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SpaceX、波音、OneWeb卫星互联网星座技术方案综述

1概述

为满足全球不断增长的卫星宽带接入需求，特别是解决农村等欠

发达地区的互联网接入问题，全球多家企业纷纷开始打造非静止轨道

卫星星座，提供全球宽带互联网接入服务。截至2016年11月，已有

11家企业向美国联邦通信委员会（FCC）提交了非静止轨道（NGSO）

卫星系统的市场准入许可申请。这些企业中既有波音、O3b、Telesat、

ViaSat等老牌企业，也有SpaceX、OneWeb、Audacy、Karoul、

Kepler和Theia等新兴公司。

从卫星数量上看，SpaceX公司的计划可谓最具野心，其星座中的

卫星数量高达4425颗，并且所有卫星都将由该公司自己制造和发射，

网关地球站和用户终端也由自己设计制造，即拥有对整个生态系统的

所有权和控制权。而其它公司则几乎都是将卫星制造、发射以及网关

和用户终端的制造外包给了不同的公司。除星座规模外，SpaceX强调

卫星网络所提供的服务在延迟问题上将不输于或优于光纤网络。

波音公司也提出了规模达到近3000颗的星座计划，与SpaceX强

调的延迟优势相比，波音公司在计划书中则更多强调的是覆盖和冗余

问题。

从频段上看，首批申请的系统大多采用Ka或Ku波段。波音公司

是最先申请使用V波段的企业，这一频段目前尚未被商业通信服务大

量使用。之后，又有五家企业（SpaceX、OneWeb、Telesat、O3b

Networks和TheiaHoldings）于2017年3月向FCC表示有部署V

波段星座的计划，以此作为其原有Ka或Ku波段星座的后续。例如

SpaceX在最初提出的4425颗卫星的Ka、Ku波段星座基础上，又提

出一个包括7518颗卫星的V波段LEO星座；加拿大Telesat公司在

其Ka波段LEO星座之后，将构建一个同样由117颗卫星构成的V波

段二代LEO星座；OneWeb则向FCC表示希望另外建设一个由720

颗LEO卫星组成的V波段“子星座”和一个由1280颗卫星构成的中

轨道（MEO）星座，并将根据服务需求和覆盖区域内的业务量在这两

个星座之间动态分配业务。

表1：向FCC提交的NGSO申请列表

各公司在向FCC提交申请的同时也提供了各自相关的技术方案，

本文将对其中比较有代表性的SpaceX、波音和OneWeb公司的技术

方案进行简要介绍。

2SpaceX公司方案

2.1系统概况

SpaceX公司的低轨道卫星星座由4425颗卫星组成，运行于高度

从1110km到1325km不等的83个轨道面，另外还配有相关地面控

制设施、网关地球站和终端用户地球站。

SpaceX系统希望达成的目标包括：

•大容量：每颗卫星可提供17~23Gbps的下行链路总容量，按平

均20Gbps计算，初期部署的1600颗卫星提供的总容量可达32Tbps。

•高适应性：系统采用相控阵技术动态控制大量波束，将容量按需

要进行集中。卫星之间有激光星间链路，可在轨实现灵活路由。

•宽带服务：系统将以每终端用户1Gbps的速率提供宽带服务，

延迟约为25~35ms。

•全球覆盖：完成全部部署后，提供真正的全球覆盖。

•低成本：从空间和地面系统的设计和生产，到利用SpaceX自己

的发射服务进行发射和部署，再到用户终端的开发，SpaceX将对低成

本和高可靠性的追求贯彻到了整个系统设计中。

•便捷性：SpaceX的相控阵用户天线设计可实现低剖面用户终端，

便于在墙壁或屋顶上安装和运行。

2.2系统构成

（1）空间段

SpaceX系统整体星座配置如下：

通过该星座，SpaceX将以40度的最小仰角提供对地球的完全连

续覆盖。

通过初期部署的首批800颗卫星（32个轨道面，每个轨道面初始

25颗卫星），系统将提供美国和国际商业宽带业务覆盖，共1600颗

卫星的初期部署全部完成后将提高整个系统容量，并增加对赤道地区

的覆盖，业务主要集中在南北纬60度之间。终期部署的2825颗卫星

发射后，将进一步增加系统容量，并增加对极地和高纬度地区的覆盖。

SpaceX系统卫星与网关之间的通信将采用Ka波段，卫星与用户

终端之间的通信则采用Ku波段。系统还采用了星间激光链路，可实现

无缝网络管理和连续服务。SpaceX申请授权的运行频率如下：

（2）地面段

SpaceX系统包括三种地球站：TT＆C站、网关站和用户终端。

TT＆C站直径大约5米，数量相对较少（主站和备份站在美国，

还有一些站点分布在海外）。

Ka波段网关站采用相控阵天线技术，有数百个站分布在美国，与

主要的Internet对等点（peeringpoint）共址或邻近，向卫星星座提

