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一、低轨卫星组网概念

【卫星轨道示意图】

低轨卫星组网是一种利用运行轨道高度较低的卫星建立的网络体系。基于组网体制，低轨卫星既可通过星间链路进行组网，也可同高轨卫星混合组网，均可形成多层空间网络。 根据通信组网方式，卫星网络可划分为3类，即无星间链路卫星网络、有星间链路卫星网络和动态星间链路的卫星网络。其中，无星间链路的卫星网络的卫星之间不存在星间链路，通过弯管的方式连接，基于地面设施进行组网，如全球星（Globalstar）系统。有星间链路的卫星网络的卫星之间通过星间链路进行连接且连接方式固定，不进行动态调整，可依托自身链路进行组网，如铱星系统。动态星间链路卫星网络的卫星之间的连接方式不固定，会随着网络拓扑和业务的变化而不断变化，如美国F6计划卫星系统；其类似于地面的移动自组织网络，故也称空间移动自组网。

二、低轨卫星组网特点

低轨卫星网络是通过发射一定规模的卫星进行组网构建具备实时信号处理的空间通信系统，是一种能够向地面及空中终端提供接入等通信服务的新型网络，主要包括以下几个特点：

1、网络可靠性高且灵活：低轨卫星网络中卫星数量相对较多，组网方式相对灵活，单颗卫星发生故障后易进行网络切换，且不受自然灾害的影响，大部分时间内低轨卫星网络可提供稳定且可靠的通信服务。

2、时延低：低轨卫星通信链路均为视距通信，传输时延和路径损耗相对较小且稳定，能够支持视频通话、网络直播、在线游戏等实时性要求较高的应用。

3、容量大：低轨卫星网络中卫星数量相对较多且通常采用Ka/V频段或更高频段，可实现超过500Mbit/s大容量通信，且支持海量终端接入的需求。

4、地面网络依赖性弱：低轨卫星网络星上处理技术的实现，可通过星间链路提供全球通信服务，而不需要全球部署地面信号站，摆脱对地面基础设施的依赖。

5、多种技术协同发展：多种相关技术协同应用，如点波束、多址接入、频率复用等技术，可缓解低轨卫星网络中存在的频率资源紧张等问题。

6、可实现全球覆盖：多颗卫星协同组网，可实现全球无缝覆盖，不受地域限制，能够将网络扩展到远洋、沙漠等信息盲区。

因此，建设新一代低轨卫星网络将是建设6G空间互联网的重要一部分，是实现全球互联的核心解决方案。尽管低轨卫星网络具有很多优势，但依然存在一些缺陷，具体如下：

1、网络拓扑动态变化：低轨卫星周期性运转，具有高动态性，易导致网络拓扑结构的变化，同时网络路由也随之不断变化。此外，低轨卫星网络的高动态性易引起星间通信链路的中断，致使业务数据传输中断，无法保障终端用户的服务质量。

2、流量分布不均匀：终端用户分布不均匀，导致卫星网络的流量也具有不均匀性。例如，人口密集的城市区域，需要传输的流量较大；人口稀疏的偏远地区，需要传输的流量较少；海洋和沙漠地区几乎不产生流量。当某区域对卫星的任务请求量较大时，某些流量增加将会引起服务阻塞。

3、卫星切换频繁：当卫星远离时，终端用户需要与当前卫星断开连接，切换到另一颗靠近的卫星进行连接通信。若不能及时进行切换操作，则无法满足一些对及时性要求比较高的业务需求。

4、多径传输效应：在低轨卫星网络中，星地之间和星星之间通常存在多条通信路径，需要根据自身的需求（如服务质量需求）进行选择，以保障网络传输质量。

5、通信链路稳定性差：在低轨卫星网络中，低轨卫星的星地和星间链路都是频繁切换的，链路本身不稳定，需要利用合适的移动性管理技术才能保证通信服务的稳定性。

6、多普勒频移明显：低轨卫星动态性强，通信信号在传送过程中的多普勒频移较大，需要对频偏进行估计并补偿才能实现通信信号的可靠接收。

三、低轨卫星网络的发展技术

【低轨卫星网络体系架构】

随着航天和空间信息技术的蓬勃发展，低轨卫星网络与5G/6G技术、物联网、云计算、人工智能（artificial intelligence，AI）等技术相结合，可实现广域范围内的无缝覆盖。在此愿景下，建设卫星互联网逐渐上升为国家战略，且呈现出越来越激烈的国际竞争态势。

