第 2 期 高梓贺等：低轨巨型星座体系架构设计与关键技术分析 ·47·

平面）分离的思想。将网络架构划分为数据平面和控制平

面，通过数据与控制相解耦，实现控制集中化，进一步利

用网络功能虚拟化解决多维异构基础设施带来的资源管

理难题，支持全局、宏观的网络资源调度以及敏捷、灵活、

按需的网络重构。结合人工智能技术对网络管控、运维等

带来的机遇，引入感知平面和智能管理平面，感知平面对

底层数据平面的网络资源状态进行感知，并在智能管理平

面进行学习、推理，最终生成面向业务需求的控制策略，

从而形成“感知−学习−决策”闭环的网络智能管控机制。

智能管理平面则利用丰富的算力资源，部署不同规模和

形式的智能训练、推理引擎，对感知数据进行分析，实

现业务意图和网络资源状态的分析、预测与匹配，形成

控制平面可执行的智能控制策略。控制平面是智能控制

策略的具体执行者，通过标准的接口将相应的动作决策

下发至数据平面，支持策略的实时精准下发。

感知平面通过对网络状态信息以及数据流信息进行

分析、挖掘、预测，实现对网络态势的感知。在现有网络

中，大部分网元节点并不具备可编程能力，其感知规则已

被嵌入设备，只能对网络状态信息和数据流信息进行被动

测量，通过自发地测量规则或接收来自感知平面发布的感

知指令，流经网元节点的网络状态、流量特征和性能参数

将被测量后上报给感知平面。对于具备一定编程以及计算

能力的网元节点，采用主动测量的方式能更加灵活准确地

获取网络状态信息和数据流信息，在主动测量中，网元节

点通过向网络中主动发送探测数据包，并根据其受网络影

响而发生的特性变化来分析网络行为。

数据平面主要负责网络中数据包的转发、处理等，是

星地融合网络的基础。其基于软件定义网络的架构，构建

星地融合网络数据平面。在数据平面，网元仅负责数据包

的转发、处理等，而不需要对上层网络控制功能进行嵌入，

其控制规则是由控制平面通过如 OpenFlow 等南向接口发

布的。网元根据控制平面发布的控制规则，对收到的数据

包进行转发、处理等操作。

控制平面连接智能管理平面与数据平面，主要功能是

将智能管理平面的控制决策映射至数据平面，通过南向接

口，控制平面将智能管理平面得到的控制策略进行下发，

实现对星地融合网络的全局控制。针对星地融合网络的多

层多域特性，采用集中式与分布式混合控制架构，根据时

空分布和网元功能对网络进行分域分层。多层多域混合式

网络控制体系是由域间控制系统、域内控制系统以及网络

终端节点构成的分层式架构。域内控制系统包括天基控制

器、地基控制器等，负责对所辖区域的网元节点进行控制

管理。域间控制系统由多个主控制器构成，负责对域内控

制系统进行控制管理，实现星地融合网络的跨域协同。

智能管理平面的功能是基于星地融合网络全局态势

图以及相应的业务需求，生成全局最优控制策略。智能

管理平面将感知平面收集的网络状态信息以及数据流信

息等网络态势信息进行汇聚、存储、管理，从中提取出

网络态势，构建星地融合网络全局态势图，从多个维度

对网络态势进行全息表征以支撑网络上层平面的控制、

管理、优化等功能。

2.2 星地一体化网络分层管控架构

在基于网络虚拟化实现异构网络设备资源池化的基

础上，网络分层管控架构采用软件定义网络设计星地融合

网络的组网控制机制。星地融合网络的空间段是由分布在

不同轨道上的卫星组成的，其网络节点的空间位置不固

定，星间链路持续性动态切换，导致天基网络拓扑大范围、

持续性动态变化，显著增加了星地融合网络自主管控的难

度。一方面，在大时空尺度下，传统软件定义网络集中管

控部署困难，难以保障业务的实时响应，需从管控灵活性、

实时性等角度设计合理的管控架构[10]；另一方面，与地

面网络相比，星地融合网络业务类型更加多元，业务处

理需求多样化，控制平面需要具备资源按需动态管控能

力，从而能够根据用户和业务的服务要求进行资源的按

需匹配。然而，天基网络资源时变特性增加了资源自动

化管理与编排的难度。

基于星地融合网络具有的高度复杂性、异构性和动态

特性等特点，本文提出基于地面管控层和空间管控层的星

地一体化分层分域网络智能控制架构，实现对全局网络的

层次化分布式控制。根据网络的时空分布特性，在地面管

控层、空间管控层划分相应的网络自主管理区域，构建域

内控制系统，对全局网络进行分域控制。

低轨星座网络星地一体化分层管控架构示意如图 2 所示。

（1）地面管控层

地面管控层是整个网络系统的业务中心和总控制中

心。地面总控制中心对整个网络管理与控制具有最高优先

权，是异构网络管理的控制核心。其中，网络运行控制中

心负责星地融合网络应用、任务管理、资源宏观调控、状

态分析与辅助决策等功能；网络管理与控制中心负责网络

资源的实时动态按需分配与监视、用户管理等功能。另外，

地面管控层的主控制器可以提供跨域网络信息访问服务，

对各域内网络进行集中式管控与跨域协同。针对多域网络

异构特性，为智能管理平面汇聚全局网络状态信息，实现

星地融合网络全局智能控制，需要建立网络状态信息统一

·48· 天地一体化信息网络 第 5 卷

描述方法，并采用分布式一致性算法进行地面控制器和空

间控制器的网络状态信息同步。

（2）空间管控层

空间管控层（星载网络管理控制中心）与地面管控层

建立有效而可靠的连接，接受来自地面管控层的指令与控

制，可通过数据接口和交互协议与星上其他设备（如星载

路由交换载荷等）进行数据交换，负责采集上述设备的有

关参数以及通过星务管理获取其他卫星设备信息。同时

该层负责根据管理计划控制星载设备以实现对空间网络

的性能管理、配置管理、故障管理以及相应的安全管理，

并根据网络管理协议对数据进行打包加密发送。

针对星地融合网络中复杂的协同关系，构建感知、

学习、交互、决策、控制为一体的统一智能组网框架，

智能管理平面基于感知平面的网络测量技术获取网络

状态信息并进行汇聚，与网络环境的交互中学习最优

控制决策，并通过控制平面将决策映射至数据平面，

实现星地融合网络的智能控制闭环。基于分层分域网

络智能控制架构，探索地面管控层与空间管控层之间

的集中式与分布式协作机制。在智能管理平面，从多

智能体协作决策角度出发，基于全局网络状态信息汇

聚，星地融合网络控制策略优化问题可以被建模为完

全观测的多智能体马尔可夫决策过程，智能体之间的

状态交互没有信息损失，因此能获取收敛到全局最优

的网络控制策略。

2.3 技术参考模型与协议体系

根据低轨巨型星座的组网体系“三层四面”构建思路，

本文对各层、各面的具体技术进一步分解，如图 3 所示。

资源层通过整合星座网络各类卫星节点、地面终端

节点等基础资源，实现网络化的信息收集、存储、处理、

传输、共享、分发、管理等功能，为星座网络运行提供

基础支撑。其主要包括卫星平台资源、波束资源、频段

资源、轨位资源，卫星节点计算存储资源、星间链路资

源和搭载系统载荷的其他卫星资源等。这些资源共同组

成了星座网络的节点资源和网络资源池，通过资源服务

接口为传送层提供底层服务保障。

传送层通过组织调度各类底层网络、节点资源，提供

动态、弹性、按需分配的传送服务保障能力，主要包括路

由解析、链路控制、指令转发、调度执行、数据计算、数

据存储、数据传输。传送层通过应用服务接口为业务层提

供统一的网络传输与计算存储保障。

图 2 低轨星座网络星地一体化分层管控架构示意

第 2 期 高梓贺等：低轨巨型星座体系架构设计与关键技术分析 ·49·

业务层指的是低轨大规模卫星星座为用户提供的各

类业务服务，包括信息推送服务、数据接入服务、组网传

输服务、安全传输服务等数据共享类服务，也包括信息融

合处理、信息综合研判等融合处理类服务。

感知平面主要功能是根据系统资源和数据对系统的

业务、性能、状态进行感知，为其他平面提供输入，具体

感知方面包括网络业务感知、算力性能感知和健康状态感

知、安全状态感知几个方面。在网络业务感知功能中，感

知平面需要对系统内的用户业务（包括通信业务和网络业

务）进行分类；在算力性能感知功能中，感知平面需要依

托资源层的输入（资源感知结果），对系统的算力、通信

等性能进行定量评估；在系统健康、安全状态感知功能中，

感知平面需要结合资源感知的结果对系统的健康、安全等

状态做出综合判断。感知平面作为数据平面的第一道出口，

将各类数据转化成感知结果提供给智能管理平面进行决

策。

智能管理平面的主要功能是根据感知平面的输入，对

系统的各类资源进行智能调度，主要功能包含方案提供、

任务规划和事件处理等。在方案提供功能中，智能管理平

面需要根据网络业务感知结果和系统算力性能感知结果

使用智能算法，提供对系统资源的调度方案，包含智能波

束调度、智能任务规划等。在事件处理功能中，智能管理

平面需要根据状态感知结果对系统遇到的健康、安全等事

件进行处理，输出解决方案，建立对应事件的策略库。智

能管理平面输出的解决方案将由控制平面执行。

控制平面的主要功能是将智能管理平面输出的解决

方案和自身产生的一些基本方案转化为控制决策映射至

数据平面。通过南向接口，控制平面将控制决策进行下发，

实现对网络的全局控制。其按照“分级控制、跨域联合”

思路，从资源管理和服务管理两个方面，提供网络/节点/

用户管理、测控管理、配置管理、入/退网管理、认证/鉴

权/授权、呼叫业务处理、会话业务处理等一体化、多层次

系统资源集成管控。具体来说，感知平面将感知到的用户

需求上注；星座网络基于协同传感规则，在智能管理平面

根据用户需求进行总体任务规划；调配卫星资源，生成对

应调度策略，传送至控制平面；控制平面根据调度策略生

成卫星任务指令，传送到数据平面执行。

根据低轨大规模卫星星座组网体系架构设计，结合国

内外现有标准情况的调研分析，本文对大规模卫星星座的

协议标准体系进行了初步梳理，如图 4 所示。

3 低轨巨型星座关键技术分析

低轨巨型星座发展迅猛，相比于传统数百颗卫星组成

的卫星星座，其论证、建设、运营等均具有极强的技术挑

战，并且卫星数量激增也给网络管控、网络安全等带来新

的要求。由于低轨巨型星座涉及的关键技术诸多，这里仅

从星地融合组网体系架构、编址路由与网络鲁棒性敏捷保

障、差异化业务承载与端到端可靠传送、体系建模仿真等

4 个方面进行阐述。

（1）星地融合组网体系架构设计技术

在低轨巨型星座组网体系架构设计方面，一是要满足

未来 6G 愿景下全球全域覆盖的应用目标，与地面网络进

图 3 网络技术参考模型

·50· 天地一体化信息网络 第 5 卷

一步深度融合，支持星间、星地、地面等跨层、跨域、

跨链路传输选择，支持天地一体化数据交互与信息处理

融合[15]；二是要探索大规模复杂卫星星座构型与高动态星

间、星地拓扑约束下的组网难题，提出和完善相关基础理

论[16]，指导星座网络工程建设[17-18]；三是注重前沿与颠覆

性技术应用，特别是人工智能技术、大数据技术、新型网

络技术[19]等应用，实现星座网络自主化、智能化发展[20]。

（2）编址路由与网络鲁棒性敏捷保障技术

低轨巨型星座需要开展基于多维时空信息的高效编址

技术攻关[21]，研究分层、分域、分区的高效协同组网路由

技术，支持多种星座构型下星座网络快速路由收敛[22]；当

网络发生节点、链路等故障时，需要研究时空大尺度下的

网络态势感知故障精准定位技术，通过星载轻量化最优备

份路由快速计算，实现网络鲁棒性敏捷保障[23]。

（3）差异化业务承载与端到端可靠传送

低轨巨型星座需要研究在星间/星地异构链路约束下

如何实现差异化业务高效承载，支持无线接入网与空间承

载网的联合 QoS 保障优化[24]，支持面向多用户、多业务、

多接入、多子网、多协议的端到端资源按需调度；面向网

络拓扑动态变化以及流量拥塞等情况，需要研究基于流量

感知与时延智能预测的时延抖动精准控制技术，实现时延

敏感业务确定性传输，支持时空大尺度下数据的高速端到

端可靠传送[25]。

（4）低轨巨型星座体系建模、仿真技术

当前针对低轨星座网络建模与仿真的研究较多，主要

有基于统一建模语言（UML）的体系结构建模方法、面向

服务的体系结构建模方法等。前者属于面向对象的分析方

法，将体系结构设计分为分析、综合和评估等若干阶段；

后者属于基于活动的设计方法，通过对体系结构实体对象

进行研究，提出体系结构要素、产品描述与分析方法[26]。

除了上述方法外，对于低轨巨型星座还需要考虑动态性带

来的影响，包括卫星节点动态性、星间/星地链路动态性、

业务分布动态性等，特别是网络中节点故障和链路损坏都

会给体系能力造成较大影响，针对此类的体系仿真技术研

究亟待加强。

参考文献：

[1] 吴燕生. 以科技自立自强推动航天强国建设[J]. 红旗文稿,

2022(24): 4-8.

WU Y S. Promoting the construction of a space power by

self-reliance and self-improvement through science and technology[J]. Red Flag Manuscript, 2022(24): 4-8.

[2] 张广娜, 刘旭光, 骆华东, 等. “星链” 计划在俄乌军事冲突中

的应用与启示[J]. 通信技术, 2023, 56(4): 476-482.

ZHANG G N, LIU X G, LUO H D, et al. The application and enlightenment of starlink in russia-ukraine military conflict[J]. Communications Technology, 2023, 56(4): 476-482.

[3] 王学宇, 武坦然. OneWeb 低轨道卫星系统及其军事应用分析[J].

航天电子对抗, 2022, 38(4): 59-64.

WANG X Y, WU T R. Analysis on OneWeb LEO satellite system

and its military application[J]. Aerospace Electronic Warfare, 2022,

图 4 低轨星座网络协议标准体系

第 2 期 高梓贺等：低轨巨型星座体系架构设计与关键技术分析 ·51·

38(4): 59-64.

[4] 任远桢, 金胜, 鲁耀兵, 等. 美国国防太空体系架构发展浅析[J].

现代防御技术, 2023, 51(6): 9-17.

REN Y Z, JIN S, LU Y B, et al. Analysis of American national defense space architecture development[J]. Modern Defence Technology, 2023, 51(6): 9-17.

[5] 赵军锁. “天智一号” 软件定义卫星[J]. 科技成果管理与研究,

2019(2): 12.

ZHAO J S. “Tianzhi-1”software-defined satellite[J]. Management

and Research on Scientific & Technological Achievements, 2019(2):

12.

[6] 汪定, 陈晓峰, 马建峰, 等． MIT Technology Review 2020年“十

大突破性技术” 解读[J]. 中国科学基金, 2020, 34(3): 250-265.

WANG D, CHEN X F, MA J F. Interpretation of 2020 MIT technology review’s top 10 breakthrough technologies[J]. Bulletin of

National Natural Science Foundation of China, 2020, 34(3):

250-265.

[7] 陈全, 杨磊, 郭剑鸣, 等. 低轨巨型星座网络: 组网技术与研究

现状[J]. 通信学报, 2022, 43(5): 177-189.

CHEN Q, YANG L, GUO J M, et al. LEO mega-constellation network: networking technologies and state of the art[J]. Journal on

Communications, 2022, 43(5): 177-189.

[8] 龚宇鹏. 低轨巨型星座构型设计及覆盖分析方法研究[D]. 哈尔

滨: 哈尔滨工业大学, 2022.

GONG Y P. Research on configuration design and coverage performance analysis of LEO mega-constellation[D]. Harbin: Harbin

Institute of Technology, 2022.

[9] 刘帅军，徐帆江. Starlink VLEO 星座构型与低轨空间可容纳卫

星数目分析[J].太空与网络, 2022.

LIU S J, XU F J. Nalysis of Starlink VLEO constellation configuration and the number of satellites in low orbit space[J]. Space and

Network, 2022.

[10] 蒋长林, 李清, 王羽, 等. 天地一体化网络关键技术研究综述[J].

软件学报, 2024, 35(1): 266-287.

JIANG C L, LI Q, WANG Y, et al. Survey on key technologies in

space-ground integrated network[J]. Journal of Software, 2024,

35(1): 266-287.

[11] 王宁远, 陈东, 刘亮, 等. 未来低轨信息网络发展与架构展望[J].

电子与信息学报, 2023, 45(2): 396-406.

WANG N Y, CHEN D, LIU L, et al. Development trend and architecture prospect of future low-earth-orbit information networks[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2023, 45(2): 396-406.

[12] 张婷婷, 武楠, 姚海鹏. 天地融合网络智能组网体系架构研究

[J]. 天地一体化信息网络, 2022, 3(3): 46-55.

ZHANG T T, WU N, YAO H P. Research on intelligent networking

architecture for the integrated space-terrestrial networks[J].

Space-Integrated-Ground Information Networks, 2022, 3(3): 46-55.

[13] 郑作亚, 薛庆昊, 仇林遥, 等. 基于网络信息体系思维的天地一

体通导遥融合应用探讨[J]. 中国电子科学研究院学报, 2020,

15(8): 709-714.

ZHENG Z Y, XUE Q H, QIU L Y, et al. Discussion on integration

application of communication navigation remote-sensing with the

idea of network information system of system[J]. Journal of China

Academy of Electronics and Information Technology, 2020, 15(8):

709-714.

[14] 冯建元, 李杰, 庞立新, 等. 天地一体化信息网络中天基卫星网

络架构设计[J]. 电讯技术, 2019, 59(7): 775-779.

FENG J Y, LI J, PANG L X, et al. Architecture design of satellite

networks in integrated terrestrial-satellite network[J]. Telecommunication Engineering, 2019, 59(7): 775-779.

[15] ZHU X M, JIANG C X. Integrated satellite-terrestrial networks

toward 6G: architectures, applications, and challenges[J]. IEEE Internet of Things Journal, 2022, 9(1): 437-461.

[16] 李德仁, 沈欣, 龚健雅, 等. 论我国空间信息网络的构建[J]. 武

汉大学学报(信息科学版), 2015, 40(6): 711-715.

LI D R, SHEN X, GONG J Y, et al. On construction of China’s

space information network[J]. Geomatics and Information Science

of Wuhan University, 2015, 40(6): 711-715.

[17] 杨华果, 陈全, 杨自鹏, 等. 低轨巨型星座网络容量评估与分析

[J]. 宇航总体技术, 2023, 7(6): 24-30.

YANG H G, CHEN Q, YANG Z P, et al. Capacity evaluation and

analysis of LEO mega-constellation network[J]. Astronautical Systems Engineering Technology, 2023, 7(6): 24-30.

[18] 刘立祥, 刘帅军. 大型低轨星座网络规划方法与仿真分析[J].

天地一体化信息网络, 2020, 1(2): 87-93.

LIU L X, LIU S J. Network planning method and simulation analysis for large-scale low earth orbit satellite constellation networks[J].

Space-Integrated-Ground Information Networks, 2020, 1(2): 87-93.

[19] GARDIKIS G, COSTICOGLOU S, KOUMARAS H, et al. NFV

applicability and use cases in satellite networks[C]//Proceedings of

the 2016 European Conference on Networks and Communications

(EuCNC). Piscataway: IEEE Press, 2016: 47-51.

[20] 姜宁, 章川扬之, 亢晨宇, 等. 基于通信感知计算融合的低轨卫

星网络体系架构与关键技术[J]. 无线电通信技术, 2023, 49(5):

842-852.

JIANG N, ZHANG C Y Z, KANG C Y, et al. Low earth orbit satellite network based on communication, sensing and computing inte-

·52· 天地一体化信息网络 第 5 卷

高梓贺（1983− ），男，博士，中国空间技术

研究院研究员，主要研究方向为空间网络、宽

带卫星通信、卫星自组网等。

gration: architecture and key technologies[J]. Radio Communications Technology, 2023, 49(5): 842-852.

[21] 陈天骄, 刘江, 丁睿, 等. 基于星地解耦的低轨卫星网络编址和

路由策略[J]. 信息通信技术, 2019, 13(6): 65-71.

CHEN T J, LIU J, DING R, et al. Addressing and routing strategy

in LEO satellite network based on spaceground decoupling[J]. Information and Communications Technologies, 2019, 13(6): 65-71.

[22] 汪昊, 冉泳屹, 赵雷, 等. 基于深度图强化学习的低轨卫星网络

动态路由算法[J]. 重庆邮电大学学报(自然科学版), 2023, 35(4):

596-605.

WANG H, RAN Y Y, ZHAO L, et al. Dynamic routing algorithm

for LEO satellite networks basedon deep graph reinforcement

learning[J]. Journal of Chongqing University of Posts and Telecommunications (Natural Science Edition), 2023, 35(4): 596-605.

[23] XING Z Y, QI H, DI X Q, et al. A multipath routing algorithm for

satellite networks based on service demand and traffic awareness[J].

Frontiers of Information Technology & Electronic Engineering,

2023, 24(6): 844-859.

[24] 史栋元, 王丽娜. 一种用于天基低轨卫星网络边缘计算的

GA-DDPG 卸载算法[J]. 工程科学学报, 2024, 46(2): 343-353.

SHI D Y, WANG L N. GA-DDPG unloading algorithm for edge

computing in space-based LEO satellite networks[J]. Chinese

Journal of Engineering, 2024, 46(2): 343-353.

[25] 焦媛媛, 田丰, 石神, 等. 基于多径的低轨卫星网络路由拥塞控

制策略[J]. 电子设计工程, 2018, 26(18): 113-117.

JIAO Y Y, TIAN F, SHI S, et al. Multipath routing based congestion control strategy for LEO satellite networks[J]. Electronic Design Engineering, 2018, 26(18): 113-117.

[26] 熊伟. 空间信息系统建模仿真与评估技术[M]. 北京: 国防工业

出版社, 2016.

XIONG W. Modeling, simulation and evaluation technology of

spatial information system[M]. Beijing: National Defense Industry

Press, 2016.

[作者简介]

姚海鹏（1983− ），男，北京邮电大学教授，主要研究方向为星

地融合网络、未来网络体系架构、智能组网技术等。

张磊（1987− ），男，硕士，中国空间技术研究院高级工程师，

主要研究方向为卫星通信系统研发。

石钰林（1996− ），男，硕士，中国空间技术研究院工程师，主

要研究方向为星座组网技术、卫星通信、空间体系效能评估等。

王富（1993− ），男，北京邮电大学副研究员，主要研究方向包

括光交换网络、光接入、星地融合网络等。

陶滢（1974− ），女，博士，中国空间技术研究院研究员，主要

研究方向为卫星通信、天基信息网络等。

2024 年 6 月 Space-Integrated-Ground Information Networks June 2024

第 5 卷第 2 期 天 地 一 体 化 信 息 网 络 Vol.5 No.2

手机直连 NGSO 卫星业务中扩展 L 频段频率协调方案研究

王丽冲，孙晨华，赵伟松，刘 全，卢 山

（中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081）

摘 要：在目前非对地静止轨道（NGSO）卫星移动业务用频越来越紧张的趋势下，针对手机直连 NGSO 卫星业务频率协调工

作复杂的问题，首先对手机直连 NGSO 卫星系统的用频现状及趋势进行分析，其次重点对手机直连 NGSO 卫星业务在扩展 L

频段和其他同频空间业务的频率协调方案进行分析和研究。通过分析手机直连 NGSO 卫星业务在扩展 L 频段的频率协调态势

确定需要与之开展频率协调工作的空间业务，基于和每一项空间业务的频率协调方案进行研究并给出协调方案建议，同时还对

具体协调方案中涉及的干扰分析计算进行举例。以上研究均可作为手机直连 NGSO 卫星业务系统开展同频频率协调相关研究及

下一步手机直连 NGSO 卫星关键技术研究等相关工作的参考。

关键词：手机直连 NGSO 卫星业务；扩展 L 频段；空间业务；频率协调

中图分类号：TN927

文献标识码：A

doi: 10.11959/j.issn.2096−8930.2024016

Research on Extended L-Band Frequency Coordination Scheme

in Mobile Direct Connection to NGSO Satellite Service

WANG Lichong, SUN Chenhua, ZHAO Weisong, LIU Quan, LU Shan

The 54th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Shijiazhuang 050081, China

Abstract: At present, the frequency of non-geostationary orbit(NGSO) mobile satellite service is becoming more and more tense. Aimed

at the complicated problem of frequency coordination of mobile direct connection to NGSO satellite service, firstly, an analysis was

conducted on the current frequency usage status and trends of mobile direct connection to NGSO satellite service. Secondly, the frequency coordination scheme between mobile direct connection to NGSO satellite service and other same frequency space services in

extended L-band was analyzed and studied. By analyzed the frequency coordination of mobile direct connection to NGSO satellite service in extended L-band, the space services that need to carry out frequency coordination work with mobile direct connection to NGSO

satellite service were determined. The basic frequency coordination scheme of mobile direct connection to NGSO satellite service with

each space service was studied and the coordination scheme suggestions were given, at the same time, the interference analysis and calculation involved in the specific coordination scheme were listed for example. The above research can be used as reference for the research of frequency coordination of mobile direct connection to NGSO satellite service system, as well as for the next step research of

key technologies related to mobile direct connection to NGSO satellite service.

