衛(wèi)星系統(tǒng)技術(shù)介紹 衛(wèi)星如何保持在軌道上的

60多年來(lái)，美國(guó)一直在環(huán)繞地球的軌道上運(yùn)行衛(wèi)星。今天，包括國(guó)防部（DoD）和美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）在內(nèi)的幾個(gè)美國(guó)政府機(jī)構(gòu)都在運(yùn)營(yíng)衛(wèi)星，許多外國(guó)和眾多商業(yè)公司也是如此。根據(jù)最近的一項(xiàng)研究，截至 2022 年5月，約有 ，1000 顆運(yùn)行衛(wèi)星在軌運(yùn)行。其中許多衛(wèi)星作為星座的一部分運(yùn)行。（星座是一組衛(wèi)星，從幾顆到數(shù)百顆或更多，共同執(zhí)行特定任務(wù)。預(yù)計(jì)在未來(lái)十年內(nèi)，軌道衛(wèi)星的數(shù)量將猛增，這主要是因?yàn)橐恍┬碌拇笮蜕虡I(yè)衛(wèi)星星座在相對(duì)較低的高度軌道上運(yùn)行。在本報(bào)告中，國(guó)會(huì)預(yù)算辦公室介紹了衛(wèi)星和星座的基本知識(shí)，描述了大型星座預(yù)計(jì)增長(zhǎng)的原因和后果，并討論了部署這些星座的成本。

衛(wèi)星基礎(chǔ)知識(shí)

衛(wèi)星是復(fù)雜的技術(shù)設(shè)備，其設(shè)計(jì)和裝備用于在軌道上執(zhí)行特定任務(wù)。衛(wèi)星的任務(wù)和軌道高度決定了機(jī)載所需設(shè)備的能力。每種類型的任務(wù)都需要特定的設(shè)備。例如，執(zhí)行地球觀測(cè)任務(wù)的衛(wèi)星需要具有不同功能的望遠(yuǎn)鏡，而通信衛(wèi)星則需要能夠接收和傳輸信號(hào)給地球表面用戶和軌道上其他衛(wèi)星的設(shè)備。

衛(wèi)星任務(wù)的常見(jiàn)類別

大多數(shù)衛(wèi)星執(zhí)行的任務(wù)分為三類：地球觀測(cè)、導(dǎo)航或通信。

有幾種不同類型的地球觀測(cè)任務(wù)。一種常見(jiàn)的任務(wù)類型是識(shí)別和監(jiān)測(cè)環(huán)境現(xiàn)象，如天氣、野火和極地冰蓋。例如，美國(guó)宇航局的地球觀測(cè)系統(tǒng)為此目的使用了各種配備望遠(yuǎn)鏡的衛(wèi)星，包括收集地球表面圖像的Landsat系列。?另一種類型的地球觀測(cè)任務(wù)是監(jiān)視外國(guó)對(duì)國(guó)家安全構(gòu)成潛在威脅的活動(dòng)。例如，國(guó)防部的天基紅外系統(tǒng)監(jiān)測(cè)全球，以探測(cè)和表征導(dǎo)彈發(fā)射。設(shè)備的具體功能取決于任務(wù)：檢測(cè)環(huán)境趨勢(shì)可能只需要分辨率（物體之間的距離，可以明顯區(qū)分它們之間的距離），以公里（km）為單位;相比之下，檢測(cè)新的軍事裝備可能需要幾米（m）或幾十厘米的分辨率。

導(dǎo)航任務(wù)允許地球上的用戶通過(guò)接收來(lái)自多顆衛(wèi)星的信號(hào)來(lái)確定他們的位置。國(guó)防部最初建造了全球定位系統(tǒng)（GPS）衛(wèi)星星座以支持軍事導(dǎo)航，但它的使用也已為公眾廣泛傳播。

通信任務(wù)有幾個(gè)常見(jiàn)的應(yīng)用，包括衛(wèi)星電話（如銥星，Globalstar和Inmarsat），電視和廣播（如Dish和SiriusXM），以及最近的互聯(lián)網(wǎng)接入（如Viasat和Starlink）。此外，許多軍事應(yīng)用依賴于軍用和商業(yè)衛(wèi)星進(jìn)行語(yǔ)音和數(shù)據(jù)通信。這些衛(wèi)星通常具有從用戶接收信號(hào)然后將該信號(hào)中繼給指定接收者的設(shè)備。

衛(wèi)星如何保持在軌道上

物體在地球表面上方的軌跡是由地球的引力和物體的初始速度（即其運(yùn)動(dòng)的方向和速度）決定的。繞地球軌道上的物體沿著平衡運(yùn)動(dòng)的路徑行進(jìn)，這樣物體就不會(huì)靠近地球表面。（下面的描述有點(diǎn)理想化，以便于解釋。

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重力隨著兩個(gè)物體之間距離的增加而減小。因此，地球?qū)μ罩形矬w的引力引起的加速度隨著物體在地球表面上方的高度（即其高度）的增加而迅速減小。例如，在1公里的高度，大約是地球表面加速度的四分之三;在36000公里的高度，它大約是表面加速度的五分之一。因此，物體離地球表面越近，它在給定時(shí)間內(nèi)落得越遠(yuǎn)。

當(dāng)重力將物體拉向地球時(shí)，它的初始速度正在推動(dòng)它穿過(guò)地球表面。如果這個(gè)速度恰到好處，即使物體已經(jīng)下落，它也會(huì)在地球表面移動(dòng)，所以它不會(huì)離地球更近。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，該物體被稱為在軌道上。由于高度對(duì)重力加速度的影響，對(duì)于較低高度的物體，維持軌道所需的初始速度更高。

