來源：我想我思
按照衛星所在軌道高度的不同，可將通信衛星分為低軌（LEO）通信衛星、中軌（MEO）通信衛星和地球同步軌道 （GEO）通信衛星，其中低軌（LEO）通信衛星軌道高度為500km~2000km。
低軌通信衛星工作原理
通信衛星作為地面發射站與接收站的信號中繼點，首先上鏈（Up-link）信號接收器接收地面信關站點傳來的數據，將此信號放大移頻后再經下鏈（Down-link）發射器傳回地面另一個站點，實現遠距通 信。當前發展低軌通信衛星的主要目的是建設衛星互聯網。衛星互聯網是一種新型通信方式，通過多次發射數百顆乃至上千顆小型衛星，在低軌組成衛星星座，并以這些衛星作為“空中基站”。典型案例為SpaceX和OneWeb等發起的太空互聯網計劃。
低軌通信衛星的四點優勢：
（1）由于低軌通信衛星網絡的軌道高度最低，其通訊傳播時延最短。低軌通信衛星網絡的往返時延一般都小于 100ms，而高軌通信衛星的往返時延會達到600ms左右；
（2）由于低軌通信衛星相對較短的傳播距離，使得信號的傳播衰減較小，有助于將終端設備的能耗控制在一定范圍內；
（3）與傳統通信衛星系統中重達幾噸的衛星相比，低軌通信衛星系統中使用的小衛星重量通常在1噸以下（SpaceX的衛星在200-300kg），輕型復合材料技術以及集成化應用是小衛星輕型化的特點。衛星的重量下降使得單次發射所能搭載的衛星數量進一步提升，從而降低了平均發射成本；
（4）相對于其他衛星通信網絡，低軌通信衛星網絡中單個衛星對地面的覆蓋范圍有限。為了實現全球范圍的信號覆蓋，通常需要數十顆甚至數百顆衛星。這意味著在低軌衛星軌道上，衛星數量會更多，從而存在更多硬件資源，為用戶提供更好的服務。
低軌通信衛星系統架構
典型的低軌通信衛星系統包括空間段、地面段和用戶段三部分。
空間段由數百顆甚至更多數量的小衛星構成低軌衛星星座。SpaceX星鏈計劃中的在軌衛星是目前商業公司中最多的，截止2022年6月17日，SpaceX已累計發射2706顆星鏈衛星，其中在軌2547顆。星鏈計劃的目的是通過龐大的衛星網絡為地球偏遠地區提供互聯網服務。巨型星座網絡由于涉及衛星數量龐大，多采用不同軌道高度、不同傾角的子星座構成多層混合星座。衛星作為空間網絡的接入節點，起到天基移動基站的功能。星座網絡中，衛星間可建立微波或激光星間鏈路，實現數據包中繼轉發。
地面段主要實現衛星星座的管理與運營，用于完成衛星網絡和地面網絡的連接。地面段包括信關站、綜合運控管理系統以及連接地面核心網絡的基礎設施。信關站起到連接衛星網絡和地面網絡的網關功能。數據經信關站接入地面網絡，完成星地空口通信協議和網絡協議轉換，即可利用地面網絡設施訪問地面網絡資源。綜合運控管理系統包括網絡、星座、數據、運營、數據等管理系統以及衛星測控站等，對全網進行綜合 管理和監控。
用戶段主要由接入網及接入終端組成，主要包括車載站、艦載站、機載終端、電腦以及手持移動終端等。用戶終端可作為接入點（AP, access point）建立局域網絡，將用戶設備接入網絡。低軌通信星座可按照應用方向和支持業務劃分為移動服務和寬帶服務兩類：
（1）移動通信星座，如Iridrum，Globalstar，采用L、S低頻段工作，以中低速率業務為主，支持面向手持移動通信和低功耗小型化物聯網服務；
（2）寬帶互聯網星座，又稱為低軌高通量衛星（HTS）星座，代表企業有OneWeb、SpaceX，采用Ku、Ka等高頻段工作，衛星數量多，以中高速業務為主，支持互聯網接入、網絡節點互聯以及基站回程等服務。
低軌通信衛星系統工作模式
根據空間網絡與地面網絡的關系，可將衛星網絡工作模式分為天星地網、天基網絡和天網地網三類。