Keywords: mobile direct connection to NGSO satellite service, extended L-band, space service, frequency coordination

0 引言

自 2022 年 9 月华为公司和苹果公司相继发布了支持

直连北斗卫星的 Mate 50 系列手机终端和支持直连

Globalstar 系统的 iPhone14 系列手机终端以来，手机直连

卫星业务一直在持续发展中。中间相继经历了 2023 年 4

月 AST SpaceMobile（ASTS）公司开展的部分存量手机和

其低轨 BlueWalker-3 卫星之间的双向语音通信测试，2023

年8月华为公司继续发布支持直连天通卫星的Mate 60 Pro

系列手机终端。2024 年 1 月 SpaceX 公司开始发射的支持

和对应频段的存量手机之间开展低速业务通信的具有手

机直连功能的星链二代卫星等[1]。同时第三代合作伙伴计

划（Third Generation Partnership Project, 3GPP）组织的新

空口非地面网络（New Radio Non-Terrestrial Network, NR

收稿日期：2024−02−01；修回日期：2024−05−30

·54· 天地一体化信息网络 第 5 卷

NTN）研究中增加了 n255（海事卫星系统在用频段）和

n256（天通卫星系统在用频段）两段频率资源作为未来星

地融合的候选目标频段[2-3]，为未来手机直连卫星业务的发

展提供了另一种思路以及更多的可选频段。以上与手机直

连卫星业务相关的频率资源主要集中在 L/S 频段，包括按

照现有规则划分给卫星移动业务（Mobile Satellite Service,

MSS）的频段资源以及划分给地面移动网络运营商

（Mobile Network Operator, MNO）的地面移动业务（Mobile

Service, MS）频率资源。以上涉及的 MSS 频段资源基本

上涵盖了 L/S 频段中能用于开展全球卫星移动业务的所有

频段。还有一段上下行各 7 MHz 的频段资源，即上行

1 668~1 675 MHz/下行 1 518~1 525 MHz，一般称为扩展 L

频段，该频段资源虽然还未被投入手机直连卫星业务的相

关试验中，但是在目前手机直连卫星业务依旧以窄带业务

为主的现状下，该扩展 L 频段资源也是值得研究和探索

的，以便为将来手机直连卫星业务增加更多可考虑的候选

频段。

目前所有的卫星业务均在国际电信联盟（International

Telecommunications Union, ITU）《无线电规则》的规则框

架下开展同频频率协调工作。随着手机直连卫星业务的快

速发展，国内外正在积极探索专用于手机直连卫星业务的

频率划分及协调方案。在关于手机直连卫星业务独特的频

率协调规则出现之前，手机直连卫星业务仍属于 MSS 范

畴内，因此依然需要按照 ITU《无线电规则》中关于 MSS

相关频率协调规则开展频率协调工作[1]，则研究扩展 L 频

段内手机直连卫星业务和其他同频业务之间的频率协调

方案即是研究扩展 L 频段内 MSS 和其他同频业务之间的

频率协调方案。同时考虑低时延等相关特征，目前手机直

连卫星系统更倾向于逐步向手机直连非地球静止轨道

（Non-Geostationary Orbit, NGSO）卫星通信系统（以低轨

系统为主）发展[4]，因此本文主要研究手机直连 NGSO 卫

星业务中使用扩展 L 频段时的频率协调方案。

按照 ITU《无线电规则》中关于频率资源的划分规

定[5]，除了 MSS 外，在该频段上还划分有卫星气象业务

（MetSat 业务）、射电天文业务（RAS）、空间研究业务

（SRS）、气象辅助业务（MetAids 业务）、地面固定业务

（FS）和地面移动业务（MS），其中前 3 类业务及 MSS 属

于空间业务的范畴，后 3 类业务属于地面业务的范畴[5-8]。

ITU 关于在扩展 L 频段内划分的以上空间业务和地面业务

存在均为主要业务的情况，因此遵循《无线电规则》中

第 9 条和第 11 条中“先登先占”的协调原则，即先在

ITU 进行登记的卫星网络具有优先协调地位，后登记的

卫星网络需要和先登记的卫星网络完成频率协调工作后

才可投入使用。我国目前已有多份在 ITU 登记的包含扩展

L 频段的 NGSO 卫星网络资料，同时也存在较多同频的已

投入使用或者正在规划的系统在 ITU 的登记日期均早于

我国的 NGSO MSS 系统，包括以上提到的所有空间业务。

1 手机直连 NGSO 卫星业务用频现状及趋势

分析

从用频角度考虑，目前已实现手机直连 NGSO 卫星业

务商用及试验相关验证的情形主要分两方面：一方面是使

用 MSS 频率，根据已存在的卫星系统，对智能手机进行

修改[9]，该情形下手机均为新发布的高端手机，通过在普

通智能手机嵌入专用芯片来提供手机直连卫星的低速数

据业务等，例如苹果公司 iPhone14 系列手机终端通过

Globalstar 低轨卫星系统实现手机直连卫星业务等。另一

方面是使用地面 MS 频率，根据存量手机，对卫星载荷进

行修改[10]，该情形下卫星网络运营商和地面 MNO 合作，

通过卫星网络技术创新，构建一个与地面网络融合的 MSS

系统，直接为使用合作的地面 MNO 网络的 4G/5G 存量手

机提供数据、语音等手机直连卫星业务。例如 SpaceX 公

司正在逐步发射具有手机直连卫星功能的 Starlink 二代卫

星，通过在卫星上搭载（2.7×2.3）m2 的 L 频段天线，实

现和地面存量手机的直接通信[11]。已实现的两类手机直连

NGSO 卫星业务用频现状见表 1。

从表 1 中可以发现，使用 MSS 频率的手机直连卫星

业务场景符合 ITU《无线电规则》的频率划分规定，而使

用地面 MNO 频率开展手机直连卫星业务的场景是不符合

ITU《无线电规则》中的频率划分规定的，且基本上为美

国的企业。在 SpaceX、Lynk、ASTS 等对使用地面 MNO

频率开展手机直连卫星业务的迫切需求下，美国联邦通信

委员会（Federal Communications Commission, FCC）考虑

从规则方面一揽子解决以上问题，于是在 2023 年 3 月就

手机直连卫星业务许可相关事宜发布了《单一网络的未

来：太空补充覆盖》新规则的草案[15]，并于 2024 年 3 月

通过太空补充覆盖（Supplemental Coverage from Space,

SCS）监管框架最终规则[16]。该框架以建立未来星地融合

网络为目标，其中建议在美国可以在表 2 所示频段内开展

手机直连卫星业务，但服务区域为地面基站覆盖不到的地

区，且均为次要业务划分，不能对相应频段内已存在的地

面移动通信业务造成有害干扰。虽然该框架规则目前还未

真正实现星地系统同频同区域星地融合的目标，但是可以

看出美国FCC对使用地面MS频率发展手机直连卫星业务

第 2 期 王丽冲等：手机直连 NGSO 卫星业务中扩展 L 频段频率协调方案研究 ·55·

的支持程度。目前该框架规则中手机直连卫星业务和已存

在的地面 MS 业务之间在频率方面还是空分多址的使用方

式。未来随着美国手机直连卫星业务的发展和探索，该框

架规则可能会逐步修改为进一步朝着更加接近星地融合

的目标和趋势迈进，最终实现手机直连卫星业务和地面

MS 业务的同频同区域的星地融合。

通过以上分析可知，未来一段时间内，手机直连

NGSO 卫星业务仍然会基于“修改的智能手机+现有及即

将运行的 MSS 卫星系统”以及“存量手机+修改的 MSS

卫星系统”的方式开展运营及测试，并且从表 1 中及相关

调研中可以发现，使用 MSS 频率开展手机直连卫星业务

运营及测试的用频中没有涉及扩展 L 频段。目前 ITU 关于

手机直连卫星业务设立了一项新的 2027 年世界无线电通

信大会（2027 World Radio and Communication Conference,

WRC-27）1.13 议题[17]，旨在研究从超高频（Ultra High

Frequency, UHF）到 S 频段范围内为手机直连卫星业务增

加新的频段划分，并研究新增划分频段内手机直连卫星业

务和其他同频业务之间的频率协调方案等，其中扩展 L 频

段资源也在其研究范围。因此以下集中研究手机直连

NGSO 卫星业务在扩展 L 频段的协调态势及和空间业务的

同频协调方案。

2 手机直连 NGSO 卫星业务在扩展 L频段协

调态势分析

2.1 扩展 L 频段业务划分现状分析

ITU 在 2003 年世界无线电通信大会（WRC-03）上为

MSS 新增上下行各 7 MHz 的 L 频段资源划分，即下行

1 518～1 525 MHz/上行 1 668～1 675 MHz 频段，简称为

扩展 L 频段，我国也在颁布的 2014 年版《中华人民共和

国无线电频率划分规定》中在扩展 L 频段增加了 MSS（次

要业务）的划分[8]，并在后续更新的 2018 年版和 2023 年

版的《中华人民共和国无线电频率划分规定》中将扩展 L

频段中的 MSS 划分为主要业务。如图 1 所示，将国际国

内在扩展 L 频段内划分的各业务进行了列举，其中手机直

连 NGSO 卫星业务属于 MSS，可以看出每一段频段内均

有包括 MSS 在内的 3 种以上的业务划分。

2.2 手机直连 NGSO 卫星业务在扩展 L 频段需要开展协

调的空间业务分析

根据上文关于在扩展 L 频段划分的空间业务信息，

以及根据 ITU《无线电规则》的相关规定，若手机直连

NGSO 卫星业务系统按照规则使用扩展 L 频段开展全球

MSS，则需要与空间业务开展的频率协调工作以及相关

表 1 手机直连 NGSO 卫星业务用频现状

企业名称 使用频率类型 合作卫星系统 合作地面运营商 应用状态及范围 频率范围 ITU 关于以上频率的业务规划规定

苹果公司 卫星 MSS 频率 GlobalStar — 运营（GlobalStar 运营范

围内部分区域）

上行1 610~1 626.5 MHz、

下行 2 483.5~2 500 MHz 用于卫星移动通信

高通公司 卫星 MSS 频率 Iridium — 测试（美国境内，该项合

作已终止）[12]

上行1 610~1 626.5 MHz、

下行 2 483.5~2 500 MHz 用于卫星移动通信

SpaceX 地面 MNO 频率 — T-Mobile 等 测试（美国、加拿大、澳

大利亚、日本）[13]

上行 1 910~1 915 MHz、

下行 1 990~1 995 MHz 用于地面移动通信

ASTS 地面 MNO 频率 — AT&T 等 测试（美国夏威夷及得克

萨斯州） 700~900 MHz 范围内 用于地面移动通信

Lynk 地面 MNO 频率 — PNCC 等 测试（美国境外）[14] 700~900 MHz 范围内 用于地面移动通信

表 2 美国 FCC SCS 规则中建议开展手机直连卫星业务频率

频段简称 具体频率范围/MHz

在 ITU《无线电规则》中的频率划分

规定

备注

600 MHz 614~652、663~698 用于地面 MS

这些频段内的手机直连卫星业务

为次要业务，不能对已存在的地

面移动通信业务产生有害干扰

700 MHz 698~769、775~799、805~806 用于地面 MS

800 MHz 825~894、869~894 用于地面 MS

Broadband PCS 1 850~1 915、1 930~1 995 用于地面 MS

AWS-H Block 1 915~1 920、1 995~2 000 用于地面 MS

·56· 天地一体化信息网络 第 5 卷

协调依据见表 3。

基于表 3 的信息可知，我国在扩展 L 频段开展全球手

机直连 NGSO 卫星业务需要在以下区域开展与相应空间

业务的频率协调工作，见表 4。

图 1 扩展 L 频段内的业务划分示意

表 3 扩展 L 频段内全球手机直连 NGSO 卫星业务需与空间业务开展的频率协调工作以及相关协调依据

协调

类型

协调业务类型 具体的业务和系统

协调依据（主要依据 ITU《无线电规则》和

《中华人民共和国无线电频率划分规定》）

国内

协调、

国际

协调

卫星气象业务

在下行 1 670~1 675 MHz 频段内，国内外开展卫

星气象业务的 GSO 或者 NGSO 卫星系统；

德国、法国、日本、俄罗斯和美国在 2014 年 1 月

1 日前报送网络资料的 GSO 卫星系统

第 9 条和第 11 条的“先登先占”原则；

5.380A：在 1 670~1 675 MHz 频段，卫星移动业务电台不得对 2004 年 1 月

1 日前通知的现有卫星气象业务地球站造成有害干扰或者限制其发展。在

该频段中对这些地球站的任何新的指配亦须受到保护，使其免受卫星移动

业务电台的干扰（WRC-07）；

CHN32：在1 668.4~1 675 MHz频段，卫星移动业务在与气象辅助业务和卫

星气象业务完成协调后方可投入使用（2018 年）

射电天文业务

在 1 668~1 670 MHz 频段内，在国内外分布的各

射电天文电台

5.379C：为保护1 668~1 670 MHz频段内的射电天文业务，在该频段内运行

的卫星移动业务网络的移动地球站产生的集总功率通量密度的值在超过总

时段 2 000 s 的 2%的时间内，对于《国际频率登记总表》登记的任何射电天

文电台，在 10 MHz 频段内不得超过-181 dB(W/m2

)，在 20 kHz 频段内不得

超过−194 dB(W/m2

)（WRC-03）

卫星移动业务

在上行 1 668~1 675 MHz/下行 1 518~1 525 MHz 频

段内开展 MSS 的其他 NGSO/GSO 卫星系统

第 9 条和第 11 条：“先登先占”原则，NGSO MSS 系统需要避免对协调地

位优先的其他 NGSO/GSO MSS 卫星系统的干扰

国际

协调

空间研究业务

（无源）

在 1 668~1 668.4 MHz 频段内，国外开展空间研究

业务（无源）的 SPECTR-R 等卫星系统和项目

5.379B：卫星移动业务使用 1 668~1 675 MHz 频段时须按照第 9.11A 款进行

协调。对于 1 668~1 668.4 MHz 频段，第 904 号决议（WRC-07）适用

第 2 期 王丽冲等：手机直连 NGSO 卫星业务中扩展 L 频段频率协调方案研究 ·57·

表 4 在扩展 L 频段内全球手机直连 NGSO 卫星业务需要

与空间业务开展的协调工作

需要协调的空间业务类别 协调区域 备注

卫星气象业务 全球 国内协调、国际协调

射电天文业务 全球 国内协调、国际协调

卫星移动业务 全球 国内协调、国际协调

空间研究业务（无源） 国外 国际协调

3 与不同空间业务的同频协调方案分析

3.1 与卫星气象业务的同频协调方案

（1）干扰场景分析

在 1 670~1 675 MHz 频段，手机直连 NGSO 卫星业务

与卫星气象业务产生频率重叠，但两种系统属于反向应用

（参照图 1），即卫星气象业务系统是空对地应用，而手机

直连 NGSO 卫星业务是地对空应用。手机直连 NGSO 卫

星业务用户终端的上行信号可能会通过卫星气象地面站

天线的旁瓣到达，从而对卫星气象业务系统地面站带来干

扰，如图 2 所示。

图 2 扩展 L 频段内手机直连 NGSO 卫星业务对

卫星气象业务干扰场景示意

（2）频率协调方案研究

一般情况下卫星气象业务的地面接收站位置是固定

的，而手机直连 NGSO 卫星业务的地面用户终端是移动

的。因此应该以卫星气象业务接收站为核心，根据气象接

收站技术参数及相关标准判断不同场景下卫星气象业务

接收站接收端允许的最大干扰功率谱密度 I0，然后再根据

手机直连 NGSO 卫星业务地面用户终端的技术参数（如果

是多个用户终端，需要考虑等效集总发射功率等参数），

反推手机直连 NGSO 卫星业务用户终端需要和卫星气象

业务接收站之间保持的距离，以此作为手机直连 NGSO 卫

星业务对卫星气象业务的保护距离。然后再以卫星气象业

务接收站为圆心，以保护距离为半径得到卫星气象业务接

收站的干扰保护范围。当已知卫星气象业务的接收站位置

后，则手机直连 NGSO 卫星业务系统通过控制用户终端不

出现在卫星气象业务接收站的干扰保护范围内来完成和

卫星气象业务之间的频率协调工作。

卫星气象业务接收站接收端允许的最大干扰功率谱

密 度 可 以 参 考 ITU-R SA.1163-3 建议书 [18]， 进 行

1 670~1 675 MHz 频段内卫星移动业务和卫星气象业务之

间的干扰分析。该建议书中关于卫星气象业务接收站接收

端允许的干扰功率谱密度 I0的计算公式如下

10 0 10log(k ) 10log 10 1

A

I T ⎛ ⎞

=+ − ⎜ ⎟ ⎝ ⎠

(1)

其中，k 是玻尔兹曼常数，T 是接收系统噪声温度，A 为

噪声增加容限。

根据 ITU-R SA.1163-3 建议书中的相关描述，噪声增

加容限 A=q×M，其中 M 为链路余量，Mmin=1.2 dB。对于

长期干扰（干扰超标时间百分比不超过 20%），系数 q=1/3，

对于短期干扰（干扰超标时间百分比不超过 0.025%）系数

q=1，即长期干扰时噪声增加容限 A 可以取值为 0.4 dB，

短期干扰时噪声增加容限 A 可以取值为 1.2 dB。

3.2 与射电天文业务的同频协调方案

（1）干扰场景分析

射电天文业务使用扩展 L 频段中的 1 668~1 670 MHz

频段，是空对地业务（参照图 1），在该频段内手机直连

NGSO 卫星业务属于反向共用，手机直连 NGSO 卫星业务

用户终端的上行信号可能会通过射电天文电台天线的旁

瓣到达，从而对射电天文电台带来干扰，干扰场景如图 3

所示。

（2）频率协调方案研究

参考 ITU-R RA.769-2 建议书[19]中关于射电天文业务

干扰标准，以及 ITU《无线电规则》中 5.379C 款规定（具

体见表 3 中的叙述），在 1 668~1 670 MHz 范围内，手机

直连 NGSO 卫星业务系统用户终端对射电天文电台接收

端产生的干扰协调标准为：手机直连 NGSO 卫星业务系

统地球站对射电天文电台产生的集总功率通量密度

（ PFD ） 超 过 −181 dB(W/(m2

·10 MHz)) 或 者

−194 dB(W/(m2

·20 kHz))的时间百分比不能超过 2%（若

·58· 天地一体化信息网络 第 5 卷

总的时间为 2 000 s，则时间不能超过 40 s），否则即认为

可能产生有害干扰，需要采取措施来规避干扰。其中 PFD

限值为−181 dB(W/(m2

·10 MHz))时主要针对射电天文连

续观测业务，PFD 限值为−194 dB(W/(m2

·20 kHz))时主要

针对射电天文谱线观测业务。

图 3 扩展 L 频段内手机直连 NGSO 卫星业务对

射电天文业务干扰场景示意

因此可以上述标准为依据开展手机直连 NGSO 卫星

业务用户终端对射电天文电台的干扰保护距离的计算，

以射电天文电台为中心，干扰保护距离为半径确定射电

天文电台的干扰保护范围；然后控制手机直连 NGSO 卫

星业务用户终端不出现在射电天文电台的干扰保护范围

内，或者出现在干扰保护范围内的时间百分比不超过

2%。将此策略作为协调方案来完成 1 668~1 670 MHz 频

段内手机直连 NGSO 卫星业务与射电天文业务的频率协

调工作。

以上标准中功率通量密度值的计算公式如下

2 PFD EIRP 10 log π log = − × ×× − × MSS （4 ） 10 （ ） d B (2)

其中，PFD 和 EIRPMSS均为 dB 值，d 为手机直连 NGSO

卫星业务用户终端和射电天文电台之间的距离，B 为卫星

移动业务用户终端工作带宽；以上计算的 PFD 值均为每赫

兹下的 PFD 值，而具体对应到相应的门限值则再进一步换

算到相应的 10 MHz 带宽或者 20 kHz 带宽下对应的 PFD

值。通过将 PFD 值设置为 PFD 门限值来计算出射电天文电

台的干扰保护距离，从而确定其干扰协调保护范围。

3.3 与其他 NGSO/GSO 卫星移动业务的同频协调方案

（1）干扰场景分析

在 1 518~1 525 MHz/1 668~1 675 MHz 频段与其他协

调地位较高的 NGSO/GSO 卫星 MSS 系统干扰属于同向干

扰，上行、下行均会产生干扰。上行为手机直连 NGSO 卫

星业务地面用户终端对其他 NGSO/GSO 卫星产生的干扰；

下行为手机直连 NGSO 卫星业务中 NGSO 卫星对其他

NGSO/GSO 地面用户终端的干扰，如图 4 所示。

图 4 扩展 L 频段内手机直连 NGSO 卫星业务对其他

NGSO/GSO 系统干扰场景示意

（2）干扰协调方案研究

扩展 L 频段内手机直连 NGSO 卫星业务对其他同频

NGSO/GSO MSS 干扰分析时可采用 C/I （载波干扰功率

比）或者 I/N（干扰噪声功率比）作为干扰评估指标，同

时以满足一定的干扰时间保护比要求作为输入推导出所

需的干扰减缓条件。以下以 C/I 作为干扰评估标准为例。

1）C/I 计算方法根据 ITU-R S.740 建议书[20]建立

载波功率 C 的计算公式如下

2

ttr r d [EIRP] [ ] [ ] 4π

C PG G G L

d

⎛ ⎞ λ

= = +− ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ (3)

对于 C 而言，式(3)中的 Pt、Gt、Gr 分别表示被干扰

系统本身链路的发射功率、发射增益、接收增益，d 表示

被干扰系统本身链路的传输距离，λ 为信号波长。具体结

合实际通信卫星系统的设计参数，换算成 dB 值则如式(3)

中右边所示，[EIRP]为被干扰系统本身发射 EIRP 的 dB 值，

[Gr]为接收增益 dB 值，[Ld]为路径损耗 dB 值。

其中 I 的计算公式如下

2

ttr X '

' ''

rdX

4π

[EIRP ] [ ] [ ] [ ] 10log( )

I PG G L

d

GLL B

⎛ ⎞ λ = − ′′′⎜ ⎟ ⎝ ⎠

= +−−+

(4)

第 2 期 王丽冲等：手机直连 NGSO 卫星业务中扩展 L 频段频率协调方案研究 ·59·

对于 I 而言，式(4)中的 Pt

′、Gt

′ 分别表示干扰系统干

扰链路发射端的发射功率、发射增益， Gr

′表示干扰信号

到达被干扰系统时接收端的接收增益，d′ 表示干扰发射端

到达被干扰接收端的干扰链路传输距离，LX 为极化隔离

值，λ 为信号波长。具体结合实际通信卫星系统的设计参

数，换算成 dB 值则如式(4)中右边所示，[EIRP′] 为干扰系

统发射的 EIRP 的 dB 值， r [ ] G ′ 为到达被干扰系统接收端

的接收增益 dB 值， d [ ] L ′ 为干扰链路路径损耗 dB 值，[LX]