高度和初始速度對(duì)衛(wèi)星軌跡的影響

重力總是將物體拉向地球（左上圖）。物體在地球表面的初始速度決定了除了下落之外會(huì)發(fā)生什么。如果速度太低，物體將在表面上移動(dòng)，但仍會(huì)撞擊地球（右上圖）。如果速度太高，它將錯(cuò)過(guò)地球并進(jìn)入太空（左下圖）。如果速度恰到好處，它將繞地球轉(zhuǎn)一圈，然后返回相同的原始點(diǎn)，一條稱為軌道的路徑（右下圖）。

衛(wèi)星功能與設(shè)計(jì)

衛(wèi)星由特定任務(wù)的有效載荷（如望遠(yuǎn)鏡或其他傳感器、通信包或允許用戶確定其位置的精確時(shí)鐘）和衛(wèi)星總線組成，衛(wèi)星總線容納使有效載荷能夠執(zhí)行其任務(wù)的設(shè)備。該設(shè)備通常包括一個(gè)容納各種設(shè)備的結(jié)構(gòu)和一個(gè)保護(hù)它們免受空間環(huán)境影響的外殼、電源（通常是太陽(yáng)能電池板）、熱控制設(shè)備（在衛(wèi)星進(jìn)出地球陰影時(shí)調(diào)節(jié)衛(wèi)星的溫度）、儲(chǔ)存能量的電池，以便在衛(wèi)星處于地球陰影中時(shí)使用， 用于確定（通常是觀察恒星圖案的相機(jī)）和控制衛(wèi)星位置及其對(duì)齊的設(shè)備（包括用于操縱衛(wèi)星的小型火箭發(fā)動(dòng)機(jī)），以及與地面控制器通信的設(shè)備。衛(wèi)星的費(fèi)用包括公共汽車和特定任務(wù)的設(shè)備。

衛(wèi)星總線的能力會(huì)影響衛(wèi)星的壽命和有效載荷的性能。例如，衛(wèi)星總線中的推進(jìn)劑量或電池可以經(jīng)歷的放電-充電循環(huán)次數(shù)可能會(huì)限制衛(wèi)星的使用壽命?？偩€提供多少電力以及它可以在電池中存儲(chǔ)多少電力會(huì)影響衛(wèi)星有效載荷的性能。衛(wèi)星總線還決定了衛(wèi)星的指向精度（即衛(wèi)星控制其傳感器的位置和對(duì)齊的能力）。某些任務(wù)可能需要高度的準(zhǔn)確性，以確保衛(wèi)星與先前觀測(cè)完全相同。

衛(wèi)星的典型組件

衛(wèi)星由幾個(gè)組件組成，包括通信天線和望遠(yuǎn)鏡等特定任務(wù)的有效載荷、用于供電的太陽(yáng)能電池板，以及通常用于其他有效載荷設(shè)備（如電子設(shè)備）和其他提供基本內(nèi)務(wù)管理服務(wù)的設(shè)備（如與地面操作員的通信、位置確定和其他功能）的外殼。

軌道基礎(chǔ)知識(shí)

除了選擇特定任務(wù)的設(shè)備外，任務(wù)規(guī)劃人員還需要確定衛(wèi)星將在太空中的哪個(gè)位置運(yùn)行。大多數(shù)衛(wèi)星在地球表面上方300公里（或約190英里）至約36，000公里（約22，000英里）之間的大致圓形軌道上運(yùn)行。一般來(lái)說(shuō)，衛(wèi)星離地球表面越遠(yuǎn)（即高度越高），衛(wèi)星設(shè)備執(zhí)行任務(wù)的能力就越強(qiáng)。

衛(wèi)星高度決定軌道狀態(tài)

大多數(shù)衛(wèi)星在三種軌道類別或制度之一中運(yùn)行，由其高度定義：

低地球軌道（LEO）。LEO中的衛(wèi)星的高度約為300公里至2，000公里。例如，國(guó)際空間站的軌道距離約為400公里，衛(wèi)星電話提供商銥星的軌道距離約為780公里。相比之下，商用客機(jī)在大約 10 公里的高度飛行。

中地球軌道。MEO中的衛(wèi)星的高度為2，000公里至35，786公里，但該制度中的大多數(shù)衛(wèi)星在地球表面上方18，000公里至24，000公里之間運(yùn)行。例如，GPS星座的軌道距離為20，200公里。

地球同步軌道。地球靜止軌道上的衛(wèi)星在35，786公里的高度。在這個(gè)高度，衛(wèi)星需要24小時(shí)才能繞地球一圈，因此與地球的自轉(zhuǎn)同步移動(dòng)。在赤道上空運(yùn)行的衛(wèi)星將在整個(gè)軌道上保持在同一地面位置的上方，這被稱為地球靜止軌道。

所有常用軌道上的衛(wèi)星都以非常高的速度運(yùn)行：國(guó)際空間站以每秒約7.7公里的速度運(yùn)行，相當(dāng)于每小時(shí)超過(guò)17，000英里，GEO中的衛(wèi)星以每秒約3.1公里的速度運(yùn)行，或每小時(shí)約7，000英里。

共同軌道制度

一顆位于地球上空1 000公里低地球軌道的衛(wèi)星大約每90分鐘繞地球一周，一顆位于地球上空約18 000公里的中地球軌道上的衛(wèi)星大約需要12小時(shí)，一顆在地球同步軌道上的衛(wèi)星大約需要24小時(shí)。

軌道狀況決定衛(wèi)星特性

目前在軌運(yùn)行的衛(wèi)星中約有85%處于LEO中。但這種主導(dǎo)地位并非總是如此——就在10年前，GEO和LEO的衛(wèi)星數(shù)量大致相同。低地球軌道衛(wèi)星的大幅增長(zhǎng)將在本報(bào)告后面更詳細(xì)地討論。

