卫星系统架构与国内外星座建设情况

目前，人类在先进卫星发射和制造技术方面取得了重大突破，低轨卫星（LEO）巨型通信网络已经成为学界和业界的研究热点。非地面网络（NTN）被广泛认为是6G网络的组成部分。

业内人士认为，卫星互联网与无线AI，将是6G网络的显著特征。

国际上，以Starlink、OneWeb为代表的卫星星座建设取得了巨大的进展，并逐渐应用到多个国家和地区。

中、美、欧、俄四大航天大国竞争日益激烈，显然压力已经给到了我们这一边。正如国内某大型航天科技集团所言：“对标SpaceX，集团公司在发展理念上、科研生产模式上、关键核心技术上、质量效率效益上存在明显差距和不足，整体上大而不强、大而不优，这与我们在航天领域率先实现强国目标还相去甚远，每个航天人对此要怀有深深的危机感，坚决克服骄傲自满的情绪，坚决摒弃盲目自大的心态，永不自满、永不自大。”

网友不解：十几万人干不过几千人，国家队需要反思，社会也需要反思，正视差距，取长补短。

回到正文，本文先介绍典型的卫星系统架构，然后简单介绍国内外星座建设情况。

一、典型卫星系统架构

本文对典型的卫星系统架构进行介绍，里面涉及的调制解调、数字变频、天线收发等具体技术方案不在本文的讨论之内。

典型的卫星通信系统架构方案如图1所示。它包括地面段、空间段和控制段。

运行的卫星接收地面站发射的无线电波，这叫做上行链路（Uplink）。卫星接收到的信号经过处理，转换成另一种无线电频率，并进行放大。接着，这些信号被进一步传送到接收地面站。这被称为下行链路(Downlink)。上行链路和下行链路基于射频调制载波的原理。载波由基带信号调制，包括模拟或数字信号，为通信或其他目的传送信息。

图1典型卫星通信系统架构

空间段包括一个或几个组成星座的活动卫星和备用卫星。卫星是绕地球轨道运行的人造物体，作为“飞行”收发器，用于通信或科学目的。每颗卫星由有效载荷和平台(总线)组成。有效载荷包括接收和发射天线以及支持无线电载波接收和传输的所有电子设备。卫星的有效载荷有两个主要功能:

放大接收到的载波以便重传到下行链路。地面站与卫星之间距离大，导致卫星接收机输入端的载波功率过低。因此，功率必须被放大，以便向卫星覆盖区域内的地面用户提供卫星的发射天线。

频率转换。需要进行频率转换，以增加接收输入和发送输出之间的隔离(避免重新注入接收器)。图2给出了透明转发卫星有效载荷，明确了上行/下行隔离。

图2 透明转发载荷

透明转发有效载荷属于单天线波束卫星，其中每个发射和接收天线只产生一个波束。图2显示载波经过功率放大，频率下变频。与每个子波段相关联的放大链称为卫星信道或应答器。带宽分割是使用一组滤波器实现的。再生有效载荷(多波束)天线将有许多输入/输出作为上行波束/下行波束。从一个上行波束到一个给定的下行波束的载波路由意味着在无线电频率上的板上切换。用于科学目的的低轨道卫星通常使用单波束天线。

卫星平台由允许有效载荷运行的子系统组成。这些分系统分别是:结构分系统、电源分系统、温度控制分系统、高度控制分系统和通信分系统(见图3)。

该结构提供了必要的机械支撑。供电子系统提供必要的直流电源。高度控制分系统稳定卫星并控制其轨道。温度控制系统将各个子系统的温度保持在可容忍的范围内。所有这些功能均由板载计算机子系统控制。

原则上，一些任务仅靠一颗卫星就可以实现，但为了服务的实时连续性和大范围或全地球覆盖，必须将空间段组织为单层或多层星座。单层网络仅在相同高度的卫星之间提供相互通信，而多层网络使不同轨道的卫星之间能够通信。多层网络更复杂，但更可取。

图3卫星平台方案

与卫星-地面综合通信网络相关的现役卫星项目包括拥有66颗卫星的铱星星座、拥有648颗卫星的OneWeb星座；亚马逊已经申请在其柯伊伯星座发射3236颗航天器，以及Telesat，倡议拥有117颗航天器星座。图4显示了OneWeb现有网络的一部分，显示了其纵向轨道平面。

图4OneWeb纵向轨道平面

在我们看来，最震撼的活动是由SpaceX公司进行的，其Starlink星座计划由4万颗小型LEO卫星组成，分为三层部署，致力于最大限度地向全球覆盖宽带互联网服务，并与地面站(收发器)相结合，组成一个卫星-地面综合网络，提供实时全球宽带服务。图5给出了550公里高度的Starlink单层星座。

