同步轨道卫星和地面通信有固定限制，低轨通信卫星更适合现代通信

20世纪80年代至90年代，美国成功部署了跟踪数据中继卫星(TrackingandDataRelaySatellite，TDRS)系统，TDRS被称为“卫星的卫星"，其中，多址链路是TDRS的重要组成部分，美国的TDRS多址链路技术演变分为三个阶段：

第一代TDRSS系统的多址体制采用空分多址结合码分多址方式，星上采用一个S频段多址相控天线，具有30个阵元，全部用作接收阵列，发射阵列山其中的12个具有收发双工性能的阵元承担，在通信过程中，只需24个接收阵元、8个发射阵元即可达到TDRSS通信要求。系统采用空分多址和码分多址方式，在一个波束内的用户采用伪噪声码分多址技术，每个信道最大速率可达到50kb/s。其空分多址的波束形成是在地面完成的，各个人线单元接收到返向链路的信号，经过低噪放等处理过程送给星上处理器，并将信号频分复用（频点间隔设置为7.5MHz后形成中频信号，再通过上变频处理将信号从K频段传输下去送给地面基站，在地面接收到多个阵元的信号进行波束形成；

第二代TDRSS系统星上采用的多址天线为S频段六角形相控阵模式，并且因为星上形成波束，天线增益提高约6dB，返向链路为32条，前向链路为巧条，系统增强了多址业务返向能力，占用2.0G~2.3Ghz波段进行多址访问，前向链路的数据传输率为300Kbit/s，并能以传输速率3Mb/s同时接收五个用户星的信息；

空天信息网络第三代TDRSS完成了空间对接、高覆盖率和返回着陆等方面的卫星测控任务，并能够做到对于图像信号的实时传输，关于其多址链路技术，最近美国提出了按需接人的第三代中继卫星地面合成方案，第三代多波束合成方案采用地面接收DBF多波束合成技术，可以满足更多用户按需接址的通信要求。

1、同步轨道卫星的波束覆盖区大，使频谱利用率低

同步轨道卫星（GEO）在地球赤道上空35786km的圆形轨道运行，卫星绕地球运行周期与地球自转同步，卫星与地球之间处于相对静止的状态。为保证卫星与地球同步运作，卫星只能被发射到赤道轨道面的特定高度，致使可容纳卫星数有限且信号不能覆盖极地地区。由于轨道高度过高，同步轨道卫星的波束覆盖区大，使频谱利用率低。

同步轨道卫星通信延迟差达到250ms，和地面基站相比大大增加。另外，地球同步轨道卫星的发射困难，技术复杂；由于许多发射卫星的国家没有赤道附近领土，不可能在赤道上建立卫星发射场，因此卫星要经过几次的轨道变换才能成功，难度大大增加。加上地球同步轨道卫星体积大，重量大，发射时间长，使发射成本高。

同时地面通信系统覆盖范围小的多，4G基站覆盖范围为1-3km，而5G基站覆盖范围仅为100-300米，基站建设和运营成本很高。此外，建设基站易受到地形和环境影响，在环境恶劣的沙漠、海洋、极地等地区地面通信系统建设成本高昂，无法实现全球覆盖。

低轨小卫星一般指高度在500到1500公里范围内，重量在1000kg以下的现代卫星。对用户而言，轨道高度的降低使通信延时缩短，数据传输率提高。由于低轨卫星可以不受地形和环境限制，因此与传统地面基站通信相比覆盖范围大大提升，可以真正做到全球无缝接入。低轨卫星传输损耗小的特点使用户终端小型化成为可能。对运营商而言，卫星体积小、重量轻，发射成本和同步轨道卫星相比大大降低。

另外低轨卫星系统频谱利用率高最大单向传输延时和最大延时差和地球同步轨道卫星相比都大大减少，与地面传输手段的延迟较为接近。虽然目前低轨通信卫星仍存在需要卫星数量多、维护困难等问题，但随着以技术手段的进步和以SpaceX公司为代表的可重复使用运载火箭的开发，低轨卫星的发射和管理成本将大大降低。

表：NDSA卫星层建设

资料来源：公开资料整理

2、困扰早期以铱星星座为代表的低轨卫星系统的技术壁垒逐渐消除

“铱星”星座系统是美国摩托罗拉公司于1987年提出的一种利用低轨道星座实现全球个人卫星移动通信的系统，它与现有的通信网相结合，可以实现全球数字化个人通信。“铱星系统”区别于其他卫星移动通信系统的特点之一是卫星具有星间通信链路，能够不依赖地面转接为地球上任意位置的终端提供连接，因而系统的性能极为先进、复杂，这导致其投资费用较高。星座的构型为玫瑰星座，卫星均匀部署在南北方向677km高的6条极轨近圆轨道上，轨道倾角为86.4°。每颗卫星载有3个16波束相控阵天线，其投射的多波束在地球表面形成48个蜂窝区。每颗卫星拥有4条Ka频段的星间通信链路，两条用于建立同轨道面前后方向卫星的星间链路，星间距离4021~4042km；两条用于建立相邻轨道面间卫星的通信链路（仅适用于纬度68°以下地域），星间距离2700~4400km。异轨道面间链路的天线可根据加载到卫星上的星历信息进行指向调整，波束宽度足以适用纬度控制和卫星位置保持的容差。卫星在轨重量320kg，工作寿命5~8年。

