1.3 世界主要卫星系统简介

随着卫星应用领域的逐步扩展，越来越多的空间任务仅依靠单颗卫星已经不能完成。于是，将多颗卫星按一定的模式组成卫星星座方案开始受到重视和研究，并成为许多空间任务的首选。早在20世纪60年代初，国外就开展了相关的研究，三十多年来出版及发表了众多的文献，关于卫星星座的设计方法、对地面的覆盖性能指标及这些指标的计算方法等都有了严格的论述。在这方面做出重要贡献的专家有英国的J.C.Walker及美国的L.Rider、A.H.Ballard等。

但是，由于星座卫星数目众多、成本高昂、建设周期长、运行管理复杂，只有少数国家具有这样的经济和技术实力发展卫星星座。因此，在20世纪相对于卫星技术的突飞猛进发展而言，作为大系统的星座，其发展较为平稳。由于星座在导航和通信方面具有其他手段不可替代的优势，因此，星座系统主要集中在导航和通信领域。这些星座相继投入使用，向人们展示了巨大的社会、经济和军事效益，也极大地推动了星座技术的发展。近年来，随着技术的不断进步，空间的战略地位日益突出，各国都积极地把先进基础设施转向空间，星座也呈现出迅猛发展的态势。星座获取、传递信息的连续性和时效性，使其在军事上具有无可替代的优势。从支持语音通信的移动通信系统到宽带多媒体移动网络系统，从提供情报支援作战的信息系统到直接参与作战的武器系统，一个个星座计划相继提出，载荷类型涵盖了目前所有的卫星载荷类型，轨道类型覆盖了LEO、MEO、HEO、IGSO、GEO等，无不在展示星座巨大的潜力和应用前景。

本节主要介绍导航和通信领域的几个典型卫星系统。

1.3.1 导航系统

1.3.1.1 “子午仪”卫星导航系统

“子午仪”（Transit）卫星导航系统是第一个中低轨道的星座。1958年12月，以美国霍普金斯大学为首的“子午仪”卫星导航小组成立；1960年4月成功发射第一颗“子午仪”卫星，1964年7月4颗“子午仪”卫星组网成功，形成实用导航系统，并正式交付美国海军使用。“子午仪”星座由6颗卫星组成，其中5颗为工作星，1颗为备份星，卫星运行在轨道倾角为80°～90°的极轨道上，轨道高度约为1075km，卫星以7.3km/s的速度绕地球旋转，运行周期约为107min。“子午仪”星座虽然由多颗卫星组成，但实际上，由于一次导航需要至少4颗星才能够实现，因此，星座中的多颗卫星是同时完成一次任务的，在时间和空间上没有互补作用，相当于GPS等全球导航星座的一个功能单元。海湾战争开始时，在轨有12颗“子午仪”卫星（含工作星和备份星）。海湾战争后，“子午仪”系统退出现役，转为民用。

1.3.1.2 美国GPS

美国的GPS（见图1.3）是第一个真正意义上的全球卫星星座导航系统，在交通运输、基础测绘、工程勘测、资源调查、地震监测、气象探测和海洋勘测等领域得到了广泛应用。该系统从1973年开始研制，1993年12月开始服务，1995年7月达到满站位运行。GPS星座初始设计为24颗卫星分布在3个轨道面上的空间构型，轨道高度为1/2恒星日的回归轨道，轨道倾角为55°。后来由于经费、风险等原因，在实际部署时，改成了由18颗工作卫星均匀地分布在6个轨道面上的Walker-δ构型，同时还部署了3颗备份卫星。由于系统的成功，迅速扩充到21颗工作卫星和3颗备份卫星。目前提供导航服务的GPS构型已经变成了24颗工作卫星和3～5颗备份卫星的构型。GPS星座在轨道内不是均匀间隔的，而且轨道面间的相位差也不是严格按照Walker星座的定义选取的，因此，可以认为GPS是一个经定制的Walker星座。GPS是一个真正意义上的全球星座，它保证了全球任何地方在任意时刻能同时可见4颗以上的卫星进行定位导航。GPS的卫星已经从第一颗BlockⅠ，到第一代BlockⅡ、第二代BlockⅡA再发展到第三代BlockⅡR，GPS卫星的能力也逐步得到了很大提高。由于BlockⅡR具有星间测距和在轨处理导航数据的能力，GPS星座将逐渐具有自主生存能力。同时，美国正在考虑设计新的星座构型，通过增加GPS卫星数目以更加有效地利用目前的在轨卫星，并提出了6轨道面和3轨道面两种方案。

