ISSN 2096--8930

CODEN TYXWAG

CN 10--1706/TN

Beijing, China

5 3 Vol.5 No.3 2024 9 Sep. 2024

中国科技核心期刊

主 管 单 位　工业和信息化部

主 办 单 位　人民邮电出版社有限公司

指 导 单 位　中国卫星网络集团有限公司

出 版 单 位　北京信通传媒有限责任公司

主 　 　 编　陆　军

执 行 主 编　吴　巍

副 主 编　汪春霆　李建明　吕子平

朱德成　孙启彬　刘华鲁

编 辑 部 主 任　牛晓敏

编辑部副主任　赵路路

编 辑 单 位　《天地一体化信息网络》 编辑部

地 　 　 址　北京市丰台区东铁匠营街道顺八条1号院B座

北阳晨光大厦2层

邮 政 编 码　100079

编 辑 部 电 话　010-53878178，53879078，53879076

发 行 部 电 话　010-52265707

投 稿 网 址　www.j-sigin.com.cn

电 子 邮 箱　sigin@bjxintong.com.cn

国际标准连续出版物号　ISSN 2096-8930

国内统一连续出版物号　CN 10-1706/TN

国 内 发 行　中国邮政集团有限公司北京市报刊发行局

订 购 处　全国各地邮局

发 行 代 号　国内80-791

印 　 　 刷　北京艾普海德印刷有限公司

定 　 　 价　60.00元

法 律 顾 问　北京市蓝石律师事务所

Space-Integrated-Ground

Information Networks

(Quarterly, started in 2020)

Vol.5 No.3 (Serial No.17), Sep. 2024

天地一体化信息网络

TIANDI YITIHUA XINXI WANGLUO

（季刊，2020年创刊）

第5卷 第3期（总第17期），2024年9月

Competent Unit: Ministry of Industry and Information Technology

of the People's Republic of China

Sponsor: Posts & Telecom Press Co., Ltd.

Guiding Unit: China Satellite Network Group Co., Ltd.

Publisher: China InfoCom Media Group

Editor: Editor Department of Space-Integrated-Ground Information Networks

Editor-in-Chief: LU Jun

Executive Editor-in-Chief: WU Wei

Associate Editor-in-Chief: WANG Chunting, LI Jianming, LYU Ziping,

ZHU Decheng, SUN Qibin, LIU Hualu

Director of Editorial Department: NIU Xiaomin

Deputy Director of Editorial Department: ZHAO Lulu

Address: F2, Beiyang Chenguang Building, Shunbatiao No.1 Courtyard,

Fengtai District, Beijing, China

Postal Code: 100079

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Distribution Department Tel: 010-52265707

http://www.j-sigin.com.cn

E-mail: sigin@bjxintong.com.cn

《天地一体化信息网络》

第一届编辑委员会

顾 问 委 员：（按姓氏笔画排序）

　王小谟　尤肖虎　方滨兴　尹　浩

　邬江兴　邬贺铨　刘韵洁　吴建平

　沈荣骏　张　平　张宏科　陆建华

　周志成　郑纬民　姜会林

主 任 委 员：陆　军

常务副主任委员：吴　巍

副 主 任 委 员：汪春霆　李建明　吕子平

　朱德成　孙启彬　刘华鲁

委 员：（按姓氏笔画排序）

　丁　睿　马　晶　王文博　 王艳君

　王敬超　云晓春　方　芳　冯志勇

　匡麟玲　吕瑞峰　朱立东　向开恒

　江　涛　江　鹏　许燕宾　孙　伟

　孙晨华　李　聪　李凤华　李拂晓

　李国通　肖永伟　吴　枫　邹永庆

　邹光南　闵长宁　张　琳　张在琛

　张先超　张更新　张学庆　张钦宇

　张海君　陆　洲　陈山枝　易东山

　罗洪斌　和新阳　季新生　周家喜

　郑作亚　施　闯　姚发海　姚海鹏

　贾　敏　黄照祥　梅　强　曹双僖

　曹桂兴　盛　敏　梁宗闯　梁海滨

　谢海永　缐珊珊　潘　冀　薛晓翃

学术秘书长： 韩增尧

学术副秘书长： 孙娉娉　李文杰

学 术 秘 书：翟立君　徐晓帆

第 5 卷第 3 期 2024 年9 月

天地一体化信息网络

专题：通导遥算融合无线网络技术

星链系统服务能力分析 ⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅ 王静贤　虞志刚　祝 超　孙家正　雷 璟 3

面向卫星通导遥算融合的关键技术分析 ⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅ 李 杰　肖千里　冯建元　张 程 11

大型低轨通信星座的地面分布式核心网架构设计⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅ 尹曙明　郝利云　郭浩然　薛成宬 21

紧凑空间下大规模数字相控阵混合ADC接收机性能分析⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅

⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅ 张 毅　高 航　马 松　郭鸿儒　夏 斌　张朝贤 28

基于NTN的手机直连卫星定位技术⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅ 孙晓南　周世东　康绍莉 35

算存融合的天基承载网架构⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅ 丁春旭　丁熙浩　丁文慧　徐志平　虞志刚　陆 洲 44

基于Dijkstra算法的低轨星座通信路径规划方法优化 ⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅ 尹曙明　薛成宬　郝利云　张新军 55

研 究

面向高通量卫星网络的多基带系统载波统一调配技术 ⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅ 李 妍　赵逸云　王逸璇 61

星地融合网络的组网关键技术探讨⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅ 宋雅琴　徐 晖　刘险峰　曹彩红　程志密　王胡成 68

基于 OFDM 的星地一体化通信用户接收终端钟差同步校正 ⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅

⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅ 罗瑞雪　李 昱　王 鑫　马 冲　宋广磊 78

应 用

3GPP 5G NTN接入网最新技术进展和发展趋势 ⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅

⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅ 张 路　王 雪　芒 戈　王高健　张少伟　钟 华　章 扬　朱雪田 86

卫星互联网应用与挑战 ⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅ 单 超　马少煊　谷 欣　王妮炜 96

目 次

Space-Integrated-Ground Information Networks

Vol.5 No.3， September 2024

Special Issue: Wireless Network Technology for Integrated

Communication, Navigation, Remote Sensing, and Computing

Analysis of Starlink System Service Capabilities⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅

⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅ WANG Jingxian, YU Zhigang, ZHU Chao, SUN Jiazheng, LEI Jing 3

Analysis of Key Technologies for Satellites Oriented to the Fusion of Communication, Navigation, Remote

Sensing and Computing⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅ LI Jie, XIAO Qianli, FENG Jianyuan, ZHANG Cheng 11

Design of Ground Distributed Core Network Architecture for Large Low Earth Orbit Communication Constellation ⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅

⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅ YIN Shuming, HAO Liyun, GUO Haoran, XUE Chengcheng 21

Performance Analysis of Large-Scale Digital Phased Array Mixed-ADC Receiver in Compact Space⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅

⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅ ZHANG Yi, GAO Hang, MA Song, GUO Hongru, XIA Bin, ZHANG Chaoxian 28

Non-Terrestrial Network Based Positioning Technologies for Direct-to-Satellite Service ⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅

⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅ SUN Xiaonan, ZHOU Shidong, KANG Shaoli 35

Integrated Computing and Storage for Space Transport Network Architecture⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅

⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅ DING Chunxu, DING Xihao, DING Wenhui, XU Zhiping, YU Zhigang, LU Zhou 44

Optimization of Communication Path Planning Method for Low Earth Orbit Constellation Based on Dijkstra Algorithm⋅⋅⋅

⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅ YIN Shuming, XUE Chengcheng, HAO Liyun, ZHANG Xinjun 55

Studies

Unified Carrier Regulation and Management Technology for Multiple Baseband Systems in High Throughput

Satellite Network ⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅ LI Yan, ZHAO Yiyun, WANG Yixuan 61

Exploration and Discussion on Key Technologiesfor Satellite-Terrestrial Integration Networking⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅

⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅ SONG Yaqin, XU Hui, LIU Xianfeng, CAO Caihong, CHENG Zhimi, WANG Hucheng 68

Clock Synchronization Correction of User Receiving Terminals in Satellite Ground Integrated Communication

Based on OFDM ⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅ LUO Ruixue, LI Yu, WANG Xin, MA Chong, SONG Guanglei 78

Applications

Latest Progress and Future Trends of Technologies Used by RAN for 3GPP 5G NTN ⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅

⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅ ZHANG Lu, WANG Xue, MANG Ge, WANG Gaojian, ZHANG Shaowei,

ZHONG Hua, ZHANG Yang, ZHU Xuetian 86

Satellite Internet：Application and Development⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅ SHAN Chao, MA Shaoxuan, GU Xin, WANG Niwei 96

Contents

第 5 卷第 3 期

2024 年9 月

天 地 一 体 化 信 息 网 络

Space-Integrated-Ground Information Networks

Vol.5 No.3

September 2024

专 题 导 读

随着全球信息化进程的加速，卫星互联网正逐渐

成为实现全球无缝覆盖、提供多样化通信服务的关键

途径。这一网络不仅需要实现高速数据传输，还要能

够提供实时遥感服务、精确定位导航以及分布式协同

计算资源等综合服务能力，以适应智能交通、智慧城

市、环境监测、远程医疗等众多领域的应用需求。特

别是在偏远地区、海洋以及空中等传统通信难以覆盖

的领域，对于通信网络的无缝覆盖和高效服务提出了

更高的要求。

通导遥算融合无线网络技术通过深度融合通信、

感知、计算与存储，不仅可以提升卫星互联网的通信

效率，还将极大地扩展泛在网络的服务能力，为构建

高效、智能的卫星互联网提供强有力的技术支持。随

着天基网络的重要性逐渐凸显，对地基网络与天基网

络之间通导遥算融合的研究也引起了极大关注。尽管

现有5G网络标准与商业部署尚未完备融合卫星通信、

通感融合和通算融合等关键技术，但与其相关的标准

化工作一直在推进。

从R16开始，5G网络开始研究非陆地通信网络技

术特性，而ITU等国际标准组织也在积极推动天地融合

信息网络的标准化工作，如ITU-R M.2083建议书提出

的“下一代移动通信网应满足用户能随时随地访问服

务”的需求。3GPP 在 R17 中进一步开展了基于 5G

NTN的定位技术研究，推进通信导航一体化发展。此

外，《面向6G的天地一体融合网络技术白皮书》也提出

了“一体架构”“统一高效”“动态灵活”“一网多能”

四大技术体系，并对天地一体融合组网的应用场景、愿

景及目标、挑战和系列创新技术进行了阐述。随着移动

通信和微波遥感技术的双向互动，频谱资源的趋同性以

及大规模阵列天线、高精度信号同步等技术要求，为移

动通信和感知功能的融合提供了基础条件。卫星互联网

的构建，特别是在遥感实时服务和泛在感知方面，将极

大地推动通信-遥感融合技术的发展。

除3GPP和ITU的研究和标准化工作外，国内外的

卫星通信网络也在积极探索和实践。例如，中国的天

算星座和中国移动01星均支持星上计算优化网络服务

流程，以提供更高质量的通信服务。此外，国际上的

Starlink、OneWeb 等项目也在积极推进卫星互联网的

建设和服务能力的提升。通导遥算融合无线网络技术

的标准化和应用实践在不断推进中，为实现全球无缝

覆盖、服务无处不在的卫星互联网奠定了坚实的基础。

本专题聚焦于通导遥算融合技术在卫星互联网中

的应用，探讨了其在提升通信效率、增强网络服务能

力、实现多业务融合等方面的潜力和挑战。本专题通

过分析低轨卫星网络、地面分布式核心网架构、通信

路径规划、数字相控阵技术等领域的关键技术，旨在

为 6G 时代卫星互联网的发展提供技术支撑和创新思

路，推动未来通信技术的创新和发展。

《星链系统服务能力分析》 深入分析了 SpaceX公

司提出的星链计划，该计划通过发射大量低轨卫星组

建全球最大的卫星星座，为偏远地区用户提供宽带上

网和移动通信业务。文章从系统组成、卫星迭代版本、

星座构型以及系统发展特点等方面对星链系统进行了

全面研究，并通过对基于星链星座和地面光纤的端到

端传输时延进行仿真对比，评估了星链卫星在不同业

务中的服务水平，为低轨巨型星座的发展提供了重要

的参考。

《面向卫星通导遥算融合的关键技术分析》介绍和

分析了面向卫星通导遥算融合的关键技术，并分析了

通导遥算融合的典型应用服务方式。文章提出，融合

关键点在于硬件和软件资源的可调度、可共享，以及

高效能、高稳定性的载荷器件。通过仿真实验验证了

融合后的效能提升，为后续卫星网络的研究、建设和

标准化提供了宝贵的建议和参考。

《大型低轨通信星座的地面分布式核心网架构设

计》 针对大型低轨星座通信系统的核心网设计问题，

提出了一种多节点分布的地面核心网架构。该架构通

过业务分担和备份接替，有效提高了系统的可靠性和

专题：通导遥算融合无线网络技术

天地一体化信息网络 第 5 卷

整体性能，为地面核心网的设计与优化提供了有益的

参考。

《紧凑空间下大规模数字相控阵混合ADC接收机

性能分析》研究了在紧凑空间互耦效应影响下的大规

模数字相控阵混合ADC接收机性能。文章提出了一种

性能分析方法，并通过理论计算和数值仿真，验证了

优化混合 ADC 配置方案对提升系统可达速率的有效

性，为数字相控阵技术的发展提供了重要的技术支撑。

《基于 NTN 的手机直连卫星定位技术》 探讨了基

于非陆地网络的手机直连卫星定位技术，提出了多种

多星定位算法，分析了影响定位性能的关键因素，并

开展了定位性能的仿真评估。这项研究为3GPP后续开

展多星定位研究和标准化提供了有益指导。

《算存融合的天基承载网架构》提出了一种算存融

合的天基承载网架构，从组网优化、传输优化、存储

优化、服务优化等4个方面系统分析了该架构的优势，

并总结了相关关键技术，为后续卫星网络的研究、建

设和标准化提供有价值的建议和参考。

《基于Dijkstra算法的低轨星座通信路径规划方法

优化》针对低轨星座网络通信路径规划中存在的问题，

提出了一种基于Dijkstra算法的优化路径规划方法。该

方法通过分组并行计算，显著提高了路径规划的效率

和准确性，为低轨卫星网络的优化提供了有效的技术

手段。

本专题的研究成果不仅涵盖了通导遥算融合无线

网络技术的理论基础，还包括了关键技术的创新应用

和实验验证。这些研究成果为6G时代卫星互联网的发

展提供了技术参考和指导，对于推动未来通信技术的

创新具有重要意义。希望通过本专题的分享，能够为

业界提供启发和思考，共同推动通导遥算融合无线技

术的发展和应用，为构建卫星互联网贡献力量。

[专题策划人]