由于低轨卫星通信系统也存在固有的缺点，如需要卫星数量较多，由此带来地面控制、维护系统比较复杂，对通信而言，影响较大的问题是波束切换和星间切换。低轨卫星相对地球高速运动，使得终端在通信过程中需要频繁的切换到其他波束或卫星上才能继续通话，即使当时设计方案最完整最有前景的的铱星系统仍无法克服：

1）技术方面，受当时设备性能制约，系统切换掉话率高达15％，严重影响通话质量，并且数据传输速率仅有2.4kb/s，其最小切换时间间隔10.3秒，平均切换时间间隔277.7秒。由于早期低轨卫星通信系统的带宽资源不能满足切换呼叫最低的带宽要求铱星系统在运行初期的切换成功率只有85%，经过改进后仍然只有92~98%，与陆地移动通信系统的切换掉话率不高于0.05%的指标相差甚远。

2）成本方面，铱星系统需要在获得第一笔订单之前就建成全部系统，风险很高，而地面通信网络的建设可以逐步进行，可以在回收一部分投入之后逐步扩建系统；

3）系统能力方面，铱星在系统设计时确实先进，但此后蜂窝电话发展极其迅速，待到铱星服务之后，技术已经落后，铱星电话的笨重、室内无法使用、通话的可靠性和清晰性低的缺点凸现出来。

但随着近二十年来通信技术、微电子技术的飞速发展，通信系统信号处理能力、通信带宽不断提升，从目前仍在运行的铱星二代、全球星等低轨卫星通信系统使用情况来看，困扰早期铱星系统的掉线率高等技术问题已经得到有效解决，为低轨卫星通信的普及应用扫清了障碍。

3、空天信息产业链迅速发展助力成本降低

在卫星制造成本和发射成本高居不下的时代，低轨道卫星星座不具备经济可行性。然而，随着技术的进步，卫星的体积、质量、成本逐年下降，可靠性、集成度逐年提升。加之近年来，越来越多的企业（包括民营企业）涌入中小型运载火箭行业，使得火箭发射供给快速提升，成本大幅下降。在此环境下，低轨道小卫星星座的大规模部署初步具备先决条件。

1）火箭发射成本

美国航天探索公司SpaceX，目前已经成功开发出可重复使用的猎鹰1号、猎鹰9号、重型猎鹰等可重复使用的运载火箭和拥有载人能力的龙飞船。公司可回收火箭近期发射屡获成功；2020年1月30日，SpaceX公司用“三手火箭”将第四批共60颗星链卫星送入轨道，随着公司技术的不断发展，猎鹰9号火箭单次发射成本大大降低，使更多低轨小卫星被送入太空成为可能。

未来，随着以SpaceX为代表的商业可重复使用运载火箭的开发，可以使猎鹰9运载火箭的单次发射成本稳定在3000万美元左右；按照每次发射60颗近地小卫星计算，单颗星链卫星的发射成本将降低到每颗50万美元左右，成本大大降低。

根据Euroconsult统计数据，2014年以来微纳卫星发展迅猛，全球近3年年均发射超过100颗微纳卫星，占据全球每年发射航天器的半壁江山。据Euroconsult最新报告预测，未来10年全球将发射超过3600颗微小卫星(包括皮、纳、微、小)。

微纳卫星星座的快速发展将导致发射需求大幅提升，有望倒逼我国商业火箭市场快速成长。根据Euroconsult统计数据，2015-2018年我国年均发射微纳卫星数量不超过10颗，2018年我国发射微纳遥感卫星9颗，我国微纳遥感卫星尚处于早期阶段。

2）小卫星制造成本

另外，同步轨道卫星寿命一般在10-15年，而低轨小卫星寿命在5-8年，较短的寿命决定了小卫星较高的更换频率。随着卫星发射技术的进步，使以SpaceX为代表的商用卫星发射公司成为可能，而越来越多的企业进入航天领域，又进一步促进了卫星和发射技术的升级，从而形成了一种“技术进步降低成本→更多力量参与研发生产→技术进步进一步降低成本”的正向循环。

表：NDSA卫星层建设

资料来源：公开资料整理

3）整体通信系统建设成本

根据Wind数据，2019年中国4G用户规模为12.1亿户，目前中国境内4G平均网速是3.61M/s；截至2019年5月，全国共建成437万个4G基站，每个基站可供最多500终端接入；中国三大运营商在4G网络上的建设至少在8000亿规模。随着5G的应用，每个5G基站建设费用约是48万元；而由于5G基站覆盖范围仅为100-300米，远远小于4G基站的1-3km范围，建设成本会比4G更高。

根据《美国典型小卫星项目创新管理模式分析》，每颗180kg的LEO小卫星发射价格约是495万美元，300kg小卫星价格约是695万美元。以星链计划为例，SpaceX计划发射的12000颗260kg近地小卫星总共发射成本约是873.5亿美元，约合人民币6060亿元，小卫星寿命一般为5-8年。据SpaceX执行总裁马斯克透露，每60颗星链卫星可同时支持40000用户终端（每颗卫星支持600终端接入）以最低25M/s的速度使用。从我国4G基站与SpaceX低轨小卫星几个指标对比可以看出其发展前景：

表：4G与SpaceX低轨小卫星

资料来源：公开资料整理

未来，随着以SpaceX为代表的商业可重复使用运载火箭的开发，可以使猎鹰9运载火箭的单次发射成本稳定在3000万美元左右；按照每次发射60颗近地小卫星计算，单颗星链卫星的发射成本将降低到每颗50万美元左右，成本大大降低。