O3b中軌通信衛星星座發展概述

O3b星座系統是目前全球唯一一個成功投入商業運營的中地球軌道（MEO）衛星通信系統，主要面向地面網接入受限的各類運營商或集團客戶提供寬頻接入服務。O3b衛星系統由O3b網路互聯網接入服務公司開發，該公司在2007年由多家大型公司和銀行聯合組建，目前由SES公司完全控股，致力於通過多顆衛星實現全球連接，並提供低延遲、高速率和合理價格的互聯網接入服務。

1 O3b衛星星座發展

O3b公司旨在為全球偏遠地區（主要是非洲、亞洲和南美等）的30億人口提供高帶寬、低成本、低延遲的衛星互聯網接入服務。O3b公司計劃建設一個由中地球軌道（MEO）通信衛星構成的星座網路，利用Ka波束天線技術，提供具備光纖傳輸速度的衛星通信骨幹網。該衛星系統即O3b衛星星座已在2013～2014年採用聯盟號火箭部署了前三組共12顆衛星，2015年底又訂購了8顆，主承包商均為泰雷茲·阿萊尼亞空間公司。該系統主要用於向亞洲、非洲、拉美、太平洋和中東沒有充分上網條件的新興市場提供低成本高速上網服務，將衛星大範圍覆蓋的特點同光纖網路的速度結合起來，面向數十億消費者和企業用戶，提供低成本、高速、低時延的互聯網和移動通信服務。

2016年11月，O3b公司向美國聯邦通訊委員會（FCC）提出申請，計劃增加新的衛星進入美國市場運營。經過修改並添加了V波段申請後，2017年11月，O3b公司向FCC提出新的申請，計劃發射30顆新的MEO衛星進入美國市場運營。同年，波音公司被授權開始建造第二代O3b星座（O3b mPower），開始7顆第二代O3b衛星的建造。O3b新增30顆MEO衛星中，有8顆衛星屬於第一代O3b星座，剩餘22顆屬於第二代O3b衛星星座。第二代星座具有規模可變能力，初期將由這7顆高通量中軌衛星組網，設3萬個寬頻互聯網服務點波束，總容量將達10Tb/s。這7顆衛星擬在2021年部署完成。

O3b新增30顆星中的8顆一代星，其中4顆O3b中地軌道Ka波段寬頻衛星於2018年3月9日，由阿里安航天公司經營的俄制聯盟STB「弗雷蓋特」MT型運載火箭在法屬蓋亞那庫魯的蓋亞那航天中心發射了升空。這4顆新發衛星在5月17日投入使用，使O3b衛星編隊總容量增加38%，並使覆蓋區從南北緯45度之間擴大到南北緯50度之間。另4顆衛星將在2019年初由聯盟號發射，完成第一代星座的組網建設工作。

2018年6月8日，FCC批准O3b利用26顆新增衛星在美銷售衛星連通服務的請求。新獲授權將使O3b公司能夠運營共計42顆中軌衛星。這些新增衛星將會兼用傾斜和赤道軌道，把O3b星座覆蓋範圍從目前的南北緯50度之間擴展到地球兩極，成為一個全球性系統。

2 O3b現有星座簡介

O3b公司的中軌寬頻星座網路目前在軌道運行16顆衛星，初始12顆已投入運營，在非同步軌道提供固定衛星業務為亞非拉及中東地區提供互聯網寬頻接入。2018年最新發射的4顆在2018年5月17日左右投入使用。在此介紹已開始正式運營的初始12顆衛星。

2.1 系統概述

O3b衛星初始星座運行於赤道圓軌道，軌道高度8062公里，能夠覆蓋全球南北緯45°之間所有地方，在南、北緯45°～62°範圍內也能提供一定的服務。圖1顯示了O3b系統覆蓋範圍，並給出了網關位置。

O3b衛星工作在Ka頻段，上行頻段範圍為27.6~28.4、28.6~29.1 GHz，下行頻段範圍為17.8~18.6、18.8~19.3GHz。每顆衛星配置有12副指向可控的蝶形天線，各形成一個點波束，其中2個為饋電波束（用於與地面信關站通信），10個用戶波束（與用戶通信）。每幅天線可±26度旋轉，跟蹤地面固定位置，波束覆蓋直徑為700公里，可覆蓋南北緯45度以內的地球表面。衛星上有12個65W行波管放大器，點波束採用左旋和右旋圓極化技術，單波束可用帶寬為2×216MHz，信息速率高達2×800Mb/s。面對特殊行業用戶，可提供最大500Mb/s的數據接入。O3b星座系統的端到端時延約為150ms，當在鏈路上採用TCP/IP協議傳輸信息時，單條TCP連接的速度可以達到2.1Mb/s。

