Telesat、OneWeb及SpaceX三个全球宽带低轨卫星星座系统的技术对比
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作者 | Inigo del Portilloa,*, Bruce G. Cameronb, Edward F. Crawleyc
编译 | 刘帅军 胡月梅（中科院软件所）
本文原载于《卫星与网络》杂志2019年7月刊
原文《A Technical Comparison of Three Low Earth Orbit Satellite Constellation Systems to Provide Global Broadband》发表于2018年10月
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近年来，从太空提供互联网接入的想法又卷土重来。在20世纪90年代提出的项目遭遇挫折后，经过近20年相对平静的时期，在2014年至2016年期间出现了一股新的发展浪潮，即大型低地球轨道（Low Earth Orbit, LEO）卫星星座提供全球宽带接入。
与上一代系统相比，这些系统的主要区别在于更为先进的数字通信有效载荷、高级调制方案、多波束天线和更复杂的频率复用方案，这些因素都使得系统性能获得了极大提升，同时也降低了各载荷制造与发射成本。
本文比较了三个代表性大型低轨卫星星座，即4425颗卫星且使用Ku-Ka波段的SpaceX卫星系统、720颗卫星且使用Ku-Ka波段的OneWeb系统和117颗卫星且使用Ka波段的Telesat卫星系统。
首先，本文依据2018年9月提交至FCC的文件对每个星座的系统架构进行介绍，并强调了这三个系统之间的相似性和差异性。
然后，本文设计了一种统计方法来估计总系统吞吐量（可销售容量），同时考虑了空间段的轨道动力学、用户链路及馈线链路大气条件引起的性能变化。考虑到地面站的位置和数量在确定系统总吞吐量中起着重要作用，并且由于地面段的部署在FCC中没有给出具体描述，因此我们设计了一个地面段部署优化方案，以最小化支持系统吞吐量所需的地面站总数。
最后，在结论部分进一步分析了三个系统在投入使用之前必须克服的一些主要技术挑战。
在过去的几年里，利用大型低轨卫星星座从太空提供互联网的想法重新流行起来。尽管在90年代的十年中提出的项目遭遇挫折，但在2014年至2016年间出现了一批新的提议，即大型LEO卫星星座提供全球宽带。共有11家公司向联邦通信委员会（FCC）申请在非地球静止卫星轨道（NGSO）部署大型星座，作为提供宽带服务的手段。这些新设计星座规模差异较大，从挪威航天局提出的2颗到SpaceX提出的4425颗。由于这些星座中有大量的卫星，因此创造了“巨型星座（mega-constellations）”这个名称来指代这些新提案。
与90年代的星座相比，这些巨型星座的主要区别在于，使用数字通信有效载荷、高级调制方案、多波束天近年来，从太空提供互联网接入的想法又卷土重来。在20世纪90年代提出的项目遭遇挫折后，经过近20年相对平静的时期，在2014年至2016年期间出现了一股新的发展浪潮，即大型低地球轨道（Low Earth Orbit, LEO）卫星星座提供全球宽带接入。与上一代系统相比，这些系统的主要区别在于更为先进的数字通信有效载荷、高级调制方案、多波束天线和更复杂的频率复用方案，这些因素都使得系统性能获得了极大提升，同时也降低了各载荷制造与发射成本。
本文比较了三个代表性大型低轨卫星星座，即4425颗卫星且使用Ku-Ka波段的SpaceX卫星系统、720颗卫星且使用Ku-Ka波段的OneWeb系统和117颗卫星且使用Ka波段的Telesat卫星系统。首先，本文依据2018年9月提交至FCC的文件对每个星座的系统架构进行介绍，并强调了这三个系统之间的相似性和差异性。然后，本文设计了一种统计方法来估计总系统吞吐量（可销售容量），同时考虑了空间段的轨道动力学、用户链路及馈线链路大气条件引起的性能变化。考虑到地面站的位置和数量在确定系统总吞吐量中起着重要作用，并且由于地面段的部署在FCC中没有给出具体描述，因此我们设计了一个地面段部署优化方案，以最小化支持系统吞吐量所需的地面站总数。最后，在结论部分进一步分析了三个系统在投入使用之前必须克服的一些主要技术挑战。
Telesat、OneWeb及SpaceX三个全球宽带低轨卫星星座系统的技术对比线和更复杂的频率复用方案，这些因素都使得系统性能获得了极大提升，同时也降低了各载荷制造与发射成本。在进一步降低成本和增加技术能力方面，扩大对广播数据的需求，以及对移动（航空、海事）市场增长的预测，为这些系统的发展提供了主要的动力。
在联邦通信委员会登记的11个提案中，有3个处于更为高级的发展阶段，即计划在未来3年内完成发射：OneWeb、SpaceX和Telesat。
本文回顾了这些巨型星座的系统架构，如其各自在FCC的文件（截至2018年9月）所述，并强调了这三个系统之间的相似性和差异。然后，我们使用一个新的统计框架来估计系统的总吞吐量，该框架考虑了空间段的轨道动力学、用户和馈线链路的大气条件引起的性能变化以及对可售容量的合理限制。
上世纪90年代，由于对蜂窝和个人通信服务的需求不断增加，以及互联网的普遍使用，业界首次提出了利用大型低轨卫星星座提供全球连接。
在提议的LEO系统中，有些甚至在发射前就被取消了（例如，Teledesic、Celestri、Skybridge） [1] ，而另一些则在运营开始后不久申请破产保护（例如，铱星、全球星、奥博通） [2] 。在相关已发表的多份技术报告（主要由星座设计者撰写）中，概述了每一个拟发射卫星星座系统的架构，如：Sturza [3] 描述了最初的Teledesic卫星系统（924颗卫星星座）的技术信息；Patterson [4] 分析了进一步缩小规模后的系统，即288颗卫星系统；Leopold在研究成果 [5-6] 中对铱星系统进行了全面的描述，而Wiedeman在研究成果 [7] 中对全球星的星座进行了分析。