衛(wèi)星通常被放置在最適合其任務(wù)的軌道上?？紤]像GPS這樣的導(dǎo)航衛(wèi)星。為了確定它們的位置，用戶需要能夠同時(shí)接收來(lái)自四顆或更多衛(wèi)星的信號(hào)。如果這些衛(wèi)星分布在天空中，GPS接收器確定的位置將更加準(zhǔn)確。MEO中的衛(wèi)星很好地滿足了這一要求 - 它們?cè)谔炜罩邢鄬?duì)緩慢地移動(dòng)，在地球表面的給定位置停留數(shù)小時(shí)。（相比之下，LEO中的衛(wèi)星僅在視野中顯示約10分鐘，而GEO衛(wèi)星始終保持在視野中。MEO中的衛(wèi)星也可以安排覆蓋整個(gè)地球緯度范圍，而GEO衛(wèi)星通常只在赤道上。因此，幾乎所有具有導(dǎo)航任務(wù)的衛(wèi)星都在MEO中。

按軌道制度分列的衛(wèi)星特性

衛(wèi)星的特性和成本取決于它們的任務(wù)。通信是LEO和GEO中最常見(jiàn)的任務(wù)，但導(dǎo)航主導(dǎo)著MEO。

在許多情況下，低軌道衛(wèi)星的設(shè)備功能較弱，計(jì)劃運(yùn)行壽命較短。這些因素通常導(dǎo)致衛(wèi)星的質(zhì)量小于為地球觀測(cè)小組設(shè)計(jì)的衛(wèi)星;質(zhì)量較小的衛(wèi)星通常比質(zhì)量較大的衛(wèi)星成本更低。

軌道高度決定了地球的可見(jiàn)程度

地球上在衛(wèi)星視線范圍內(nèi)的區(qū)域（稱為其關(guān)注場(chǎng)）隨高度而變化——衛(wèi)星越高，它能看到的區(qū)域就越大。一些任務(wù)要求衛(wèi)星大致位于所觀察區(qū)域的頭頂，從而減少了在任何給定時(shí)間可以有效查看的區(qū)域，而其他任務(wù)則允許衛(wèi)星以一定角度觀察，從而增加其覆蓋區(qū)域。

由于衛(wèi)星總是沿著其軌道路徑移動(dòng)，因此大多數(shù)衛(wèi)星可以看到地球上特定點(diǎn)的時(shí)間是有限的，并且衛(wèi)星離地球越近，時(shí)間就越短。GEO衛(wèi)星可以無(wú)限期地觀察一個(gè)給定的點(diǎn)（如果它們能看到的話），因?yàn)樗鼈兊囊晥?chǎng)相對(duì)于地球表面是固定的，而MEO衛(wèi)星可以觀察一個(gè)給定的點(diǎn)幾個(gè)小時(shí)，LEO衛(wèi)星可以觀察大約10分鐘。

各種軌道衛(wèi)星的視野

此插圖表示低地球軌道（1，000 公里）、近地球軌道（18，000 公里）和地球靜止軌道（35，786 公里）中衛(wèi)星的觀察區(qū)域（關(guān)注場(chǎng)）的三維描述。此處表示的覆蓋區(qū)域考慮了地球的幾何形狀，但沒(méi)有考慮其他變量，例如與傳感器相關(guān)的視角限制。

衛(wèi)星的傳感器能力決定了可以觀測(cè)到多少地球

由于傳感器的觀察幾何形狀的限制，衛(wèi)星傳感器在任何時(shí)候都可以觀察到的實(shí)際區(qū)域（傳感器的視場(chǎng)）可能小于衛(wèi)星的視場(chǎng)。例如，某些類型的觀測(cè)可能需要傳感器向下看地球表面（而不是從側(cè)面看）。為了說(shuō)明傳感器關(guān)注領(lǐng)域施加的一組典型限制，CBO應(yīng)用了從地球上的某個(gè)點(diǎn)看到的衛(wèi)星必須至少高于地平線20度才能有效地查看該點(diǎn)的限制。

實(shí)際上，傳感器在任何給定時(shí)刻都可能查看更小的區(qū)域。一些傳感器通過(guò)一次僅查看其關(guān)注領(lǐng)域的一部分來(lái)管理產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量或?qū)崿F(xiàn)更高的分辨率。該區(qū)域稱為傳感器的視野，位于傳感器視場(chǎng)定義的區(qū)域內(nèi)的某個(gè)位置。

使用單個(gè)傳感器關(guān)注范圍內(nèi)的平方英里數(shù)并使用20度約束進(jìn)行簡(jiǎn)單計(jì)算意味著4顆GEO衛(wèi)星（或5顆MEO衛(wèi)星或約50顆LEO衛(wèi)星）可以保持100%覆蓋地球。然而，衛(wèi)星不能簡(jiǎn)單地保持在最佳位置——它們必須在軌道上運(yùn)行，沿著軌道路徑連續(xù)移動(dòng)（軌道路徑被限制在一個(gè)軌道平面上，軌道軌跡和地球中心都位于其中），而地球繼續(xù)在它們下面旋轉(zhuǎn)。因此，計(jì)算衛(wèi)星可以查看的實(shí)際區(qū)域以及何時(shí)可以查看這些區(qū)域是相當(dāng)復(fù)雜的。

各種軌道上的傳感器和衛(wèi)星的視野和關(guān)注場(chǎng)

如果視角必須至少高于地平線 20 度，則傳感器的視場(chǎng)（中間圓）小于衛(wèi)星的視場(chǎng)（外圓）。具有非常寬視野的相機(jī)可能能夠看到其關(guān)注范圍內(nèi)的任何地方，但大多數(shù)傳感器在任何給定時(shí)刻看到的區(qū)域都比其關(guān)注區(qū)域小得多（最小的橢圓形）。

