高低軌寬帶衛星通信系統綜合比較分析

呂智勇

（南京熊貓漢達科技有限公司，南京 210014）

1 引言

隨著社會的進步和科技的發展，人們對通信的要求越來越高，不僅要求更高的通信速率，還要求在任何時間、任何地點都能夠保持通信。目前，世界陸地表面的80%和人口的40%以上，仍沒有被地面移動系統覆蓋，更勿論寬廣的海洋和遼闊的天空。衛星寬帶通信是解決這一需求的最佳方案。目前，國際有兩種解決思路，一種是Viasat、Hughes、Inmar sat、Eutel sat、Global-IP等公司采用的高軌高吞吐量通信衛星方案；另一種是OneWeb、SpaceX、Intelsat、SES和Telesat等公司正在投資建立的低軌星座寬帶衛星方案[1]。兩種方案孰優孰劣，是競爭還是合作？值得我們認真思考，這對我國寬帶衛星通信系統發展具有較強的借鑒作用。

2 技術特點分析

高軌寬帶衛星與低軌星座寬帶衛星之間最主要的區別在于衛星軌道高度和單顆衛星通信能力。

2.1 傳輸時延

高軌寬帶衛星通常指靜止軌道高通量衛星，其位于赤道上空36000千米，通信傳輸時延一跳（終端-衛星-終端）約為270毫秒；低軌星座寬帶衛星大多位于傾斜軌道1000～1400千米上空[2、3]，其通信傳輸時延一跳約在7毫秒左右，這將帶來如下好處：

（1）支持更多的業務。低軌星座可以支持游戲、股票交易等實時性要求高的業務，而高軌衛星只能支持網頁瀏覽、文件下載、視頻點播等對實時性要求不高的業務。（2）系統控制更加靈活。關口站與終端之間的信令交互更加頻繁、有效，可以更好的實現功率控制、通信速率改變以及頻率分配等功能，系統可以及時根據環境變化作出相應調整。

2.2 傳輸損耗

低軌星座寬帶衛星軌道高度約為靜止軌道衛星軌道高度的1/30，則低軌衛星信號自由空間損耗比靜止軌道衛星少29.5dB，這是低軌衛星系統實現終端小型化和高速數據傳輸的基石。

2.3 高速移動

地球靜止軌道衛星運動速度與地球自轉速度相同，衛星24小時繞地球一周，相對地面靜止；低軌衛星運動速度約為7.5千米/秒，衛星85～115分鐘繞地球一周，相對地球表面高速運動，這會給通信帶來如下影響：

（1）低軌衛星相對地面高速移動，會帶來大的多普勒頻移，必須對其進行估計和補償，才能保證正常通信。

（2）地面終端需采用自動跟蹤天線（注：低軌窄帶衛星通信系統終端不需跟蹤衛星），時刻對準高速移動的衛星，才能保證寬帶通信，但這將極大增加終端的復雜度和制造成本。

（3）終端需要在不同衛星之間、同一衛星不同波束之間以及不同關口站之間進行切換。不同波束間切換需更換工作頻率，而不同衛星和不同關口站之間切換除了更換頻率，還要更改通信路由，會帶來傳輸時延抖動，極大影響通信性能。

2.4 波束覆蓋

高軌衛星軌道高度高，對地視場大，3顆衛星就可實現全球覆蓋（南北極點附近除外）。低軌衛星軌道位置相對較低，單星對地球覆蓋較小，必須多顆衛星共同組網，才能實現對全球覆蓋，這將帶來如下影響：

（1）多星覆蓋可以有效避免遮擋帶來的通信影響。低軌衛星用戶終端上空可以看見多顆低軌衛星，從而選擇最佳路徑，避免遮擋帶來的影響。而靜止軌道衛星與終端之間只有一條通信鏈路，如被遮擋，會造成通信中斷，這就是中國用戶（處于赤道北邊）經常提到的“南山效應”。

