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地球中低轨道通信卫星星座概览——O3b星座系统

来源 | 深夜空间局LASA

作者 | LASA鹏-韩慧鹏

O3b星座系统是全球第一个成功投入商业运营的中地球轨道(MEO)卫星通信网络,利用Ka频段卫星通信技术,提供具备光纤传输速度的卫星通信骨干网,主要面向地面网接入受限的各类运营商或集团客户提供高速、宽带、低成本、低时延的互联网和移动通信服务。

发展历程

O3b星座系统由O3b网络互联网接入服务公司开发,该公司是Greg Wyler于2007年联合多家大型公司和银行建立,致力于为世界上信息落后地区(主要是非洲、亚洲和南美等)的“其他30亿人”提供高速通信连接。其方案和概念提出后,得到了SES、Google等大公司的支持,并于2010年底得到了全额资助,至此O3b星座系统的主要服务对象成为互联网服务提供商、电信服务提供商、大型企业、政府机构和军方用户等。

O3b星座的第一代卫星由泰雷兹·阿莱尼亚空间公司(TAS)承研,从2013年开始发射部署,每4颗卫星一组发射,8颗卫星一个编队运行,至今已发射4组次(分别为2013年6月25日、2014年7月10日、2014年12月18日和2018年3月9日),在轨卫星已有16颗。根据简氏防务报道,前12颗卫星的研制和发射总成本约为12亿美元,O3b公司于2015年再次融资4.6亿美元用于购买8颗卫星,计划将第一代星座扩展至20颗卫星。

2013年首批4颗卫星发射入轨后,供电分系统和频率发生器单元出现故障,导致卫星在10年寿命期内服务降级。为此,O3b公司申请了3.18亿美元的索赔。目前,O3b将其中2颗卫星设为待命模式,用作在轨备份。

O3b星座的前12颗第一代卫星均位于赤道上空、8062公里、几乎零倾角的MEO轨道上,覆盖区仅在南北纬45°之间,牺牲了对中高纬度的覆盖,真正的符合了其名称“另外30亿人”,为处于赤道的很多数字鸿沟问题严重的地区带去了网络的接入。2014年9月1日,O3b公司正式在太平洋、非洲、中东和亚洲地区提供商业服务,政府机构和美国军方是其重点用户。2018年3月新发射的4颗第一代卫星已于5月17日投入使用,使O3b卫星编队总容量增加38%,将覆盖区扩大到南北纬50°之间,可为南北纬50°~62°范围内的地区提供有限的服务。


O3b卫星系统地面覆盖范围图

2016年11月,O3b公司向美国联邦通讯委员会(FCC)提出申请,计划增加新的卫星进入美国市场运营。经过修改并添加了V频段(50-75GHz)申请后,2017年11月,O3b公司向FCC提出新的申请,计划发射30颗新的MEO卫星进入美国市场运营。

2017年,SES公司收购O3b公司后,由波音卫星系统公司(BSS)研制22颗O3b星座第二代卫星(O3b mPower),预计第二代卫星将于2020年以后开始发射部署,致力于通过卫星星座实现全球连接。O3b第二代星座具有规模可变能力,初期将由7颗高通量中轨卫星组网,设3万个宽带互联网服务点波束,通信总容量将达10Tb/s。通过此次收购,O3b星座可以融入SES的空间系统舰队,由此实现GEO与MEO融合的服务体系,来提供更有针对性的网络接入。


O3b与SES卫星舰队融合发展

2018年6月8日,FCC批准O3b利用26颗新增卫星在美销售卫星连通服务的请求。新获授权将使O3b公司能够运营共计42颗中轨卫星。这些新增卫星将会兼用倾斜和赤道轨道,把O3b星座覆盖范围从目前的南北纬50度之间扩展到地球两极,成为一个全球性系统。

系统规模

O3b第一代卫星均运行在相同的轨道面上,即8060×8072km高度、0.03°倾角的赤道上空MEO轨道。轨道周期为287.92分钟,主要覆盖地面南北纬45°之间的区域。整个星座并未对卫星数量进行限制,一般采取8颗星一组的模式,可以按需增加卫星数量,实现在轨容量扩展。