通过比较方法，Comparetto [8] 对全球星、铱星和Odyssey系统进行了介绍，重点分析了各提案的系统架构、手机设计和成本结构。Dumont [9] 研究了这三个系统从1991年到1994年所经历的变化。Evans [10] 分析了不同轨道上个人通信的不同卫星系统（GEO、MEO和LEO），随后比较了LEO中Ka波段 [11] 和Ku波段 [12] 系统的不同提案。这些参考文献中遵循的方法在本质上大多是描述性的，提供了对各种LEO系统的体系结构的概述。另一方面，Shaw [13] 定量比较了Cyberstar、Spaceway和Celestri方案的能力，评估了诸如容量、信号完整性、可用性和每计费T1/分钟的成本等变量。
与新的LEO提案相关的研究很少，主要集中在分析碎片和撞击概率[14、15] ，以及比较LEO和GEO系统应用于海上服务和航空用户 [16] 。特别是，Le May [14] 研究了在当前LEO碎片环境中运行的SpaceX和OneWeb卫星的碰撞概率，而Foreman [15] 在分析了卫星与空间碎片之间的碰撞次数后，提出了几个解决轨道碎片问题的政策建议。最后，McLain [16] 将上述两个系统与多颗地球静止、吞吐量非常高的卫星进行了比较，得出结论，后者为航空和海事工业提供了一条更简单、风险更低、更经济的途径。
本文采用与Evans [10] 相似的方法，对OneWeb、Telesat和SpaceX的方案进行了比较。我们首先描述每个系统，然后对星座的其他方面进行比较分析。本文的后半部分主要是评估三个系统的性能（根据系统总吞吐量和地面部分的需求）。
本文研究目标为如下两方面：
（1）在OneWeb，Telesat和SpaceX星座的一致和可比较的基础上展示系统架构，同时对它们进行技术比较；
（2）使用统计方法估算每个提案的地面部分的总系统吞吐量和要求，该统计方法考虑空间部分的轨道动态和大气条件对用户和馈线链路引起的性能变化。
本文的结构如下：第2节讨论了Telesat，OneWeb和SpaceX构思的三个系统的不同系统架构；第3节介绍了估算总系统容量和推导地面部分要求的方法；第4节介绍了每个巨型星座所需的总系统吞吐量，及所需的关口站数量、地面站位置数量等；第5节确定了我们认为这些系统在投入运营之前仍需克服的主要技术挑战；第6节对本文进行了总结。
本节比较了Telesat，OneWeb和SpaceX的系统，如其截至2018年9月的FCC文件和新闻稿中所述。
Telesat的Ka波段星座 [17] 由不少于117颗卫星组成，卫星分布在两组轨道面上：（1）第一组轨道面为极轨道，由6个轨道面组成，轨道倾角99.5度，高度1000km，每个平面至少12颗卫星；（2）第二组轨道面为倾斜轨道，由不少于5个轨道面组成，轨道倾角37.4度，高度1200km，每个平面至少有10颗卫星。就功能上而言，第一组极轨道提供了全球覆盖，第二组倾斜轨道更关注全球大部分人口集中区域覆盖。图1描绘了Telesat的星座，极轨道和倾斜轨道中卫星的视场（Fields of Regard, FoR）分别用红色和蓝色表示，用户的最小仰角为20度。
图1 Telesat系统的星座模式。蓝色对应于倾斜的轨道，红色对应于极地轨道。
同一轨道组内的同一平面内或相邻平面内，及在两个轨道组间的相邻卫星，都将通过激光卫星间链路（Inter-Satellite Link, ISL）进行通信。由于使用星间链路，用户将能够从世界上任何地方连接到系统，即使用户和关口站不在同一卫星的视线内。
每颗卫星将作为IP网络的节点，并将携带具有直接辐射阵列（Direct Radiating Array, DRA）的高级数字通信有效载荷。有效载荷将包括具有解调、路由和重新调制功能的星上处理模块，从而解耦上下行链路，这代表了当前弯管架构的重要创新。DRA将能够在上行链路方向上形成至少16个波束，并且在下行链路方向上形成至少另外16个波束，并且将具有波束成形（beam-forming）和波束调形（beam-shaping）功能，其功率、带宽、大小和视轴动态地分配给每个波束以最大限度地提高性能并最大限度地减少对GSO和NGSO卫星的干扰。此外，每个卫星将具有2个可调向的关口站天线，以及用于信令的宽视场接收器波束。
该系统设计有多个分布在世界各地的关口站，每个关口站配备多个3.5米天线。渥太华的控制中心将监测、协调和控制资源分配过程，以及无线电信道的规划、安排和维护。
Telesat的星座将在Ka频段（17.8-20.2GHz）的较低频谱中使用1.8GHz的带宽用于下行链路，而在上Ka频段（27.5-30.0GHz）的带宽为2.1GHz用于上行链路。
OneWeb的Ku + Ka波段星座 [18] 包括在18个圆形轨道平面上的720颗卫星，轨道高度1200km，轨道倾角87度。图2显示了OneWeb系统的星座模式。
图2 OneWeb星座模式
每颗卫星都有一个弯管有效载荷，有16个相同的、不可调整的、高椭圆形的用户波束。这些波束的足迹保证了任何用户都在至少一个仰角大于55度的卫星的视线范围内。此外，每颗卫星将有两个万向可调向的关口站天线，其中一个将是主动的，而另一个将充当备用和切换天线。每个用户波束将具有Ku波段中的单个信道，其将被映射到Ka波段中的信道。返回方向上的信道将具有125MHz的带宽，而前向方向上的信道将具有250MHz的带宽。
OneWeb的系统使用Ku波段进行用户通信，使用Ka波段进行关口站通信。具体地，10.7-12.7和12.75-14.5GHz频带将分别用于用户下行链路和用户上行链路，而17.8-20.2GHz和27.5-30.0GHz频带将分别用于馈线下行链路和馈线上行链路。
