美国OneWeb系统发展现状与分析

林 莉，左 鹏，张更新

（1.厦门广播电视集团技术中心播送部，厦门 361000；2.装备发展部军事代表局驻七一四厂军事代表室，南京 210007；3.南京邮电大学，南京 210003）

1 发展概况

OneWeb系统是美国OneWeb公司建设的一个新一代宽带低轨道小卫星星座通信系统。该系统的最初构想由O3b网络创始人格雷格·惠勒（Greg Wyler）提出，并得到互联网巨头谷歌公司（Goog le）的支持，于2012年成立一个专门的公司来建设。2014年8月，Greg Wyle r的团队离开Google。2015年1月，Greg Wyler将公司改名为On eWeb（一网）公司，并宣布获得英国维珍（Virgin）集团和美国高通（Qualcomm）的投资。目前，OneWeb公司正在软银、国际通信卫星公司和可口可乐等投资方的支持下，进行全球宽带低轨卫星通信星座系统的建设工作。2014年6月，WorldVu 公司从破产的SkyBridge公司手中获得有关卫星频谱，由于OneWeb公司收购了WorldVu公司，从而拥有了ITU正式授权的Ku频段资源。

OneWeb系统的目标是建立一个大型低轨道小卫星星座，能够向全球提供无缝的宽带互联网接入服务。系统于2015年完成系统设计，2016年开始卫星和火箭制造，原计划从2018年5月开始发射卫星，2019 年底完成星座的基本部署并开始投入运营服务，整个系统的计划总投资为15～20亿美元。目前，首次发射时间已经推迟到2018年年底，以进行更多的地面测试，并把一些改进部件融入卫星的最终设计。

目前，全世界仍然有将近40亿人无法上网，而能够提供互联网服务的很多区域其网速缓慢且费用昂贵。当互联网对社会带来的改变日益显著时，能否顺畅地接入互联网已被许多人认为是人类应有的基本权利和社会经济发展的基础。随着对互联网带宽需求的日益增加，未来更顺畅便宜、无处不在的互联网连接使用需求对地面网络带来了巨大挑战，卫星通信在这方面可以发挥重大作用。OneWeb系统的提出给我们提供了一种未来利用卫星通信系统解决全球宽带大容量互联网接入的解决方案。

2 系统组成

低轨星座卫星通信系统通常划分为空间段、地面段和用户段三个组成部分。其中，空间段是指星座中的所能卫星；地面段通常指中心站、测控站、信关站及地面支撑网组成，负责对空间段的测控、网络运行管理及用户管理等功能；应用段是指各类用户终端，包括手持机、便携站、车（机、船）载站、嵌入式终端、采集终端和固定站等。对于OneWeb 系统也可以按照这三个组成部分来进行分析。

2.1 空间段

按照最初提交给美国联邦通信委员会（FCC）的申请，OneWeb系统的空间段由720颗卫星组成，卫星分布在18个轨道面上，每个轨道面上部署40颗卫星，卫星轨道高度为1200km。每颗卫星的重量约为145kg，采用电推方式入轨，可在轨运行5年左右。图1给出了OneWeb卫星在空中展开后的示意图。空间段具体的组网卫星数量仍有待确定。OneWeb公司2018年3月向FCC提出申请，要求把授权组网卫星数量从720颗增加到1980颗。

所有的On eWeb卫星由一网卫星（On eWe b Satellite）公司负责设计和制造，该公司是OneWeb 公司与空客防务及航天公司（Airbus Defense and Space）的合资公司，双方各持50%的股份。采用一次生产900颗卫星的批量生产方式，以大幅降低生产成本，一颗卫星的造价低于50万美元。最初的10颗样品卫星将在法国生产，其余890颗卫星的批量生产将在美国佛罗里达肯尼迪航天中心附近的工厂完成。OneWeb计划在2018年底开始发射卫星，2019 年底完成星座的基本部署。

图1 OneWeb卫星在空中展开后的示意图

要将这么多卫星在短期内部署到位，其发射也是一个大问题。根据计划，OneWeb系统将使用俄罗斯的联盟号火箭进行21次卫星发射，计划每21天发射一次，每次携带36颗、偶尔是34颗卫星。此外，还将利用Ariane 6号火箭和英国Virgin集团的Virgin Galactic空中发射平台进行发射。

由于OneWeb系统采用Ku频段，当其卫星穿过赤道时存在着与GEO卫星之间的同频干扰问题，因此，OneWeb系统采用了一种称为“渐进倾斜（progressive pitch）”的专利技术来保护所有工作在Ku波段的GEO通信卫星不受其干扰。其基本思想是，当LEO卫星接近赤道时，通过缓慢的姿态调整使得LEO卫星逐渐以一定的斜度穿过赤道，配合发射功率的调整，从而消除对GEO卫星的干扰。另外，在赤道附近的OneWeb用户可以转向使用Intelsat的Epic卫星。

2.2 地面段

根据设计方案，OneWeb卫星之间没有星间链路，整个系统采用的是“天星地网”组网方式，因此，需要在地面设置足够多的信关站，才能保证对全球的无缝覆盖。

按照目前的建设方案，OneWeb系统在全球范围内需要设置50多个信关站，其中美国至少要有4个信关站。每个信关站计划配置10幅以上的天线，每幅天线口径为2.4米或更大。OneWeb系统的地面段主要由美国休斯网络系统（HNS）公司负责设计、研发和生产，HNS也在研发能兼容Intelsat的Epic卫星和OneWeb卫星的双模终端。