衛星之間無星間鏈路連接，衛星將地面接收的用戶數據直接轉發至地面網絡完成傳輸，衛星可看作地面網絡的延伸。天星地網只有在用戶和地面站被同一衛星覆蓋時才能進行實時通信業務；因此，衛星業務能否在全球范圍展開取決于在全球范圍內部署信關站的能力。目前，OneWeb系統采用此架構，計劃在全球部署70余個信關站，但對于遠洋和偏遠地區等難以部署站點的區域， 仍存在服務盲區。
用戶可以直接通過衛星和星間鏈路實現端到端連接，而不需要地面網絡設施參與。該架構擺脫了對地面設施的依賴， 具有獨立性、安全性和抗毀性優勢。
衛星由星間鏈路連接，地面信關站通過地面網絡連接。根據任務需要，用戶數據可經衛星轉發到另一端用戶，也可經單跳或多跳星間轉發到信關站，再通過地面網絡完成傳輸。天網地網模式充分利用衛星的廣域覆蓋優勢和地面網絡的容量資源優勢，實現了天網地網的優勢互補。此組網方式下，衛星業務在全球范圍內鋪開不依賴于全球布站（技術上），僅需少量信關站即可開展業務。
發展低軌衛星互聯網的關鍵技術
低軌衛星互聯網的發展，在技術上主要涉及星地之間的通信技術，其中高效的傳輸和信號接收是關鍵要素；這之中涉及空間段的信號傳輸以及地面段的信號接收。從建設低軌衛星互聯網的意義來講，主要在于實現網絡信號全球覆蓋的同時，能夠保持中高速網絡連接。因此，發展低軌衛星互聯網對于傳輸的實時性、穩定性和星間資源利用等方面都有更高要求。從建設低軌衛星互聯網的過程來講，其所需的衛星數目多、系統冗余大，龐大的星座規模給網絡設計帶來挑戰，因此星座組網技術也是衛星互聯網發展的關鍵技術。此外，所需低軌通信衛星數量之多使得衛星制造必須將成本控制在一定范圍內，才能真正實現低軌衛星互聯網的產業化發展，從而打破市場規模的限制。基于此，我們認為低軌衛星互聯網實現規模化發展的關鍵技術集中在“天地”間的通信技術、星座組網技術以及衛星制造。具體如下：
低軌衛星互聯網的構建必將面臨海量信息的接入和傳輸問題，衛星與衛星、衛星與地面高速數據傳輸的能力，成為制約低軌互聯網星座發展的一個瓶頸。星間激光通信是一種利用激光束作為載波在空間進行圖像、語音和信號等信息傳遞的通信方式，具有傳輸速率高、 抗干擾能力強、系統終端體積小、質量輕和功耗低等優勢。
采用激光星間鏈路技術的好處：
（1）可有效減少星座中某一顆衛星饋電鏈路失效或受到大氣、降雨帶來的負面影響，保證用戶通信不中斷，形成相對獨立、穩定的通信星座系統，從而更好地滿足各類用戶需求；
（2）可大幅度降低衛星星座系統對地面網絡的依賴，從而減少地面信關站的建設數量和建設成本，擴大覆蓋區域、實現全球測控。
衛星天線用于對特定的目標或地域，發射或接收載有各種信息的信號，當需要衛星交換信息的目標是可變的時候， 往往要求天線的波束也做相應的變化。過去的機械天線采用機械掃描的方式進行波束掃描，機械掃描天線只能實現單波束移動，既不能改變波束的形狀，也無法實現多移動波束模式。此外，采用機械裝置還會導致可靠性下降、重量增加、波束掃描不夠快等問題。近年來，衛星技術的快速發展，對天線的重量、體積、便攜性、一體化設計等提出了更高的要求，尤其在低軌通信 衛星領域，對于天線的智能化和輕量化都有較高要求。相控陣天線成為克服上述困難的有效途徑之一。相控陣天線通過控制各個輻射陣元的相位實現波束的電控掃描，可快速改變波束發射方向而不用改變天線孔面的物理朝向，能夠實現對頻譜資源的高效利用，并可與其他空間和地面的授權用戶靈活使用頻譜。
同時，采用功率分布式合成技術，部分模塊出現故障，對天線方向圖影響有限，可靠性大幅度提高。此外，相控陣天線能夠同時跟蹤多個目標，可以實現邊跟蹤邊掃描，大幅提高雷達系統在復雜環境下的探測能力。在Starlink系統中，星上有效載荷、用戶終端和網關站天線都采用了相控陣天線來提高其性能。
