低轨卫星通信技术（上）

为满足“5A”泛用通信需求，低轨卫星通信将成为 6G 网络不可或缺的组成部分。大规模 5G 网络部署需要高昂的成本，密集的基站部署、回传网络建设等会产生昂贵的基建费用以及光缆的安装租赁和维护费用。同时，地基网络也难以覆盖极偏远地区、海洋、深地、天空甚至深空等地理范围。空天地一体化网络以地基网络为基础，天基网络和空基网络为补充和延伸，为广域范围内的各种网络应用提供在海、空、天域无缝覆盖和陆地域增补覆盖的基础能力。空天地一体化为 6G 搭建的重要支柱，让 6G 与之前的移动通信系统大不相同。超低轨卫星系统除提供全球覆盖，也可解决传统地球同步轨道卫星、中轨卫星系统固有的通信时延问题，并通过无线接入为地面网络提供补充覆盖、定位更准确。

图1 空天地一体化网络架构

图2 6G六大支柱

6G 时代正在招手，倒逼星地融合移动通信发展。预计 3GPP 国际标准组织将于 2025 年后启动 6G 国际技术标准研制，大约在 2030 年实现 6G 商用。全域覆盖是 6G 网络的一个重要特征，低轨卫星网络就具备可实现全球覆盖、网络可靠性高且灵活、时延低容量大、地面网络依赖性弱、多种技术协同发展等优点。为克服传统地面移动通信存在的广域覆盖和空间覆盖问题，星地融合作为未来 6G 网络的重要技术发展方向得到广泛认可。

低轨卫星优势明显

低轨卫星是未来卫星互联网的重要组成部分。目前卫星网络主要由 3 类轨道卫星组成。根据飞行高度，从高到低分别是地球静止轨道（geostationary earth orbit，GEO）卫星、中地球轨道（medium earth orbit，MEO）卫星和低地球轨道（low earth oribit，LEO）卫星（以下简称低轨卫星），其中低轨卫星网络通常由多颗低轨卫星协同工作进行组网，数量从数十颗到数万颗不等，其轨道高度通常在 500～2000km，可实现全球无死角覆盖，能够为荒漠、戈壁、森林、高山、海洋等网络盲区提供通信服务。

图3 卫星轨道示意图

低轨卫星轨道高度低，传播时延短。由于低轨通信卫星网络的轨道高度最低，其通讯传播时延最短。低轨通信卫星网络的往返时延一般都小于 100ms，而高轨通信卫星的往返时延会达到 600ms 左右。

图4 地面与非地面网络一体化实现低时延长距离通道

低轨卫星传播距离短，终端能耗低。由于低轨通信卫星相对较短的传播距离，使得信号的传播衰减较小，有助于将终端设备的能耗控制在一定范围内。随着集成电路、通信等技术的发展低轨卫星星上处理能力不断加强，在相同的卫通终端能力下更易实现高速率卫通传输。

图5 低轨卫星轨道构成和卫星分布情况

低轨卫星具有轻型化优势，降低发射成本。与传统通信卫星系统中重达几吨的卫星相比，低轨通信卫星系统中使用的小卫星重量通常在 1 吨以下（SpaceX 的卫星在200-300kg），轻型复合材料技术以及集成化应用是小卫星轻型化的特点。卫星的重量下降使得单次发射所能搭载的卫星数量进一步提升，从而降低了平均发射成本。相比于地面通信，卫星星座通信可实现广域无缝隙覆盖，成本优势明显。

低轨卫星存在更多硬件资源且容量大，为用户提供更好服务。相对于其他卫星通信网络，低轨通信卫星网络中单个卫星对地面的覆盖范围有限。为了实现全球范围的信号覆盖，通常需要数十颗甚至数百颗卫星。这意味着在低轨卫星轨道上，卫星数量会更多，从而存在更多硬件资源。同时频段的选择使得容量更大，为用户提供更好的服务。

轨道频段资源短缺

低轨资源极度稀缺，各国争夺越发激烈。卫星频率和轨道资源是全人类共有的、稀缺的战略资源。近地轨道共 8 万颗卫星总容量，世界各国必须按照国际电信联盟 ITU 的《组织法》《无线电规则》等，遵循“先登先占”原则，开展卫星网络资料的申报、协调、登记和维护工作，任何一个国家都不能单方面主导卫星频率和轨道资源的获取和使用。随着各类卫星应用领域不断拓宽，世界各国对卫星无线电频率资源争夺越发激烈，对于低轨卫星的需求也日趋增加。

