小卫星通信发展概述

来源：电科小氙，作者： 丁雪丽

卫星向小型化发展是全球卫星产业的主要发展方向之一。按照国际上普遍接受的标准，小卫星一般质量在500kg以下，相比于大型航天器，具有研制时间短、开发/发射费用低、机动灵活、组网能力强等优势，再加上微型器部件、集成化综合电子、易于标准化/模块化的立方体卫星、微小卫星姿态确定和控制系统等技术的发展，小卫星在政府和商业航天领域的应用越来越广泛。

1小卫星应用发展特点及通信需求

（1）小卫星在应用中多采取分布式空间系统（DSS）的配置形式

单颗小卫星由于物理尺寸小、携带的载荷尺寸/数量有限，因此功能有限；而多颗小卫星协同工作则可以克服上述限制因素，提高利用率和扩大覆盖区域。小卫星生产成本较低有利于生产多颗同样/改型的小卫星，共同完成同一任务；或多颗小卫星携带不同载荷完成不同任务。由多颗小卫星构成一个系统实现特定应用还会因为系统冗余而降低系统总体风险。总之，多颗小卫星协作可以提升系统的适应性、伸缩性、可重配置能力和经济效益。从近年来发射/计划发射的小卫星项目看，以多星应用为主，采取分布式空间系统（DSS）的配置形式，如星座、星群、编队飞行等，即两颗或两颗以上的小卫星按一定要求分布在一种或多种轨道上，共同合作完成某些空间飞行任务（如观测、通信、导航等），从而实现更大价值。

星座一般由位于不同轨道平面的相同卫星组成，强调服务范围覆盖全球。分布在轨道上的各颗卫星主要目的是增加对地面的覆盖面积，或者缩短重访时间。这些卫星执行相同功能，即使一颗或多颗卫星出现故障，系统仍可运行。

星群中各颗卫星的配置并不完全相同，实现任务目标依靠一颗以上的卫星，星群成员间通过无线连接共享卫星资源。星群不一定需要编队飞行，星群中的各颗卫星也可松散地部署于轨道上，成员之间保证在彼此的通信范围内。

编队飞行则由若干颗卫星保持特定队形飞行，各星相互协同工作，共同承担信号处理、通信、有效载荷等工作，共同完成飞行任务。

（2）小卫星星间通信组网技术成为分布式小卫星系统的关键技术

通信系统是小卫星系统的基本组成部分，向地面传送载荷数据与遥测信息并接收地面指令。通信可以直接在星地间完成，也可通过一个或多个天基通信中继完成。

随着小卫星星座、星群和编队飞行任务的发展，星间信息交互成为必需，要求建立可靠的星间通信链路，将多颗小卫星有效地互连到一起。小卫星之间通过星间通信链路完成各种先进功能，如分布式处理、卫星服务或接近操作、自主运行等。利用星间通信链路，不再需要使用大量地基中继系统和全球跟踪系统，还可提供姿态控制，维持小卫星间的相对距离。星间通信支持大容量高速率传输、实时数据交付，还能够提供系统内不同航天器间的绝对互操作性。星间通信通过交换姿态与位置信息实现导航与编队控制并维持航天器间的时间同步。因此，星间通信组网已成为小卫星通信的关键技术。如何建立可靠的小卫星星间通信，实现各类数据的实时、可靠、高效传输，成为一项迫切需要解决的核心问题。

2小卫星通信发展现况

2.1 星地通信仍以RF通信为主，正向更高频段（X到Ka）发展

目前，小卫星星地间通信仍以RF通信为主，VHF和UHF是应用较为成熟的频段，近年来正向更高频段（X到Ka）发展。小卫星尺寸小，电功率有限，影响了无线电及相关天线的数量、尺寸和类型。RF硬件的尺寸、质量和功率取决于频率。低频电台更小、功率更低，成本更低，更适于小卫星；而高频电台一般更大、更重、功率更高，其主要优势则在于可用带宽和数据率更高，可满足更大量用户/更复杂通信应用的需求。

Ku、K和Ka波段通信已在大型卫星尤其是星间通信中采用，但在小卫星领域还仍然是新技术。目前业内有些公司如Aquila Space、Micro Aerospace Solutions、NewSpace Systems、Tethers Unlimited等都在研发可在立方体卫星上使用的Ka波段通信系统。

小卫星地面通信站与卫星交换数据，传输文本和图像等数据。卫星与地球站的通信现在多采用CDMA（码分多址）技术。在功率受限和天线小的情况下，与FDMA（频分多址）相比，CDMA 具有抗多径、抗干扰、易切换和扩容等特点。小卫星的高多普勒频移给下行接收技术带来了较大挑战，全数字调制解调技术和软件无线电技术的应用使小卫星技术得到迅猛发展。

