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深度拆解卫星互联网，从低轨卫星到接收机

2024.08.15

什么是卫星互联网？

卫星通信是微波通信的一种，卫星作为中继站发射和接收无线电波，实现在两个或多个地面站之间的通信。

按照卫星轨道高度的不同，通信卫星可以分为低轨通信卫星（LEO）、中轨通信卫星（MEO）和高轨地球同步通信卫星（GEO）。

通信卫星的分类

低轨通信卫星（LEO）

低轨卫星（LEO）的轨道高度范围为300-2000km，低轨道卫星通信系统卫星轨道低，信号传播时延短，链路损耗�。佬呛陀没е斩说囊蟮停梢圆捎梦⑿�/小型卫星接收器和手持用户终端。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很多卫星。

中轨卫星（MEO）

中轨卫星（MEO）的轨道高度为2,000-35,786km，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。

静止轨道卫星（GEO）

静止轨道卫星（GEO）的轨道高度为35,786km，由于静止轨道卫星相对地面静止，且覆盖区大，三颗经度差约120°的卫星就能够覆盖除南、北极以外的全球范围。静止卫星轨道高，链路损耗大，对接收机性能要求较高，主要用于VSAT系统、电视信号转发等。

卫星通信系统的主要组成部分是卫星、地面控制设备和用户终端。

卫星端是通信中继站，用以接收地面设备发送的信号波并放大，再转发给另一台地面设备，现阶段主要是利用同步轨道卫星对地球进行全方位覆盖。

卫星通信架构

地面控制设备包括信关站、网络控制中心和卫星控制中心，可对空中卫星系统进行跟踪、监测等，从而控制通信系统的正常运营。

用户端主要包括各类用户终端，如机载终端、船载终端、车载终端及固定站等。

卫星互联网通过在太空使用低轨高通量卫星以实现高带宽低时延的宽带覆盖，这些卫星组成的星链可作为空中基站，从而达到与地面移动通信类似的效果。

通信卫星架构拆解

卫星制造环节主要包含卫星平台与有效载荷，载荷是卫星的核心功能部件。通信卫星有效载荷包括通信天线分系统、转发器、星间链路等。

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通信卫星功能架构

相控阵天线

天线分系统是通信卫星载荷中的核心，相控阵天线是当前主流技术，T/R组件是相控阵天线的核心，成本在星载天线分系统中占比超50%。

多波束相控阵天线是一种利用波束形成网络，同时实现多个独立的高增益波束的多波束天线。它具有高灵活性和宽角度扫描等优点，低轨星载多波束相控阵天线的主要关键技术体现在以下几个方面：

低剖面多波束相控阵天线系统架构设计技术；

高密度集成有源通道设计技术；

多波束相控阵抗干扰技术；

多波束相控阵天线快速测试技术。

目前，Starlink卫星部署的Ku频段多波束相控阵天线代表了民用通信卫星相控阵天线的最新水平。它采用了跳波束覆盖技术，相控阵天线采用由内向外逐渐稀疏的方式，采用瓦片式架构，分为天线阵面层、反射层、多工馈电层和波束形成层。波束形成部分使用仅包含移相器的8通道8波束多功能芯片，多个天线波束和相位扫描功能由多功能芯片实现，振幅加权由阵列排列实现。

通信卫星的天线

星载转发器

转发器功能是接收来自地面的微弱信号，并将信号变换到下行信号和合适的功率电平上。由于需要补偿空间段长距离的空间衰减，转发器必须具备高灵敏度的接收能力，拥有高增益的变频能力，以及大功率的发射能力。

根据处理信号的方式，转发器可以分为透明转发器和处理转发器。透明转发器仅对上行信号进行滤波、变频和放大，不对信号解调和处理。常见的有一次变频，也有多次变频，主要依据任务的特点和任务要求进行选择。处理转发器是伴随大规模数字处理技术发展的产物，与透明转发的最大区别在于对信号的解调和再生成处理，改变了基带的信号形式。

星移联信第二代星载基站

星间激光通信

激光通信是利用激光作为信号载波，将语音和数据等信息调制到激光上进行传输。卫星激光通信传输容量大，能与其他通信技术充分融合，减少中间的解码过程，为星间实现高速连接提供新手段。

卫星激光通信

按照激光传输环境的不同，卫星激光通信分为两类：

一是真空环境下的激光通信，即星间激光通信，主要应用于卫星与卫星、飞船、空间站等之间的通信。

二是在大气环境下进行的激光通信，即星地激光通信，应用于卫星与地面、海上用户及空中飞行器的连接等。

星载激光通信系统较为复杂，涵盖了光机电等多个领域，子系统包括：光收发系统、捕获瞄准（ATP）系统、光学系统还包括配电系统以及热控系统等一些配套系统。

卫星激光通信�？�

地面接收机拆解

低轨卫星天线需要跟踪快速运转的卫星，并具有迅速切换的能力。为了保持信号的稳定性，多采用低成本相控阵天线，无需机械转动，只通过�？匦藕畔辔痪涂梢杂美吹髡藕诺姆较蚶炊宰嘉佬牵⒖梢允迪忠桓碧煜咧С侄嗫判峭惫ぷ�。

Starlink 地面接收机

地面接收机可拆分为6层结构，从上至下依次是天线外壳、蜂窝网孔板、橡胶蜂窝板、PCBA板、铝结构背板和底座。

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Starlink 地面接收机结构

Starlink天线系统的设计包括以下关键组件：

1）天线罩：保护天线单元免受环境因素影响。

2）蜂窝隔离阵列：压合天线层叠，隔离天线单元，减少相互干扰，提高信号的方向性和天线的整体效率。

3）天线板：集成了1280个天线单元，包括外围的dummy单元，以吸收表面波，波阻抗匹配。

4）射频板：集成了80颗射频大芯片和640颗射频小芯片，负责信号的发射和接收。射频板采用CMOS工艺，确保低成本。

satixfy地面接收机射频板PCBA

Starlink在2023年用户数量增加超过100万，按照1:1的终端库配置以及标准版600美金的价格计算，2023年终端市场价值超9亿美元。

文章参考来源：

空天一体新质生产力，产业链从0到1迈入量产阶段-山西证券

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