低軌衛(wèi)星動中通的現(xiàn)狀和前景展望

文｜林廣榮

銀河航天（北京）科技有限公司

一、前言

衛(wèi)星動中通是指衛(wèi)星終端能夠在移動中進行通信，其中衛(wèi)星終端可以安裝在汽車、火車、輪船、飛機等各類交通載體上[1]。傳統(tǒng)的衛(wèi)星固定通信業(yè)務(wù)僅能為固定地球站提供通信業(yè)務(wù)，有了動中通，即使在沒有地面信號的海洋、天空或偏遠地區(qū)的汽車、火車上，乘客也能通過衛(wèi)星接入通信網(wǎng)絡(luò)。

太空探索技術(shù)（SpaceX）公司迄今已將3000多顆星鏈衛(wèi)星送入軌道，目前已開始為部分大型郵輪提供海上高速互聯(lián)網(wǎng)連接；國內(nèi)，2022年3月銀河航天發(fā)射了6 顆低軌寬帶試驗衛(wèi)星，并依托該試驗星座，成功開展了車載動中通測試，突破了實際車輛行駛條件下，終端天線波束實時精確跟蹤低軌衛(wèi)星的技術(shù)難題，實現(xiàn)了運動中的持續(xù)衛(wèi)星通信，邁出了低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用探索的重要一步。

本文以低軌車載動中通為例，介紹衛(wèi)星動中通原理、國內(nèi)外發(fā)展狀況、應(yīng)用前景和未來趨勢。

二、衛(wèi)星動中通原理及分類

1.原理

從用戶體驗出發(fā)，希望通信終端網(wǎng)速高、小巧輕便，使用不受約束，“想在哪用，就在哪用”。隨著移動通信技術(shù)的發(fā)展，手機已經(jīng)可以做到非常小巧且通信速率很高，在行駛的汽車、火車、輪船（只要周邊有信號）上均可自由使用，基本滿足了人們的需求。但對衛(wèi)星通信來說，由于衛(wèi)星距離地表太遠，如同步軌道衛(wèi)星距離我們有36000km，無線電信號在傳播過程中損耗巨大，所以傳統(tǒng)的衛(wèi)星通信終端，一般或尺寸巨大，或通信速率極低，很難二者兼顧。因此國際電信聯(lián)盟（ITU）之前將衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)定義為兩類，一類稱作衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)（FSS），一類稱作衛(wèi)星移動業(yè)務(wù)（MSS），前者天線較大，采用C、Ku、Ka等較高的頻段，僅能固定在原地使用，通信速率可達幾M 到幾十Mbit/s；后者終端可手持，采用L、S 等低頻段，可像手機一樣移動使用，速率通常僅有幾k 到幾百kbit/s。這種受到技術(shù)制約的分類，必然會嚴重影響使用者的用戶體驗，也促使了衛(wèi)星動中通場景的產(chǎn)生。

衛(wèi)星動中通終端通常由兩個部分組成，一部分類似傳統(tǒng)的衛(wèi)星終端，包括天線、射頻、基帶處理等模塊，實現(xiàn)衛(wèi)星信號的收發(fā)處理，但衛(wèi)星天線需要方向可快速調(diào)整；另一部分是衛(wèi)星的跟蹤控制系統(tǒng)，可根據(jù)衛(wèi)星信號或載體姿態(tài)的變化，控制天線快速準確地對準和跟蹤衛(wèi)星[2]。兩者配合，從而實現(xiàn)終端在移動中通信。

2.分類

高軌動中通是指依托高軌（主要為同步軌道）通信衛(wèi)星實現(xiàn)的移動通信。由于衛(wèi)星距地球過遠，需要大口徑的高增益天線精確對準衛(wèi)星才能進行通信。所以高軌動中通主要需解決在平臺運動中，衛(wèi)星終端天線如何克服運動的方向變化，保持天線指向的問題。

低軌動中通則是指依托低軌通信星座實現(xiàn)的移動通信。傳統(tǒng)的低軌通信星座系統(tǒng)頻段低、波束寬，對波束指向要求較低，通信速率較低。近年興起的低軌寬帶通信星座，在具備通信速率高、天線口徑小等優(yōu)點的同時，對天線技術(shù)和波束指向控制的要求也大大提高。

