这种系统由通信卫星和通过该卫星连通的地球站两部分组成。卫星通信具有覆盖范围广、通信容量大、传输质量好、组网方便迅速、便于完成全球无缝连接等众多优点，实现从以往单一的地面接入，进阶至空（飞行、浮动基站）天（导航、通信、遥感卫星）地（地面基站）海（船上通信基站）均可接入。被认为是建立全球个人通信必不可少的一种重要手段。
卫星通信系统组成及分类
卫星通信系统由卫星端、地面端、用户端三部分组成。卫星端在空中起中继站的作用，即把地面站发上来的电磁波放大后再返送回另一地面站，卫星星体又包括两大子系统：星载设备和卫星母体。地面站则是卫星系统与地面公众网的接口，地面用户也可以通过地面站出入卫星系统形成链路，地面站还包括地面卫星控制中心及其跟踪、遥测和指令站。用户端即是各种用户终端。
按照通信卫星运行的轨道不同，通信卫星也可分为：
1）低轨道通信卫星（LEO）；
2）中轨道通信卫星（MEO）；
3）高轨道同步通信卫星（GEO）。
图1 卫星通信系统对比
总结来看，高轨卫星针对特定区域，在人口密度高的地方可以提供更大通信容量，对于流媒体等对延迟不敏感的服务，高轨卫星具有很高的效率。劣势是很多地方不能覆盖，例如高纬度地区和极地，延时长，高达 500-700ms。低轨星座优势是无处不在的覆盖范围和更低的延迟，能更有效地与地面系统集成。而劣势是在人口密度高的地方，没有足够的通信容量，又由于落地政策障碍和用户分布等问题，在很多地方是“空转”的，不能满负荷工作，星座利用率更低。
不同轨道卫星通信系统主要技术差异
从技术角度来看，低轨卫星通信系统与高轨卫星通信系统之间最主要的区别在于卫星轨道高度和单颗卫星通信能力，由此带来的具体的技术上的主要差异如下：
高轨通信卫星轨道高度为 35786 公里，每一跳（终端 - 卫星 - 终端）通信传输时延约为 270 毫秒。目前主流的低轨星座的卫星大多位于 1000~1400 千米上空，其通信传输时延一跳约在 7 毫秒左右，考虑到其他方面时延影响也可以做到 50 毫秒以内，与地面光纤网络的时延相当。
低轨星座宽带卫星轨道高度约为静止轨道卫星轨道高度的 1/30， 则低轨卫星信号自由空间损耗比静止轨道卫星少 29.5dB，这是低轨卫星系统实现终端小型化和高速数据传输的基石。
高轨卫星运动速度与地球自转速度相同，卫星 24 时绕地球一周，相对地面静止；低轨卫星运动速度约为 7.5 千米 / 秒，卫星 85~115 分钟绕地球一周，相对地球表面高速运动，从而带来多普勒频移、 地面终端天线指向跟踪、波束间切换等技术问题。
高轨通信卫星轨道高度高、对地视场大，部署 3 颗卫星即可实现对南北极点以外的全球覆盖；低轨通信卫星轨道高度低、单星对地覆盖较小，必须通过多星组网才能实现全球覆盖，避免遮挡带来的通信干扰问题，但也会因频率复用难度增大带来对通信体制更高的要求。
低轨卫星通信系统单星体积小、重量轻，通信能力弱，但整个系统通信容量较高。如 OneWeb 星座系统单个卫星设计质量仅 125kg，单星容量约为 10Gb/s，整个星座将具有 7Tb/s 的容量。Viasat-3 卫星系统由三颗卫星组成，单颗卫星设计重量约为 6400kg，单星容量约为 1Tb/s，整个系统具有 3Tb/s 的容量。
低轨卫星通信系统可靠性更高。第一，低轨星座卫星数量庞大，且分布于多个轨道面，任意一颗或几颗卫星损坏不会对系统造成大的影响；第二，低轨星座系统卫星造价较低，在轨一般都有多颗备份卫星，可以随时代替损坏的卫星；第三，低轨卫星成本低，研制周期短，卫星体积小、重量轻，轨道高度低，容易进行应急补网发射。
卫星通信系统主要频段
目前用于组建卫星互联网的通信卫星，一般运行在中低轨道（高度 500—36000km）由于通信卫星距离地面较远，而电磁波频率越低，传播的距离就越远，所以卫星通信会采用微波频段，通信频率高达 5GHz~40GHz，而高频就意味着带宽更大，传输速率就会更高，也就可以获得更大的通信容量（单位时间内能够传输的最大信息量）。
图2 不同卫星通信频段的应用情况对比