地面段方面预计需要50个或更多的关口站，每个关口站最多配备10个口径2.4米的天线。在用户侧，OneWeb的系统支持使用30-75厘米抛物面天线、相控阵天线和其他电调向天线。由于卫星不使用卫星间链路，只能在用户和地面站同时位于卫星视线（LOS）范围内的区域提供服务。
SpaceX的Ku + Ka波段星座 [19] 包含4,425颗卫星，分布在几组轨道上。核心星座由1,600颗卫星组成，这些卫星均匀分布在高度1150km的32个轨道平面上，倾角为53度（图3中蓝色标识）。其他2,825颗卫星将进行辅助部署，将按如下方式部署：
●32个轨道面，每面50颗卫星，1110公里，倾角53.8度（橙色）；
●8个轨道面，每面50颗卫星，1130公里，倾斜度为74度（洋红色）；
●5个轨道面，每面75颗卫星，1275公里，倾角为81度（黑色）；
●6个轨道面，每面75颗卫星，1325公里，倾斜度为70度（黄色）。
图3 SpaceX系统的星座模式。不同的轨道组用不同的颜色表示
图3描绘了SpaceX的巨型星座的星座模式。每颗卫星都将携带一个包含相控阵的高级数字有效载荷，这将允许每个波束单独转向和成形。用户终端的最小仰角是40°，而每个卫星的总吞吐量预计为17-23Gbps，这取决于用户终端的特性。此外，卫星还将具有激光卫星间链路，以确保持续通信，提供海上服务，并减轻干扰的影响。
地面部分将由3种不同类型的组件组成：跟踪、遥测和指令（Tracking Telemetry and Commands, TT＆C）站，关口站天线和用户终端。一方面，TT＆C站的数量稀少，分布在世界各地，其天线的直径为5米。另一方面，关口站和用户终端都将基于相位阵列技术。SpaceX计划拥有大量的关口站天线，分布在世界各地，与互联网对等点接近或共存。
SpaceX系统将使用Ku波段进行用户链路，Ka波段用于馈线链路。具体而言，10.7-12.7 GHz和14.0-14.5 GHz频段将分别用于用户下行链路和用户上行链路，而17.8-19.3 GHz和27.5-30.0 GHz频段将用于馈线下行链路和馈线上行链路。
本节比较了以上三个卫星星座系统，进一步扩展了前述内容，并分析了前文系统描述中未涉及的方面。
如表1所示，所有三个系统共同使用具有相似半径的圆形轨道，所有这些系统都工作在1000-1350km轨道高度范围内。OneWeb使用传统的极轨道星座配置来提供全球覆盖，而SpaceX和Telesat都使用多轨道组合配置，通过极轨道卫星提供全球覆盖，而将一些卫星放置在倾斜的轨道上实现地球上人口密度较大区域的有效覆盖。
表1 OneWeb、SpaceX及Telesat三个低轨星座的轨道参数表
这些轨道位置的差异，加上星群中的卫星总数在不同的竞争系统中有很大的差异，导致给定位置的视距（Line Of Sight, LOS）内卫星平均数存在很大的差异。与SpaceX和OneWeb系统（分别支持终端仰角为40度和55度）相比，卫星数量最少的Telesat系统将以较低的仰角（20度）运行。这种较低的仰角可能导致更频繁的连接阻塞（由于树叶、建筑物阻塞）和连接中断（由于较高的大气衰减）。图4显示了不同纬度值下LOS内卫星的平均数量（考虑到FCC文件中报告的最小仰角）。
图4 可视卫星数量随纬度的变化
尽管Telesat星座中的卫星数量明显小于OneWeb中的卫星数量，但LoS内的卫星数量在正负60度纬度范围内较高，而该区域正是大多数人口密集的区域。这种情况的原因在于，Telesat的最小仰角小于OneWeb（20度相比于55度）。此外，值得注意的是，当部署完整的SpaceX系统时，地球上人口最多的地区的LOS内将有20多颗卫星（位于南北极区附近）。
图5显示了不同系统的频率分配。对于每个系统和频段，直线上面的部分代表右旋圆极化（Right HandedCircular Polarization, RHCP），直线下面的部分代表左旋圆极化（Left Handed Circular Polarization, LHCP）。表2比较了每个波束的波束数、每波束带宽、每类链路分配的总带宽和频率复用因子。每个卫星的总带宽计算方式为每波束的带宽乘以频率复用因子，该频率复用因子是根据每颗卫星报告的总数据速率估算的。
图5 三个低轨星座工作频率对比
表2 三个低轨星座各链路带宽比较
一方面，SpaceX和OneWeb都使用Ku频段作为其卫星到用户链路（上行链路和下行链路），而卫星到地面站则在Ka波段下行和上行链路中进行频谱分配。OneWeb对用户下行链路使用RHCP极化，对用户上行链路使用LHCP；SpaceX对上行链路和下行链路使用RHCP，而LHCP用于遥测数据。此外，两个系统都使用Ka频段作为其馈线链路：OneWeb在RHCP和LHCP中使用155MHz下行链路信道和250MHz上行链路信道；SpaceX使用250MHz下行链路信道和500 MHz上行链路信道，同样适用于RHCP和LHCP。
另一方面，Telesat的系统仅使用Ka波段频谱，因此卫星到用户和卫星到关口站的通信需要共享同一频段。鉴于其数字有效载荷的灵活性，Telesat的系统能够为用户和关口站波束动态分配功率和带宽，以减轻干扰。
OneWeb的系统具有弯管架构，其中16个用户下行链路信道都会映射到Ka频段馈线上行链路信道，反之亦然，用于返回链路上的映射。但是，SpaceX和Telesat的系统架构允许星上解调、路由和再调制，从而有效地解耦用户链路和馈线链路。这允许它们：a）在上行链路和下行链路信道中使用不同的频谱效率，最大化卫星的总容量；b）为用户波束动态地分配资源；c）通过选择所使用的频带来减轻干扰。由于这种解耦合，我们估计两个系统的馈线链路都可以达到接近5.5bps/Hz的频谱效率，这也就意味着SpaceX用户链路频率重复使用4-5次，Telesat用户波束重复使用4次。
