為滿足全球不斷增長的衛(wèi)星寬帶接入需求，特別是解決農(nóng)村等欠發(fā)達地區(qū)的互聯(lián)網(wǎng)接入問題，全球多家企業(yè)紛紛開始打造非靜止軌道衛(wèi)星星座，提供全球?qū)拵Щヂ?lián)網(wǎng)接入服務(wù)。截至2016年11月，已有11家企業(yè)向美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）提交了非靜止軌道（NGSO）衛(wèi)星系統(tǒng)的市場準(zhǔn)入許可申請。這些企業(yè)中既有波音、O3b、Telesat、ViaSat等老牌企業(yè)，也有SpaceX、OneWeb、Audacy、Karousel、Kepler和Theia等新興公司。

從衛(wèi)星數(shù)量上看，SpaceX公司的計劃可謂最具野心，其星座中的衛(wèi)星數(shù)量高達4425顆，并且所有衛(wèi)星都將由該公司自己制造和發(fā)射，網(wǎng)關(guān)地球站和用戶終端也由自己設(shè)計制造，即擁有對整個生態(tài)系統(tǒng)的所有權(quán)和控制權(quán)。而其它公司則幾乎都是將衛(wèi)星制造、發(fā)射以及網(wǎng)關(guān)和用戶終端的制造外包給了不同的公司。除星座規(guī)模外，SpaceX強調(diào)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)所提供的服務(wù)在延遲問題上將不輸于或優(yōu)于光纖網(wǎng)絡(luò)。

波音公司也提出了規(guī)模達到近3000顆的星座計劃，與SpaceX強調(diào)的延遲優(yōu)勢相比，波音公司在計劃書中則更多強調(diào)的是覆蓋和冗余問題。

從頻段上看，首批申請的系統(tǒng)大多采用Ka或Ku波段。波音公司是最先申請使用V波段的企業(yè)，這一頻段目前尚未被商業(yè)通信服務(wù)大量使用。之后，又有五家企業(yè)（SpaceX、OneWeb、Telesat、O3b Networks和Theia Holdings）于2017年3月向FCC表示有部署V波段星座的計劃，以此作為其原有Ka或Ku波段星座的后續(xù)。例如SpaceX在最初提出的4425顆衛(wèi)星的Ka、Ku波段星座基礎(chǔ)上，又提出一個包括7518顆衛(wèi)星的V波段LEO星座；加拿大Telesat公司在其Ka波段LEO星座之后，將構(gòu)建一個同樣由117顆衛(wèi)星構(gòu)成的V波段二代LEO星座；OneWeb則向FCC表示希望另外建設(shè)一個由720顆LEO衛(wèi)星組成的V波段“子星座”和一個由1280顆衛(wèi)星構(gòu)成的中軌道（MEO）星座，并將根據(jù)服務(wù)需求和覆蓋區(qū)域內(nèi)的業(yè)務(wù)量在這兩個星座之間動態(tài)分配業(yè)務(wù)。

表1：向FCC提交的NGSO申請列表

各公司在向FCC提交申請的同時也提供了各自相關(guān)的技術(shù)方案，本文將對其中比較有代表性的SpaceX、波音和OneWeb公司的技術(shù)方案進行簡要介紹。

SpaceX公司的低軌道衛(wèi)星星座由4425顆衛(wèi)星組成，運行于高度從1110km到1325km不等的83個軌道面，另外還配有相關(guān)地面控制設(shè)施、網(wǎng)關(guān)地球站和終端用戶地球站。

SpaceX系統(tǒng)希望達成的目標(biāo)包括：

• 大容量：每顆衛(wèi)星可提供17~23Gbps的下行鏈路總?cè)萘?，按平?0Gbps計算，初期部署的1600顆衛(wèi)星提供的總?cè)萘靠蛇_32Tbps。

• 高適應(yīng)性：系統(tǒng)采用相控陣技術(shù)動態(tài)控制大量波束，將容量按需要進行集中。衛(wèi)星之間有激光星間鏈路，可在軌實現(xiàn)靈活路由。

• 寬帶服務(wù)：系統(tǒng)將以每終端用戶1Gbps的速率提供寬帶服務(wù)，延遲約為25~35ms。

• 全球覆蓋：完成全部部署后，提供真正的全球覆蓋。

• 低成本：從空間和地面系統(tǒng)的設(shè)計和生產(chǎn)，到利用SpaceX自己的發(fā)射服務(wù)進行發(fā)射和部署，再到用戶終端的開發(fā)，SpaceX將對低成本和高可靠性的追求貫徹到了整個系統(tǒng)設(shè)計中。