低軌衛星互聯網若想用較少數量的衛星實現Ka波段用戶鏈路波束的全球覆蓋，采用傳統固定的多波束覆蓋方式很難 滿足寬帶通信需求。多波束衛星通信系統中，系統往往只能在單個波束的局限下調配可用資源，衛星資源調度“碎片化”導致各波束存在負荷過重或過度閑置的情況，造成通信資源的浪費。此外，低軌通信衛星軌道高度低，運動速度快，覆蓋區域不斷變化。動態變化引起的終端需求變化使得合理、高效的資源調度策略成為亟待解決的問題。近年來，跳波束（BH, beam-hopping）技術的發展為衛星資源的靈活分配和高效利用提供了解決方案。跳波束通過 控制星載多波束天線的空間指向、帶寬、頻點和發射功率，為用戶終端動態配置通信資源，提高衛星資源在帶寬和功率方面的使用效率。在資源分配上，其通過時間分片技術，并不需要所有的波束都同時工作，而是其中一部分波束按需工作，因此資源分配更加靈活；在資源利用上，通過改變跳變波束在每個波束覆蓋區的駐留時間，在有限星載資源條件下提高衛星寬帶通信吞吐量，可以最大化星上帶寬資源利用率。此外，跳波束技術可以通過將波束聚焦在目標位置來提高吞吐量并靈活利用衛星功率。
低成本批量制造技術是實現衛星產業化的必要條件。
具體來講，需要打造基于數字孿生模型的小衛星數字化協同設計和云制造模式，加強資源的共享和協同，實現產業鏈上下游企業數字化集成。此外，短時間內實現批量生產才能更好地發揮星座效益，時間成本也是重要控制量。例如，Starlink目前座集衛星、火箭、地面站制造、火箭發射、衛星運營和服務于一身，在實現核心技術可控的同時能夠有效縮減制造時間，從而滿足產能需求。在降低成本方面，銀河航天的技術人員通過3D打印技術實現高頻微距波導、高性能天線等載荷的加工，將部分載荷互聯的空間壓縮到傳統占用空間的三分之一，同時電性能還得到一定程度的提升。
技術難點
根根據目前低軌通信衛星的發展路徑，我們發現多數企業集中在“天星地網”和“天網地網”兩種組網方式上。前者對于信關站建設能力有較高要求，后者則更注重星間鏈路的連接以及地面信關站的連接。結合低軌通信衛星 數量多、軌道高度低的特征，以及用戶對于通過低軌通信衛星實現網絡全球“無縫”覆蓋的需求，分析師將技術主攻方向歸納為網絡拓撲動態性管理、星地鏈路切換策略、路由算法設計以及地面信關站布局優化四個方面。
低軌衛星高速運動造成網絡拓撲始終處于動態變化中，拓撲動態性主要表現為鏈路斷開或重建切換現象。當鏈路信噪比、天線跟蹤指向等不滿足建鏈條件時，即發生鏈路中斷，導致星地路由需要頻繁重新計算和重新收斂。星間拓撲動態性特點及管理難點如下：
（1）同軌星間鏈路穩定，而異軌星間鏈路距離、指向均隨衛星運動呈周期性變化；
（2）異軌星間鏈路在靠近極地地區時因變化劇烈而中斷，又在飛出極地地區后進行重建；
（3）極軌道星座存在運行方向相反的兩軌道面形成“縫隙”，縫隙兩側一般不建鏈，并且縫隙隨地球自轉相對地面用戶而移動。巨型星座中激增的衛星數目加劇了星間連接切換，增加了網絡拓撲動態性和管理開銷。
解決方案：由于衛星運動具有周期性和可預測性，且星座拓撲具有規則性，因此可構造虛擬的靜態網絡實現拓撲動態性管理。
衛星相對地球的高速運動導致星地鏈路面臨頻繁切換問題，而巨型星座由于采用低軌道高度和高通信仰角，進一步加快了切換頻率。以550km高度的衛星為例，當通信仰角門限為25°時，平均切換間隔僅為2~3min。同時由于巨型星座主要面向寬帶業務，在頻繁的鏈路切換過程中還要保證高帶寬、低時延抖動等服務質量。此外，巨型星座中衛星密集分布，覆蓋域高度重疊，也增大了星地信道切換過程的頻率協調難度。
解決方案：提升衛星/用戶信道感知和星上處理能力，設計基于機器學習的智能切換策略，優化切換性能，提高資源利用效率和鏈路服務質量。
