目前，中国许多单位已经提出了鸿雁星座、虹云工程等低轨星座计划。本文针对我国低轨通信星座的发展，从频率、应用定位、系统实用性等方面探讨了整体设计应注意的问题，提出了以移动通信为中心、多功能综合、宽带通信兼顾、规模逐渐扩大的低轨星座发展建议，提出了空间网络、全球服务、频谱感知、频率共享、宽窄结合、合作应用的整体设计构想。
低轨星座通信设计应注意的问题。
频率问题。
频率轨道资源是低轨道通信星座发展不可或缺的战略资源。目前，我国提出的低轨通信星座计划，频率资源问题是后续系统建设和应用面临的最大瓶颈，支持卫星移动通信的l、s频带、宽带互联网访问的Ku、Ka频带。从目前频率划分形势来看，发展中国低轨星座，一是在ITU规则下，通过先进技术(例如频谱感知、更高频率技术等)、双边合作等手段推进频率国际协调，二是研究ITU规则，与时俱进提出规则修改建议和建议，为我们和后来者留下一定的发展空间。
应用定位问题。
从目前国外典型的低轨星座发展来看，应用定位基本上可以分为两类。一种是面向群众服务的星座。一般采用常态化无缝复盖设计构想，卫星束设计一般是固定指向，典型的Iridium、OneWeb星座等，支持世界无缝复盖。另一种是面向部分高端用户服务的星座。其特点是用户数量有限，单用户对传输能力要求高，服务用户群主要以高端和高价值目标为主。这种星座一般采用世界上可以达到的高频带移动点波束的设计构想，如LEOSat系统。
从国外典型的系统来看，面向不同的应用定位，星座整体的设计构想也不同，即使应用定位相似，但由于频带的不同，系统实现的差异也非常大。对于我国的低轨星座设计，首先要明确应用定位，其次要综合考虑技术渠道在技术风险、经济性等方面对工程实现的影响。
系统的实用性问题。
低轨通讯星座，尤其是宽带互联网低轨星座的系统设计，需要考虑系统运行后能否提供稳定的服务，如何大规模应用等问题。
关于Ku、Ka等高频带的低轨道网络星座，目前申报资料中的卫星数量多为数百颗、数千颗，另一方面提高了面向用户的常态化无缝复盖能力，也有助于实现频率干扰的协调和回避。
与GSO卫星共线干扰回避的星地合作切换示意。
关于Ku、Ka等高频带的低轨道网络星座，大众用户需要解决动中通和低成本两个重要技术。由于低轨卫星相对地面的高速运动，所以所有地面站都必须具备动中通这样的追踪指向能力。难点是地面站天线的体积、质量和功耗(SWaP)的设计和低成本的设计。
对于宽带互联网星座设计来说，从降低地面应用的复杂性和地面站的成本，一是需要注意地电扫描天线的低成本设计；二是星座卫星的数量应尽可能多，降低地面站在切换卫星时的角度变化范围，有利于天线的小型化和低成本设计。
2的双曲馀弦值。2的双曲馀弦值。
低轨道通信星座整体设计的一些想法。
考虑应用的定位。
发展低轨道星座通信首先要解决通信世界无缝复盖、世界服务的问题。目前，中国GEO通信卫星轨道主要在国土可见范围内，即使在70°(S)~70°(N)范围内也无法实现全权复盖或全权复盖，南北极复盖更加空白。
在支持业务方面，必须逐步发展，逐步提高能力。第一阶段以移动通信和物联网数据采集服务为主，低轨道通信星座的显着特征和优势是轨道低，空间传输损失小，有利于地面终端的小型化、低功耗设计，是个人卫星移动通信和小目标类卫星物联网数据传输的最佳手段。同时，基于低轨通信星座无缝复盖和全球通信的优势，通过承载ADS-B、AIS、导航增强等负荷，提供多功能综合信息服务能力。
第一阶段的研发建设应兼顾宽带通信业务，但应定位于弥补GEO卫星通信覆盖面的空白和提供能力的增强为主，为高价值或高端用户提供按需实时服务，而不是一开始就为大众提供服务的互联网星座，形成与国内外GEO-HTS系统、OneWeb系统类似的国外LEO-HTS系统市场竞争的局面，提高系统研发建设和运营的风险。
整体的设计构想。
(1)空间网络，全球服务。
为了支持空间网络，我国低轨星座通信的构造设计采用了具有良好垄断特性、星间拓扑结构比较稳定的近极轨道。在星际链接和星际处理能力的设计中，除了移动业务外，还需要考虑宽带业务的星际传输和交换。例如，采用60GHz毫米波和激光星际链接，提高星际链接能力。
(2)频谱感知，频率共享。
针对可用频率资源稀缺、协调困难的现状，设计上考虑采用频谱感知信号检测技术，实现与其他卫星网络的无干扰/低干扰共存。根据频谱感知，选择空闲载波进行业务传输，实现低轨卫星移动通信星座与现有GEO卫星移动通信网络的同频带共存。另外，利用ITU落地功率谱小于噪声功率谱6%的规则，采用宽带扩大频率的方式，构建可靠、全球垄断的控制命令传输网，为避免频谱感知的干扰提供控制命令传输。重点突破星载即时频谱分析处理、星地一体资源动态实时分配等技术，在实现干扰规避的情况下，为用户提供不间断的服务。
(3)宽度狭窄综合，共同应用。
根据目前我国有关机构提交的NGSO申报资料，移动通信以l频带为主，宽带通信以Ka频带为主。基于l频带的多波束设计，移动通信可以实现世界无缝复盖。Ka频带波段狭窄，卫星数量不足，单颗卫星能力受到限制时，难以实现世界无缝复盖，为了满足高价值和高端用户的世界服务，系统需要采用调整波段，必要时提供实时服务。结合宽带
(4)软件定义、功能重建。
低轨星座卫星负荷在设计上需要考虑支持轨道软件的定义和功能重建，在卫星寿命周期内，实现星际通信资源的高效按需调整和配置，能够根据不断变化的应用需求进行调整。具体设计主要包括波束复盖灵活性、频率带宽配置和分配、功率分配、星载灵活交换、空口体制重建等。采用数字阵列天线技术，根据地区、用户业务量变化的需求，支持波束按需动态垄断。
(5)体制融合，天地融为一体。
在系统结构设计方面，面对未来的运营和应用，采用与5G兼容的访问网+核心网+软件定义网(SDN)/网络功能虚拟化(NFV)设计，与地面5G共享核心网，支持与未来地面5G移动通信网的融合。在空口波形设计中，参考5G成熟的波形设计，如正交频率重复使用(OFDM)、Polar代码等，适应性改善低轨星座多普勒频率移动大、传输时延长等特点，其中随机访问、闭环控制和混合自动再传输等。