从所用天线技术看，大型航天器通常采用的截抛物面天线与小卫星集成很困难。随着小卫星姿态确定与控制精度的提升，研发人员提出了新的方案，如可充气式截抛物面天线。由于目前小卫星大多运行于低地球轨道上，因此多采用鞭状天线或片状天线。这些天线定向性低，即便是当航天器翻滚时，也能维持通信链路，这对缺乏精确指向控制的小卫星而言是有利的。鞭状天线一般用于VHF和UHF通信；片状天线则一般用于UHF到S波段，正在探索用于立方体卫星上的X波段及更高频率天线阵列中。

2.2 星间通信：以小卫星编队/星群为背景的动态星间组网技术是研究热点

小卫星星间通信组网技术的研究，早期以星座组网应用背景居多，技术已相对比较成熟。近年来由于小卫星编队和星群飞行应用需求的迅速增加，以小卫星编队/星群为背景的技术研究成为了热点。

随着小卫星编队飞行/星群应用的发展，开始在空间部署类似于传感器网的小卫星网络。这类系统的星间通信主要目标是实现自组织、自适应、智能化的星间通信网络，可动态适应卫星数量变化、编队构型变化。

小卫编队/星群星间通信的设计受到很多因素的限制，主要包括：

• 网络拓扑：小卫星系统中，网络拓扑可以是固定的，也可能是不断变化的。

• 数据传输频率：分布式空间系统中卫星间需要交换四类数据：科学数据、导航数据、航天器健康/状态数据、指挥/控制数据。数据交换频率取决于任务需求。

• 带宽需求：执行先进功能的小卫星网络需要高带宽，很大程度上取决于任务和数据传输频率。

• 实时接入：将网络延伸至空间需要在无人为干预的情况下自主传送数据。有多种小卫星应用如卫星服务和接近操作等，数据分组需要以最低延迟发送。卫星需要实时接入此类应用的通信信道。

• 每颗卫星的处理能力：根据任务的不同，每颗小卫星具有不同的处理能力。对于集中式系统，系统内的母卫星相比子卫星具有更高的处理能力。子卫星可向母卫星传送原始数据，由其处理数据，降低数据量，执行必要的纠错并将其发回地面站。而对纯分布式网络，系统内每颗卫星的处理能力相差不大。

• 可重配置与伸缩能力：小卫星传感器网络的两个重要需求是可重配置能力和伸缩能力。这些网络内实现的应用和协议应检查节点故障或新增加的节点，自我重配置以维持任务目标。OSI各层的设计应支持不同网络体系结构，控制网络拓扑并帮助实现高伸缩性。

• 连接性：空间环境挑战和节点移动性造成低功率小卫星会定期丢失彼此间的连接。极为需要这类连接时断时续环境下的组网技术，因为许多地面协议并不适于这种环境。路由是需要克服的最大问题。

• 数据大小不同：根据任务应用，数据大小从几kb到几Mb不等。协议的设计应能够适应数据大小的变化。

基于通用性考虑，目前对小卫星编队/星群的星间通信体系结构研究多集中在物理层、数据链路层和网络层。

（1）物理层：仍以射频链路为主，天线设计是关键

国际电联（ITU）已分配一些频段用于星间通信，包括RF和光两种介质。由于激光链路波束捕获、跟踪很困难，特别是对于高速运动的低轨小卫星编队/星群，所以小卫星动态组网目前仍主要采用射频链路。从已发射和计划发射的这类小卫星任务看，以UHF和S波段为主。VHF到Ka波段均可用于星间通信，但小卫星需具有足够的功率支持高频传输与接收。

卫星间物理链路连通是组网传输的基础，其中天线设计是关键。目前提出的适用天线包括体积紧凑、结构简单的宽带波束隔离天线和在波束控制能力和天线增益方面占优势的天线阵列。

由葡萄牙和巴西合作的GAMANET项目进行了S波段星间链路实验，该项目以创建空间大型Ad Hoc通信网络为目标。GAMANET空间段三轴稳定卫星和旋转卫星分别采用3个和6个天线用于星间链路。这一结构能够根据星对星和星对地无线电射束控制卫星表面上的多个天线。根据链路预算，使用3W发射功率卫星间最远通信距离达到1000km。

射电天文用在轨低频天线（OLFAR）项目中星间链路的天线设计受到很大关注。该项目使用的射电望远镜由综合孔径干涉仪阵列组成，使用一群纳卫星实现，每颗卫星携带一个天线阵元。由于卫星的自由漂移，卫星间的距离和方位随时间不断变化，因此任一方向上的星间链路都很难维持。

（2）链路层：MAC协议是研究重点，CCSDS链路协议有望发挥重要作用

链路层解决系统内多颗小卫星如何共享链路的问题，直接决定了星间通信组网的动态性、自组织、自适应能力等关键性能。MAC协议在整个系统性能中扮演着关键角色，也是目前小卫星星间通信研究的重点。

大量小卫星可应用地面传感器网络概念构建卫星传感器网络，完成不同空间任务。网络内的节点应遵循一定的规则或协议，使节点能公平地访问信道，并能使信道得到高效利用。协议决定一定时间内哪一节点可以访问共享信道，避免节点间发生冲突。

