话说地球卫星的应用和发展

蒼龙岭

千帆星座（又称G 60）是我国正在建设的低轨卫星互联网星座计划之一，将为全球用户提供低延时、高速率、高可靠性的卫星互联网服务。半𠆤月前 8月6日，太原卫星发射中心将“千帆星座”首批18颗卫星发射升空在1000公里以上的轨道上。预计今年完成108颗卫星发射，到2025年底，实现648颗卫星提供区域网络覆盖，形成从火箭、卫星、地面站到终端的全覆盖，其宏伟蓝图是构建由1.5万颗低轨宽频多媒体卫星组成的庞大星座，确保中国的数据安全。

我国星链计划的首批组网卫星升空，开启了我国卫星互联网的里程碑，也激发了我话说卫星的应用和犮展的热情。

1957年10月4日，苏联用洲际导弹的火箭，将一颗命名为伴侣Sputnik斯普特尼1号的小卫星，送上地球外层空间，人类从此进入太空时代。这一划时代的成就，当即在西方世界引发了一场卫星地震，美国方面的震撼可以与二次世界大战日本偷袭珍珠港和2001年911恐怖袭击的事件类比。

斯普特尼克1号卫星主要运行参数：运行椭圆轨道，高度为215km/947km、轨道倾角65.1°，采用自旋稳定控制方式（免受地球引力场、大气阻力、太阳引力、月球引力和其他星球的影响），卫星呈球形，直径0.58米，重83.6公斤，绕地球一圈需要大约98分钟。抛光的铝壳体内装蓄电池组，有两个无线电犮射机采用20.005MHz和40.002MHz的频率发送无线电信号，外置两对天线。仪器设备用于获取高层大气密度、气压和温度变化、无线电电离层传输方面的数据。

1958年1月31日，美国用朱诺1号四级运载火箭将小卫星探险者1号发射升空，使美国成为第二个进入太空的国家，探险者1号重8.22公斤，锥顶圆柱形，高203.2厘米，直径15.2厘米，沿近地点360.4公里、远地点2531公里的椭圆轨道绕地球运行，轨道倾角33.34°，运行周期114.8分钟。 探险者一号最主要任务是探测地球大气层和电离层、地球高空磁场和太阳辐射，确定地球外的磁辐射带。

苏美两国先后发射人造卫星，激发了世界各国研制和犮射的热情，继苏、美、法、日之后，1970年东方红1号卫星发射成功，中国是第五个犮射人造卫星的国家。







东方红1号卫星重173 公斤，比世界前4颗卫星的总重还多30公斤，表明了火箭的威力强大，由长征一号运载火箭送入近地点441千米、远地点2368千米、倾角68.44度的椭圆轨道。科研人员艰难探索克服重重困难，完成了“上得去、抓得住、听得着、看得见＂，四大目标，上得去是指火箭能顺利升空进入预定轨道；抓得住是说地面跟踪、测量系统能随时掌握卫星的运行状况；看得到，是指地面上可以肉眼观测到；听得见是说地面能接收到卫星发射的无线电信号。东方红1号卫星探索了空间环境，进行了轨道测控，为今后对地观测、通信广播、气象预报等各类应用卫星奠定技术和实践的基础。就技术水平而言，其播放信号形式、跟踪手段和卫星温控水平都处于当时世界先进水平。





随后英国、加㧱大、澳大利亚、德国、荷兰、西班牙、印度和印度尼西亚等国也先后犮射了卫星。

卫星应用目前主要包括：卫星导航，通过卫星接收导航定位信息交通服务。卫星通信，通过卫星接收电视广播信号。提供电话、网络通讯、电视转播、气象预报。卫星遥感，通过卫星获取地球资源信息，尋找矿产调查水文资料等。侦探卫星侦察敌情探险火災等。

卫星按运行轨道 可分为高中低三种轨道卫星

高轨道卫星：高轨道卫星距离地表约36000公里高空，在赤道上空正圆轨道绕地球环行，由于运行方向与地球自转方向相同，运行周期又与地球同步，所以称为同步轨道卫星或地球静止轨道卫星（GEO：Geostationary Orbi）。由于相对于地球的位置固定不动，保证了从地表任意位置固定的指向角度。覆盖区域固定，建立通信服务比较容易，在地球同步轨道上布设3颗通讯卫星，即可实现除两极外（如图所示高纬度两极地区有盲区）的全球通信。同步轨道卫星适合看电视等单向信号传输，电视广播天气预报。





中轨道卫星：运行于中地球轨道（MEO: Medium-Earth Orbit），是位于低地球轨道（2,000 km）和地球静止轨道（35,7 86km）之间的人造卫星运行轨道，中高轨道的高度没有明确划分，一般距离地面5000到25000公里，这类卫星大部分是定位导航卫星。全球的四大导航系统卫星中的大部分，都在17000公里到22000公里之间的椭圆轨道上。与地球静止轨道相比，有更强的高纬度区域覆盖能力。

