典型的衛(wèi)星系統(tǒng)架構(gòu)介紹

目前，人類在先進(jìn)衛(wèi)星發(fā)射和制造技術(shù)方面取得了重大突破，低軌衛(wèi)星（LEO）巨型通信網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為學(xué)界和業(yè)界的研究熱點(diǎn)。非地面網(wǎng)絡(luò)（NTN）被廣泛認(rèn)為是6G網(wǎng)絡(luò)的組成部分。

業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)與無線AI，將是6G網(wǎng)絡(luò)的顯著特征。

國際上，以Starlink、OneWeb為代表的衛(wèi)星星座建設(shè)取得了巨大的進(jìn)展，并逐漸應(yīng)用到多個(gè)國家和地區(qū)。

中、美、歐、俄四大航天大國競爭日益激烈，顯然壓力已經(jīng)給到了我們這一邊。正如國內(nèi)某大型航天科技集團(tuán)所言：“對(duì)標(biāo)SpaceX，集團(tuán)公司在發(fā)展理念上、科研生產(chǎn)模式上、關(guān)鍵核心技術(shù)上、質(zhì)量效率效益上存在明顯差距和不足，整體上大而不強(qiáng)、大而不優(yōu)，這與我們?cè)诤教祛I(lǐng)域率先實(shí)現(xiàn)強(qiáng)國目標(biāo)還相去甚遠(yuǎn)，每個(gè)航天人對(duì)此要懷有深深的危機(jī)感，堅(jiān)決克服驕傲自滿的情緒，堅(jiān)決摒棄盲目自大的心態(tài)，永不自滿、永不自大。”

網(wǎng)友不解：十幾萬人干不過幾千人，國家隊(duì)需要反思，社會(huì)也需要反思，正視差距，取長補(bǔ)短。

回到正文，本文先介紹典型的衛(wèi)星系統(tǒng)架構(gòu)，然后簡單介紹國內(nèi)外星座建設(shè)情況。

一、典型衛(wèi)星系統(tǒng)架構(gòu)

本文對(duì)典型的衛(wèi)星系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行介紹，里面涉及的調(diào)制解調(diào)、數(shù)字變頻、天線收發(fā)等具體技術(shù)方案不在本文的討論之內(nèi)。

典型的衛(wèi)星通信系統(tǒng)架構(gòu)方案如圖所示。它包括地面段、空間段和控制段。

運(yùn)行的衛(wèi)星接收地面站發(fā)射的無線電波，這叫做上行鏈路（Uplink）。衛(wèi)星接收到的信號(hào)經(jīng)過處理，轉(zhuǎn)換成另一種無線電頻率，并進(jìn)行放大。接著，這些信號(hào)被進(jìn)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(diào)制載波的原理。載波由基帶信號(hào)調(diào)制，包括模擬或數(shù)字信號(hào)，為通信或其他目的傳送信息。

圖?典型衛(wèi)星通信系統(tǒng)架構(gòu)

空間段包括一個(gè)或幾個(gè)組成星座的活動(dòng)衛(wèi)星和備用衛(wèi)星。衛(wèi)星是繞地球軌道運(yùn)行的人造物體，作為“飛行”收發(fā)器，用于通信或科學(xué)目的。每顆衛(wèi)星由有效載荷和平臺(tái)(總線)組成。有效載荷包括接收和發(fā)射天線以及支持無線電載波接收和傳輸?shù)乃?a target="_blank">電子設(shè)備。衛(wèi)星的有效載荷有兩個(gè)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(wèi)星之間距離大，導(dǎo)致衛(wèi)星接收機(jī)輸入端的載波功率過低。因此，功率必須被放大，以便向衛(wèi)星覆蓋區(qū)域內(nèi)的地面用戶提供衛(wèi)星的發(fā)射天線。

頻率轉(zhuǎn)換。需要進(jìn)行頻率轉(zhuǎn)換，以增加接收輸入和發(fā)送輸出之間的隔離(避免重新注入接收器)。圖給出了透明轉(zhuǎn)發(fā)衛(wèi)星有效載荷，明確了上行/下行隔離。

