衛(wèi)星通信：LEO衛(wèi)星地面站設(shè)計(jì)篇

LEO衛(wèi)星概述

衛(wèi)星是全球電信基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，承載著大量的多媒體通信。自大約60年前誕生以來，通信衛(wèi)星一直是全球通信基礎(chǔ)設(shè)施和網(wǎng)絡(luò)的主要組成部分。40多個(gè)國(guó)家擁有用于通信、商業(yè)、科學(xué)甚至人道主義目的的衛(wèi)星。但只有少數(shù)國(guó)家具備建造和發(fā)射能力。

衛(wèi)星通信可利用的基本資源是軌道和射頻頻譜。軌道是衛(wèi)星在太空中的路徑；頻率分配受由國(guó)際機(jī)構(gòu)管理和控制的國(guó)際協(xié)定的約束。

不同類型的軌道是可能的，每一種都適合于特定的應(yīng)用或任務(wù)。一般來說，衛(wèi)星沿橢圓軌道運(yùn)行，偏心距確定放置在由空間軌道參數(shù)定義的軌道平面上。因此，空間軌道參數(shù)，即開普勒元素(通常以雙線元素表示)，決定了衛(wèi)星在空間中的位置。偏心率為零的軌道稱為圓軌道。與橢圓軌道相比，軌道的圓度簡(jiǎn)化了分析。衛(wèi)星在其圓形軌道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)由高度、半徑、速度和軌道時(shí)間表示。

衛(wèi)星的圓形軌道分為地球同步軌道(GEO)、中地球軌道(MEO)和低地球軌道(LEO)。它們之間的主要區(qū)別在于地球表面以上的高度，這進(jìn)一步影響了衛(wèi)星在適當(dāng)軌道上的速度和軌道周期。只有圓形軌道是本書進(jìn)一步關(guān)注的，更確切地說，是低軌道衛(wèi)星和適當(dāng)?shù)牡孛嬲尽?/p>

圖1 顯示了通信衛(wèi)星的分類，以及不同運(yùn)行軌道衛(wèi)星的特點(diǎn)。

圖1 通信衛(wèi)星分類（來源：華金證券）

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并且從地面站可以看到時(shí)建立的。從地面站向衛(wèi)星傳輸無線電波的鏈路稱為上行鏈路，從衛(wèi)星向地面站傳輸無線電波的鏈路稱為下行鏈路。

地球表面被定義為低軌道，而這些軌道上的衛(wèi)星被稱為低軌道衛(wèi)星。較低的高度范圍受到地球大氣層的限制——更準(zhǔn)確地說，受到地球大氣層以上幾乎沒有空氣的高度的限制，因此可以避免衛(wèi)星的速度降低和下降。內(nèi)范艾倫輻射帶限制了更高的海拔范圍(范艾倫輻射帶2020)。范艾倫帶被稱為空間輻射區(qū)，對(duì)衛(wèi)星的有效載荷和平臺(tái)有不良影響(電子元件和太陽能電池可能被這種輻射損壞)；因此，該帶不應(yīng)用于容納低軌道衛(wèi)星。

LEO衛(wèi)星相對(duì)于地球上的一個(gè)固定點(diǎn)(地面站)以每秒7.2-7.5公里的速度移動(dòng)。衛(wèi)星的軌道周期在90-110分鐘之間。衛(wèi)星和地面站之間的通信持續(xù)時(shí)間每天6-8次，每次5 - 15分鐘，所有這些都取決于軌道高度。與其他軌道相比，低軌道的特點(diǎn)是離地球的距離最短，因此時(shí)間延遲較小。這些特點(diǎn)使它們?cè)谕ㄐ藕推渌麘?yīng)用方面非常有吸引力。

圖2 高中低軌衛(wèi)星通信對(duì)比（來源：華金證券）

因此，除了通信之外，低軌道衛(wèi)星也用于科學(xué)和研究目的，更具體地說，在沒有適當(dāng)?shù)牡孛媸侄蔚那闆r下。氣候變化動(dòng)態(tài)、海洋遙感應(yīng)用、不同天文觀測(cè)、電離層離子密度記錄以及與搜索和救援服務(wù)有關(guān)的非常具體的人道主義應(yīng)用，都是低軌道衛(wèi)星開展的一些活動(dòng)，這些活動(dòng)在地球上很難或不可能實(shí)施。對(duì)于衛(wèi)星結(jié)構(gòu)內(nèi)的這些活動(dòng)，為適當(dāng)?shù)膽?yīng)用或任務(wù)安裝了儀器或設(shè)備(望遠(yuǎn)鏡，照相機(jī)，探測(cè)器，傳感器等)。通常，用于科學(xué)目的或遙感應(yīng)用的低軌道衛(wèi)星被安置在專門設(shè)計(jì)的軌道上，稱為太陽同步軌道。由于不同的衛(wèi)星經(jīng)過，太陽同步特性可以在相似的照明條件下從衛(wèi)星上觀測(cè)到地面上的處理區(qū)域。

這些衛(wèi)星為其他技術(shù)難以或不可能適用的調(diào)查提供了機(jī)會(huì)。因此，可以預(yù)期，這種任務(wù)將很快得到進(jìn)一步發(fā)展，特別是在純以地球?yàn)榛A(chǔ)的類似實(shí)驗(yàn)無法實(shí)現(xiàn)的領(lǐng)域。必須建立地面站(接入點(diǎn))與這類衛(wèi)星通信，通信質(zhì)量除了取決于衛(wèi)星的性能外，還取決于衛(wèi)星地面站的性能。