O3b星座系統將地面分為7個區域，每個區域10個用戶波束，由12顆星構成的衛星星座的總用戶波束數為70。

圖1 O3b衛星系統地面覆蓋範圍

O3b星座系統的業務應用涉及骨幹網、地面移動網幹線、能源、海事和政府通信等幾大領域，系統分別針對不同的應用領域提供不同的速率和服務。例如，針對政府通信可以提供保密線路；針對地面移動網幹線可以提供基站間通信業務；在能源領域可以利用其低時延特性實現一些實時性要求較高的音視頻通信等業務，也可以提供大量帶寬用於遠程資產監控，還能改善邊遠及海上油氣田工作人員的業餘生活；海事應用主要針對游輪用戶，可以為旅客提供近似於陸地寬頻的用戶體驗，流暢運行各種社交軟體、視頻通信軟體。

2.2 運行方式

O3b星座系統採用星形組網方式，網路中所有衛星都使用透明轉發方式，衛星之間沒有星間鏈路，所有的路由交換都在地面信關站進行，再通過信關站連接到地面通信網，用戶之間的通信需要經過信關站中繼。O3b星座系統的前向鏈路（信關站經衛星到達用戶終端的鏈路）和返向鏈路（用戶終端經衛星到達信關站的鏈路）均採用Ka頻段，每個轉發器的帶寬為216MHz，衛星與用戶終端、信關站之間分別通過用戶波束、饋電波束進行通信。

由於O3b星座系統採用透明轉發方式，因此，可以適用於任何技術體制，該系統提供的服務其實是類似於傳統的轉發器出租業務，只不過用戶使用的轉發器不是固定的，需要隨著衛星的軌道運動而在不同衛星和波束之間切換，並且每個波束的指向也是可以調整的。

O3b星座系統針對服務區域的特點採用熱點覆蓋的方式，即每顆衛星產生10個用戶點波束，分別根據各自不同的服務區而指向目標區域，如果用戶是移動的，則點波束可以隨用戶的移動而移動。

O3b衛星通過基於TCP/IP的性能增強代理（PEP）和遠端站本地緩存技術進一步提高了通信吞吐量。2014年已投入運營的O3b高速互聯網接入技術可提供大於500Mb/s的帶寬。O3b運行軌道為赤道平面，並且關口站骨幹網直接與網際網路相連，降低了運營成本，用戶在可承受的價格範圍內就能享受到光纖級網際網路衛星接入服務。

3 O3b衛星星座未來規劃

O3b公司2017年11月向FCC提出的申請中新增了30顆MEO衛星，將運行於兩種軌道。其中，20顆衛星將運行於赤道軌道被稱為O3bN，其中8顆已獲批准，屬於第一代O3b星座，已有4顆於2018年3月發射，這4顆衛星運行頻率與初始12顆衛星相同，餘下4顆預計2019年發射。另外新增的10顆衛星運行於傾斜軌道，即O3bI。

除8顆已獲批的衛星O3bN以外，剩餘12顆O3bN和10顆O3bI衛星屬於第二代O3b衛星星座，採用了更先進的衛星平台技術，其中衛星採用全電推進，每顆衛星發射重量預計約1200公斤，比目前的700公斤O3b衛星重很多。衛星具有靈活的波束形成能力，可實時實現每顆衛星超過4000個波束的形成、調整、路由和切換，以適應任何地方的帶寬需要，性能將比20顆第一代衛星有明顯提高。第二代衛星軌道高度不變，但將新引入70度傾角的傾斜軌道，以實現近乎全球覆蓋。

以下按運行軌道種類介紹了新增衛星的軌道情況、未來服務能力等。

（1）O3bN

O3bN衛星星座將運行於赤道圓軌道，運行於Ka和V波段，能提供寬頻通信能力，支持海上、航空、移動回傳、IP幹線和混合IP通信。用戶終端將位於北緯63度到南緯63度之間，通常由具有最佳視角（仰角）的活躍衛星提供服務。

O3b電信港位於全球關鍵位置，用光纖連接，確保O3bN衛星保持全時段連接。目前，O3b由在夏威夷和德克薩斯的網關提供通信服務，並指揮和控制當前運行的衛星。O3bN也將依賴這些設施，也可能需要一些額外的地面站滿足地理範圍擴大的需求。

O3bN衛星的控制中心位於盧森堡的貝茨多夫，備用設施位於弗吉尼亞的馬納薩斯。位於馬納薩斯的設施完成網路運行控制，其備用設施位於盧森堡的貝茨多夫。這些控制中心和遙測、跟蹤和指揮（TT&C）地面站使用租用的地麵線路或安全的Internet虛擬專網連接。

（2）O3bI

O3bI衛星將運行於高度為8062公里、傾斜角度為70度的兩個圓形軌道面上，升交點的赤經為0到180度，使用與在軌O3b衛星相同的地面設施。未來將在較高緯度安裝額外的網關設施，以支持緯度更高地區的用戶。與O3bN衛星類似，O3bI衛星也能提供寬頻通信能力，支持海上、航空、移動回傳、IP幹線和混合IP通信。

O3bI的衛星控制中心位於盧森堡的貝茨多夫，備用設施位於弗吉尼亞的馬納薩斯。位於馬納薩斯的設施將完成網路運行控制，其備用設施位於盧森堡的貝茨多夫。這些控制中心和TT&C地面站使用租用的地麵線路或安全的Internet虛擬專網連接。

