地球通信卫星分类及静止轨道卫星轨道资源问题

发布日期：2018-7-6

　　目前，通信卫星已经成为在轨数量最多的航天器，各国已将通信卫星与经济发展、社会服务、军事国防等领域密切关联。目前，从通信卫星轨道的分布来看，除美国和俄罗斯等少数国家或组织在低地球轨道（LEO）、中地球轨道（MEO）部署通信卫星外，通信卫星主要集中在地球静止轨道（GEO）。但随着卫星固定业务将向高频段、大容量、数字化、宽带化、IP化方向发展，越来越多的国家在未来3到5年期间将发射大量低轨道通信卫星组成低轨通信星座以及配套的高轨道通信卫星。
　　下面我们来了解一下不同工作轨道通信卫星的特点。

图中蓝绿色为低轨卫星，绿色为中轨卫星，最外层是地球同步轨道卫星

低轨道通信卫星（LEO）：
　　距地面500-2000Km，传输时延和功耗都比较小，但每颗星的覆盖范围也比较小，典型系统有Motorola的铱星系统。低轨道卫星通信系统由于卫星轨道低，信号传播时延短，其链路损耗小，卫星和用户终端的要求低，可以采用微型/小型卫星和手持用户终端。但由于轨道低，每颗卫星所能覆盖的范围比较小，要构成全球系统需要数更多卫星，如铱星系统有66颗卫星、Globalstar有48颗卫星、Teledisc有288颗卫星，包括未来SpaceX的Starlink计划预计发射11000多颗低轨卫星、航天科工集团虹云工程将有156颗低轨卫星，航天科技集团鸿雁计划将超过300颗低轨卫星，这些都属于低轨通信卫星。
中轨道通信卫星（MEO）：
　　距地面2000-20000Km，传输时延大于低轨道卫星，但覆盖范围更大，全球组网覆盖所需卫星数量较少，典型系统是国际海事卫星系统。中轨道卫星通信是同步通信卫星和低轨道通信卫星的折衷。如果中轨道和低轨道卫星均采用星际链路，当用户进行远距离通信时，中轨道系统信息通过卫星星际链路子网的时延将比低轨道系统低。但低轨道通信卫星作为高速的多媒体卫星通信系统的性能要优于中轨道卫星系统。
静止轨道通信卫星(GEO)：
　　距地面35800km，即同步静止轨道。理论上，用三颗高轨道卫星即可以实现全球覆盖。传统的同步静止轨道通信卫星的技术最为成熟，自从静止卫星被用于通信业务以来，用同步静止卫星来建立全球卫星通信系统已经成为了建立卫星通信系统的传统模式。但是，静止卫星轨道高，链路损耗大，对用端接收机性能要求较高。这种卫星难于支持手持机直接通过卫星进行通信，或者需要采用12米以上的星载天线(L波段)，这就对卫星星载通信有效载荷提出了较高的要求。其次，由于链路距离长，传播延时大，是话音通信用户所难以忍受的。信号从一个地面站到卫星再返回到另外一个地面站所需的时间大约为0.5秒。目前，同步轨道卫星通信系统主要用于VSAT系统、电视信号转发等，较少用于个人通信。
　　介绍完通信卫星轨道的分类，继续讨论一下静止轨道通信卫星的状态及资源问题。
轨道：
　　地球静止轨道只能分布在赤道上空大约35800 km的地方，在这个高度上，轨道速度为3.07 km/s，轨道周期为1,436分钟，很接近一个恒星日(23. 934461223小时)。这确保了卫星的运行周期和地球自转周期一致，所有的静止轨道卫星都必须运行在这条轨道上。
　　但在地球静止轨道上的卫星也不是绝对静止的。下图为一段时间内，北斗GEO卫星在地心地固(ECEF)坐标系下的运动规律。由于太空中环境的各种干扰，比如太阳风和重力梯度不均匀等因素，可以看到卫星轨道经度最大偏离有0.16度，纬度最大偏离有0.23可见，为了静止轨道上各卫星的安全，必须要有一定的安全间隔。
轨道位置分配：
　　不同国家为争得同一静止轨道位置（如经度相同而纬度不同的国家）和频率资源会发生矛盾，这样的矛盾可以通过国际电信联盟的轨道分配机制来协调解决。1976年，8个赤道国家通过了波哥大宣言，宣称这些国家拥有其领土上空静止轨道的主权，但这个宣言从未被国际社会承认。目前，轨位资源的分配是由国际电联（ITU）来协调的。静止轨道卫星都必须分布在赤道上空的同一个圆环上。在运行过程中，为了避免卫星受到不良的频率干扰，需要把静止轨道卫星分开来放置，这就意味着轨道位置是有限的，因此，静止轨道上运行的卫星数量也是一定的。早期为了防止信号互相干扰，要求每两颗卫星直接的间距是3度，这样整个静止轨道条带上最多只能放置120颗卫星。随着需求的日益增长，目前从3度1颗已经降低到了2度1颗，轨道面内卫星数量增加到180颗。
频率分配：
　　卫星频率的分配是一个很复杂的过程，这个频谱资源非常有限，空地通讯的频段主要集中在10GHz以下和30GHz区间，也就是说，它决定了在轨卫星数量有上限，而且如果卫星之间距离太近，地面信号接收端将非常难以区分。因此需要国际协调与共同规划。这个协调过程由国际电信联盟(ITU)来主持。为了方便规划频率的分配，ITU把世界分成了3个区域：
1区：欧洲、非洲、前苏联和蒙古
2区：美洲、格陵兰岛
3区：亚洲(除1区内包含的地区)、澳大利亚和太平洋西南地区
　　在这些区域内部，频带被分配给了不同的卫星服务。在不同区域之间，同样的服务可能被分配到不同的频带。一些由卫星提供的服务有：卫星固定通信业务、卫星直播业务、卫星移动通信业务、卫星无线电导航业务、卫星气象服务、卫星业余业务。
地球静止通信卫星轨位和频段信息查询
　　对于广大航天和通信爱好者如果想查询不同轨位的通信卫星信息和频段是一件比较繁琐的事情。国际电联（ITU）的数据只对国家和组织提供协调和查询登记服务。太空网目前提供国内静止轨道通信卫星和部分国外静止轨道通信卫星的信息和频段查询功能，如下图所示。
　　能方便的根据经纬度范围或者卫星名称查询通信卫星的定点位置、卫星信息、不同频段的场强图等信息。
　　最后想说的一点是，无论是静止轨道还是低轨通信卫星，各自都起着非常重要的作用。随着高容量卫星和卫星技术的不断发展，静止轨道面将可以容纳更多的通信卫星，目前在轨失效的通信卫星也会被妥善放置到其他轨道位置或者被回收，以腾出更多的位置供新发射的卫星使用。