軌道傾角決定了地球的哪個(gè)部分是可見(jiàn)的

當(dāng)衛(wèi)星在其軌道上飛行時(shí)，它會(huì)在地面上追蹤一條路徑，該路徑取決于衛(wèi)星的相對(duì)運(yùn)動(dòng)和地球的自轉(zhuǎn)。軌道的傾角（即軌道相對(duì)于赤道的角度）決定了衛(wèi)星在其軌道上在地球表面上的南北行駛距離。赤道軌道（0 度傾角）中的衛(wèi)星將在整個(gè)軌道上沿赤道運(yùn)行。當(dāng)傾角從 0 度增加到 90 度時(shí)，衛(wèi)星將追蹤一條達(dá)到等于其傾角的最大緯度（北和南）的路徑。

對(duì)于具有廣泛視野的衛(wèi)星，如GEO中的衛(wèi)星，赤道軌道可以進(jìn)入地球的大部分地區(qū)，包括一些接近（但尚未完全到達(dá)）極地地區(qū)的高緯度地區(qū)。LEO衛(wèi)星通常具有更小的視野，并且必須具有更高的觀察高緯度的傾向。許多低地球軌道衛(wèi)星使用所謂的極地軌道，傾角約為80度或更大，以覆蓋每個(gè)軌道期間的所有緯度范圍。

三顆低地球軌道衛(wèi)星在它們下方旋轉(zhuǎn)時(shí)的路徑

顯示的三條軌道代表LEO中的軌道，每個(gè)軌道都有不同的傾角。隨著地球繼續(xù)自轉(zhuǎn)，路徑中給定點(diǎn)正下方的位置從一個(gè)軌道周期變?yōu)橄乱粋€(gè)軌道周期。

三顆低地球軌道衛(wèi)星在地球上空的路徑投影

這些軌道代表與上圖中相同的衛(wèi)星，在一個(gè)90分鐘的軌道上。地球的運(yùn)動(dòng)和衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)在這個(gè)投影中結(jié)合在一起。下一個(gè)軌道將追蹤一條不同的路徑，該路徑從這條軌道結(jié)束的地方開(kāi)始。

衛(wèi)星星座

衛(wèi)星星座是衛(wèi)星的集合，其中衛(wèi)星的軌道和位置是協(xié)調(diào)的，它們的集體能力被用來(lái)配合任務(wù)。星座通常由幾個(gè)平面上的衛(wèi)星組成，每個(gè)平面上的軌道上有許多衛(wèi)星間隔。衛(wèi)星可以相當(dāng)容易地改變它們?cè)陲w機(jī)內(nèi)的相對(duì)位置，但飛機(jī)之間的運(yùn)動(dòng)需要大量的推進(jìn)劑，并且可能會(huì)縮短衛(wèi)星的壽命。7?在某些星座中，每架飛機(jī)都包括備用衛(wèi)星，可以將其移動(dòng)到位以替換同一平面內(nèi)任何出現(xiàn)故障的衛(wèi)星。

星座大小和觀測(cè)頻率

由于一顆衛(wèi)星在地球在其下方旋轉(zhuǎn)的同時(shí)沿其軌道不斷移動(dòng)，因此一顆衛(wèi)星（地球同步軌道上的衛(wèi)星除外）通?？梢栽趲滋靸?nèi)以相當(dāng)狹窄的視野（或更常見(jiàn)的更大視野）觀察地球的大部分地區(qū)。對(duì)于一些任務(wù)，如環(huán)境監(jiān)測(cè)，只需要每隔一兩天進(jìn)行一次觀測(cè)，一顆衛(wèi)星可能就足夠了。但是，對(duì)于需要始終（或幾乎所有時(shí)間）覆蓋全球的任務(wù)，需要將多顆衛(wèi)星組合成一個(gè)星座。由于LEO中的每顆衛(wèi)星都可以看到相對(duì)較小的區(qū)域，因此這些星座通常需要比MEO或GEO中的星座擁有更多的衛(wèi)星才能實(shí)現(xiàn)相同的覆蓋范圍。

1公里低地球軌道上的衛(wèi)星星座

一個(gè)由72顆衛(wèi)星組成的星座，分為6個(gè)平面，每個(gè)平面上有12顆衛(wèi)星（左圖），提供幾乎完整的全球覆蓋。在右側(cè)面板中，藍(lán)色錐體顯示了衛(wèi)星傳感器的視場(chǎng)。傳感器的覆蓋范圍之間存在一些小差距，主要是在赤道地區(qū)。所有72顆衛(wèi)星都以80度的傾角運(yùn)行。

軌道高度和星座覆蓋范圍

為了對(duì)衛(wèi)星在不同軌道高度通常提供的覆蓋范圍進(jìn)行定量比較，CBO考慮了三個(gè)提供可比全球覆蓋范圍的星座的說(shuō)明性示例：

一個(gè)地球同步星座，由4顆地球同步高度的衛(wèi)星組成，在單個(gè)平面上以0度傾角等距（即在赤道上空）;

一個(gè)MEO星座，由8顆衛(wèi)星組成，高度為18，000公里，分為2個(gè)平面，每架飛機(jī)4顆衛(wèi)星，傾角為45度;

一個(gè)LEO星座，由72顆衛(wèi)星組成，高度為1，000公里，分為6個(gè)平面，每平面12顆衛(wèi)星，傾角為80度（與上一節(jié)圖中所示的星座相同）。

所有這三個(gè)星座平均覆蓋全球約90%至95%。8?然而，該覆蓋范圍的細(xì)節(jié)因緯度范圍而異，在幾個(gè)軌道周期的過(guò)程中，不同的星座將進(jìn)入地球的不同地區(qū)。在每種情況下，增加更多的衛(wèi)星 - 以額外的成本 - 可以增加覆蓋范圍。例如，在極地傾角增加一些衛(wèi)星可以使GEO星座實(shí)現(xiàn)全球全面覆蓋，就像美國(guó)的預(yù)警衛(wèi)星星座一樣。增加另一架衛(wèi)星飛機(jī)可以使LEO星座更接近提供全面的全球覆蓋。