4 未來系統性能

除現已運行的12顆衛星外，未來O3b公司將新增30顆衛星為美國市場提供服務，以下介紹這30顆新增衛星的系統性能，主要包括遙測、跟蹤和指揮（TT&C）性能以及信道與頻率規劃等。

4.1 TT&C性能

O3b系統的TT&C子系統能在發射前、軌道轉移時、站上操作中以及航天器發生緊急情況時進行通信。在任務所有階段，TT&C子系統將運行於分配給O3b非地球同步軌道衛星系統的上行鏈路和下行鏈路頻率範圍的邊緣。TT&C傳輸不會帶來很大幹擾，且不需要比衛星網路通信業務更多的保護。

衛星在任務所有階段（包括軌道轉移、衛星應急情況和正常操作）中，將通過星上的天線組合產生近全向增益方向圖，接收TT&C上行信號和發射TT&C下行信號。然而，對正常操作來說，當衛星指向地球時，TT&C下行鏈路天線的最小天線增益比安全操作模式（即軌道轉移和衛星緊急情況）高。具體TT&C子系統特性如下表。

表1 TT&C性能特性

4.2 信道與頻率規劃

未來，O3bN和O3bI衛星都將使用Ka頻段，並且O3b公司還為O3bN衛星申請了V頻段，已得到FCC批准。

O3bN和O3bI將使用數字信道化器，可實現上下行鏈路動態連接。發射和接收天線具有可成形增益方向圖。每個天線波束將指向地球上的固定位置。衛星間能完成無縫切換。

O3bN和O3bI衛星將使用的上行頻率為27.5~30.0GHz，下行頻率為17.7~18.6GHz和18.8~20.2GHz。所有任務階段的TT&C操作將在低於29.1GHz（上行）和19.3GHz（下行）5MHz的邊緣頻段中。頻率復用通過雙極化（RHCP和LHCP）、波束成形和共頻、共極化天線間的空間分離組合實現。TT&C頻率為圖中19.3GHz和29.1GHz頻率旁的紅色區域。

O3bN和O3bI衛星將在整個17.7~20.2GHz頻段中運行，但O3b並沒有申請在美國市場使用18.6~18.8GHz。

圖2 O3bN和O3bI衛星以及TT&C頻率規劃（TT&C為紅色區域）

表2和表3為O3b新規劃的30顆衛星在Ka頻段的頻率使用情況。

表2 下行鏈路頻率使用情況

表3 上行鏈路頻率使用情況

此外，O3b公司還為O3bN衛星申請使用V頻段，上行頻率為47.5~50.2GHz和50.4~51.4GHz以及下行頻率37.5~42.5GHz。下圖3所示為O3bN在V頻段的頻率規劃。所有任務階段中，TT&C操作將在Ka頻段中完成。由於O3bN衛星使用數字信道化器，信道帶寬在RHCP和LHCP時從衛星到地面方向在37.5~42.5GHz間變化，從地面到衛星方向在47.2~50.2GHz以及50.4~51.4GHz間變化。

圖3 O3bN V頻段頻率規劃

4.3 覆蓋範圍

圖4 O3b衛星3D虛擬覆蓋圖

O3b系統中赤道軌道衛星在北緯36度到南緯36度間地點可見。另外，O3bI衛星還採用傾角為70度的傾斜軌道，將覆蓋整個地球。O3bI衛星將在每24小時中至少有75%的時間覆蓋北緯70度到南緯55度間地區。O3bI衛星還將連續覆蓋美國50個州、波多黎各以及美屬維京群島。

O3b系統的設計將實現按需使用帶寬和功率，更有效地利用頻譜和衛星功率。也就是說，O3b衛星並沒有一直覆蓋整個地球可見區域，而是利用可控波束，集中關注用戶地區和網關，讓這些地區間的吞吐量能達到最大，並確保獲得高性能鏈路，接入全球Internet或公用交換電話網，且不會干擾地球上其他地區的服務。隨著用戶的增加或改變，O3b系統的容量也隨之發生變化。

5 結 語

O3b衛星星座目前有16顆在軌運行衛星，全部運行於Ka頻段，可以為亞洲、非洲、南美洲和大洋洲地區提供遠程通話和互聯網服務。利用其低時延特性加上其高容量Ka頻段資源，O3b星座系統提供的新型遠程信息交互服務的速度可以達到光纖網路水平。

經FCC批准後，O3b公司將最終運行42顆中地球軌道衛星為美國提供服務。新增的O3b衛星中大部分屬於第二代O3b衛星，每顆衛星容量將是第一代衛星的10倍以上，衛星運行軌道高度與第一代近似，但增加了傾斜軌道，旨在將Ka頻段波束覆蓋擴大到更寬的區域，提供近全球範圍覆蓋。此外，O3b公司還為赤道軌道衛星申請使用V頻段。

（王靜 編譯）

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