致军民融合办公室:建议国家优先考虑建设赤道中圆地球轨道激光干路中继卫星星座

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宽带星座走出去：上合会议和一带一路

（NEXT）


向马斯克说不，中国需要建设独立自主的低轨卫星星座


      

前不久两会期间，装备发展部召开的军民融合商业航天专家论证会上，邀请了国内各家商业航天企业一起为发展中国商业航天领域的军民融合事业出谋划策。由于保密限制，笔者没有过多解释这方面的进展。

在提交给习近平主席领导的军民融合办公室的意见征集方案中，世域天基的郭正标同志提出国家队应该优先建设可以给国内各大遥感或者低轨通讯卫星使用的激光干路中继卫星星座，相对于我们之前建设的天链一号系列地球同步轨道中继卫星而言，这个星座的容量更大，成本更低，兼容性更强，获得回报的预期更理想，特别适合今天军民大环境背景，可作为商业航天示范性工程进行规划。其实这个激光中继方案是世域天基鹊桥卫星星座的一部分，考虑到系统设计的合理性，郭正标认为充分合作共享或许更符合未来星座潮流，也是降低开发建设难度的不二选择。可以有多个主体联合开发研制，共建共享共用。



新闻背景：美创企AUDACY商业数据中继卫星星座获批

就在前不久刚刚发射了鹊桥号地月中继卫星

发展中继卫星通讯是实践共建共用共享的大胆尝试

从星座构想发展历程来看

该建议主要依据

1.轨道选择2.激光链路3.通讯标准

为什么选择赤道中圆MEO轨道

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1.赤道中圆MEO轨道



                                                             ▲O3B mpower

首先先介绍一下为什么很有必要建设中地球轨道MEO中继卫星星座。众所周知，卫星轨道类型大致上可以分成高中低轨三种，也包括GEO地球同步轨道和倾斜地球同步轨道(IGSO)中圆轨道MEO以及太阳同步轨道SSO这类低轨细分的轨道类型。一般来说中轨道地球卫星主要是指卫星轨道距离地球表面2000～20000km的地球卫星。轨道高度介于LEO低轨和HEO高轨之间，所以它的属性轨道参数相比LEO比较稳定，轨道周期较长，能提供稳定的对地波束覆盖。相对于高轨的时延来说，中轨道也能像LEO一样满足地面移动通讯的要求。更为重要的是MEO相比GEO而言，对轨道资源的依赖性要小很多，地球同步轨道轨位非常稀缺，早已成为各国争夺的焦点，甚至有企业花点数亿去购买轨位资源。MEO轨道的使用避免了这一矛盾，毕竟在广泛的空间当中，这一特定的场景资源非常丰富。



                                                  ▲轨道类型

我们这里举几个例子

1.北斗系统当中的MEO卫星，尤其是北斗三代几乎都是MEO卫星，稳定的运行周期对地面终端的可视链路建立便利性是选择这一构型的重要因素。



2.国际海事卫星inmarsat-P系统是国际海事卫星组织建造的一个全新结构的21世纪全球个人卫星移动通信系统.第一、第二代海事卫星只使用静止轨道卫星,只能覆盖地球纬度70°以上的区域.第三代海事卫星采用同步和中轨道卫星结合的方案.由4颗同步轨道卫星和12颗高度为10 000 km中轨道卫星相结合,分布在7个轨道平面上(与赤道平面有一定的夹角).在这个高度上,卫星沿轨道旋转一周的时间为四分之一天.由于轨道高度的降低,可减弱高轨道卫星通信的缺点。从名字就能看出来它选择MEO恰好就是利用了对其地球空间分布合理，对地面用户覆盖均衡的特性。



在这一我要说赤道中圆轨道部署卫星的优势。赤道平面上的卫星相比倾斜轨道能更好的覆盖低纬度地区，尤其是目前相对经济比较落后的海岛国家。同时还能给我国低纬度地区提供稳定的通讯服务。典型的案例就是O3B选择的近赤道轨道MEO设计，目前看来也是市场反馈比较好的轨道应用场景。将这些轨道特性复合起来，选择赤道中圆轨道MEO星座优势不言而喻。







2.激光干路中继传输服务



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那么为什么MEO比较适合用来做激光中继服务场景呢？激光通讯技术为无线通讯的一种，它以光信号作为传输信息的载体，在空间中直接传输。激光通讯技术由于其单色性好、方向性强、光功率集中、难以窃听、本钱低、安装快等特点，而引起各国的高度重视。激光比较适合作为主干路传输用途，能充分发挥激光链路带宽大的优势，假设只是用于低轨之间，一方面增大了卫星的体积，而且部署数量会很多，不利于星座的整体设计和未来运营。



