对于通信卫星来说。NGEO 通常就分为LEO 和MEO 两种，如图：

在通信卫星领域通常不说20000km 以上是高轨道卫星。原因是发射到20000 公里以上的通信卫星成本与GEO 卫星差不多，不如干脆发一颗GEO 卫星更合算。但是导航卫星例外，因为轨道越高卫星位置精度越容易控制得精确，而太高又不利于地面微小接收器的接收，又要避开外范艾伦辐射带，因此GPS 卫星轨道高度选择21300-21500km 。中国北斗系统中的NGEO 卫星选择的轨道高度也与GPS 差不多。

长期以来一直有人研究如何能够在范艾伦带中长期生存的人造地球卫星技术，比如美国国家航空航天局（National Aeronautics and SpaceAdministration ，缩写：NASA ）。

NGEO 大多数是圆轨道，但也有例外，比如前苏联的闪电号卫星（Molniya ）。前苏联遇到一个棘手的卫星通信轨道设计难题：该国横跨11 个时区，其位于太平洋的港口靠近北纬60 °，西伯利亚的广阔区域都位于北极圈内。赤道上空的同步轨道对于这样的区域覆盖并不理想。闪电号卫星因此采用了长椭圆轨道，其近地点为500km ，远地点为39152km ，周期11 小时38 分钟。用这样的轨道让卫星有近9 小时的时间位于北半球，而且卫星位于北半球高纬度时相对地球运动较慢，容易被地球站跟踪。采用3 颗这样的卫星，就可以轮番的方式24 小时覆盖从北纬30 °到北纬90 °的高纬度地区。因此，NGEO 轨道的椭圆率也一个参数。

NGEO卫星的另一个重要参数是轨道倾角：轨道平面与地球赤道的夹角，剖面图如下：

对于某些特殊的NGEO 卫星，比如利用可见光的对地观察卫星，或者某些气象卫星，还会采用一种特殊的卫星轨道——太阳同步轨道。如下图中的A 轨道和B 轨道：

其中A 轨道总是沿着地球的阴阳界线飞行，卫星的太阳能电池板会始终被太阳光照射。B 轨道有一半时间背着太阳观察地球，因此特别适用于对地的可见光观察卫星。要在地球绕着太阳公转的条件下实现太阳同步轨道，就必须使卫星轨道平面具有一种随着太阳公转的“旋进”运动。这时卫星轨道倾角是变化的。

卫星轨道设计理论是比较深奥的。不过借助一款商业软件——卫星工具包（Satellite Tool Kit ，缩写：STK ），设计一个较好的星座也不太难。STK 是美国Analytical Graphics 公司开发的一款在航天领域处于领先地位的分析软件，支持航天任务的全过程，包括设计、测试、发射、运行和任务应用。现在许多工程任务某种程度上就是如何玩好一系列商业软件。

NGEO 卫星还有一个重要参数——对地覆盖，即足迹（footprint ）。比如铱星就是一种典型的大型LEO 卫星的足迹，它由48 个波束组成：

微小型LEO 通常只能采用简单的单波束足迹。因为要实现铱星这样的足迹，通常卫星上需要用到复杂的相控阵天线。这样的相控阵天线微小型LEO 一般是“驮”不动的。采用相控阵天线不仅可以形成复杂的足迹，而且可以进行波束扫描，还可以用来抵消来自地面的强干扰等等。甚至这些“动作”都可以由卫星“自适应”完成，无需地面控制中心给予指令。作者后面会专门用一篇科普文章描述相控阵天线。

有了以上基本常识，接下来咱们一起聊聊一些主流的NGEO 系统。

说到LEO卫星就不得不提的常青树：Argos系统。Argos系统是1978年由法国和美国联合建立的一个非盈利系统，利用轨道高度850 km的LEO卫星传送各种环境监测数据，包括气候变化监测、海洋与气象监测、生物保护、水资源监控、海上资源管理和保护等等。2013年至少有8颗Argos 卫星处于工作状态，Argo-4即将部署。到2012年6月有7000个海上终端正在使用。

