低轨道卫星技术

低轨道卫星技术 (LEO) 对现代全球通信的影响

随着卫星技术的快速发展，低地球轨道（LEO）卫星成为一种颠覆性创新。这些卫星位于地球表面约 100 至 500 英里处，彻底改变了我们通信、收集数据和监测地球的方式。LEO 卫星在电信、地球观测、科学研究和国家安全等许多领域发挥着关键作用。预计到 2029 年，商业星座的规模将增长 35% 至 70%，其中约 65% 的增长将集中在通信应用方面，涉及横跨低地球轨道（LEO）、中地球轨道（MEO）和地球同步轨道（GEO）卫星的卫星网络。

1.不同卫星轨道比较

GEO 卫星以相同的速度与地球同步旋转，因此它们相对于地球的位置是固定的，从而确保从地球表面的任何位置都能获得固定的指向角度。在移动平台上，地面 GEO 定向天线必须持续指向指定的 GEO 卫星。这些传统的地面卫星天线体积大、价格昂贵、有许多活动部件，并且需要定期维护。

MEO 卫星（例如 GPS）通常用于导航。MEO 卫星有其自身的优势，但与 GEO 卫星类似，它们的发射和维护成本很高。尽管 GEO 和 MEO 卫星各有用途，但它们都存在延迟和数据速率问题。    

范围	低地球轨道：500-1200公里	中地球轨道：5000-20000公里	地理：36000公里
高度	非常低	低的	高的
地球覆盖	小的	大的	非常大
卫星数量	百	6	3
数据网关	本地大量	灵活区域	一些固定
天线速率	10分钟快速跟进	1小时慢速追踪	固定的

图1 LEO / GEO / MEO 卫星覆盖区域 

低地球轨道卫星与地球静止轨道和中地球轨道卫星相比具有显著优势，它们能够为地球上偏远和欠发达地区提供低延迟（比地球静止轨道快 30 倍）和高速互联网连接。低地球轨道卫星需要数百到数千颗卫星覆盖地球表面，形成一个交联的网状网络。这种网状网络不仅扩大了全球覆盖范围，还提高了连接的可靠性——例如，如果一颗卫星离线，另一颗卫星可以在信号丢失的情况下立即填补。目前，大多数低地球轨道卫星部署是由私营公司和政府机构推动的，SpaceX、OneWeb、亚马逊的 Kuiper 项目和 Telesat 等公司已在低地球轨道卫星部署方面投入巨资，开启了全球网络互联和轻松访问数据的新时代。    

卫星在促进全球互联互通方面发挥着重要作用，如图3所示，其主要任务有两点：一是直接与地球通信，为不同行业的众多最终用户终端提供支持；二是将数据直接或通过星间链路（ISL）传回地球。随着更多低地球轨道卫星发射，通信速度显著提高，覆盖范围不断扩大；从太空到地球的信息传输变得更加便捷，延迟更少。

卫星	轨道高度	应用
地理区域	36000公里	电信、广播、气象预报、遥感、导航
中欧	5000-20000公里	电信、GPS 和其他导航
低地球轨道	500-1200公里	延迟关键型应用、金融交易、自动驾驶汽车、远程视频手术

图2 非地面网络，包括地面卫星间链路 (ISL) 和应用连接

2.卫星基本部件     

卫星是一个复杂的系统，根据任务的不同包含多种功能；本文将重点介绍通信有效载荷模块内的转发器组件。转发器是有效载荷模块中的一个子系统，负责发送和接收信号；它通常包含用于通信目的的放大器、接收器和发射器。

图 3. 基本卫星组件示例

3. 卫星通信使用的频谱

大多数卫星部署使用L 至 Ka 波段。然而，目前越来越多的卫星正转向更高的频段，如 Q/V 和 E 频谱；如下表 1 所示。

频率	下行频率 KMHz	下行带宽 KMHz	上行频率 KMHz	上行带宽 KMHz	mark
L波段	1.535-1.56	0.025	1.635-1.66	0.025	实时监控远程设备状态并实现机器对机器通信
S波段	2.5-2.54	0.04	2.65-2.69	0.04	用于气象雷达、水面舰船雷达和 NASA 通信、卫星电视、移动宽带服务、无线电广播和机载互联网
C波段	3.4-4.2	0.8	5.8-6.725	0.925	提供船舶至陆地的语音和数据传输服务
X波段	7.25-7.75	0.5	7.9-8.4	0.5	用于卫星通信、军用卫星通信和雷达应用
Ku波段	10.0-13.0	3	14.0-18.0	4	用于卫星通信、固定卫星服务和广播卫星服务
Ka波段	17.7-21.2	3.5	27.5-31.0	3.5	用于卫星通信、军用卫星通信和 5G 电信
Q/V 波段	37.5-42.5	5	42.5-51.4	8.9	用于语音、数据和视频通信
电子频带	71.0-76.0	6	81.0-86.0	5	提供极高吞吐量的卫星通信服务

表1卫星通信（SATCOM）频谱分配 

为了服务于5G非地面网络应用，3GPP还分配了NTN频段。表2列出了L&S频段中现有的NTN频段，以及K和Ka频段中新提出的频段。

4.卫星与5G网络融合

大型低地球轨道卫星星座提供的宽带服务在全球越来越受欢迎。这一趋势加上卫星网络融入 5G 生态系统，进一步推动了卫星通信市场的增长。

此外，蜂窝通信正在成为卫星生态系统的一部分。3GPP Release 17 引入了 5G 无线技术，使 5G 系统能够为非地面网络 (NTN) 提供服务。NTN 旨在扩大全球网络覆盖范围，特别是在农村和偏远地区，并促进移动设备、物联网 (IoT) 以及商用自动驾驶汽车与卫星之间的直接连接。这种整合使卫星行业能够充分利用 5G 生态系统的规模。    

3GPP Release 17 定义了 5G 新无线电 (NR) NTN 和 5G IoT NTN，如图 4 所示。它专注于利用卫星透明有效载荷架构和具有 GNSS 功能的 UE；图 4 显示了 5G NTN 的预期用例。

图 4. 互补的 NTN 5G NR 和 IoT 用例

其他应用场景包括……

• 农业、采矿业和林业等覆盖不足的地区

• 地面通信网络受损时的灾区通信

• 向广大区域广播信息

本文探讨了低地球轨道卫星对全球通信的影响，重点关注其在电信和地球观测等领域的关键作用。到 2029 年，商业星座中的低地球轨道卫星数量预计将翻一番；通过网状网络为偏远地区提供低延迟、高速互联网接入。SpaceX、OneWeb 和亚马逊的 Kuiper 项目等大公司的投资标志着改善全球连通性的重大转变。此外，我们还通过 NTN 研究了卫星网络与 5G 生态系统的集成，从而扩大频谱以改善覆盖范围，特别是在服务不足的地区。这种整合不仅推动了市场增长，还凸显了卫星行业在推进 5G 基础设施和全球通信能力方面的重要作用。