1.3.1.3 俄罗斯GLONASS

俄罗斯的GLONASS（见图1.4）是一个和GPS对等的系统。该系统从20世纪70年代开始研制，到1996年1月完成了24颗工作卫星和1颗备份卫星的部署。随后许多早期发射的卫星很快失效，整个星座迅速退化。从1996年到2001年，俄罗斯仅发射了两组卫星，每组3颗，这对于维持整个星座的正常运行是不够的。到2003年11月，只剩8颗在轨工作卫星，已经不能独立组网。GLONASS采用的是24/3/1的Walker-δ星座构型，卫星轨道为8天17圈的回归轨道，轨道高度为19129km，轨道倾角为64.8°。GLONASS星座的一个重要特点是所有卫星重复星下点轨迹，这给测控和管理带来了很大的方便。受制于俄罗斯的经济状况，GLONASS发展一直不顺利。2007年12月25日，俄罗斯将3颗GLONASS-M卫星送入轨道，使得在轨工作卫星增加到了18颗。

图1.3 美国GPS卫星星座示意图

图1.4 俄罗斯GLONASS卫星星座示意图

1.3.1.4 欧洲伽利略卫星导航系统

2001年4月，欧盟启动了伽利略卫星导航系统计划，确定用30颗卫星提供全球导航服务。系统由轨道高度为23616km的30颗卫星组成，其中27颗工作卫星，3颗备份卫星，位于3个倾角为56°的轨道平面内，即星座构型为27/3/1的Walker-δ星座，卫星轨道为10/17恒星日的回归轨道。每次发射将会把5或6颗卫星同时送入轨道。伽利略的目标是能提供比GPS和GLONASS更高的服务质量。2005年12月29日，第一颗试验卫星“GLOVE-A”发射升空，标志着伽利略计划已经进入实质性实施阶段。按照计划，全部30颗卫星（调整为24颗工作卫星，6颗备份卫星）将于2020年发射完毕。

1.3.1.5 我国北斗卫星导航系统

北斗卫星导航系统（见图1.5）（简称北斗系统）是我国着眼于国家安全和经济社会发展需要，自主建设、独立运行的卫星导航系统，是为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务的国家重要空间基础设施。

按照“三步走”发展战略，2009年，启动了北斗三号系统建设；2020年7月，全面建成了北斗三号系统。北斗三号系统继承北斗有源服务和无源服务两种技术体制，能够为全球用户提供基本导航（定位、测速、授时）、全球短报文通信、国际搜救服务，中国及周边地区用户还可享有区域短报文通信、精密单点定位等服务。

北斗卫星导航系统的空间段计划由35颗卫星组成，包括5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星。非静止轨道卫星由27颗中圆轨道卫星和3颗倾斜同步轨道卫星组成。其中，中圆轨道卫星运行在3个轨道面上，轨道面之间相隔120°且均匀分布。

图1.5 我国北斗卫星星座示意图

至2012年年底北斗区域导航正式开通时，共发射了16颗卫星，其中14颗组网并提供服务，分别为5颗静止轨道卫星、5颗倾斜地球同步轨道卫星、4颗中圆轨道卫星。相关数据如下：

1）静止轨道卫星的轨道高度为35786km，分别定点于东经58.75°、80°、110.5°、140°和160°。

2）倾斜地球同步轨道卫星的轨道高度为35786km，轨道倾角为55°，分布在3个轨道面内，升交点赤经分别相差120°。其中，3颗卫星的星下点轨迹重合，交叉点经度为东经118°；其余2颗卫星的星下点轨迹重合，交叉点经度为东经95°。

3）中圆轨道卫星轨道高度为21528km，轨道倾角为55°，回归周期为7天13圈，相位从Walker24/3/1星座中选择，第一轨道面升交点赤经为0°。4颗MEO卫星位于第一轨道面7、8相位和第二轨道面3、4相位。

1.3.2 卫星互联网

根据国际电信联盟（International Telecommunication Union，ITU）对卫星通信业务的划分，卫星通信业务可分为固定、移动和广播三类。从近10年的发展来看，互联网和宽带多媒体通信已成为推动卫星通信向宽带化、网络化发展的主要动力，传统的卫星固定业务、卫星移动业务界限越来越模糊，宽带卫星通信已成为卫星通信发展的主流。当前，无论是传统的卫星通信公司还是新兴的互联网商业公司均极大关注宽带卫星通信发展，基于不同轨道的宽带卫星通信系统或已投入运营，或正在建设，或提出方案设想。这些系统均全面提供卫星互联网接入服务，积极抢占互联网宽带接入新入口。