张海君，北京科技大学国家卓越工程师学

院执行院长、高等工程师学院院长、教授、

博士生导师，IEEE Fellow，国家杰出青年

基金获得者，长期从事无线通信与无线网

络的相关研究工作。

任超，北京科技大学副教授、IEEE Mem‐

ber，主持多项国家自然科学基金、北京市

科学基金等国家级、省部级项目，长期从

事无线协作通信、多模态通信技术理论及

行业应用的相关研究工作。

·2·

第 5 卷第 3 期

2024 年9 月

天 地 一 体 化 信 息 网 络

Space-Integrated-Ground Information Networks

Vol.5 No.3

September 2024

星链系统服务能力分析

王静贤1

，虞志刚1

，祝 超2

，孙家正1

，雷 璟1

（1.中国电子科技集团有限公司电子科学研究院，北京 100041；

2.北京跟踪与通信技术研究所，北京 100000）

摘 要：首先对星链星座发展现状进行概述；然后从系统组成、卫星迭代版本、星座构型以及系统发展特点等方面对星链系

统进行研究；最后通过仿真对基于星链星座和地面光纤的端到端传输时延进行对比，得出端到端基于不同传输路径的传输距

离与时延的关系。通过链路估算，从传输速率方面评估星链卫星对不同业务的服务水平，并从单星覆盖、星座覆盖以及用户

可见性方面对覆盖能力进行分析。

关键词：星链星座；系统组成；传输时延；传输速率；覆盖能力

中图分类号：TN92

文献标识码：A

doi：10.11959/j.issn.2096-8930.2024022

Analysis of Starlink System Service Capabilities

WANG Jingxian1

, YU Zhigang1

, ZHU Chao2

, SUN Jiazheng1

, LEI Jing1

1. China Academy of Electronics and Information Technology, Beijing 100041, China

2. Beijing Institute of Tracking and Telecommunication Technology, Beijing 100000, China

Abstract: This paper first provided an overview of the current status of the Starlink constellation development, then studied the Starlink

system from aspects such as system composition, satellite iteration versions, constellation configuration, and system development char‐

acteristics. Finally, through simulation, a comparison of end-to-end transmission latency based on the Starlink constellation and terres‐

trial fiber optics was made, and the the relationship between the end-to-end transmission distance and the delay under different transmis‐

sion paths was obtained. Moreover, through link estimation, the service level of Starlink satellites for different services could be evalu‐

ated from the perspective of transmission rate. Further, an analysis of the coverage capabilities of a single satellite and the constellation

was conducted.

Keywords: Starlink constellation, system composition, transmission latency, transmission rate, coverage capability

0　引言

卫星网络凭借覆盖范围广、系统容量大、不受地理

环境限制等方面的优势，已发展成为地面网络的补充，

主要为远洋、航空和沙漠等地区提供网络通信服务。低

地球轨道 （Low Earth Orbit，LEO） 卫星星座支持全球无

缝覆盖，近些年得到迅猛发展和广泛关注[1-2]

。SpaceX公

司、OneWeb公司和Telesat公司均提出了自己的低轨卫星

星座建设项目，为偏远地区用户提供互联网接入服务。

SpaceX 公司的星链 （Starlink） 计划部署进展最快，

截至2024年5月23日，共计发射6 482颗卫星。星链官网

显示，星链卫星的最大下载速率超过150 Mbit/s，上传速

率超过25 Mbit/s，传输时延低至25 ms。基于较强的通信

服务能力，星链星座已在近百个国家开通互联网接入服

务，注册用户数量超过270万[3]

。

同时，星链系统还应用于军事领域，不仅参与了美

国空军、陆军组织的多项应用性能测试[4-5]

，还在一些冲

突中发挥了应急通信、情报回传等天基信息支援作

收稿日期：2024-05-07；修回日期：2024-08-08

基金项目：航天某预研（互联网XX项目）；国家自然科学基金资助项目（No.62201534, No.61931017）

Foundation Items: Pre-research Project of Space System (XX Internet), The National Natural Science Foundation of China (No.62201534, No.61931017)

天地一体化信息网络 第 5 卷

用[5-7]

。可见，低轨巨型星座的发展将开启全球卫星通信

的新时代[8-9]

。

1　星链系统

1.1　系统组成

以星链为代表的低轨卫星互联网主要包括空间段、

地面段以及用户段3个部分[10-11]

，如图1所示。

（1）空间段

空间段由低轨卫星星座组成。卫星星座采用位于不

同轨道高度、具有不同轨道倾角的混合构型，实现大规

模部署和多重覆盖。根据卫星平台搭载转发器类型的不

同，可以分为透明转发式卫星和再生处理式卫星[12]

，其

中透明转发式卫星只完成转发作用，不对接收到的信号

做任何处理。再生处理式卫星通过搭载射频和基带处理

功能，不仅可以对接收到的信号进行放大、变频、滤波

等处理，还可以实现信号数字再生，相当于移动基站上

星的功能。

根据卫星之间是否有星间链路，是否实现星间路

由，可以分为天星地网和天网地网两种工作模式[13]

。

其中，在天星地网工作模式下，卫星间无星间链路连

接，卫星将接收的用户数据直接转发至地面网络完成

传输，卫星网络可以看作地面网络的延伸。天星地网

模式只有在用户和地面站同时被同一颗卫星覆盖时才

能进行实时业务传输。在天网地网工作模式下，卫星

间由星间链路连接，地面信关站通过地面网络连接。

根据任务需求，用户数据可以经过卫星转发到另一端

用户，也可以经过单跳或者多跳星间链路转发到信关

站，再由地面网络完成传输。天网地网工作模式充分

利用了卫星的广域覆盖优势和地面网络在通信容量方

面的优势，实现了天地融合和优势互补，成为低轨卫

星网络的主流发展趋势。

（2）用户段

用户段包括各类用户终端。目前SpaceX公司推出了

3代5个版本的星链终端。第一代为碟形天线，具有UTA201和UTA-211两个版本型号。第二代为方形天线，型号

为UTA-212。与第一代相比，第二代天线体积有所减小，

重量降低 40%，便于携带，通信性能也有显著提升。在

第二代的基础上，第三代天线面积增加了 10%，路由覆

盖面积由186 m2扩展至297 m2

，三防等级从IP54提高到

IP67，具备防尘能力，可在大风等较恶劣天气条件下接

入星链卫星网络。

2022年6月，美国联邦通信委员会（FFC）批准了星

链终端在移动平台上使用，意味着星链系统可以为陆地

车辆、海上船舶、空中无人机等各类用户提供接入传输

服务。同样，星链终端也根据不同用户类型，推出民众

版、房车版、企业版、海事版以及航空版等不同版本，

以满足不同应用场景下的多样化业务需求。

2023年11月，FCC同意SpaceX公司提出的手机直连

卫星业务申请，通过与地面运营商合作，支持现有 LTE

终端接入，无须更换任何手机组件、升级系统、安装特

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+6,

?.C

?.C

195A

025A /?5A

=2D?

.,C

.,C

A,D,

A,D,

)2C

B2D?

=2D?

)2C B2D?

