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　　來源 | 深夜空間局LASA

　　作者 | LASA鵬-韓慧鵬

　　O3b星座系統(tǒng)是全球第一個成功投入商業(yè)運營的中地球軌道（MEO）衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)，利用Ka頻段衛(wèi)星通信技術(shù)，提供具備光纖傳輸速度的衛(wèi)星通信骨干網(wǎng)，主要面向地面網(wǎng)接入受限的各類運營商或集團(tuán)客戶提供高速、寬帶、低成本、低時延的互聯(lián)網(wǎng)和移動通信服務(wù)。

　　發(fā)展歷程

　　O3b星座系統(tǒng)由O3b網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)公司開發(fā)，該公司是Greg Wyler于2007年聯(lián)合多家大型公司和銀行建立，致力于為世界上信息落后地區(qū)（主要是非洲、亞洲和南美等）的“其他30億人”提供高速通信連接。其方案和概念提出后，得到了SES、Google等大公司的支持，并于2010年底得到了全額資助，至此O3b星座系統(tǒng)的主要服務(wù)對象成為互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)提供商、電信服務(wù)提供商、大型企業(yè)、政府機(jī)構(gòu)和軍方用戶等。

　　O3b星座的第一代衛(wèi)星由泰雷茲·阿萊尼亞空間公司（TAS）承研，從2013年開始發(fā)射部署，每4顆衛(wèi)星一組發(fā)射，8顆衛(wèi)星一個編隊運行，至今已發(fā)射4組次（分別為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），在軌衛(wèi)星已有16顆。根據(jù)簡氏防務(wù)報道，前12顆衛(wèi)星的研制和發(fā)射總成本約為12億美元，O3b公司于2015年再次融資4.6億美元用于購買8顆衛(wèi)星，計劃將第一代星座擴(kuò)展至20顆衛(wèi)星。

　　2013年首批4顆衛(wèi)星發(fā)射入軌后，供電分系統(tǒng)和頻率發(fā)生器單元出現(xiàn)故障，導(dǎo)致衛(wèi)星在10年壽命期內(nèi)服務(wù)降級。為此，O3b公司申請了3.18億美元的索賠。目前，O3b將其中2顆衛(wèi)星設(shè)為待命模式，用作在軌備份。

　　O3b星座的前12顆第一代衛(wèi)星均位于赤道上空、8062公里、幾乎零傾角的MEO軌道上，覆蓋區(qū)僅在南北緯45°之間，犧牲了對中高緯度的覆蓋，真正的符合了其名稱“另外30億人”，為處于赤道的很多數(shù)字鴻溝問題嚴(yán)重的地區(qū)帶去了網(wǎng)絡(luò)的接入。2014年9月1日，O3b公司正式在太平洋、非洲、中東和亞洲地區(qū)提供商業(yè)服務(wù)，政府機(jī)構(gòu)和美國軍方是其重點用戶。2018年3月新發(fā)射的4顆第一代衛(wèi)星已于5月17日投入使用，使O3b衛(wèi)星編隊總?cè)萘吭黾?8%，將覆蓋區(qū)擴(kuò)大到南北緯50°之間，可為南北緯50°～62°范圍內(nèi)的地區(qū)提供有限的服務(wù)。

　　2016年11月，O3b公司向美國聯(lián)邦通訊委員會（FCC）提出申請，計劃增加新的衛(wèi)星進(jìn)入美國市場運營。經(jīng)過修改并添加了V頻段（50-75GHz）申請后，2017年11月，O3b公司向FCC提出新的申請，計劃發(fā)射30顆新的MEO衛(wèi)星進(jìn)入美國市場運營。

　　2017年，SES公司收購O3b公司后，由波音衛(wèi)星系統(tǒng)公司（BSS）研制22顆O3b星座第二代衛(wèi)星（O3b mPower），預(yù)計第二代衛(wèi)星將于2020年以后開始發(fā)射部署，致力于通過衛(wèi)星星座實現(xiàn)全球連接。O3b第二代星座具有規(guī)?？勺兡芰Γ跗趯⒂?顆高通量中軌衛(wèi)星組網(wǎng)，設(shè)3萬個寬帶互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)點波束，通信總?cè)萘繉⑦_(dá)10Tb/s。通過此次收購，O3b星座可以融入SES的空間系統(tǒng)艦隊，由此實現(xiàn)GEO與MEO融合的服務(wù)體系，來提供更有針對性的網(wǎng)絡(luò)接入。