MAC协议需要自动适应伸缩性、适应性、信道利用率、延迟、吞吐量和公平性等需求的变化。目前针对小卫星系统星间通信正在进行多种不同的多址方法研究，建议采用的协议如CSMA/CA/RTS/CTS、采用AX.25实现TCP/UDP、TDMA、半双工CDMA、LDMA（CSMA/TDMA混合）、TDMA/FDMA混合、TDMA/CDMA混合等等，这些协议适用的网络拓扑不同，各有优缺点，如何选择主要取决于任务目标和整个系统中卫星的数量。

目前，国际空间数据系统咨询委员会（CCSDS）针对空间飞行通信确立的链路协议标准还未在小卫星任务运行中广泛应用。这些标准大多针对深空任务应用设计，适用于信号传播延迟长的环境，与目前大多数小卫星运行的低轨道环境极为不同。不过，随着小卫星深空科学与探索任务的逐渐发展，由于CCSDS链路协议如Proximity-1适用于行星轨道航天器，CCSDS标准有望在未来小卫星通信中发挥重要作用。目前，针对CCSDS Proximity-1应用于编队小卫星群星间通信链路和星间测距已有一定的探讨，该协议标准应用于编队卫星中，还需在物理层、链路层、安全抗干扰等方面进行完善。

（3）网络层：以路由研究为主，研究相对较少

网络层主要解决多颗卫星组成星间网络的路由选择问题，目前对于卫星编队/星群星间网络路由技术的研究还较少。但是，随着小卫星编队/星群规模的增加，网络的规模和复杂度也随之提升，设计合适的路由算法也成为必需。表1总结了目前提出的应用于小卫星的路由技术。

3小卫星通信发展趋势分析

3.1 地球观测、互联网与移动数据应用驱动新一代空间通信基础设施发展

数据通信是未来小卫星集群或星座面临的一个很大挑战。未来的小卫星星座依靠大量小卫星实现任务目标，这些星座对空间通信体系结构造成了很大影响。地球观测、互联网与移动数据将是小卫星应用的重点。2016～2018年，地球观测预计将占小卫星产业应用的73%。地球观测包括成像、空间天气等应用，小卫星携带的传感器收集大量数据并必须将这些数据发送至地球。

随着智能手机数量激增和数据连接需求持续爆炸性增长，小卫星应用也瞄准了移动数据和数据接入市场。SpaceX和Google公司已经在部署低轨小卫星网络提供全球宽带覆盖。OneWeb、LeoSat、O3b等公司均计划建设小卫星星座提供全球数据和互联网服务。互联网和移动数据（包括话音）一般需提供低延迟持续覆盖，并维持Mbps数量级的数据率。

这些新兴星座与集群的数据速率、延迟和覆盖目标已超出现有通信技术的能力，影响着新型通信体系结构的设计。下一代天基通信基础设施必须满足数据率、延迟与用户数量的需求，还必须有实用的小卫星用电台与天线。

地球观测应用需要星上大数据存储能力或是增加下行传输机会。下行链路机会较少的情况下可采用存储转发通信体系，需要有大容量数据存储（1Gb到10Tb以上）和高速率（可能从100Mbps到1Gbps）发射机能够及时将数据下行传送。这些硬件组件增加了航天器的尺寸、重量和功率需求。增加下行传输机会可以简化航天器上的硬件，但会导致基础设施成本升高。如果面向大量地面站传输，发射机技术一般继承性高，风险低，但安装和维护地面站的成本会造成系统成本上升，。另一增加传输机会的选择是使用其他卫星甚至是无人机作为通信中继，卫星中继甚至可作为星座的一部分。

互联网和移动数据应用更具挑战性，因为需要提供持续覆盖，让用户获得与使用智能手机类似的体验。地面4G和LTE上行链路速度约1Mbps到5Mbps，下行速度约5至12Mbps。目前对小卫星数据星座的网络体系结构公开信息尚不全面，但可获得一些合理的推断。OneWeb使用专业的、价格可承受的、自安装的小型用户终端。手机和WiFi设备与用户终端通信，用户终端再与卫星通信。LeoSat未透露在无地面站干预的情况下如何实现点对点数据连接，无地面站意味着使用星间交叉链路和专业的端点终端。O3b卫星使用专业的大型地面终端，地面终端与本地基础设施相连。例如，O3b卫星能作为蜂窝塔与移动核心网间的链路。对于数据服务星座，持续全球覆盖需要有适当的机制确保卫星过顶时，即用户从一颗卫星切换到另一卫星时，用户仍能获得持续连接。新卫星的采购、数据时间要求、小卫星间的可能干扰，均增加了这一切换过程的复杂度。另外，还必须考虑到地面终端复杂性有限的问题。服务于大量用户还需要有更先进的多址方法。最近新部署的高通量卫星（HTS）系统采用与地面蜂窝系统类似的空间与频率分集方法，HTS平台有多个点波束，相临点波束频率不同，但某一频率可被非相邻点波束重复使用。该技术将支持新兴地球观测和数据应用。