/4=

20,

KuA/45

K

3a +

4

5

图1　系统组成

·4·

第 3 期 王静贤等：星链系统服务能力分析

殊应用程序等，因此具有手机直连能力的星链卫星使用

标准的LTE协议，支持发送文本、语音和数据业务[14-16]

。

（3）地面段

地面段包括信关站、测控站、运控中心、网控中

心等。

信关站负责接收地面或其他卫星传来的信号，然后

放大、重新编码或转发这些信号，使其能够传输到另一

个位置或覆盖更广阔的区域。这种功能使得远距离通信

成为可能，无论是在地球上的不同地区还是地球与太空

之间。天线系统是信关站的核心，星链系统每座信关站

一般有8副高频高增益天线，实现高效数据传输和接收，

优化信号质量，减少干扰，提高通信性能。针对低轨卫

星快速移动导致频繁切换的特征，星链信关站的跟踪和

定位系统能够利用算法和实时遥测数据，持续监测每颗

卫星的确切位置和轨迹，从而调整天线波束，确保稳定

连接。目前星链系统有 150 座正在运行的信关站，另外

13 座获得监管部门批准后仍在建设中，19 座正在等待

开工[15]

。

测控站主要用于监控和管理卫星群的健康状况和性

能。通过从卫星收集遥测数据提供有关其状态、功率水

平和整体健康状况的信息。地面操作员可以监控和分析

这些数据，以识别潜在的问题，执行主动维护，并优化

网络性能。测控系统使得地面操作员可以远程配置和控

制卫星，确保卫星网络的平稳运行。星链系统在美国境

内的东海岸和西海岸分别设置主站和副站，在海外其他

国家也会设置测控站，信关站和测控站是可以共用的，

例如美国华盛顿州布鲁斯特站。

运控中心一般通过网络管理系统（NMS）、运营支撑

系统（OSS）和业务支撑系统（BSS）来管理卫星网络和

用户服务，其主要功能包括：客户订阅和计费，自动化

非接触式资源调配，确保按照最终用户服务级别协议提

供服务，对多个远程网关和卫星实施集中控制。

网控中心是整个卫星通信系统运行的核心中枢，要

实现对全网各地球站的参数设置、运行状态控制、信道

资源按需分配和点到点卫星通信链路接续等实时控制

功能。

1.2　卫星版本

经过不断迭代升级，目前星链卫星已经具有 6 个版

本：试验星 （TintinA/B）、V0.9、V1.0、V1.5、V2.0 Mini

和V2，其中，V0.9、V1.0、V1.5用于构建第一代星座系

统，V2.0 Mini和V2用于构建第二代星座系统。

2019年5月，SpaceX公司发射首批60颗星链V0.9卫

星和首批60颗V1.0卫星。2021年6月，首批3颗V1.5卫

星入轨。上述3种类型星链卫星都采用平板设计，尺寸大

约为3.2 m×1.6 m×0.2 m，安装有4副相控阵天线和单翼式

太阳能电池板，每副相控阵天线板尺寸约为0.7 m×0.7 m，

太阳能电池板展开后约为4 m×15 m。V1.0相比V0.9，增

加了Ka频段，卫星重量从227 kg增加至260 kg；V1.5相

比V1.0增加激光星间载荷，重量提升至295 kg。

SpaceX公司已经完成至少一颗星链V2.0卫星的原型

机，长度达到 7 m，重量达到 1.25 吨。作为 V1.5 和 V2.0

之间的过渡版本，SpaceX公司从2023年2月开始发射V2

Mini版本。V2 Mini单颗卫星重量790 kg，是一代的2倍

多，宽度超过4.1 m，太阳翼向两侧展开之后整星宽度约

30 m。这样Starlink V2 Mini版卫星的总面积超过了116 m2

，

是Starlink V1.5表面积的4倍多。Starlink V2 Mini版卫星

配置了更强大的相控阵天线连接用户，并使用 E 频段回

程连接地面站，使得每颗卫星的容量比早期版本增加了4

倍。另外，V2 系列配置了全新的氩气工质霍尔推进器，

氩气电推进器重2.1 kg，功率4.2 kW，提供170 mN的推

力，其推力和比冲分别是第一代的2.4倍和1.5倍。

Starlink V2 Mini 中包括支持存量手机直连功能的卫

星，截至2024年5月23日，该类型星链卫星数量达到38

颗。由于现有手机天线增益较低，发射功率很小，当与

530 km左右轨道高度的卫星连接时，通信链路长度将达

到上千千米，将会有较大的传输路径损耗，因此该类型

星链卫星配备了尺寸约为 2.7 m×2.3 m 的大型相控阵天

线，创新性定制硅芯片以及先进的处理算法，来为地面

上的手机接入提供通信条件[17]

。

各个版本的卫星特征见表1。

1.3　星座构型

星链星座轨道部署见表 2。其中第一代星链卫星系

统包括 LEO 和 VLEO 两类轨道高度，约 1.2 万颗卫星。

LEO 星座几经变化，从最初的 4 425 颗卫星，到轨道高

度550 km、1 110 km、1 130 km、1 275 km和1 325 km的

123个轨道面共计4 409颗卫星，最终在2020年9月将轨

表 1 星链卫星各版本特征

对比项

卫星重量

太阳能

电池板结构

推进器

通信频段

V0.9

227 kg

单翼式

氪气电推进

Ku

V1.0

260 kg

单翼式

氪气电推进

Ku、Ka

V1.5

295 kg

单翼式

氪气电推进

Ku、Ka、激光

V2.0 Mini

790 kg

双翼式

氩气电推进

Ku、Ka、E、激光、L/S

·5·

天地一体化信息网络 第 5 卷

道高度集中在550 km附近的190个轨道面上，共计4 408

颗卫星。LEO星座主要用于实现全球无缝覆盖[18]