涵蓋三個(gè)說(shuō)明性星座

百分之

GEO星座提供高達(dá)約50度緯度的全面覆蓋，但在兩極附近沒(méi)有;MEO星座提供全覆蓋，除了緯度60度左右的波段;LEO星座在高緯度地區(qū)提供約95%的覆蓋率，但在赤道附近下降到約80%。

低地球軌道上的大型星座

星座由許多衛(wèi)星組成的想法并不新鮮，盡管近年來(lái)“許多”的含義發(fā)生了變化。GPS星座已經(jīng)運(yùn)行了幾十年，由MEO中的大約30顆衛(wèi)星（其中一些是軌道上的備用衛(wèi)星）組成。商業(yè)銥星星座在1990年代后期發(fā)射了最初的衛(wèi)星，在LEO運(yùn)行約75顆衛(wèi)星（包括備用衛(wèi)星）用于通信。目前星座的概念要大得多。例如，聯(lián)邦通信委員會(huì)最近批準(zhǔn)向第二代Starlink星座發(fā)射7，500顆衛(wèi)星，目前正在考慮為該星座再發(fā)射22，500顆衛(wèi)星。

在低地球軌道使用衛(wèi)星星座的最近趨勢(shì)

近年來(lái)，在低地球軌道上運(yùn)行的衛(wèi)星數(shù)量大幅增加，這在很大程度上是由對(duì)商業(yè)星座的投資推動(dòng)的。如果目前的商業(yè)計(jì)劃完全實(shí)現(xiàn)，其中一些星座將包括數(shù)千顆衛(wèi)星。國(guó)防部的太空發(fā)展局也在為各種任務(wù)制定數(shù)百顆衛(wèi)星的星座計(jì)劃，其中大部分在LEO中。

一些技術(shù)發(fā)展促進(jìn)了大型星座數(shù)量的增加。從歷史上看，衛(wèi)星通常使用動(dòng)手實(shí)驗(yàn)室過(guò)程一次建造一顆。然而，現(xiàn)在，大規(guī)模生產(chǎn)衛(wèi)星的工藝和設(shè)施開(kāi)始被使用。此外，火箭發(fā)射供應(yīng)商的數(shù)量大幅增加，降低了向低地球軌道發(fā)射衛(wèi)星的成本。

不同軌道狀態(tài)下的衛(wèi)星

數(shù)以千計(jì)的衛(wèi)星

在2010年代中期，所有三個(gè)軌道制度的衛(wèi)星數(shù)量緩慢但持續(xù)增長(zhǎng)。從2018年左右開(kāi)始，在LEO中運(yùn)行的衛(wèi)星數(shù)量開(kāi)始急劇增長(zhǎng)。

這種增長(zhǎng)是由商業(yè)公司建造的所謂巨型星座刺激的。SpaceX憑借其Starlink通信衛(wèi)星星座引領(lǐng)潮流，占2020年和2021年LEO衛(wèi)星發(fā)射量的一半以上。

在低地球軌道使用衛(wèi)星的高分辨率地球觀測(cè)任務(wù)

地球觀測(cè)任務(wù)經(jīng)常使用低地球軌道上的衛(wèi)星，因?yàn)橥h(yuǎn)鏡在短距離內(nèi)更容易產(chǎn)生高分辨率圖像。如果需要一定的分辨率來(lái)完成衛(wèi)星的任務(wù)，如果衛(wèi)星處于較低的高度（因此通常更接近被觀測(cè)物體），則可以使用較小的望遠(yuǎn)鏡來(lái)實(shí)現(xiàn)。

這是因?yàn)橥h(yuǎn)鏡產(chǎn)生高分辨率圖像的能力與其區(qū)分靠近的物體的能力有關(guān)。光的波動(dòng)性質(zhì)限制了可以區(qū)分的物體之間的最小角度，稱為衍射極限。該限制取決于被觀察光的波長(zhǎng)（例如，紅外或紫外線）和望遠(yuǎn)鏡主光學(xué)元件（用于聚焦入射光的最大透鏡或鏡子）的直徑（），稱為望遠(yuǎn)鏡的孔徑，由下式給出。

因此，望遠(yuǎn)鏡越大，可以解析的角度分離越?。捶直媛试胶茫?。角度分離與地球表面上兩個(gè)物體可以相互區(qū)分（解析）的最小距離有關(guān)，稱為望遠(yuǎn)鏡的地面分辨率，其中是望遠(yuǎn)鏡與被觀察物體之間的距離。因此，對(duì)于給定的望遠(yuǎn)鏡孔徑，衛(wèi)星離物體越近，就越能清楚地看到它。

較小的望遠(yuǎn)鏡通常比較大的望遠(yuǎn)鏡成本低。美國(guó)宇航局的研究得出結(jié)論，望遠(yuǎn)鏡孔徑是決定太空望遠(yuǎn)鏡成本的主要因素。

各種孔徑尺寸的衍射極限分辨率

米（對(duì)數(shù)刻度）

望遠(yuǎn)鏡越大，分辨率越好（越?。?。哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的孔徑約為2.5米。

使用三種不同的望遠(yuǎn)鏡孔徑，顯示了在可見(jiàn)光譜中心附近500納米波長(zhǎng)（對(duì)應(yīng)于藍(lán)綠色光）的地面分辨率的衍射極限。

在低地球軌道使用衛(wèi)星的通信任務(wù)

使用低地球軌道衛(wèi)星執(zhí)行通信任務(wù)既有優(yōu)勢(shì)也有挑戰(zhàn)。低海拔的衛(wèi)星可以從地面接收通信信號(hào)，并比高海拔的衛(wèi)星更快地發(fā)回通信信號(hào)。延遲（通常稱為延遲）對(duì)于GEO來(lái)說(shuō)可能高達(dá)四分之一秒，這可能會(huì)給某些應(yīng)用程序帶來(lái)問(wèn)題，例如遠(yuǎn)程控制飛機(jī)。