3.2 创建Ad Hoc分布式小卫星网络

随着小卫星星群/星座概念的引入与测试，需要创建Ad Hoc分布式小卫星网络，这些小卫星相互配合并作为一个整体发挥作用。在此概念内，典型的网络体系结构将由两类航天器组成：

• 通信与计算卫星：即通信与计算网络Hub，提供计算能力并负责星对地数据传输，是整个网络（星座/集群）的最终神经中枢。负责从其他星座/星群节点接收数据，将汇总数据下传至地面，并与不同轨道上的其他通信与计算卫星交互，维护所有下属的分布式传感器卫星。

• 分布式传感器卫星：Ad Hoc传感器节点，基于其载荷执行任务。这类卫星平台可以设计为携带任意类型的集成载荷，负责完成其载荷所能执行的所有测量，将收集到的数据配置到广播分组中并发送至通信与计算卫星；与其他分布式传感器卫星交互，执行基本的内务处理活动。通常，分布式传感器卫星不与地面通信。

这样，，允许针对一系列应用（如天气预报）同时进行测量。

这一特定体系结构带来三种主要能力：

• 地面最终用户立即更新；

• 高精度快速收集空间分散的数据测量结果；

• 许多不同空间任务都可利用ad hoc无线网络。

NASA一直在EDSN/Nodes项目下演示小卫星网络，目前已成功演示了空间分布式小卫星星群的协同运行及所需的相关关键通信技术。

3.3 利用软件定义无线电（SDR）提升RF通信能力

改进基于RF通信系统的一个趋势是开发SDR。SDR灵活性高，支持使用多个频段、多种滤波和调制模式，具有可重配置、可重编程能力，可以通过编程支持新的通信标准，也可通过从地面上传新设置，修改在轨电台特性，而无需更换硬件。随着电子设备越做越小，所需功率越来越低，SDR可以做得越来越小，功效越来越高，因此对小卫星极具吸引力。SDR可使小卫星实现认知与自适应操作，多模式运行、无线电重配置和远程升级。尤其是在分布式空间系统中，SDR的灵活性支持使用更稳健的多址方法，并使用一个硬件完成不同功能。而对于多普勒频移高度动态变化的轨道间星间链路，SDR也可提供更稳健的链路。

自2012年以来，NASA一直在国际空间站上运行空间通信导航测试床，目的之一便是推进SDR技术成熟。SDR消耗的功率一般较高，而小卫星功率有限。解决这一问题的方法是一个SDR单元作为多个电台使用，通过在轨重编程工作于多个波长。另外，为了支持未来功能并灵活地针对不同任务改变配置，需要为SDR预留一定资源，这同样增加了对小卫星的尺寸、质量和功率的要求。安全问题也是一个挑战，例如，通过未经授权甚至是恶意软件对系统进行非法篡改，使得无线电设备因超出硬件属性范围而引起设备损坏，或干扰其他无线用户的正常通信。

目前业内已推出了一些小卫星使用的软件定义电台。Tethers Unlimited公司的 SWIFT-RelNav提供卫星间的距离感知精度优于10cm，星间交叉链路数据率达到12Mbps，误差率10-6，授时/频率同步优于1纳秒，能够实现10km内的星间链路通信。NASA在交叉链路集成开发环境（CLIDE）项目中使用Spectrum SDR-3000，降低了卫星星座成本，可实时提供关键的科学数据。这些星间直接链路支持网状连接和Ad Hoc组网，因而可确保卫星通信网络能够提供全球覆盖。约翰•霍普金斯大学开发的Frontier系列电台中的轻型Frontier电台，工作于UHF到S波段，已成功用于Nodes立方体卫星任务中的星间链路。

Frontier轻型电台成功用于小卫星星间链路

3.4 利用激光通信提供高速率通信

目前，受电功率有限、低增益天线以及可用无线电频谱等因素的影响，通信系统仍是制约如地球观测等产生大量数据的小卫星应用的一个因素。而激光通信则为此提供了解决方案。在光波段，利用物理尺寸很小的孔径就可实现极高增益，相比于RF系统，激光波束更为集中，能大大提高航天器单位功率所能发射的信息量。星对地与星间卫星交叉链路采用激光通信技术也不会受到与RF通信相同的干扰问题影响，而且光频段还未得到充分利用。

激光通信目前已在一些较大航天器上（大于100kg）进行了演示，如NASA月球大气与尘埃环境探测器（LADEE）任务中的月球激光通信演示（LLCD），地球与月球之间可实现20Mbps上行链路和622Mbps下行链路，下行发射仅使用0.5W的功率。LLCD系统的质量和功率分别约为32kg和137W。一些公司，包括TESAT和RUAG，也正在开发激光通信技术，实现卫星与地面终端间的通信。星对地光通信，尽管已演示了高速率和远距离能力，但视距阻挡，如地形、建筑物甚至云的阻挡都会造成系统性能显著下降。这一点有望通过地面站分集克服。