卫星通信从带宽的角度来看，可以分为卫星宽带通信和窄带通信。卫星宽带通信的工作频段较高，比如在 C 频段（5GHz）、Ku 频段（12-18GHz）、Ka 频段（20-30GHz）甚至更高，所以通信带宽可以高达几百 MHz，传输速率理论最高达到 1000Mbps 以上。主要用于在没有地面无线网络覆盖的地方，比如邮轮、民航客机、偏远地区等。但以往这种卫星宽带通信都需要一个体积较大的天线，无法随身携带。卫星窄带通信工作频段则一般在 2GHz 以下，比如 S、L 频段等，通信带宽一般低于 1MHz，实际传输速率一般不到 10kbps。卫星窄带通信主要用于物联网、卫星电话等应用，天线体积较小，发射功率也较低，终端设备可以随身携带。
随着在轨卫星数量持续增加，空间频段资源也逐渐稀缺，在卫星宽带的通信频段中，C 频段、Ku 频段、Ka 频段都逐渐饱和。因此，Q/V 频段由于带宽大、容量高等特性，是目前通信卫星领域主要布局的方向。为了应对未来更高速率的卫星通信需求，太赫兹频段也受到了关注，产业链厂商不少也在布局该频段的产品。
卫星通信发展历程
卫星通信发展其实已经有近 60 年时间，在苏联成功发射第一颗人造地球卫星 8 年后，1965 年国际卫星通信组织发射了第一代的 INTELSAT-1 国际通信卫星，标志着卫星通信的时代来临。
图3 卫星通信发展史上重要节点事件
事实上，进入 21 世纪，有了铱星系统的前车之鉴，后来的卫星通信公司的定位就开始转向为海洋、偏远地区等无地面网络的地区或应用提供服务，OneWeb、ViaSat、TeleSat 等卫星通信公司陆续开始组建自己的卫星星座。
而我国早在 2014 年就开始有构建卫星通信系统计划，目前国企、民企都有一些低轨卫星星座计划，比如国家队的虹云工程、鸿雁星座，还有去年星网集团立项的星网工程，计划建设一个包含 12992 颗卫星的庞大星座系统。民企方面，国内银河航天、吉利旗下的时空道宇等，都有各自的低轨通信卫星星座计划。
另外，卫星通信也逐渐开始进入到智能手机等消费电子终端上。2022 年 9 月，华为与北斗的卫星星座合作，推出了世界上第一款在 ASEA（东南亚国家联盟）地区支持紧急卫星通信功能的智能手机 Mate 50 系列。随着户外需求持续增长，华为在 2023 年还将推出带有卫星通信功能的智能手表。2023 年 4 月，3GPP 完成 5G R17 标准的冻结，引入了卫星通信的新特性，对面向非地面网络（NTN）的 5G NR 提供支持，包括智能手机、支持 eMTC 和 NB-IoT 的物联网设备等都可以实现低速率的卫星通信。未来，发展空天地一体化架构的网络将会是下一代 6G 移动通信标准的一个明确方向。
卫星通信产业链介绍
卫星通信产业链冗长，从卫星制造到发射，从地面设施和终端再到卫星通信运营和服务，每个部分都是一个完整的产业链。我们将卫星制造、发射的部分归纳到卫星通信产业的上游部分，中游则是卫星通信运营和服务，下游是卫星通信地面终端与应用，分析产业链的重要组成部分以及相关主要企业。
卫星通信产业链上游主要包括卫星制造以及卫星发射两部分。
首先，关于卫星制造。通信卫星一般由卫星平台和通信载荷两个部分组成。其中卫星平台是由卫星的主体和保障系统组成，其中包括多个系统，比如姿控系统、电源系统、结构系统、热控系统、星务系统、测控系统等。
卫星载荷是指在卫星平台的基础上，安装一些设备而满足特定任务或功能的需求。对于通信卫星而言，其载荷就主要包括转发器和天线系统，满足对通信信号中继转发的功能需求。
根据艾瑞咨询的数据，一般情况下定制卫星的成本结构中，平台以及载荷两个部分各占 50%；在定制卫星形成一定规模的批量生产时，平台成本被分摊，在单个卫星中的成本占比可以下降到 30%；而对于商业卫星公司而言，理想情况下平台占卫星总成本的比例低至 20% 左右。
目前通信卫星的研发制造成本主要受到生产规模的限制居高不下，但随着近年海外卫星网络公司包括 OneWeb、星链等卫星星座组建需求下，低轨通信卫星大批量生产的实现让卫星的制造成本持续降低。国内方面，关于低轨通信卫星的公开信息并不多，根据银河航天的公开信息估算，该公司的第二代低轨宽带通信卫星单颗研制成本在 1000 万元 -1500 万元之间。但从目前的情况看，成本控制上面，海外企业要更加成熟。