　　2018年6月8日，F(xiàn)CC批準(zhǔn)O3b利用26顆新增衛(wèi)星在美銷售衛(wèi)星連通服務(wù)的請求。新獲授權(quán)將使O3b公司能夠運營共計42顆中軌衛(wèi)星。這些新增衛(wèi)星將會兼用傾斜和赤道軌道，把O3b星座覆蓋范圍從目前的南北緯50度之間擴(kuò)展到地球兩極，成為一個全球性系統(tǒng)。

　　系統(tǒng)規(guī)模

　　O3b第一代衛(wèi)星均運行在相同的軌道面上，即8060×8072km高度、0.03°傾角的赤道上空MEO軌道。軌道周期為287.92分鐘，主要覆蓋地面南北緯45°之間的區(qū)域。整個星座并未對衛(wèi)星數(shù)量進(jìn)行限制，一般采取8顆星一組的模式，可以按需增加衛(wèi)星數(shù)量，實現(xiàn)在軌容量擴(kuò)展。

　　O3b第一代星座系統(tǒng)將地面分為7個區(qū)域，每個區(qū)域10個用戶波束，由12顆星構(gòu)成的衛(wèi)星星座總用戶波束數(shù)為70。

　　O3b星座采用的MEO軌道雖然不是同步軌道無法做到相對地面的靜止，動態(tài)性相較于LEO系統(tǒng)卻要低很多，因此可以避免過于復(fù)雜的系統(tǒng)與頻繁的切換。O3b的衛(wèi)星也通過相對簡單的衛(wèi)星設(shè)計，降低了衛(wèi)星的成本，卻可以提供超過1Gbps的連接速率。

　　O3b星座無星間鏈路，因此實時通信要求在全球多個地點布設(shè)地面站。目前，O3b系統(tǒng)已經(jīng)在全球9個地點部署了地面信關(guān)站，分別是夏威夷，美國西南部、秘魯、巴西、葡萄牙、希臘、中東、澳大利亞西部、澳大利亞東南部。測控站與部分信關(guān)站重疊，例如，美國本土、澳大利亞、希臘、秘魯?shù)鹊氐男抨P(guān)站與測控站是合二為一的。地面信關(guān)站和測控站分布詳見“發(fā)展歷程”章節(jié)中的“O3b衛(wèi)星系統(tǒng)地面覆蓋范圍圖”。

　　O3b星座系統(tǒng)的業(yè)務(wù)應(yīng)用涉及骨干網(wǎng)、地面移動網(wǎng)干線、能源、海事和政府通信等幾大領(lǐng)域，系統(tǒng)分別針對不同的應(yīng)用領(lǐng)域提供不同的速率和服務(wù)。例如，針對政府通信可以提供保密線路；針對地面移動網(wǎng)干線可以提供基站間通信業(yè)務(wù)；在能源領(lǐng)域可以利用其低時延特性實現(xiàn)一些實時性要求較高的音視頻通信等業(yè)務(wù)，也可以提供大量帶寬用于遠(yuǎn)程資產(chǎn)監(jiān)控，還能改善邊遠(yuǎn)及海上油氣田工作人員的業(yè)余生活；海事應(yīng)用主要針對游輪用戶，可以為旅客提供近似于陸地寬帶的用戶體驗，流暢運行各種社交軟件、視頻通信軟件。

　　衛(wèi)星設(shè)計

　　第一代衛(wèi)星由TAS公司研制，采用“壽命延長平臺”（ELiTe），單星發(fā)射質(zhì)量約700kg，功率1575W、設(shè)計壽命約10年。ELiTe平臺是TAS公司面向中低軌小型衛(wèi)星星座推出的主打平臺，廣泛應(yīng)用于全球星第二代、銥星下一代等衛(wèi)星星座，據(jù)報道，基于該平臺研制的低軌衛(wèi)星的數(shù)量超過110顆。

