衛星通信：LEO衛星地面站設計篇

LEO衛星概述

衛星是全球電信基礎設施的重要組成部分，承載著大量的多媒體通信。自大約60年前誕生以來，通信衛星一直是全球通信基礎設施和網絡的主要組成部分。40多個國家擁有用于通信、商業、科學甚至人道主義目的的衛星。但只有少數國家具備建造和發射能力。

衛星通信可利用的基本資源是軌道和射頻頻譜。軌道是衛星在太空中的路徑；頻率分配受由國際機構管理和控制的國際協定的約束。

不同類型的軌道是可能的，每一種都適合于特定的應用或任務。一般來說，衛星沿橢圓軌道運行，偏心距確定放置在由空間軌道參數定義的軌道平面上。因此，空間軌道參數，即開普勒元素(通常以雙線元素表示)，決定了衛星在空間中的位置。偏心率為零的軌道稱為圓軌道。與橢圓軌道相比，軌道的圓度簡化了分析。衛星在其圓形軌道內的運動由高度、半徑、速度和軌道時間表示。

衛星的圓形軌道分為地球同步軌道(GEO)、中地球軌道(MEO)和低地球軌道(LEO)。它們之間的主要區別在于地球表面以上的高度，這進一步影響了衛星在適當軌道上的速度和軌道周期。只有圓形軌道是本書進一步關注的，更確切地說，是低軌道衛星和適當的地面站。

圖1 顯示了通信衛星的分類，以及不同運行軌道衛星的特點。

圖1 通信衛星分類（來源：華金證券）

衛星與地面站之間的通信是在衛星合并在自己的軌道上并且從地面站可以看到時建立的。從地面站向衛星傳輸無線電波的鏈路稱為上行鏈路，從衛星向地面站傳輸無線電波的鏈路稱為下行鏈路。

地球表面被定義為低軌道，而這些軌道上的衛星被稱為低軌道衛星。較低的高度范圍受到地球大氣層的限制——更準確地說，受到地球大氣層以上幾乎沒有空氣的高度的限制，因此可以避免衛星的速度降低和下降。內范艾倫輻射帶限制了更高的海拔范圍(范艾倫輻射帶2020)。范艾倫帶被稱為空間輻射區，對衛星的有效載荷和平臺有不良影響(電子元件和太陽能電池可能被這種輻射損壞)；因此，該帶不應用于容納低軌道衛星。

LEO衛星相對于地球上的一個固定點(地面站)以每秒7.2-7.5公里的速度移動。衛星的軌道周期在90-110分鐘之間。衛星和地面站之間的通信持續時間每天6-8次，每次5 - 15分鐘，所有這些都取決于軌道高度。與其他軌道相比，低軌道的特點是離地球的距離最短，因此時間延遲較小。這些特點使它們在通信和其他應用方面非常有吸引力。

圖2 高中低軌衛星通信對比（來源：華金證券）

因此，除了通信之外，低軌道衛星也用于科學和研究目的，更具體地說，在沒有適當的地面手段的情況下。氣候變化動態、海洋遙感應用、不同天文觀測、電離層離子密度記錄以及與搜索和救援服務有關的非常具體的人道主義應用，都是低軌道衛星開展的一些活動，這些活動在地球上很難或不可能實施。對于衛星結構內的這些活動，為適當的應用或任務安裝了儀器或設備(望遠鏡，照相機，探測器，傳感器等)。通常，用于科學目的或遙感應用的低軌道衛星被安置在專門設計的軌道上，稱為太陽同步軌道。由于不同的衛星經過，太陽同步特性可以在相似的照明條件下從衛星上觀測到地面上的處理區域。

這些衛星為其他技術難以或不可能適用的調查提供了機會。因此，可以預期，這種任務將很快得到進一步發展，特別是在純以地球為基礎的類似實驗無法實現的領域。必須建立地面站(接入點)與這類衛星通信，通信質量除了取決于衛星的性能外，還取決于衛星地面站的性能。

用于全球寬帶服務的通信衛星-地面綜合網絡已經引起了全世界科學家和工業界的高度興趣。這種使用最方便的結構是低軌道衛星，因為它們比其他軌道飛得更接近地球，因此提供了明顯更低的延遲，這對于可靠和安全的通信至關重要。這些努力包括Starlink衛星星座，由美國SpaceX公司開發并部分部署。該星座計劃被組織成三個空間外殼，每個空間外殼由數百顆專門設計用于提供寬帶服務的小尺寸和輕型LEO衛星組成，旨在通過它們的互操作性提供全球地球覆蓋，并與地面站作為星地一體化網絡的一部分相結合。2020年10月24日，893顆衛星在不同傾角下位于550公里高度的軌道上，確定了第一個星鏈軌道殼。

Starlink的運行情況，如圖3所示。

圖3 Starlink（來源：Starlink官網）

這表明，在不久的將來，由衛星-地面綜合通信網絡提供的全球寬帶服務將成為日常通信活動的一部分，其需求將迅速增加，因此運營商應仔細管理實時服務的運營和分配，以最大限度地提高與寬帶需求相關的下行數據吞吐量，而不會顯著影響任務成本。因此，未來的衛星有效載荷和平臺必須變得更靈活、更輕、更小、更容易發射、與EIRP和覆蓋范圍相關的可重構，以最低的成本提供大容量，實現寬帶服務和其他科學任務的全球覆蓋的主要目標。

根據其全球覆蓋任務，其空間網絡架構可分為單層(單殼)網絡和多層網絡。單層網絡僅在相同高度的衛星之間提供相互通信，而多層網絡使不同外殼的衛星之間能夠通信。多層網絡更為復雜，但它在提供更可持續的全球覆蓋、無縫移交和可靠通信方面的靈活性受到推崇。

上世紀末使用的LEO衛星由于重量輕、尺寸小而被稱為微型衛星。后來，納米衛星被開發為更方便發射過程的結構，因為這種衛星發射到LEO空間槽所需的能量更少。但最近，從國際空間站(ISS)發射納米衛星已經成為可能(2020年國際空間站部署的航天器清單)。與發射過程相關，由于有三步轉移過程(稱為Hohmann轉移)，LEO作為衛星進入地球同步(地球靜止)軌道的第一個空間外殼發揮了額外的作用。

LEO衛星和適當的地面平臺(接入點)現在是一個非常有用的系統，不僅用于主要的通信任務，而且用于研究科學任務。通過LEO衛星和適當的平臺，地球上任何地方都可以提供數據，比如亞馬遜河的水污染、新的系外行星、自然災害、空氣或海洋災害、南非的小麥如何生長、有多少難民跨越邊界、冰融化、海平面上升等等。

與最后一個項目相關的是，于2020年11月21日從加利福尼亞州范登堡發射場發射的哨兵6號邁克爾弗雷里奇衛星(Sentinel-6 Michael Freilich)，該衛星在66°傾角下被整合到高度為1336公里的近地軌道上，將在未來五年內測量全球海平面。該任務是美國宇航局和歐洲航天局之間的合作(見圖4)。

最后，正如19世紀以蒸汽機為標志一樣，本世紀將以LEO衛星為標志，希望能讓地球上的生活更美好!這些工具不僅為通信提供了機會，也為科學目的提供了機會，包括對地球和空間的觀測。充當天空“眼睛”的LEO衛星也可能對世界和平有用!

與這類任務的通信是通過地面站實現的；因此，地面站的性能對于這類任務至關重要，并將在本書中進行詳細闡述。

審核編輯：黃飛

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