 km之间，运行速度约为28000 km/h，轨道周期约为90分钟。由于LEO卫星的高度不算很高，发射这类卫星不需要大推力火箭，因此更具成本效益。近地距离带来的另一项明显优势是往返时间 (RTT) 较短，通常小于30 ms。LEO卫星的尺寸一般也较小，通常周长小于1米，甚至只有十几厘米（纳米卫星），重量则在500 kg以下。通常假定NTN在卫星站使用波束赋形机制。LEO卫星的典型波束足迹范围介于100 km到1000 km之间。LEO卫星的缺点是运行环境恶劣（在该环境中仍可能存在大气气体），因此生命周期一般不到10年。

2、通信卫星的发展演进

 

通信卫星的发展经历了三个阶段：

第一阶段：20世纪90年代年以前主要以面向电视广播和传统固定通信的地球静止同步轨道卫星为主

第二阶段：20世纪90年代到2000年伴随地面移动通信发展的低轨寻求出路，同步轨道缓慢发展时代

第三阶段：2010年至今低轨爆发+同轨换代全面发展时代

在这一发展过程中，不同种类的通信卫星能力得到了相应的演进。

早在上世纪90年代中期，国际电信联盟 (ITU) 就通过其国际移动通信方案IMT- 2000提出了21世纪全球无线接入的愿景。以此为契机标准化组织3GPP（第三代合作伙伴计划）创立了，着手推进第三代无线通信技术的国际标准化。引人注目的实例是由标准化组织 3GPP2牵头的CDMA2000和通用移动通信系统 (UMTS)，其中采用两项关键无线接入技术 (RAT)：宽带码分多址接入 (WCDMA) 和时分码分多址接入 (TD-CDMA)。IMT-2000方案提出“灵活性”和“全球化”两项属性作为主要设计目标，并表示，热点的峰值数据速率达到2 Mbps、移动条件下的平均数据速率达到384 kbps是未来公共陆地移动网络 (FPLMN) 所要实现的目标。地面和卫星通信系统都应支持这些目标。受制于更多商业和成本原因，这个最早的设想在当时的卫星通信系统中并未成为现实。而二十多年后的今天，伴随着航空航天领域的发展，无线技术的演进使5G系统更具灵活性。发射低轨道火箭和卫星星座并非不可逾越的技术挑战，在许多应用中已成为现实。商用和专用卫星系统持续部署，并向相应生态系统提供商业服务。当3GPP Rel-17正式考虑将非地面网络 (NTN) 纳入5G系统时，3GPP Rel-17首次支持NTN连接，希望勾勒出长期技术演进和大范围普及NTN用例的框架。

图2 IMT2000中关于卫星通信的设想

截止2023年底当前在轨运行的9691颗卫星中，地球同步轨道卫星有625颗，主要为通信卫星。而Starlink仅在2023年就发射了1961颗。

首先是地球同步轨道卫星的演进，固定的地球同步通信卫星正在由C/Ku频段大波束向Ka等高频段多点波束、高吞吐量等方向加速演进。前者是大波束广域覆盖，后者倾向于大量点波束广域覆盖，有更大的容量，更高的终端传输速率。

在移动通信卫星领域，使用移动通信频段，受益于地面终端和卫星天线能力的提升，以及3GPP NTN标准的推动，从仅支持传统卫星电话向兼容地面手机直连、构建天地一体化发展。

卫星电视、卫星直播、卫星广播是地球同步静止卫星中的重要业务，用于地球站向多个用户提供单向传输业务。受益于星上数字载荷技术的发展，广播卫星和通信卫星由广播/通信星上分离向广播通信一体化卫星方向发展。

数据中继卫星页是通信卫星的一个重要领域。目前星间链路使用星间通信频段，甚至使用激光通信，科研为中低轨航天器和地球站提供通信服务。利用商业卫星提供低成本数据中继服务将成为新探索，随着星上处理能力的提升，预计中继卫星和通信卫星的能力边界将日益模拟。

总的来说，通信卫星的发展经历了由地球同静止卫星朝低轨发展的加速趋势，多国提供低轨星座发展计划。目前全球近万颗在轨卫星，91.5%都是低轨卫星。如下是全球低轨卫星在轨高度及数量分布图（截止2024年5月），其中580km以上大约60%,580km以下大约40%。

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