为极化隔离值 dB 值，B 为被干扰系统载波带宽。

2）C/I 干扰保护标准根据 ITU-R S.741 建议书[21]建

立，即

C/I 门限=C/N 门限+12.2 (5)

手机直连 NGSO 卫星业务系统操作者首先通过链路

计算以及干扰仿真的方式得出手机直连 NGSO 卫星业务

系统到达被干扰 NGSO/GSO MSS 系统的上/下行 C/I 值，

然后再和 C/I 门限值进行对比，一般情况下如果 C/I≥C/I 门限，

则认为手机直连 NGSO 卫星业务系统不会对被干扰

NGSO/GSO MSS 系统造成有害干扰，即可完成频率协调。

如果 C/I＜C/I 门限，则可进一步制定手机直连 NGSO 卫星业

务系统 C/I 小于 C/I 门限的时间百分比（时间百分比需要协

调双方卫星操作者认可，参考 ITU-R S.741 建议书，该时

间百分比为 10%）。如果满足时间百分比要求，则同样认

为手机直连 NGSO 卫星业务不会对被干扰 NGSO/GSO 卫

星移动业务系统造成有害干扰，即可以完成频率协调；如

果不满足时间百分比要求，则认为手机直连 NGSO 卫星业

务可能会对被干扰 NGSO/GSO MSS 系统造成有害干扰，

需要手机直连 NGSO 卫星业务系统调整相关技术参数或

者采取相关技术手段直至满足以上标准后，才能确认完成

了频率协调工作。

3.4 与空间研究业务的同频协调方案

（1）干扰场景分析

ITU《无线电规则》频率划分规定中关于扩展 L 频段

内空间研究业务的划分只有在 1 668~1 668.4 MHz 频段内

划分有空间研究业务（无源），是地对空业务（参照图 1）。

在该频段内与手机直连 NGSO 卫星业务属于同向应用，手

机直连 NGSO 卫星业务用户终端的上行信号可能会通过

空间研究业务卫星天线旁瓣到达，从而对空间研究业务带

来干扰，干扰场景如图 5 所示。

（2）干扰协调方案研究

参考 ITU《无线电规则》的决议和建议中的第 904 号

决议[22]以及 ITU-R M.2124 报告[23]中的内容，目前国外主

要有一项空间甚长基线干扰测量（S-VLBI）的国际项目，

项目名称为 RADIOASTRON，其中已向 ITU-R 申报的网

络资料 SPECTR-R 与此项目紧密相关，且 SPECTR-R 卫星

网络资料已于 2007 年之前完成登记，因此参照《无线电

规则》5.379B 款，在扩展 L 频段发展手机直连 NGSO 卫

星业务需要在 1 668~1 668.4 MHz 频段内 完 成 和

SPECTR-R 等空间研究业务（无源）系统的频率协调工作。

图 5 扩展 L 频段内手机直连 NGSO 卫星业务对

空间研究业务干扰场景示意

目前没有严格的关于在扩展 L 频段内手机直连 NGSO

卫星业务和空间研究业务（无源）之间的干扰协调标准，

第 904 号决议中提到的《无线电规则》的附录 5 中提到的

干扰协调门限以及 ITU-R M.2124 报告中建议的干扰协调

标准均是基于 GSO MSS 系统和空间研究业务（无源）之

间的干扰协调场景。本文方案建议在进行手机直连 NGSO

卫星业务和空间研究业务（无源）之间的同频频率协调工

作时，可以参照 ITU-R M.2124 报告中描述比较细致的

GSO MSS 系统和空间研究业务（无源）之间的干扰协调

标准。该报告中建议的干扰协调标准总结如下。

1）干扰门限值采用接收 RADIOASTRON 卫星接收端

的噪声功率谱密度的 1%，即 I0 门限=1%×N0。

2）判断最终是否造成干扰的标准为：单个手机直连

NGSO 卫星业务系统中用户终端对 RADIOASTRON 卫星

接收端产生的集总干扰 I0 超过 1%×N0 的时间百分比不能

超过 2%，否则即为造成干扰，无法完成频率协调；多个

手机直连 NGSO 卫星业务系统中用 户 终端对

RADIOASTRON 卫星接收端产生的集总干扰 I0 超过

·60· 天地一体化信息网络 第 5 卷

1%×N0 的时间百分比不能超过 5%，否则即为造成干扰，

无法完成频率协调。

因此手机直连 NGSO 卫星业务和空间研究业务（无

源）之间的频率协调工作建议采纳以上标准，如果手机直

连 NGSO 卫星业务对 RADIOASTRON 等系统接收端的 I0

值满足频率协调的单入干扰和集总干扰要求，则可以完成

两系统之间的频率协调工作。如果不满足，则需要采取措

施调整手机直连 NGSO 卫星业务的相关技术参数或者采

取相关技术手段使得到的单入干扰或者集总干扰 I0 满足

要求后，才可以完成两系统之间的频率协调工作。

4 同频协调方案举例

以上手机直连 NGSO 卫星业务和其他各同频空间业

务的同频协调方案中，以和卫星气象业务、射电天文业

务的协调方案为例，来说明上文中的频率协调方案实施

方法。

4.1 针对与卫星气象业务的同频协调方案

针对手机直连 NGSO 卫星业务与同频卫星气象业务

之间的同频协调方案，主要以计算卫星气象业务系统地面

站的干扰保护距离为核心，如下所示。

以 ITU-R SA.1163-3 建议书中表 A-1 提供的 FY 静止

卫星气象业务系统为例，计算干扰协调需要的相关参数见

表 5，表 5 中假设 EIRP 直连为集总等效的 EIRP 值。

表 5 手机直连 NGSO 卫星业务系统和卫星气象业务参数

参数 值 备注

发射 EIRP 直连/dBW 1 假设为集总值

工作频点 f/GHz 1.671 5 —

MetSat 地面站保护距离/km d 得出最终计算结果

MetSat 接收地面站（被干扰系统）参数

天线旁瓣接收增益 GMETSAT /dB −10

参照 ITU-R S.465-6 建议

书[24]

工作频段 f/GHz 1.671 5 —

工作带宽 B/MHz 2 参考 FY 网络资料[25]

接收噪声温度 T/K 186

参考 ITU-R

SA.1163-3 建议书

长时噪声增加容限 A/dB 0.4

短时噪声增加容限 A/dB 1.2

长时干扰 I0 门限/（dBW·Hz−1） −204.1 参考 ITU-R SA.1163-3 建

短时干扰 I0 门限/（dBW·Hz−1） −194.2 议书和式(1)计算得出

手机直连 NGSO 卫星业务系统对 FY 静止卫星气象业

务系统的保护距离由式(6)得出

EIRP 10log( )= MSS MSS METSAT 0 −+ − L G BI 门限 (6)

其中，链路损耗 LMSS计算公式如下

LMSS g =92.45+20log( )+20log( )+ f dA (7)

其中，Ag为大气损耗，按照 ITU-R P.676-6 建议书[26]中的

相关内容，Ag取值约为 0.4 dB。

将表 3 中的相关参数代入式(6)~式(7)中，可得长时干

扰保护距离和短时干扰保护距离（单位为 km）分别为

0 169.3

20 =10 =54.8

I

d

− +长时 门限

长时

0 169.3

20 =10 =17.5

I

d

− +短时 门限

短时

基于以上计算结果，干扰保护范围即为以卫星气象业

务地球站为中心，以上述计算出的干扰保护距离为半径的

地理区域范围。在手机直连 NGSO 卫星业务操作者和卫星

气象业务操作者均认可以上干扰保护范围的基础上，手机

直连 NGSO 卫星业务系统只要遵循不在以上干扰保护范

围内发射信号，就完成了和同频卫星气象业务系统之间的

同频协调工作。

4.2 针对与射电天文业务的同频协调方案

针对手机直连 NGSO 卫星业务和同频射电天文业务

之间的同频协调方案，主要以计算射电天文地面站的干扰

保护距离为核心。

以 ITU-R RA.769-2 建议书中表 1 提供的干扰门限值

为例，计算干扰协调保护范围需要的相关参数见表 6，表

6 中假设 EIRP 直连为集总等效的 EIRP 值。

表 6 手机直连 NGSO 卫星业务系统和射电天文业务参数

参数 值 备注

发射 EIRP 直连/dBW 1 假设为集总值

工作频点 f/GHz 1.669 —

工作带宽 B/MHz 0.125 —

RAS 电台干扰保护距离/km d 得出最终计算结果

RAS 接收地面站（被干扰系统）参数

天线旁瓣接收增益 GRAS/dB 0 参照 ITU-R RA.769-2 建议书[19]

工作频段 f/GHz 1.669 —

等效带宽△f/MHz 10 参照 ITU-R RA.769-2 建议书[19]

接收天线噪声温度 TA/K 12 —

接收机噪声温度 TR/K 10 —

PFD 门限/（dBW/（m2

·20 kHz）） −194 具体计算方法参照 ITU-R

RA.769-2 建议书[19]

PFD 门限（/ dBW/（m2

·10 MHz）） −181 —

第 2 期 王丽冲等：手机直连 NGSO 卫星业务中扩展 L 频段频率协调方案研究 ·61·

基于表 6 的参数，将以上参数代入公式(2)中，得出手

机直连 NGSO 卫星业务系统在 1 668~1 670 MHz 频段内对

射电天文电台的保护距离非常大，达到上万千米，这显然

是不合理的。因此基于此规则，为避免在 1 668~1 670 MHz

频段内手机直连 NGSO 卫星业务用户终端对射电天文电

台产生有害干扰，建议在 1 668~1 670 MHz 范围采取上行

手机直连 NGSO 卫星业务信号扩频或者避免在该频段射

电天文电台使用 1 668~1 670 MHz 频段进行通信的方式规

避对射电天文电台产生的有害干扰，从而完成 1 668~

1 670 MHz 频段内 MSS 和射电天文业务的频率协调工作。

5 结束语

通过以上关于手机直连 NGSO 卫星业务的分析可知，

相关干扰协调标准还是比较严格且不利于手机直连

NGSO 卫星业务发展，因此下一步的工作主要在两方面进

行规划：一方面继续开展手机直连 NGSO 卫星业务系统在

扩展 L 频段和其他同频地面业务频段的同频协调方案研

究，包括手机直连 NGSO 卫星业务在扩展 L 频段和同频的

气象辅助业务、地面固定业务、地面移动业务频率协同的

研究等；另一方面紧跟未来手机直连 NGSO 卫星业务用频

及星地融合的发展趋势，进一步研究促进同频频率协调工

作完成的频率共用及干扰规避技术。例如基于频谱感知的

星地融合频率动态共用技术、面向手机直连 NGSO 卫星业

务和地面 MS 合作场景的智能频谱资源分配技术以及面向

未来 6G 星地融合场景的干扰规避和干扰抑制技术等。通

过本文的研究工作以及未来以上两方面的规划，希望可以

进一步推动关于手机直连卫星业务的同频协调规则的研

究，激发手机直连卫星关键技术的创新，以及促进我国手

机直连卫星业务的发展等。

参考文献：

[1] 肖永伟, 卢山, 宋艳军. “手机直连卫星” 发展及关键技术[J]. 国

际太空, 2024(1): 20-27.

XIAO Y W, LU S, SONG Y J. Development and key technologies

of “mobile phone direct satellite” [J]. Space International, 2024(1):

20-27.

[2] 3GPP. Technical specification group radio access network; Solutions for NR to support non-terrestrial networks (NTN)(Release

16) : TR 38.821 v16.2.0[S]. 2023.

[3] 孙耀华, 彭木根. 面向手机直连的低轨卫星通信：关键技术、发

展现状与未来展望[J]. 电信科学, 2023, 39(2): 25-36.

SUN Y H, PENG M G. Low earth orbit satellite communication

supporting direct connection with mobile phones: key technologies,

recent progress and future directions[J]. Telecommunications Science, 2023, 39(2): 25-36.

[4] 孙耀华, 许宏涛, 彭木根. 手机直连低轨卫星通信：架构、关键

技术和未来展望[J]. 移动通信, 2024, 48(1): 103-110.

SUN Y H, XU H T, PENG M G. Direct-to-mobile low earth orbit

satellite communication: architecture, key technologies, and future

perspective[J]. Mobile Communications, 2024, 48(1): 103-110.

[5] International Telecommunication Union. Radio Regulations Articles[M]. Geneva, Switzerland. 2020.

[6] 潘冀, 刘珊杉, 韩锐. 天地一体化信息网络卫星频率资源可行

性研究[J]. 无线电通信技术, 2020, 46(5): 546-552.

PAN J, LIU S S, HAN R. Feasibility study on satellite frequency

resource for space-terrestrial integrated information network[J].

Radio Communications Technology, 2020, 46(5): 546-552.

[7] 工业和信息化部. 工信部第 62 号令《中华人民共和国无线电频

率资源划分规定》 [Z]. 2023.

Ministry of Industry and Information Technology. Ministry of industry and information technology order No.62 \"Provisions on the

division of radio frequency resources in the People's Republic of

China\" [Z]. 2023.

[8] 工业和信息化部无线电管理局.《中华人民共和国无线电频率资

源划分规定》[M]. 北京: 人民邮电出版社, 2014.

Radio Administration of Ministry of Industry and Information

Technology. Provisions on the division of radio frequency resources

in the People's Republic of China[M]. Beijing: Posts and Telecom

Press, 2014.

[9] 王达, 童建飞, 穆飞宇. 手机直连卫星通信: 发展现状、应用场

景和标准演进[J]. 无线电通信技术, 2023, 49(5): 795-802.

WANG D, TONG J F, MU F Y. Satellite communication supporting

direct connection with mobile phones: development trend, application scenario, and standards evolution[J]. Radio Communications

Technology, 2023, 49(5): 795-802.

[10] 蓝天翼. “手机直连卫星”的发展与挑战[J]. 国际太空, 2023(3):

58-62.

LAN T Y. Development and challenge of \"mobile phone direct satellite\" [J]. International Space, 2023(3): 58-62.

[11] Space Exploration Holdings, LLC. SpaceX sends first text messages via its newly launched directto cell satellites[EB]. 2024.

[12] 卫星通信观察. 高通终止与铱星的卫星直连手机交易[EB]. 2024.

Observation of Satellite Communication. Qualcomm terminates the

direct satellite phone transaction with Iridium[EB]. 2024.

[13] FCC 22-91. Request for orbital deployment and operating authority

·62· 天地一体化信息网络 第 5 卷

王丽冲（1990− ），女，中国电子科技集团公

司第五十四研究所工程师，主要研究方向为低

轨卫星通信、星地融合通信、卫星网络频率协

调及干扰分析等。

for the SpaceX Gen2 NGSO satellite system[EB]. 2022.

[14] Lynk Global, Inc. Lynk completes pre-commercial trials for 5th

satellite ahead of commercial launch[EB]. 2023.

[15] FCC 23-22. Single network future: supplemental coverage from

space[EB]. 2023.

[16] FCC 24-28. Single network future: supplemental coverage from

space[EB]. 2024.

[17] ITU-R. RESOLUTION COM6/9 (WRC-23): studies on possible

new allocations to the mobile-satellite service for direct connectivity between space stations and International Mobile Telecommunications (IMT) user equipment to complement terrestrial IMT network coverage[S]. 2023.

[18] ITU-R. Aggregate interference criteria for service links in data collection systems for GSO satellites in the Earth exploration-satellite and

meteorological-satellite services: ITU-R SA.1163[S]. 2018.

[19] ITU-R. Attenuation by atmospheric gases: ITU-R RA. 769-2[S].

2020.

[20] ITU-R. Technical coordination methods for fixed-satellite networks:

ITU-R S. 740-0[S].1992.

[21] ITU-R. Carrier-to-interference calculations between networks in the

fixed-satellite service: ITU-R S.741 FRENCH[S]. 1994.

[22] ITU-R. ITU-R Resolution 904 (WRC-07): transitional measures for

coordination between the mobile-satellite service (Earth-to-space)

and the space research (passive) service in the band 1 668-1 668.4

MHz for a specific case[S]. 2007.

[23] ITU-R. Interference calculations to assess sharing between the

mobile-satellite service and space research (passive) service in the

band 1 668-1 668.4 MHz: ITU-R REPORT M.2124[S]. 2007.

[24] ITU-R. Reference radiation pattern for earth station antennas in the

fixed-satellite service for use in coordination and interference assessment in the frequency range from 2 to 31 GHz: ITU-R

S.465-6[R]. 2010.

[25] ITU-R SNL database[EB]. 2024.

[26] ITU-R. Attenuation by atmospheric gases: ITU-R P.676-11[S].

2016.

[作者简介]

孙晨华（1964− ），女，中国电子科技集团公司首席科学家，中

国电子科技集团公司第五十四研究所研究员，主要研究方向为高

低轨卫星通信网络总体及网络应用、星地融合通信等。

赵伟松（1990− ），男，中国电子科技集团公司第五十四研究所

工程师，主要研究方向为低轨卫星通信、卫星网络应用、卫星网

络频率协调及干扰分析等。

刘全（1985− ），女，中国电子科技集团公司第五十四研究所高

级工程师，主要研究方向为卫星通信、星地融合通信等。

卢山（1982− ），女，中国电子科技集团公司第五十四研究所高

级工程师，主要研究方向为卫星通信、星地融合通信等。

2024 年 6 月 Space-Integrated-Ground Information Networks June 2024

第 5 卷第 2 期 天 地 一 体 化 信 息 网 络 Vol.5 No.2

分段分策略调度的遥感卫星任务规划架构

岳群彬，尚希杰，林晓勇，付 伟

（中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081）

摘 要：随着遥感卫星对各类应用的支撑保障不断深入，卫星任务规划系统面临的外部环境复杂多变，如卫星轨道调整、在轨

突发故障、任务随机到达、成像条件变化等，应急突发事件发生的随机性大大提高，传统的定期集中式任务规划架构逐渐无法

满足高时效、高响应要求。通过分析系统外部环境种类及变化规律，设计分段分策略调度的任务规划架构，以及相应的调度策

略和对象状态管理机制，实现对应急突发事件的高效响应能力。并在某遥感卫星任务管控系统项目中采用该技术架构并研制相

应软件。系统实际运行结果表明，该分段分策略的任务规划技术架构基本上满足了外部环境动态变化引起的高适应和高响应要

求，极大提升了系统的自动化程度和时效性指标。

关键词：卫星任务规划；流程调度策略；外部环境变化

中图分类号：TP393

文献标志码：A

doi: 10.11959/j.issn.2096−8930.2024017

Task Scheduling Framework of Multi-stage and

Multi-strategy for Remote Sensing Satellites

YUE Qunbin, SHANG Xijie, LIN Xiaoyong, FU Wei

The 54th Research Institute of CETC, Shijiazhuang 050081, China

Abstract: With the deepening of the support of remote sensing satellites for all kinds of applications, the external environment faced by

satellite mission planning system is complex and changeable, such as satellite orbit adjustment, sudden failure in orbit, random arrival of

tasks, changes in imaging conditions, etc., and the randomness of emergency events is greatly improved. The traditional periodic centralized mission planning framework is gradually unable to meet the requirements of high timeliness and high response. By analyzed the

types and changing rules of the external environment of the system, the task planning framework of segmented sub-strategy adjustment

was designed, as well as the corresponding scheduling strategy and object state management mechanism, and the efficient response ability to emergency emergencies was realized. The technical framework was adopted in a remote satellite mission management and control

system project and the corresponding software was developed. The actual operation results of the system showed that the technical

framework of mission planning with segmented strategy proposed in this paper basically met the requirements of high adaptability and

high response caused by dynamic changes of external environment, and greatly improved the automation degree and timeliness index of

the system.

Keywords: satellite mission planning, strategy of scheduling, external environment change