三、動中通發(fā)展狀況

1.高軌衛(wèi)星動中通發(fā)展狀況

衛(wèi)星動中通終端最早應(yīng)用于美軍[3]，為快速前進的部隊與其指揮官、友軍和后方間保持實時通信，后續(xù)隨著技術(shù)的發(fā)展和成本的下降，逐步應(yīng)用到新聞直播、警用、海事、航空等民用領(lǐng)域。傳統(tǒng)同步通信衛(wèi)星所采用的動中通終端天線主要有反射面+機械傳動天線、平面陣列+機械傳動天線、相控陣天線、相控陣結(jié)合機械掃描天線等多種類型[4-5]。

反射面+機械傳動天線是指通過機械傳動機構(gòu)和伺服跟蹤系統(tǒng)來控制反射面天線的方向，使其在載體運動過程中始終指向衛(wèi)星位置，實現(xiàn)動中通。為了降低天線的高度，反射面天線通常會拆用切角拋物面或柱形拋物面等，會較大降低天線的增益和收發(fā)性能。

平面陣列+機械傳動天線則是將上述天線中的反射面替換為平面陣列，平面陣列由許多輻射單元組成，可以將天線的輪廓做得較低，但口徑不易做大，增益性能相對受限，成本較反射面高。

平板相控陣天線的天線陣面也是由許多個輻射單元（稱為陣元）組成，單元數(shù)目可以從幾十個到幾萬個，這些單元有規(guī)則地排列在平面上，構(gòu)成陣列天線。但工作時，天線陣面在物理上固定不動，而是通過控制陣列中輻射單元的饋電相位來改變所合成波束的指向，以達到波束掃描的目的，稱之為電掃。

相控陣結(jié)合機械掃描天線可改善波束掃描范圍有限、價格昂貴等問題，在船載等對終端尺寸要求不高的場景下較為適用。

國內(nèi)的衛(wèi)通平板相控陣天線也是最近十年間才開始逐步發(fā)展的。此前高軌動中通天線主要還是采用反射面或平面陣列+機械傳動方式。

2.低軌衛(wèi)星動中通發(fā)展概況

隨著國外一網(wǎng)、SpaceX 等公司掀起了一波低軌互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展熱潮，動中通開始向低軌衛(wèi)星動中通的方向發(fā)展。由于相控陣電掃的速度極快，非常適合低軌星座中快速跟蹤切換的工作場景，因此在低軌通信星座的建設(shè)興起后，相控陣天線受到了廣大廠家的關(guān)注。

隨著國內(nèi)射頻芯片技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)也有多家研究機構(gòu)、高校和企業(yè)開始研究開發(fā)平板相控陣天線。由于多數(shù)采用了瓦片式天線陣面設(shè)計，這一階段相控陣天線樣機的尺寸和輪廓得到了較大的優(yōu)化。

但因為一網(wǎng)和星鏈等低軌星座未能在國內(nèi)落地，國內(nèi)目前僅有少量低軌試驗衛(wèi)星在軌，大部分天線和終端樣機僅能通過同步軌道衛(wèi)星進行通信驗證，未在低軌星座中實際工程驗證其收發(fā)、跟蹤和動中通性能，離產(chǎn)品化尚有較大距離。

3.銀河航天衛(wèi)星動中通技術(shù)研發(fā)和測試

（1）產(chǎn)品情況

銀河航天衛(wèi)星動中通天線（圖1）通過與業(yè)界頂尖廠家合作，采用了國產(chǎn)的低成本高性能硅CMOS 射頻T/R 芯片和瓦片式天線陣面設(shè)計，在單塊多層PCB 電路板上集成了微帶天線面、饋電網(wǎng)絡(luò)和射頻T/R 芯片，使平板相控陣天線產(chǎn)品具備尺寸小、增益高、功耗低、成本低等優(yōu)點，提升了用戶體驗。