用于全球?qū)拵Х?wù)的通信衛(wèi)星-地面綜合網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)引起了全世界科學(xué)家和工業(yè)界的高度興趣。這種使用最方便的結(jié)構(gòu)是低軌道衛(wèi)星，因?yàn)樗鼈儽绕渌壍里w得更接近地球，因此提供了明顯更低的延遲，這對(duì)于可靠和安全的通信至關(guān)重要。這些努力包括Starlink衛(wèi)星星座，由美國(guó)SpaceX公司開發(fā)并部分部署。該星座計(jì)劃被組織成三個(gè)空間外殼，每個(gè)空間外殼由數(shù)百顆專門設(shè)計(jì)用于提供寬帶服務(wù)的小尺寸和輕型LEO衛(wèi)星組成，旨在通過它們的互操作性提供全球地球覆蓋，并與地面站作為星地一體化網(wǎng)絡(luò)的一部分相結(jié)合。2020年10月24日，893顆衛(wèi)星在不同傾角下位于550公里高度的軌道上，確定了第一個(gè)星鏈軌道殼。

Starlink的運(yùn)行情況，如圖3所示。

圖3 Starlink（來源：Starlink官網(wǎng)）

這表明，在不久的將來，由衛(wèi)星-地面綜合通信網(wǎng)絡(luò)提供的全球?qū)拵Х?wù)將成為日常通信活動(dòng)的一部分，其需求將迅速增加，因此運(yùn)營(yíng)商應(yīng)仔細(xì)管理實(shí)時(shí)服務(wù)的運(yùn)營(yíng)和分配，以最大限度地提高與寬帶需求相關(guān)的下行數(shù)據(jù)吞吐量，而不會(huì)顯著影響任務(wù)成本。因此，未來的衛(wèi)星有效載荷和平臺(tái)必須變得更靈活、更輕、更小、更容易發(fā)射、與EIRP和覆蓋范圍相關(guān)的可重構(gòu)，以最低的成本提供大容量，實(shí)現(xiàn)寬帶服務(wù)和其他科學(xué)任務(wù)的全球覆蓋的主要目標(biāo)。

根據(jù)其全球覆蓋任務(wù)，其空間網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可分為單層(單殼)網(wǎng)絡(luò)和多層網(wǎng)絡(luò)。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)使不同外殼的衛(wèi)星之間能夠通信。多層網(wǎng)絡(luò)更為復(fù)雜，但它在提供更可持續(xù)的全球覆蓋、無縫移交和可靠通信方面的靈活性受到推崇。

上世紀(jì)末使用的LEO衛(wèi)星由于重量輕、尺寸小而被稱為微型衛(wèi)星。后來，納米衛(wèi)星被開發(fā)為更方便發(fā)射過程的結(jié)構(gòu)，因?yàn)檫@種衛(wèi)星發(fā)射到LEO空間槽所需的能量更少。但最近，從國(guó)際空間站(ISS)發(fā)射納米衛(wèi)星已經(jīng)成為可能(2020年國(guó)際空間站部署的航天器清單)。與發(fā)射過程相關(guān)，由于有三步轉(zhuǎn)移過程(稱為Hohmann轉(zhuǎn)移)，LEO作為衛(wèi)星進(jìn)入地球同步(地球靜止)軌道的第一個(gè)空間外殼發(fā)揮了額外的作用。

LEO衛(wèi)星和適當(dāng)?shù)牡孛嫫脚_(tái)(接入點(diǎn))現(xiàn)在是一個(gè)非常有用的系統(tǒng)，不僅用于主要的通信任務(wù)，而且用于研究科學(xué)任務(wù)。通過LEO衛(wèi)星和適當(dāng)?shù)钠脚_(tái)，地球上任何地方都可以提供數(shù)據(jù)，比如亞馬遜河的水污染、新的系外行星、自然災(zāi)害、空氣或海洋災(zāi)害、南非的小麥如何生長(zhǎng)、有多少難民跨越邊界、冰融化、海平面上升等等。

與最后一個(gè)項(xiàng)目相關(guān)的是，于2020年11月21日從加利福尼亞州范登堡發(fā)射場(chǎng)發(fā)射的哨兵6號(hào)邁克爾弗雷里奇衛(wèi)星(Sentinel-6 Michael Freilich)，該衛(wèi)星在66°傾角下被整合到高度為1336公里的近地軌道上，將在未來五年內(nèi)測(cè)量全球海平面。該任務(wù)是美國(guó)宇航局和歐洲航天局之間的合作(見圖4)。

最后，正如19世紀(jì)以蒸汽機(jī)為標(biāo)志一樣，本世紀(jì)將以LEO衛(wèi)星為標(biāo)志，希望能讓地球上的生活更美好!這些工具不僅為通信提供了機(jī)會(huì)，也為科學(xué)目的提供了機(jī)會(huì)，包括對(duì)地球和空間的觀測(cè)。充當(dāng)天空“眼睛”的LEO衛(wèi)星也可能對(duì)世界和平有用!

與這類任務(wù)的通信是通過地面站實(shí)現(xiàn)的；因此，地面站的性能對(duì)于這類任務(wù)至關(guān)重要，并將在本書中進(jìn)行詳細(xì)闡述。

審核編輯：黃飛

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