典型的衛星系統架構介紹

目前，人類在先進衛星發射和制造技術方面取得了重大突破，低軌衛星（LEO）巨型通信網絡已經成為學界和業界的研究熱點。非地面網絡（NTN）被廣泛認為是6G網絡的組成部分。

業內人士認為，衛星互聯網與無線AI，將是6G網絡的顯著特征。

國際上，以Starlink、OneWeb為代表的衛星星座建設取得了巨大的進展，并逐漸應用到多個國家和地區。

中、美、歐、俄四大航天大國競爭日益激烈，顯然壓力已經給到了我們這一邊。正如國內某大型航天科技集團所言：“對標SpaceX，集團公司在發展理念上、科研生產模式上、關鍵核心技術上、質量效率效益上存在明顯差距和不足，整體上大而不強、大而不優，這與我們在航天領域率先實現強國目標還相去甚遠，每個航天人對此要懷有深深的危機感，堅決克服驕傲自滿的情緒，堅決摒棄盲目自大的心態，永不自滿、永不自大?！?/p>

網友不解：十幾萬人干不過幾千人，國家隊需要反思，社會也需要反思，正視差距，取長補短。

回到正文，本文先介紹典型的衛星系統架構，然后簡單介紹國內外星座建設情況。

一、典型衛星系統架構

本文對典型的衛星系統架構進行介紹，里面涉及的調制解調、數字變頻、天線收發等具體技術方案不在本文的討論之內。

典型的衛星通信系統架構方案如圖所示。它包括地面段、空間段和控制段。

運行的衛星接收地面站發射的無線電波，這叫做上行鏈路（Uplink）。衛星接收到的信號經過處理，轉換成另一種無線電頻率，并進行放大。接著，這些信號被進一步傳送到接收地面站。這被稱為下行鏈路(Downlink)。上行鏈路和下行鏈路基于射頻調制載波的原理。載波由基帶信號調制，包括模擬或數字信號，為通信或其他目的傳送信息。

圖?典型衛星通信系統架構

空間段包括一個或幾個組成星座的活動衛星和備用衛星。衛星是繞地球軌道運行的人造物體，作為“飛行”收發器，用于通信或科學目的。每顆衛星由有效載荷和平臺(總線)組成。有效載荷包括接收和發射天線以及支持無線電載波接收和傳輸的所有電子設備。衛星的有效載荷有兩個主要功能:

放大接收到的載波以便重傳到下行鏈路。地面站與衛星之間距離大，導致衛星接收機輸入端的載波功率過低。因此，功率必須被放大，以便向衛星覆蓋區域內的地面用戶提供衛星的發射天線。

頻率轉換。需要進行頻率轉換，以增加接收輸入和發送輸出之間的隔離(避免重新注入接收器)。圖給出了透明轉發衛星有效載荷，明確了上行/下行隔離。

圖 透明轉發負載

透明轉發有效載荷屬于單天線波束衛星，其中每個發射和接收天線只產生一個波束。圖顯示載波經過功率放大，頻率下變頻。與每個子波段相關聯的放大鏈稱為衛星信道或應答器。帶寬分割是使用一組濾波器實現的。再生有效載荷(多波束)天線將有許多輸入/輸出作為上行波束/下行波束。從一個上行波束到一個給定的下行波束的載波路由意味著在無線電頻率上的板上切換。用于科學目的的低軌道衛星通常使用單波束天線。

衛星平臺由允許有效載荷運行的子系統組成。這些分系統分別是:結構分系統、電源分系統、溫度控制分系統、高度控制分系統和通信分系統(見圖)。

該結構提供了必要的機械支撐。供電子系統提供必要的直流電源。高度控制分系統穩定衛星并控制其軌道。溫度控制系統將各個子系統的溫度保持在可容忍的范圍內。所有這些功能均由板載計算機子系統控制。

原則上，一些任務僅靠一顆衛星就可以實現，但為了服務的實時連續性和大范圍或全地球覆蓋，必須將空間段組織為單層或多層星座。單層網絡僅在相同高度的衛星之間提供相互通信，而多層網絡使不同軌道的衛星之間能夠通信。多層網絡更復雜，但更可取。

圖?衛星平臺方案

與衛星-地面綜合通信網絡相關的現役衛星項目包括擁有66顆衛星的銥星星座、擁有648顆衛星的OneWeb星座；亞馬遜已經申請在其柯伊伯星座發射3236顆航天器，以及Telesat，倡議擁有117顆航天器星座。顯示了OneWeb現有網絡的一部分，顯示了其縱向軌道平面。