為了與地球另一端的人進(jìn)行通信，信號(hào)還需要在返回地球之前從一顆衛(wèi)星傳輸?shù)搅硪活w衛(wèi)星（也許還有更多）。這種衛(wèi)星間傳輸時(shí)間增加了所有軌道制度的延遲。即便如此，使用低地球軌道衛(wèi)星中繼的信息的總傳輸時(shí)間（地面到衛(wèi)星時(shí)間的總和、每顆衛(wèi)星處理信號(hào)的時(shí)間、信號(hào)傳播到鏈中下一顆衛(wèi)星的時(shí)間以及最終衛(wèi)星到地面的時(shí)間）比使用MEO或GEO衛(wèi)星中繼的信息短得多。

然而，對(duì)于低軌道的衛(wèi)星來(lái)說(shuō)，與衛(wèi)星星座的通信更為復(fù)雜。如果地球上的某個(gè)點(diǎn)在地球靜止軌道衛(wèi)星的視野內(nèi)，它將無(wú)限期地保留在那里，用戶和衛(wèi)星之間的通信可以建立，而無(wú)需更換衛(wèi)星;這就是為什么衛(wèi)星電視天線不動(dòng)的原因。較低高度的衛(wèi)星在較短的時(shí)間內(nèi)觀察地球上的任何給定點(diǎn)。MEO中的人在他們的視野內(nèi)保持地球上的給定點(diǎn)大約10個(gè)小時(shí)，因此每天大約兩次，地面用戶需要與新衛(wèi)星建立鏈接以保持通信。對(duì)于LEO來(lái)說(shuō)，這種情況更具挑戰(zhàn)性，因?yàn)檫@些衛(wèi)星在其視野中僅保持給定點(diǎn)約10分鐘。在這種情況下，如果需要連續(xù)通信，則需要反復(fù)建立新的通信鏈路。

在地球表面?zhèn)鬏?3，000公里的信號(hào)的時(shí)間

毫秒

使用衛(wèi)星星座，消息從地球表面的一個(gè)位置傳播到另一個(gè)位置的傳輸時(shí)間因星座的高度而異。

低空衛(wèi)星與地面用戶的通信速度更快，但鏈中需要更多的衛(wèi)星。然而，對(duì)于低高度軌道，每顆衛(wèi)星之間的距離較短?？傮w而言，LEO的總運(yùn)輸時(shí)間約為MEO的一半，GEO的四分之一。

大星座在低地球軌道上的優(yōu)勢(shì)

與較小的星座相比，大型衛(wèi)星星座具有多種優(yōu)勢(shì)，特別是在損壞的衛(wèi)星方面。近年來(lái)，國(guó)防部對(duì)對(duì)手干擾美國(guó)衛(wèi)星的能力表示擔(dān)憂。根據(jù)公開(kāi)報(bào)告，對(duì)手可以使用各種方法暫時(shí)或永久禁用衛(wèi)星連接。此類攻擊造成的損害可能從物理破壞（由從地球發(fā)射的攔截導(dǎo)彈引起）到信號(hào)中斷（由對(duì)手廣播噪聲以壓倒或干擾衛(wèi)星通信引起）。12?擁有許多衛(wèi)星的星座的一個(gè)潛在優(yōu)勢(shì)是，與較小的星座相比，它們的覆蓋范圍和功能可能會(huì)逐漸下降，也就是說(shuō)，衛(wèi)星的丟失不會(huì)導(dǎo)致覆蓋范圍的突然喪失。此外，一顆受損的衛(wèi)星會(huì)很快脫離低地球軌道感興趣區(qū)域的視野，而一顆功能正常的衛(wèi)星將進(jìn)入視野。最后，損壞的衛(wèi)星可以很快更換。大型星座可能已經(jīng)有備用衛(wèi)星在軌，運(yùn)營(yíng)商可能會(huì)不斷生產(chǎn)和發(fā)射衛(wèi)星，作為正常補(bǔ)給周期的一部分，以便在衛(wèi)星老化時(shí)更換衛(wèi)星;這些行動(dòng)可用于提前更換受損的衛(wèi)星。

用于通信的大型星座也有可能使用多個(gè)備用路徑在禁用衛(wèi)星周圍路由信號(hào)。然而，這種彈性需要快速和適應(yīng)性的方法來(lái)管理通信網(wǎng)絡(luò)，并且可能具有挑戰(zhàn)性。

CBO通過(guò)移除衛(wèi)星來(lái)模擬其說(shuō)明性星座中的覆蓋范圍下降，這將導(dǎo)致每一步最大的覆蓋范圍損失。從這個(gè)意義上說(shuō)，該機(jī)構(gòu)的結(jié)果可以被認(rèn)為是最壞的情況。但是，同時(shí)破壞多顆衛(wèi)星的大規(guī)模攻擊也是可能的。例如，對(duì)衛(wèi)星計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)攻擊可能會(huì)影響星座的很大一部分;這樣的攻擊會(huì)產(chǎn)生不同的效果。

三個(gè)說(shuō)明性星座的衛(wèi)星覆蓋范圍下降

衛(wèi)星覆蓋百分比

隨著單個(gè)衛(wèi)星被禁用，MEO和GEO星座提供的覆蓋范圍迅速下降，因?yàn)槊總€(gè)禁用衛(wèi)星占星座總數(shù)的很大一部分。更大的LEO星座對(duì)衛(wèi)星的損失更加強(qiáng)大，因?yàn)榧词褂行┬l(wèi)星被禁用，仍有更多的衛(wèi)星可用于任務(wù)。