。

VLEO 星座主要分布在 340 km 左右的轨道上，主要

用于降低卫星传输时延，增强对中低纬度地区的热点覆

盖，提升传输容量。2024 年 3 月 8 日，FCC 发文称推迟

SpaceX公司关于部署VLEO星座卫星的请求。

2021 年 8 月 SpaceX 公司向 FCC 提交的关于第二代

星链卫星系统的修订申请显示，星链二代卫星星座将

首选配置 29 988 颗卫星，分别部署在 340 km 到 614 km

的 9 个轨道上。2022 年 12 月 1 日，FCC 只批准了部署其

中 7 500 颗卫星，属于分别位于高度 525 km、倾角 53°，

高度 530 km、倾角 43°，高度 535 km、倾角 33°的 3 个

壳层上的部分卫星，以响应有关太空碎片和干扰影响

的相关问题。

1.4　发展特点

（1）构建独立自成体系的产业链

SpaceX公司基于独立研制设计，采用了从制造、火

箭发射、应用服务到地面设备的垂直整合商业模式，形

成产业链分工优势、成本降低优势和加速度优势，具体

体现在以下方面。

a) 垂直整合：星链项目涵盖了从卫星制造、发射到

地面终端设备的全产业链。这样的垂直整合有助于

SpaceX更好地控制整个产品生命周期，提高效率和成本

控制能力。

b) 自成体系：星链依托SpaceX公司自主研发的火箭

和卫星技术，减少了对外部供应商的依赖，增强了项目

的自主可控性。这对于确保技术秘密和进度控制都很

重要。

c) 产业链优势：由于涵盖了产业链各环节，星链可

以更好地把握市场需求，并快速响应。同时也可以充分

利用各环节的协同效应，提升整体竞争力。

d) 独立性：星链作为SpaceX公司的独立子品牌，在

定价、营销等方面都有较大的自主权，这有助于项目的

快速推进和迭代。

（2）基于技术创新降低生产成本

星链系统采用商业货架产品、组件模块化设计、流

水线生产、一箭多星、火箭回收等创新技术，降低设备

的造价和发射成本，具体体现在以下方面。

a) 商业货架产品：星链卫星采用了大量商用现成部

件和组件，而不是完全自主研发，这大大降低了研发和

制造成本。

b) 组件模块化设计：星链卫星采用标准化、模块化

的设计，使得制造、维护和更新都更加灵活高效。

c) 流水线生产：星链利用工厂化的流水线生产方式，

大幅提升了卫星制造效率。

d) 一箭多星：星链利用SpaceX公司的大型火箭一次

性发射多颗卫星，大幅降低了单颗卫星的发射成本。

e) 火箭回收：SpaceX公司开创性地实现了火箭的回

收利用，这对降低发射成本也起到了重要作用。

（3）采用互联网发展模式

与传统的先设计后建设的固定研发模式不同，星链

系统在研发过程中基于互联网发展理念，坚持边设计、

边研发、边建设、边使用原则，用版本迭代升级换取时

间，用星座数量规模换取网络性能，驱动资本融合与产

业可持续发展，具体体现在以下方面。

a) 边设计、边研发：星链不是先完成全部设计再进

行研发，而是采取快速迭代的方式，不断优化设计并同

步研发，这样可以更快地响应市场需求变化。

b) 边研发、边建设：星链也没有采取完全研发好后

才开始建设的模式，而是将研发和建设并行进行，这种

方式可以缩短整个项目周期。

c) 边建设、边使用：星链在部分地区提供服务时，

仍在不断扩展卫星网络和地面设施。用户可以先享受到

初期服务，而不必等待全网建设完成。

表2 星链星座轨道部署[3]

星链系统

第一代星链

卫星系统

第二代星链卫星系统

LEO星座

VLEO星座

卫星

数量/颗

1 584

1 584

720

348

172

2 493

2 478

2 547

5 280

5 280

5 280

3 600

3 360

3 360

3 360

144

324

轨道

高度/km

550

540

570

560

560

335.9

340.8

345.6

340

345

350

360

525

530

535

604

614

轨道

倾角

53°

53.2°

70°

97.6°

97.6°

42°

48°

53°

53°

46°

38°

96.9°

53°

43°

33°

148°

115.7°

备注

共计11 926颗

卫星

共计29 988颗

卫星

·6·

第 3 期 王静贤等：星链系统服务能力分析

2　星链系统能力分析

根据参考文献[18]中对在轨星链卫星状态的分析，壳层

4逐渐替代壳层1，成为星链系统主要提供服务的星座。因

此，本节主要基于壳层4卫星，对星座的传输时延、传输速

率和覆盖能力进行分析。星链壳层4的星座构型见表 3。

2.1　时延分析

如图2所示，位于地面的用户终端需要连接至信关站

时，有经过星链卫星网络和地面光纤网络两种路径。部

署在壳层4的卫星携带星间激光载荷，可以通过星间链路

（ISL） 传输，已知星间链路用户终端的最小仰角为40°，

信关站的最小仰角为25°。为简单起见，图2中只表示了

用户终端的接入卫星和信关站的接入卫星，并假设中间

经过的多条ISL均位于两颗接入卫星的连接弧段上，则当

两颗接入卫星分别位于 A 点和 B 点时，经过卫星网络传

输的时延最小；当两颗接入卫星分别位于A′点和B′点时，

经过卫星网络传输的时延最大。经过卫星网络和地面网

络的传输时延分别计算如下

Ts = ( L1 + L2 + L3 )/c (1)

Tg = d/ (c/1.47) (2)

其中，L1 表示用户终端到其接入卫星节点之间的距离，

L2表示星间链路传输距离，L3表示信关站到其接入卫星

节点之间的距离，d表示用户终端到信关站的地面距离，

c表示光速。

图3呈现了用户终端和信关站之间的距离对传输时延

的影响，并将卫星网络传输时延和地面网络传输时延进行

了对比。从图3中可以看出，对于轨道高度为540 km的卫

星，在最优情况下，当用户终端和信关站之间的距离大于

760 km时，卫星将带来更小的时延；在最差的情况下，当

用户终端和信关站之间的距离大于9 340 km时，卫星网络

传输时延更小。地面光纤网络传输和卫星网络传输之间的

时延差异是由光纤折射率导致的光速折损以及卫星路径长

度决定的，此处假设光纤的折射率为1.47。由于低轨卫星

的高速移动，星链系统在提供服务时，传输时延在最小和

最大范围内变化，变化周期与星间切换策略和服务卫星数

量有关，因此，星链系统通过发射更多的卫星以支持用户

选择最佳接入卫星节点，从而降低传输时延。

2.2　速率分析

目前星链主要支持宽带和移动两类业务，依据3GPP

TS 36.213[19]

和参考文献[20-21]中的参数，进行链路传输

表3 星链壳层4的星座构型

轨道面数/个

72

每轨卫星数量/颗

22

卫星数量/颗

1 584

轨道高度/km

540

轨道倾角

53.2°

R R

d

A B L2

L3 L1

A/D, ?.C

A′ B′ 25°

40° 25°

40°

R R

d

A B

L3 L1

A/D, ?.C

A′ 25°

40° 25°

40°

图 2　用户终端与信关站传输路径示意

5.0

4.5

4.0

3.5

3.0

2.5

2.0

500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1 000

A/D,+?.C+23/km

*

;

;

@/ms

+6=5*;;@

>?=5*;;@

+6=5*;;@

>?=5*;;@

A/D,+?.C+23/km

*

;

;

@/ms 49.0

48.5

48.0

47.5

47.0

46.5

46.0

45.5

45.0

44.5

44.0

9 000

9 100

9 200

9 300

9 400

9 500

9 600

9 700

9 800

9 900

10 000

fflaffl>?=5;@E?;

fflbffl>?=5;@E*;

图 3　传输时延对比

·7·

天地一体化信息网络 第 5 卷

速率估算，得到各类业务场景下用户终端的上下行理论

峰值传输速率见表4。

分析可见，宽带用户终端主要为SpaceX公司自研相

控阵天线，在理想传输环境中，上行传输速率可达 500

Mbit/s，下行传输速率可达 1.2 Gbit/s；移动用户终端为

LTE 手机，在理想传输环境中，上行传输速率可达 12

Mbit/s，下行传输速率可达21 Mbit/s。

2.3　覆盖分析

下面从单星覆盖性能、星座覆盖性能及用户可见性

等方面对星链系统的覆盖性能进行分析。卫星覆盖情况

如图4所示。

（1） 单星覆盖性能

根据SpaceX公司的申请文件，用户终端只能与高于

最小仰角的卫星进行通信。随着星座部署规模的增大，

用户终端的最小仰角达到40°，进而提高用户链路的通信

质量。以位于壳层4的卫星为例，卫星轨道高度约为540 km，

则卫星可提供44.9°半锥角内的通信服务，对应的地面覆

盖半径约为564.2 km，覆盖面积约为106 km²。

如图5所示，星链卫星上装载相控阵天线，按需生成

角度为 1.5°的用户波束，星下点波束覆盖面积约为 154

km²，假设每个波束足迹对应地面一个波位，则在单星覆

盖范围内存在约6 494个波位。按照每颗卫星具有8个用

户波束来计算，那么每个波束需要覆盖812个波位。通常

采用捷变跳波束方式，根据预规划的跳频图案对覆盖区

域内的波位进行扫描，并对用户部署区域进行重点增强

覆盖。

（2）星座覆盖性能

基于 STK 和 Matlab 等仿真工具构建星链系统壳层 4

星座运行环境，并对星座的全球覆盖情况进行仿真，仿

真时长设置为24 h。

图 6 中横纵坐标轴分别表示观测时间点和对应的全

球覆盖百分比，从中可以看出仅星链系统壳层 4 全球的

覆盖率就可在 83%~83.7%。图 7 中横纵坐标轴分别表示

纬度和对应的覆盖时长百分比。从图 7 中可以看出壳层

4主要覆盖南北纬60°之间区域，可以为全球主要人口分

布地区提供服务。在低纬度地区尚不能实现全天时覆

盖，因此星链系统包括多种分布于不同轨道倾角和不同

轨道高度的多个壳层卫星，进而在时间和空间上实现全

球无缝覆盖，同时增大系统容量，为用户提供随遇接入

能力。

A/

D,

A/

D,

>?--,>

ffl'2564.2 kmffl

>?