（2）低軌星座系統頻率復用更加困難。靜止軌道衛星對地覆蓋是固定的，同頻波束間相互干擾容易得到有效抑制，如viasat衛星的復用因子為4[6]，可以最大限度利用頻譜資源；低軌衛星對地覆蓋是移動的，異軌道面衛星之間相對位置不斷變換，且局部地區有多個衛星同時覆蓋，因此頻率復用相對較難，如Oneweb衛星下行16個波束，每波束250MHz帶寬，總共4GHz，而下行頻率范圍10.7-12.7GHz，只有2GHz[9]，可以推出其頻率復用因子為8。除擴大頻率復用因子之外，Oneweb衛星系統還必須在通信體制中，對頻率分配和網絡管理進行特殊設計，才能確保系統同頻干擾滿足使用要求。

2.5 衛星容量

低軌星座系統單星體積小、重量輕，通信能力弱，但整個系統通信容量較高。如OneWeb星座系統單個衛星設計質量僅125kg，單星容量約為10Gb/s，整個星座將具有7Tb/s的容量[3]。Viasat-3衛星系統由三顆衛星組成，單顆衛星設計重量約為6400kg，單星容量約為1Tb/s[5]，整個系統具有3Tb/s的容量。世界人口分布是不均勻的[7]，由此帶來的業務需求也是不均勻的。低軌星座中的衛星具有相同的載荷，且相對地面不斷運動，因此在全球范圍內提供相等的業務容量；以OneWeb星座系統為例，其7Tb/s的容量是均勻分布在整個地球表面（注：重疊覆蓋區用戶可額外獲得通信容量，但重疊覆蓋區域受星座軌道布局制約），大部分通信容量沒有得到有效利用。靜止軌道衛星，如viasat-3衛星可以根據用戶通信需求動態調整自己的載荷資源（通信容量），提高系統使用效率。

2.6 系統可靠性

低軌星座寬帶衛星系統的可靠性要高于高軌寬帶衛星系統。

（1）低軌星座系統由多顆低軌衛星組成，且分布在多個軌道面，任意一顆或幾顆衛星損壞或失效都不會對系統性能造成大的影響。

（2）低軌星座系統衛星造價較低，在軌一般都有多顆備份衛星，可以隨時代替損壞的衛星，確保整個系統功能性能指標。

（3）低軌衛星成本低，研制周期短，衛星體積小、重量輕，軌道高度低，容易補充發射。

3 成本分析

系統的研制建設成本直接關系到系統成敗，其主要包括衛星制造成本、火箭和發射費用、地面站建設成本和用戶終端價格等。下面分別以Oneweb和ViaSat-3衛星系統為代表分析高低軌寬帶衛星系統成本。

3.1 衛星制造成本

低軌星座系統由多顆衛星組成，各運營公司極力降低單個衛星造價，以降低整個系統研制費用。Oneweb星座系統由882顆衛星組成，其單顆衛星研制成本低至60萬美元[3]，據此計算，整個星座系統衛星造價約為5.3億美元。

ViaSat-3衛星系統由三顆衛星組成，單顆衛星造價與ViaSat-2基本相同，約為3.6億美元[8]，則整個系統需要10.8億美元。

3.2 火箭和發射費用

低軌衛星系統衛星數量眾多，需多次發射才能將全部衛星送入軌道，因此發射費用在系統建設中占有很大比重。Oneweb公司與阿里安航天公司簽署了總價值超過10億美元的21次發射合同[9]。

ViaSa t-2衛星發射和保險費1.7億美元[8]，ViaSat-3衛星發射和保險費用與ViaSat-2衛星基本相同，三顆衛星共需要5.1億美元。

3.3 地面站建設成本

地面站由三種類型地球站構成：測控站、關口站和控制中心；測控站負責發送和接收遙控遙測指令，對衛星軌道、姿態進行控制，并監視衛星工作狀態。關口站負責衛星用戶的接入、交換和管理?？刂浦行呢撠熑W的運行控制。由于無法查到地面站的建設成本，我們只對不同系統所需地面站數量進行比較。