圖 透明轉(zhuǎn)發(fā)負(fù)載

透明轉(zhuǎn)發(fā)有效載荷屬于單天線波束衛(wèi)星，其中每個(gè)發(fā)射和接收天線只產(chǎn)生一個(gè)波束。圖顯示載波經(jīng)過功率放大，頻率下變頻。與每個(gè)子波段相關(guān)聯(lián)的放大鏈稱為衛(wèi)星信道或應(yīng)答器。帶寬分割是使用一組濾波器實(shí)現(xiàn)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(gè)上行波束到一個(gè)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(xué)目的的低軌道衛(wèi)星通常使用單波束天線。

衛(wèi)星平臺(tái)由允許有效載荷運(yùn)行的子系統(tǒng)組成。這些分系統(tǒng)分別是:結(jié)構(gòu)分系統(tǒng)、電源分系統(tǒng)、溫度控制分系統(tǒng)、高度控制分系統(tǒng)和通信分系統(tǒng)(見圖)。

該結(jié)構(gòu)提供了必要的機(jī)械支撐。供電子系統(tǒng)提供必要的直流電源。高度控制分系統(tǒng)穩(wěn)定衛(wèi)星并控制其軌道。溫度控制系統(tǒng)將各個(gè)子系統(tǒng)的溫度保持在可容忍的范圍內(nèi)。所有這些功能均由板載計(jì)算機(jī)子系統(tǒng)控制。

原則上，一些任務(wù)僅靠一顆衛(wèi)星就可以實(shí)現(xiàn)，但為了服務(wù)的實(shí)時(shí)連續(xù)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(wǎng)絡(luò)僅在相同高度的衛(wèi)星之間提供相互通信，而多層網(wǎng)絡(luò)使不同軌道的衛(wèi)星之間能夠通信。多層網(wǎng)絡(luò)更復(fù)雜，但更可取。

圖?衛(wèi)星平臺(tái)方案

與衛(wèi)星-地面綜合通信網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的現(xiàn)役衛(wèi)星項(xiàng)目包括擁有66顆衛(wèi)星的銥星星座、擁有648顆衛(wèi)星的OneWeb星座；亞馬遜已經(jīng)申請(qǐng)?jiān)谄淇乱敛亲l(fā)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(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)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(dòng)是由SpaceX公司進(jìn)行的，其Starlink星座計(jì)劃由4萬顆小型LEO衛(wèi)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(lián)網(wǎng)服務(wù)，并與地面站(收發(fā)器)相結(jié)合，組成一個(gè)衛(wèi)星-地面綜合網(wǎng)絡(luò)，提供實(shí)時(shí)全球?qū)拵Х?wù)，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(dāng)設(shè)備用于與衛(wèi)星通信。地面站的功能是以最可靠的方式從衛(wèi)星接收或發(fā)送信息，同時(shí)在目的地保持所需的信號(hào)質(zhì)量?？茖W(xué)任務(wù)原則上只需要一個(gè)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(gè)觀測(cè)對(duì)象或區(qū)域的覆蓋范圍和測(cè)量數(shù)量，并實(shí)際提高數(shù)據(jù)下載能力。衛(wèi)星與地面站之間的通信是在衛(wèi)星合并在自己的軌道上時(shí)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(tái)站通常通過地面網(wǎng)絡(luò)與最終用戶設(shè)備相連。站點(diǎn)根據(jù)其大小來區(qū)分，大小根據(jù)要傳輸?shù)耐ㄐ帕亢屯ㄐ帕康念愋?語音、視頻或數(shù)據(jù))而變化。地面站經(jīng)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(wèi)星組織網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)A)。最小的地面站通常有0.6米的天線(衛(wèi)星電視天線)。有些電臺(tái)既發(fā)射又接收，有些電臺(tái)只是接收(RCVO)電臺(tái)。

地面站的總體結(jié)構(gòu)由天線分系統(tǒng)及其相關(guān)的跟蹤系統(tǒng)、發(fā)射和接收設(shè)備、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和正常電源組成。圖為地面站接收和發(fā)射支路的典型結(jié)構(gòu)。這是一個(gè)單天線系統(tǒng)，上行鏈路和下行鏈路分離是通過雙工器實(shí)現(xiàn)的。