、

还有7400 个动物追踪器在使用：

还不得不说20 多年前的那一场低轨卫星盛宴：1997 年三个LEO 星座——铱星（Iridium ）、全球星（Globalstar ）和轨道通信（Orbcomm ）都展开了高密度的发射：铱星发射了40 颗，全球星发射了20 颗，轨道通信发射了18 颗。铱星从1997 年开始发射的，1998 年星座部署完成。全球星则在第二年完成了部署。轨道通信卫星的第一代星座同样是在1997 年开始发射，1998 年进入发射高峰，到1999 年建设完成，而且三个系统都进入了中国市场。

其中除了铱星以外，其它2个系统都没有星际链路。比如Globalstar：

图中从①到⑥的通信路由要经过两个卫星和两个信关站（gateway）落地，中间还要经过公共交换电话网（PSTN）。一来是因为Globalstar卫星轨道高度高，波束覆盖范围大，更主要的原因是这样做系统简单，成本较低。

Orbcomm终端是与飞过来的卫星通信，卫星存储终端的短数据然后飞到信关站时传给相关站。

终端到卫星是采用SDPSK 调制的2.4kbps 速率数据；卫星到终端是采用SDPSK 调制的4.8kbps 速率数据；卫星与信关站是采用OQPSK 调制的57.6kbps 速率数据。

3 个系统中Iridium 最复杂先进，Globalstar 折中，Orbcomm 是低成本的。结果，Iridium 在1999 年8 月申请破产保护；Orbcomm 在2000 年9 月申请破产保护；到2002 年2 月，Globalstar 也未能幸免。三个星座的失败，导致其它LEO 计划被放弃，比如Skybridge 、Teledesic 。如此高、中、低档的系统先后失败，难道仅仅是因为商业因素吗？作者认为这些系统没有替全球用户安排合理的信息保密解决方案，很可能才是它们失败的最根本的原因。

这一场盛宴落幕差不到20年，埃隆.马斯克来了。

马斯克的火箭回收技术，使得卫星发射成本下降近90% ，颠覆了整个行业。正是他的创新，导致了又一波LEO 卫星盛宴。

2017 年3 月，SpaceX 向美国联邦通信委员会（Federal Communications Commission ，缩写：FCC ）提交了Starlink 二期星座申请。该星座将采用Ku 、Ka 和V 频段，卫星使用相控阵天线，可以向多个用户提供微波信号瞄准。所有的卫星之间将互相通信形成网络，不同轨道之间的卫星也可以互联消除延迟，最终可以实现向全球任意地区的用户提供1Gbps 带宽的互联网服务。用户将从SpaceX 购买一个披萨盒子大小的终端，使用性能更强的相控阵天线把微波信号转换成普通WiFi 信号供用户使用。星座将由7518 颗卫星构成，分为24 个轨道面，轨道倾角53 度，每个轨道面66 颗卫星，轨道高度550 公里。最终要发射12000 颗卫星。

两颗试验星Microsat-2A 和2B 于2018 年2 月23 日发射升空，卫星重约400 公斤，设计寿命6 —12 个月。星体收拢状态尺寸为1.1m ×0.7m ×0.7m ，配有2 副尺寸为2m ×8m 太阳电池翼，星上载有Ku 频段的相控阵天线以及激光星间链路发射接收设备，此外，还载有一个低分辨率的成像系统。后来又经过5 轮1 箭60 颗卫星发射成功。据报道，在2020 年3 月15 日23:48 分，位于美国肯尼迪航天中心的SpaceX 猎鹰9 号火箭，在点火倒计时完成后，发射程序被自动终止，导致发射任务失败。据悉，此次猎鹰9 号是第六批1 箭60 颗卫星发射计划。如果发射成功，Starlink 卫星数就将达到360 颗卫星，能够为美国加拿大部分地区提供上网服务。