0 引言

遥感卫星一般携带可见光、红外、微波雷达等有效

载荷，从远距离、高空及外层空间对地球表面的各类地

物摄影成像，择机将成像数据传回地面进行原始处理和

高级产品生产，为资源普查、海洋监测等领域提供数据

服务。

遥感卫星任务规划是指在目标特性、卫星有效载荷

能力、卫星平台能源、存储、姿态及测控等多种约束条

件下，依据一定的优化策略，确定卫星成像和地面站接

收的时间窗口序列和控制参数，从而达到满足任务成像

需求和资源最大利用的优化过程，是一种复杂的优化组合

收稿日期：2024−01−15；修回日期：2024−04−20

·64· 天地一体化信息网络 第 5 卷

问题[1]。

遥感卫星任务规划流程一般可分为成像任务受理、

综合任务规划、星地工作计划制定、卫星控制指令编制

等主要环节，目前常规的遥感卫星任务规划流程大多为

以天为周期的固定式人机交互操作流程，每天人工提前

采集成像任务和地面接收资源，在固定时间人工驱动进

行任务规划流程。该流程在卫星数量较少、成像任务到

达集中的场景下，可与操作员值班岗位设置有效结合，

便于在固定集中的时间段内“一次性”完成整个任务规

划流程。

当任务规划流程面临的外部环境动态变化时，如卫星

轨道调整、在轨突发故障、任务随机到达、成像条件变化

等，原有固定时间集中“一次性”的任务规划模式将面临

极大的挑战，原有架构设计逐渐无法适应这些变化。由于

对外部环境的敏感性不足，无法及时安排新任务或调整已

有方案，整个流程响应能力变差，因此亟待重塑任务规划

架构，围绕不同的外部环境变化开展针对性策略设计，提

高流程响应能力和时效性。

1 相关领域研究现状

现有卫星任务规划问题研究一般将其转化为任务

调度最优化问题，通过引入各类启发式搜索算法，在成

像任务与地面资源组成的大规模解空间中快速寻求最

优解。付伟等[2]针对高动态到达的应急任务，建立了基

于事件触发的滚动式任务管控模式，在传统任务规划当

次状态清零的基础上重点设计了前一次不清零与下一

次继续滚动机制，但未考虑星地态势的变化趋势以及迭

代式规划。刘晓丽等[3]将动态任务规划方法应用到卫星

任务规划，基于测控周期将常规一天的任务规划分解为

多轮动态任务规划过程，适应应急任务动态调整要求

等。陈金勇[4]研究了快速响应空间概念和提高系统快速

响应能力的相关环节，提出了基于平台/插件思想实现系

统快速研发与流程再造的技术路线。王钧等[5]针对应急

条件下的卫星成像调度问题建立了多目标无圈有向图

模型，提出了基于标记更新的成像路径搜索算法，提高

了路径搜索效率。贺川等[6]将多星协同调度问题分解为

任务排序主问题和资源匹配子问题，以任务收益为优化

目标给出了约束满足模型。我国针对自动式任务规划架

构的研究尚在起步阶段，大多集中在应急任务到达触发

的自动化任务规划流程研究，没有综合考虑星地态势各

要素变化和内部持续迭代带来的任务规划要求，缺少对

调度策略的分类研究与设计。因此本文通过星地态势的

种类以及变化趋势分析，设计分段分策略的调度机制，

设计相应的任务规划架构，满足新形势下遥感卫星的任

务规划要求。

2 分段分策略的必要性分析

以往常规的遥感卫星任务规划一般设计为批量集中

式人工操作流程，每天固定时间人工触发集中式的成像任

务受理、综合任务规划、星地工作计划制定、卫星控制指

令编制等工作。期间设立了较多的人工在回路的控制点，

操作员的业务熟练程度和知识掌握程度很大程度上决定

了流程操作效率和任务规划结果[7]。

随着遥感卫星不断增多，对各类应用的支撑、保障不

断深入，尤其是瞬息万变的地震、火灾、战场环境等态势

对成像任务的时效性、规模、效益等能力指标提出了更高

要求，应急突发事件不可能遵循常规任务分时段、分批次

的规划模式。常规固定集中式任务规划架构渐渐无法满足

新形势下的任务规划要求，系统必须能够根据随时变化的

战场态势准实时调整卫星成像方案和地面数据接收方案，

为各类用户提供及时的信息支援。因此急需重构任务规划

流程，充分考虑外部星地态势变化情况，设计分段分策略

调度机制，将任务规划流程中的各个环节离散为多个阶

段，由调度引擎实时监测和感知外部条件的变化，根据不

同策略自动触发各阶段流程执行，始终保持对外部条件较

高的敏感性和响应性，做到先“一触即发”后“牵一发动

而全身”。

3 业务架构设计

剖析新形势下的遥感卫星任务规划业务要求，从业务

应用层面设计系统架构，侧重设计从成像任务接收到卫星

指令生成全流程中的分段功能及衔接关系。

3.1 4 段调度架构

根据业务功能分析情况，设计了 4 段调度的任务规划

架构，如图 1 所示，主要包括数据准备、成像任务预处理、

迭代任务规划、计划与指令编发等 4 个主体阶段。根据各

阶段的职责和触发条件确定不同的调度策略，数据准备阶

段为 1 类调度策略，成像任务预处理阶段为 2 类调度策略，

迭代任务规划阶段为 3 类调度策略，计划与指令编发阶段

为 4 类调度策略。同时，系统设计数据池实体，用于存放

不同阶段产生的输出数据，包括轨道数据池、成像任务池、

卫星成像窗口池和单星成像/数据传输方案池，池中数据不

断反复迭代更新，每更新一次则会触发下一阶段的动态

操作。

第 2 期 岳群彬等：分段分策略调度的遥感卫星任务规划架构 ·65·

图 1 分段分策略调度的任务规划架构

（1）阶段 1：数据准备

轨道数据会根据轨道根数到达触发后续一段时间的

星历计算、跟踪接收预报计算、中继可见计算等各种基础

计算，将计算结果存储以备随用随取。

（2）阶段 2：成像任务预处理

主要接收成像任务，对仅含成像背景不指定卫星的任

务通过资源匹配知识库自动匹配适用卫星及载荷，形成

规范化的统一成像任务。接着遵循复杂计算前置的原

则，结合轨道数据对其进行卫星可视窗口计算、成像参

数计算、数据传输窗口计算等，最终形成带有卫星载荷、

成像时间、数据传输时间、成像参数等属性的成像窗口

序列。

（3）阶段 3：迭代任务规划

从成像窗口序列中取出数据，依据成像要求模型匹配

知识库，对所有输入的成像任务，按照任务背景要求、资

源优化策略、卫星基本使用规则、数据传输资源等进行任

务规划。从成像窗口序列中剔除明显不合理的子项，确定

各星分配的成像窗口，接着依据具体单颗卫星的载荷使用

约束规则判断各星任务是否可行，根据结果反复迭代进行

任务规划，最终形成满足整体任务规划策略和单颗卫星任

务约束检验的单星成像方案和数据传输方案。

（4）阶段 4：计划与指令编发

从单星成像方案和数据传输方案池中取出单星成像

方案，制定详细的卫星成像计划、地面站跟踪接收计划、

中继数据接收计划，进而编制卫星遥控指令，最后将计划

与指令对外发送，完成整个任务规划流程。

3.2 4 类调度策略

分段调度的策略一般根据系统外部环境变化情况而

定，而外部环境即为星地态势，指卫星、地面站、成像目

标等对象及其环境的当前状态和发展变化趋势。态势要素

指构成星地态势的目标、环境、事件和估计等诸类要素。

不同的星地态势包含的态势要素不同，一个任务目标对应

一个或多个待更新的星地态势要素，且随任务目标的改变

而变化，甚至在一个任务目标下的不同观测阶段或时节都

存在差异。因此，星地态势要素及其相互关系的发展和变

化是依据任务目标变化而确定的，如何对其进行及时的估

计与更新是分段调度的关键。

通过分析任务规划面临的外部星地态势变化情况，结

合新形势下卫星任务规划的业务要求，设计了“持续优化

+适时截尾”的基本调度策略。“持续优化”指在阶段 3 和

阶段 4 中，阶段 3 迭代任务规划在时间允许的情况下不间

断地持续进行，通过智能优化搜索算法不断逼近最优解，

持续对单星成像/数据传输方案更新换代；“适时截尾”指

在临近某星的测控时机或接收时机时，启动阶段 4 流程，

截取一段尾巴（从时间临近端截取一段窗口内的单星成像

/数据传输方案），快速生成该星工作计划与指令，适时下

发执行，剩余未截取部分继续执行“持续优化”策略。

具体设计的各阶段的调度策略见表 1。

表 1 各阶段调度策略

序号 阶段 调度策略

1 数据准备 1 类策略 卫星轨道根数到达

2 成像任务预处理 2 类策略

成像任务到达

成像任务状态变化

气象环境变化

轨道数据更新

3 迭代任务规划 3 类策略

定时触发

成像窗口到达或更新

接收资源变化

测控资源变化

卫星在轨状态变化

4 计划与指令编发 4 类策略 测控时机临近

接收时机临近

各阶段判据规则及触发条件说明如下。

（1）卫星轨道根数到达

轨道根数反映了卫星实时的空间轨道位置，一般由测

·66· 天地一体化信息网络 第 5 卷

控系统定期发布，系统收到更新的轨道根数后，分析计算

与原有轨道根数的偏差，大于设定阈值后触发后续的轨道

数据计算。

（2）成像任务到达

成像任务由外部系统按需提出，或由人工自行录入，

作为整个任务规划流程的触发源头。

（3）成像任务状态变化

成像任务状态一般有如下几种情况的变化：一是随着

时间推移，超出任务的有效期，任务已失效；二是经人工

确认任务已经提前完成；三是任务已完成部分，但经人工

确认无效，任务需重置复位；四是人工主动取消，通过分

析当前任务状态变化情况确定后续处理流程。

（4）气象环境变化

遥感成像卫星一般受气象环境影响较大，在多云及雨

雪天气成像效果较差，而任务规划采用的气象数据均为提

前预报数据，随时间推移极易产生变化，因此需针对实时

获取的成像任务气象环境数据（一般为云量值），分析计

算前后数据偏差，若超出该任务可忍受的阈值则触发后续

处理流程。

（5）轨道数据更新

卫星轨道数据随轨道根数的到达自动全局更新，包括

卫星星历数据、卫星地影数据、天/地基数据接收窗口等。

轨道数据的更新会影响卫星对成像任务的可视窗口，因此

需分析计算前后两次轨道数据的星下点偏差，结合卫星成

像幅宽和姿态角度，决策是否触发后续处理流程。

（6）成像窗口到达或更新

成像窗口作为成像任务预处理阶段的输出结果，直接

驱动后续综合任务规划阶段，一般包括新生成成像窗口、

原有成像窗口数据调整等情况。

（7）接收资源变化

接收资源一般指中继星和地面接收站的可用接收弧

段，一般有如下几种情况的状态变化：强雨雪天气下的接

收弧段暂时不可用或截短、接收弧段被其他高优先级任务

抢占或截短、其他任务取消导致接收弧段延长等，接收弧

段长度变化会导致原有任务规划结果中的卫星数据下载

动作的数据丢失或资源浪费，因此需直接触发新一轮任务

筹划。

（8）测控资源变化

测控资源[8]一般指地面测控站的可用测控弧段，一般

有如下几种情况的状态变化：强雨雪天气下的测控弧段暂

时不可用或截短、测控弧段被其他高优先级任务抢占或截

短、其他任务取消导致测控弧段延长等，测控弧段长度变

化会导致原有卫星指令上注计划失效（上注数据丢失或资

源浪费），因此需直接触发新一轮任务规划。

（9）卫星在轨状态变化

卫星日常在轨运行面临复杂的空间环境，存在星上软

硬件出现故障的可能性，地面可根据卫星下载的实时遥测

数据及时分析、判断卫星的健康状态，进而综合分析并决

策因故障不可用、临时规避、降能使用等使用策略。

（10）测控时机临近

测控窗口一般用于执行卫星指令上注，为避免已上注

指令频繁调整，设计在卫星的最晚上注时刻前（即测控时

机临近），截取一段数据生成卫星计划与指令。测控时机

的临近时间长度可灵活配置。

（11）接收时机临近

接收窗口一般用于指导地面站或中继星及时接收卫

星下载数据，为避免已发送计划频繁调整，设计在地面站

或中继星的最早接收时刻前（即接收时机临近），截取一段

数据生成卫星计划。接收时机的临近时间长度可灵活配置。

（12）定时触发

最基本的调度方式，指预先设置的定时器时间到达，

自动触发后续流程。

4 技术实现途径

在技术实现层面，主要基于主流底层工具搭建流程调

度模型，依托成熟的流程编排工具实现流程自动化运行、

灵活管理配置和流程模板定义及实例化；通过实时采集的

各对象状态，确定触发条件及关联活动；定义各阶段内部

纵向流程统一的启动、暂停、停止、取消等消息接口，控

制各阶段内部流程出入口；定义各阶段横向串联流程统一

的启动、暂停、停止、取消、后退等消息接口，控制各阶

段运行状态；流程启动时建立事务操作并集中缓存各阶段

过程数据，流程取消或停止时清空本地所有缓存数据，流

程完成时根据激活条件（如指令发送）触发一次性所有数

据完整存入数据库；将对象状态和触发条件转译为各阶段

的标准化输入接口，驱动相应阶段流程；将各阶段输出数

据镜像后作为下一阶段的输入数据，为横向流程后退预留

原始数据。

4.1 底层技术架构

在具体技术实现上，底层依托成熟的工作流工具，调

度功能采用“Action-Event-Command”驱动模型，自动感

知外部活动（数据流、状态流、事件流等）变化情况，将

外部活动转化为调度引擎可识别的调度事件，同时结合调

度策略（时间、优先级、属性等）进行统筹分析，将调度

第 2 期 岳群彬等：分段分策略调度的遥感卫星任务规划架构 ·67·

事件进行分类、聚合，最终形成调度命令队列等待执行。

调度采用调停者拓扑结构，主要组成包括：命令

（Command）队列、调停者、事件通道和事件处理器。命

令流通过客户端发送到消息队列，命令队列则传递消息到

调停者；调停者接收到消息队列传递过来的原始消息，编

排成异步的消息发送到事件通道，事件通道则通过事件处

理器执行处理过程的每一步；事件处理器监听事件通道，

根据自身不同的业务逻辑来处理从调停者接收的事件。

具体将整个调度机制设计为任务中心和调度中心两

层结构。其中，任务中心负责接收外部触发的调用请求，

加载驱动模型并根据调度规则和策略生成调度命令，送调

度中心；调度中心又包括执行器和调度引擎，通过多执行

器+负载均衡实现并发分片和多实例调度，提高调度响应

时效性。采用服务编排方式对系统功能服务进行时序、数

据、配置等组装，形成完整的功能模块集合，再通过工作

流引擎串联相应功能模块，并将任务执行分 4 个阶段（数

据准备阶段、成像任务预处理阶段、迭代任务规划阶段、

计划与指令编发阶段）进行调度。

分段分策略调度机制技术架构如图 2 所示。

图 2 分段分策略调度机制技术架构

4.2 对象状态管理器

针对 4 类调度策略包含的数据种类，为了能够实时采

集其最新状态并分析偏差情况，引入了对象状态管理器，

定义各状态的产生者和使用者，设计各状态的变迁流程和

级联变迁流程。在对象状态管理器中设计状态更新探针，

嵌入 4 个阶段的处理流程中，根据流程处理结果采集状态

最新值，实时上报给对象状态管理器。

设计的对象状态管理器如下。

（1）轨道数据状态管理器

管理维护轨道根数、轨道数据等的状态；根据外部

条件实时更新状态，并分析计算其是否超限以决策后续

操作。

（2）成像任务状态管理器

管理维护成像任务的状态，对任务的完成情况和执行

情况进行跟踪闭环；根据外部条件实时更新状态，并分析

计算其是否超限以决策后续操作。

（3）气象环境状态管理器

管理维护成像任务的气象环境的状态；根据外部条件

实时更新状态，并分析计算其是否超限以决策后续操作。

（4）资源状态管理器

管理维护接收资源和测控资源的状态，根据任务规划

情况和计划下发情况实时设置空闲、已用、已冻结等状态；

通过轮询方式定时检索出时间临近的测控窗口和接收窗

口；根据外部条件实时更新状态，并分析计算其是否超限

以决策后续操作。

（5）卫星状态管理器

根据卫星实时遥测数据实时跟踪监视卫星的在轨健

康状态，并分析计算其是否超限以决策后续操作。

4.3 调度效率优化

4 个阶段调度的任务规划流程中，通过大量的计算逻

辑和模型算法，才得以将用户的成像任务转换为卫星和地

面站可识别可执行的程序命令。期间涉及星历计算、跟踪

接收预报计算、中继可见性计算、测站可见性计算、卫星

指向计算、天线遮挡分析、卫星成像参数计算、目标访问

计算、云量计算等。上述计算服务的复杂度和耗时程度各

不相同，会直接影响整体流程的执行效率。尤其在本文设

计的“持续优化+适时截尾”的基本调度策略中存在迭代

反复过程，若在其中调用上述某些计算服务，会使耗时成

倍增长，极大降低流程执行效率。随着卫星规模的大幅增

长，上述计算服务面临的问题域空间或呈几何指数增长，

耗时情况将会进一步加剧。

根据上述计算服务在主体业务流程中的位置可分为

·68· 天地一体化信息网络 第 5 卷

流程强关联计算服务和流程弱关联计算服务两类，以便有

针对性地设计相应的优化策略。

流程弱关联计算服务主要指由流程之外的数据驱动，

无须流程上下文环境即可独立执行的服务，包括轨道计

算、目标访问计算、云量计算、卫星成像参数计算等。可

独立于流程之外，需将这些复杂的耗时计算前置到阶段 1

（数据准备阶段），通过提前预计算做到即用即取，同时综

合采用空闲时间计算和冗余数据存储，结合计算资源弹性

分配和内存数据库等技术手段，来换取计算时间上的缩短

和效率的提升。

流程强关联计算服务主要指处于流程调用链中，需流

程上下文环境作为输入/输出以驱动执行的服务，包括优化

搜索算法、单星约束检验算法等。需细粒度贯彻并行化思

想，将算法中不相关的逻辑块并行化处理，充分利用高性

能计算服务器硬件资源，提高硬件资源消耗率，综合降低

软件运行耗时。

5 应用实例分析

为验证分段分策略调度的任务规划架构的合理性和

有效性，本文以某遥感卫星任务管控系统为例，根据上述

提出的设计方法，在实际项目中设计了分段分策略的任务

规划技术架构，并研制开发了相应的分段分策略流程调度

软件、成像任务预处理软件、迭代任务规划软件、计划与

指令编发软件等。该系统主体界面的显示要素主要包括外

部环境变化情况，以及各阶段调度产生的输出数据（以数

据池形式存放）等内容。

通过系统实际运行，对本文提出的技术架构的应用效

能进行分析和评价。与原有传统模式任务规划系统相比，系

统在外部环境变化种类、自动化程度、任务安排或调整时效

性等方面有明显的能力提升，具体分析情况见表 2。

从表 2 可以看出，分段分策略架构的任务规划系统在

以下方面提升了系统的整体能力。

（1）流程响应的外部环境变化种类

原有传统架构仅支持人工触发 1 种环境变化，分段分

策略架构扩展至 12 种，并细分至 4 个不同环节中，基本

覆盖了目前对任务规划系统有影响的所有环境变化种类，

极大提高了系统的环境适应能力和响应能力。

（2）任务安排或调整的时效性

原有传统架构下常规任务一般为间隔 24 h 规划一

次，临时任务采用应急插入模式，1 个应急任务插入耗时

约 5 min（含人工操作）。分段分策略架构下，常规与应急

任务一体化处理，平均 1 个常规或应急任务耗时在 1 min

之内，任务处理的时效性大幅提高。

（3）流程自动化程度

原有传统架构下，流程自动调度能力较弱，流程各环

节均需人工触发，自动化程度整体偏低。分段分策略架构

下，设计了统一的流程调度引擎中心，实现了各环节有效

衔接和自动化处理，从无到有地填补了自动化能力空白。

综上分析，分段分策略调度的遥感卫星任务规划架构

基本上解决了由外部环境动态变化带来的适应性不足、响

应能力低下等问题，在一定程度上提升了系统的自动化程

度和时效性指标，与预想能力基本相符。

6 结束语

本文在传统定期集中式遥感卫星任务规划架构的基

础上，面向高频更新的外部环境变化情况及影响域分析，

表 2 系统效能提升分析

系统类型 响应的外部环境变化种类 适应流程环节 任务安排或调整时效性 自动化程度

原有传统架构的

任务规划系统 人工触发 所有环节 常规任务一般间隔 24 h 规划一次。

临时任务采用应急插入模式，1 个应急任务插入耗时约 5 min （含人工操作） 无

分段分策略架构

的任务规划系统

（1） 卫星轨道根数到达 基础数据准备

常规与应急任务一体化处理，平均 1 个常规或应急任务耗时在 1 min 之内 有

（2）成像任务到达

（3）成像任务状态变化

（4）气象环境变化

（5）轨道数据更新

成像任务预处理

（6）定时触发

（7）成像窗口到达或更新

（8）接收资源变化

（9）测控资源变化

（10）卫星在轨状态变化

迭代任务规划

（11）测控时机临近

（12）接收时机临近 计划与指令编发

第 2 期 岳群彬等：分段分策略调度的遥感卫星任务规划架构 ·69·

岳群彬（1980− ），男，硕士，高级工程师，

主要研究方向为卫星任务规划、航天测控与

运控。

针对性设计了 4 个阶段的处理流程以及每个阶段不同的调

度策略。采用该技术架构可有效提升系统对外部环境变化

的响应能力，从而提升系统整体流程的时效性。系统设计

的流程调度模型和服务编排工具具有较高的可扩展性，可

有效支撑未来涌现出的新型外部环境变化种类。

参考文献：

[1] 贺仁杰. 成像卫星任务规划技术[M]. 北京: 科学出版社, 2011.

HE R J. Imaging satellite mission planning technology[M]. Beijing:

Science Press, 2011.

[2] 付伟, 刘晓丽, 宋世杰, 等. 面向应急常态化的卫星任务管控模

式研究[J]. 无线电工程, 2021, 51(5): 407-410.

FU W, LIU X L, SONG S J, et al. Research on operation mode of

satellite mission control systems for emergencies[J]. Radio Engineering, 2021, 51(5): 407-410.

[3] 刘晓丽, 杨斌, 高朝晖, 等. 遥感卫星滚动式动态任务规划技术[J].

无线电工程, 2017, 47(9): 68-72.

LIU X L, YANG B, GAO Z H, et al. Research on rolling dynamic

mission scheduling technique for remote sensing satellites[J]. Radio

Engineering, 2017, 47(9): 68-72.

[4] 陈金勇. 航天对地观测运行机制与快速响应系统研究[J]. 无线

电工程, 2017, 47(2): 1-6.

CHEN J Y. Research on operating mechanism and fast response

system of space earth observation system[J]. Radio Engineering,

2017, 47(2): 1-6.

[5] 王钧, 李军, 陈慧中, 等. 一种应急条件对地观测卫星成像调度

方法[J]. 电子学报, 2008, 36(9): 1715-1722.

WANG J, LI J, CHEN H Z, et al. A multi-objective imaging scheduling approach of earth observation satellite for emergent conditions[J]. Acta Electronica Sinica, 2008, 36(9): 1715-1722.

[6] 贺川, 朱晓敏, 邱涤珊. 面向应急成像观测任务的多星协同调

度方法[J]. 系统工程与电子技术, 2012, 34(4): 726-731.

HE C, ZHU X M, QIU D S. Cooperative scheduling method of

multi-satellites for imaging reconnaissance in emergency condition[J]. Systems Engineering and Electronics, 2012, 34(4):

726-731.

[7] 习婷, 李菊芳. 面向动态需求的成像卫星滚动式重调度方法研

究[J]. 中国管理科学, 2015, 23(S1): 269-274.

XI T, LI J F. The rolling horizon method for EOS scheduling with

dynamic requests[J]. Chinese Journal of Management Science,

2015, 23(S1): 269-274.

[8] 杨正磊, 张海威, 王瑞花, 等. 应急条件下星地资源综合运用模

式研究[J]. 航天器工程, 2017, 26(1): 6-11.

YANG Z L, ZHANG H W, WANG R H, et al. Research on integrated

handling mode of satellite and station resources under emergency

conditions[J]. Spacecraft Engineering, 2017, 26(1): 6-11.

[作者简介]

尚希杰（1983− ），男，硕士，高级工程师，主要研究方向为卫

星任务规划。

林晓勇（1985− ），男，硕士，高级工程师，主要研究方向为卫

星任务规划、航天测控与运控。

付伟（1986− ），男，博士，高级工程师，主要研究方向为卫星

任务规划。

2024 年 6 月 Space-Integrated-Ground Information Networks June 2024

第 5 卷第 2 期 天 地 一 体 化 信 息 网 络 Vol.5 No.2

基于遗传算法的低轨卫星物联网星座任务规划问题

李艳红，吕 强，梁军民，封世刚，苗君厚

（北京国电高科科技有限公司，北京 100094）

摘 要：针对无星间链路的低轨卫星物联网星座，设计一种基于遗传算法的任务规划算法，旨在通过多地面站实现数据实时通

信的同时，最大化卫星和地面站的资源配置。首先设计最大化卫星在轨服务时长的目标函数和限制冲突弧段的约束条件，构建

低轨卫星物联网星座任务规划模型；然后以遗传算法为基础，引入冲突弧段和早停机制，设计低轨卫星物联网星座任务规划算

法。在此基础上，使用由 18 颗无星间链路的低轨通信卫星构成的卫星星座和 4 个地面站进行实验。同时为了验证算法性能，

使用先来先服务算法对实验数据进行任务规划。实验结果表明，设计的低轨卫星物联网星座任务规划算法可以显著提高地面站

接收通信卫星数据的调度能力，解决卫星数量众多而地面站不足的矛盾。

关键词：遗传算法；低轨卫星物联网星座；任务规划；在轨服务时长；冲突弧段

中图分类号：TN927

文献标识码：A

doi: 10.11959/j.issn.2096−8930.2024018

Mission Planning for LEO Satellite IoT Constellation

Based on Genetic Algorithm

LI Yanhong, LYU Qiang, LIANG Junmin, FENG Shigang, MIAO Junhou

Beijing Guodian Gaoke Technology Co., Ltd., Beijing 100094, China

Abstract: A mission planning algorithm based on genetic algorithm was designed for LEO satellite IoT constellation with no inter-satellite

links, aimed to achieve real-time data communication through multiple ground stations while maximized the resource allocation of satellites

and ground stations. Firstly, the objective function to maximized the service duration of satellites in orbit and the constraints on clashed

tasks were designed, constructed the mission planning model for LEO satellite IoT constellation. Then, based on genetic algorithm, clashed

tasks and early stopping mechanism were introduced, and the mission planning algorithm for the LEO satellite IoT constellation was designed. On this basis, experiments were conducted use a constellation of 18 LEO communication satellites without inter-satellite links and 4

ground stations. In addition, in order to verified the performance of the algorithm, first come first service (FCFS) algorithm was also used

for mission planning of the experimental data. The experiments compared with FCFS showed that the designed mission planning algorithm

for LEO satellite IoT constellation could significantly improve the scheduling capacity of ground stations for receiving data of communication satellites, addressed the contradiction of insufficient ground stations with a large number of satellites.

