吕智勇

（南京熊猫汉达科技有限公司，南京 210014）

1 引言

随着社会的进步和科技的发展，人们对通信的要求越来越高，不仅要求更高的通信速率，还要求在任何时间、任何地点都能够保持通信。目前，世界陆地表面的80%和人口的40%以上，仍没有被地面移动系统覆盖，更勿论宽广的海洋和辽阔的天空。卫星宽带通信是解决这一需求的最佳方案。目前，国际有两种解决思路，一种是Viasat、Hughes、Inmar sat、Eutel sat、Global-IP等公司采用的高轨高吞吐量通信卫星方案；另一种是OneWeb、SpaceX、Intelsat、SES和Telesat等公司正在投资建立的低轨星座宽带卫星方案[1]。两种方案孰优孰劣，是竞争还是合作？值得我们认真思考，这对我国宽带卫星通信系统发展具有较强的借鉴作用。

2 技术特点分析

高轨宽带卫星与低轨星座宽带卫星之间最主要的区别在于卫星轨道高度和单颗卫星通信能力。

2.1 传输时延

高轨宽带卫星通常指静止轨道高通量卫星，其位于赤道上空36000千米，通信传输时延一跳（终端-卫星-终端）约为270毫秒；低轨星座宽带卫星大多位于倾斜轨道1000～1400千米上空[2、3]，其通信传输时延一跳约在7毫秒左右，这将带来如下好处：

（1）支持更多的业务。低轨星座可以支持游戏、股票交易等实时性要求高的业务，而高轨卫星只能支持网页浏览、文件下载、视频点播等对实时性要求不高的业务。（2）系统控制更加灵活。关口站与终端之间的信令交互更加频繁、有效，可以更好的实现功率控制、通信速率改变以及频率分配等功能，系统可以及时根据环境变化作出相应调整。

2.2 传输损耗

低轨星座宽带卫星轨道高度约为静止轨道卫星轨道高度的1/30，则低轨卫星信号自由空间损耗比静止轨道卫星少29.5dB，这是低轨卫星系统实现终端小型化和高速数据传输的基石。

2.3 高速移动

地球静止轨道卫星运动速度与地球自转速度相同，卫星24小时绕地球一周，相对地面静止；低轨卫星运动速度约为7.5千米/秒，卫星85～115分钟绕地球一周，相对地球表面高速运动，这会给通信带来如下影响：

（1）低轨卫星相对地面高速移动，会带来大的多普勒频移，必须对其进行估计和补偿，才能保证正常通信。

（2）地面终端需采用自动跟踪天线（注：低轨窄带卫星通信系统终端不需跟踪卫星），时刻对准高速移动的卫星，才能保证宽带通信，但这将极大增加终端的复杂度和制造成本。

（3）终端需要在不同卫星之间、同一卫星不同波束之间以及不同关口站之间进行切换。不同波束间切换需更换工作频率，而不同卫星和不同关口站之间切换除了更换频率，还要更改通信路由，会带来传输时延抖动，极大影响通信性能。

2.4 波束覆盖

高轨卫星轨道高度高，对地视场大，3颗卫星就可实现全球覆盖（南北极点附近除外）。低轨卫星轨道位置相对较低，单星对地球覆盖较小，必须多颗卫星共同组网，才能实现对全球覆盖，这将带来如下影响：

（1）多星覆盖可以有效避免遮挡带来的通信影响。低轨卫星用户终端上空可以看见多颗低轨卫星，从而选择最佳路径，避免遮挡带来的影响。而静止轨道卫星与终端之间只有一条通信链路，如被遮挡，会造成通信中断，这就是中国用户（处于赤道北边）经常提到的“南山效应”。

（2）低轨星座系统频率复用更加困难。静止轨道卫星对地覆盖是固定的，同频波束间相互干扰容易得到有效抑制，如viasat卫星的复用因子为4[6]，可以最大限度利用频谱资源；低轨卫星对地覆盖是移动的，异轨道面卫星之间相对位置不断变换，且局部地区有多个卫星同时覆盖，因此频率复用相对较难，如Oneweb卫星下行16个波束，每波束250MHz带宽，总共4GHz，而下行频率范围10.7-12.7GHz，只有2GHz[9]，可以推出其频率复用因子为8。除扩大频率复用因子之外，Oneweb卫星系统还必须在通信体制中，对频率分配和网络管理进行特殊设计，才能确保系统同频干扰满足使用要求。

2.5 卫星容量

低轨星座系统单星体积小、重量轻，通信能力弱，但整个系统通信容量较高。如OneWeb星座系统单个卫星设计质量仅125kg，单星容量约为10Gb/s，整个星座将具有7Tb/s的容量[3]。Viasat-3卫星系统由三颗卫星组成，单颗卫星设计重量约为6400kg，单星容量约为1Tb/s[5]，整个系统具有3Tb/s的容量。世界人口分布是不均匀的[7]，由此带来的业务需求也是不均匀的。低轨星座中的卫星具有相同的载荷，且相对地面不断运动，因此在全球范围内提供相等的业务容量；以OneWeb星座系统为例，其7Tb/s的容量是均匀分布在整个地球表面（注：重叠覆盖区用户可额外获得通信容量，但重叠覆盖区域受星座轨道布局制约），大部分通信容量没有得到有效利用。静止轨道卫星，如viasat-3卫星可以根据用户通信需求动态调整自己的载荷资源（通信容量），提高系统使用效率。