• 便捷性：SpaceX的相控陣用戶天線設(shè)計可實現(xiàn)低剖面用戶終端，便于在墻壁或屋頂上安裝和運行。

（1）空間段

SpaceX系統(tǒng)整體星座配置如下：

通過該星座，SpaceX將以40度的最小仰角提供對地球的完全連續(xù)覆蓋。

通過初期部署的首批800顆衛(wèi)星（32個軌道面，每個軌道面初始25顆衛(wèi)星），系統(tǒng)將提供美國和國際商業(yè)寬帶業(yè)務(wù)覆蓋，共1600顆衛(wèi)星的初期部署全部完成后將提高整個系統(tǒng)容量，并增加對赤道地區(qū)的覆蓋，業(yè)務(wù)主要集中在南北緯60度之間。終期部署的2825顆衛(wèi)星發(fā)射后，將進一步增加系統(tǒng)容量，并增加對極地和高緯度地區(qū)的覆蓋。

SpaceX系統(tǒng)衛(wèi)星與網(wǎng)關(guān)之間的通信將采用Ka波段，衛(wèi)星與用戶終端之間的通信則采用Ku波段。系統(tǒng)還采用了星間激光鏈路，可實現(xiàn)無縫網(wǎng)絡(luò)管理和連續(xù)服務(wù)。SpaceX申請授權(quán)的運行頻率如下：

（2）地面段

SpaceX系統(tǒng)包括三種地球站：TT＆C站、網(wǎng)關(guān)站和用戶終端。

TT＆C站直徑大約5米，數(shù)量相對較少（主站和備份站在美國，還有一些站點分布在海外）。

Ka波段網(wǎng)關(guān)站采用相控陣天線技術(shù)，有數(shù)百個站分布在美國，與主要的Internet對等點（peering point）共址或鄰近，向衛(wèi)星星座提供必要的Internet連接。

Ku波段用戶終端也采用相控陣天線進行通信。

波音公司提出的非靜止衛(wèi)星軌道（NGSO）固定衛(wèi)星業(yè)務(wù)（FSS）系統(tǒng)旨在為商業(yè)、機構(gòu)、政府和專業(yè)用戶以及居民提供廣泛的寬帶互聯(lián)網(wǎng)與通信服務(wù)。圖1示出了該系統(tǒng)的設(shè)施及連接概況。

圖1 NGSO系統(tǒng)設(shè)施及連接概況

波音的NGSO系統(tǒng)將由2956顆衛(wèi)星構(gòu)成星座，通過系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)接入網(wǎng)關(guān)和相關(guān)地面光纖網(wǎng)絡(luò)為用戶終端提供高速、低延遲的互聯(lián)網(wǎng)連接。通過一個全球網(wǎng)絡(luò)運行中心（GNOC）對衛(wèi)星、網(wǎng)關(guān)和用戶終端進行管理，通過一系列區(qū)域網(wǎng)絡(luò)運行中心為全球各區(qū)域內(nèi)的多個網(wǎng)關(guān)提供連接和管理。

用戶終端和網(wǎng)關(guān)均采用V波段雙向鏈路，衛(wèi)星有效載荷采用先進的波束形成和數(shù)字處理技術(shù)，可實現(xiàn)V波段頻譜的共享和有效使用。用戶終端將采用類似的技術(shù)，使用小口徑天線提供方向可控的天線波束對LEO衛(wèi)星進行跟蹤。網(wǎng)關(guān)也將采用先進陣列技術(shù)生成高增益方向受控波束，可從單個網(wǎng)關(guān)與多顆NGSO衛(wèi)星進行通信。全球網(wǎng)絡(luò)運行中心通過遠程接入網(wǎng)關(guān)提供的帶內(nèi)V波段TT＆C鏈路實現(xiàn)對衛(wèi)星和有效載荷的整體控制。

在初期部署階段，波音NGSO系統(tǒng)星座由運行于1200km高度的1396顆LEO衛(wèi)星組成。初始星座包括35個45度傾角的圓軌道面，另外還有6個55度傾角的圓軌道面作為補充。