而所谓新兴卫星互联网星座，指新近发展的能提供数据服务、实现互联网传输功能的巨型通信卫星星座。它面向互联网的蓬勃发展，针对地面网络的不足（如覆盖受限、难以支持高速移动用户应用、广播类业务占用网络资源较多、易受自然灾害影响等），利用卫星通信覆盖广、容量大、不受地域影响、具备信息广播优势等特点，作为地面通信的补充手段实现用户接入互联网，可有效解决边远散、海上、空中等用户的互联网服务问题。

新兴卫星互联网星座具有以下特点：从星座规模看，是由成百上千颗卫星组成的巨型星座；从星座构成看，是由运行在LEO的小卫星构成；从提供的服务看，主要是宽带的互联网接入服务；从发展卫星互联网星座的企业看，主要是非传统航天领域的互联网企业。

下面分别从高、中、低轨（工作在HEO、MEO、LEO）三个方面介绍国外卫星互联网的发展现状。

1.3.2.1 高轨宽带卫星通信系统

典型的高轨宽带卫星通信系统，主要包括早期面向企业级用户的IPSTAR、宽带全球区域网（Broadband Global Area Network，BGAN）、“太空之路-3”（Spaceway-3）等高轨宽带卫星通信系统，以及后期面向大众需求快速发展起来的以ExeDe互联网项目为代表的一系列高通量宽带通信卫星。

（1）IPSTAR卫星通信系统

IPSTAR是2005年8月发射的当时世界上容量最大的通信卫星，可为亚太地区22个国家和地区的用户提供多媒体广播、宽带网接入、视频会议等高轨宽带业务。卫星使用Ku/Ka混合频段，可为亚太地区提供Ku频段点波束（84个）、Ku频段赋形波束（3个）、地区广播波束（7个）以及18个Ka频段点波束覆盖。系统总容量为45Gbit/s，其中12G覆盖中国全境。

（2）BGAN系统

BGAN系统是基于Inmarsat^[1]-4卫星的全球卫星宽带局域网，是一个支持移动业务的卫星通信网络。系统工作频段在L频段，下行速率为216～432kbit/s，上行速率为72～432kbit/s，实现了从模拟向数字、从传统电路交换向互联网业务、从窄带话音数据向宽带高速数据的转换。该卫星系统可覆盖全球85%陆地范围，可为移动用户提供视频直播、宽带网络接入等多种服务。

（3）“太空之路-3”卫星通信系统

“太空之路-3”卫星通信系统是由美国休斯网络系统公司研制并运营，于2007年发射升空，是世界上首颗具有在轨切换和路由能力的卫星。“太空之路-3”通过采用Ka频段、多波束及星上快速包交换技术，大大缩短网络传输时延，可覆盖美国全部和加拿大大部分地区。系统总通信容量为10Gbit/s，可容纳165万个用户终端，容量是Ku频段通信卫星的5～8倍。

（4）ExeDe互联网项目

ExeDe互联网项目由美国卫讯（ViaSat）公司的ViaSat-1和ViaSat-2宽带通信卫星组成，分别发射于2011年和2017年，是目前容量最大的高轨宽带卫星通信系统。ViaSat-1采用Ka波段点波束技术，总容量为140Gbit/s，下载速率为12Mbit/s，可满足200万以上用户的卫星互联网接入需求。ViaSat-2卫星是迄今为止美国波音公司发射的最大卫星，整星容量300Gbit/s，覆盖面积为ViaSat-1的7倍，可为250万用户提供高达25Mbit/s的宽带服务。

1.3.2.2 中轨卫星互联网星座

中轨卫星互联网星座主要以“其他30亿”（Other 3 billion，O3b）计划为代表。

O3b，为解决由于地理、经济等因素而全球剩余30亿未能接入互联网人群的上网问题，互联网巨头美国谷歌公司、美国媒体巨头约翰·马龙（John Malone）旗下的海外有线电视运营商自由全球（Liberty Global）及汇丰银行联合组建了O3b网络（O3b networks）公司。O3b网络公司从2013年6月开始陆续成功部署了8颗MEO卫星，共覆盖7个区域，采用Ka频段，单星吞吐量约为12Gbit/s。2014年9月，8颗卫星全面运营，提供中继容量为600Mbit/s、时延不超过150ms的服务能力。2014年10月18日，最后4颗卫星被发送入轨，形成12颗MEO卫星星座。

1.3.2.3 低轨卫星通信系统

自20世纪90年代以来，欧美等发达国家相继掀起了两次低轨星座发展热潮。20世纪90年代初期，面向个人移动通信服务低轨卫星迎来第一次发展热潮，美国摩托罗拉、劳拉、阿尔卡特、波音等公司相继提出二十多种低轨星座方案，陆续建成极具代表性的铱（Iridi-um）卫星、轨道通信（ORBCOMM）、全球星（Globalstar）等低轨卫星通信系统。