Keywords: genetic algorithm, LEO satellite IoT constellation, mission planning, the service duration of satellites in orbit, clashed tasks

0 引言

2003 年10 月21日，我国自主研制的首颗微小卫星“创

新一号”发射入轨。“创新一号”是我国第一代低轨数据

通信小卫星，它的研制成功，标志着我国低轨通信卫星技

术进入开发应用阶段[1]。通信卫星作为空间微波中继站，

接收地面站发射的信号，经处理后再转发至其他地面站，

实现远距离实时通信[2]。与高轨通信卫星相比，低轨通信

卫星传输时延小，链路损耗少，能够提供更好的通信质量，

但覆盖面积小，实现全球覆盖需要部署大量卫星[3]。近年

来，我国卫星事业发展迅速，卫星星座组网是未来的发展

趋势，天启星座是我国首个提供低轨卫星数据通信服务的

窄带物联网星座系统。为了满足星座规模化运行需求，解

决卫星数量急剧增长和地面站数量有限的矛盾，研究星座

系统的多星任务规划问题至关重要。任务规划问题是非确

定性多项式难题（ Non-deterministic Polynomial-hard,

收稿日期：2024−02−10；修回日期：2024−05−20

第 2 期 李艳红等：基于遗传算法的低轨卫星物联网星座任务规划问题 ·71·

NP-hard）问题[4-5]，求解耗时长且难以找到全局最优解，

国内外学者已经做了较多的研究工作，特别是基于遗传算

法（Genetic Algorithm, GA）等智能优化算法求解卫星任

务规划问题的方法有了相对广泛的应用。参考文献[6]在允

许卫星数据传输任务部分调度的前提下，基于冲突消解的

遗传算法设计了一种卫星数据传输混合调度算法，实现卫

星数据传输调度加权总执行时间最大化。参考文献[7-8]改

进了遗传算法的选择算子、变异算子和交叉算子，以适用

卫星网络资源调度。参考文献[9-10]采用蚁群算法优化卫

星数据传输调度任务。参考文献[11]针对遥感集群系统的

任务调度问题，提出了一种基于禁忌搜索的自适应遥感任

务调度算法。参考文献[12-14]利用差分进化算法求解多成

像卫星调度问题。参考文献[15-17]设计了一种粒子群改进

算法，实现遥感卫星数据传输测控任务一体化调度。参考

文献[18]为了解决大规模星座测控资源调度问题，设计了

一种自适应模拟退火算法。参考文献[19-21]动态调整遗传

算法的变异概率和交叉概率，用于解决成像卫星的任务规

划问题。参考文献[22]利用强化学习更新遗传算法中的参

数，规划地球电磁卫星的数据传输任务。参考文献[23]设

计了两阶段遗传算法解决多卫星多约束的测控资源调度

问题。参考文献[24]利用遗传算法解决低轨卫星通信星座

测控资源调度问题。

分析上述文献的研究成果可知，利用智能优化算法解

决卫星任务规划问题是主流的研究方向。特别地，由于遗

传算法具有持续学习和高效并行等优良性能，该算法被更

为广泛地应用于解决卫星任务规划问题。同时注意到遥感

卫星任务规划发展较早，已有很多研究成果，而通信卫星

早期多为地球同步卫星，侧重于单星单站频谱资源调度，

不涉及多星多站任务规划问题，因此通信卫星的任务规划

相关研究工作较少。由于遥感卫星下行数据传输链路的多

星多站任务规划和通信卫星下行馈电链路的任务规划问

题有相似之处，因此可以将遗传算法应用于解决通信卫星

的多星多站任务规划问题。值得一提的是，本文只考虑通

信方式简单且成本效益高的无星间链路的低轨通信卫星。

本文中通信卫星的任务规划指的是优化低轨通信卫星下

行馈电链路通信任务的执行策略，因此如何利用遗传算法

解决无星间链路的低轨卫星物联网星座任务规划问题是

重点要做的工作。

1 低轨卫星物联网星座任务规划模型

低轨卫星物联网星座任务规划是一个涉及多星多站

等多任务的复杂的下行馈电链路数据传输调度问题。图 1

是下行馈电链路数据传输示意，图中卫星间无星间链路。

黄色链路表示卫星和地面站处于可见弧段，进行数据传

输；绿色链路表示卫星与地面站间的链路断开。卫星 3 与

地面站 1 间的数据传输任务完成后，馈电链路断开，卫星

3 飞行一段时间后，卫星 3 与地面站 2 处于可见弧段，建

立馈电链路，进行数据传输。为简化低轨卫星物联网星座

任务规划问题，首先做出合理假设，然后为了便于进行描

述和讨论，对本文涉及的关键参数进行规定和定义，最后

设计低轨卫星物联网星座任务规划的目标函数和约束条

件，构建有约束的非线性优化模型。

图 1 下行馈电链路数据传输示意

1.1 基本假设

为了更清晰地聚焦低轨通信卫星数据传输问题的核

心以及使研究更具针对性和操作性，同时考虑到低轨通信

卫星和地面站的实际情况，本文做出了如下假设：

① 一个地面站有 H 副天线；

② 每颗卫星和地面站的可见弧段只进行一个数据

传输任务，且数据传输任务必须完整完成，不允许部分

完成；

③ 在卫星数据传输过程中，需要考虑接受准备时间

和资源释放时间。把接受准备时间和资源释放时间的总和

当作一个常数 a；

④ 忽略同一个地面站的同一副天线连续执行两次数

据传输活动的时间间隔；

⑤ 数据传输周期设定为一天；

⑥ 卫星和地面站的可见弧段时长大于数据传输持续

·72· 天地一体化信息网络 第 5 卷

时间 b 与 a 的和；

⑦ 每个地面站和每颗卫星间都可以进行数据传输。

1.2 参数定义

为了达到方便表述和后续建模的目的，对研究中用到

的参数进行如下定义：

① gi表示第 i 个地面站，i = 1, 2, ..., n；

② sj表示第 j 颗卫星，j = 1, 2, ..., m；

③ n 为地面站的数量，m 为通信卫星的数量；

④ twl

ij表示地面站 gi与卫星 sj的第 l 个可见弧段，

l = 1, 2, ..., φij；

⑤ φij为地面站 gi与卫星 sj的可见弧段数量；

⑥ 1 1

n m

ij

i j

N ϕ = =

=∑∑ 表示可见弧段的总数量；

⑦ tsl

ij, tel

ij 分别表示可见弧段 twl

ij 的开始时刻和结

束时刻；

⑧ taskj表示卫星 sj的数据传输任务；

⑨ c

l

ij表示在地面站 gi与卫星 sj的第 l 个可见弧段，

gi与 sj是否发生数据传输，发生为 1，否则为 0。

1.3 模型建立

构建低轨卫星物联网星座任务规划模型是规划卫星

数据传输任务的关键一环。低轨卫星物联网星座任务规划

模型设计的核心在于两方面：一是设定合理的约束条件，

确保任务规划在实际操作中的可行性；二是设计明确的目

标函数，厘清任务规划的关键目标以及优化导向。

低轨卫星物联网星座任务规划模型构建主要考虑的

约束条件为：对于地面站 gi，若卫星 sj的第 '

l 个弧段和其

他 任 意 一颗卫星 sk (k≠j) 的 第 l 个 弧 段满足

' '

ts , te ts , te l l l l

ij ij ik ik ⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎣ ⎦ ≠ ∅ ⎣ ⎦ ∩ ，则认为两个弧段发生冲突，并

记 βik 为卫星 sk 与地面站 gi 的可见弧段和 '

twl

ij 发生冲突的

数量，则有

'

1

ik

l l

ij ik

k jl

c cH

β

≠ =

+∑∑ ≤ (1)

其中， ' 1 ij ≤ ≤l ϕ 。式(1)刻画了在同一时刻，和同一地面

站进行数据传输的卫星数量不超过天线的数量。该约束

条件保障地面站资源的有序分配和使用，避免资源冲突

和浪费。

低轨卫星物联网星座任务规划的目标是对于同一颗

卫星 sj，∀gi，按照 tsl

ij 将卫星 sj的数据传输任务 taskj进行

升序排列，得到重排后的序列{tsj(p), tej(p)}, p = 1, 2, ..., P，

其中 P 为卫星 sj与所有地面站的可见弧段的数量，则卫星

在轨服务时长函数为

time

1 1

max max ( )ts ( ), ( )te ( )

m P

jj jj

j p

F cp pcp p = =

= ⎡ ⎤ ∪∪⎣ ⎦ (2)

式(2)表示在满足约束条件式(1)的情况下，尽可能使

得在给定的时间范围内卫星在轨服务时间最长。此任务规

划目标在满足数据实时通信需求的同时，确保对卫星和地

面站进行精确调度，实现资源的最优分配和高效利用。

2 低轨卫星物联网星座任务规划算法

首先引入冲突弧段的概念，接着分析早停机制和遗传

算法。在此基础上，设计基于遗传算法的低轨卫星物联网

星座任务规划算法。

2.1 冲突弧段

为了缩小算法搜索空间，引入了冲突弧段的概念。冲

突弧段设定的规则为：在某个时间点，对于固定的某个地

面站，如果和该地面站通信可见的卫星有多颗，则认为这

些弧段发生冲突。

2.2 早停机制

为了避免算法过度学习和限制算法所消耗的运行时

间和计算资源，采用了早停机制，即若算法目标函数值在

过去 T 轮迭代过程中没有明显改善，则算法停止迭代。

2.3 遗传算法

遗传算法是一种基于全局搜索的并行、高效的方法，

使用“适者生存”的原则，在搜索过程中主动学习和存储

有关搜索空间的知识，自适应地控制搜索过程，在进化过

程中逐次产生一个近似最优解[25]。利用遗传算法求解最优

化问题的流程为[26]：创建初始种群；计算适应度值；应用

选择、交叉和变异算子；设置迭代停止条件。

2.4 基于遗传算法的低轨卫星物联网星座任务规划算法

低轨卫星物联网星座任务规划问题是 NP-hard 问题，

遗传算法是解决 NP-hard 问题的一种有效工具。遗传算法

通过模拟自然选择和遗传机制，能在复杂的问题空间中快

速搜索到接近最优的解。基于遗传算法的低轨卫星物联网

星座任务规划算法的具体步骤如下。

第一步，设置低轨通信卫星的轨道参数和地面站的经

纬度，利用 STK 仿真软件的可见性分析功能来预报低轨

通信卫星与地面站间的所有可见弧段，将其作为总体输

入。每个可见弧段的信息包含弧段 ID、地面站标识、地面

站名称、卫星标识、卫星名称、开始时间和结束时间。

第二步，设计二进制编解码规则，建立数据传输任务

方案与解空间的映射关系。规则如下

1, ID

0, c ⎧

= ⎨

⎩

弧段 对应的卫星和地面站在此时间段进行数据传输

其他情况

第 2 期 李艳红等：基于遗传算法的低轨卫星物联网星座任务规划问题 ·73·

第三步，根据冲突弧段的设定规则选择用于进化的弧

段，将其作为任务规划的搜索空间。

第四步，根据式(1)和式(2)创建任务规划的约束条件和

目标函数，构建低轨卫星物联网星座任务规划模型。

第五步，设定选择、交叉、变异算子和超参数，采用

遗传算法的启发式方法进行全局搜索，得到一个近似最优

的冲突弧段任务规划方案。

利用遗传算法进行冲突弧段任务规划问题的流程如

图 2 所示，具体步骤如下。

图 2 遗传算法解决冲突弧段任务规划问题的流程

（1）创建冲突弧段初始种群。遗传算法使用染色体表

示个体，染色体是一个长度为冲突弧段数量 X 的二进制字

符串，如图 3 所示。初始种群是一组随机生成的染色体的

集合，其中种群数量 size_pop 是超参数，需要人为设定。

图3 由长度为X的二进制编码染色体所组成的大小为size_pop的种群

（2）计算种群个体适应度函数值。利用惩罚函数法求

解有约束优化问题，构造的适应度函数为

' 5

time

1 1

Fitness 1 10 max 0,

n ik

l l

ij ik

i k jl

F c cH

β

= ≠=

⎧ ⎫

= +× + − ⎨ ⎬ ⎩ ⎭ ∑ ∑∑ (3)

其中，1×105 是惩罚因子。首先根据式(3)计算初始种群中

每个个体的适应度函数值，然后对于经过选择、交叉和变

异算子处理后产生的新一代种群中的个体，都需计算其适

应度函数值。由于个体间是相互独立的，因此计算过程可

以并行执行。

（3）应用选择、交叉和变异算子。将选择、交叉和变

异算子应用到种群中，会产生新一代种群。选择算子使用

锦标赛选择方法，交叉算子使用部分基因交叉方法，变异

算子使用单点变异方法。随着迭代的进行，通过选择算子

的作用，适应度函数值较低的个体逐渐被淘汰，而适应度

函数值较高的个体得以保留并繁衍。与此同时，通过交叉

和变异操作，算法能探索新的解空间，生成更优的个体。

（4）设置迭代停止条件。人为设定最大迭代轮数

max_iter，并添加早停机制。

第六步，合并不冲突的弧段编码和上述迭代得到的冲

突弧段任务规划方案，得到最终的任务规划方案。不冲突

的弧段编码都设定为 1，表示卫星和地面站进行数据传输。

按照可见弧段的顺序，将上述算法优化得到的冲突弧段任

务规划序列插入到不冲突的弧段编码序列中，获得最终的

任务规划方案。

3 实验与分析

为了验证本文设计的低轨卫星物联网星座任务规划

算法的有效性，基于 STK 软件仿真生成的预报数据进行

实验并对生成的实验结果进行分析。

考虑到卫星运行的实际复杂情况，选取了目前实际在

轨运行且完全覆盖国内的 18 颗无星间链路的低轨通信卫

星和分布在全国的 4 个地面站，18 颗低轨通信卫星构成一

个卫星星座，利用 STK 软件生成仿真数据。低轨通信卫

星的高度为500~900 km，卫星调度的时间周期设置为2024

年 1 月 19 日 00:00:00 至 20 日 00:00:00，生成了 281 个任

务。

应用 GA 求解低轨卫星物联网星座任务规划问题的过

程中，设置种群规模 size_pop 为 500，最大迭代轮数

max_iter 为 100，变异概率为 0.001，早停机制中 T 设置为

20。低轨卫星物联网星座任务规划实验结果见表 1。

表 1 低轨卫星物联网星座任务规划实验结果

实验 卫星在轨服务时长 算法执行时间/s

GA+全部弧段 23 h 50 min 25 s 9 175.35

GA+冲突弧段 29 h 16 min 20 s 4 569.21

GA+冲突弧段+早停机制 29 h 16 min 20 s 2 945.92

先来先服务（FCFS）算法 25 h 08 min 25 s 1.08

·74· 天地一体化信息网络 第 5 卷

首先将 281 个任务作为算法输入，进行训练，从表 1

和图 4 可知，卫星在轨服务时长是 23 h 50 min 25 s，算法

训练 100 轮所需时间为 9 175.35 s，迭代 70 轮后，曲线开

始收敛，卫星在轨服务时长没有明显地增加，但是训练时

间会显著延长。与此同时，在分析卫星任务调度结果的过

程中，发现有部分不存在冲突的弧段没有被选择，表明当

所有任务作为遗传算法的输入时，该算法平等处理每个任

务，不能专注学习冲突的弧段。因此，为了降低算法搜索

的复杂度，只将冲突弧段作为算法输入。从表 1 和图 4 可

以清晰地看到，在训练过程中，只使用冲突弧段的算法求

解的卫星在轨服务时长远远高于使用全部弧段的算法，多

5 h 25 min 55 s。注意到第一轮两者就有较大的差距，这是

由于在开始时只使用冲突弧段的算法就包含了所有的非

冲突弧段，而使用全部弧段的算法只涉及了部分的非冲突

弧段。另外只使用冲突弧段的算法执行时间减少了原来

的一半多，这是由于搜索空间减小，算法更容易收敛。

从图 4 可以发现，只使用冲突弧段的算法在训练 40 轮后，

曲线开始收敛，46 轮以后卫星在轨服务时长不再发生变

化。为了减少算法执行时间，引入了早停机制，这是因为

设置了随机种子，可以保证初始种群的一致性。从表 1 和

图 4 可以发现，引入早停机制后的算法可以得到和只使用

冲突弧段的算法相同的卫星在轨服务时长，但因为在过去

连续 20 次迭代中，服务时长没有变化，所以算法在 65 轮

停止迭代，与不加入早停机制的算法相比，此算法执行时

间缩短了 27 min 左右。

图 4 基于 GA 的任务规划实验对比

为了验证基于遗传算法的低轨卫星物联网星座任务

规划算法的性能，还使用先来先服务（First Come First

Service, FCFS）算法对上述实验数据进行了规划。FCFS

算法的核心思想是依据卫星和地面站的可见弧段的开始

时刻来决定数据传输的次序，实验结果见表 1。从表 1

可以看出，结合冲突弧段和早停机制的遗传算法求解的

卫星在轨服务时长比 FCFS 算法规划的卫星在轨服务时

长多 14 875 s。

从实验结果可知，结合冲突弧段和早停机制的遗传算

法适用于低轨卫星物联网星座任务规划问题，可以有效解

决卫星数量众多与地面站数量不足之间的矛盾，实现低轨

卫星和地面站资源的优化配置，显著提高卫星的任务执行

能力，为高效实时通信提供了坚实的保障。

4 结束语

本文设计的算法已经在无星间链路的低轨卫星物联

网星座工程建设中得到应用，并取得了良好的效果。

参考文献：

[1] 朱芝松. 上海市志. 工业分志·航天业卷：1978-2010[M]. 上海:

上海辞书出版社, 2015.

ZHU Z S. Annals of shanghai, industrial subsection, aerospace industry volume: 1978-2010[M]. Shanghai: Shanghai Lexicographical Publishing House, 2015.

[2] 吕翊. 电信传输技术[M]. 北京: 清华大学出版社, 2011.

LYU Y. Telecommunication transmission technology[M]. Beijing:

Tsinghua University Press, 2011.

[3] 郑爽, 张兴, 王文博. 低轨卫星通信网络路由技术综述[J]. 天地

一体化信息网络, 2022, 3(3): 97-105.

ZHENG S, ZHANG X, WANG W B. Survey of low earth orbit satellite communication network routing technology[J]. Space-Integ

rated-Ground Information Networks, 2022, 3(3): 97-105.

[4] 林宇生, 蒋洪磊, 董彦磊, 等. 基于遗传算法的通信卫星资源动

态调度方法研究[J]. 无线电工程, 2017, 47(6): 20-23.

LIN Y S, JIANG H L, DONG Y L, et al. Research of dynamic

scheduling method for communication satellite resources based on

genetic algorithm[J]. Radio Engineering, 2017, 47(6): 20-23.

[5] 梁记源. 针对多目标成像的卫星轨道机动任务规划问题研究[D].

哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2021.

LIANG J Y. An investigation on the mission planning of satellite

orbit maneuver for multi-target imaging[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2021.

[6] 李云峰, 武小悦. 遗传算法在卫星数据传输调度问题中的应用[J].

系统工程理论与实践, 2008, 28(1): 124-131.

LI Y F, WU X Y. Application of genetic algorithm in satellite data

第 2 期 李艳红等：基于遗传算法的低轨卫星物联网星座任务规划问题 ·75·

transmission scheduling problem[J]. Systems Engineering-Theory

& Practice, 2008, 28(1): 124-131.

[7] 赵卫虎, 赵静, 赵尚弘, 等. 自适应遗传算法的数据中继卫星光

网络资源调度算法[J]. 红外与激光工程, 2015, 44(4): 1311-1316.

ZHAO W H, ZHAO J, ZHAO S H, et al. Scheduling algorithm for

data relay satellite optical network based on self-adaptive genetic

algorithm[J]. Infrared and Laser Engineering, 2015, 44(4):

1311-1316.

[8] 杨力, 杨恒, 魏德宾, 等. SAGA: 一种面向任务的卫星网络资

源分配算法[J]. 小型微型计算机系统, 2020, 41(1): 122-127.

YANG L, YANG H, WEI D B, et al. SAGA: a task-oriented resource allocation algorithms for satellite network[J]. Journal of

Chinese Computer Systems, 2020, 41(1): 122-127.

[9] 陈祥国, 武小悦. 蚁群算法在卫星数据传输调度问题中的应用

[J]. 系统工程学报, 2009, 24(4): 451-456.

CHEN X G, WU X Y. Ant colony algorithm for satellite data transmission scheduling problem[J]. Journal of Systems Engineering,

2009, 24(4): 451-456.

[10] 黄双临, 马冬青, 方冬梅, 等. 基于改进蚁群算法的卫星数据传

输调度[J]. 无线电工程, 2015, 45(7): 27-30.

HUANG S L, MA D Q, FANG D M, et al. Satellite data transmission scheduling based on improved ant colony system[J]. Radio

Engineering, 2015, 45(7): 27-30.

[11] 胡永权. 基于禁忌搜索的遥感任务自适应调度研究[D]. 开封:

河南大学, 2017.

HU Y Q. Research on adaptive scheduling of remote sensing task

based on Tabu search[D]. Kaifeng: Henan University, 2017.

[12] CHEN X Y, REINELT G, DAI G M, et al. Priority-based and conflict-avoidance heuristics for multi-satellite scheduling[J]. Applied

Soft Computing, 2018, 69: 177-191.

[13] 彭攀, 白沐炎, 陈长春, 等. 改进差分进化算法求解多成像卫星

调度问题[J]. 上海航天(中英文), 2020, 37(1): 24-32.

PENG P, BAI M Y, CHEN C C, et al. An improved differential

evolution algorithm for multi-imaging-satellite scheduling[J]. Aerospace Shanghai (Chinese & English), 2020, 37(1): 24-32.

[14] 丁祎男, 雷拥军, 王淑一, 等. 面向重访周期需求的敏捷成像卫

星任务规划方法[J]. 空间控制技术与应用, 2024, 50(2): 23-29.

DING Y N, LEI Y J, WANG S Y, et al. Agile imaging satellite task

planning method for revisit time requirements[J]. Aerospace Control and Application, 2024, 50(2): 23-29.

[15] 王峥. 基于离散粒子群算法的卫星地面站任务规划系统[J]. 科

技与创新, 2020(24): 18-21.

WANG Z. Mission planning system of satellite ground station

based on discrete particle swarm optimization algorithm[J]. Science

and Technology & Innovation, 2020(24): 18-21.

[16] 樊慧晶. 基于卫星数据传输与测控任务的地面站资源调度研究

[D]. 北京: 中国科学院大学(中国科学院空天信息创新研究院),

2021.

FAN H J. Research on resource scheduling of ground station based

on satellite data transmission and telemetry tracing and control

tasks[D]. Beijing: Aerospace Information Research Institute, Chinese Academy of Sciences, 2021.

[17] 樊慧晶, 章文毅, 田妙苗, 等. 基于粒子群算法的卫星任务地面

站资源调度方法[J]. 中国科学院大学学报, 2022, 39(6): 801-808.

FAN H J, ZHANG W Y, TIAN M M, et al. A resource scheduling

method for satellite mission ground station based on particle swarm

optimization algorithm[J]. Journal of University of Chinese Academy of Sciences, 2022, 39(6): 801-808.

[18] 伍国华, 王天宇. 基于自适应模拟退火的大规模星座测控资源

调度算法[J]. 航空学报, 2023, 44 (12): 265-286.

WU G H，WANG T Y. Large-scale constellation TT&C resource

scheduling algorithm based on adaptive simulated annealing[J].

Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2023, 44 (12): 265-286.

[19] 赵萍, 陈志明. 应用于卫星自主任务调度的改进遗传算法[J].

中国空间科学技术, 2016, 36(6): 47-54.

ZHAO P, CHEN Z M. An adapted genetic algorithm applied to satellite autonomous task scheduling[J]. Chinese Space Science and

Technology, 2016, 36(6): 47-54.

[20] ZHENG Z X, GUO J, GILL E. Swarm satellite mission scheduling

& planning using Hybrid Dynamic Mutation Genetic Algorithm[J].

Acta Astronautica, 2017, 137: 243-253.

[21] YANG Y, LIU D. Research on multi-satellite mission planning

based on improved genetic algorithm[C]//2022 3rd International

Conference on Computer Science and Management Technology

(ICCSMT). Piscataway: IEEE Press, 2022: 331-335.

[22] SONG Y J, OU J W, SUGANTHAN P N, et al. Learning adaptive

genetic algorithm for earth electromagnetic satellite scheduling[J].

IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 2023,

59(6): 9010-9025.

[23] 李婷, 贾鹏德, 杨宇, 等. 面向卫星常规测控任务的地面站资源

·76· 天地一体化信息网络 第 5 卷

李艳红（1998− ），女，硕士，北京国电高科

科技有限公司软件工程师，主要研究方向为低

轨卫星通信、计算机视觉。

调度[J]. 系统仿真技术, 2024, 20(1): 65-72.

LI T, JIA P D, YANG Y, et al. Resource scheduling of ground stations for conventional satellite TT&C tasks[J]. System Simulation

Technology, 2024, 20(1): 65-72.

[24] 袁普钊, 江涛, 稽誉, 等. 基于遗传算法的低轨星座测控资源调

度方案设计[J]. 电信快报, 2024(1): 37-40.