巨型星座中密集的衛星數量導致星間傳輸跳數大幅增加，也提高了路由傳輸復雜度。星間轉發次數的增加一定程度上降低了路由傳輸的可靠性，因此路由算法應考慮節點/鏈路失效問題。當節點規模龐大時，網絡信令開銷將占用大量網絡資源，而網絡拓撲的頻繁切換會導致星上存儲和維護的路由表規模激增。此外，巨型星座網絡中寬帶業務量較大且分布不均衡，使路由傳輸面臨著負載不均衡和網絡擁塞的難題。
解決方案：提升星上處理能力可以增強衛星自主決策能力，使星上運行復雜路由計算及智能路由成為可能。
在星地一體化網絡中，信關站起到連接空間網絡與地面網絡的網關作用。相比于傳統星座，巨型星座中單星服務范圍縮小，需要遍布全球的大量信關站連接衛星入網。巨型星座中星間多跳轉發將占用大量星間鏈路資源，而增加信關站或優化信關站布局可減少星間轉發跳數。考慮到建設成本，當信關站數目受限時可通過優化信關站布局提升網絡性能。寬帶衛星網絡與地面互聯網的深度融合，還需考慮信關站與地面互聯網關鍵節點如何保持良好連接。此外，信關站布局與多種因素共同影響衛星網絡性能，如星座參數、路由算法、系統工作模式、用戶業務模型等因素。由于巨型星座網絡中以上因素均與傳統星座有所不同，因此在優化信關站布局時應綜合考慮多重因素影響。
技術發展趨勢
對于衛星互聯網來說，人工智能與衛星通信的結合，將計算能力引入衛星，能夠更好地實現網絡管理和自動化水平。衛星網絡中的決策、設計問題一般都可建模為優化問題。巨型星座（如Starlink）中由于衛星數量眾多，且需要頻繁進行鏈路切換，上述問題所涉及的規模和復雜度均明顯提升，可采用人工智能中的相關算法如神經網絡、強化學習等方法解決。具體來講，人工神經網絡可用于網絡流量特征提取和流量預測，從而預測網絡狀態，輔助路由決策。強化學習可根據鏈路狀態信息訓練決策模型，用于衛星切換問題。對于網絡設計中的大規模優化問題，也可以轉換為強化學習模型進行求解。隨著星上處理能力的提升，人工智能將推動衛星網絡向自主化、智能化方向發展。
與互聯網開放的生態相比，航天業“硬件為主，軟件為輔”的研發思路使得衛星研發周期長、研發成本高，且不同型號的衛星在硬件上不適配、在軟件上不兼容。這種思路下很難實現通信衛星產業化，發展衛星互聯網，對衛星數量的需求激增，且對星間通信有更高的要求，傳統思路與當前低軌通信衛星的商業化發展無法適配。而軟件定義的好處在于，軟件易于復用且不增加成本；軟件具 有更好的靈活性，通過升級即可滿足新的市場需求。因此，軟件定義衛星已成為一種新的發展趨勢。軟件定義衛星是一種以超算平臺為核心，采用開放系統架構，支持有效載荷即插即用、應用軟件按需加載，能夠通過更新軟件去重新定義衛星功能，從而靈活適應多種任務、多類用戶的新型智能衛星。衛星可通過星上重新編程、 升級與配置，按需調整覆蓋、頻率、功率等功能，避免衛星進入軌道后陷入“功能鎖死”的困境。
6G的愿景是實現全域覆蓋的應用場景，將建設空天地海一體化網絡，而低軌巨型星座將是其中關鍵的組成部分。早在2017年，英國電信集團網絡架構師Neil McRae便對6G進行展望，稱6G將是5G+衛星網絡的組合，在5G 基礎上集成衛星網絡實現互聯網全球覆蓋。未來巨型星座網絡將與地面網絡進一步深度融合，在網絡架構設計，星間、星地、地面傳輸鏈路選擇，星地切換，天地協同信息處理，星地網絡協議互聯互通等方面開辟新的研究方向。由于空天地海一體化場景包含多種異構網絡場景，因此網絡仿真系統將更加復雜，需包含多種網絡節點并支持相應的網絡協議，使其具有更高的兼容性和可擴展性。
原文鏈接：https://mp.weixin.qq.com/s/K4i0btoUcu1vCM3swnzLUg