国际现状

1991 年美国摩托罗拉子公司铱星推出“铱星计划”，计划部署66颗低轨卫星为地面提供通信服务。1998年，“铱星计划”正式运行，但因当时设备和通信价格比较昂贵，在与2G网络的竞争中落败。到2016年，铱星公司提出基于卫星授时与定位的导航服务技术，证明低轨卫星可作为全球定位系统（global  positioning system，GPS）的替代方案，引发全球关注。2019年，美国发射部署了新一代铱星系统，除了通信业务外，该系统还可辅助GPS实现室内和峡谷地区的定位导航。

目前美国已形成由太空探索公司、Astra、亚马逊、波音公司等为主要核心成员的强大的低轨卫星网络发展团队。2015年，特斯拉旗下太空公司Space X的首席执行官伊隆·马斯克推出“星链（Starlink）”计划，预计总发射低轨卫星数量达4.2万颗，以提供覆盖全球的高速互联网接入服务。2021年，火箭制造商Astra计划部署1.3万颗低轨卫星组成星座，支持通信、环境和自然资源应用，以及国家安全业务。同时，美国联邦通信委员会宣布批准波音公司发射和运营147颗低轨卫星，为用户提供高速宽带互联网服务。2022年，亚马逊（Amazon）公司推出的“柯伊伯项目（Project Kuiper）”计划，将部署3236颗低轨卫星组成太空卫星网络，为全球提供高速宽带互联网接入服务。

英国/印度太空互联网公司One Web，目前拥有世界第二大规模的卫星星座，在轨卫星数量已达540颗，仅次于Space X的Starlink。另外，One Web还预计发射32.7万颗小型卫星，数量达到之最。加拿大通信公司Telesat在2016年宣布推出Lightspeed计划，预计发射1671颗低轨卫星，提供全球网络服务。欧洲航天局（European Space Agency）计划进一步开展对低轨导航卫星进行在轨演示，补充伽利略（Galileo）系统。位于卢森堡的Leo Sat公司推出Leo Sat星座，利用激光通信的方式部署108颗低轨卫星，以实现高质量的数据服务通信网络，链路速率最大能达10Gbit/s。俄罗斯SPUTNIX公司计划在2025年完成部署约200颗低轨卫星。俄罗斯航天国家集团的“球体（Sfera/Sphere）”的多功能卫星星座项目，计划在17个轨道上发射640颗多用途卫星，其中包含一个由288颗卫星构成的低轨通信星座。澳大利亚Fleet（全称Fleet Space Technologies）公司计划发射100颗纳米卫星，主要服务于物联网。2021年6月韩国政府表示在10年内建设100颗微小卫星组成的卫星星座，早期三星公司还制定了由4600颗微小卫星组成的互联网星座蓝图。

国内现状

我国“十四五”规划和“2035年远景目标”纲要明确提出要建设高速泛在、天地一体、集成互联、安全高效的卫星互联网产业。为此，中国航天科技集团有限公司和中国航天科工集团有限公司分别制定了面向低轨卫星组网的“鸿雁星座”和“虹云工程”计划，其中“鸿雁星座”由300颗低轨道卫星及全球数据业务处理中心组成，“虹云工程”由156颗低轨卫星构成。

北京国电高科科技有限公司打造和运营我国首个低轨卫星物联网星座，即“天启星座”，计划部署38颗低轨卫星。航天行云科技有限公司推出“行云系统”，预计发射80颗低轨道小卫星，建设一个覆盖全球的天基物联网。电子科技大学参与研制的“TFSTAR号”卫星搭载了AI处理载荷，助力了星载能力的提升。中国科学院软件研究所启动的基于软件定义卫星技术的“天智工程”，可用于低轨互联网建设。我国还有民营企业推动的“银河Galaxy”计划，预计共发射2800颗低轨互联网卫星，如银河航天集团（1000颗）、北京九天微星科技发展有限公司（800颗）、北京星网宇达科技股份有限公司（30颗）、上海欧科微航天科技有限公司（40颗）等。

 另外，2021年4月28日，中国卫星网络集团有限公司（简称中国星网或星网）正式揭牌，成为中国第5家电信运营商，专注于卫星通信，开启了我国卫星互联网发展新征程。