其次，关于卫星发射。在卫星发射环节中，包括火箭和发射服务两个部分，其中火箭显然在卫星发射成本中占绝大多数，因此当前商业通信卫星行业的关注重点，其实是在于火箭的成本。火箭作为一个系统工程，基本可以分为设计、生产和测试三大阶段。根据艾瑞咨询《2021 年中国商业航天产业发展报告》数据，设计阶段的研发费用占一发火箭首型科研经费的70%，生产和测试占比为 30%。对于目前主流的液体火箭来说，在结构上的成本主要分为动力系统、电气系统、结构、地面系统这四个部分。其中动力系统占火箭整体成本的 70%，其次电气系统占 15%、结构约占 8%、地面系统约占 7%。
卫星通信产业链中游主要包含了卫星运营和服务，在卫星产业逐步成熟的过程中，运营和服务将会在产业链中占有巨大的价值。
作为运营的重要一部分，卫星测控将会首先受益。对于运行寿命有限的低轨通信卫星，通过地面测控站以及可靠的测控管理，是保障卫星在轨正常运行的关键。低轨通信卫星的在轨数量越来越多，而很多规模较小的商业卫星公司无力建设测控站，因此卫星测控需求初期需要依赖第三方商业测控公司。
与此同时，通信卫星星座目前还在加速建设中，未来随着卫星星座陆续完成组建，卫星通信产业链中运营和服务端、设备端等的占比还将会小幅提高，同时整体运营和服务市场的规模也将会持续大幅上升。按照运营模式区分，卫星通信运营商可以主要分为自有卫星和代理（租用卫星）运营两种。
卫星通信产业链下游主要为地面运维系统。地面运维系统主要是信关站，信关站是连接卫星和地面网络的中转站，即卫星通信的网络需要用信关站将其数据连接到地面的公共网络中。信关站容量较大，一般配置大口径天线，负责卫星通信业务数据的分发和收集，同时具备网络管理和运行控制等功能，可以完成资源调度、系统设备管理和用户服务管理。主要由射频分系统、基带分系统组成，其中射频分系统包括天线、射频部件和中频部件等。
固定终端在卫星通信固定终端上，根据卫星的类型不同也有一些差异。比如高轨道的GEO卫星，地面终端可以较为简单，技术成熟；但 LEO 卫星的固定终端则需要配备伺服跟踪系统，或是相控阵天线，以保证稳定的数据传输。因为受到功率限制，目前低轨卫星宽带应用上还需要固定天线终端来接入。随着卫星互联网用户量的增长，相关固定终端也将会持续迎来爆发式增长，需求带动相关的相控阵天线组件以及 T/R 芯片的厂商。移动终端自华为和苹果陆续推出了支持卫星紧急通信的手机后，卫星通信移动终端热度迅速爆发。当然，前面也提到由于受到功率和天线体积的限制，手机等移动终端还难以实现卫星宽带连接，目前主要以紧急通信应用为主。事实上，更成熟的卫星移动通信系统也早已普及，市场上的便携式卫星电话产品已经非常成熟。卫星通信终端方面，国内也有不少终端设备厂商。相对于传统的固定站，通过减少设备重量和体积，并保持通信信号的高质量，便携式卫星通信终端可以为卫星通信扩宽更多使用场景。
卫星通信市场分析
从卫星通信的应用场景来看，现阶段正在大规模建设的卫星宽带通信系统主要会面向偏远地区的宽带连接。中国国际发展知识中心在 2022 年 6 月发布的《全球发展报告》中指出，截至 2021 年底，世界上仍有约 38% 的人口，即近 30 亿人无法连接互联网，其中 96% 生活在发展中国家。
尽管各界努力弥合数字覆盖鸿沟，但受到多方面的因素影响，互联网覆盖依然存在很多难题：一些国家和地区互联网接入成本相对于收入占比过高、无法负担智能手机等移动终端成本；一些偏远地区或人口稀少的地区也难以建设和维护地面网络，有数据显示，全球超过 70% 的地理空间还未实现互联网覆盖。所以，未来通过低轨卫星通信接入互联网，与地面网络互补，才有可能实现全地域的互联网覆盖，将数字红利带到欠发达地区。
卫星通信还可以应用到物联网领域，由于一些物联网应用远离城市，比如农业、交通运输、公共设施等，需要卫星通信覆盖这些区域和应用。根据 NSR 数据，2021 年卫星物联网市场规模约 8 亿美元，市场主要集中在北美和欧洲，预计到2030 年市场规模增长至 22.7 亿美元，2021—2030 年复合增长率达到 11.6%。另外，政府应急通信和特种需求也会是卫星通信其中一大市场。NSR 预测，未来五年特种需求市场的卫星通信将会从卫星固定业务到高轨高通量卫星，再到低轨高通量卫星驱动的转变，预计到 2029 年市场规模会突破 100 亿美元。
卫星通信技术应用领域分析