Oneweb衛星測控站設在高緯度地區，天線口徑為2.4m或以上。在全球將部署55～75個衛星關口站，每個關口站配置十多副口徑超過2.4m的天線。系統將設置至少兩個獨立控制中心，互為備份，分別位于美國和英國[10]。

地球靜止軌道衛星系統從原理上只需一個關口站就可以實現用戶的接入、交換和管理，但隨著衛星容量的增大，一個關口站已無法完成這一艱巨任務。Viasat-1衛星系統容量僅150Gb/s，設置了21個關口站，17個在美國，4個在加拿大，關口站配置一副7.3米ka頻段天線[6]，可實現約7.5Gb/s數據吞吐（由于衛星透明轉發，因此饋電鏈路通信帶寬及系統調制和編碼方式決定了信關站的吞吐量；關口站無法像oneweb系統那樣設置多個天線實現寬帶接入；因為Oneweb關口站不同天線指向不同衛星，而多顆低軌衛星處于不同軌位，相互間有空間隔離，可以頻率復用）。據此推算，Viasat-3衛星系統為實現3Tb/s的數據吞吐，關口站數量將達到數百個。Viasat-3衛星系統至少有3個測控站對應3顆不同衛星，測控站可與關口站同址建設。

3.4 用戶終端價格

用戶終端直接面向用戶，為用戶提供各種衛星通信服務，其價格直接決定用戶選擇。根據應用領域和場景的不同，oneweb衛星系統提供固定、艦載、車載和機載等多種類型終端，終端既有機械式雙拋物面天線，也有相控陣天線（注：這里選用雙拋物面天線是為實現衛星切換時，通信不中斷）。雙拋物面自動跟蹤天線以及相控陣天線都會極大增加終端成本。此外，低成本用戶終端芯片也是系統研制建設瓶頸。目前，仍然沒有廠家給出oneweb衛星終端報價，低成本衛星終端仍是制約oneweb衛星系統發展的一個關鍵因素，用戶很難接收數萬甚至十幾萬美元的終端價格。Viasat系列衛星采用surf beam系統為各類用戶提供服務，其終端分為住宅固定型終端、企業專用型終端和便攜式終端三類，提供上行20Mb/s，下行40Mb/s的通信能力，固定終端價格約為3000美元，便攜終端價格約為28000美元。

4 通信服務

通信服務是指衛星通信系統最終提供給用戶的服務種類、質量和價格，它除了與系統成本有關，還與下列因素相關。

4.1 建設周期

這里討論的建設周期，不是指衛星研制周期，而是指衛星完成研制后，從發射到投入使用的時間。低軌星座衛星通信系統由多顆衛星組成，單顆衛星過頂時間很短，一般在幾分鐘，無法提供連續通信，必須整個或大部分系統都建設完成后，才能提供連續、不間斷的服務。Oneweb星座系統需21次發射才能將全部衛星送入指定軌道，每次發射間隔3-4周[10]，則總共需一年半左右時間才能完全發射完畢，提供服務。

靜止軌道衛星通信系統只需1顆衛星就能為覆蓋區內的用戶提供相應服務，因此靜止軌道衛星系統建設可以分步實施。先發射1顆衛星，覆蓋通信需求最大地區，再根據業務需求，逐步建立后續系統。這既可以降低系統建設投入風險，又可以快速回收資金，降低投入。

4.2 衛星壽命

低軌星座衛星受電池及星上器件制約，衛星在軌壽命較靜止軌道衛星短。Oneweb衛星在軌設計壽命約為5-7年，viasat-3衛星在軌設計壽命為15年。一方面，衛星在軌壽命越長，則可提供服務的時間越長，系統收益越高；另一方面，衛星在軌壽命長，又限制了新技術的應用，制約了系統的更新換代和性能的提升。