2.6 系统可靠性

低轨星座宽带卫星系统的可靠性要高于高轨宽带卫星系统。

（1）低轨星座系统由多颗低轨卫星组成，且分布在多个轨道面，任意一颗或几颗卫星损坏或失效都不会对系统性能造成大的影响。

（2）低轨星座系统卫星造价较低，在轨一般都有多颗备份卫星，可以随时代替损坏的卫星，确保整个系统功能性能指标。

（3）低轨卫星成本低，研制周期短，卫星体积小、重量轻，轨道高度低，容易补充发射。

3 成本分析

系统的研制建设成本直接关系到系统成败，其主要包括卫星制造成本、火箭和发射费用、地面站建设成本和用户终端价格等。下面分别以Oneweb和ViaSat-3卫星系统为代表分析高低轨宽带卫星系统成本。

3.1 卫星制造成本

低轨星座系统由多颗卫星组成，各运营公司极力降低单个卫星造价，以降低整个系统研制费用。Oneweb星座系统由882颗卫星组成，其单颗卫星研制成本低至60万美元[3]，据此计算，整个星座系统卫星造价约为5.3亿美元。

ViaSat-3卫星系统由三颗卫星组成，单颗卫星造价与ViaSat-2基本相同，约为3.6亿美元[8]，则整个系统需要10.8亿美元。

3.2 火箭和发射费用

低轨卫星系统卫星数量众多，需多次发射才能将全部卫星送入轨道，因此发射费用在系统建设中占有很大比重。Oneweb公司与阿里安航天公司签署了总价值超过10亿美元的21次发射合同[9]。

ViaSa t-2卫星发射和保险费1.7亿美元[8]，ViaSat-3卫星发射和保险费用与ViaSat-2卫星基本相同，三颗卫星共需要5.1亿美元。

3.3 地面站建设成本

地面站由三种类型地球站构成：测控站、关口站和控制中心；测控站负责发送和接收遥控遥测指令，对卫星轨道、姿态进行控制，并监视卫星工作状态。关口站负责卫星用户的接入、交换和管理。控制中心负责全网的运行控制。由于无法查到地面站的建设成本，我们只对不同系统所需地面站数量进行比较。

Oneweb卫星测控站设在高纬度地区，天线口径为2.4m或以上。在全球将部署55～75个卫星关口站，每个关口站配置十多副口径超过2.4m的天线。系统将设置至少两个独立控制中心，互为备份，分别位于美国和英国[10]。

地球静止轨道卫星系统从原理上只需一个关口站就可以实现用户的接入、交换和管理，但随着卫星容量的增大，一个关口站已无法完成这一艰巨任务。Viasat-1卫星系统容量仅150Gb/s，设置了21个关口站，17个在美国，4个在加拿大，关口站配置一副7.3米ka频段天线[6]，可实现约7.5Gb/s数据吞吐（由于卫星透明转发，因此馈电链路通信带宽及系统调制和编码方式决定了信关站的吞吐量；关口站无法像oneweb系统那样设置多个天线实现宽带接入；因为Oneweb关口站不同天线指向不同卫星，而多颗低轨卫星处于不同轨位，相互间有空间隔离，可以频率复用）。据此推算，Viasat-3卫星系统为实现3Tb/s的数据吞吐，关口站数量将达到数百个。Viasat-3卫星系统至少有3个测控站对应3颗不同卫星，测控站可与关口站同址建设。

3.4 用户终端价格

用户终端直接面向用户，为用户提供各种卫星通信服务，其价格直接决定用户选择。根据应用领域和场景的不同，oneweb卫星系统提供固定、舰载、车载和机载等多种类型终端，终端既有机械式双抛物面天线，也有相控阵天线（注：这里选用双抛物面天线是为实现卫星切换时，通信不中断）。双抛物面自动跟踪天线以及相控阵天线都会极大增加终端成本。此外，低成本用户终端芯片也是系统研制建设瓶颈。目前，仍然没有厂家给出oneweb卫星终端报价，低成本卫星终端仍是制约oneweb卫星系统发展的一个关键因素，用户很难接收数万甚至十几万美元的终端价格。Viasat系列卫星采用surf beam系统为各类用户提供服务，其终端分为住宅固定型终端、企业专用型终端和便携式终端三类，提供上行20Mb/s，下行40Mb/s的通信能力，固定终端价格约为3000美元，便携终端价格约为28000美元。