這一初始配置將以大于45度的地球站仰角為緯度60度以下地區(qū)的用戶提供衛(wèi)星可見性，并將在高緯度區(qū)域提供更高的衛(wèi)星可見性和覆蓋。高仰角可以降低因鏈路損害造成的損耗，還能提供多條視線路徑來避免阻擋。這些特性還使系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)和用戶終端與運行于V波段的其它用戶相隔離。

波音NGSO系統(tǒng)最終部署后，衛(wèi)星數(shù)量將增加到2956顆，增加12個55度傾角、運行高度1200km的軌道面和21個88度傾角、運行高度1000km的軌道面。終期部署后將為全球用戶進一步提高系統(tǒng)容量，擴大覆蓋范圍。

系統(tǒng)有效載荷將采用先進波束形成和數(shù)字處理技術(shù)，生成數(shù)千個窄帶點波束，提供對地球表面的蜂窩覆蓋。

（1）空間段

OneWeb低軌道衛(wèi)星系統(tǒng)將由大約720顆衛(wèi)星以及在軌備份星構(gòu)成，并且衛(wèi)星數(shù)量還可進一步增加。衛(wèi)星軌道高度約1200km，包括18個傾角為87.9度的軌道面，每個軌道面包含40顆初始衛(wèi)星。該配置可提供全球覆蓋，大部分所覆蓋區(qū)域的仰角大于60度。

OneWeb系統(tǒng)初期將發(fā)射少量衛(wèi)星用于評估和概念驗證。隨后針對18個軌道面進行18次發(fā)射，每三至四周發(fā)射一次，每次發(fā)射32顆衛(wèi)星。后續(xù)還將根據(jù)需求繼續(xù)發(fā)射，使衛(wèi)星數(shù)量達到每個軌道面40顆。

（2）地面段

地面段由三種類型的地球站構(gòu)成：TT＆C站、網(wǎng)關(guān)站和用戶終端站。TT＆C站只設(shè)在高緯度地區(qū)，裝有多部主動跟蹤天線和相關(guān)電子設(shè)備，天線反射面直徑通常為2.4m或以上。

網(wǎng)關(guān)站也裝有多部反射面直徑2.4m的主動跟蹤天線，通常會同時部署10部或10部以上天線，這樣可以從該地點同時訪問多顆可見衛(wèi)星。大約會分階段部署50或更多個網(wǎng)關(guān)站，其中美國將至少部署4個。網(wǎng)關(guān)站還將發(fā)射和接收控制信號進行衛(wèi)星有效載荷控制和網(wǎng)關(guān)鏈路功率控制。一些位于高緯度地區(qū)的網(wǎng)關(guān)站還將用作TT＆C地球站。

用戶終端將采用機械控制拋物面反射天線、電子掃描相控陣天線或其它波束控制技術(shù)，天線直徑為30cm至75cm。終端包括固定、便攜式陸地終端以及可用于飛機、艦船和陸地車輛的移動終端。

OneWeb系統(tǒng)將設(shè)置至少兩個獨立衛(wèi)星控制中心，互為備份，分別位于美國和英國。網(wǎng)絡(luò)運行將主要由位于英國和美國佛羅里達州的設(shè)施進行控制。這些控制中心與TT＆C及網(wǎng)關(guān)地球站之間的連接將通過地面租用線路和安全的互聯(lián)網(wǎng)虛擬專網(wǎng)（VPN）實現(xiàn)。

衛(wèi)星鏈路包括Ku波段用戶鏈路以及Ka波段網(wǎng)關(guān)鏈路。OneWeb系統(tǒng)運行頻率規(guī)劃如下：

每顆OneWeb衛(wèi)星有16個相同的Ku波段用戶波束，每個用戶波束包括一個不可控的高橢圓點波束。每顆衛(wèi)星上還有兩個相同的可控網(wǎng)關(guān)波束天線，運行于Ka波段，每部天線可生成一個單獨可控的圓形點波束。一個網(wǎng)關(guān)接收波束中的16條Ka波段上行信道被轉(zhuǎn)換為16條Ku波段下行信道，每條信道路由至16個用戶波束中的一個（前向鏈路），標(biāo)稱帶寬為250MHz。此外，來自同樣16個用戶波束的16條不同的Ku波段上行信道被轉(zhuǎn)換為16條Ka波段下行信道，并回傳至相同的網(wǎng)關(guān)發(fā)射波束（返向鏈路），標(biāo)稱帶寬為125MHz。

至于TT＆C、包括對衛(wèi)星有效載荷的控制，則由專用的Ka波段信道完成。