天線主要指標：

通信頻段：Ka，頻分雙工；

EIRP：≥40dBW（法向）；

G/T 值：法向≥8.5dB/K（法向）；

掃描角：方位角0°—360°，法向離軸角0°—60°；

天線尺寸：680mm×400mm×60mm；

重量：9.5kg。

圖1 銀河航天衛(wèi)星動中通天線

（2）測試過程與結(jié)果

實際測試時，低軌動中通終端天線通過定制夾具安裝在測試車輛的車頂行李架上，終端基帶單元擺放在車輛后備箱內(nèi)，兩者間通過中頻電纜連接，如圖2 所示。

圖2 跑車試驗時的車內(nèi)設(shè)備

測試時，測試人員將低軌衛(wèi)星的星歷數(shù)據(jù)下載進終端，啟動天線的波束控制軟件和終端基帶單元，進行了車載動中通終端的跑車試驗。測試的內(nèi)容包括在行駛過程中，相控陣天線波束對衛(wèi)星的跟蹤情況、信號的信噪比、通信時延和穩(wěn)定性，以及互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的訪問表現(xiàn)等。測試結(jié)果表明，該低軌動中通終端可在高速行駛（最高超過時速100km/h）、拐彎和上下坡等條件下實現(xiàn)對低軌衛(wèi)星的穩(wěn)定跟蹤，信噪比變化與理論計算相符，通信時延約在20 ～40ms 范圍，可流暢訪問網(wǎng)頁、在線視頻或和他人進行視頻通話，用戶體驗良好。

跑車試驗的結(jié)果表明，該型車載動中通終端在技術(shù)上解決了車輛行駛過程中，對相控陣天線波束的控制問題，克服了在車輛顛簸、轉(zhuǎn)彎等情況下，精確地跟蹤快速運動的低軌衛(wèi)星的技術(shù)難題。在工程實現(xiàn)方面，成功實現(xiàn)了小型化、低成本的車載相控陣天線的產(chǎn)品化，讓國產(chǎn)車載衛(wèi)星天線突破了以往笨重的外形和相控陣的昂貴價格門檻，在未來有望像汽車、甚至手機一樣普及應(yīng)用。

四、低軌衛(wèi)星動中通的應(yīng)用前景

1.低軌衛(wèi)星動中通應(yīng)用特點

低軌衛(wèi)星動中通最大的優(yōu)勢，一是覆蓋范圍廣，且不受地理條件限制；二是可以支持汽車、輪船、飛機等各類移動平臺，這使其可以和地面移動通信形成良好的互補?，F(xiàn)在4G/5G 的通信體驗雖好，但也存在一個嚴重的短板，就是對地面基礎(chǔ)設(shè)施，也就是對基站的依賴非常高。一旦來到地面條件惡劣，或者海上等其他無法連接光纖的地方，就無法布設(shè)4G/5G 網(wǎng)絡(luò)。隨著技術(shù)和經(jīng)濟的發(fā)展，用戶對通信的需求越來越高，未來的數(shù)字生活場景定義也需要隨時隨地可接入寬帶通信網(wǎng)絡(luò)。低軌衛(wèi)星動中通可以和地面移動通信網(wǎng)絡(luò)相互補充，真正實現(xiàn)通信的天地融合、無縫覆蓋。

2.應(yīng)用前景

（1）為船舶和飛機等提供互聯(lián)網(wǎng)訪問服務(wù)

高速率、小尺寸、低輪廓的低軌衛(wèi)星動中通的應(yīng)用前景其實非常廣闊。譬如航空和航海都是傳統(tǒng)的衛(wèi)星通信剛需領(lǐng)域。由于低軌衛(wèi)星軌道低，鏈路損耗遠低于同步軌道衛(wèi)星，再結(jié)合技術(shù)上的進步，目前的平板相控陣動中通終端，已經(jīng)可以做到約1/4 平方米尺寸甚至更小，接近筆記本電腦的厚度，相比之前的動中通天線大大縮小，可以方便地安裝在汽車、船舶和飛機上，最高通信速率仍可達數(shù)百Mbit/s，可以讓人們在任何地方都方便地接入高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。