4 通信服务

通信服务是指卫星通信系统最终提供给用户的服务种类、质量和价格，它除了与系统成本有关，还与下列因素相关。

4.1 建设周期

这里讨论的建设周期，不是指卫星研制周期，而是指卫星完成研制后，从发射到投入使用的时间。低轨星座卫星通信系统由多颗卫星组成，单颗卫星过顶时间很短，一般在几分钟，无法提供连续通信，必须整个或大部分系统都建设完成后，才能提供连续、不间断的服务。Oneweb星座系统需21次发射才能将全部卫星送入指定轨道，每次发射间隔3-4周[10]，则总共需一年半左右时间才能完全发射完毕，提供服务。

静止轨道卫星通信系统只需1颗卫星就能为覆盖区内的用户提供相应服务，因此静止轨道卫星系统建设可以分步实施。先发射1颗卫星，覆盖通信需求最大地区，再根据业务需求，逐步建立后续系统。这既可以降低系统建设投入风险，又可以快速回收资金，降低投入。

4.2 卫星寿命

低轨星座卫星受电池及星上器件制约，卫星在轨寿命较静止轨道卫星短。Oneweb卫星在轨设计寿命约为5-7年，viasat-3卫星在轨设计寿命为15年。一方面，卫星在轨寿命越长，则可提供服务的时间越长，系统收益越高；另一方面，卫星在轨寿命长，又限制了新技术的应用，制约了系统的更新换代和性能的提升。

4.3 服务价格

服务价格是任何卫星通信系统生存的根本，这里以单位时间内单位带宽的建设成本为依据，分析比较不同系统提供通信服务的成本价格。

C=系统建设成本/（系统寿命*系统吞吐量），

表示单位时间内单位带宽所耗费的系统成本。

oneweb星座系统卫星造价5.3亿美元，火箭及发射成本10亿美元，地面设备成本无法预估，暂不考虑，系统寿命按5年计算，系统吞吐量为7Tb/s，则C低轨星座=437美元/（（Mb/s）×年）。

Viasat-3系统卫星造价10.8亿美元，火箭及发射成本5.1亿美元，地面设备成本无法预估，暂不考虑，系统寿命按15年计算，系统吞吐量为3Tb/s，则Cviasat-3=353美元/（（Mb/s）×年）。

考虑oneweb星座系统全球覆盖，业务均匀分布，假设70%的容量没有得到充分应用。Viasat-3卫星系统可根据业务分布动态调整载荷配置，假设40%的容量没有得到充分应用，则上面的数据修正为：

C低轨星座=1456美元/（（Mb/s）×年）

Cviasat-3=588美元/（（Mb/s）×年）

需要注意的是，这里计算的单位成本，与运营商推广的包月服务计费不是一种计算方法。如viasat公司推出每月50美元的包月服务（12Mb/s下载速率），它不是一个用户独享通信带宽，而是多个用户共享，如按200用户共享带宽计算，其收费为50×12×200/12=10000美元/（（Mb/s）×年）远高于588美元/（（Mb/s）×年）。

4.4 市场

2018年6月，卫星工业协会SIA发布了2018年度的卫星产业状况报告[11]。报告称2017年全球卫星产业总收入达到2686亿美元，其中卫星服务收入1287亿。在卫星服务收入中，卫星电视直播收入占比高达80%以上，而这是传统通信卫星的服务领域。宽带卫星通信系统主要面向的卫星宽带业务占比仅为1.5%，卫星移动业务占比2.8%，这么狭小的市场能够容纳如此众多的宽带卫星通信系统么？据统计，全球已建和在建高通量卫星通信系统共25个[8]，已申报低轨宽带卫星系统共16个[1]。静止轨道高通量卫星与低轨星座宽带卫星系统将面临激烈的竞争。

5 轨道频率资源

静止轨道卫星位于赤道上空、距地面高度为36000千米的位置，只要同频同覆盖的两颗卫星间隔2度，就可实现空间上的隔离。国际上，对静止轨道同频卫星的共用和协调已有完善、成熟的机制可以遵守。静止轨道卫星分布如图1所示[8]。

低轨星座系统的多个卫星分布在多个不同的轨道面上，不断运动，实现对地球的无缝覆盖。Oneweb星座分布示意图如图2所示[12]。不同低轨星座如果使用相同的工作频率，相互之间将存在严重的干扰。即使不同星座卫星处在不同的轨道高度和不同的轨道倾角，相互之间也无法共存，国际上也没有相关协调机制。换句话说，低轨星座的频率是稀缺资源，是独享的、互斥的（笔者私下认为，这是各公司纷纷提出低轨星座系统建设方案的一个根本原因，即使星座系统前期运营不盈利，也要将频率资源囊入自己袋中，避免以后无资源可用，这是一个战略层面的竞争，而不仅仅是商业的竞争）。

图1 静止轨道卫星分布

图2 oneweb星座分布示意图

6 结束语

宽带卫星通信系统是卫星通信未来发展的一个方向，是实现全球宽带无缝通信的基础，是落实天地一体化融合发展的具体应用。高低轨宽带通信卫星系统的发展，要结合各自特点，找好市场定位，提前进行布局，开拓一个新的广阔的前景。