针对更小卫星主要是立方体卫星的星上激光通信已处于系统/子系统开发阶段。Aerospace公司的光通信与传感器演示（OCSD）任务，在NASA小卫星技术项目的资助下，将解决NASA关心的两项能力：高速光数据传输和低成本传感器。主要目标之一是演示立方体卫星下行激光通信的可行性，预计速率达到200Mbps，是当前先进立方体卫星通信系统的100倍。

小卫星星间光通信正成为热点研究课题。星间光通信不太容易受到星对地通信主要缺点（视距阻挡）的影响，但航天器光波束指向校准是难点。美国麻省理工学院计划在自由空间激光通信与辐射实验（FLARE）任务中演示星间激光交叉链路，试验范围为200km。当前设计包括85mm接收孔径和基于商用现货电信硬件的1550nm激光发射机。欧洲航天局（ESA）和Inmarsat共同资助的Inmarsat通信演进（ICE）项目中，一项重要研究内容是推进高速星间光通信链路的发展，将采用瑞士RUAG公司的光技术。

FLARE原型设备通信链路演示

另一种技术就绪度还比较低的技术是非对称激光通信。这种链路，激光硬件位于地球上（不需要星上信号载波），调制后向反射器（MRR）位于航天器上。MRR调制激光波束（用航天器数据对其进行编码），将其反射回地球。由于激光设备位于地球上，功率和空间受限制较小，航天器上的通信载荷仅需几瓦的功率即可运行。美海军太空与海上作战系统司令部（SPAWAR）正在开发这种技术，使用基于MEMS的MRR，而NASA Ames研究中心也在研发相似的能力，使用调制量子阱（MQW）设备作为MRR。

非对称激光通信

4结语

在政府和商业市场需求牵引下，小卫星系统技术高速发展，应用模式加速创新，在通信、地球观测、深空探测和科学技术试验领域具有巨大应用潜力。小卫星应用已经发展到能执行过去昂贵的大型卫星才能完成甚至无法完成的任务。

星座/星群组网是小卫星发挥效能的重要途径。全球泛在的网络接入、物联网连接服务需求持续高涨，推动低轨通信小卫星星座发展掀起热潮，大量新提出的通信系统正处于设计和研制阶段，其部署将推动下一代空间通信基础设施的发展。

包括数十颗甚至上百颗的微小卫星的星群项目也层出不穷，具有星间通信能力的小卫星系统具有广泛应用需求，是分布式卫星系统发展与研究的主要方向。未来空间任务需要的分布式空间系统将由很多先进的、智能的、价格低廉的空间小卫星组成，这些卫星彼此通信，有望提供无以伦比的通信和计算能力。而小卫星系统系统在接收和发射端均受到限制，如，功率、质量、天线尺寸、星上资源、计算能力、间歇性通信链路等。深入研究由小卫星组成的自主异构网络的通信体系结构仍有大量工作要做；尺寸和功率参数适应小卫星需求的高速率数据通信将是持久挑战；对连续可用、持久覆盖的追求将驱动星间通信能力进一步发展。

另一个很重要的开放研究领域是RF干扰问题，小卫星组网提供通信服务将加剧有限频率资源的竞争，OneWeb宣称已经开发出一种新方式来避免电信频率干扰。而成百上千颗小卫星对于遥感的需求，也会加剧频率短缺问题。

全球“当红”小卫星通信星座及应用前景

来源：卫星与网络（satnetdy），本文刊登于《卫星与网络》杂志2017年6月刊，作者：王晓海

摘  要

本文论述了基于小卫星星座的移动互联网系统研究现状及应用发展情况，介绍了国外典型移动互联网系统项目与计划，探讨了移动互联网系统相关的应用。

基于小卫星星座的移动互联网系统及应用发展

前言

随着智能移动终端功能日渐丰富和成本降低，互联网应用服务发展蓬勃，新形态的全球互联网业务纷纷涌现，蒸蒸日上。集语音、信息、多媒体、游戏和互联网广播及双向通信于一体的移动互联网应用服务丰富多彩，互联网对传统通信广播渠道的渗透和市场抢占趋势更加迅猛。

以多媒体通信为代表的网络新技术和新业务的出现及爆炸式增长，对互联网接入传输能力提出了更高的要求，移动互联网已成为人类文明进步和社会发展的最有力平台。建设覆盖广泛、经济实用的卫星互联网，成为世界各国为推动经济增长而大力构建的重要基础设施。

自20世纪90年代以来，小卫星星座通信系统开始受到各国广泛关注，特别是以全球无缝卫星覆盖、可手持终端和大容量为主的移动卫星通信系统发展尤为迅速。多家企业提出打造由低轨小卫星组成的卫星星座，为全球提供互联网接入服务，在短期内迅速聚集人气，引发全球强烈关注。

国外典型移动互联网系统项目与计划

2.1 Iridium Next系统

铱星（Iridium）系统是世界上第一个全球覆盖的无线数字通信系统，采用低轨（LEO）解决了地球静止轨道（GEO）的大延时问题，铱星全球网络是唯一能真正提供全球化非对称通信的系统，并且具有高可靠性，也是第一个采用大规模星际链路的卫星通信系统，具有复杂的星上处理能力，可为手持机用户提供全球个人移动通信服务。

