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现代低轨卫星技术如何改写太空竞赛格局

James Cheng、Ryan Jennings和David Schnaufer，Qorvo公司

在卫星技术飞速发展的背景下，低地球轨道（LEO）卫星已成为一项颠覆性的创新技术。这些卫星位于距离地球表面约100至500英里的高空，彻底改变了我们的通信方式、数据收集手段与地球监测模式。LEO卫星在电信、地球观测、科学研究和国家安全等多个领域发挥着关键作用。预计到2029年，商业星座规模将从35%增至70%，其中约65%的增长将集中于通讯应用，涉及跨越低地球轨道（LEO）、中地球轨道（MEO）和地球同步轨道（GEO）的卫星网络。

不同卫星轨道的对比

GEO卫星与地球同步旋转，速度一致，因此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。在移动平台上，基于地面的GEO定向天线必须持续对准指定的GEO卫星。这些传统的地面卫星天线体积庞大、价格昂贵，且移动部件众多，需要定期维护。

MEO卫星，如GPS，通常用于导航。MEO卫星有其自身的优势，但与GEO卫星类似，发射和维护成本高昂。尽管GEO和MEO卫星各有其用途，但都存在延迟和数据速率的问题。

LEO卫星相较于GEO和MEO卫星具有显著优势；能够为地球上偏远和欠发达地区提供低延迟（比GEO快30倍）且高速的互联网连接。LEO卫星需要数百到数千颗卫星来覆盖地球表面，从而形成交叉链接的格形网络。这种格形网络不仅扩大了全球覆盖范围，还提高了连接的可靠性——例如，如果一颗卫星离线，另一颗卫星可立刻补位以防信号丢失。目前，大多数LEO卫星的部署均由私营企业和政府机构推动；SpaceX、OneWeb、亚马逊的Kuiper项目和Telesat等公司都大举投资LEO卫星的部署，为全球网络互连和数据的轻松获取开辟了新纪元。

卫星在促进全球互联中发挥着重要作用。如图1所示，其主要承担两大任务：一是直接与地球通信，为不同行业的众多最终用户终端提供支持；二是直接或经由卫星间链路（ISL）将数据回传至地球。随着更多LEO卫星发射升空，通信速度得到显著提升，覆盖范围日益扩大。信息从太空到地球的传输变得更加便捷，延迟也更小。

图1：非地面网络，包括地面卫星间链路（ISL）和应用连接

卫星通信频谱

大多数卫星使用L至Ka频段。然而，当前更多的卫星正在向Q/V和E频段等更高频段发展。如表1所示。

表1：卫星通信频谱分配

为服务于5G非地面网络应用，3GPP还分配了NTN频段。表2显示了L和S频段的现有NTN频段，以及在K和Ka频段中新提议的频段。

表2：非地面网络频段

卫星与5G网络的融合

全球范围内，大型LEO卫星星座提供的宽带服务正逐渐普及。这一趋势，加之卫星网络与5G生态系统的整合，进一步推动了卫星通讯市场的增长。

此外，蜂窝通信正在成为卫星生态系统的一部分。随着5G无线技术在3GPP第17版中的引入，使得5G系统能够服务于非地面网络（NTN）。NTN旨在扩大全球网络覆盖范围，特别是农村及偏远地区，并促进移动设备、物联网（IoT）和商业自主驾驶车辆与卫星之间的直接连接。这种整合使卫星产业能够充分利用5G生态系统的规模效应。

3GPP第17版定义了5G新空口（NR）NTN与5G IoT NTN，如图4所示。其专注于利用卫星透明有效载荷架构和具有GNSS功能的UE。图2展示了5G NTN的预期用例。

图2：互为补充的NTN 5G NR和IoT用例

其它应用场景还包括：

·        农业、采矿和林业等覆盖不足的地区

·        当陆地通信网络受损时的灾区通信

·        在极广范围内广播信息

结语

本文探讨了LEO卫星对全球通信的影响，重点介绍了它们在电信和地球观测等领域的关键作用。预计到2029年，商业星座中的LEO卫星数量将翻倍；并通过格形网络为偏远地区提供低延迟、高速率的互联网接入。SpaceX、OneWeb和亚马逊Kuiper项目等大型公司的投资，标志着全球性连接提升的重大转变。此外，我们还考察了通过NTN将卫星网络与5G生态系统的整合，从而扩大频谱以改善覆盖范围，尤其是在服务不足的地区。这种整合不仅推动了市场增长，还凸显卫星行业在推进5G基础设施及全球通信能力方面的重要作用。