　　在平臺方面，電源分系統(tǒng)采用三結(jié)砷化鎵太陽能電池和100Ah鋰離子蓄電池；結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)分系統(tǒng)采用鋁管作為支撐結(jié)構(gòu)、鋁制蜂窩板作為面板；推進(jìn)分系統(tǒng)采用肼作為燃料，貯箱容量154kg，配備8個1N推力器。在有效載荷方面，衛(wèi)星采用彎管式透明轉(zhuǎn)發(fā)體制，工作在Ka頻段，上行頻段范圍為27.6~28.4GHz和28.6~29.1GHz，下行頻段范圍為17.8~18.6GHz和18.8~19.3GHz。

　　星上設(shè)置12個65W行波管放大器，工作帶寬216MHz，對地面配備12副指向可控的蝶形天線，每副天線形成一個點波束，共計12個點波束，其中10個波束為用戶波束，另外2個波束為信關(guān)站波束，每副天線的指向范圍為±26°，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(nèi)的地球表面。每副天線采用圓極化方式，通過極化復(fù)用方式（左旋圓極化和右旋圓極化）實現(xiàn)工作頻帶2×216MHz，信息速率高達(dá)2×800Mb/s。O3b星座系統(tǒng)的端到端時延約為150ms，當(dāng)在鏈路上采用TCP/IP協(xié)議傳輸信息時，單條TCP連接的速度可以達(dá)到2.1Mb/s。

　　目前，O3b公司正在積極推廣海事衛(wèi)星通信服務(wù)，美國皇家加勒比游輪公司旗下的海上綠洲號和海上誘惑號已經(jīng)安裝了O3b的衛(wèi)星通信終端，系統(tǒng)測試最高單艘游輪的速率達(dá)到700Mbit/s，時延僅為140ms左右，實現(xiàn)了其所宣稱的“光纖的速度、衛(wèi)星的覆蓋”。

　　頻譜規(guī)劃

　　O3b公司為第一代星座申請的頻率資源為上行鏈路27.6～28.4GHz和28.6～29.1GHz，下行鏈路17.8～18.6GHz和18.8～19.3GHz，數(shù)據(jù)通信與測控采用同一頻段。為了充分利用頻譜資源，實現(xiàn)最大的系統(tǒng)容量，每一段頻率都進(jìn)行了頻率復(fù)用。

　　地面終端

　　O3b定位于骨干節(jié)點之間的高速傳輸，服務(wù)的用戶相對有限。作為寬帶通信衛(wèi)星星座，其終端為典型的、成熟的VSAT終端，可以安裝在艦船和固定建筑物上。下面以海事終端為例介紹其終端的相關(guān)指標(biāo)。

　　O3bMaritime采用了先進(jìn)的自穩(wěn)定跟蹤天線、高速模型等技術(shù)，為游輪和超級游艇提供高速通信服務(wù)。O3b公司提供端到端的管理式服務(wù)，包括信關(guān)站設(shè)備、船載設(shè)備、站址勘察、安裝和部署等等。此外，O3b公司的合作伙伴還可提供全天時、全天候的監(jiān)控和維護(hù)服務(wù)。

　　O3b針對海事市場專門推出了波束跟蹤服務(wù)，在船舶正常的航行路線內(nèi)，O3b衛(wèi)星自動保持跟蹤，并保證船舶位于波束的中心。平均每隔兩小時，船舶向O3b星座報告其精度和緯度的更新數(shù)據(jù)。如果船舶臨時改變航線，跟蹤的波束也適時進(jìn)行改變。

　　針對海事通信，O3b有1.2m和2.2m兩種口徑VSAT終端，可實現(xiàn)前向350Mbit/s、返向150Mbit/s的標(biāo)稱速率。由ORBIT公司制造的OceanTRx 7-500終端的2.2m天線主要指標(biāo)如下。

　　O3b系統(tǒng)典型VSAT終端指標(biāo)

　　業(yè)務(wù)應(yīng)用

　　目前，O3b公司計劃利用已有的16顆MEO衛(wèi)星提供南北緯50°的寬帶覆蓋。

　　公司下設(shè)五大業(yè)務(wù)品牌：

　　✔ O3bTrunck，為地面電信運營商提供干線傳輸服務(wù)；

　　✔ O3bCell，為地面無線網(wǎng)絡(luò)運營商提供蜂窩網(wǎng)數(shù)據(jù)回程傳輸服務(wù)；

　　✔ O3bEnergy，面向石油和天然氣企業(yè)提供離岸平臺的通信服務(wù)；

　　✔ O3bMaritime，面向傳統(tǒng)海事市場用戶提供寬帶連接；

　　✔ O3bGoverment，面向美國國防部、國防信息系統(tǒng)局，以及美國的盟國政府機(jī)構(gòu)和非政府機(jī)構(gòu)提供寬帶服務(wù)。