大型星座和越來(lái)越多的碎片物體

衛(wèi)星與軌道上的其他人造物體共享空間，稱為軌道碎片，它們來(lái)自兩個(gè)主要來(lái)源。首先，例行的太空作業(yè)通常會(huì)在軌道上留下碎片，包括用過(guò)的火箭體和載人飛行任務(wù)產(chǎn)生的廢物。其次，如果衛(wèi)星破裂，有時(shí)會(huì)留下大量碎片。衛(wèi)星解體的原因有很多。它們偶爾會(huì)因故障而碎裂，被與其他衛(wèi)星或碎片碰撞摧毀，或被導(dǎo)彈擊中。后一類更為罕見(jiàn)，但發(fā)生了兩個(gè)值得注意的案例：2007 年的中國(guó)反衛(wèi)星試驗(yàn)和 2021 年的俄羅斯反衛(wèi)星試驗(yàn)。

一些碎片足夠大，可以追蹤，有可能避免;其他碎片太小而無(wú)法追蹤，但仍然大到足以損壞航天器。一旦產(chǎn)生，碎片可以在軌道上停留多年，這取決于其高度和其他因素。（低空的碎片落出軌道的速度更快。美國(guó)宇航局的一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，1985年美國(guó)在約500公里高度進(jìn)行的反衛(wèi)星導(dǎo)彈試驗(yàn)的碎片在事件發(fā)生近20年后仍留在軌道上。

一般來(lái)說(shuō)，如果更多的物體在特定區(qū)域移動(dòng)，則其中一些更有可能（或幾乎）相互碰撞。美國(guó)運(yùn)營(yíng)著一個(gè)跟蹤衛(wèi)星和碎片的系統(tǒng)，以警告世界各地的衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商潛在的碰撞，以便他們能夠操縱衛(wèi)星以避免碰撞。這種機(jī)動(dòng)可以使衛(wèi)星暫時(shí)停止運(yùn)行，并要求它們?nèi)紵恍┯邢薜娜剂?，從而可能縮短其使用壽命。

雖然衛(wèi)星可以操縱以避免碰撞，但碎片不能。碎片之間的碰撞可能會(huì)產(chǎn)生更多的碎片，特別是如果碰撞物體很大。如果軌道上的物體數(shù)量達(dá)到臨界密度，碎片就會(huì)自我延續(xù)。這種現(xiàn)象被稱為凱斯勒綜合癥，可能導(dǎo)致某些軌道無(wú)法用于衛(wèi)星運(yùn)行。14

繞地球運(yùn)行的物體

軌道碎片物體的數(shù)量大幅增加，特別是自2005年以來(lái)，部分原因是具體事件。

在過(guò)去的15年里，軌道上的物體總數(shù)——碎片和航天器——大約翻了一番。其中絕大多數(shù)增長(zhǎng)發(fā)生在LEO高度。

大星座對(duì)地球活動(dòng)的干擾

在低地球軌道上有許多物體的另一個(gè)潛在缺點(diǎn)是它們會(huì)干擾地球上的活動(dòng)。例如，從衛(wèi)星反射的陽(yáng)光是肉眼可見(jiàn)的，根據(jù)最近的一份報(bào)告，如果計(jì)劃中的星座完全部署，可能占夜空中可見(jiàn)光的10%。（衛(wèi)星在陽(yáng)光下停留的時(shí)間比地球表面長(zhǎng)得多。此外，據(jù)一些行業(yè)分析師稱，許多LEO衛(wèi)星之間以及這些衛(wèi)星與地球之間的射頻通信可能會(huì)干擾高海拔衛(wèi)星與地球之間的信號(hào)。國(guó)際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)最近也對(duì)地球?qū)鈱W(xué)和射電天文學(xué)的干擾表示關(guān)切。?最后，人們擔(dān)心今后大量火箭發(fā)射和衛(wèi)星在壽命結(jié)束時(shí)在大氣層中燃燒殆盡對(duì)環(huán)境的影響。

目前正在努力確定和實(shí)施促進(jìn)可持續(xù)利用空間的行動(dòng)，國(guó)際組織、各國(guó)政府和工業(yè)界都參與其中。19?然而，這種努力具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)槟壳皼](méi)有具有法律約束力的行為標(biāo)準(zhǔn)，任何努力都需要自愿的國(guó)際合作。

不同軌道上的衛(wèi)星和星座的成本

為了在多年內(nèi)部署一組衛(wèi)星，運(yùn)營(yíng)商需要制造所需數(shù)量的衛(wèi)星，將它們發(fā)射到軌道上，并在必要時(shí)更換它們。要估計(jì)部署這樣一個(gè)星座的長(zhǎng)期成本，就需要估計(jì)衛(wèi)星的生產(chǎn)和發(fā)射成本以及需要更換衛(wèi)星的頻率（這一過(guò)程稱為更新周期）。在本節(jié)中，CBO估計(jì)了30年內(nèi)部署其說(shuō)明性LEO，MEO和GEO星座（本報(bào)告前面描述）的成本。

每顆衛(wèi)星的成本

從歷史上看，LEO衛(wèi)星的成本通常低于更高軌道的衛(wèi)星。由于LEO衛(wèi)星靠近地球，通常具有更簡(jiǎn)單，功能更弱的有效載荷，可以由較小的總線支持。一般來(lái)說(shuō)，具有較小總線和相應(yīng)較低質(zhì)量的衛(wèi)星比具有較高質(zhì)量的衛(wèi)星成本更低。此外，LEO發(fā)射成本較低，因?yàn)閷⑿l(wèi)星提升到較低高度所需的能量更少。