ffl540 kmffl

40° 40°

44.9° 44.9°

图4　卫星覆盖情况

.);0+fflUTCGffl

86.0%

85.5%

85.0%

84.5%

84.0%

83.5%

83.0%

-

-

'

,

(

--',(

30--',(

2023-12-28

--',(

30--',(

2-28 6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 Fri29 3:00

图 6　星链全球覆盖率

−80° −60° −40° −20° 0° 20° 40° 60° 80°

>,

100%

90%

80%

70%

60%

50%

40%

30%

20%

10%

0

-

-

;

)

'

,

(

图 7　星链星座覆盖时长百分比随经纬度变化关系

表4 链路预算

参数

频率/GHz

带宽/MHz

EIRP/dBW

接收端增益（/ dB·K-1

）

热噪声密度（/ dBm·Hz-1

）

传输速率（/ Mbit·s

-1

）

宽带业务

上行

14

125

46

37.7

-174

500

下行

10.7

250

36.7

32.8

-174

1200

移动业务

上行

1.91

5

-7

37.7

-174

12

下行

1.99

5

38

0

-174

21

1.5°

图 5　波束覆盖情况

·8·

第 3 期 王静贤等：星链系统服务能力分析

（3）用户可见性

以位于华盛顿的用户为例 （北纬 38.9°，西经 77°），

分析壳层4卫星对用户的可见性。

从图8仿真结果可以看出，用户最多可见卫星数量达

到28颗，至少可见11颗，在大多数时间内用户可见范围

内的卫星数量超过20颗，其中同时可见22颗卫星的概率

达到 23%。星链星座通过多重冗余覆盖可以提高网络鲁

棒性和通信容量。

图9统计了位于华盛顿的用户与单颗卫星连接时间的累

积分布函数，从图中可以看出，由于低轨卫星快速移动特

性，用户与卫星的最大连接时间为6.7 min，在50%概率情

况下，连接时间短于6 min。在实际应用中，用户在选择接

入卫星时，要综合考虑服务时长和通信质量，这将导致用

户在卫星间切换更加频繁，产生较大的信令交互开销。

3　结束语

星链系统提供全球覆盖、高带宽、低时延卫星互联

网服务，在多领域具有广泛的应用潜力，对其开展研究

具有重要的战略意义。本文从卫星系统组成架构、卫星

迭代升级版本、星座构型、系统发展特点等方面对星链

系统进行了概述，并以壳层4星座为例，通过仿真分析了

星链系统的单个轨道层在传输时延、传输速率和覆盖性

方面的服务保障能力，为后续对其应用场景的分析研究

提供参考。

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CHENG C R, REN X H, XU S Q. Starlink and its operational analy‐

25%

20%

15%

10%

5%

0 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28

,

)

-

5

20>?;4/2

图 8　用户可见卫星数量分布概率

50 100 150 200 250 300 350 400

1.0

0.9

0.8

0.7

0.6

0.5

0.4

0.3

0.2

0.1

0

F(x)

A/B+2>?41;0/s

图 9　用户与卫星连接时间分布函数

·9·

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[作者简介]：

王静贤 （1989- ），女，博士，高级工程师，

主要研究方向为星地融合通信、无线移动

通信。

虞志刚 （1989-），男，博士，高级工程师，主要研究方向为天

地一体化信息网络、空间智能计算等。

祝超 （1990-），男，博士，助理研究员，主要研究方向为卫星

通信系统安全技术。

孙家正（1998-），男，硕士生，主要研究方向为太空安全。

雷璟 （1977-），女，研究员，硕士生导师，主要研究方向为太

空安全、网络空间安全、信息安全。

·10·

第 5 卷第 3 期

2024 年9 月

天 地 一 体 化 信 息 网 络

Space-Integrated-Ground Information Networks

Vol.5 No.3

September 2024

面向卫星通导遥算融合的关键技术分析

李 杰1

，肖千里1

，冯建元1,2

，张 程3

（1. 亚太卫星宽带通信（深圳）有限公司，广东 深圳 518101；

2. 鹏城实验室，广东 深圳 518052；

3. 中国空间技术研究院通信与导航卫星总体部，北京 100094）

摘 要：空天技术深入发展后，用户对空天系统的要求将是融合通信、遥感、导航卫星的天基信息服务系统，以向用户提供

高速数据传输、直达用户的实时遥感服务、精确到厘米以内的高精度定位导航、分布式协同计算资源等服务能力，从而应用

于丰富的服务场景。现有的通信、导航、遥感卫星存在软件协议和物理设施上的屏障，不能融合应用，远远不能满足天基信

息服务系统的建设要求，因此，有必要研究通信、导航、遥感、计算在卫星上的融合。融合关键点是硬件和软件资源的可调

度、可共享，以及高效能、高稳定性的载荷器件。基于此，深入分析面向卫星通导遥算融合的关键技术，并分析通导遥算融

合的典型应用服务方式，最后通过仿真实验可验证融合后的效能提升。

关键词：通导遥算融合；灵活载荷；天基信息服务系统；卫星网络；天基网络

中图分类号：TP393

文献标识码：A

doi：10.11959/j.issn.2096-8930.2024023

Analysis of Key Technologies for Satellites

Oriented to the Fusion of Communication, Navigation,

Remote Sensing and Computing

LI Jie1

, XIAO Qianli1

, FENG Jianyuan1,2

, ZHANG Cheng3

1. APT Mobile SatCom Limited, Shenzhen 518101, China

2. Peng Cheng Laboratory, Shenzhen 518052, China

3. China Academy of Space Technology, Beijing 100094, China

Abstract: After the in-depth development of space technology, the user's requirement for space system will be anintegrated space-based

information service system that integrates communication, remote sensing and navigation satellites in order to provide the user with ser‐

vice capabilities such as high-speed data transmission, real-time remote sensing services directly to the user, high-precision positioning

and navigation accurate within centimetres, and distributed collaborative computational resources, so as to be applied to a rich variety

of service scenarios. However, existing communication, navigation and remote sensing satellites have barriers in terms of software pro‐

tocols and physical facilities, which prevent them from integrating applications and are far from meeting the requirements for the con‐

struction of space-based information service systems. Therefore, it is necessary to study the fusion of communication, navigation, re‐

mote sensing and computation on satellites. The key points of fusion are schedulable and shareable hardware and software resources,

and high-efficiency high-stability payload devices. Based on thes, the paper introduced and analyzed the key technology oriented to the

fusion, and analyzed the typical application service mode of communication, navigation, remote sensing and computation fusion. Simu‐

收稿日期：2024-06-01；修回日期：2024-08-01

通信作者：冯建元，jyfeng@apsat.com

基金项目：深圳市科技计划资助（No. JSGG20220831100602005）；广东省重点研发计划（No. 2024B0101020002）；深圳市院士工作站资助项目

Foundation Items：The Shenzhen Science and Technology Program (No. JSGG20220831100602005), Guangdong Key R&D Projects Funds (No. 2024B0101020002), Shen‐

zhen Academician Workstation Funds

天地一体化信息网络 第 5 卷

lation experiments verified the performance enhancement after fusion.

