太空早已成為人類探索的終極目標之一。

在這片廣袤的宇宙中，

一場無聲的太空競爭早已悄然進行。

當我們仰望星空時，

可曾想過在我們深邃的天空中，

有著成千上萬的人造地球衛星

從頭頂上掠過。

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從1957年前蘇聯發射世界第一顆人造衛星斯普特尼克1號（Sputnik-1），到2014年實現人造衛星千顆（1261顆）在軌，用了整整57年。而到2024年的近萬顆在軌衛星（截止2024年5月全球在軌衛星數量為9770顆）卻僅僅只用了10年時間。這其中有72%是通信衛星，而在這近萬顆衛星中，低軌衛星占了91.5%。

本文分為上下兩篇，簡述了衛星通信的演進趨勢和近年來的測量方案匯總，本期為「上篇」。

1、衛星軌道概述

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衛星根據軌道離地球的遠近概況起來大致有四種類型的星座

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地球同步軌道(GSO，Geosynchronous orbit)

地球同步軌道 (GSO) 衛星在環繞地球的圓形軌道上運行，高度距離地表35 786 km，考慮窄波束時，波束足跡的大小范圍約為200 km，使用大尺寸波束時，范圍可達4000 km。這類GSO 衛星的速度為11070 km/h，軌道周期相當于一天。GSO衛星的RTT 約為544 ms。地球同步軌道 (GSO) 衛星根據軌道跟地球赤道的夾角，又分為三種：

1

地球靜止軌道（GEO：Geostationary Orbit）

當地球同步軌道衛星軌道面的傾角為零度，即衛星在地球赤道上空運行，且運行方向與地球自轉方向相同時，由于運行周期與地球同步，因此，人們從地球上仰望衛星，仿佛懸掛在太空靜止不動，所以，把零傾角的同步軌道稱作靜止軌道，在靜止軌道上運行的衛星稱作靜止衛星。這類衛星在過去應用是最多的。這樣GEO衛星有比如Inmarsat這樣的國際海事通信衛星，還有Astra或Eutelsat這樣的電視廣播媒體衛星，甚至中國的北斗三代也有三顆GEO，等等。GEO因為都擠在赤道上空的固定高度，這條軌道的容量是有限的，每顆衛星為了不互相影響，都在經度方向上分配有一定的漂移范圍。如果按照0.5°的間隔，那這個軌道的容量就是720顆。截止2023年8月為止，全球一共有563顆地球同步靜止軌道衛星。其中中國控制著80顆。

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傾斜地球同步軌道（IGSO：Inclined Geosynchronous Orbit ）

傾斜同步軌道(IGSO)是指傾角不為0的地球同步軌道,其星下點軌跡是一個跨南北半球的 “8”字,其星下點軌跡與赤道相交于一點,該點常稱之為交叉點。GEO對于高緯度區域的信號覆蓋并不好。IGSO很容易做到某一個區域的區域覆蓋。

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極地軌道同步軌道，又名太陽同步軌道（SSO：Sun-synchronous Orbit ）

衛星的軌道平面和太陽始終保持相對固定的取向，軌道傾角（軌道平面與赤道平面的夾角）接近90度。人造衛星運行時能到達南北極區上空，即衛星能飛經全球范圍的上空。需要在全球范圍內進行觀測和應用的氣象衛星、導航衛星、地球資源衛星等都采用這種軌道。

傾斜軌道和極地軌道同步衛星從地球上看是移動的，但卻每天可以經過特定的地區，因此，通常用于科研、氣象或軍事情報的搜集，以及兩極地區和高緯度地區的通信。

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中地球軌道(MEO)衛星

中地球軌道 (MEO) 衛星在環繞地球的圓形軌道上運行，高度在7000 km到25000 km之間，運行速度約為13800 km/h，軌道周期約為6至12小時。比較著名的MEO衛星星座之一是用于定位服務的GNSS。這類衛星的波束足跡與LEO星座類似。中軌道衛星需要避開兩個輻射帶：內范艾倫輻射帶和外范艾倫輻射帶。這兩個輻射帶有大量的高能粒子，對電子電路具有很強的破壞性。內范艾倫帶大概在距地3700km左右，是質子和電子的混合物。外范艾倫帶大概在距地18500km左右，主要是電子。

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高橢圓軌道?(HEO，Highly Elliptical Orbit)

衛星在環繞地球的橢圓軌道上運行。由于采用這種軌道形狀，從地球點可以觀測到衛星的范圍更遠，例如，當所需的信號覆蓋服務區域為兩極這樣的邊遠地區時，HEO衛星可能更有優勢。另外，HEO由于在近地點速度很快，遠地點速度慢，因此非常容易做到區域覆蓋，例如俄羅斯的閃電號，大概有2/3的時間都在北半球上空。HEO的缺點是橢圓軌道形狀需要一定的控制，由此還會產生浮動延遲，存在時間或軌道變化的頻率漂移，并且需要來回穿越內外范艾倫帶，對電子電路有一定的壽命損耗。