YUAN P Z, JIANG T, JI Y, et al. Design of low earth orbit constellation tracking telemetry and command scheduling scheme based

on genetic algorithm[J]. Telecommunications Information, 2024(1):

37-40.

[25] CHONG E K, ŻAK S H. An introduction to optimization, fourth

edition[M]. New Jersey: John , & Sons Inc, 2013.

[26] WIRSANSKY E. Hands-on genetic algorithms with python: applying genetic algorithms to solve real-world deep learning and artificial intelligence problems[M]. Birminghan: Packt Publishing

Ltd, 2020.

[作者简介]

吕强（1980− ），男，博士，北京国电高科科技有限公司董事长

兼 CEO，高级工程师，主要研究方向为低轨卫星通信。

梁军民（1987− ），男，硕士，北京国电高科科技有限公司高级

工程师，主要研究方向为低轨卫星通信。

封世刚（1984− ），男，本科，北京国电高科科技有限公司软件

部经理，主要研究方向为低轨卫星通信地面系统。

苗君厚（1973− ），男，本科，北京国电高科科技有限公司中级

工程师，主要研究方向为低轨卫星通信、动力与环境工程。

2024 年 6 月 Space-Integrated-Ground Information Networks June 2024

第 5 卷第 2 期 天 地 一 体 化 信 息 网 络 Vol.5 No.2

天地一体通遥融合架构及其应用设想

苏文博，张 驰，王妮炜，秦智超

（中国星网网络创新研究院有限公司，北京 100029）

摘 要：遥感系统是天基对地观测的重要手段，由于在“采集−处理−分发”等环节中存在测控指令、数据传输、数据处理及产

品分发不及时等问题，难以有效实现全天时、全天候、全球覆盖的实时智能遥感应用服务，低轨星座的通信和遥感的融合是解

决现有天基系统中通遥分治、服务响应滞后等问题的有效途径。概述国内外通遥融合现状，设想天地一体通遥融合总体架构、

发展阶段及其服务模式，提出通遥融合架构下的关键技术，最后以典型应用场景进行通遥融合应用流程的探索。

关键词：通遥融合；遥感；遥感应用

中图分类号：TP393

文献标志码：A

doi: 10.11959/j.issn.2096−8930.2024019

Integrated Architecture and Application Assumption of

Earth-Space Communication and Remote Sensing Combination

SU Wenbo, ZHANG Chi, WANG Niwei, QIN Zhichao

China Satellite Network Innovation Co.,Ltd., Beijing 100029, China

Abstract: Remote sensing systems are important means of space-based Earth observation, due to issues such as delayed measurement

and control commands, data transmission, data processing, and product distribution in the \"collection-processing-distribution\" process, it

is difficult to effectively achieve real-time intelligent remote sensing application services that cover all day, all weather, and the world.

The combination of low earth orbit communication and remote sensing satellite constellations is an effective way to solve service delay

and separate control problems in existing systems. It summarized the current situation of communication and remote sensing integration

over the world, and then imagined the architecture, development stages, and service modes of the integration of communication and

remote sensing. Finally, key technologies under the communication and remote sensing integration architecture were proposed, and the

application process of communication and remote sensing integration used typical application scenarios were explored.

Keywords: communication and remote sensing integration, remote sensing, remote sensing applications

0 引言

低轨遥感卫星是实现对地观测的重要手段，多源遥感

数据已广泛应用于应急救灾、自然资源、国土资源等领域。

近几年，以 Starlink 为代表的低轨通信卫星备受关注，我

国同时规划了“鸿雁”“虹云”等通信星座，卫星互联网

进入快速发展期，未来在经济建设、应急救灾和大众民生

领域具有较大市场价值。

现有低轨遥感卫星系统中存在遥控指令上注流程烦

琐、地面站数据接收受限、地面数据传输不及时、数据分

发能力弱等问题，导致遥感数据获取与信息服务响应滞

后，难以满足用户对于遥感服务高时效的要求，提高遥感

服务响应速度的关键在于测控指令和遥感数据的快速传

输及分发、数据自动化处理及信息智能化提取。卫星互联

网具有远距离通信、中继传输、覆盖全面、通信频带宽且

容量大等优点[1]，通过卫星互联网可提供近实时的测控数

据和遥感数据传输能力，进一步借助卫星互联网系统直连

终端的特性，结合星上处理能力，用户可通过终端直接向

卫星互联网系统发起遥感请求并即时接收遥感产品，实现

即时遥感愿景，提升卫星互联网应用和服务能力。

收稿日期：2024−01−04；修回日期：2024−04−21

·78· 天地一体化信息网络 第 5 卷

1 通遥融合现状分析

1.1 通遥融合现状

针对低轨星座的通信和遥感的融合，国内外学者和企

业已经展开了初步研究。在国内，针对集成遥感、通信、

导航系统的空间基础设施，我国在《国家民用空间基础设

施中长期发展规划（2015—2025 年）》中提出了“一星多

用、 多星组网、多网协同、数据集成”的发展思路，分

阶段逐步建成技术先进、自主可控、布局合理、全球覆盖，

由卫星遥感、通信广播、导航定位三大系统构成的国家民

用空间基础设施[2]。李德仁院士等[3]提出构建卫星、通信、

遥感于一体的天基信息实时服务系统，通过多载荷集成、

多星协同、天地网络互联、智能终端实现通遥融合应用。

王密等[4]以全天时、全天候遥感信息实时智能服务为目标，

提出通遥星群的智能服务体系，探讨了结合星地星间链

路、5G/6G 的星群自主任务管理、动态规划和协同智能处

理等关键技术。珞珈三号 01 星通过遥感卫星与互联网、

5G 技术的集成，打通手机 App 和星地通信链路，实现全

球范围遥感数据从获取、在轨处理到应用终端的分钟级遥

感信息服务。

国外企业在通遥融合方面也有较大进展，Iridium

Next 系统是第一个搭载其他有效载荷的商业系统，通过

搭载 ADS-B、AIS 以及 GEOScan 等传感器实现航空交通

管制、船只定位跟踪以及全球气象水文感知服务[5]。2018

年，美国国防部高级研究计划局（DARPA）发起“黑杰

克”项目，计划通过多个通用商业化卫星平台搭载通信、

导航、遥感等多类任务载荷，构建 60~200 颗卫星组成的

星座，并通过星间激光链路在轨相互连接，近实时地将

在轨收集的传感器数据传送给地面人员[6]，美军计划借助

低轨星座通信传输能力连接传感器与平台。美国“扩散

作战人员空间架构（PWSA）”通过构建不同功能层的系

统，将通信、导航、感知有机融合，能够对不同速度的

目标进行全程跟踪和监管，支持空间态势感知，实现天

地间、不同功能层卫星间、同一功能层不同卫星间的互

联互通，提供 PNT 服务。俄罗斯于 2018 年提出打造通

导遥一体化多功能星座——“球体”，可提供宽带通信、

机器对机器通信、遥感、导航等多种功能[7]。2019 年，

遥感信息服务 Capella Space公司与 AddValue 公司达成协

议，使用其依托 Immarsat 全球 L 频段通信卫星建立的星

间数据中继系统（IDRS），实现全球任意地点的卫星数据

快速分发服务。2022 年 12 月，SpaceX 发布“星盾”卫

星互联网星座计划，初步侧重于提供对地观测、卫星通

信和载荷托管 3 个方面[8]。

1.2 现状分析

基于上述通遥融合现状分析，总体来说，基于低轨卫

星星座的通信和遥感研究已取得一些进展，目前通遥融合

方式可以归纳为以下几种方式。

（1）数据中继：通过通信卫星星间及星地链路，实

现遥感数据的快速回传及分发，如 Capella Space 公司的

业务。

（2）载荷搭载：通过通用平台搭载除通信之外的遥感、

AIS、ADS-B 等载荷，实现对地观测及其他服务，如 Iridium

Next 系统。

（3）一星多用：通过遥感、通信卫星间互联互操作和

更改模块化载荷实现通遥以及计算功能融合，如“星盾”

和“黑杰克”系统；通过在单星集成遥感数据采集与 5G

等功能，实现遥感和通信功能集成，且在星上开展在轨数

据处理，提高产品交付时效性，降低星地链路负载，实现

直接面向终端的遥感产品分发，如珞珈星座。

（4）体系化设计：通过体系化分层设计，融合遥感星

座和通信星座，如 PWSA、“球体”等系统。

上述几种通遥融合方式主要关注低轨遥感卫星系统

的某一环节提高服务能力，比如数据中继仅提高数据传

输效率，在测控环节和数据处理环节时效性差的问题并

未得到改善；载荷搭载方式通过共平台方式提高载荷数

量，仅能从载荷数量上提高对地观测频次。总的来说，

上述几种方式并未高效解决低轨遥感卫星系统服务响

应时效性低的问题。因此，本文提出的天地一体通遥融

合架构拟从遥感卫星系统各个环节解决响应时效性差

的问题。

2 天地一体通遥融合架构设想

2.1 总体架构

天地一体通遥融合主要在星座、平台及载荷方面进行

融合，总体框架包括空间段（通信、遥感、算力载荷），

地面段（地面站、运控中心、数据处理中心、数据分发

中心、网关等）和用户段（用户终端）三大部分，如图 1

所示。通过该架构向不同层级用户提供低时延通信、大

容量数据中继传输、分布式星上计算、遥感综合应用等

服务。

2.1.1 空间段

空间段主要包含通信、遥感、算力以及多功能卫星形

成的通感算混合星座，星座统一设计，并通过统一的测运

第 2 期 苏文博等：天地一体通遥融合架构及其应用设想 ·79·

控系统实现任务协同调度及星座统一管理，支持数据传

输、对地观测、星上智能边缘计算、星上产品分发等功能

在空间段的按需灵活部署。

在通信方面，不同卫星均具备通信功能并通过星间链

路互联，部分卫星具备星地通信功能，实现卫星测控、星

间数据传输及数据分发等功能；在对地观测方面，具备单

独搭载遥感载荷的卫星及与其他功能星共星承载的遥感

载荷，实现对地高频次、全覆盖观测；在星上计算方面，

所有卫星均具备计算能力，部分为独立算力星，根据算力

需求智能化调度计算资源，实现星上遥感影像、目标检测

识别、变化检测等产品的生产。

2.1.2 地面段

地面段主要包括运控中心、地面站/信关站、数据处理

及分发中心以及网关，负责对用户的管理、星地链路及地

面网接入，支持用户管理、需求提报、卫星测运控、地面

资源调度、数据处理、数据分发等功能，向用户提供通遥

综合应用服务。

卫星互联网运控中心是整个混合星座管理控制的中

枢，通过地面承载网络、地面站网、星地以及星间链路实

现系统管控，提供任务规划调度、卫星平台和载荷管理、

星座构型保持控制、星地路由规划与控制、卫星波束资源

调度、电磁频谱共享和监管、网络资源分配与调度、天地

所有网络节点的监视和管理、业务处理、互联互通等功能，

确保卫星互联网系统的高效、稳定、可靠运行，支持各类

应用系统按需使用网络功能和网络资源。数据处理及分发

中心主要负责地面段遥感影像、增值产品（DEM、DSM

等）、信息产品（目标检测、变化检测等）等不同级别产

品的存储、归档、生产及分发。卫星互联网地面站负责测

控指令上注、数据星地传输，主要用于超出星上存储能力

的海量数据、非星上分发数据等具备大容量、非实时特性

数据的接收。

2.1.3 用户段

用户段包括卫星互联网用户和地面网络用户。用户可

以通过终端直连卫星及地面运控中心进行需求提报，实现

遥感产品接收。地面网络用户通过运控中心地面网络接收

遥感产品，卫星互联网用户则利用卫星与终端链路接收遥

感产品。

2.1.4 业务流程

天地一体通遥融合系统业务流程如图 2 所示，主要包

括用户终端、卫星测运控中心、地面站/信关站、空间段、

数据处理及分发中心共 5 个环节。用户终端用来提报需

求及遥感产品接收。卫星测运控中心是最核心的环节，

基于获取的卫星资源、地面站资源、计算资源的信息，

完成成像、接收、处理及分发等任务规划，形成测控方

图 1 通遥融合总体架构

·80· 天地一体化信息网络 第 5 卷

案。地面站/信关站则负责测控方案接收、测控指令编

排及上注、模型算法上注、数据接收及传输。空间段

的通信、遥感及计算混合星座负责遥感数据采集、星

上计算、星间通信以及星上数据分发。数据处理及分

发中心完成数据处理模型算法的训练、地面数据处理

以及数据分发。5 个环节共同形成天地一体通遥融合系

统业务闭环。

2.2 融合阶段及服务模式

2.2.1 融合阶段

天地一体通遥融合系统的建设应迭代发展，根据用户

需求、技术发展情况逐步推进，同时结合市场应用、服务

能力将通遥融合划分为 4 个阶段，如图 3 所示。

第一阶段：在建设初期，主要以通信卫星系统建设为

主，具备提供低时延卫星通信、大容量数据传输的能力，

图 2 天地一体通遥融合系统业务流程

图 3 天地一体通遥融合阶段构想

第 2 期 苏文博等：天地一体通遥融合架构及其应用设想 ·81·

同时初步具备星上简单计算能力。

第二阶段：随着轻量计算板卡研制、平台适配能力增

强，集成基础算力资源，提供星上简单计算服务。

第三阶段：随着火箭发射能力、卫星平台搭载能力以

及能源系统的增强，实现遥感载荷搭载；随着星上通用计

算平台等技术进步，实现算力资源集成升级，具备对地观

测、星上综合计算、遥感基础应用能力。

第四阶段：随着数据中继、星上简单计算、对地观测

能力的不断增强，提供完整的遥感综合应用服务。

2.2.2 服务模式

随着天地一体通遥融合系统分阶段建设，未来可以逐

渐实现数据中继、算力支撑、对地观测、载荷托管、综合

应用等 5 种服务模式。

（1）数据中继服务

数据中继即多源数据传输，通过卫星互联网系统为内

外部遥感系统提供卫星测控数据传输、星间遥感数据传

输、遥感数据回传地面站、定标参数、数据处理算法及

AI 模型上传卫星等服务，实现用户终端、卫星测运控中心、

地面接收站、数据处理中心、遥感卫星、通信卫星之间的

互联互通。数据中继服务模式业务流程如图 4 所示。

在遥感数据中继服务模式中，用户方通过购买服务使

用卫星中继传输及地面站接收，减小卫星运营商地面站建

设成本。用户向卫星测运控中心提报外部遥感数据中继需

求，卫星测运控中心制定传输及接收计划，通过信关站上

注卫星传输指令，外部遥感卫星通过星间链路将数据传输

至通信卫星，通过星地链路将数据传输至地面站，通过地

面链路分发至用户方。

（2）算力支撑服务

天地一体通遥融合系统的算力分布于星上、信关站和

测运控中心，构成星上边缘、地面边缘和云中心的算力分

布架构。算力支撑服务主要面向实时性要求较高且计算量

较小的需求，可将模型算法提前部署于星上，利用星上算

力进行处理后直接分发，减小数据和产品在地面站、数据

处理中心及用户间的传输时延。算力支撑服务业务流程如

图 5 所示。

在星上计算服务中，用户向卫星测运控中心提报数据

图 4 数据中继服务模式业务流程

图 5 算力支撑服务业务流程

·82· 天地一体化信息网络 第 5 卷

计算需求，卫星测运控中心制定及编排数据传输、接收、

处理及分发计划，通过信关站上注数据传输指令，外部遥

感卫星通过星间链路将数据传输至星上边缘计算中心，计

算结果通过星地链路将数据传输至地面站或用户终端。

（3）对地观测数据服务

随着火箭运载能力、遥感平台搭载能力的不断增强，

可在标准化卫星平台上搭载自主研发的遥感载荷，届时，

系统将具备遥感任务规划、测控指令编排及上注、遥感数

据采集、遥感数据星地处理和产品分发等功能，可为用户

提供对地观测产品服务。利用卫星互联网全球覆盖的特

性，用户可在任意地点通过终端发起遥感任务请求，卫星

测运控中心收到用户请求后，准实时完成卫星任务规划并

通过信关站上注指令，遥感载荷采集数据后可通过星上计

算后直接分发至用户，或通过星地链路回传至地面处理后

分发，不受地面站接收能力的限制，极大提高对地观测数

据服务时效性。

（4）载荷托管服务

随着遥感平台及卫星不断标准化，可为外部遥感卫星

运营商提供载荷托管服务。在载荷搭载方面，遥感平台提

供额外信息、供电、热控等标准化接口，以支持搭载各类

遥感载荷，小型载荷可与通信载荷共星承载，体积、功耗、

重量较大的载荷可安装于接入星间承载网的单独卫星平

台；在测控指令及数据传输方面，利用天地一体通遥融合

系统的星地、星间链路进行双向测控和数据回传。其中，

遥感载荷及其测运控、数据处理及分发中心作为外部系

统。用户方通过购买服务降低卫星平台研制及卫星发射成

本，同时可以获取卫星互联网星间及星地通信带来的增值

服务。

（5）综合应用服务

随着通信卫星星座不断完善、自主可控遥感卫星以及

外部托管卫星数量的增加、“云-边-端”分布式计算能力以

及智能化算法的研发与优化，天地一体通遥融合系统在对

地观测方面，具备多载荷、高频次、高分辨率的遥感数据

采集能力。在通信方面，具备低时延、大容量的全球实时

通信能力。在计算方面，具备自动化、智能化的复杂计算

能力。依托上述能力，将对地观测感知信息与人工输入信

息进行在轨实时处理、关联、融合分析及预测，提供信息

保障、态势感知、筹划决策、指挥控制、人机交互等综合

应用服务。

2.3 关键技术

天地一体通遥融合系统建设面临观测资源、星地计算

资源及星地通信资源的整体统筹及调度问题，从混合星座

测运控、数据传输、数据计算 3 个关键环节入手，探讨天

地一体通遥融合涉及的主要关键技术。

2.3.1 混合星座一体化智能管运控技术

混合星座具有卫星数量多、功能多、载荷多的特点，

在混合星座能力大幅度提升的同时，统筹管控通信、遥感、

计算、地面站等星地资源，实现混合星座的一体化智能管

运控是实现天地一体通遥融合应用的关键技术[9]。在星地资

源管理方面，建立卫星管理平台，实现对通信、遥感、计

算、地面站等资源的统一管理，建立卫星全生命周期档案，

包含卫星轨道信息、卫星载荷信息、卫星使用约束条件等

静态信息以及通过星间及星地链路获取卫星网络负载、计

算资源占用情况等动态信息，实时掌握每一颗卫星的状态。

在测运控方面，用户需求提报后，根据用户对于空间分辨

率、频段、目标区域、产品等级、时效性等要求，结合卫

星管理平台档案，分析混合星座数据采集窗口、侧摆角度、

天气约束、地面站接收资源、算力资源及传输资源等星地

主要约束条件。通过人工智能相关的强化学习技术，不断

构建以满足用户需求为目标的优化模型及算法，实现混合

星座最优调度，满足大规模、高时效、多样化的观测需求，

提高数据获取至产品分发全流程的时效性和响应速度。

2.3.2 遥感影像自适应高效实时压缩技术

天地一体通遥融合系统中，通信卫星传输的数据类

型包含测控指令、遥感影像、音视频、模型算法等数据。

其中遥感影像数据量非常大，单景遥感影像几百 MB 至

十几 GB 不等，传输遥感影像可能造成局部通信链路过

载，进而导致拥塞、缓冲区溢出、高时延和数据包丢失。

因此，在实际通遥融合应用中，通过遥感影像自适应高

效实时压缩技术实现遥感影像压缩处理，是节省星上存

储及传输成本、保障遥感数据传输速率和质量的关键。

针对影像压缩技术要求，在压缩质量方面，需要考虑如

何对多尺度遥感图像进行有效压缩，以保持不同尺度数

据的特征，避免数据解压缩后的失真，提高遥感数据的

真实性，以免影响遥感数据应用中定性及定量分析；在

压缩速率方面，需要考虑压缩算法的效率，满足用户对

于遥感服务高时效的需求。因此，遥感影像自适应高效

实时压缩技术需具备高效、实时、压缩损失小等特性，

以满足压缩任务的实际应用需求。

2.3.3 分布式实时多星协同及星地协同计算技术

遥感影像星上在轨处理技术是提升遥感服务时效性

的重要手段，但随着遥感技术和应用的不断发展，获取的

遥感图像数据规模及数据处理复杂性呈现出快速增长的

趋势。然而，单一计算卫星往往难以满足海量遥感影像复

第 2 期 苏文博等：天地一体通遥融合架构及其应用设想 ·83·

杂任务的处理需求，计算资源受限成为制约遥感图像处理

效率和能效的重要挑战[9]。一般遥感影像基础处理包括辐

射校正、几何粗校正、几何精校正、云检测、影像融合、

影像镶嵌、影像匀色、影像裁剪等步骤，同时需具备目标

检测、变化检测、语义分割、目标跟踪、关联分析预测等

信息提取能力以支撑后续综合应用。不同的处理及分析算

法所需计算资源不同，尤其是目标检测、变化检测等信息

提取基本依赖深度学习和机器学习算法，其计算效率、泛

化性相较传统方法显著提高，但是同时也需要消耗更多的

计算资源。因此，需要根据用户需求及计算资源情况合理

分配计算任务。通过分布式实时多星协同及星地协同计算

技术实现分布式、分层、分级遥感影像处理及信息提取，

将计算任务进行多星及星地系统协同计算，减少数据传输

需求，提高协同计算效率。

2.4 典型场景应用——洪涝应急救援

随着天基遥感系统的快速发展，其已广泛应用于洪

涝、火灾、地震救援等应急救灾领域，且灾害信息的快速

提取、分析及信息分发影响后续应急救援任务的指挥决策

及救援行动，因此高时效就显得尤为重要。

目前主要利用多源遥感等天基手段实现对灾害区域

的高频次侦照及灾害情况分析，然而遥感系统中卫星规

划、指令上注、数据下载、数据处理、信息提取及信息分

发等流程需要几十分钟至几十小时不等，难以满足应急救

灾的时效性要求。随着本文构想的天地一体通遥融合架构

及关键技术的发展，尤其是在轨处理、星间传输、星地分

发等技术将极大提升灾害信息处理及快速响应能力，助力

应急救援中灾害信息提取、精准决策及行动指挥。

以洪涝应急救援场景为例，实例化本文设想的通遥融

合框架及业务流程，如图 6 所示。

3 结束语

本文设计的天地一体通遥融合架构在具体建设中可

图 6 洪涝应急救援应用场景业务流程示例

·84· 天地一体化信息网络 第 5 卷

苏文博（1995− ），男，工程师，现就职于中

国星网网络创新研究院有限公司，主要研究

方向为通遥融合架构设计、关键技术及其应

用等。

张驰（1992− ），男，博士，现就职于中国星

网网络创新研究院有限公司，主要研究方向为

卫星通信网络、通遥融合架构设计等。

秦智超（1981− ）男，博士，研究员，博士生

导师，现就职于中国星网网络创新研究院有限

公司，主要研究方向为卫星网络、移动网络、

物联网等。

王妮炜（1987− ）女，博士，高级工程师，现

任职于中国星网创新研究院有限公司，主要研

究方向为星地融合网络、低轨星座、5G/6G 移

动通信等。

能存在以下几个方面的挑战：

（1）内外部系统的互联互通与管控：需实现卫星互联

网系统与遥感系统、国家授时中心、测运控中心等外部系

统的互联互通，实现巨型星座统一管控；

（2）标准化通用卫星平台的研制：构建通信、遥感与

算力混合星座，需研制标准化通用载荷，实现载荷“即插

即用”，快速实现相关服务；

（3）高性能边缘计算板卡研制：为实现星上海量遥感

数据在轨处理，需研制高性能边缘计算板卡；

（4）卫星直连手机的产品快速分发：需实现卫星直连

手机，星上遥感产品可直接分发至用户终端，提供遥感应

用服务体验。

未来，随着产业链相关技术的发展与迭代，标准通用

平台、高性能计算板卡、高性能天线以及相关芯片可批量

低成本生产，本文设想的通遥融合架构将可能成为现实，

实现即时遥感愿景，提升卫星互联网应用和服务能力。

参考文献

[1] 易克初, 李怡, 孙晨华, 等. 卫星通信的近期发展与前景展望[J].