CBO在國(guó)防部提交的2023財(cái)年預(yù)算中使用平均值來(lái)估算發(fā)射成本，并假設(shè)同一軌道平面內(nèi)的多顆LEO衛(wèi)星可以在同一枚火箭上發(fā)射。生產(chǎn)衛(wèi)星的典型成本基于國(guó)防部衛(wèi)星的歷史示例，覆蓋范圍很廣。由于地球觀測(cè)衛(wèi)星在MEO中沒(méi)有，這些軌道的生產(chǎn)成本范圍的較高值是基于新的、更先進(jìn)的全球定位系統(tǒng)衛(wèi)星的預(yù)期成本。MEO地球觀測(cè)衛(wèi)星的實(shí)際成本可能更高或更低。低地球軌道衛(wèi)星的成本與目前生產(chǎn)中的衛(wèi)星的成本一致，低于低地球軌道衛(wèi)星的典型歷史成本。CBO的估計(jì)僅包括生產(chǎn)衛(wèi)星的成本，不包括任何研發(fā)成本。

不同軌道條件下衛(wèi)星的典型成本

通信衛(wèi)星的成本通常低于地球觀測(cè)衛(wèi)星，是每個(gè)軌道衛(wèi)星成本范圍的低端。

衛(wèi)星的運(yùn)行壽命

由于幾個(gè)原因，低地球軌道衛(wèi)星的運(yùn)行壽命通常比其他軌道上的衛(wèi)星短。在低空，更多的殘留大氣和微觀碎片使衛(wèi)星減慢速度，并要求它燃燒更多的推進(jìn)劑操縱以維持軌道。碎片也會(huì)逐漸降低太陽(yáng)能電池板的性能。此外，LEO衛(wèi)星的大部分軌道都在地球的陰影中度過(guò)，因此它們的電池每天要經(jīng)歷多次放電/充電循環(huán)，從而縮短了它們的使用壽命。

目前正在努力延長(zhǎng)衛(wèi)星的使用壽命，特別是低地球軌道的使用壽命。一種方法是發(fā)展衛(wèi)星在軌服務(wù)的能力，使用其他衛(wèi)星更換老化設(shè)備（如太陽(yáng)能電池板）或重新填充推進(jìn)劑罐。對(duì)這種方法的測(cè)試是成功的，但這種做法尚未被廣泛采用。一種更漸進(jìn)的方法是提高系統(tǒng)的效率，例如使用電力推進(jìn)而不是化學(xué)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行機(jī)動(dòng)，并提高太陽(yáng)能電池板的效率和魯棒性。

然而，較短的衛(wèi)星壽命可能是有用的，因?yàn)樗鼈冇兄诟杆俚夭捎眯录夹g(shù)。在正在進(jìn)行的研究和開(kāi)發(fā)工作中，如果更頻繁地更換衛(wèi)星，改進(jìn)版本的衛(wèi)星可以更快地進(jìn)入軌道。CBO沒(méi)有估計(jì)這種研發(fā)計(jì)劃的成本。

按軌道制度分列的預(yù)期衛(wèi)星使用壽命

衛(wèi)星的預(yù)期壽命根據(jù)其任務(wù)和軌道狀態(tài)而有所不同。LEO中的衛(wèi)星平均設(shè)計(jì)壽命約為5年，盡管有些衛(wèi)星的使用壽命可能比這長(zhǎng)得多。MEO衛(wèi)星的設(shè)計(jì)壽命約為10年，對(duì)于GEO中的衛(wèi)星，預(yù)期壽命約為14年。

星座的長(zhǎng)期成本

單個(gè)LEO衛(wèi)星的成本通常低于高軌道衛(wèi)星，但需要更多的衛(wèi)星，其壽命較短意味著需要更頻繁地更換。CBO說(shuō)明性星座的長(zhǎng)期成本比較反映了這些競(jìng)爭(zhēng)因素之間的相互作用。CBO對(duì)長(zhǎng)期成本的估計(jì)僅包括在每個(gè)星座中生產(chǎn)和發(fā)射衛(wèi)星的成本。它們不包括研發(fā)（初始或持續(xù)）、地面系統(tǒng)或運(yùn)營(yíng)成本。總而言之，這種比較表明，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，CBO考慮的說(shuō)明性MEO和GEO星座的成本低于LEO星座。

衛(wèi)星與許多其他制成品一樣，受到一種稱為生產(chǎn)學(xué)習(xí)曲線的現(xiàn)象的影響，其中單位生產(chǎn)成本隨著生產(chǎn)更多的單位而降低。22?隨著數(shù)量的增加，成本下降的速度取決于所生產(chǎn)物品的類型。大型衛(wèi)星星座的時(shí)代才剛剛開(kāi)始，目前尚不清楚大衛(wèi)星星座將適用多少百分比學(xué)習(xí)曲線（如果有的話）。如果應(yīng)用95%的學(xué)習(xí)曲線，每生產(chǎn)一倍，單位生產(chǎn)成本就會(huì)降低5%，從而大大降低LEO星座的預(yù)計(jì)成本。（CBO使用了這條學(xué)習(xí)曲線，因?yàn)樵撉€已經(jīng)應(yīng)用于該機(jī)構(gòu)已經(jīng)研究過(guò)的其他類型的衛(wèi)星。

其他因素可以減少低地球軌道衛(wèi)星星座與高軌道衛(wèi)星星座之間的成本差異，包括較低的發(fā)射成本和更長(zhǎng)的使用壽命。在軌道類別中，MEO和LEO每個(gè)星座的發(fā)射成本最高，并且將從發(fā)射成本的降低中受益最大。如果MEO或LEO的使用壽命可以延長(zhǎng)，則需要更少的更換周期，并且總星座成本也將降低。

說(shuō)明性衛(wèi)星星座在各種軌道制度下的費(fèi)用

GEO和MEO衛(wèi)星的單獨(dú)成本更高，但由于它們的使用壽命更長(zhǎng)，提供全面覆蓋所需的需求更少，因此從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，它們的星座成本較低。

然而，如果低地球軌道衛(wèi)星的單位成本降低與95%的學(xué)習(xí)曲線一致，那么低地球軌道衛(wèi)星的總生產(chǎn)成本將降低約25%，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，使低地球軌道成本更接近MEO和GEO成本。

編輯：黃飛

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