在我們看來，最震撼的活動是由SpaceX公司進行的，其Starlink星座計劃由4萬顆小型LEO衛星組成，分為三層部署，致力于最大限度地向全球覆蓋寬帶互聯網服務，并與地面站(收發器)相結合，組成一個衛星-地面綜合網絡，提供實時全球寬帶服務，給出了550公里高度的Starlink單層星座。

地面站是在地面上配備適當設備用于與衛星通信。地面站的功能是以最可靠的方式從衛星接收或發送信息，同時在目的地保持所需的信號質量?？茖W任務原則上只需要一個地面站就可以完成。建立更多地面站的原因是為了增加每個觀測對象或區域的覆蓋范圍和測量數量，并實際提高數據下載能力。衛星與地面站之間的通信是在衛星合并在自己的軌道上時建立的，并且從地面站可以看到它。

地面部分由所有地面站組成。這些臺站通常通過地面網絡與最終用戶設備相連。站點根據其大小來區分，大小根據要傳輸的通信量和通信量的類型(語音、視頻或數據)而變化。地面站經歷了巨大的縮小。最大的地面站通常配備直徑30米的天線(國際通信衛星組織網絡的標準A)。最小的地面站通常有0.6米的天線(衛星電視天線)。有些電臺既發射又接收，有些電臺只是接收(RCVO)電臺。

地面站的總體結構由天線分系統及其相關的跟蹤系統、發射和接收設備、監測系統和正常電源組成。圖為地面站接收和發射支路的典型結構。這是一個單天線系統，上行鏈路和下行鏈路分離是通過雙工器實現的。

圖?典型衛星地面站的結構

控制部分包括用于控制和監測衛星的所有地面設施。這就是所謂的跟蹤、遙測和指揮(TT&C)。

二、國內外衛星星座建設情況

目前來說，國外有兩個主要星座：（1）OneWeb，2020年前后向全球尋求資金發展，當前有600多顆衛星升空；（2）Starlink，2018年左右星鏈發射了兩顆試驗衛星。一期工程為100萬個終端客戶服務。星鏈2代在1代的基礎上，衛星重量由200公斤提升到1噸、衛星天線也會加強，介時，手機不做任何改動可以直接連接到衛星并接入互聯網。

下一代LEO巨型星座示例

截至2023年12月12日，Starlink共有5479顆在軌，其中4786顆衛星處于正常工作狀態。

隨著我國衛星發射需求的增加，以固定的衛星發射中心和海上發射平臺相結合的方式，將衛星互聯網試驗星陸續發射進入軌道。

根據最近業內某次商業航天活動上的PPT顯示，我國正在加速推動大型星座建設，以GW星網、G60、銀河航天等為代表的星座正在緊鑼密鼓的研發和試驗。其中，GW星網和G60星座的衛星數量將達到1萬顆以上。

我國的LEO衛星星座應用類型將主要聚集在通信、遙感、數據采集和導航增強等方面，軌道運行在500km~1200km高度左右、衛星的重量根據載荷功能的不同，在10kg~600kg之間。

除上圖顯示的星座之外，實際上還有虹云、鴻雁、翔云等衛星互聯網星座。

衛星互聯網發主要應用場景主要有：

偏遠地區：衛星電話、互聯網電視、衛星寬帶

海洋作業及科考：衛星定位、海事衛星電話

航空：機載WIFI等

應急通信：應急呼叫、數據保護恢復和災備等

衛星互聯網組成，可以用下圖描述。

圖 衛星互聯網組成（圖源自華金證券）

圖 衛星互聯網與應用場景（圖源自華金證券）

雖然參與衛星互聯網建設的企業和科研院所較多，大大小小出現了10幾個星座建設計劃。但需要指出的是，PPT與建成投入運行之間存在太多不確定性，如何與地面網絡形成融合互補，在建設成本與收益之間取得戰略平衡，為國民經濟發展和社會發展注入新活力，依然值得業界思考。

回看5G建設的狀態，商業生態與市場應用，將決定相關企業的營收和發展前景。

對于從事移動通信、衛星通信等領域的FPGA、ASIC、信號處理算法等工程師而言，可進一步深入研究基站、終端、多波束天線系統等設備研制技術，把握新一輪新科技發展機遇期。

特別是LMS算法、RLS算法、LCMV算法、MVDR算法、高速基帶芯片、SAR圖像處理、RF芯片、毫米波有源相控陣天線、無線AI、通感融合、RNSS授時、慣導、5G NTN、多址等技術。

審核編輯：黃飛

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