再来，OneWeb 公司是由Greg Wyler 于2012 年创建，利用大规模低轨卫星提供全球宽带通信服务。OneWeb 星座原计划发射900 多颗卫星，分别分布在18 个圆轨道面上，每个轨道面49 颗卫星，轨道高度约为1200km ，倾角87.9 °，相邻轨道面间隔约10.15 °。利用其高吞吐量Ku 波段有效载荷，为家庭和移动平台提供互联网接入。后期由于验证星的性能优于预期，公司宣布组网卫星数量降低到650 多颗，后期逐步增加到900 多颗。首批6 颗OneWeb 试验卫星于2019 年2 月27 日，在法属圭亚那库鲁航天中心ELS 发射工位，一枚俄罗斯制造的联盟ST-B 运载火箭（带微风-M 上面级），以一箭6 星的方式，把OneWeb 公司的6 颗技术验证星送入预定轨道。卫星重约148 公斤，设计寿命约7 年，卫星配有高通量Ku 频段有效载荷，每颗卫星的传输能力至少为8Gbps 。

2020年2月6日，在哈萨克斯坦拜科努尔发射场，一枚俄罗斯制造的联盟2.1B运载火箭，以一箭34星的方式把OneWeb公司的第二批卫星，同时也是第一批业务星送入了轨道高度为1200公里的轨道。OneWeb技术细节如下：

波音公司计划在1200 公里高的轨道上部署一系列v 波段卫星，2017 年波音公司向FCC 提交V 频段低轨星座运营申请，在之前公布的星座计划中，卫星星座第一次拟先部署1396 颗卫星，分别分布在35 个轨道倾角为45 °的轨道面和6 个倾角为55 °的轨道面上。一旦证明计划合理，余下的1560 颗卫星也将部署，将再增设12 个55 °倾角、高度仍为1200 千米的轨道面，并加设21 个88 °倾角、高度1000 千米的轨道面。

卢森堡的低轨卫星公司（LeoSat ）计划部署108 颗星，分布在1400 公里的LEO 轨道上，星座采用了6 个轨道面，每个轨道面上部署18 颗卫星。LeoSat 卫星由泰勒斯阿莱尼亚空间公司(ThalesAlenia Space) 生产制造，卫星采用ELiTeBus-1000 平台，铱星、全球星和O3b 卫星都采用此平台。星座内每颗卫星支持10 个ka 波段可控天线，每一个天线都能为为客户终端提供50 Mbps 和1.6 Gbps 的对称数据连接；具有两个可控制的网关天线，总吞吐量可达10Gbps ，同时有4 条光学卫星间链路。

TeleSat 在2016 年11 月公司向美国联邦通信委员会（FCC ）提交的申请文件中，公司声称卫星星座至少由117 颗卫星组网。卫星轨道分为两种，倾角99.5 °的极地轨道将分6 个轨道平面，每个轨道面至少使用12 颗卫星，轨道高度为1000 千米；倾角为37.4 °的倾斜轨道包括5 个轨道平面，每个轨道面上9 颗卫星，轨道高度1248 千米。后续Telesat LEO 副总裁欧文•哈德森(Erwin Hudson) 在2018 年9 月举行的《世界卫星商业周刊》会议上表示，未来低地球轨道宽带星座的预期规模是FCC 授权卫星数量的两倍多，大约292 颗，最终可能扩大到512 颗。目前Telesat 制造了2 颗试验卫星，第1 颗试验星由多伦多大学航空航天研究所(University of Toronto Institute for AerospaceStudies) 太空飞行实验室建造，但是在2017 年11 月28 日发射时由于俄罗斯火箭事故已经损毁。另一颗试验星LEO Vantage 1 由英国萨里卫星技术有限公司建造，于2018 年1 月12 日成功发射。这颗卫星重约168 公斤，星上配有高通量ka 频段有效载荷和激光星间链路发射接收设备。