圖?典型衛(wèi)星地面站的結(jié)構(gòu)

控制部分包括用于控制和監(jiān)測(cè)衛(wèi)星的所有地面設(shè)施。這就是所謂的跟蹤、遙測(cè)和指揮(TT&C)。

二、國內(nèi)外衛(wèi)星星座建設(shè)情況

目前來說，國外有兩個(gè)主要星座：（1）OneWeb，2020年前后向全球?qū)で筚Y金發(fā)展，當(dāng)前有600多顆衛(wèi)星升空；（2）Starlink，2018年左右星鏈發(fā)射了兩顆試驗(yàn)衛(wèi)星。一期工程為100萬個(gè)終端客戶服務(wù)。星鏈2代在1代的基礎(chǔ)上，衛(wèi)星重量由200公斤提升到1噸、衛(wèi)星天線也會(huì)加強(qiáng)，介時(shí)，手機(jī)不做任何改動(dòng)可以直接連接到衛(wèi)星并接入互聯(lián)網(wǎng)。

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(wèi)星處于正常工作狀態(tài)。

隨著我國衛(wèi)星發(fā)射需求的增加，以固定的衛(wèi)星發(fā)射中心和海上發(fā)射平臺(tái)相結(jié)合的方式，將衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)試驗(yàn)星陸續(xù)發(fā)射進(jìn)入軌道。

根據(jù)最近業(yè)內(nèi)某次商業(yè)航天活動(dòng)上的PPT顯示，我國正在加速推動(dòng)大型星座建設(shè)，以GW星網(wǎng)、G60、銀河航天等為代表的星座正在緊鑼密鼓的研發(fā)和試驗(yàn)。其中，GW星網(wǎng)和G60星座的衛(wèi)星數(shù)量將達(dá)到1萬顆以上。

我國的LEO衛(wèi)星星座應(yīng)用類型將主要聚集在通信、遙感、數(shù)據(jù)采集和導(dǎo)航增強(qiáng)等方面，軌道運(yùn)行在500km~1200km高度左右、衛(wèi)星的重量根據(jù)載荷功能的不同，在10kg~600kg之間。

除上圖顯示的星座之外，實(shí)際上還有虹云、鴻雁、翔云等衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座。

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)發(fā)主要應(yīng)用場(chǎng)景主要有：

偏遠(yuǎn)地區(qū)：衛(wèi)星電話、互聯(lián)網(wǎng)電視、衛(wèi)星寬帶

海洋作業(yè)及科考：衛(wèi)星定位、海事衛(wèi)星電話

航空：機(jī)載WIFI等

應(yīng)急通信：應(yīng)急呼叫、數(shù)據(jù)保護(hù)恢復(fù)和災(zāi)備等

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)組成，可以用下圖描述。

圖 衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)組成（圖源自華金證券）

圖 衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)與應(yīng)用場(chǎng)景（圖源自華金證券）

雖然參與衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的企業(yè)和科研院所較多，大大小小出現(xiàn)了10幾個(gè)星座建設(shè)計(jì)劃。但需要指出的是，PPT與建成投入運(yùn)行之間存在太多不確定性，如何與地面網(wǎng)絡(luò)形成融合互補(bǔ)，在建設(shè)成本與收益之間取得戰(zhàn)略平衡，為國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)發(fā)展注入新活力，依然值得業(yè)界思考。

回看5G建設(shè)的狀態(tài)，商業(yè)生態(tài)與市場(chǎng)應(yīng)用，將決定相關(guān)企業(yè)的營收和發(fā)展前景。

對(duì)于從事移動(dòng)通信、衛(wèi)星通信等領(lǐng)域的FPGA、ASIC、信號(hào)處理算法等工程師而言，可進(jìn)一步深入研究基站、終端、多波束天線系統(tǒng)等設(shè)備研制技術(shù)，把握新一輪新科技發(fā)展機(jī)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(shí)、慣導(dǎo)、5G NTN、多址等技術(shù)。

審核編輯：黃飛

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