2.3 用户段

OneWeb的用户终端包括机载、车载、固定安装等多种安装模式，采用热点覆盖形态，将卫星调制解调、地面LTE/3G、Wi-Fi热点集成为一体，为OneWeb用户终端周边一定区域内的用户提供互联网接入服务。图2给出了OneWeb系统两种用户终端的照片。

由于OneWeb系统采用Ku波段，卫星又是工作在低轨道上，因此，终端的小型化和廉价化成为可能。OneWeb系统提供的通信服务比较适合个人与公共机构使用，推出的用户终端也是小型化的，可以作为一个本地互联网接入点，附近用户能通过Wi-Fi或蜂窝信号接入互联网。

为支持宽带接入，OneWeb系统用户终端的天线口径约为30-75厘米，可以是机械式双抛物面天线或为低成本的相控阵天线。OneWeb系统用户终端的预估售价约为250美元。

图2 OneWeb系统的用户终端

3 工作过程

OneWeb系统采用天星地网的组网模式，即卫星采用透明转发方式，卫星之间没有星间链路，所有的路由交换功能由地面信关站完成，再通过地面网络将各信关站互联起来，从而形成一个面向全球的宽带大容量卫星通信系统。

OneWeb卫星的馈电链路（卫星和信关站之间的链路）采用Ka频段，用户链路（卫星和用户终端之间的链路）采用Ku频段，具体工作频率如表1所示，这些频率资源原本是国际电联（ITU）正式授权给Skybridge系统使用的，OneWeb公司通过公司收购获得了这些频率的使用权。

每颗OneWeb卫星产生16个椭圆形用户波束（工作在Ku频段）和2个馈电波束（工作在Ka频段），可以灵活地对地面特定区域进行连续覆盖。其中，用户链路采用一幅相控阵天线来产生16个点波束，图3给出了OneWeb卫星16个用户波束的覆盖示意图；馈电链路采用两幅指向可控天线，分别产生2个馈电链路波束。

由于LEO卫星相对地面作高速运动，在通信过程中用户不能始终利用一颗卫星或一个波束进行通信，而需要频繁地从一颗卫星/波束切换到另一颗卫星/波束，因此OneWeb系统必须要解决用户的无感切换（卫星间和波束间切换）问题。

表1 OneWeb系统的工作频率计划

图3 OneWeb卫星16个用户链路点波束的覆盖示意图

由于OneWeb系统的地面段由美国休斯网络系统公司负责设计、研发和生产，因此，系统的组网协议也是基于该公司的IPoS.v2（Internet Protocol ove r Satel l i te.v2）空中接口标准，其物理层为DVB-S2标准。

每颗OneWeb卫星的业务吞吐量约为6Gb/s，全网的总吞吐量约为3.84Tb/s，是现有全球在轨同步轨道和中低轨道通信卫星总容量的约4倍。系统可以为每一个用户终端提供50Mb/s的宽带接入服务。假如按照1∶50的带宽复用率计算，整个星座可以支撑约400万个宽带用户终端。

4 业务应用

对于其创办人Greg Wyler来说，OneWeb系统是O3b网络的补充和增强版，能够提供更快速、范围更广的互联网接入服务。与O3b需要电信运营商大型专业地球站不同，OneWeb将提供适合个人与公共机构使用的小型地球站，类似本地的互联网网关，通过WiFi或蜂窝信号与附近的设备进行连接。由于容量大、时延短，可以保证任何程序的顺畅运行，因此，OneWeb系统不仅仅是一个互联网服务提供商，而且可以作为全球互联网的备用系统，当一个地区互联网连接出现问题时，OneWeb可以作为备用继续提供服务。此外，它还可以在航空、自然灾害和一些应急工作中发挥重大作用。

OneWeb系统的应用领域包括全球通信、应急通信、机载通信、车载蜂窝网络、面向个人/家庭/小机构的互联网接入等。

由于OneWeb的目标用户是个人消费者和小型商业客户，因此，公司前期将重点放在大型灾难来临时的通讯网络和互联网解决方案，并与维珍集团旗下提供亚轨道发射和飞行解决方案的Virgin Galactic、通信设备商高通公司、飞行器提供商 Honeywell Aerospace 等建立了合作。同时，OneWeb表示将先对发达国家地面网络未覆盖的中、小型企业开展B2B卫星通信服务，等设备生产规模、营业额、现金流、成本控制等各方面达到一定程度之后，再全面展开对全球不发达国家边远地区的卫星接入服务。其实，这样一种先入手B2B 的策略，不仅有助于加快获得美国联邦电信委员会（FCC）的许可批准，在B2B业务的开展过程中OneWeb也容易借助合作伙伴，或者合作伙伴的合作伙伴，来获得各个国家（如印度、中国）、各个方面的运营或落地许可，为将来更大规模、更大深度的业务打好基础。OneWeb系统将在未来3～5年内向全球提供宽带卫星互联网接入服务。从OneWeb系统的发展可以看到全球卫星通信行业的两大发展趋势：一是卫星小型化、微型化、星座化趋势日益明显，星座规模不断扩大，低成本、批量化、快速制造是未来发展方向；二是卫星星座的设计理念、应用模式和运行管理全面创新，采用天地一体化全链路设计理念，简化星上功能，强化地面处理，注重与信息技术深度融合，面向普通用户和大众消费。■

5 结束语