供必要的Internet连接。

Ku波段用户终端也采用相控阵天线进行通信。

3波音公司方案

3.1系统构成

波音公司提出的非静止卫星轨道（NGSO）固定卫星业务（FSS）

系统旨在为商业、机构、政府和专业用户以及居民提供广泛的宽带互

联网与通信服务。图1示出了该系统的设施及连接概况。

图1NGSO系统设施及连接概况

波音的NGSO系统将由2956颗卫星构成星座，通过系统网络接

入网关和相关地面光纤网络为用户终端提供高速、低延迟的互联网连

接。通过一个全球网络运行中心（GNOC）对卫星、网关和用户终端

进行管理，通过一系列区域网络运行中心为全球各区域内的多个网关

提供连接和管理。

用户终端和网关均采用V波段双向链路，卫星有效载荷采用先进

的波束形成和数字处理技术，可实现V波段频谱的共享和有效使用。

用户终端将采用类似的技术，使用小口径天线提供方向可控的天线波

束对LEO卫星进行跟踪。网关也将采用先进阵列技术生成高增益方向

受控波束，可从单个网关与多颗NGSO卫星进行通信。全球网络运行

中心通过远程接入网关提供的带内V波段TT＆C链路实现对卫星和有

效载荷的整体控制。

3.2星座与覆盖范围

在初期部署阶段，波音NGSO系统星座由运行于1200km高度的

1396颗LEO卫星组成。初始星座包括35个45度倾角的圆轨道面，

另外还有6个55度倾角的圆轨道面作为补充。

这一初始配置将以大于45度的地球站仰角为纬度60度以下地区

的用户提供卫星可见性，并将在高纬度区域提供更高的卫星可见性和

覆盖。高仰角可以降低因链路损害造成的损耗，还能提供多条视线路

径来避免阻挡。这些特性还使系统网关和用户终端与运行于V波段的

其它用户相隔离。

波音NGSO系统最终部署后，卫星数量将增加到2956颗，增加

12个55度倾角、运行高度1200km的轨道面和21个88度倾角、运

行高度1000km的轨道面。终期部署后将为全球用户进一步提高系统

容量，扩大覆盖范围。

系统有效载荷将采用先进波束形成和数字处理技术，生成数千个

窄带点波束，提供对地球表面的蜂窝覆盖。

4OneWeb公司方案

4.1系统构成

（1）空间段

OneWeb低轨道卫星系统将由大约720颗卫星以及在轨备份星构

成，并且卫星数量还可进一步增加。卫星轨道高度约1200km，包括

18个倾角为87.9度的轨道面，每个轨道面包含40颗初始卫星。该配

置可提供全球覆盖，大部分所覆盖区域的仰角大于60度。

OneWeb系统初期将发射少量卫星用于评估和概念验证。随后针

对18个轨道面进行18次发射，每三至四周发射一次，每次发射32颗

卫星。后续还将根据需求继续发射，使卫星数量达到每个轨道面40颗。

（2）地面段

地面段由三种类型的地球站构成：TT＆C站、网关站和用户终端

站。TT＆C站只设在高纬度地区，装有多部主动跟踪天线和相关电子

设备，天线反射面直径通常为2.4m或以上。

网关站也装有多部反射面直径2.4m的主动跟踪天线，通常会同时

部署10部或10部以上天线，这样可以从该地点同时访问多颗可见卫

星。大约会分阶段部署50或更多个网关站，其中美国将至少部署4个。

网关站还将发射和接收控制信号进行卫星有效载荷控制和网关链路功

率控制。一些位于高纬度地区的网关站还将用作TT＆C地球站。

用户终端将采用机械控制抛物面反射天线、电子扫描相控阵天线

或其它波束控制技术，天线直径为30cm至75cm。终端包括固定、便

携式陆地终端以及可用于飞机、舰船和陆地车辆的移动终端。

OneWeb系统将设置至少两个独立卫星控制中心，互为备份，分

别位于美国和英国。网络运行将主要由位于英国和美国佛罗里达州的

设施进行控制。这些控制中心与TT＆C及网关地球站之间的连接将通

过地面租用线路和安全的互联网虚拟专网（VPN）实现。

4.2频率规划

卫星链路包括Ku波段用户链路以及Ka波段网关链路。OneWeb

系统运行频率规划如下：

每颗OneWeb卫星有16个相同的Ku波段用户波束，每个用户

波束包括一个不可控的高椭圆点波束。每颗卫星上还有两个相同的可

控网关波束天线，运行于Ka波段，每部天线可生成一个单独可控的圆

形点波束。一个网关接收波束中的16条Ka波段上行信道被转换为16

条Ku波段下行信道，每条信道路由至16个用户波束中的一个（前向

链路），标称带宽为250MHz。此外，来自同样16个用户波束的16

条不同的Ku波段上行信道被转换为16条Ka波段下行信道，并回传

至相同的网关发射波束（返向链路），标称带宽为125MHz。

至于TT＆C、包括对卫星有效载荷的控制，则由专用的Ka波段信

道完成。

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