鉴于每个系统上的卫星有效载荷的差异性，每颗卫星上的波束在能力、形状和覆盖面积等方面也存在显着差异。表3包含所有三个系统的波束特性的总结。
表3 三个低轨星座的波束特性比较
SpaceX和Telesat都具有可单独成形和可控制的波束，而OneWeb仅具有固定波束。SpaceX和Telesat使用圆形波束，而OneWeb的系统使用高椭圆波束。图6-a）包含对视场FoR的比较，而图6-b）显示了每个系统的波束的-3dB足迹轮廓。注意每个卫星和波束所覆盖区域的差异：OneWeb的每个波束都覆盖了近75000平方公里的地球区域，SpaceX的波束覆盖面积约为2800平方公里，而Telesat可成形波束的覆盖面积在960平方公里（图6-b中的Telesat min）和246000平方公里（图6-b中的Telesat max）之间调整。
图6 a）为三个低轨星座运行至西班牙上空时的卫星视场；b）为三个低轨星座在纽约上空的单个波束足迹
表4总结了OneWeb和SpaceX的巨型星座的发射特性，包括每次发射的卫星数量和所需发射的总次数。在撰写本文时，Telesat尚未发布有关其发射提供商和卫星特征的公开信息，因此未包含有关其系统的信息。
表4 OneWeb与SpaceX低轨星座系统发射特性
OneWeb计划通过与阿里安（使用21个联盟号火箭发射）和维珍银河（所开发设计的LauncherOne火箭）的合同部署其卫星。每个联盟号火箭将携带34至36颗卫星（取决于火箭目的地和发射场），与阿里安的合同还包括另外5次联盟号发射和3次额外的阿里安-6发射。此外，截至2018年3月，OneWeb向联邦通信委员会提交了一份新的请愿书，通过增加1260颗卫星扩展其星座，共计1980颗星的卫星星座。这种扩展将使轨道面数量增加一倍（从18轨道面增加到36轨道面），并将每面卫星数从40增加到55 [20] 。
SpaceX将使用他们自己的运载火箭（猎鹰9或猎鹰重型）发射他们的卫星。SpaceX计划利用两阶段部署，最初部署1,600颗卫星（系统在首批800颗卫星发射后开始运行），以及稍后部署2,825颗剩余卫星。初始部署将允许SpaceX提供南北纬60度纬度范围内的服务，一旦最终部署启动，将提供全球覆盖。
最后，在最近的新闻稿中 ，Telesat透露，根据业务结果，他们正在考虑通过分阶段部署扩展其星座，这将使卫星总数逐步从192增加到292，直至最终的512。除了他们的Ku-Ka频段系统外，这三家公司都提交了申请，要求在Q/V频段发射更大的星座，将LEO和MEO中的卫星结合起来。这些Q/V波段星座的描述和分析不在本文的讨论范围内。
关于融资和卫星制造方面，三家公司采取了不同的方法。
OneWeb创建了一个合作伙伴关系，其中高通公司（20.17%）、软银（19.98%）和空客（13.34%）拥有该公司的大量股份 [21] ，每个合作伙伴都在系统设计中发挥着特定的作用。例如，空客负责制造卫星，高通公司将提供OneWeb用户基站，休斯网络系统将提供关口站设备。在融资方面，OneWeb在最初的融资轮中从战略合作伙伴那里筹集了5亿美元，软银在私募股权轮中进一步投资了15亿美元[22] 。
SpaceX正在采用内部制造策略，其中大部分卫星总线都是在内部开发的，集成、组装和测试任务也将在SpaceX的设施中进行。尽管SpaceX没有提供有关其星座融资前景的信息，但最近一轮10亿美元的融资，投资者包括谷歌和富达 [23] 。
最后，Telesat的大部分系统设计和制造将外包给不同的公司。尽管他们的卫星制造商尚未确定，但他们已与Thales-Maxar和空客达成合同，以进一步开发系统设计并提交坚定的建议，而Global Eagle和GeneralDynamics Mission Systems将负责开发他们的用户终端。在融资方面，Telesat在他们的FCC申请中表示他们愿意投资“他们自己的”重要财务资源，并建议他们将诉诸资本市场以获得额外资金。
本节介绍了我们用来描述地面部分需求和评估系统性能的方法。图7显示了开发的模型（灰色阴影、圆角框）和所需输入（白色框）的概述。评估系统总吞吐量（可销售容量）的方法包括两个步骤。首先，利用遗传算法计算了馈线关口站的位置和数量。第二，地面部分的位置与大气模型、链路预算模型和轨道动力学模型相结合，以统计确定系统的总吞吐量。
图7 确定地面段位置和估计系统总吞吐量的方法
本节的其余部分专门描述这些模型和输入：第3.1节介绍所用的大气模型；第3.2节介绍链路预算假设和参数；第3.3节介绍所用的需求模型；第3.4节介绍用于优化地面段的方法；最后，第3.5节介绍用于统计估计系统总吞吐量的方法。
大气衰减是影响通信链路性能的主要外部因素。在Ka频段，大气衰减会导致链路容量降低，有时甚至直接导致链路中断。为了解决链路数据在任何时间点的衰减和最大化，通常采用自适应编码和调制策略。换句话说，调制和编码方案（Modulation andCoding, ModCod）是动态选择的，以最大限度地提高既定天气条件下的频谱效率。
在本研究中，我们按照ITU-RP.618-13建议书 [25] 中提出的指南（考虑了气体/云等），实施了 [24] 国际电信联盟（ITU）模型，用于倾斜路径链路的大气衰减、对流层闪烁和雨水损害。这些建议提供了考虑每个上述事件所导致的衰减贡献值，及超过这些值的时间百分比（即大气衰减累积分布函数，CDF）。特别是ITU-R P.676-11和ITU-R P.840-7建议分别用于计算气体和云衰减，而建议书ITU-R P.837-6、ITU-R P .838-3和ITU-R P.839-4给出的图分别用于估算降雨率、降雨特定衰减和降雨高度。例如，图8显示了波士顿不同频段的总大气衰减。