低轨道卫星：运行于低地球轨道（LEO: Low-Earth Orbit）近地轨道也没有严格的公认规定，大多离地面350~1400公里，稠密大气层的上限一般在150公里左右，再低就会和大气层剧烈摩擦减速而不能再稳定飞行行。为实现对全域的无缝覆盖，需要通过大量卫星在这一轨道高度组成星座。低轨卫星与高轨道卫星相比，具有“低延迟、低辐射、低成本”的优势，且传输效率更高。

卫星互联网的作用

卫星互联网是继有线、无线互联之后的第三代互联网， 卫星通信的存在价值，是对现有移动通信网络的补充，而非取代。全球70亿人，互联网接入服务只覆盖了45%的人口，约有38亿人仍然无法获得基本的互 联网接入。网络依赖地面与海底的光纤难以做到全方位的覆盖，目前地面网络只覆盖陆地面积的 20%、地球表面的 5%，卫星互联网可以解决陆地移动通信解决不了的偏远荒漠与野外山区、沙漠，海上、空中的服务需求，以及发生地震、海啸等严重自然灾害和战争时地面移动通信网络受损或中断的应急手。低轨道的周期约90至120分钟，卫星飞掠过每个用户所在的地区速度会大概在 7km/s 水平，连接时间极短，数据链会迅速切换到下一个卫星上，网络信号稳定，就这样通过成百上千个卫星在这个轨道高度组成星座，天衣无缝的把Wifi 信号覆盖整个地球，彻底突破传统通信的区域性限制。並适用于绝大多数对地观测遥感卫星、空间站、无人机遥控等实时性要求较高的应用场景。未来的车辆将会持续联网自动驾驶、卫星在汽车领域有着丰富多样的应用前景。

现在全球卫星导航系统巳经领先完成了，目前卫星通信的趋势是从高轨到中轨和低轨转移，卫星通信互联网成为了下一个建设重点。全球30家互联网星座公司，不仅包括马斯克的SpaceX，英国通信公司Oneweb、美国亚马逊Kuiper、加拿大Telesat、波音等选手相继规划了宏大的卫星发射计划。

我国目前除了“千帆星座”之外，还有规划了另外两个“万星星座”计划，其中一个是由中国卫星网络集团公司牵头的“GW星座”，计划打造一个由1.3万颗卫星组成的中国星链主体；另一个是“鸿鹄-3”星座，计划在160个轨道平面上发射共1万颗卫星。卫星互联网真正体量和价值最大的部分体现在低轨网络的宽带通信，确保国家数据安全和互联网覆盖的完整性。



世界各国大规模、高投入、高密度的卫星互联网计划，对卫星轨道资源和卫星通信频率需求增长， 自赛迪研究院在2020年编写《中国卫星互联网产业发展研究白皮书》，提出近地轨道只能容纳6万颗卫星的结论被不加考证地引用，根据计算在现有的技术水平上，地球近地轨道高度在300-2000公里之间，运行超过十万颗卫星是完全可行的。

如果卫星从650千米的轨道高度降至极低轨道160千米而保持稳定飞行，雷达频射功率需求会降低64倍，通信频射功率需求会降低16倍，光学孔径直径需求会降低4倍，信息的传输效率将得到提高，卫星的载荷重量将大大减轻，同时还能降低研制和发射成本，使卫星更适合批量化生产、常态化发射。 为争夺太空优势，250 ～450公里极低地球轨道资源已经成了热门。

卫星数量能在一定程度上反映一个国家的航天实力。美国目前是世界上航天实力最强的国家拥有比中俄卫星加起来还要多的卫星数量。目前已经提交申请的巨型星座，其总数大概已有15万颗，美国申请50626颗，中国申请14220颗，低轨道空间的资源紧俏有限。一旦占据了大量的轨道和频谱资源，客观上就会压缩其他国家在太空探索的空间。

比轨道更紧张的则是频谱资源，一是卫星网络必须具备足够连续频谱带宽，才能确保足够大的卫星通信容量；二是由于相近频率上的信号干扰，原则上国际上不允许不同卫星通信系统共用频率。

关于频谱资源,星地通信因受多重因素影响必须采用微波频段，随着容量的需求，卫星通信使用的频段从中频L、S波段到Ku、Ka，再到毫米波一路向上，频率越来越高，带宽也越来越大。

卫星并不是随便“想发就发”，卫星轨道资源和频谱资源，都需要国际际电信联盟ITU的批准和协调。国际电信联盟对待轨道和频谱获取的原则是“先到先得”，后申请上的卫星须要避免对先行卫星产生有害干扰，不能无限制地增加卫星数量．卫星业务最常用的频段是C和Ku频段，目前，地球静止轨道上C频段通信卫星已近饱和，集中使用的Ku 、Ka 、同样是GEO宽带卫星的主用频段，也十分拥挤。星链SpaceX一期使用Ku/Ka 波段，二期使用 V 50～75G波段，目前正在申请的三期建设使用 E 71~86 G波段，使用频率越来越髙。当前更多的卫星正在向Q/V和E频谱，等更高频段发展，预计Q频段、V频段和太赫兹频段将成为下一代卫星互联网布局和争夺的焦点。