谷歌的O3b 计划，即无法享受常规互联网宽带接入服务的“其他30 亿人”（Other three Billion ）。2010 年启动，计划由16 颗卫星构建全球星座通信系统，目前已发射12 颗。单星质量低于700kg ，设计寿命10 年，运行于8062km 的MEO ，覆盖南北纬45 °内的区域，极限覆盖范围为62 °。每颗卫星拥有12 副Ka 频段天线，可形成2 个关口站波束和10 个用户波束，每幅天线可±26 °旋转，跟踪地面固定位置，波束覆盖直径为700km 。星上拥有12 个65W 行波管放大器，点波束采用左旋和右旋圆极化技术，单波束可用带宽为2 ×216MHz ，信息速率高达2 ×800Mbit/s 。星座采用弯管式透明转发体制，没有复杂的星上处理，因此在全球建立了多个关口站，用于构建O3b 地面骨干网，卫星与关口站互联形成全球网络，为用户提供灵活、可靠、安全的互联网接入服务。此外，O3b 提供形式多样的终端以满足不同用户的需求，通过采用先进技术，使得终端带宽利用率高、布置简单、供应可靠、并且易于维护。O3B 最终将采用LEO 、MEO 和GEO 星座组合的方案：

2016 年欧洲卫星公司（SES ）入股O3b ，成为O3b 的控股股东。

由杰夫·贝佐斯创办的亚马逊公司也要投身于宽带互联网星座建设热潮。2019 年4 月亚马逊计划推出一项名为“Kuiper ”的全球卫星宽带服务。期间将投入数十亿美元发射3236 颗卫星，来为全球用户提供互联网宽带服务。Facebook 也有互联网宽带星座计划。

曾经破产的Globalstar 系统也回来了。美国劳拉高通卫星服务公司LQSS(Loral Qualcomm Satellite Service) 运营的GlobalSat 的Globalstar-2 系统于2010 年开始建设，并随着2013 年2 月6 日最后6 颗星的成功发射，从而完成了由24 颗卫星组成的低轨移动卫星通信星座的部署。Globalstar-2 卫星质量为700kg ，采用2 片3 联太阳能帆板，初始功率为2.2kW ，末级功率为1.7kW 。卫星轨道高度为1414km ，轨道倾角52 °。卫星采用简单、高效、可靠性强的“弯管式”转发器设计，装载多台C-S 频段和L-C 频段转发器。除南北极以外在全球范围内可实现无缝覆盖，提供低价的卫星移动通信业务，包括话音、传真、数据、短信息、定位等；提供的服务包括一键通与广播、先进的短报文能力（MSS ）、移动视频、多频段与多模手机、GPS 集成数据设备等，推出了基于卫星的WiFi 热点服务，用户直接通过智能手机安装APP 连接后就能上网，可以实现话音、邮件、短消息等。

Iridium 也回来了。Iridium 公司于2007 年提出下一代卫星（Iridium Next ），提供L 频段1.5Mbit/s 和Ka 频段8Mbit/s 的高速服务，采用48 个波束L 频段相控阵天线，覆盖地球表面直径达4700km ，可提供蜂窝模式卫星通信。Iridium Next 移动用户的最高数据速率可达128kbps ，数据用户可达1.5Mbps ，Ka 频段固定站不低于8Mbps ，Iridium Next 主要瞄准IP 宽带网络化。

Globalstar-2 、Iridium Next 、Orbcomm OG2 都是由SpaceX 发射的。

2019 年3 月25 日上午在IEEE 的发起下，全球第一届6G 无线峰会在芬兰召开，邀请了工业界和学术界发表对于6G 之最新见解和创新，探讨实现6G 愿景需要应对的理论和实践挑战。华为设想发射10000 多颗小型低轨卫星，实现覆盖全球6G 通信的设想，并且估算了成本——99 亿美元。据说华为计划在2030 年建成能够容纳1Tbps 传输速率的无线通信网络。

今天的局面绝非20年前可比。但是，在新冠肺炎疫情和“逆全球化”暗流涌动的今天，这一波狂欢结局会如何？不幸的是，被广泛看好的拥有众多如雷贯耳的合作伙伴的OneWeb，因为与其最大投资商日本软银（SoftBank）公司的20亿美元投资谈判失败。2020年3月28日OneWeb正式宣布破产。

难道当年Iridium 的悲壮故事会重演？最终会将SpaceX 拖下水吗？但愿作者没有一语成谶的本领！返回搜狐，查看更多