O3b第一代星座系统将地面分为7个区域,每个区域10个用户波束,由12颗星构成的卫星星座总用户波束数为70。


O3b星座示意图

O3b星座采用的MEO轨道虽然不是同步轨道无法做到相对地面的静止,动态性相较于LEO系统却要低很多,因此可以避免过于复杂的系统与频繁的切换。O3b的卫星也通过相对简单的卫星设计,降低了卫星的成本,却可以提供超过1Gbps的连接速率。

O3b星座无星间链路,因此实时通信要求在全球多个地点布设地面站。目前,O3b系统已经在全球9个地点部署了地面信关站,分别是夏威夷,美国西南部、秘鲁、巴西、葡萄牙、希腊、中东、澳大利亚西部、澳大利亚东南部。测控站与部分信关站重叠,例如,美国本土、澳大利亚、希腊、秘鲁等地的信关站与测控站是合二为一的。地面信关站和测控站分布详见“发展历程”章节中的“O3b卫星系统地面覆盖范围图”。

O3b星座系统的业务应用涉及骨干网、地面移动网干线、能源、海事和政府通信等几大领域,系统分别针对不同的应用领域提供不同的速率和服务。例如,针对政府通信可以提供保密线路;针对地面移动网干线可以提供基站间通信业务;在能源领域可以利用其低时延特性实现一些实时性要求较高的音视频通信等业务,也可以提供大量带宽用于远程资产监控,还能改善边远及海上油气田工作人员的业余生活;海事应用主要针对游轮用户,可以为旅客提供近似于陆地宽带的用户体验,流畅运行各种社交软件、视频通信软件。

卫星设计

第一代卫星由TAS公司研制,采用“寿命延长平台”(ELiTe),单星发射质量约700kg,功率1575W、设计寿命约10年。ELiTe平台是TAS公司面向中低轨小型卫星星座推出的主打平台,广泛应用于全球星第二代、铱星下一代等卫星星座,据报道,基于该平台研制的低轨卫星的数量超过110颗。


O3b卫星在轨飞行示意图

在平台方面,电源分系统采用三结砷化镓太阳能电池和100Ah锂离子蓄电池;结构机构分系统采用铝管作为支撑结构、铝制蜂窝板作为面板;推进分系统采用肼作为燃料,贮箱容量154kg,配备8个1N推力器。在有效载荷方面,卫星采用弯管式透明转发体制,工作在Ka频段,上行频段范围为27.6~28.4GHz和28.6~29.1GHz,下行频段范围为17.8~18.6GHz和18.8~19.3GHz。

星上设置12个65W行波管放大器,工作带宽216MHz,对地面配备12副指向可控的蝶形天线,每副天线形成一个点波束,共计12个点波束,其中10个波束为用户波束,另外2个波束为信关站波束,每副天线的指向范围为±26°,跟踪地面固定位置,波束覆盖直径为700公里,可覆盖南北纬45度以内的地球表面。每副天线采用圆极化方式,通过极化复用方式(左旋圆极化和右旋圆极化)实现工作频带2×216MHz,信息速率高达2×800Mb/s。O3b星座系统的端到端时延约为150ms,当在链路上采用TCP/IP协议传输信息时,单条TCP连接的速度可以达到2.1Mb/s。

目前,O3b公司正在积极推广海事卫星通信服务,美国皇家加勒比游轮公司旗下的海上绿洲号和海上诱惑号已经安装了O3b的卫星通信终端,系统测试最高单艘游轮的速率达到700Mbit/s,时延仅为140ms左右,实现了其所宣称的“光纤的速度、卫星的覆盖”。


传输速率(上图)和时延(下图)实测结果

频谱规划

O3b公司为第一代星座申请的频率资源为上行链路27.6~28.4GHz和28.6~29.1GHz,下行链路17.8~18.6GHz和18.8~19.3GHz,数据通信与测控采用同一频段。为了充分利用频谱资源,实现最大的系统容量,每一段频率都进行了频率复用。


O3b卫星使用的频率规划

地面终端

O3b定位于骨干节点之间的高速传输,服务的用户相对有限。作为宽带通信卫星星座,其终端为典型的、成熟的VSAT终端,可以安装在舰船和固定建筑物上。下面以海事终端为例介绍其终端的相关指标。

O3bMaritime采用了先进的自稳定跟踪天线、高速模型等技术,为游轮和超级游艇提供高速通信服务。O3b公司提供端到端的管理式服务,包括信关站设备、船载设备、站址勘察、安装和部署等等。此外,O3b公司的合作伙伴还可提供全天时、全天候的监控和维护服务。