铱星公司于2007年提出铱星下一代（Iridium Next）计划，第二代铱星系统具有更宽的带宽潜力，更加灵活的带宽分配，更多的增强服务和更高的数据速率，单星质量为800kg，计划于2015年开始发射，2017年完成部署。

铱星下一代卫星提供L频段1.5Mbit/s和Ka频段8Mbit/s的高速服务，采用48个L频段相控阵天线，覆盖地球表面直径达4700km，可提供蜂窝模式卫星通信。Iridium Next移动用户的最高数据速率可达128kbps，数据用户可达1.5Mbps，Ka频段固定站不低于8Mbps，Iridium Next主要瞄准IP宽带网络化和载荷能力的可扩展、可升级，这些能力使得它能够适应未来空间信息应用的复杂需求。

图1  Iridium Next卫星

2.2 Globalstar-2系统

全球星系统是由美国劳拉高通卫星服务公司LQSS(Loral Qualcomm Satellite Service)运营的低轨道卫星移动通信系统。

Globalstar-2于2010年开始建设，并随着2013年2月6日最后6颗星的成功发射，从而完成了由24颗卫星组成的低轨移动卫星通信星座的部署。Globalstar-2卫星质量为700kg，采用2片3联太阳能帆板，初始功率为2.2kW，末级功率为1.7kW。卫星轨道高度为1414km，轨道倾角52°。卫星采用简单、高效、可靠性强的“弯管式”转发器设计，装载多台C-S 频段和L-C 频段转发器。

Globalstar-2卫星系统除南北极以外在全球范围内可实现无缝覆盖，提供低价的卫星移动通信业务，包括话音、传真、数据、短信息、定位等；提供的服务包括一键通与广播、先进的短报文能力（MSS）、移动视频、GEO 定位、多频段与多模手机、GPS集成数据设备等。

Globalstar-2卫星系统推出了基于卫星的WiFi服务，也叫Sat-Fi。Sat-Fi路由器与卫星相连形成热点，用户直接通过智能手机安装APP连接后就能上网，可以实现话音、邮件、短消息等业务，一台Sat-Fi设备最多允许8名用户同时接入，可提供最大发射功率为100mW，有效覆盖范围为100英尺（约30.48m）。

图2  Globalstar-2卫星

2.3 Orbcomm Geneation-2系统

轨道通信（Orbcomm）是美国轨道通信公司开发的全球非实时、低速率数据传输系统。它是目前全球第一个，也是惟一一个广域、分组交换、双向数据通信的低轨小卫星通信系统，用于短数据通信，同时兼备定位能力,使用其通信服务的企业和政府机构能够有效跟踪、监测、控制拥有的固定或流动资产。该系统主要特点是业务类型单一、费用较低，是全球唯一专门从事窄带数据通信的商业通信系统。

2008年，Orbcomm公司与内华达山脉公司（SNC）签署了一份下一代卫星星座合同，建造18颗Orbcomm Generation-2（OG2）卫星。2014年7月，第一批9颗卫星已成功发射，2015年12月，第二批11颗卫星也已成功发射，完成组网。第二代卫星系统提供了更高的吞吐量、更快的数据传输速率和先进的技术，确保用户的通信性能比以往任何时候都高效、可靠和全球性。第二代Orbcomm卫星系统可支持用户数量是第一代卫星的12倍，数据传输速率更快，传输量更大。相对于目前的OG1星座，OG2卫星星座拥有先进的通信技术，每颗OG2卫星相当于6颗OG1卫星，在高纬度地区拥有更快的数据连接和传输能力，可用邮件容量更大，同时减小了终端天线的尺寸和功耗，电池具有更强的续航能力。第二代Orbcomm卫星星座具有向下兼容性，第一代用户通信终端设备可与第二代卫星实现无缝链接。

此外，第二代Orbcomm卫星配备自动识别系统（Automatic Identification System，AIS）有效载荷，接受与报告来自配备AIS的海上船只的信号，它将在海上船只避碰、助航、搜寻、救助等各方面有着广泛应用。OG2安装的AIS载荷，可为船只提供循迹追踪。大多数陆基AIS系统仅提供有限的岸基覆盖，因此在追踪和监视船只时不能实现全球性、开放性的覆盖，轨道通信系统克服了这个问题，利用其独特的卫星AIS数据服务，可以监控船舶的位置和状态范围远远超出了沿海地区，可协助导航并提高海上安全，其应用领域包括搜救、事故调查、反海盗和环境监测等。