低轨卫星频段有限，先发优势较为明显。频率资源是发展空间业务的基础，LEO 所用频率较多为 Ka/V 频段或更高频段，同时采用点波束和频率复用技术可以解决部分 Ka频段中低轨卫星间频率兼容性问题，实现超过 500Mbit/s 大容量通信，且支持海量终端接入的需求。虽然 Ka 频段的频率资源高达 3.5GHz，可为卫星通信的宽带化提供可观的拓展空间，但相较于日益增长的通信带宽需求，已申报星座的先发优势依旧明显。

表1 不同频段无线电运用情况

表2 我国申报 Ka 频段低轨星座资料情况

各国低轨卫星申请情况

美国星链技术成熟，第一星座正在构建。美国积极推进近地轨道星座商业化，满足各方宽带需求。仅 SpaceX 公司的“星链”截至 2023 年 5 月已经发射了 4200 多颗卫星，其计划在 2019—2024 年间完成由 1.2 万颗卫星构成的第一星座，之后再发射 3 万颗卫星构成第二星座。后调整为在 2024 年完成第一星座的一半，2026 年前后完成第一星座。发射使用美天军的发射基地，运载器为可以做到 10 次以上重复使用的猎鹰火箭，主要发射加装了星间链路的 1.5 版本星链卫星，卫星重 295 kg，目前单次发射最大运载 56颗，年发射数量在 2000~3000 颗，相关星舰技术已然形成，若如期实现了 4.2 万颗的布局目标，SpaceX 一家就将占据卫星互联网高达 53%的空间。

俄罗斯等国积极扩充全球卫星系统。俄罗斯、英国、韩国等国家也由于军事、空天一体化等原因积极扩充全球卫星体系。英国通信公司 Oneweb 推出 Oneweb 星座计划，初始星座将由 648 颗 Ku 波段卫星组成，第二、三阶段将发射 2000 颗V波段卫星。

国内低轨卫星互联网星座主要包括了 GW 星座、G60 星座及近期公布的鸿鹄-3 星座，规划合计超 3.6 万颗星，三个星座是未来国内低轨卫星互联网组网核心载体。GW 星链是中国星网公司于2020 年 9 月向 ITU 申请了“GW”星座计划，共 12992 颗卫星。G60 星链是目前国内另一重要的卫星互联网发射计划，未来将打造低轨宽频多媒体卫星网路，到2025 年，将形成年产 50 发商业火箭、600 颗商业卫星的批量化制造能力。“G60星链”是一个以垣信卫星为实施主体的巨型星座，一期到 2027 年将实施1296颗卫星组网，未来将实现 12000 多颗卫星的组网。鸿鹄-3 星座则在近日公布将在160个轨道平面上总共发射 10000 颗卫星。未来三年将是中国发射低轨卫星的集中窗口期，至 2027 年发射数量可能达到 3900 多颗。至 2030 年中国低轨卫星发射数量有望突破 6000 颗，中国卫星互联网总体规模可达千亿级别。

表3 我国主要卫星互联网星座部署计划

卫星成本结构拆分

卫星互联网产业链主要包含上游卫星制造与发射、中游地面设备与下游卫星运营及服务。卫星制造环节主要包含卫星平台与卫星载荷，卫星平台包含结构系统、供电系统、推进系统、遥感测控系统、姿轨控制系统、热控系统及数据管理系统；卫星载荷包含天线分系统、转发器分系统及其他金属/非金属材料和电子元器件等。卫星发射环节包含火箭制造及发射服务。地面设备环节包含固定地面站、移动式地面站（静中通、动中通等）及用户终端。

卫星制造包括卫星平台、卫星载荷、其他元器件和卫星总装。

卫星平台又称为“服务舱”，一般分为：能源分系统，为整个卫星提供能源；姿态轨道控制系统，保持卫星天线指向和运行轨道的准确；推进系统，为卫星定轨，保持轨道和控制姿态提供动量；遥测、测距和指令系统，与地面控制中心联系；温度控制系统，保证卫星各种元器件在合适的温度工作。