图 8 不同频段下波士顿区域气衰CDF曲线（横坐标左侧为对数坐标系）
链路预算模块与大气模型相结合，计算不同大气条件下上下行链路的可达数据速率。我们针对链路预算的代码实现是参数化的，旨在快速计算地面站和运行条件的每种组合的最佳ModCod方案。此外，它还设计用于处理弯管结构（上下行之间发生频率转换）和再生结构（上下行链路使用不同的ModCod方案）。
对于性能评估模型，考虑采用2014年开发的扩展第二代通过卫星提供数字视频广播（Digital VideoBroadcasting via Satellite 2nd Extended,DVB-S2X） [26] 中规定的调制编码方案，因为它是广播、宽带卫星通信和交互服务的主要标准。该标准定义了帧结构、信道编码和一系列调制方案。具体来说，包括60多个ModCod，调制范围从BPSK到256-APSK，编码率从1/4到9/10。参考DVB-S2X实施指南的建议，我们假设帧错误率（Frame Error Ratio, FER）为10E-7。此外，我们假设固态高功率放大器（High Power Amplifier, HPA）的输出回退等于ModCod的峰均比（给定为99.9％百分比功率与平均功率之间的比率），以避免饱和失真。
链路预算中的其余参数包括发射器和接收器天线的直径、效率和噪声温度，以及RF链上不同损耗和载波干扰值。我们从提交给FCC的每个申请中详细列出的链路预算示例中提取这些参数的值。表5和表6包含每个系统前向的馈线链路和用户链路预算示例。
表5 所考虑的三个系统的关口站上行链路（上Ka波段）的波束链路预算，考虑不同的范围和仰角，可用的大气衰减值为99.5％；
表6 针对所考虑的三个系统在用户下行链路波束的覆盖边缘处计算的波束链路预算，大气衰减值可用率为99％。
为了得到系统总吞吐量的实际估计值，我们开发了一个需求模型，该模型为给定轨道位置的任何卫星提供了最大可销售容量的上限。需求模型的重点关注为终端用户服务及为基站等设施提供回程服务，以扩展现有网络（如蜂窝网络的手机服务），而非满足其他市场（如军事、飞行、海上、离岸连接等）的需求。这一决定是经过深思熟虑的，因为目前大多数LEO星座方案都强调为最终用户提供全球带宽接入。
需求模型生成过程如下所述。
对于给定的轨道高度，我们生成了一个网格化地图（纬度和经度分辨率为0.1度*0.1度），用于确定位于特定轨道位置的卫星波束所覆盖的人数，使用网格化人口世界第四版数据集（Gridded Population of the World v4, GPWv4），根据人口普查数据估算2020年人口数量超过30弧-秒的分辨率网格 [27] 。我们还考虑了每颗卫星工作的最小仰角限制。此外，我们假设一个地区的用户均匀分布在他们的LOS内的所有卫星上。
为了计算需求的数据速率值（以Gbps为单位），我们假设任何卫星将在网格的每个小区占据最多10%的市场，并且每个用户请求的平均数据速率为300kbps（每月约100GB）。最后，需求的上限是每颗卫星的最大数据速率（
，见4.2节），如公式1所示。（其中，是地面位置LOS内的卫星数量）。
（1）
图9显示了OneWeb星座的需求数据速率。需求较高的区域以鲜明的色调显示，而需求较低的区域以较暗的色调显示，而需求为零的区域不着色。
图 9 不同轨道位置的卫星业务量需求
使用与 [28] 中所述程序相似的程序确定地面站位置。我们执行一个优化程序，以最大化以下目标函数
（2）
同时尽量减少所需的地面站数量。在式2，cov95和cov99分别代表地面站在大气条件下覆盖的轨道位置百分比，分别小于且小于1％。我们假设地面站与卫星通信的最小仰角是10度。
在数学上 ，这个优化问题可以被看作是一个向下选择的问题，我们需要选择性能最好的N个地面站。我们考虑在全球范围内分布160个不同地点的搜索池，搜索空间为2168 ~3.8×1049 ，考虑到计算空间太大而无法进行全面的枚举和评估。因此，需要使用优化算法。
鉴于其结构，遗传算法非常适合解决下选问题 [29] 。我们采用了非支配排序遗传算法（Non-dominated SortingGenetic Algorithm-II, NSGA-II） [30] ，一种高效的多目标遗传算法，其工作原理如下：
①生成NPOP架构的随机总体（使用地面站的随机子集填充）
②评估每个目标函数o（等式2）的值。
③选择N/2体系结构，它们是下一代群体的“父代”，遵循以下标准：a）帕累托排名较低的架构是首先选择；b）在具有类似帕累托的架构中排名，那些拥挤距离较低的人首先选择。
④在N/2上应用交叉遗传算子父架构。交叉运算符将两个父代作为输入，并生成两个子代。每个父站中存在的每个地面站都被分配给一个概率相等的子站（即，我们在每个父站的地面站上使用统一的交叉）。总的来说，N/2后代是由N/2父母产生的。
⑤将突变遗传算子应用于N/2父结构和N/2子结构。突变将一个地面站从概率预移的架构中移除，并添加一个新的概率PADD地面站。变异算子与概率PMUT相结合。
⑥重复步骤2-5，直到满足终止标准（即计算的最大生成数NGEN，帕累托前端没有新的架构）。
此外，我们利用问题的地理结构来加速优化算法的收敛。考虑到一个地区地面站的选择对另一个地区地面站的选择影响较小，我们将优化分为两个阶段。首先，在阶段A中，我们使用上述NSGA-II算法（NPOP=200，NGEN=200）确定所考虑的6个区域（非洲、亚洲、欧洲、北美、大洋洲和南美）的最佳地面段结构。第二，在阶段B中，我们将NSGA-II算法应用于全局，但我们不生成随机总体（步骤1），而是使用阶段A中基于区域优化的帕累托前端架构作为初始总体的生成组件。换言之，从A阶段的每个区域中选择一个帕累托最优地面段结构来生成B阶段的地面段结构。这个新的总体用作B阶段NSGA-II算法的初始总体（NPOP=200，NGEN=80）。