图3  OG2卫星

2.4 O3b计划

谷歌近年一直在推动一项宏伟的计划—O3b计划，即无法享受常规互联网宽带接入服务的“其他30亿人”（Other three Billion）。O3b卫星由泰雷兹—阿莱尼亚公司设计研发，计划由16颗卫星构建全球星座通信系统，目前已发射12颗。单星质量低于700kg，设计寿命10年，运行于8062km的中圆轨道，覆盖南北纬45°内的区域，极限覆盖范围为62°。卫星运行轨道接近赤道平面，轨道倾角0.1°，轨道周期为360分钟。每颗卫星拥有12副Ka频段天线，可形成2个关口站波束和10个用户波束，每幅天线可±26°旋转，跟踪地面固定位置，波束覆盖直径为700km。星上拥有12个65W行波管放大器，点波束采用左旋和右旋圆极化技术，单波束可用带宽为2×216MHz，信息速率高达2×800Mbit/s。

O3b星座采用弯管式透明转发体制，没有复杂的星上处理，因此在全球建立了多个关口站，用于构建O3b地面骨干网，卫星与关口站互联形成全球网络，为用户提供灵活、可靠、安全的互联网接入服务。此外，O3b提供形式多样的终端以满足不同用户的需求，通过采用先进技术，使得终端带宽利用率高、布置简单、供应可靠、并且易于维护。

图4 O3b星座

2.5 OneWeb计划

OneWeb公司启动世界上最大的卫星互联网计划，将发射648颗卫星建立一个覆盖全球的低轨道卫星高速通信网络，后续还将发射2400颗卫星，以提供宽带互联网接入服务。

OneWeb的卫星可以实现36倍的通信速度提升。这些卫星使用Ku波段，微波通信范围在12-18GHz之间，每颗卫星的数据输出量约为6KMB/s。由于应用了“渐变间距”技术，OneWeb卫星可以避免与同处于Ku波段的地球静止轨道卫星的互相干扰。

OneWeb的720颗低轨道卫星距地球表面1200km，在卫星飞越赤道的过程中，其专利“渐进俯仰（progressive pitch）”技术能逐步改变LEO卫星信号发射的方向和电平值，从而消除对GEO卫星的干扰。全系统工作频率如下表所列：

表1  OneWeb系统工作频率

注：12.75~13.25GHz的用户波束上行链路、19.7~20.2GHz的馈电波束下行链路仅在美国境外使用。

● 720 颗卫星（18个轨道面，每轨道面40颗卫星）。

● 每颗LEO卫星有16个椭圆形用户波束（工作在Ku频段）和2个馈电波束（工作在Ka频段）。

● Ka频段的馈电波束采用双圆极化。

● 全球共分布50多个地面Ka关口站（美国至少有4个）。每个关口站配置数量10副以上的天线，每副天线口径为2.4m或更大。

● 设计用户终端天线尺寸为30~75cm，或为机械式双抛物面天线、或为低成本相控阵天线。

图5  OneWeb星座

2.6 Outernet计划

2014年，美国媒体发展投资基金（MDIF）发起了外联网（Outernet）项目，该项目计划借助数以百计的人造卫星为全球提供全天候的免费WiFi接入。MDIF计划向近地轨道发射150余颗立方体卫星，这些卫星在进入预定轨道后能够接收来自地面基站释放的网络数据，然后对这些数据进行解析，并转换成无线网络释放到地球上的接收方处。此外，计划要在地面建立基站向卫星发射数据流，在卫星上使用基于用户数据报（UDP）的WiFi多播技术，将解析后的数据转换为无线网络传播到世界各地。

2.7 STEAM计划

SpaceX计划打造由4000多颗小卫星组成的互联网星座STEAM，在全球范围内提供互联网接入服务。目前，SpaceX已经通过挪威政府向ITU申报了频率和轨位，从申报的情况来看，卫星数量4257颗，使用Ku和Ka频段，运行在43个轨道面。此外，SpaceX还通过美国无线电通信委员会（FCC）向ITU申报了6~8颗Ku频段试验星，首发星MicroSat-1a和MicroSat-1b预计寿命1年，运行在轨道倾角为86.6°、轨道高度为625 km的圆轨道。

图6  STEAM星座

2.8 LEOSat计划

LeoSat致力于打造120~140颗高功率Ka频段卫星星座，提供全球数据传输服务。LeoSat星座的卫星研制与泰雷兹-阿莱尼亚公司（TAS）合作完成。根据目前签署的合同，TAS目前只负责卫星的设计评估。全部80颗卫星订单的归属还将通过招标来完成，最终根据星座设计的不同，卫星数量也有可能增至120颗。从系统设计看，LeoSat星座将会使用星间链路，甚至有可能采用光通信，因为光通信在空间会比地面光纤传输的速度还快。在单星设计方面，LeoSat将会使用高功率卫星平台，通过提高单星能力的方式减少卫星数量。

移动互联网系统技术应用分析与探讨

移动互联网是一个大型复杂的网络，具有独特的三维覆盖能力：广域复杂网络拓扑构成能力、广域互联网交互连接能力和特有的广域广播与多播能力，能够支持全球联网、远洋航行、应急救援、航天测控等重大应用的同时，向下可支持对地观测的高动态、宽带实时传输，向上可支持深空探测的超远程、大时延可靠传输，从而将人类科学、文化、生产活动拓展至空间、远洋，乃至深空。因此，尽管太空互联网的建成困难重重，但是，一旦其中一个移动互联网计划获得成功，将具有非常重要的意义和广阔的应用前景。