圖1：衛星軌道示意圖

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低地球軌道(LEO)衛星

低地球軌道 (LEO) 衛星在環繞地球的圓形軌道上運行，高度約在500 km到2000 km之間，運行速度約為28000 km/h，軌道周期約為90分鐘。由于LEO衛星的高度不算很高，發射這類衛星不需要大推力火箭，因此更具成本效益。近地距離帶來的另一項明顯優勢是往返時間 (RTT) 較短，通常小于30 ms。LEO衛星的尺寸一般也較小，通常周長小于1米，甚至只有十幾厘米（納米衛星），重量則在500 kg以下。通常假定NTN在衛星站使用波束賦形機制。LEO衛星的典型波束足跡范圍介于100 km到1000 km之間。LEO衛星的缺點是運行環境惡劣（在該環境中仍可能存在大氣氣體），因此生命周期一般不到10年。

2、通信衛星的發展演進

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通信衛星的發展經歷了三個階段：

第一階段：20世紀90年代年以前主要以面向電視廣播和傳統固定通信的地球靜止同步軌道衛星為主

第二階段：20世紀90年代到2000年伴隨地面移動通信發展的低軌尋求出路，同步軌道緩慢發展時代

第三階段：2010年至今低軌爆發+同軌換代全面發展時代

在這一發展過程中，不同種類的通信衛星能力得到了相應的演進。

早在上世紀90年代中期，國際電信聯盟 (ITU) 就通過其國際移動通信方案IMT- 2000提出了21世紀全球無線接入的愿景。以此為契機標準化組織3GPP（第三代合作伙伴計劃）創立了，著手推進第三代無線通信技術的國際標準化。引人注目的實例是由標準化組織 3GPP2牽頭的CDMA2000和通用移動通信系統 (UMTS)，其中采用兩項關鍵無線接入技術 (RAT)：寬帶碼分多址接入 (WCDMA) 和時分碼分多址接入 (TD-CDMA)。IMT-2000方案提出“靈活性”和“全球化”兩項屬性作為主要設計目標，并表示，熱點的峰值數據速率達到2 Mbps、移動條件下的平均數據速率達到384 kbps是未來公共陸地移動網絡 (FPLMN) 所要實現的目標。地面和衛星通信系統都應支持這些目標。受制于更多商業和成本原因，這個最早的設想在當時的衛星通信系統中并未成為現實。而二十多年后的今天，伴隨著航空航天領域的發展，無線技術的演進使5G系統更具靈活性。發射低軌道火箭和衛星星座并非不可逾越的技術挑戰，在許多應用中已成為現實。商用和專用衛星系統持續部署，并向相應生態系統提供商業服務。當3GPP Rel-17正式考慮將非地面網絡 (NTN) 納入5G系統時，3GPP Rel-17首次支持NTN連接，希望勾勒出長期技術演進和大范圍普及NTN用例的框架。

圖2 IMT2000中關于衛星通信的設想

截止2023年底當前在軌運行的9691顆衛星中，地球同步軌道衛星有625顆，主要為通信衛星。而Starlink僅在2023年就發射了1961顆。

首先是地球同步軌道衛星的演進，固定的地球同步通信衛星正在由C/Ku頻段大波束向Ka等高頻段多點波束、高吞吐量等方向加速演進。前者是大波束廣域覆蓋，后者傾向于大量點波束廣域覆蓋，有更大的容量，更高的終端傳輸速率。

在移動通信衛星領域，使用移動通信頻段，受益于地面終端和衛星天線能力的提升，以及3GPP NTN標準的推動，從僅支持傳統衛星電話向兼容地面手機直連、構建天地一體化發展。

衛星電視、衛星直播、衛星廣播是地球同步靜止衛星中的重要業務，用于地球站向多個用戶提供單向傳輸業務。受益于星上數字載荷技術的發展，廣播衛星和通信衛星由廣播/通信星上分離向廣播通信一體化衛星方向發展。

數據中繼衛星頁是通信衛星的一個重要領域。目前星間鏈路使用星間通信頻段，甚至使用激光通信，科研為中低軌航天器和地球站提供通信服務。利用商業衛星提供低成本數據中繼服務將成為新探索，隨著星上處理能力的提升，預計中繼衛星和通信衛星的能力邊界將日益模擬。

總的來說，通信衛星的發展經歷了由地球同靜止衛星朝低軌發展的加速趨勢，多國提供低軌星座發展計劃。目前全球近萬顆在軌衛星，91.5%都是低軌衛星。如下是全球低軌衛星在軌高度及數量分布圖（截止2024年5月），其中580km以上大約60%,580km以下大約40%。

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