为了评估系统吞吐量，我们开发了一个计算模型，为每个巨型星座提供最大可销售容量的上限。之所以需要开发基于统计模型的吞吐量评估方法，原因在于：1）每个卫星服务水平内的用户数和关口站数随时间变化，以及2）引入不同衰减下大气条件，也就是说，不同的数据速率本质上也是随机的。
确定系统总吞吐量的过程如下。
首先，选择以60秒的时间步长，分析卫星星座任意卫星在一天内的轨道运行数据。然后，对于每个轨道配置，我们为每个地面站抽取10000个大气衰减样本，假设大气衰减样本在统计上独立，并根据用大气模型计算的概率分布曲线分布（例如波士顿，不同频率的CDF如图8所示。）然后，将这些样本用作链路预算模块的输入，以估计每个地面站的可实现链路数据速率。最后，根据卫星是否有卫星间链路ISL，分别确定两种不同的方式下系统总吞吐量。
如果星群没有卫星间链路，则根据等式3计算每个卫星（ THsat ）的吞吐量，其中 dsat 是用户需求，且
表示N个最佳地面站的数据速率 Rb 之和。这是针对每个轨道位置和一组大气条件进行的，产生了1440万个样本。通过增加每个卫星的吞吐量来计算每个方案（我们称之为轨道位置+大气条件的组合方案）的总系统正向容量。
（3）
另一方面，如果存在卫星间链路，则遵循以下四步程序来计算总系统吞吐量：
1）计算可能使用所有可用传输的总系统前向容量馈线关口站。
2）通过把馈线关口站容量相加计算整个系统前向容量的CDF。
3）选择CDF曲线上均匀间隔的1,000个场景的子集，以考虑卫星间链路进行进一步分析。
4）对于每个选定的场景：
A）构建一个网络图，其中每个卫星上的用户，卫星本身和地面站是图的节点，RF链路是边缘。
B）解决“最小成本，最大流量”问题并确定从每个卫星到关口站的流量。
C）通过添加来自所有卫星的流量来计算总系统吞吐量。
本节总结了我们模型中的其他假设。
●用户需求集中在陆地区域，与卫星覆盖人口成比例，且不考虑海上或航空需求。
●在LOS内拥有多颗卫星的终端随机选择一个进行通信，因此需求在LOS内的卫星之间均匀分布。
●自适应编码和调制（Adaptive Coding and Modulation, ACM）用于卫星关口站链路，因此对于任何轨道位置和大气条件，选择最大化吞吐量的调制编码方案MODCOD。
●卫星具有足够的功率，以便在需要时以最大EIRP进行通信。
●用户终端不是限制因素，因为它们能够连续跟踪卫星并以所需的数据速率进行通信。
●在任何仰角，用户链路中的树叶、建筑物障碍物或其他因素都不会造成链路中断。
●不考虑由于不同星座的LEO卫星之间的干扰导致的性能下降。
●地面站可以位于任何陆地区域。他们的位置没有政治、着陆权或地理限制。
●ISL链路可用于将超额需求路由到其他卫星。只有同一轨道集中的卫星才能通过ISL（平面内和跨平面）进行通信。
●即使端到端延迟具有最小化需求，数据在星间链路ISL路由转发时不设最大跳数限制。
本节给出了以下结果：a）每个系统所需的地面段部署需求；b）如第3.3节所述，对于前向链路上总可售容量系统总吞吐量上限的性能评估。
在这些结果中，我们使用术语地面站（Ground Station）指的是承载一个或多个馈线天线的站点，而术语关口站天线（gateway antennas）指的是位于这些站点的实际馈线天线。需要注意的是，每个地面站的关口站天线数量是有限制的，因为天线指向方向之间必须保持最小的角度间隔，以防止相互之间的干扰。根据三个系统的FCC文件中发现的最小角度分离值，每个站点的最大关口站天线数量的合理值为50，即在不需要更为高层协调下所允许的天线数量。然而更现实的情况是，每个地面站的天线数量通常限制在30个。
图10分析了三个系统在给定地面站位置数量下需求区域覆盖率的帕累托前端。可以看出，OneWeb的系统需要61个地面站才能实现全覆盖，而Telesat和SpaceX的系统无法仅使用地面站覆盖整个需求区域。发生这种情况原因在于，在卫星采用更大视场FoR情况下，卫星在其FoR内有更多的人口的轨道位置，即使相应地面站的仰角太低而无法关闭大气条件的链路，95％的时间都在场。但是，SpaceX和Telesat的系统都不需要实现100％的需求区域覆盖，因为ISL链路可用于将卫星数据从覆盖区域路由到实际位于覆盖区域内的卫星。
图10 地面站位置数与需求区域覆盖率
还应注意，对需求区域进行100％覆盖并不能保证在最大系统容量下运行，因为一些地面站可能由于低仰角而以较低的数据速率运行。相反，没有对需求区域的全面覆盖并不意味着无法获得最大系统吞吐量，因为卫星可能使用ISL在网络内路由数据。考虑到这一点，图11显示了所分析的三个系统的估计总系统吞吐量与地面站数量的关系。使用实线绘制平均值（随时间），而阴影区域表示四分位数值（即，容量随时间变化，并且在阴影区域内包含25-75％的时间）。Telesat和SpaceX星座的ISL数据速率分别为5、10和20Gbps，分别以橙色，绿色和蓝色表示。洋红色线对应于没有ISL的系统的性能。
从图11中可以看出，OneWeb、Telesat和SpaceX星座的最大总系统吞吐量分别为1.56 Tbps、2.66 Tbps和23.7 Tbps。此外， SpaceX系统是采用ISL后受益最多的系统，并且由于卫星数量众多，它需要最大数量的地面站才能达到其最大容量（总共123个）。有趣的是，OneWeb系统所需的地面站数量（71）大于Telesat所需的地面站数量（42），尽管前者的最大容量更低。图11 d）同时表明，如果OneWeb也采用ISL方案（每个卫星4个ISL，即同轨道面内2个ISL和异轨道面间2个ISL），可以由图中看出，在具备ISL时OneWeb系统所需的地面站数量明显降低；即使ISL数据速率5Gbps情况下，也只需要27个地面站可以实现最大性能。