   卫星中继服务是一个目前看来需求比较强烈的市场，其一现在大量发射的遥感卫星及其星座，需要依赖全球各地的测控站，尚且不能形成实时数据回传的能力，这制约了遥感卫星在国防，交通等巨大市场空间的应用。有了实时遥感数据下行的能力可以供军队作战，机场指挥调度场景使用。更为重要的是我国由于地理位置局限，全球政治的高度复杂，很难在全球各地落地建设卫星测控站。有了这个激光干路传输系统，就可以实现不依赖全球部署测控站的目标。



典型的案例有欧空局SILEX计划,SILEX计划是欧空局(ESA)于20世纪80年代开始的星间激光通信计划，目的是要通过法国地面观测卫星SPOT4(低轨卫星)与通信卫星ARTEMIS(高轨卫星)之间的光学连接证实星间激光通信的可行性，同时实现ARTEMIS卫星与欧洲光学地面站的激光通信，并借助激光通信链路将SPOT4拍摄的图像真正实时地通过ARTEMIS卫星传送到法国的地面中心。



有了MEO的激光环路，还差一步，那就是如何把高带宽的激光链路信息传说到地面来，如果还是回到微波下行，那么激光干路传输的效果和意义就要大打折扣。激光由于其特性所以很难再大气环境下做长距离传输，必须选择大气环境非常稳定的区域。这里所说的大气环境稳定，指的是尽可能选择海拔高度高，大气稀薄，云层遮盖少，气候条件稳定的地点建设大型激光传输地面站，并通过地面站所连接的光纤未来，往激光干路信息接入的互联网络中来。

这个激光传输站的选择非常考究。不过我国地理风貌非常丰富，有比较合适的地点。关注量子通信网络的朋友应该知道我以前发射量子通信卫星，就是选择了建设在西藏阿里的激光站进行量子信息传输。





3.制定空间数据传输协议实现卫星通信载荷制造标准化

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如果这个激光干路中继卫星星座没有统一的标准，各自为政，后期星座建设成立之后无法实现低轨卫星和中继卫星之间的链路链接就得不偿失了。为此在建设之前我们应该团结国内星座企业，由国家标准权威部门出面协调，制定行业规范。比如统一低轨和中轨之间微波传输的频率，通讯制式，数据传输标准。通过采购标准化的星间链路载荷实现低成本的卫星星座建设。



2016年笔者曾经和空中客车的高层沟通过鹊桥卫星星座当中的MEO卫星的设计细节，此刻“欧洲数据中继系统”的首个激光通信中继载荷EDRS-A已于2016年1月30日成功发射，迈出了构建全球首个卫星激光通信业务化运行系统的重要一步。EDRS-A可提供激光和Ka波段两种双向星间链路，星间传输速率可达1.8吉比特/秒。在完成一系列在轨测试后，EDRS-A于2016年6月成功传输了欧洲哨兵1A雷达卫星的图像，并于2016年7月进入业务运行阶段。EDRS-A载荷实现在轨服务，表明欧洲已率先实现星间高速激光通信技术的业务化应用，是近年来欧洲航天技术快速发展的一个重要里程碑。





空中客车作为主要承包商，计划于2020年将“欧洲数据中继系统”扩展成为全球覆盖系统，形成以激光数据中继卫星与载荷为骨干的天基信息网，实现卫星、空中平台观测数据的近实时传输。他们特别希望国内世域天基公司的低轨卫星可以使用他们的激光中继卫星网络。不过促成笔者注意到应该着力制定行业规范的原因也是处于国际上需要新的统一的解决方案的动力都来自于国情，因为星座设计之间存在的问题使得我们不可能直接使用空客的卫星服务。鹊桥卫星星座使用60Ghz免授权频段作为星间传输频率方案，并不足以兼容他们的KA链路，何况国内民营公司还不拥有其KA的频率资源。目前就CCSDS国际空间数据系统咨询委员会也在研究如何就光学系统单独建立下一代的数据传输方案。接下来将在这个领域有很多事情可以做，期待有国家队力量主导的MEO激光干路卫星早日提上日程来，其中让民营企业有更多的参与机会也是非常重要的，毕竟众人拾柴生态才能旺起来。



《这一战必胜！世界移动通讯将进入低轨星座3.0时代》

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