　　O3b系統(tǒng)服務(wù)與應(yīng)用

　　后續(xù)建設(shè)

　　后續(xù)22顆O3b星座第二代衛(wèi)星包括12顆O3bN衛(wèi)星(與赤道平面保持零度傾角)和10顆O3bI衛(wèi)星(與赤道平面保持70度傾角)。第二代衛(wèi)星將采用更先進(jìn)的衛(wèi)星平臺技術(shù)，如使用全電推進(jìn)技術(shù)；每顆衛(wèi)星發(fā)射重量預(yù)計約1200kg，比第一代衛(wèi)星重500kg；衛(wèi)星軌道高度不變，但將新引入傾斜軌道，以實現(xiàn)近乎全球覆蓋。

　　O3bN衛(wèi)星將運行于赤道平面軌道，軌道高度8062公里，使用Ka和V頻段，使每顆衛(wèi)星的容量是第一代衛(wèi)星的10倍以上，具有提供衛(wèi)星寬帶通信的能力，支持海上、航空、移動回傳、IP干線和混合IP通信。用戶終端將位于北緯63度到南緯63度之間，通常由具有最佳視角（仰角）的活躍衛(wèi)星提供服務(wù)。

　　O3bI衛(wèi)星運行于軌道高度亦為8062公里、傾斜角度為70度的兩個圓形軌道面上，升交點赤經(jīng)為0到180度。O3bI衛(wèi)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(qū)，還將連續(xù)覆蓋美國50個州、波多黎各以及美屬維京群島。未來將在較高緯度安裝額外的網(wǎng)關(guān)設(shè)施，以支持緯度更高地區(qū)的用戶。與O3bN衛(wèi)星類似，O3bI衛(wèi)星也能提供寬帶通信能力，支持海上、航空、移動回傳、IP干線和混合IP通信。

　　O3b第二代衛(wèi)星的衛(wèi)星控制中心位于盧森堡的貝茨多夫，備用設(shè)施位于美國弗吉尼亞州的馬納薩斯。網(wǎng)絡(luò)運行控制中心位于馬納薩斯，其備用設(shè)施位于貝茨多夫。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面線路或安全的Internet虛擬專網(wǎng)連接。

　　在衛(wèi)星有效載荷方面，O3b第二代衛(wèi)星具有靈活的波束形成能力，可實時實現(xiàn)每顆衛(wèi)星超過4000個波束的形成、調(diào)整、路由和切換，以適應(yīng)任何地方的帶寬需要，性能將比第一代衛(wèi)星明顯提高。

　　其中，O3bN衛(wèi)星將使用V頻段，上行頻率為47.5~50.2GHz和50.4~51.4GHz，下行頻率為37.5~42.5GHz，如下圖所示為O3bN在V頻段的頻率規(guī)劃。所有任務(wù)階段中，TT&C操作將在Ka頻段中完成。由于O3bN衛(wèi)星使用數(shù)字信道化器，信道帶寬在RHCP和LHCP時從衛(wèi)星到地面方向在37.5~42.5GHz間變化，從地面到衛(wèi)星方向在47.2~50.2GHz以及50.4~51.4GHz間變化。

　　其它信息

　　（1）O3b系統(tǒng)切換過程

　　O3b系統(tǒng)采用雙天線系統(tǒng)來實現(xiàn)用戶終端在不同波束和不同衛(wèi)星之間的切換，即先連接后斷開的方式，具體流程如下圖所示。

　　（2）規(guī)避對GEO衛(wèi)星系統(tǒng)產(chǎn)生影響

　　為了避免對GEO系統(tǒng)產(chǎn)生影響，O3b系統(tǒng)也采取了主動的波束避讓。從而最大程度的實現(xiàn)對現(xiàn)有和未來頻段資源的使用。