图6 卫星系统构成

电源系统与姿轨控制系统耗材占比较高，原材料支出较大

卫星主要包括光学分系统、卫星姿态和轨道控制系统、结构分系统、电源分系统、热控分系统、测控通信分系统以及推进分系统等组成。各分系统及子系统又由各种各样的单机及部组件组成。以长光卫星为例，综电单机，即电源控制器、太阳翼/太阳电池阵、中心机、配电热控管理单元、蓄电池等电源系统相关设备；姿轨控单机，即卫星单机设备涵盖磁力矩器、推进组件、数字太阳敏、模拟太阳敏、陀螺、反作用飞轮、导航接收机、星敏感器、驱动机构等姿轨控制系统相关设备。据长光卫星发布的招股说明书的公开数据，如图所示，从各原材料的采购成本来看，综电单机和姿轨控单机在卫星制造原材料支出中所占比例较高。

卫星载荷又称“有效载荷”，指直接执行特定卫星任务的仪器、设备或分系统。例如，返回式卫星返回舱的有效载荷有回收的信息载体、材料或制品，通信卫星的有效载荷有通信转发器和天线，导航卫星的有效载荷有星载原子钟、导航数据存储器和数据注入接收机等。

相控阵天线是通信卫星的核心

相控阵天线是低轨卫星通信的关键设备，相较于传统机械天线，具有波束切换快、抗干扰能力强、输出功率大等优点。相控阵天线通过控制辐射单元的馈电相位来改变天线的方向图形状，实现波束的快速扫描和多波束成形。这种技术不仅提高了通信效率，也使设备小型化、轻型化成为可能。

相控阵雷达可分为有源和无源两类

有源相控阵每一阵元都装有一个发射/接收组件（即T/R 组件），每一组件都能自己产生、接收电磁波，因此在频宽、信号处理和冗余度设计上都比无源相控阵雷达具有较大的优势。无源相控阵采用集中功率发射，利用无源网络（如波导）来分配发射功率或利用透镜系统通过自由空间将功率分发至相位可控的辐射单元（与机械扫描雷达的区别仅在于阵列的每一个辐射单元上接入一个移相器）。

有源相控阵雷达的应用带动 T/R 组件需求量增加

与无源相控阵雷达相比，有源相控阵将移相、放大、收发转换以及接收/放大功能集成到单独的有源收发模块，并将这些模块放置在尽可能靠近辐射单元的地方，因此使整个系统的损耗大大降低。此外，有源相控阵常常使用固态集成电路（能实现比铁氧体移相器更快的移相）来替代波导，不仅有效地减小了整个系统的尺寸和体积。同时，由于单个收发模块功率需求很低，所提供的平均故障间隔时间（MTBF）远远高于无源相控。T/R 组件是有源相控阵雷达的关键组成部分，当前有源相控阵雷达的需求不断上升，市场规模不断扩大，带动 T/R 组件行业发展。

核心分系统的介绍

激光通信载荷

激光通信种类多样，实际应用优势明显。激光通信利用激光作为信号载波，将语音和数据等信息调制到激光上进行传输。按照激光传输环境的不同，卫星激光通信分为两类：

真空环境下的激光通信，即星间激光通信，主要应用于真空环境中的设备，如卫星与卫星、飞船、空间站等之间的通信；

在大气环境下进行的激光通信，即星地激光通信，这种通信技术应用比较广泛，如用于卫星与地面、海上用户及空中飞行器的连接等。

相较于传统卫星微波通信技术，卫星激光通信技术具有以下技术特点和优势：

通信容量大。激光的频率比微波高 3～4 个数量级，频段更宽，短时间内可传输大量数据。

通信速率高、功耗低。激光通信的速率能达到 10Gbit/s，甚至更高；传输过程中能量集中，不易分散，功耗也比微波低。

抗干扰能力强。激光的束散角极窄，不容易被侦收和干扰。

激光通信终端主要包含：激光器及驱动、探测器及后放、主控单元、热控单元、快摆镜、通信系统、电源单元等组件。其中，光天线伺服平台负责捕获光束与误差信号，完成精准定位；误差检测器负责调整收发端，使光束对准；控制计算机负责误差信号计算；光学平台负责探测并确定信标光方位，给出误差信号。