（2）為垂直行業(yè)提供動中通相關(guān)解決方案

低軌通信可以和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)控制、無人駕駛等結(jié)合起來，用低軌互聯(lián)網(wǎng)賦能電力、采礦、林業(yè)、交通運輸、生態(tài)環(huán)境等垂直行業(yè)，打造新的行業(yè)應(yīng)用模式。譬如將低軌動中通安裝在礦車上，就可以實現(xiàn)遠程操控偏遠礦場里的各類挖掘和運輸車輛，解決施工安全和人力不足的痛點，提供智慧礦山等行業(yè)解決方案。

（3）應(yīng)用于無人平臺和寬帶物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集等場景

未來隨著技術(shù)的發(fā)展和成本進一步降低，可以展望，低軌的相控陣終端可以做到像平板電腦甚至手機大小，依然可達到數(shù)十兆的通信速率。低軌終端就可以安裝到各種中小型無人機上，用來實現(xiàn)在偏遠無信號地區(qū)的電力巡檢、工地勘察等任務(wù)；和各類攝像頭和傳感器結(jié)合，用于在森林、沙漠、邊防、海上平臺、浮標等地域和場景下的數(shù)據(jù)采集回傳等。真正在未來實現(xiàn)每個人、甚至每件物體都連接在網(wǎng)絡(luò)上，做到萬物互聯(lián)。

（4）服務(wù)應(yīng)急通信保障

在應(yīng)急通信領(lǐng)域，低軌動中通可以安裝在應(yīng)急通信車或大型應(yīng)急無人機上，通過與5G 基站相結(jié)合，實現(xiàn)災(zāi)后應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)的快速部署開通。在近年的水災(zāi)和地震搶險中，安裝高軌衛(wèi)通設(shè)備和5G基站的翼龍無人機已多次大顯身手。但由于高軌衛(wèi)通速率受限，往往僅能為災(zāi)區(qū)提供窄帶短信服務(wù)。若采用低軌動中通寬帶通信，則可以提供話音和寬帶上網(wǎng)等業(yè)務(wù)，更好地保障救災(zāi)搶險任務(wù)。

五、低軌衛(wèi)星動中通的發(fā)展趨勢

一是持續(xù)提升低軌動中通終端的性能，并不斷降低成本。隨著技術(shù)的進步，在低軌衛(wèi)星動中通終端方面，必然會朝著進一步提升終端的傳輸性能，不斷優(yōu)化減小終端尺寸和低功耗，以及降低終端的量產(chǎn)成本方向發(fā)展。作為低軌終端天線的主流趨勢，預(yù)計相控陣天線會通過迭代優(yōu)化硅基CMOS 芯片、收發(fā)共面、多波束等技術(shù)，在天線尺寸、收發(fā)增益和成本間達到最佳的平衡點，并通過量產(chǎn)快速降低終端成本，讓低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)走入千家萬戶。

二是加快低軌系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)。低軌衛(wèi)星動中通，并不僅僅是終端層面的問題，需要從整個星座通信系統(tǒng)的角度綜合考慮。要發(fā)揮出低軌通信的優(yōu)勢，讓低軌衛(wèi)星動中通用得更好，首先需要加快我國低軌寬帶通信星座的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，快速縮小我國與美歐航天大國在低軌建設(shè)方面的差距，包括技術(shù)上采用星載多波束相控陣天線、跳波束等先進技術(shù)，發(fā)射部署更多的衛(wèi)星，優(yōu)化通信覆蓋和用戶容量，以及推進星地一體通信體制乃至整個網(wǎng)絡(luò)的融合，才能讓動中通用得更好，真正做到網(wǎng)絡(luò)無處不在。

三是進一步開拓探索更合適的應(yīng)用場景，優(yōu)化用戶體驗。在用戶和應(yīng)用側(cè)，通過讓終端更小、適用場景更廣，可以安裝到從小汽車、長途客貨車、高鐵、郵輪、貨輪，乃至大小飛機甚至航天器等各種交通工具上，為用戶提供一種無感而又無處不在的寬帶網(wǎng)絡(luò)連接體驗?？梢詰?yīng)用在日常的互聯(lián)網(wǎng)上網(wǎng)，或是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)場景：包括采礦、電力等行業(yè)和遠程操控、協(xié)同作業(yè)、智能物流、智能巡檢等場景，以及寬帶物聯(lián)網(wǎng)等場景中，讓通信更好地改善我們的生活。