Keywords: fusion of communication, navigation, remote sensing and computation, flexible payloads, space-based information service

systems, satellite networks, space-based networks

0　引言

随着天地一体化技术发展的不断深入，天基信息服

务系统的概念被提出来。所谓天基信息服务系统，即由

通信、遥感、导航卫星、空间站、飞船等组成的以空天

设施平台为基础的信息服务系统，可以为用户提供高速

数据传输、直达用户的实时遥感服务、精确到厘米以内

的高精度定位导航、分布式协同计算资源等服务能力，

广泛应用于通信、智能交通、智慧城市、能源采运、自

然资源、气象、国防等领域。天基信息服务系统对于国

防具有重要意义，不仅能实现海、陆、空、天一体化的

实时侦察和监视能力，基于天基信息数据和计算能力提

供战场指挥调度能力，在装载特殊载荷的情况下，还可

以实现空天打击能力。

现存的通信、导航、遥感卫星，多数还是分立的体

系，存在软件协议和物理设施上的屏障，不能融合应

用，而单纯的通信、导航、遥感服务，远远不能满足天

基信息服务系统的建设要求。举例来说，通信提供的是

信息通道，可以提供基础的公共服务，但自身没有观

测、导航这类专业用途的服务能力；单纯的遥感卫星

缺乏实时有效的数据传输链路，无法解决遥感数据的

实时回传和直达终端用户的能力；单纯的导航卫星受

限于钟差、轨道误差、传播时延等客观的系统性误差，

无法将定位误差进一步缩小。此外，当前应用用途的

卫星，普遍缺乏计算能力，除了自身专业业务，无法

提供额外的计算能力，无法形成可协同、可调度的天

基服务系统。

因此，有必要研究通信、导航、遥感、计算在卫星

上的融合，以打破当前多种系统软件协议和物理设施上

的屏障。要进行通导遥算融合，首先需要硬件和软件资

源的可调度、可共享，这对卫星载荷的要求是必须具备

灵活性；其次，多种融合的多业务载荷也会需要更多的

能耗，这对于卫星寿命、研制成本和热稳定性都会带来

挑战，因此必须研究高效能、高稳定性的载荷器件。这

些要求将是未来卫星研制生产的方向。

本文将介绍和分析上述面向通导遥算融合的卫星灵

活载荷关键技术，并分析通导遥算融合的典型应用服务

方式。同时，通过仿真分析，阐述融合后的效能提升。

1　国内外研究和发展现状

1.1　国外研究现状

近年来，国际上对通信、导航和遥感卫星系统集成

的研究逐渐深入。欧空局 （ESA） 早在2000年提出基于

导航卫星的对地观测应用计划，对于其未来将要部署的

Galileo导航系统的遥感应用做出设计，实现地球观测和

导航功能的部分融合[1]

。2018 年发布的一项研究提出了

一种集成传感和通信的低轨卫星系统，展示了这类融合

系统在提高数据获取效率和准确性方面的潜力[2]

。铱星

（Iridium） 公司同样进行了相应的研究，尝试在单一卫星

上集成多种功能，其Iridium-NEXT星座计划进一步搭载

通信载荷、导航载荷与地球观测传感载荷[3-4]

。该公司利

用其Iridium-NEXT星座的全球覆盖特性，基于托管载荷

的方式实现通导遥融合，在其主要的L频段和Ka频段通

信 载 荷 之 外 ， 通 过 其 合 资 企 业 Aireon LLC 在 所 有

Iridium-NEXT 星座卫星上部署 ADS-B 接收器，接收向商

用飞机发送的广播式自动相关监视信号，为飞机提供空

中导航服务和全球实时飞机监视能力，该卫星载荷如图1

所示。Iridium-NEXT星座上还通过约翰霍普金斯大学研

发的GEO Scan传感器套件，实现大规模密集的全球地球

科学观测。

其他大型低轨通信卫星星座项目，例如 Starlink 和

OneWeb等，同样实现了全球互联网覆盖，也提供了卫星

导航和遥感的集成应用的潜在可能性[5]

。特别是Starlink

的“星盾”计划，在满足与“星链”通信兼容的同时，

搭载遥感载荷实时对地观测，为美军提供实时的战场情

报支援，实时快速传输遥感数据，此外也托管各种军用

载荷，实现太空打击能力。这些项目都通过卫星载荷灵 <@A

?045<? $LUHRQ+/B/

Ka8,3+<?

Ka8,

L8,<?

AC9.4 m

图1 Iridium-NEXT卫星通导遥融合载荷

·12·

第 3 期 李杰等：面向卫星通导遥算融合的关键技术分析

活的模块化设计，逐步探索通信、导航、遥感、计算多

类载荷的融合。

1.2　国内研究现状

随着近年来卫星技术发展和天基服务需求的增加，

我国在通信、导航和遥感系统的集成研究上加强了关注

和投入。国内的研究主要集中在开发多功能和跨领域融

合星座的建设上，这些系统旨在通过优化设计和增加功

能种类，提升星座的服务性能和资源利用率[6]

。我国在

北斗导航卫星系统的基础上进一步集成了短报文通信技

术，融合了导航与通信功能，在应急救援、水利监测等

领域发挥了重要作用，例如水利监测通信应用系统 （如

图2所示）；武汉大学研制的“珞珈三号01星”融合了通

信和遥感功能，为遥感数据的实时回传提供了保障

手段。

理论研究方面，国内研究人员针对通导遥融合提出

了多种星座模拟和设计方法，例如基于反向设计的跨域

融合星座设计与优化方法。通过实验验证，相较于独立

和组合星座，该方法可减少30.60%的卫星数量，提高星

座覆盖率和服务性能，并降低18.31%的成本[6]

。我国还

致力于验证这些集成系统的有效性和可靠性，为未来大

规模部署奠定基础。

目前全球范围内并未有任何一个国家实现真正的通

导遥算一体化上星融合，各载荷的交互度、复用率较低，

各国均处于探索验证阶段。

2　融合关键技术

通导遥算功能融合的基础在于星上载荷具备融合性、

灵活性、高可靠性和高效能，实现的关键技术包括计算

资源、通导、通遥的融合技术，可靠高效半导体技术和

灵活载荷技术。

2.1　计算资源融合技术

高效整合通信、导航、遥感和计算载荷的功能，

关键在于实现在轨卫星/星座硬件资源的共用，包括可

软件定义的现场可编程门阵列 （FPGA） 和中央处理器

（CPU） 计算资源共用，以及高速大容量存储资源的共

用。这种资源共用不仅可以大幅度提高资源利用率，

还能显著提升系统的灵活性和可扩展性。例如，通过

可软件定义的 FPGA，卫星可以在轨对其硬件配置进行

重构，以适应不同任务的需求。FPGA 的高并行处理能

力和低功耗特性使其在复杂信号处理和实时数据处理

方面表现出各种场景和任务下的优异的处理效率。此

外，利用通用的 CPU 计算资源，卫星可以运行多种应

用程序和算法满足不同载荷对计算能力的需求，同时

通过星间任务分配和分时资源调度，实现星座资源的

更优利用和负载均衡[7]

。高速大容量存储资源的共用，

则可以挖掘星上设备资源潜力，确保大量数据的存储

和快速访问，以更低的卫星制造成本支持实时数据处

理和传输。

在卫星任务执行过程中，通信、导航、遥感和计算

等功能需要协同工作，这要求各个载荷能够高效地交互

和共享资源。通过在轨硬件资源的共用，卫星系统可以

灵活地分配计算资源和存储资源，从而在执行多任务的

情况下保持高效运行。例如，在一个集成卫星系统中，

导航系统可以利用遥感数据进行地形匹配，提高定位精

度，而这些遥感数据可以通过共享的高速存储资源快速

访问和处理。类似地，通信系统可以根据需要动态调整

(,>?