3.1 交通运输工具领域应用

除了偏远地区，客机是互联网的空白之一。尽管飞机上网在技术层面上早已不是难题，但如何优化和普及，各国都在积极提出解决方案。移动互联网是一种可以覆盖全世界绝大部分区域、不受航路及地形影响，数据带宽较大，网络运行较为稳定的方式，也是全球航空公司空中上网业务的主流技术模式。在飞机上实现无线上网，是未来必然的发展趋势，并且将有可能为航空公司带来巨大的收益。

传统地面网络也没有很好解决用户在高速运行的列车上网问题，因此，移动互联网在铁路领域也有潜在应用市场。中国的列车班次数量多，高铁及动车发展迅速，乘客数量巨大。由于乘车时间较长，为了提高舒适性，如果为乘客提供上网业务，很多乘客也愿意支付相应费用。

我国沿海地区有很多渔民，他们要长期外出到远洋地区捕鱼。据不完全统计，我国有渔船数十万艘，渔民上百万，同时还有大型的邮轮出海航行，移动互联网是满足海上用户上网的一种有效方式。

3.2 应急突发事件救援应用

在救灾、处理突发事件的应急救灾中，移动互联网显示出特有的优势。自然灾害难以防御，一旦发生，便会造成不同程度的损失，特别是发生重大自然灾害，例如地震发生后，大部分地面通信设施遭到破坏，外界与灾区通信中断，无法获得重灾区的灾情，进而直接影响抢险救灾工作的指挥部署。作为抢险救灾的总指挥部，必须要全面掌握灾区各方面的情况，而移动互联网具有不受地面条件限制、覆盖范围广等特点，可以快速建立通信链路，实现应急救灾，是人民生命财产安全的重要保障。

我国自然环境监测正迈向立体监测时代，通过移动互联网获取遍布于国土和领海的多种功能传感器感知的数据信息，并及时、准确地送达指定的地面控制台进行数据融合处理，可在森林火灾、洪灾、泥石流、干旱、大气质量、海洋环境、土地荒漠化及辐射环境等灾害预警预报中发挥极其重要的作用。

3.3 侦察、采集数据回传应用

移动互联网是一个复杂的网络平台，广域复杂网络拓扑构成能力与广域互联网交互连接能力，特有的广域广播与多播能力，适合作为侦察、采集数据的平台。通过全球运行的移动互联网系统，可以很容易地构建起全球性数据采集、处理、分发和应用的系统，比其他任何手段都更快捷、更安全和更可靠。基于移动互联网的数据采集和通信中继服务，将会越来越多地应用于农业、林业、渔业、矿业、海洋监测以及边境巡逻等国防和国民经济建设的各个领域，如河流、交通等突发情况监测；石油、石化、电力等大型企业巡视油/气管线；、边防、林业等部门对大范围地域实时监控；海事、渔政等部门进行大范围海域巡查。

3.4 能源通道安全领域应用

随着国民经济的发展和能源战略的实施，保障能源通道的安全问题日益突出。本系统能够实现高压电力传输线、石油天然气管道等能源通道在广域范围内的实时无缝监测，有效解决现有通信网覆盖范围受限的问题，为我国能源生命线保驾护航。

3.5 物联网等新兴领域应用

物联网是继互联网之后全球范围又一规模庞大的新兴领域，低轨卫星星座通信系统与多种具备感知、信息采集功能的物联终端结合，可形成天、空、地一体化的信息获取与传输系统，能够实现全球态势感知信息的实时回传，解决目前各类感知信息回传效能低下的问题，从而对物联网起到良好的支撑和融合作用，为我国乃至世界“感知中国、感知全球”战略的实施提供有力支撑。

3.6 太空探索、星际通信应用

移动互联网一旦实现，星际间通信将成为可能。过去，人们只能通过把航天员送到太空的方式去探索未知宇宙，通过移动互联网直播太空，今后普通公民也可以坐在家里，自由地欣赏外太空的图像和视频。同时，移动互联网可作为支持太空探索的重要手段，伴随太空技术在各个行业的应用，将发挥重要的运营保障作用。随着社会需求和通信技术的发展，卫星通信将成为必不可少的通信手段，具有广阔的应用前景。

结语

移动互联网本身具备的特点，使其成为地面互联网向空中、太空的延伸和拓展，是实现全球互联互通的基础支撑，是未来互联网的发展方向。随着信息技术和互联网技术的发展，特别是人类对空间应用的旺盛需求，将推动移动互联网技术快速稳步前进。

LEO移动互联网是未来5G时代的重要组成部分，弥补地面网络的覆盖性不足和传统卫星网络的容量不足，三者共同构成完整的天地一体化信息网络，共同服务于移动互联网和未来工业物联网。由于LEO移动互联网的特点，其构建需要精心整合全产业链，共同攻克政策、技术、市场、资本等多方面的壁垒，营造共同构建LEO移动互联网的和谐局面并分享利益。