通信学报, 2015, 36(6): 161-176.

YI K C, LI Y, SUN C H, et al. Recent development and its prospect

of satellite communications[J]. Journal on Communications, 2015,

36(6): 161-176.

[2] 国家民用空间基础设施中长期发展规划(2015—2025 年)[J]. 卫

星应用, 2015(11): 64-70.

Medium and long-term development plan of national civil space

infrastructure (2015-2025)[J]. Satellite Application, 2015(11):

64-70.

[3] 李德仁, 沈欣, 李迪龙, 等. 论军民融合的卫星通信、遥感、导

航一体天基信息实时服务系统[J]. 武汉大学学报(信息科学版),

2017, 42(11): 1501-1505.

LI D R, SHEN X, LI D L, et al. On civil-military integrated

space-based real-time information service system[J]. Geomatics

and Information Science of Wuhan University, 2017, 42(11):

1501-1505.

[4] 王密, 仵倩玉. 面向星群的遥感影像智能服务关键问题[J]. 测

绘学报, 2022, 51(6): 1008-1016.

WANG M, WU Q Y. Key problems of remote sensing images intelligent service for constellation[J]. Acta Geodaetica et Cartographica

Sinica, 2022, 51(6): 1008-1016.

[5] 苗青, 蒋照菁, 王闯. 下一代铱系统发展现状与分析[J]. 数字通

信世界, 2019(7): 21-22.

MIAO Q, JIANG Z J, WANG C. Development situation and analysis of the iridium next system[J]. Digital Communication World,

2019(7): 21-22.

[6] BELL E. Malicious digital penetration of United States weaponized

military unmanned aerial vehicle systems: a national security perspective concerning the complexity of military UAVs and hacking[Z]. 2019.

[7] 纪凡策. 2020 年国外通信卫星发展综述[J]. 国际太空, 2021(2):

36-41.

JI F C. Summary of the development of foreign communication

satellites in 2020[J]. Space International, 2021(2): 36-41.

[8] LI X Y, BIAN Y M. The legality and compliance of low-orbit

mega-constellations as military targets[J]. Advances in Astronautics

Science and Technology, 2023, 6(1): 19-22.

[9] 王密, 仵倩玉, 肖晶, 等. 低轨巨型星座遥感信息“云-边-端”智

能服务关键技术[J]. 武汉大学学报(信息科学版), 2023, 48(8):

1256-1263.

WANG M, WU Q Y, XIAO J, et al. Key technologies on

“cloud-edge-end” collaborative intelligent service of low-orbit

giant constellation[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2023, 48(8): 1256-1263.

[作者简介]

2024 年 6 月 Space-Integrated-Ground Information Networks June 2024

第 5 卷第 2 期 天 地 一 体 化 信 息 网 络 Vol.5 No.2

星链手机直连卫星业务商业模式及组网方式

薛元星，赵 治，段乔曼

（中国卫星网络集团有限公司，北京 100029）

摘要：首先简要对比星链、AST SpaceMobile 和 Lynk Global 3 家低轨卫星通信公司的手机直连卫星计划，其中星链已成功进行

了测试，而 AST SpaceMobile 和 Lynk Global 尚未取得显著进展。虽均处于较早期阶段，但 3 家公司的技术路径展示了未来手

机直连卫星的技术趋势。针对已经取得初步成功的星链，分析其商业模式，对比探索未来空天地一体化的主要技术路线成为业

内的热点课题。以星链的公开信息为基础，采用商业模式画布理论就其手机直连卫星业务进行深入分析，从价值主张、产品服

务、关键资源、客户细分、成本构成、客户关系和渠道通路、合作伙伴、收入来源等方面梳理星链手机直连卫星的业务特征和

工作方式，进而对星链组网的技术路线进行探讨，对比分析自建核心网和共享核心网两种技术路径，推断出星链合理的组网技

术方案。

关键词：星链；手机直连卫星；商业模式；组网

中图分类号：TP39 3

文献标志码：A

doi: 10.11959/j.issn.2096−8930.2024020

Starlink Business Model and Network Mode Under

the Direct-to-Satellite Service of Mobile Phone

XUE Yuanxing, ZHAO Zhi, DUAN Qiaoman

China Satellite Network Group Co., Ltd., Beijing 100029, China

Abstract: The paper initially provided a brief comparison of the direct-to-satellite solution of three LEO satellite communication companies: Starlink, AST SpaceMobile and Lynk Global. While Starlink has successfully conducted with SMS, Voice and Data service test,

AST SpaceMobile and Lynk Global have not made significant progress. Although all are in early stages, their technological paths

demonstrate the future trends of direct-to-satellite communication. Focused on Starlink's success, the paper analyzed its business model

and explored the primary technological pathways for future integration of space, air and ground telecommunication systems, which was

a hot topic in the industry. Based on publicly available information about Starlink, the paper utilized the business model canvas theory to

delved into its direct-to-satellite service, detailing aspects like core value, key resources, customer segments, cost structure, customer relations, key partnership, and revenue streams. It then discussed Starlink's network architecture strategies, compared and analyzed the self-built

core network and shared core network approaches, ultimately inferring the most viable network technology solution for Starlink.