4.3 服務價格

服務價格是任何衛星通信系統生存的根本，這里以單位時間內單位帶寬的建設成本為依據，分析比較不同系統提供通信服務的成本價格。

C=系統建設成本/（系統壽命*系統吞吐量），

表示單位時間內單位帶寬所耗費的系統成本。

oneweb星座系統衛星造價5.3億美元，火箭及發射成本10億美元，地面設備成本無法預估，暫不考慮，系統壽命按5年計算，系統吞吐量為7Tb/s，則C低軌星座=437美元/（（Mb/s）×年）。

Viasat-3系統衛星造價10.8億美元，火箭及發射成本5.1億美元，地面設備成本無法預估，暫不考慮，系統壽命按15年計算，系統吞吐量為3Tb/s，則Cviasat-3=353美元/（（Mb/s）×年）。

考慮oneweb星座系統全球覆蓋，業務均勻分布，假設70%的容量沒有得到充分應用。Viasat-3衛星系統可根據業務分布動態調整載荷配置，假設40%的容量沒有得到充分應用，則上面的數據修正為：

C低軌星座=1456美元/（（Mb/s）×年）

Cviasat-3=588美元/（（Mb/s）×年）

需要注意的是，這里計算的單位成本，與運營商推廣的包月服務計費不是一種計算方法。如viasat公司推出每月50美元的包月服務（12Mb/s下載速率），它不是一個用戶獨享通信帶寬，而是多個用戶共享，如按200用戶共享帶寬計算，其收費為50×12×200/12=10000美元/（（Mb/s）×年）遠高于588美元/（（Mb/s）×年）。

4.4 市場

2018年6月，衛星工業協會SIA發布了2018年度的衛星產業狀況報告[11]。報告稱2017年全球衛星產業總收入達到2686億美元，其中衛星服務收入1287億。在衛星服務收入中，衛星電視直播收入占比高達80%以上，而這是傳統通信衛星的服務領域。寬帶衛星通信系統主要面向的衛星寬帶業務占比僅為1.5%，衛星移動業務占比2.8%，這么狹小的市場能夠容納如此眾多的寬帶衛星通信系統么？據統計，全球已建和在建高通量衛星通信系統共25個[8]，已申報低軌寬帶衛星系統共16個[1]。靜止軌道高通量衛星與低軌星座寬帶衛星系統將面臨激烈的競爭。

5 軌道頻率資源

靜止軌道衛星位于赤道上空、距地面高度為36000千米的位置，只要同頻同覆蓋的兩顆衛星間隔2度，就可實現空間上的隔離。國際上，對靜止軌道同頻衛星的共用和協調已有完善、成熟的機制可以遵守。靜止軌道衛星分布如圖1所示[8]。

低軌星座系統的多個衛星分布在多個不同的軌道面上，不斷運動，實現對地球的無縫覆蓋。Oneweb星座分布示意圖如圖2所示[12]。不同低軌星座如果使用相同的工作頻率，相互之間將存在嚴重的干擾。即使不同星座衛星處在不同的軌道高度和不同的軌道傾角，相互之間也無法共存，國際上也沒有相關協調機制。換句話說，低軌星座的頻率是稀缺資源，是獨享的、互斥的（筆者私下認為，這是各公司紛紛提出低軌星座系統建設方案的一個根本原因，即使星座系統前期運營不盈利，也要將頻率資源囊入自己袋中，避免以后無資源可用，這是一個戰略層面的競爭，而不僅僅是商業的競爭）。

圖1 靜止軌道衛星分布

圖2 oneweb星座分布示意圖

6 結束語

寬帶衛星通信系統是衛星通信未來發展的一個方向，是實現全球寬帶無縫通信的基礎，是落實天地一體化融合發展的具體應用。高低軌寬帶通信衛星系統的發展，要結合各自特點，找好市場定位，提前進行布局，開拓一個新的廣闊的前景。