图5 550千米高度Starlink卫星单层星座

地面站是在地面上配备适当设备用于与卫星通信。地面站的功能是以最可靠的方式从卫星接收或发送信息，同时在目的地保持所需的信号质量。科学任务原则上只需要一个地面站就可以完成。建立更多地面站的原因是为了增加每个观测对象或区域的覆盖范围和测量数量，并实际提高数据下载能力。卫星与地面站之间的通信是在卫星合并在自己的轨道上时建立的，并且从地面站可以看到它。

地面部分由所有地面站组成。这些台站通常通过地面网络与最终用户设备相连。站点根据其大小来区分，大小根据要传输的通信量和通信量的类型(语音、视频或数据)而变化。地面站经历了巨大的缩小。最大的地面站通常配备直径30米的天线(国际通信卫星组织网络的标准A)。最小的地面站通常有0.6米的天线(卫星电视天线)。有些电台既发射又接收，有些电台只是接收(RCVO)电台。

地面站的总体结构由天线分系统及其相关的跟踪系统、发射和接收设备、监测系统和正常电源组成。图6为地面站接收和发射支路的典型结构。这是一个单天线系统，上行链路和下行链路分离是通过双工器实现的。

图6典型卫星地面站的结构

控制部分包括用于控制和监测卫星的所有地面设施。这就是所谓的跟踪、遥测和指挥(TT&C)。

二、国内外卫星星座建设情况

目前来说，国外有两个主要星座：（1）OneWeb，2020年前后向全球寻求资金发展，当前有600多颗卫星升空；（2）Starlink，2018年左右星链发射了两颗试验卫星。一期工程为100万个终端客户服务。星链2代在1代的基础上，卫星重量由200公斤提升到1吨、卫星天线也会加强，介时，手机不做任何改动可以直接连接到卫星并接入互联网。

下一代LEO巨型星座示例

截至2023年12月12日，Starlink共有5479颗在轨，其中4786颗卫星处于正常工作状态。

图7Starlink在轨运行情况

随着我国卫星发射需求的增加，以固定的卫星发射中心和海上发射平台相结合的方式，将卫星互联网试验星陆续发射进入轨道。

根据最近业内某次商业航天活动上的PPT显示，我国正在加速推动大型星座建设，以GW星网、G60、银河航天等为代表的星座正在紧锣密鼓的研发和试验。其中，GW星网和G60星座的卫星数量将达到1万颗以上。

我国的LEO卫星星座应用类型将主要聚集在通信、遥感、数据采集和导航增强等方面，轨道运行在500km~1200km高度左右、卫星的重量根据载荷功能的不同，在10kg~600kg之间。

图8 我国大型星座建设情况（图源网络，注：图中重量合计单位（t）应改为（kg)）

除上图显示的星座之外，实际上还有虹云、鸿雁、翔云等卫星互联网星座。

卫星互联网发主要应用场景主要有：

• 偏远地区：卫星电话、互联网电视、卫星宽带
  

• 海洋作业及科考：卫星定位、海事卫星电话
  

• 航空：机载WIFI等
  

• 应急通信：应急呼叫、数据保护恢复和灾备等

  
  

卫星互联网组成，可以用下图描述。

图9 卫星互联网组成（图源自华金证券）

图10 卫星互联网与应用场景（图源自华金证券）

虽然参与卫星互联网建设的企业和科研院所较多，大大小小出现了10几个星座建设计划。但需要指出的是，PPT与建成投入运行之间存在太多不确定性，如何与地面网络形成融合互补，在建设成本与收益之间取得战略平衡，为国民经济发展和社会发展注入新活力，依然值得业界思考。

回看5G建设的状态，商业生态与市场应用，将决定相关企业的营收和发展前景。

对于从事移动通信、卫星通信等领域的FPGA、ASIC、信号处理算法等工程师而言，可进一步深入研究基站、终端、多波束天线系统等设备研制技术，把握新一轮新科技发展机遇期。

特别是LMS算法、RLS算法、LCMV算法、MVDR算法、高速基带芯片、SAR图像处理、RF芯片、毫米波有源相控阵天线、无线AI、通感融合、RNSS授时、惯导、5G NTN、多址等技术。

参考文献

1. Shkelzen Cakaj，《Ground Station Design and Analysis for LEO Satellites：Analytical, Experimental and SimulationApproach》

2. 华金证券研究报告：《卫星互联网：低轨卫星启动，空地一体通信来临》