O3b舰载设备体系示意图

O3b针对海事市场专门推出了波束跟踪服务,在船舶正常的航行路线内,O3b卫星自动保持跟踪,并保证船舶位于波束的中心。平均每隔两小时,船舶向O3b星座报告其精度和纬度的更新数据。如果船舶临时改变航线,跟踪的波束也适时进行改变。

针对海事通信,O3b有1.2m和2.2m两种口径VSAT终端,可实现前向350Mbit/s、返向150Mbit/s的标称速率。由ORBIT公司制造的OceanTRx 7-500终端的2.2m天线主要指标如下。

O3b系统典型VSAT终端指标


业务应用

目前,O3b公司计划利用已有的16颗MEO卫星提供南北纬50°的宽带覆盖。

公司下设五大业务品牌:

✔ O3bTrunck,为地面电信运营商提供干线传输服务;

✔ O3bCell,为地面无线网络运营商提供蜂窝网数据回程传输服务;

✔ O3bEnergy,面向石油和天然气企业提供离岸平台的通信服务;

✔ O3bMaritime,面向传统海事市场用户提供宽带连接;

✔ O3bGoverment,面向美国国防部、国防信息系统局,以及美国的盟国政府机构和非政府机构提供宽带服务。


O3b系统服务与应用

后续建设

后续22颗O3b星座第二代卫星包括12颗O3bN卫星(与赤道平面保持零度倾角)和10颗O3bI卫星(与赤道平面保持70度倾角)。第二代卫星将采用更先进的卫星平台技术,如使用全电推进技术;每颗卫星发射重量预计约1200kg,比第一代卫星重500kg;卫星轨道高度不变,但将新引入倾斜轨道,以实现近乎全球覆盖。

O3bN卫星将运行于赤道平面轨道,轨道高度8062公里,使用Ka和V频段,使每颗卫星的容量是第一代卫星的10倍以上,具有提供卫星宽带通信的能力,支持海上、航空、移动回传、IP干线和混合IP通信。用户终端将位于北纬63度到南纬63度之间,通常由具有最佳视角(仰角)的活跃卫星提供服务。

O3bI卫星运行于轨道高度亦为8062公里、倾斜角度为70度的两个圆形轨道面上,升交点赤经为0到180度。O3bI卫星将在每24小时中至少有75%的时间覆盖北纬70度到南纬55度间地区,还将连续覆盖美国50个州、波多黎各以及美属维京群岛。未来将在较高纬度安装额外的网关设施,以支持纬度更高地区的用户。与O3bN卫星类似,O3bI卫星也能提供宽带通信能力,支持海上、航空、移动回传、IP干线和混合IP通信。

O3b第二代卫星的卫星控制中心位于卢森堡的贝茨多夫,备用设施位于美国弗吉尼亚州的马纳萨斯。网络运行控制中心位于马纳萨斯,其备用设施位于贝茨多夫。这些控制中心和遥测、跟踪和指挥(TT&C)地面站使用租用的地面线路或安全的Internet虚拟专网连接。

在卫星有效载荷方面,O3b第二代卫星具有灵活的波束形成能力,可实时实现每颗卫星超过4000个波束的形成、调整、路由和切换,以适应任何地方的带宽需要,性能将比第一代卫星明显提高。

其中,O3bN卫星将使用V频段,上行频率为47.5~50.2GHz和50.4~51.4GHz,下行频率为37.5~42.5GHz,如下图所示为O3bN在V频段的频率规划。所有任务阶段中,TT&C操作将在Ka频段中完成。由于O3bN卫星使用数字信道化器,信道带宽在RHCP和LHCP时从卫星到地面方向在37.5~42.5GHz间变化,从地面到卫星方向在47.2~50.2GHz以及50.4~51.4GHz间变化。


O3bN卫星V频段的频率规划

其它信息

(1)O3b系统切换过程

O3b系统采用双天线系统来实现用户终端在不同波束和不同卫星之间的切换,即先连接后断开的方式,具体流程如下图所示。


O3b卫星切换机制

(2)规避对GEO卫星系统产生影响

为了避免对GEO系统产生影响,O3b系统也采取了主动的波束避让。从而最大程度的实现对现有和未来频段资源的使用。


O3b卫星采用的主动波束避让机制示意图