卫星通信技术广泛应用于国际通信、国内通信、军事通信、移动通信和广播电视等领域。随着技术的发展，卫星通信系统也在不断进步，例如，数字卫星通信技术的发展使得卫星通信在电视广播、中低速率数据通信、Internet 接入和宽带多媒体等通信领域得到了迅速发展。
卫星通信的应用场景包括军用场景及民商用场景。
信息化战争需求打开军事通信卫星应用空间卫星通信系统是指挥控制的重要手段，在全球范围内为指挥官提供极为灵活的信息传递能力，在复杂的战场上快速传送语音、图像、视频和决策数据，在战略通信、战术通信、保障海外作战、特别是空中和海上行动方面，具有不可替代的作用；例如，1991 年爆发的海湾战争，70-80% 的战时信息传输由卫星通信完成，美军及其盟军共运用了九个系列共 23 颗通信卫星。
军事卫星通信提供了其他武器系统所依靠的核心基础设施服务。各级作战部队都依赖军事卫星通信进行空中、海洋和陆上领域的可靠的全球通信，现代战争对军事通信卫星的依赖性越来越强。
高业务密度地区：一般是指国家、地区骨干网覆盖区域，采用卫星通信的经济性较差，一般只作为地面网故障时的备份；
低业务密度地区：使用卫星系统比建设地面网更经济，得到广泛应用；“无缝”覆盖场景：随着全球对移动通信和高速数据交换的需求迅速增长，宽带多媒体卫星通信系统和移动卫星通信系统应用领域需求增长，卫星通信要求实现“无缝”；某些类型的业务和应用场合：例如电视直播、视频广播、国际通信等，卫星系统具有一定的优势；在抢险、防灾、救灾、处理突发事件等应急通信中发挥了重要作用。
卫星通信应用领域包括视频业务、宽带接入、海事通信、机载通信、政府及特种市场、企业网络、中继回传、卫星移动业务以及卫星物联网九大方向。
图4 卫星通信应用领域及现状分析
卫星通信行业展望
融合化方面，包括地面网络与卫星通信网络的异构融合、行业解决方案中传统解决方案与卫星解决方案的融合、卫星通信技术与人工智能技术的融合等。工信部在《“十四五”信息通信行业发展规划》指出，我国信息通信行业过去五年虽取得显著成就，但还存在一些短板和弱项，比如在国际海缆、卫星通信网络和云计算设施全球化布局尚不完善，为此，需要加快布局卫星通信。根据工信部规划，至 2025 年，我国卫星通信网络建设要初步形成覆盖全球、天地一体的信息网络，为陆海空天各类用户提供全球信息网络服务。此外，“空天地海一体化网络”为未来 6G 无线网络最有可能的核心概念，移动通信终端与卫星通信的结合必然会是技术大趋势之一。
易用化方面：小型化、自动化将是卫星通信终端发展的主要趋势。要实现规模化发展，终端的“易用”将是重要决定因素。同时，卫星通信也难实现不换卡、不换号，同时享受普华有策地面和卫星网络服务。从产业发展的角度来看，主要可以从卫星星座、通信频段以及卫星终端三个方面分析。
卫星星座方面，未来可以采用低轨星座、中轨星座和 GEO（地球同轨卫星）星座的组合形成混合星座模式构建一张混合网络，可将多轨道卫星的优势相结合，为客户提供最好的服务。混合星座网络配置的中心是不仅能够满足日益增长的网络需求，同时又需要具备经济性的卫星集群。尤其对于企业和政府，混合星座网络可提供冗余和弹性，确保无论发生什么情况都能保持连接。
在通信频段方面，由于空间频率资源有限，目前主要使用的 C、Ku 和 Ka 频段预计未来将无法满足不断增加的卫星通信需求，因此 Q/V 频段预计将成为下一代通信卫星的技术方向。同时，为了应对未来更高速率的卫星通信需求，太赫兹频段（0.1-10THz）也受到了关注。在太赫兹频段上，卫星通信可提供更大容量以及 10Gbps 以上的高速传输，产业链厂商不少已经在布局该频段的产品，但距离大规模应用预计还有很长一段时间。
卫星终端方面，随着华为和苹果的入局，相关芯片产业链走向成熟，智能手机以及智能手表等设备上的卫星紧急通信功能会逐步下放至更多机型中。
简而言之，随着越来越多的低轨卫星星座组建以及低轨卫星宽带通信的成熟，卫星互联网接入的规模将会迎来红利期。加上卫星制造水平的提升以及火箭发射成本的下降，使得通信卫星运营商建设星座投入成本降低，能够提供的通信容量不断增大，单位服务成本不断降低，用户的使用成本持续下降，卫星应用范围将大幅拓展，整个卫星通信的产业规模也将进一步扩大。
来源：中国物联网产业创新白皮书/我思我想