图7 卫星通信终端组成

欧洲激光通信技术部署迅速，发展水平位居世界前列。欧洲自 20 世纪 80 年代中期开始研究卫星激光通信技术，是全球卫星激光通信技术发展最快的地区。星间激光通信方面，欧洲进行了全球首次星间激光通信技术、相干激光通信技术验证，已验证的星间激光通信速率是全球最高的，并率先实现星间激光通信技术业务运行。星地激光通信方面，欧洲成功验证地月激光通信、低轨卫星与地面激光通信，于 2004 年和 2006 年分别通过月球探测器项目和“轨道光学通信工程试验卫星”项目进行技术验证，地月通信距离达15 万千米，低轨卫星与地面通信距离 600～1500km，上行和下行传输速率分别为2Mbit/s 和 50Mbit/s。美国星链建设同步推进，“小型化”载荷引领发展。星间激光通信方面，美国重点聚焦卫星激光通信载荷的小型化，目前正在开展小卫星传感器项目，研制质量不超过 0.9kg、功耗不超过 3W、工作波长 1550nm 的小型激光通信载荷。此外，马斯克“星链”激光通信技术研发于 2018 年展开；2023 年 10 月，Starlink 第二代激光通信星链卫星已开始发射部署。

中国激光通信发展迅速，终端市场空间巨大。全球卫星激光通信系统市场的规模预计将从 2021 年的 3.568 亿美元增长到 2030 年的 52.057 亿美元，2022 年至 2030 年的复合年增长率为 39.8%。2021 年成立了中国卫星网络集团有限公司（以下简称“星网集团”），负责统筹中国卫星互联网的发展规划，星网集团也将激光通信技术纳入其星座通信链路建设中。

2020 年 1 月 4 日，中国航天科技集团公司五院西安分院研制的高通量激光通信终端搭载于“实践二十”号卫星，已到达目标地球静止轨道，该激光通信终端，采用 QPSK 高阶调制/相干探测的方案，成功实现了速率为 10 Gbit/s 的星地相干激光通信。在终端小型化、轻量化方面，中国科学院上海光学精密机械研究所研制的无独立信标光激光通信终端于 2020 年 5 月 12 日搭载在“XY-2”卫星上发射升空。“XY-2”卫星激光通信终端采用一体化的设计，可实现星间 3000 km 级、通信速率 100 Mbit/s 的双向激光通信。此外，2023 年 6 月，长光卫星技术股份有限公司利用自研卫星“吉林一号”MF02A04星，与中国科学院空天信息创新研究院（空天院）部署的激光地面系统联合开展了星地激光高速通信试验并取得成功，标志着我国已成功实现星地激光高速通信的工程应用，星地通信速率由 Gbps 迈入 10Gbps 时代。

平板卫星对比优势

平板卫星制造“更容易”、发射“更便利”、功能“更强大”。卫星互联网需要大批量的卫星参与空间组网，为了提升卫星组网效率，一方面要形成卫星批量化制造规模，解决组网卫星数量问题，降低卫星制造成本。传统卫星制造过程中需人工装配，这种方式耗时久，周期长，难以形成批量化生产规模。相比传统的三维立体式的卫星构型，平板卫星在制造工艺上更加简约，类似于平面电路板，适合集成化、批量化、自动化的总装生产线模式，大幅缩短了制造周期，提高了卫星生产效率，降低了生产成本，使卫星制造“更容易”。另一方面，需要针对火箭运载需求，尽可能地利用有限空间，降低发射成本。平板卫星在火箭内堆叠安装时，将太阳翼折叠起来和卫星平台重合，可叠放在一起，大大减少了占用空间，有效提高了火箭空间利用率，降低了卫星发射成本。

此外，平板卫星在设计过程中，功能需要充分满足空间环境应用需求，以哈工大发射的我国首颗平板式新体制通信试验卫星“龙江三号”为例，其平板式的构型能够提供较大的横截面积，可提高整个卫星的系统容量，为天线预留出足够的安装空间，使天线布置更加密集，不仅能大幅提升信号强度，也能实现更为复杂多样的试验功能。

来源：海通证券研究报告