Keywords: Starlink, direct-to-satellite, business model, network architecture

0 引言

（1）星链

根据星链公开的信息，手机直连卫星服务可提供文本

短消息、语音、数据和物联网（IoT）业务，服务范围为

地面运营商合作伙伴所在的国家。星链试验卫星已于 2024

年 1 月 2 日发射。根据来自 T-Mobile 的信息，2024 年 1

月8日星链使用美国T-Mobile的频谱试验卫星已经实现成

功发送和接收文本短消息，并且计划于 2025 年推出语音、

数据和物联网服务。

与星链展开合作的地面运营商合作伙伴主要包括：美

国的 T-Mobile、加拿大的 Rogers、日本的 KDDI、澳大利

亚的 Optus，新西兰的 ONE NZ，瑞士的 SALT 以及智利

的 ENTEL。相关合作伙伴的官网上也对手机直连卫星业

务的情况和进展进行了解释。

其中 Optus 公开的信息中有价值的内容包括：手机直

收稿日期：2024−01−08；修回日期：2024−05−10

·86· 天地一体化信息网络 第 5 卷

连卫星业务的服务范围不包括澳大利亚政府规定的无线

电静默区等区域；任何运营商的用户都可以使用手机直连

卫星功能进行紧急呼叫。

ONE NZ 公开的信息包括：整个新西兰本土，以及最

远至近岸 12 英里（1 英里≈1.61 km）的范围内都会提供手

机直连卫星服务；将使用中频频谱，即 ONE NZ 被授权的

LTE 频谱；对于运营商的任何用户，都可以使用紧急呼叫。

星链公开的信息宣称使用现有的 LTE 终端，只要在露

天环境就可以实现手机直连卫星，对手机的硬件、固件和

App 都没有特殊要求，提供和地面蜂窝网络无差别的文本

短消息、语音和数据服务；并且明确具备手机直连功能的

星链卫星上搭载了 LTE 网络的无线基站（eNodeB，eNB）

调制解调器。

具备手机直连功能的卫星初期将搭乘猎鹰 9 号火箭进

入轨道，后期将改用星舰。新进入轨道的卫星将通过激光

链路与星座组网。

（2）AST SpaceMobile

2023 年 4 月，AST SpaceMobile 公司宣称联合美国运

营商 AT&T、日本运营商乐天以及英国运营商沃达丰，打

通了普通手机直连卫星的语音电话，并且明确未来会支持

2G 到 5G 技术的手机直连[1]。此次通信利用的是 AST

SpaceMobile 公司位于 515 km 低轨轨道的 Blue Walker 3

卫星，天线展开面积约 64 ㎡，使用的频率是 AT&T 的 LTE

band5。不过 AST 并未明确何时推出手机直连卫星的商业

服务。根据其公开的测试信息，核心网方案可能与星链类

似，采用共享地面运营商核心网方案。

（3）Lynk Global

另一个低轨卫星公司 Lynk Global 也和星链一样，与

一些地面运营商合作推出手机直连卫星业务，根据 Lynk

Global 公布的专利申请，其可能使用的核心网组网方案

为自建核心网方案，即卫星运营商核心网作为拜访地

网络，对接地面运营商核心网作为归属地网络的漫游

方式。但目前尚未有大规模商用的消息，无法验证其

组网方案的真实性。此外，目前公开的测试信息表明

Lync Global 采用了 LTE 体制，而规划中会支持 2G 至

4G。由于其相关专利申请时间为 2021 年[2]，5G 技术

尚未规模商用，因此不排除 Lynk Global 未来会有支持

2G 至 5G 体制的计划。

1 手机直连卫星技术路线

对星链、AST SpaceMobile 与 Lynk Global 的路线进行

对比分析[3]，内容见表 1。

星链、AST SpaceMobile 和 Lynk Global 当前采用 4G

的技术路线，而卫星寿命约为 7 年，手机的更新周期为 3

至 6 年，随着技术的演进以及设备的更新换代，星链在数

年后不排除采用先进的 5G 非地面网络（Non-Terrestrial

Network, NTN）或 6G[4]体制。Lynk Global 采用自建核心

网方案的信息来源于 2021 年，但目前并无公开的实际组

网信息，后来星链和 AST SpaceMobile 开展测试的共享核

心网方案则很可能是未来主流卫星运营商采用的组网方

案。下面主要以星链为主，分析手机直连卫星业务下卫星

通信的商业模式和组网方式。

2 星链手机直连卫星的商业模式分析

商业画布理论[5]是进行商业模式分析的主流方法论之

一，它采用价值主张、关键资源、产品服务、客户细分、

成本构成、客户关系、渠道通路、合作伙伴和收入来源等

9 个方面对商业模式进行探讨。接下来按照商业画布理论

结合星链及其合作伙伴公开的信息来对其手机直连卫星

业务的商业模式进行简要分析。

2.1 价值主张

星链的价值主张是“connecting the unconnected”即连

接未连接的一切。其价值主张决定星链手机直连卫星业务

具备服务的普遍性。全球 5G 业务渗透率截至 2022 年年底

只有 12%，因此星链选择基于地面无线电通信频率的 LTE

体制而非 5G 体制，对于数以十亿计的存量手机用户来说

更 具有普 遍 性 。 当前华 为与天通、 苹 果 与 全 球 星

（GlobalStar）的手机直连需要手机集成额外的芯片，采用

表 1 技术路线对比

对比项 星链 AST SpaceMobile Lynk Global

采用频率 地面无线通信频率 地面无线通信频率 地面无线通信频率

测试体制 LTE LTE LTE

计划支持体制 尚不明确 2G 至 5G 2G 至 4G

核心网方案 共享核心网 共享核心网 自建核心网

第 2 期 薛元星等：星链手机直连卫星业务商业模式及组网方式 ·87·

专有的卫星通信体制，终端使用成本高，不具备普遍性。

而 3GPP 中的 NTN[6]也需要在手机终端上进行适当的开发

改造工作，不适用于全球大量的存量手机，两种手机直连

卫星业务的技术路线从当前的服务普遍性角度看不如星

链的选择。

2.2 产品服务

星链手机直连卫星提供的产品服务是基于近地轨道

（Low Earth Orbit，LEO）卫星的语音、文本短消息、数据

及物联网业务。

2.3 关键资源

星链具备的关键资源主要是其计划运营的由 2 016 颗

卫星组成的巨型 LEO 星座，可向全球提供手机直连卫星

信号的覆盖。其独有的低成本卫星制造及火箭发射技术是

星链的成本和技术优势。为了向终端客户提供手机直连卫

星业务，星链需要的关键资源包括用于太空组网的 LEO

卫星星座、星载 eNB 基站设备、星载 eNB 使用的无线频

谱资源、地面蜂窝网络的 LTE 频谱资源、卫星馈电落地的

地面站、服务于关键业务的核心网等。首先，为了实现 LTE

体制和频率的手机直连卫星业务，星上 eNB 使用的无线频

率需要采用地面蜂窝网络的 LTE 频率。不同于卫星的空间

无线电通信频率采用先到先得的使用方式，地面无线电通

信频率因其天然的稀缺性在各个国家的无线电管理机构

都有着较为严格的监管，且各国地面运营商被无线电管理

机构授权的频谱也大相径庭。

星链构建的基于 LEO 的卫星星座，为了提供手机直

连卫星网络的全球覆盖，必然需要合法地在各个国家使用

地面无线电通信频率，这也注定了星链需要依托于其服务

国家的合作伙伴，发挥合作伙伴作为地面运营商的优势，

充分利用其已有的频谱资源。其次，紧紧围绕星链具备的

关键资源加上合作伙伴提供的频谱资源，还是无法提供文

本短消息、语音和数据等关键业务。如星链所宣称的，它

实现了太空中安装蜂窝基站 eNB 的信号塔。根据 3GPP 中

LTE 组网架构[7]，还需 LTE 的数据核心网（Evolved Packet

Core，EPC）和 LTE 及 5G 的语音业务核心网（IP Multi-Media Subsystem，IMS）作为另一项关键资源，实现对

星载基站的控制，提供对终端用户的身份认证、接入控制、

承载管理、业务供给、计量计费等功能。核心网是整个蜂

窝网络的控制和转发核心，决定了用户的码号资源使用、

拨号方案、录音通知等涉及用户感知的方面，也涉及用户

数据的转发路径。因此，核心网是星链实现组网方式中的

关键环节。

2.4 客户细分

星链不认为自己的手机直连卫星业务性能和容量能

够替代地面无线网络，并宣称只是作为地面网络的补充，

其客户细分为在各个国家地面蜂窝移动通信网络覆盖盲

区的手机及物联网终端设备的用户，满足基本通信需求的

同时也向非合作地面运营商终端用户提供紧急呼叫业务。

2.5 成本构成

星链手机直连卫星的成本构成主要为网络运行及支

撑成本、折旧及摊销、人工成本、销售及营业成本等。其

中网络运行及支撑成本主要分为网络及基础设施建设成

本、运行维护成本、资源使用成本等。建设成本对于星链

手机直连卫星业务来说主要为星载 eNB 及卫星制造成本、

火箭发射成本、地面站网建设成本；运行维护成本包括星

座运行及维护成本和地面站网使用维护成本；资源使用成

本包括地面无线通信频率使用、能源使用等成本。对于

其主要成本构成中合作伙伴提供的关键资源之外的成

本，星链都有业界领先的掌控力，能够有效地维持其在

市场上的成本优势。

2.6 客户关系和渠道通路

在客户关系和渠道通路方面，星链手机直连卫星业务

并不直接面向终端客户，合作地面运营商的签约客户就是

星链手机直连卫星的潜在客户群，客户关系的维系依赖其

地面运营商合作伙伴。在这样的策略下，星链可以充分利

用地面运营商已有的品牌优势、渠道通路及其成熟的运营

模式大幅降低客户关系维护成本。

2.7 合作伙伴

在星链手机直连卫星业务中，合作伙伴是非常关键

的，星链官方信息显示，首批合作伙伴为分布全球的 6 家

地面移动通信运营商，它们为星链提供了大量终端客户，

同时维系客户关系，提供渠道通路，提供关键资源，甚至

所在国家提供必要的政策法规方面的支持。

2.8 收入来源

星链手机直连卫星业务的收入来源具体方案尚不清

晰，没有公开的信息表明其是按照终端用户的语音通话时

长、数据流量或消息条数计费，还是由其合作伙伴按照星

链提供的太空基站覆盖范围结算。前者更像是面向 C 端的

运营商方式，而后者更趋近于地面运营商和铁塔公司间的

结算方式。其收入来源会影响星链商业模式的盈利能力，

但无论如何由于星链的成本构成具有较大优势，因此可以

预计在提供手机直连卫星业务上，星链如果采用和竞争对

手相同的价格，必然会获得巨大的利润。

·88· 天地一体化信息网络 第 5 卷

3 星链的手机直连卫星组网方式分析

3.1 核心网

由上述分析可知，控制管理星载 eNB 的核心网部署方

案将是星链手机直连卫星组网及后续开展商业运营的关

键。目前，技术路线的选择上可考虑两种核心网组网方案，

一是自建核心网方案，二是共享核心网方案。

3.1.1 自建核心网方案

自建核心网方案即星链自建 EPC 以及 IMS[8]网络，与

合作地面运营商之间打通核心网网间漫游的接口进行组

网，星链对全球位置追踪区、小区进行规划，同时使用星

链申请到的频谱组建一张覆盖全球的统一网络并提供接

入服务。终端用户接入星链时，星链根据用户 ID 和用户

所处的追踪区位置信息决定是否提供服务，并通过网间互

联接口访问归属网络的归属用户服务器（Home Subscriber

Server，HSS）获取用户进一步的信息以便用户接入管理。

在这种方式下用户的数据流经星链（拜访地）核心网服务

网关（Serving Gateway，SGW）和合作地面运营商（归属

地）核心网数据网关（Packet Data Network Gateway，

PGW），双方都有计费信息，按照当前普遍的国际漫游的

方式进行网间结算。

对于这种方式，天然存在一些难以解决的问题。

一是频率问题，星链使用的频率需要符合被服务国家

的无线电频率监管要求。而按公开的信息各国用于 LTE 地

面无线通信的频率规划完全不同，且按照不同频段分配

给了不同的地面运营商，因此这种方式意味着星链必须

向各个服务的国家申请 LTE 频点供星链使用，实际操作

难度很大。

二是星链在提供服务地区使用的公共陆地移动通信

网络的身份标识号（Public Land Mobile Network Identity

Document，PLMN ID）和国家代码问题。按照 ITU 相关

规定[9]，星链应向相关管理机构申请移动国家代码（Mobile

Country Code，MCC）和移动网络代码（Mobile Network

Code，MNC）组成 PLMN ID。目前唯一采用这种方式的

海事卫星 Inmarsat 向 ITU 申请了 PLMN ID 为 90111，国

家代码为+870，其终端拨打任何其他地面运营商的号码都

需要加上相应的国家代码，作为被叫，其他地面运营商主

叫终端也需要加上+870 的 Inmarsat 完整移动用户号码

（Mobile Subscriber International ISDN/PSTN Number，

MSISDN）方能打通。海事卫星系统因为采用专有终端，

没有异网漫游的场景，如果星链使用自建核心网，以漫游

的方式向相关国家提供服务，则用户在使用手机直连卫星

业务时，其拨号方案应类似国际漫游的场景，主被叫业务

必须带上相应的国家代码，只有拨打星链自己的号码才可

以直拨。此情况下，实现澳大利亚和新西兰合作伙伴宣称

的本地化紧急呼叫号码的方案相对复杂。

三是服务覆盖区域问题。鉴于澳大利亚和新西兰的

地面合作伙伴已经明确了与星链合作的地理区域的服务

范围，也符合政府监管的要求，经过政府授权地面运营

商提供的服务范围。目前服务范围严格限制在合作伙伴

所在国家的陆地、湖泊以及近岸 12 海里（1 海里≈

1.25 km）海域，且不包含政府规定的无线电静默区。因

此，研究星载 eNB 和地面 EPC 核心网协同组网技术，以

精准控制星链的无线电波束覆盖区域，合理规划卫星波

束的波位以符合被服务国家的规定，是需要重点考虑的

技术问题。

最后，如采用自建核心网方案，所有的控制信息和通

信内容需绕道星链核心网，再传递到提供服务的国家的地

面运营商，难以满足各国政府对数据出境的限制要求。

3.1.2 共享核心网方案

显然上述种种问题都是自建核心网方案所面临的技

术挑战，另一种组网方案为共享核心网方案。共享核心网

方案具有天然的优越性，即星链并不依靠自己的核心网为

合作伙伴所在国家提供服务，而是通过在合作伙伴所在国

家建设地面站，实现服务卫星的本地化配置上注及 eNB

的回传信号馈电落地，直接接入合作地面运营商的核心

网，向当地终端用户提供和本地地面蜂窝网络无差别的蜂

窝网络服务。

显然使用这样的方案，上述种种难题都将迎刃而解。

因为使用了合作地面运营商本地化配置，星链使用的频谱

就是该国合作地面运营商获准使用的频谱，符合所在国家

的无线电管理要求；面向不同国家的客户细分，使用合作

伙伴的 PLMN ID、国家代码以及各种相关 ID（包括小区

编码、追踪区编码、用户号码等），实现就像本地网络一

样的拨号方案，播放本地化的录音通知，给终端用户与地

面蜂窝网络无差别的服务感知；所有的控制信息和通信内

容都不离开服务国家的国境，在降低时延、提升用户服务

感受的同时满足了大部分国家数据监管的要求。因此可以

基本推断星链会采用共享核心网方案，使用合作伙伴的核

心网是非常合理的技术路径。

下面将按照共享核心网方案对星链手机直连卫星业

务的工作方式进行梳理，明确其技术路线的关键点及优势

劣势，如图 1 所示。

第 2 期 薛元星等：星链手机直连卫星业务商业模式及组网方式 ·89·

图 1 星链组网原理

3.2 地面站

星链应在合作地面运营商的所在国家建设地面站，其

站址选取可以根据地理覆盖需要或业务重点区域等原则

选取，并应充分考虑卫星过境时的服务连续性。

地面站应经过地面承载网与合作伙伴的核心网通

联，实现对星上 eNB 的业务管理。部分地面站应具备星

载 eNB 的管理功能，相当于集成了接入网网管操作维护

中心（Operation and Maintenance Center，OMC），能够

实现按照合作地面运营商需要的无线参数进行指令上

注，完成服务卫星 eNB 的本地化配置。地面站组成及分

布如图 2 所示。

图 2 地面站组成及分布

卫星通过馈电链路与地面站连接，并将星载 eNB 连接

至地面合作伙伴运营商的 EPC 核心网。卫星应具备根据星

历以及馈电链路状态选择地面站进行馈电落地的能力。

如果地面站的馈电链路发生了切换，星载 eNB 对 EPC

的连接是需要进行拆除重建还是保持之前的连接是一个

需要考量的问题，也是目前 3GPP R19 正在研究的重要议

题之一[10]，具体的取舍应取决于地面运营商的网络布局和

使用策略。

3.3 星载 eNB

星链实现手机直连卫星业务主要依赖星载 eNB 规划

的波位，即支持的 LTE 频段的无线业务波束。具备手机

直连卫星能力的低轨卫星围绕地球倾斜轨道高速旋转，

当卫星过境服务国家时，在仰角足够的情况下先和该国

家的第一个地面站建立馈电连接，激活本地化的星载

eNB 配置数据，包括合作地面运营商授权的 PLMN ID、

合作地面运营商可以使用的频点、合作地面运营商规划

的卫星追踪区（Tracking Area，TA）分区等，完成星载

eNB 的初始化。然后星载 eNB 连接地面运营商的移动

性管理实体（Mobility Management Entity，MME），开

始向规划波位地区的终端提供服务。eNB 入境示意如图 3

所示。

图 3 eNB 入境示意

当服务卫星离境时，星载 eNB 应有退出机制，不应再

向之前服务的国家使用合作地面运营商指定的频率提供

服务，可以进入无线电静默状态，等待为下一个国家提供

服务。

此时从地面核心网 MME 的角度出发，可以看到星

载 eNB 随卫星离境而掉站。在这种场景下是否需要星载

eNB 主动拆除到 MME 的连接是 3GPP R19 正在热议的问

题[10]，但从地面蜂窝网络维护经验看上述操作大可不必。

一是因为在地面运营商的日常维护中掉站的场景并不罕

见，即使星载 eNB 主动注销，与掉站相比，对终端用户

的业务影响区别也不大；二是因为低轨卫星具有连续覆

盖性，地面相关波位的覆盖任务会由后续过境的卫星接

手，对于核心网 MME 来说，虽由不同的星载 eNB 提供

波束覆盖，但是覆盖范围并没有变化。eNB 离境示意如

图 4 所示。

·90· 天地一体化信息网络 第 5 卷

图 4 eNB 离境示意

3.4 计费

手机直连卫星业务的计费方式是和商业模式中收入

来源息息相关的，如采用共享核心网的方式，由于星链只

提供了接入网，没有自己独立的核心网，因此只能依赖合

作地面运营商的 EPC/IMS 核心网进行计费，相关的计费

信息可以依据无线接入类型（Radio Access Type，RAT）

为 LEO 的条件检出相关计费数据记录（Charging Data Recording，CDR）[11]。星链的共享核心网方式不能像国际漫游

业务中拜访地运营商那样，即通过拜访地 SGW 中的 CDR

对归属地运营商的话单准确性进行核对，只能选择依靠合作

条款进行约束，并充分相信合作伙伴及合作伙伴生成的

CDR 信息。

另外一种方式是服务打包，面向合作伙伴并不根据实

际的业务使用情况进行收费，而是基于覆盖区域范围、网

络容量及可用服务时长进行打包收费。

具体使用哪种方式获得收入来源尚无公开的明确信

息，随着手机直连卫星业务的大规模展开，相关方式会变

得更加清晰。

3.5 波位

在共享核心网方案中，星载 eNB 的业务波束应按照特

定规则对地面进行波束覆盖，相关区域应被划分为若干

个波位，每一个波位为用户寻址的基础单位，类似于地

面蜂窝网络中的小区。波位的规划应该在很大程度上和

TA 规划相结合[12]，这些工作需要合作地面运营商和星

链共同完成。

3.6 服务连续性

星载 eNB 随 LEO 卫星高速运动，在这种场景下，即

使用户相对静止依然会发生跨越 eNB 的 X2 切换，且可能

同时发生基站数据回传接口馈电链路的切换，如何在这种

情况下保持服务的连续性是当前 3GPP R19 研究的重点问

题之一[13]。此外卫星网络和地面 4G 网络甚至 5G 网络之

间的切换也是服务连续性方面需要研究的问题。采用共享

核心网方案，由地面运营商的 EPC 核心网统一进行用户接

入管理具有简化星地网络切换逻辑，提升通信服务连续性

的优势。

3.7 终端−卫星−终端通信

按照星链之前公开的信息，其用于支持手机直连卫

星业务的二代卫星是具备星间链路的，因此如果两颗

卫星分别为不同的终端用户服务，利用两颗卫星之间

的星间链路，是可以建立起 UE-Satellite-UE（终端−卫

星−终端）的用户面端到端通道，而不经过馈电落地转

发。星间链路为 UE-Satellite-UE 的手机直连卫星业务

提供了一张卫星之间互相连接的天基承载网，如何实

现天基承载网的路由管理，并与业务相结合是需要深

入研究的一个方向。

目前业界普遍的思路[10]，需要在卫星上集成服务网

关−用户平面（Serving Gateway-User Plane，SGW-U）和

数据网关−用户平面（Packet Data Network Gateway-User

Plane，PGW-U）等用户平面设备，实现 SGW 和 PGW 的

控制平面/用户平面分离，由地面的服务网关−控制平面

（Serving Gateway-Control Plane，SGW-C）和数据网关-控

制平面（Packet Data Network Gateway-Control Plane，

PGW-C）协助建立端到端专载后，经由星上 SGW-U 和

PGW-U 实现 UE-Satellite -UE 的数据业务转发。星间链路

实现 UE-Satellite-UE 通信如图 5 所示。

图 5 星间链路实现 UE-Satellite-UE 通信

3.8 终端用户的知情权

对于华为天通模式，因为用户使用卫星通信需要有复

杂的对星过程，且对自己使用卫星网络进行通信完全知

情，因此卫星通信的费率高于地面移动通信是很容易被接

受的。对于共享核心网的组网方案，即使用户终端经由星

链的星载 eNB 附着于网络，但终端使用的 PLMN ID 并未

发生变化，终端上显示的网络名称和地面网络也并无差

第 2 期 薛元星等：星链手机直连卫星业务商业模式及组网方式 ·91·

薛元星（1979− ），男，硕士，现就职于中国

卫星网络集团有限公司，长期从事移动通信核

心网方案设计工作，主要研究方向为空天地一

体化网络的组网方案及相关领域的标准化。

赵治（1980− ），男，硕士，现就职于中国卫

星网络集团有限公司，主要研究方向为空天地

一体化网络的组网方案及相关领域的标准化。

异，用户无从感知。如使用手机直连卫星业务和普通地面

网络采用不同的费率，如何让终端用户感知自己使用了卫

星网络是一个需要研究的课题。按照 3GPP 体制，用户从

LEO 卫星接入，其 RAT 应为 LEO，后续需要规范终端行

为，在使用 RAT 为 LEO 的情况下需要有明确的显示信息

提示，以保证用户对使用手机直连卫星网络知情，并为之

支付合理的费率。

如果仅仅考虑 LEO 卫星是合作地面运营商的覆盖扩

展，而不因为用户使用卫星网络单独收取昂贵的费用，则

无须对用户进入卫星覆盖时进行单独的提醒，也无须改造

和规范终端行为，可通过短信或者广告形式通知，提示用

户今后可能在某些情况下进入卫星网络覆盖，告知用户此

行为不会为用户带来额外的费用，并提示用户关于手机在

卫星网络下是否有额外耗电等相关事宜。

4 结束 语

本文基于星链及其地面运营商合作伙伴公开的信息，

对星链手机直连卫星业务的商业模式进行了分析，并由此

对星链手机直连卫星业务的组网方式进行讨论，就其优劣

势以及需要研究的关键问题进行探讨，旨在为业界的技术

工作者提供一种思路。

参考文献：

[1] WEISSBERGER A. AST SpaceMobile completes 1st ever LEO

satellite voice call using AT&T spectrum and unmodified Samsung

and Apple smartphones[P]. 2023-04-26.

[2] SPEIDEL T R, MILLIER C E. Cellular core network and radio

access network infrastructure and management in space:

US20220052753[P]. 2022-02-17.

[3] 孙耀华, 彭木根. 面向手机直连的低轨卫星通信：关键技术、发

展现状与未来展望[J]. 电信科学, 2023, 39(2): 25-36.

SUN Y H, PENG M G. Low earth orbit satellite communication

supporting direct connection with mobile phones: key technologies,

recent progress and future directions[J]. Telecommunications Science, 2023, 39(2): 25-36.

[4] 吴晓文, 焦侦丰, 凌翔, 等. 面向 6G 的卫星通信网络架构展望

[J]. 电信科学, 2021, 37(7): 1-14.

WU X W, JIAO Z F, LING X, et al. Outlook on satellite communications network architecture for 6G[J]. Telecommunications Sci

ence, 2021, 37(7): 1-14.

[5] The business model canvas, alexander osterwalder[Z]. 2004.

[6] 3GPP. System architecture for the 5G system (5GS); Stage 2: TS

23.501[S]. 2024.

[7] 3GPP. Universal mobile telecommunications system (UMTS);

General packet radio service(GPRS) enhancements for evolved

universal terrestrial radio access network(E-UTRAN) access: TS

23.401[S]. 2024.

[8] 3GPP. TISPAN; IP multimedia subsystem (IMS); Functional architecture: TS 23.417[S]. 2024.

[9] ITU. The international identification plan for public networks and

subscriptions[Z]. 2017.

[10] 3GPP. Study on integration of satellite components in the 5G architecture; Phase 3: TR 23.700-29[S]. 2024.

[11] 3GPP. Telecommunication management; Charging management; 5G

data connectivity domain charging; Stage 2: TS 32.255[S]. 2021.

[12] 缪德山, 柴丽, 孙建成, 等. 5G NTN 关键技术研究与演进展望

[J]. 电信科学, 2022, 38(3): 10-21.

MIAO D S, CHAI L, SUN J C, et al. Key technologies and evolution of 5G non-terrestrial network[J]. Telecommunications Science,

2022, 38(3): 10-21.

[13] 3GPP. Study on Integration of satellite components in the 5G architecture; Phase 2: TR 23.700-28[S]. 2024.

[作者简介]

段乔曼（1992− ），女，硕士，现就职于中国卫星网络集团有限公

司，主要从事移动通信与卫星通信相关领域的研究和设计工作。

2024 年 6 月 Space-Integrated-Ground Information Networks June 2024

第 5 卷第 2 期 天 地 一 体 化 信 息 网 络 Vol.5 No.2

基于低轨卫星互联网的双模通信终端技术

罗袁君，白吟蕊，姚永国，孙 健

（重庆两江卫星移动通信有限公司，重庆 401135）

摘 要：提出一种融合创新的解决方案——双模通信终端，集成了低轨道卫星通信和地面无线自组网的优点，提供弹性通信解

决方案。终端能够实时获取集群路由，自主切换卫星通道和地面自组网通道，降低对卫星互联网天地传输信道的压力，实现多

样化通信需求。在自组网内，终端利用地面无线自组网进行信息传输，建立用户集群并维护路由。超出自组网边界时，终端自

动切换到卫星通信模式并维系网络。该技术有望满足各种场景的通信需求，包括应急响应和现场快速部署等。

关键词：双模终端；卫星互联网；无线自组网；融合通信

中图分类号：TP393

文献标志码：A

doi: 10.11959/j.issn.2096−8930.2024021

Dual-Mode Communication Terminal Technologies

Based on LEO Satellite Internet

LUO Yuanjun, BAI Yinrui, YAO Yongguo, SUN Jian

Chongqing Liangjiang Satellite Mobile Communication Co., Ltd., Chongqing 401135, China

Abstract: This article proposed a fusion and innovative solution - a dual-mode communication terminal, which integrated the advantages of low-orbit satellite communications and terrestrial wireless self-organizing networks to provide flexible communication solutions. The terminal could obtain cluster routing in real time and autonomously switch between satellite channels and ground ad hoc network channels, reduced the pressure on satellite Internet space and ground transmission channels and realized diversified communication needs. Within the self-organizing network, the terminal used the terrestrial wireless self-organizing network to transmit information,

established user clusters and maintain routes. When exceeded the boundary of the self-organizing network, the terminal automatically

switched to satellite communication mode and maintained the network. This technology is expected to meet the communication needs of

various scenarios, including emergency response and rapid on-site deployment.

Keywords: dual-mode communication terminal, satellite Internet, wireless ad hoc network, integrated communication

0 引言

低轨卫星互联网使用低轨卫星作为通信中继来实现

全球的互联网服务，由于低轨卫星轨道高度低、时延较小、

传输能量强度低，且成本相对较低，服务可覆盖全球，因

此在航空通信、航海通信、海岛通信、偏远地区通信等商

业场景具有明显的覆盖与成本优势。但是卫星互联网通信

也存在一定的缺陷：一是地面多节点与卫星进行移动通信

时，容易造成通信断链；二是卫星资源有限，资费较为高

昂；三是在有遮挡处的通信质量较差[1]。

地面无线自组网是由一组带有无线收发装置的可移

动节点所组成的一个临时性多跳自治系统。这种无线网络

不需要预设的基础设施，且每个节点都可以完成数据转发

和路由功能，也能作为终端实现各项应用功能，具有可临

时组网、快速展开、无控制中心、抗毁性强等特点，应用

前景广阔。但是这种网络只限于局部区域的通信，无法实

现与远端的通信[2]。

双模通信终端是一种集成了卫星通信和地面无线自

组网通信功能的终端设备。其主要特点是能够实时获取集

群路由信息，在卫星通道和地面自组网通道之间实现自主

无缝切换，以满足多样化通信需求。

目前全球使用较为广泛的卫星双模终端主要有铱星

收稿日期：2024−01−11；修回日期：2024−05−06

第 2 期 罗袁君等：基于低轨卫星互联网的双模通信终端技术 ·93·

双模终端和海事卫星双模终端。

其中铱星双模终端主要依托铱星低轨卫星网络，结合

其他无线网络，如 GSM、4G 等，实现双模/多模通信，提

供全球通信覆盖。它以其在偏远和充满挑战的环境中的可

靠性和弹性著称，主要用于海上、航空和陆基场景，满足

地面基础设施有限地区的关键通信需求[3]。其缺点在于卫

星星座体制和频谱制约造成带宽和数据传输速度方面的

限制。

海事卫星双模终端依托海事卫星网络，并结合北斗卫

星服务，以海事为重点，集成卫星和地面通信通道，确保

即使在公海也能实现连接。它主要适配船舶跟踪、通信和

安全保障场景，广泛应用于海运业，船对岸通信、导航以

及地面网络失效的紧急情况[4-5]。因为其采用高轨卫星作为

载体，在恶劣天气条件下容易受到信号阻塞，在数据传输

过程中可能出现高时延，同时其在高纬度地区无法开展通

信业务[6]。

本文所研究的基于低轨卫星互联网的双模通信终端，

结合低轨卫星互联网与地面无线自组网的优点，将两者进

行融合通信，可以充分发挥两者的优势[7]。结合低轨卫星

具有全球覆盖、更高可靠性、灵活网络拓扑结构等优点，

可以实现更多应用场景的需求，提供更加强大、可靠的通

信网络[8-9]。

该双模通信终端具备自组网通信和卫星通信两种功

能，两种功能通过自主切换实现通信功能的选择。当双模

通信终端处于自组网内时，通过自组网进行信息传递；当

双模通信终端处于自组网外时，可以自主切换到卫星通信

模式，通过卫星链路实现同网内终端的通信功能，同时将

路由状态、态势信息等进行更新。

1 双模通信终端技术概述

1.1 卫星通信终端基本构成

卫星通信终端是用于实现卫星通信的地面设备，按照

功能可分为手持终端、物联网终端、数据传输终端等[10]。

由于便携性要求，本文采用手持终端，卫星通信频段为 L

频段。目前 L 频段为手持终端最常采用的通信频段。相比

于高频段，L 频段通信信号覆盖范围大，受天气影响小，

研制技术较为成熟，可满足语音通话、短信、数据传输等

功能要求[11]。

卫星通信终端一般由收发一体化天线、射频前端、

射频收发器、基带处理器等部分组成[12]。各部分的主要

功能如下。

（1）收发一体化天线：主要实现卫星信号的接收、发

射功能[13]。

（2）射频前端：主要实现收发信号的分离、接收信

号的低噪声放大和滤波、发射信号的滤波和功率放大等

功能[13-14]。

（3）射频收发器：完成基带数字信号与射频模拟信号

的转换，包括调制解调、本振控制、基带滤波、数模/模数

转换等，主要实现将接收信号进行下变频以及 AD 变换后

送基带进行处理、将基带数据进行 DA 变换以及上变频处

理[15-16]。

（4）基带处理器：主要运行移动通信协议，实现物理

层与协议层数据处理，同时进行基带信号收发操作，对协

议层业务数据进行打包处理。

1.2 自组网通信终端

地面无线自组网是由一组带有无线收发装置的可移

动节点所组成的一个临时性多跳自治系统，不同于传统的

基站-终端结构形式，在这个无线网络中，每个节点都可以

完成基站的数据转发和路由功能，也能作为终端实现各项

应用功能[17-18]。

自组网通信终端一般由天线、射频前端、射频收发器、

基带处理器等部分组成[19]。各部分的主要功能如下。

（1）天线：主要实现自组网信号的接收、发射功能。

（2）射频前端：主要实现收发信号的分离、接收信

号的低噪声放大和滤波、发射信号的滤波和功率放大等

功能。

（3）射频收发器：完成基带数字信号与射频模拟信号

的转换，包括调制解调、本振控制、基带滤波、数模/模数

转换等，主要实现将接收信号进行下变频以及 A/D 变换后

送基带进行处理、将基带数据进行 D/A 变换以及上变频处

理等功能。

（4）基带处理器：主要运行自组网通信协议，实现物

理层与协议层数据处理，同时进行基带信号收发操作，对

协议层业务数据进行打包处理。

1.3 双模通信终端融合技术

双模通信终端能够融合卫星通信与地面自组网通信

的优点，但是在一个终端上实现两种不同的通信方式

面临许多问题[20]，因此在设计中主要需要解决的难点

如下。

（1）自适应路由机制

双模终端的自适应路由机制是需要深入探索的关键

方面。与某些设计中的集中式路由不同，这里的自适应路

由采用智能路由算法和决策机制。决策因素包括：资源利

用效率和增强容错率[21]。其中，智能路由算法在优化资源

·94· 天地一体化信息网络 第 5 卷

利用效率方面发挥着关键作用，它能动态适应网络状态，

实现路由策略的实时调整。自适应路由的一个重点是增强

容错。通过不断评估网络环境，终端能够在发生故障时及

时识别并重新路由，确保通信网络的弹性和容错性[22]。

自适应路由涉及本地路由信息交互，即允许在路由

交换中进行本地决策以极大地增强路由灵活性，使系统

能够适应即时通信环境的变化，确保网络灵活且响应迅

速[23-25]。

（2）电磁兼容设计

多模通信终端具有自组网通信、卫星通信以及导航定位

等功能，GNSS 卫星信号频率主要集中在 1 176~1 841 MHz，

其信号强度一般较弱而且容易受到遮挡和干扰。双模终端

中的低轨卫星通信中心频率为 1 500～1 700 MHz，与

GNSS 卫星信号 G1/L1/E1/B1C 及北斗卫星 BDSS 上行信

号比较接近。由于低轨卫星通信上行通道一般需要大于

33 dBm 的发射功率才能保证通信的稳定性、连续性和可

靠性，当在频率接近且功率又大的情况下，低轨卫星较容

易干扰 GNSS 信号的接收。自组网模块工作频段为

1 400~1 500 MHz，与卫星接收频段和 GNSS 频段接近。

在多模通信终端设计时要考虑使用S频段和C频段通信存

在与 L 频段无法集成的问题，故在设计多模通信终端时，

L 频段是首选的工作频段。这就导致了多模通信终端的工

作环境的电磁频谱相对复杂，在设计中需要充分考虑多模

通信终端的电磁兼容问题。

实现电磁兼容设计的方法主要包括：提升发射频谱纯

度，尽量减少杂散信号对其他通信系统的干扰，这涉及改

进终端发出的信号，以实现更清洁、更高效的通信；信噪

比增强，确保在具有潜在信号衰减的环境中实现稳定的通

信；优化 GNSS 接收通道，通过频率规划、通道滤波和陷

波等手段减少带外干扰对接收通道的干扰；天线部署和内

部隔离，采用策略性天线部署方法并增强设备内部信号

隔离；优化天线设计，最小化不同模块之间的干扰以及

改善拥挤频谱中的信号接收；内部隔离优化，隔离终端

内的不同组件，防止卫星通信、自组网通信和其他功能

之间的干扰。

（3）小型化、低成本设计

由于卫星通信终端与自组网终端的通信频段与协议

体制不一致，每个模组都需要设计单独的天线、射频通道、

基带处理系统等，因此实现两者通信功能的双模通信终端

必然面临体积增大、重量增加、成本增多等一系列挑战，

在设计中需要着重考虑到多模终端的小型化、低成本等

问题[26]。

2 双模通信终端的设计与实现

2.1 系统组成

双模通信终端由卫星通信模组、自组网通信模组、应

用模组、外部结构组成，设备组成如图 1 所示。

图 1 双模通信终端组成框图

其中自组网通信模组包含自组网天线、射频模块、处

理模块以及系统软件等，实现自组网通信功能。

卫星通信模组包含卫通天线、射频模块、处理模块以

及系统软件等，主要实现低轨卫星通信功能，支持低轨卫

星互联网通信应用，包括支持语音业务、数据传输业务、

短信收发业务，满足低轨窄带标准体制要求和安全保密功

能要求。

应用模组的主要功能为用户数据的采集处理、对外的

接口信号处理、与通信模组进行信息数据的交互、整板稳

定的电源供给以及直流−直流（DCDC）电源转换、电源

低功耗控制等。

2.2 整机数据流

2.2.1 控制流

卫星通信模组通过 USB/网口把采集的控制信令由应

用处理器发送给自组网通信模组数字接口，周期性采集自

组网通信模组从基带处理器送来的自组网状态标志位；应

用模组通过通用异步收发传输器（UART）接口把配置信

息传输给卫通基带处理芯片，并对卫通基带处理芯片和射

频前端进行参数配置。

控制流程如图 2 所示。

在脱离自组网范围后，即进入随遇接入模式，自组

网状态标志位翻转，应用处理器把相应控制字段置位，

发送给卫星通信模组基带处理芯片，卫星通信功能使能

后自动搜寻并连接低轨卫星，申请信道占用，相关信令

通过低轨卫星接入信关站并由核心网进行鉴权和资源分

配，信关站将分配信道资源信息发给低轨卫星为终端分

配信道资源，建立连接。

第 2 期 罗袁君等：基于低轨卫星互联网的双模通信终端技术 ·95·

图 2 控制流程

2.2.2 信号流

2.2.2.1 跨域通信数据流

当双模通信终端设备处于自组网内时，利用自组网模

组进行自组网内通信，实现信息的传递与交互共享。

当两个跨网终端均处在各自自组网覆盖范围内时，为

了实现跨域通信模式，有通信需求的节点利用自组网模组

向网内对外中心节点发起跨域请求，并附加被寻呼节点地

址标志。中心节点应答后，卫星通信模组基带处理芯片卫

星通信功能使能，自动搜寻并连接低轨卫星，信道分配后

与对方自组网中心节点建立连接。对方中心节点识别到协

议标志位后，应用处理器控制自组网模组通信功能打开，

并路由到被寻呼节点，被寻呼节点应用模组收到指令后使

能数据通信功能；与数据通信源节点握手成功后，通话双

方应用模组通过数字接口采集业务数据，并对数据进行

拆/组包处理后，通过 AT（Attention）命令发送给协议处

理器；由高层协议处理单元对数据进行拆分或重组，再由

通信模块进行信道编码、调制后由无线前段−基带数字关

联（RBDP）接口送到射频收发芯片转换为 L 频段射频信

号，并经射频前端功率放大器放大后由天线发送至本网络

中心节点，由中心节点通过卫星互联网透明转发至对方目

的节点。

2.2.2.2 随遇接入数据流

当双模通信终端设备处于自组网通信距离外时，应用

模组自动读取状态字对双模通信终端进行网内外判断，确

认已脱网时，将状态位发送给卫星通信模组，终端整机自

动切换为卫星通信模组工作完备态。应用模组通过数字接

口采集业务数据，并对数据进行拆/组包处理后，通过 AT

命令发送给协议处理器；由高层协议处理单元对数据进行

拆分或重组，再由通信模块进行信道编码、调制后由 RBDP

接口送到射频收发芯片转换为 L 频段射频信号；经射频前

端功率放大器放大后由天线发送至卫星。通过卫星互联网

将业务数据路由到自组网内部携带双模通信终端的节点。

信号流程如图 3 所示。

图 3 信号流程

自组网内部携带双模通信终端的节点同理可以通过

卫星互联网将业务数据路由到脱网节点，反向信号流程与

前向通路一致，信号流向相反。

2.3 硬件设计方案

2.3.1 自组网通信模组设计

自组网模块为点对多点宽带自组网通信模块，该模块

采用正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）和多输入多输出（Multi-Input & Mul-

·96· 天地一体化信息网络 第 5 卷

ti-Output，MIMO）等关键技术，支持 20 MHz 带宽，支持

最大 16 个接入节点，支持 5 Mbit/s 的通信速率。该模块

采用扁平化系统架构设计，有效减少系统时延，提高系统

传输能力，具备传输距离远、数据吞吐量大、抗干扰性强

的特点。该模块采用 SOC 芯片，提高集成度，大大降低

系统功耗，减小模块尺寸，满足用户自组网的建设需求。

自组网通信模组的硬件框图如图 4 所示。

图 4 自组网通信模组的硬件框图

2.3.2 卫星通信模组设计

双模通信终端中的卫星通信模组的硬件框图如图 5

所示。

2.3.3 应用模组

应用模组的主要功能为用户数据的采集处理、对外的

接口信号处理、与通信模组进行信息数据的交互、整板稳

定的电源供给以及 DCDC 电源转换、电源低功耗控制等，

因此采用 ARM 嵌入式应用处理器架构，通过处理器的各

种对外接口以及选用对应的外设模块，实现需要的各种功

能。应用模组的硬件框图如图 6 所示。

图 6 应用模组的硬件框图

主控单元：CPU 主控，为软件提供运行环境并提供各

类数据接口；作为整个系统的主控单元，负责管理各

种外设和接口，同时也是应用操作系统和代码的运行

平台。

存储单元：实现 RAM+ROM 功能；用于存储非易失

的用户数据以及代码，以及作为系统内存使用。

人机交互单元：包含显示、按键和指示灯等，实现人

机交互。

图 5 卫星通信模组的硬件框图