但是，由于市场定位不准、建设成本高昂，投入运营的铱卫星、ORBCOMM、Globalstar系统均于2000年前后破产，其他项目也都相继宣布终止。近几年，在互联网应用、微小卫星制造和低成本发射等技术发展的驱动下，面向卫星互联网接入服务，低轨星座研究迎来规模更大、更猛烈的第二次发展热潮，典型的新型低轨星座有一网（OneWeb）、星链（Star-link）、低轨星（LeoSat）等。

（1）铱卫星通信系统

铱星系统是全球唯一的采用星间链路组网、全球无缝覆盖的低轨星座系统。一代铱星系统在1998年建成并开始商业运营，1999年宣告破产，后被美国“新铱星”公司收购。

铱卫星星座轨道高度为780km，由分布于6个轨道面的66颗卫星组成，用户链路采用L频段。铱卫星二代通过对一代卫星的逐步升级，如L频段配置48波束的收发相控阵天线、用户链路增加Ka频段、配置软件定义可再生处理载荷等方式，实现了更高业务速率、更大传输容量及更多功能。从2017年1月开始至2019年1月11日铱卫星二代已完成全部组网发射，部署后传输速率可达1.5Mbit/s，运输式、便携式终端速率分别可达30Mbit/s、10Mbit/s。二代系统还具备对地成像、航空监视、导航增强、气象监视等功能。

（2）ORBCOMM系统

ORBCOMM星座于1996年正式启动面向全球的数据通信商业服务。星座系统由约40颗卫星及16个地面站组成，轨道高度740～975km，共7个轨道面。星座内部无星间链路，用户链路采用VHF频段。相比于第一代系统，二代ORBCOMM卫星质量增加3倍，接入能力提升了6倍。当前拥有全球最大的天基AIS（船舶自动识别系统）网络服务。

（3）Globalstar系统

Globalstar系统于1999年开始商业运营。系统采用玫瑰星座设计（高度为1400km），由48颗卫星组成，用户链路为L、S频段，通过无星间链路、弯管透明转发的设计，降低建设成本。Globalstar二代系统进一步提高了系统传输速率，增加了互联网接入服务、ADS-B（广播式自动相关监视）、AIS等新业务。

（4）OneWeb系统

OneWeb系统卫星互联网星座由O3b公司创始人之一格雷格·惠勒（Greg Wyler）创建的英国OneWeb公司提出，计划部署近三千颗低轨卫星，初期采用Ku频段，后续向Ka、V频段扩展。星座初期计划发射720颗卫星，轨道高度为1200km，采用设计简单的透明转发方式，通过地面关口站直接面向用户提供互联网接入服务。OneWeb系统卫星单星重量不超过150kg，单星容量为5Gbit/s以上，可为配置0.36m口径天线的终端提供约50Mbit/s的互联网宽带接入服务。同时，OneWeb公司获得了美国联邦通信委员会授权，批准其在美国提供互联网服务。之后，OneWeb初期星座规模缩减至600颗，以降低实现全球覆盖成本。目前，OneWeb已进入部署阶段，2019年2月27日发射了首批6颗卫星。

（5）Starlink卫星互联网星座

Starlink卫星互联网星座由美国Space X公司提出。Space X公司计划建设一个由近1.2万颗卫星组成的卫星群，由分布在1150km高度的4425颗低轨星座和分布在340km左右的7518颗甚低轨星座构成。低轨星座选择了Ku/Ka频段，有利于更好地实现覆盖；甚低轨星座使用V频段，可以实现信号的增强和更有针对性的服务。Space X公司计划让这样的网络覆盖地球任何地点。Space X公司预计该系统到2025年将有4000多万用户，营收达到300亿美元。Space X公司在星座运营的同时，更专注于卫星制造。因此，Space X公司需要进行更大的融资，预计需要融资100～150亿美元。有消息称，该公司还准备再增加3万颗卫星，使卫星总量达到约4.2万颗。

（6）LeoSat卫星互联网星座

LeoSat卫星互联网星座由美国LeoSat公司提出，计划构建由108颗卫星组成的卫星星座，提供全球高速数据传输服务。星座部署在1400km的低轨，采用6个轨道面，每个轨道面上部署18颗卫星。LeoSat卫星采用Ka频段，为用户提供1.6Gbit/s的容量。LeoSat星座将会使用星间链路，并采用光通信。与OneWeb公司和Space X公司不同，LeoSat公司主要为政府及企业提供数据传输服务，计划为3000余家大型企业及机构用户提供高速数据接入服务。