图11 估计的总系统前向容量与地面站位置的数量a）Telesat，b）SpaceX，和c）OneWeb的系统。d）如果OneWeb的系统包括光学ISL（OISL），则显示估计的系统前向容量。括号中的值表示每个地面站位置的最大关口站天线数。
表7列出了每个系统以及不同关口站和地面站方案的估计总系统吞吐量的数值。使用具有50个地面站位置的地面段（如前所述，在关于每个位置的最大关口站数量的合理假设下），OneWeb系统的容量达到1.47Tbps，而Telesat和SpaceX系统的容量分别达到2.65 Tbps和16.78 Tbps。请注意，尽管OneWeb的系统拥有的卫星数量远远超过Telesat，但其总系统容量却较低。这是由于以下原因：
表7 不同地面站和关口站数量的估计总系统吞吐量（tbps）
（注：为地面站位置的数量，系统吞吐量单位Tbps。括号中的值表示，每个地面站位置允许的最大关口站数。N GS 为假设场景，因为OneWeb的系统没有ISL。）
●频谱利用策略：如第2.4.2节所述，OneWeb的星座仅使用Ku波段频谱中单一极化方式，复用因子为2。这导致用户下行链路的总可用带宽低于SpaceX和Telesat的系统。如本节接下来解释的那样，用户下行链路确是OneWeb系统中的限制因素。
●轨道配置和LOS中的卫星数量：如第2.4.1节所示，Telesat和SpaceX的系统都关注了地球上人口密集区域的覆盖，而OneWeb仅使用极轨道导致他们的卫星在无人居住的地区飞行更长的时间。此外，SpaceX和Telesat的系统可以更好地满足具有高要求的区域，因为在这些区域的LOS内有更多的卫星。
●波束早期饱和：由于OneWeb缺乏动态分配资源到特定波束的灵活性，即使整个卫星不饱和，一些波束也会饱和，导致需求下降。
●缺少ISL链路：缺少ISL链路导致OneWeb的卫星无法始终将其数据下行到地面站，尤其是对于地面站数量较少的情况。从表7中可以看出，如果使用ISL，当考虑30、50和65个地面站位置（与无ISL情况相比）时，总系统容量可以分别高10％，6％和1％。
如前所述，OneWeb的系统受到卫星到用户链路的严重限制，这是其在数据速率方面整体性能较低的主要原因。表8显示了关口站到卫星和卫星到用户链路的每个卫星在前向方向上的平均和峰值数据速率。由于Telesat和SpaceX具有解调和再调制功能的数字有效载荷，因此这两个链路可以分离并单独考虑。
表8 每颗卫星的最大和平均数据速率
来自不同星座的卫星的平均数据速率存在显着差异；由于使用了两个独立的关口站天线，Telesat的卫星实现了接近36Gbps的平均数据速率，SpaceX实现了接近20Gbps的数据速率（相对于SpaceX的FCC文件 [19] 报告的17-23Gbps），而OneWeb卫星平均为8.8Gbps（相比之前报道的每颗卫星8Gbps）。这些值的差异是因为关口站到卫星链路是SpaceX和Telesat星座的限制因素，而OneWeb的卫星受到卫星到用户链路的限制。SpaceX和Telesat在大多数情况下都可以在其馈线上行链路中使用最高可用的MODCOD（256APSK），而OneWeb的用户链路使用32-APSK作为其最高频谱效率MODCOD。
如图12所示的关口站数量与吞吐量的分析，我们观察到每个巨型星座支持最大系统总吞吐量所需的关口站天线数量分别为SpaceX3500、Telesat220（10Gbps ISL）和OneWeb800（假设为20Gbps ISL）。正如预期的那样，这个数字在很大程度上取决于卫星的数量。
图12 三个LEO星座系统的系统吞吐量随关口站天线数变化趋势
从这些图中可以得出两个主要结论：第一，SpaceX的系统是从使用ISL中获益最多的系统，而Telesat系统是获益最少的系统（考虑到其星座中的卫星数量较少）；第二，SpaceX的总容量在拥有2500多个关口站天线后迅速变平（Using 20 Gbps isl），这表明他们的系统可以通过减少关口站天线的数量来提供显著的节约，而不会对其总系统吞吐量产生重大影响（减少6%）。
最后，值得注意的是，如果OneWeb的系统选择使用ISL，它们将获得的收益；对于500个关口站系统，它们的总容量可能会增加33%，从1.2 Tbps增加到1.6 Tbps。在没有ISL的情况下，总共需要800个关口站来实现1.6 Tbps的容量。
图13显示了Telesat和OneWeb系统的地面站数量、关口站天线数量和系统吞吐量之间的关系。可以观察到，对于Telesat，系统容量主要由关口站天线的数量驱动（因为水平方向的吞吐量变化很小），而对于OneWeb，吞吐量取决于天线数量和地面站位置。
图13 系统容量与地面站数量和关口站天线数量的关系a）Telesat和b）OneWeb
最后，表9总结了本文给出的结果值。从每个卫星的平均吞吐量和每个卫星可实现的最大数据速率方面，比较这些系统的效率是非常有意义的。在这方面，Telesat系统的效率最高，每颗卫星平均为22.74Gbps（每颗卫星最大数据速率的58.8%），而SpaceX和OneWeb分别为5.36Gbps和2.17Gbps（每颗卫星最大容量的25.1%和21.7%）。卫星效率的这种差异主要是由于通信卫星系统的两个架构决定：在卫星上安装双主动关口站天线，在用户侧具有较低的最小仰角。
表9的下半部分显示了假设场景的结果，其中三个系统都有50个地面站。请注意，在这种情况下，SpaceX系统将受到最不利的影响，其总吞吐量将减少30%至16.5Tbps，而OneWeb的系统吞吐量将减少6%至1.47 Tbps。Telesat系统不会受到影响，因为它只需要40个地面站以最大容量运行。
表 9 三个LEO卫星星座系统仿真结果对比
本节介绍了在这些系统投入运行之前需要克服的五个不同的技术挑战。
