技术探讨国内外低轨道卫星发展现状及趋

1.概述

年对卫星通信界来说是暗流涌动的一年,数据速率需求的高速增长促使卫星通信相关技术得到快速发展。空中卫星聚焦于宽带、成本、低轨、卫星数量的增加,通信频率向更高频率迁移从而得到更多的带宽、更小的天线,点波束频率复用、更高阶的调制技术、更宽的带宽信号、更高的功率,使高吞吐量卫星可以为用户提供更高的数据速率。而在应用方面,由于数据速率的提高,卫星通信的应用范围更加多样化,空中机载通信、海上船载通信、地面高速铁路卫星解决方案、4G基站中继、应急通信、远程教育、远程医疗、家庭宽带、野外作业等等,但是所有应用的实现都需要建立在卫星空间网络提供服务基础上。目前宽带卫星空间技术的两大发展方向-低轨星座卫星与同步轨道HTS通信卫星发展进度各异,我国上空暂时还没有可提供服务的商用宽带卫星,根据中国卫通的计划,首颗Ka频段宽带多媒体卫星将在年第一季度发射,预计下半年可提供服务。

2.国外低轨卫星发展情况

放眼国际,由Google、SES、LibertyGlobal以及南非开发银行等多方投资的O3b(意即”other3billion(另外三十亿人口的网络)“)在年完成了赤道上空12颗MEO(距离地面km)卫星的部署,经过1年的经营和运营,可以提供Gbps的容量,可提供类光纤连接。由于轨道在赤道上空,O3b不能覆盖地球的低纬度和高纬度地区,但仍然可以覆盖70%的人口居住地,主要目标是帮助非洲、亚洲和南美地区上网困难和上网昂贵的30亿人通过卫星光纤接入互联网。目前O3b服务于40家多客户,包括移动网络运营商(MNO),网络服务提供商(ISP),邮轮公司,石油天然气公司,以及政府等,拥有活跃客户的国家达31个。根据美国商业周刊的报道,O3b公司已经成为太平洋地区最大的互联网服务提供商。

为了让地球上的每一个人都能享受到互联网的便利,O3b的创始人GregWyler带着离开Google时所获得的卫星网络相关的无线电频谱技术的使用权,以及创立O3b的原班人马,再起炉灶成立了OneWeb,投资人除有维珍集团、高通、空客等巨头外,近日又获得软银集团10亿美元的投资。OneWeb计划从年开始,在1,公里的轨道上部署颗卫星,包括18个轨道,每个轨道36颗卫星以及备星等,同时在地面部署50-60个关口站,实现包括南、北极在内的真正的卫星全球覆盖。OneWeb使用Ku、Ka频段,单颗卫星容量达7.5Gbps,整个系统容量可达5Tbps。公司计划在美国佛罗里达建立大型工厂,把卫星搬上全自动流水线,像生产飞机零件一样来制造卫星,并计划在年初发射10颗测试卫星,6个月后部署一个由72颗低轨道卫星组成的双轨星座,年完整星座全面投入运营。

作为OneWeb最强有力的竞争对手,SpaceX公司在11月向美国联邦通信委员会(FCC)提交了一份建设包含颗卫星的大规模卫星网络项目的申请和支持性文件,要求政府批准运营,意在在全世界范围内提供全球宽带接入互联网服务。文件的技术信息显示,SpaceX公司将首先利用颗卫星覆盖北纬15度到60度以及南纬15度到60度并开始商业宽带服务,最终该网络的卫星数量将增长到颗,轨道高度范围在至公里之间,卫星工作寿命估计在五至七年,传输频段在Ku和Ka之间。SpaceX公司还需要从FCC以及国际电信联盟(ITU)获得网络操作许可。

除了上述低轨卫星系统之外,当前国际电联数据库公布的已申报27.5-31GHz频段的NGSO卫星网络已经接近40个。

3.国内低轨卫星发展情况

我国目前80%以上陆地面积、95%以上海洋面积的通信网络覆盖仍然面临难题,渔民出海、远洋航行、山区林区作业尚无廉价而有效的通信手段,因此,通过自主创新,建立自主可控、安全和可持续发展的星座通信系统,已成为我国迫在眉睫的战略需求。《“十三五”国家信息化规划》中提出“实施宽带乡村和中西部地区中小城市基础网络完善工程,采取移动蜂窝、光纤、低轨卫星等多种方式,加快农村及偏远地区4G网络覆盖。”首次从国家层面提出低轨卫星的建设规划。事实上,国内低轨星座通信卫星已经在研发、测试和筹划中。

灵巧卫星是清华大学与信威集团联合开发研制的低轨移动通信实验卫星,年下半年成功进入太空,完成全部在轨测试试验。鉴定结果显示,“灵巧”的移动通信载荷可同时形成15个动态多波束,通信覆盖区直径约公里,实现了覆盖区内卫星手持终端语音业务、数据业务和移动互联网业务。清华大学和信威集团有计划在年发射多颗低轨移动通信卫星,还有待具体实施。

成立于年的九天微星也在微小卫星领域开始布局,计划在未来2年发射4颗小卫星。年发射的“科普星”和“全民娱乐卫星”分别面向少年儿童与普通群众,实现教育和娱乐的天地互动,年发射的“灵犀计划”利用两颗低轨小卫星实现星间高速链路、星地高速通信和大数据采集(DCS)。未来计划分步骤部署灵犀星座Ka频段宽带移动通信系统:首先通过8颗星进行区域覆盖验证星座组网和试运行;继而利用36颗星初步完成全球覆盖,实现系统正常运营;最终将部署数百颗卫星实现全球组网,满足陆、海、空、天等多层次海量用户的各种网络接入服务需求。

据统计国内近两年提出的小卫星计划总数超过了颗,这意味着国内正在掀起低轨小卫星发展热潮,但大部分主要用于遥感遥测、气象采集等,真正用于宽带通信的低轨卫星计划并不多。

注:通信卫星系统按轨道可以分为GSO和NGSO系统,静止轨道通信卫星按《无线电规则》中相关定义都属于GSO系统(轨道倾角在15度以内的同步轨道卫星),O3b、OneWeb等星座项目均属于典型的NGSO系统。

参考资料:

[1]O3bNetworks成为史上发展最快的卫星运营商[N].每日财经网,-10-12.

[2]低轨卫星入列我国《“十三五”国家信息化规划》[N],卫星界,-12-15

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