鉴于每个提案中部署了大量卫星，协调减少共线干扰（即多颗卫星与地心在同一直线时）将是这些提案的一个重要方面。在NGSO卫星和GSO卫星之间（当LEO卫星穿过赤道线时），以及两个近距离不同星座的NGSO卫星之间（同一频率波束指向同一位置）可能会发生线内干扰。
关于NGSO-GSO干扰，每个提案都有不同的缓解策略。虽然OneWeb提出了一种渐进式的卫星调距机动方案，同时选择性地禁用波束，但SpaceX和Telesat依靠其波束的可调整性和可成形能力，以及赤道用户的多颗卫星在LOS范围内这一事实。在所有情况下，目标都是确保LEO波束不与GSO卫星波束不共线，从而保持波束之间的最小角度间隔（最小辨别角）。
对于NGSO-NGSO共线干扰，考虑到建议的频率分配，OneWeb和SpaceX的下行链路用户波束之间以及OneWeb，SpaceX和Telesat的关口站波束（上行链路和下行链路）之间可能会发生干扰。此外，由于Telesat是一个仅限Ka波段的系统，它们的用户波束也可能会干扰其他系统的关口站波束。在NGSO到NGSO的在线事件中，两个控制公司都需要通过在同一点上使用不同的频率信道，禁用波束或分割频谱来协调以减轻干扰。虽然Telesat和SpaceX都有避免干扰的设计机制（例如，LOS中的多颗卫星，可操作和可成形的波束，动态带宽信道化），但OneWeb的设计缺乏这种灵活性，因此它只能在协调过程中扮演被动角色。
SpaceX和Telesat都使用了内置高度灵活的数字有效载荷。如前所述，两个系统都计划利用这种灵活性作为一种机制，以避免干扰，同时通过将资源分配给覆盖需求较高地区的波束，以最大限度地提高每个卫星的吞吐量。考虑到快速变化的环境（轨道位置、来自其他系统的干扰、用户需求、大气衰减等）以及所涉及的大量波束和卫星，需要开发先进的动态资源分配管理（Dynamic Resource Management, DRM）算法。
此外，由于一个星群中的多颗卫星必须协调（即确保覆盖所有用户而不会对外部卫星造成干扰），因此这些DRM算法需要在一个控制中心运行，该控制中心了解每个卫星的内部状态以及整个星群的概况。同时，另一套DRM算法将需要在每颗卫星上本地运行，以处理卫星快速变化的环境。
这三个系统加在一起将为LEO增加5000多颗卫星。预计在未来4年内，将其送入轨道需要大约100-150枚专用火箭发射，这将导致世界范围内发射数量的显著增加（特别是联盟号和猎鹰9号火箭）。仅在2017年，全球轨道发射的数量就达91次；其中18次是猎鹰9号火箭，15次是联盟号火箭。
此外，尽管在撰写本文时，这三家公司都为其系统制造了测试卫星（SpaceX和Telesat甚至在2018年初将它们送入轨道），但尚不清楚这些公司是否能够根据其计划时间表最终确定卫星的设计和生产。事实上，一些公司已经被迫稍微推迟了最初的发布，并推迟了运营的时间。
巨型星座中的大量卫星在避免碰撞和废弃处置方面带来了新的操作挑战。在这方面，地面基础设施应持续监测、跟踪和指挥数百颗卫星，并与航天器在类似轨道上飞行的其他机构和组织进行协调（可能存在碰撞风险）。此外，由于数百颗NGSO卫星的遥测、内部状态和网络状态信号需要持续监测，因此需要比当前最先进的系统更高的自动化程度。
支持具备跟踪低轨卫星且低成本的用户终端，是系统设计中所需考虑的一个关键要素，对本文分析的三个系统的商业成功至关重要。在过去，宽带LEO网络需要昂贵的由万向天线组成的终端（通常是一对天线以保证连续覆盖），这限制了对购买力高的客户（主要是在企业市场内）的采用。
电调平板天线在这一领域是一种很有前途的技术，尽管目前还不清楚当星座开始服务时，这种技术是否能以期望的价位提供。就每个系统的用户终端设计而言，Telesat兼容终端提出了最严格的要求，因为它们的天线需要在低至20度的仰角下工作（SpaceX和OneWeb分别为40度和55度）。
本文对三个LEO全球宽带卫星星座系统进行了技术比较。在描述了每个系统的空间和地面段之后，我们详细比较了每个星座的一些附加方面。然后，我们提出了一种方法：a）确定了每个系统所需的地面站和地面段关口站的数量需求；b）估计系统的总吞吐量。最后，我们强调了在这些系统投入运行之前需要克服的几个技术挑战，如干扰协调、动态资源管理、发射计划和运营。
我们分析的主要结论总结如下：
●最大总系统吞吐量（可销售）对于OneWeb、Telesat和SpaceX的星座分别为1.56Tbps、2.66Tbps和23.7Tbps。
●由42个地面站组成的地面段足以满足Telesat的所有容量，而OneWeb至少需要71个地面站，SpaceX需要超过123个。
●就卫星效率（理解为每颗卫星的平均数据速率与其最大数据速率之比）而言，Telesat系统的性能明显优于竞争对手（约59%，与SpaceX的25%和OneWeb的22%相比）。这是因为：a）在每个卫星上使用了双有源天线，b）在用户链路中需要更低的最小仰角。
●OneWeb系统的吞吐量低于Telesat系统，尽管前者中的卫星数量要大得多。这主要是由于OneWeb的低复杂度卫星设计、频谱利用策略、轨道配置和有效载荷设计以及无ISL导致的每颗卫星的数据率较低；
●如果将ISL用于OneWeb的星座（即使数据传输速率为5Gbps），所需的地面站数量可以减少一半以上，减少到27个地面站。
综上所述，我们的分析揭示了三种低轨卫星星座方案的不同技术策略。OneWeb的战略重点是率先上市，将风险降至最低，并采用低复杂性的空间段，从而提供较低的吞吐量。相比之下，Telesat的战略围绕着高性能卫星和系统灵活性（在部署、目标容量分配、数据路由等不同领域）展开，从而增加了设计复杂性。最后，SpaceX的系统在尺寸上是独特的，虽然每个卫星的单独结构并不比Telesat卫星系统复杂，但是大量的卫星和地面站大大增加了整个系统的风险和复杂性。
参考文献 略