>?>?+),?/

>?>?+),?/

=241

;>2 A,0C

A,=?=5

(,>?+6C

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(,,(>A/0

图2　北斗导航卫星的水利监测通信应用

·13·

天地一体化信息网络 第 5 卷

波束覆盖、带宽和功率配置，以支持不同载荷的数据传

输需求。

相对于高速大容量存储资源的共用，星上 FPGA 和

CPU的协同架构设计问题是实现计算资源融合的关键问

题和技术难点。考虑到CPU擅长顺序逻辑和多任务操作，

而FPGA在并行计算和特定任务处理方面具有优势的区别

特性，可行的技术路线可以从以下几方面实现。

一是任务划分与分流，对于计算密集型和通信密集

型任务，将这些任务分流到FPGA上执行。如矩阵运算、

图像处理、机器学习等计算密集型业务，利用其大量的

并行处理单元，以更快的速度完成。对于数据通信和加

密业务，发挥其低时延、高吞吐量的优势，直接处理网

络数据包或加密数据，减少CPU在数据搬移和调度上的

开销。

二是软硬件协同设计。可以采用前端CPU负责流程

控制、数据接收和部分处理，后端FPGA负责关键层的并

行加速处理的方式。前端灵活的流程控制配合后端高效

的并行结构，可以大幅提高计算的能效比，这在神经网

络计算和建设天基算力网方面有重要意义。同时，可考

虑 使 用 高 速 的 PCIe 接 口 优 化 CPU 与 FPGA 之 间 的 交

互[8-9]

，降低数据传输的时延和带宽限制，提高整体系统

的性能。

三是动态资源分配。根据系统当前的负载情况，动

态调整 CPU 和 FPGA 之间的任务分配，分流业务压力到

相对空闲的模块，使用基于优先级的调度算法，确保高

优先级任务得到及时处理。进一步可利用机器学习和预

测模型，预估任务的到达时间和计算需求，提前进行资

源调度和预分配，以减少调度时延和资源冲突。

2.2　全耗尽绝缘体上硅芯片技术

资源调度融合和星上算力需要更多的功耗，这对于

降低卫星制造成本形成挑战，同时，过高的功耗也会造

成散热需求增大、星上器件不稳定的问题，因此，找到

低功耗、高稳定的星上器件是支撑星上融合和算力的关

键要素之一。全耗尽绝缘体上硅 （Fully Depleted Silicon

on Insulator，FD-SOI） 技术是近年来在半导体领域迅速

发展的先进技术，因其在功耗、性能和抗辐射方面的优

越特性，成为卫星应用中的一项重要技术选择。FD-SOI

技术在埋层氧化物的超薄绝缘体上构建晶体管，通过该

绝缘结构实现了基底与晶体管之间更好的电气隔离，这

使其天然具有较好的抗辐射能力，特别是在抗单粒子翻

转 （Single-Event Upsets，SEU） 方面表现优越，为高性

能芯片带来额外的可靠性，并节省面积。与传统的体硅

互补金属氧化物半导体 （Bulk CMOS） 技术相比，FDSOI 具有出色的 SEU 弹性[10]

。在相近芯片制程下，FDSOI 晶体管对漏极区域重离子撞击的弹性比 Bulk 提升了

7.7倍[11]

。因此这一特性能确保芯片在恶劣的太空环境中

稳定可靠地运行。Bulk CMOS 与 FD-SOI 的结构对比如

图3所示。

在传统的Bulk CMOS 技术中，漏电流会严重消耗功

率，尤其是在器件处于待机模式时。FD-SOI 技术通过绝

缘体薄膜实现电荷载流子的完全耗尽，对通道提供更好

的静电控制来缓解这种情况，从而降低了亚阈值漏电流，

实现了更低的功耗[12]

。这对于能源效率至关重要的空间

应用尤其有益。例如，在一项关于 28 nm FD-SOI 环形振

荡器低温特性的研究中，结果表明，即使在降低电源电

压的情况下，FD-SOI器件也可以实现非常低的静态功耗，

每级低至7 nA[13]

。

实现全耗尽绝缘体上硅芯片技术的关键问题是高精

度制程和热管理。FD-SOI技术相比传统的Bulk CMOS工

艺更复杂，因此要求在制造过程中具备更高的精度和控

制能力，芯片的制程要求达到 65 nm、28 nm，甚至 14

nm。目前我国航天级芯片制程只达到28 nm且良品率不

高。此外，FD-SOI的设计还需要考虑到体效应、亚阈值

摆幅等复杂的物理效应。

B0

B0

50

50

C0 C0

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)(5)@/>

e- e-

fflafflBulk CMOS0; fflbfflFD-SOI0;

图3 Bulk CMOS与FD-SOI的结构对比

·14·

第 3 期 李杰等：面向卫星通导遥算融合的关键技术分析

空间中卫星散热条件有限，要求对热的精细管理，

以防止芯片过热对系统性能和可靠性的影响。一个可行

的思路是采用机械泵送液体回路 （Mechanically Pumped

Fluid Loops，MPFL） 为芯片进行主动液冷。机械泵通过

连接到热交换器和散热器的管道循环推动液体，机械芯

片热源安装在热交换器上，机械泵送的流体将热量从热

源输送到散热器，通过热辐射耗散能量，然后冷却后的

流体返回热源以继续提供冷却。这是一种先进的主动热

控技术，能够对FD-SOI芯片这类高能量密度组件进行高

功率热排出和区域温度控制[14]

。机械泵送液体回路与可

展开热辐射器如图4所示。

2.3　通信遥感一体化技术

卫星利用电磁波进行通信的同时，电磁波也具有

雷达遥感功能，从而在通信的同时也完成了遥感工作。

通信和遥感技术的集成包括双功能雷达通信 （DualFunctional Radar-Communication，DFRC） 天线技术和遥

感数据实时回传技术。双功能雷达通信天线技术允许

通信和遥感在频谱和硬件上的共享，从而更有效地利

用频谱资源并提高通信和遥感能力[15]

，通过使用相同

的电磁频谱和波形提高了频谱利用率。通过联合信号

处理技术，系统从目标反射回波提取目标的距离、速

度和其他特性用于雷达目的，接收机从发射信号中解

调通信载波用于通信目的。此外，利用自适应波束成

形技术，信号能量可被引导至特定方向，从而增强雷

达的检测能力以及通信链路的可靠性和范围。卫星双

功能雷达通信结构如图 5 所示，雷达波束和通信波束也

可为同一波束。

遥感数据实时回传技术允许遥感载荷提取的数据通

过卫星对地通信链路、卫星星间通信链路回传至数据中

心，保障遥感数据的实时性。同时利用星座传输和空间

传输的鲁棒性和抗监听特性，保障数据安全。

卫星双功能雷达通信天线技术的关键在于信号波形

设计。通信和探测融合要求雷达与通信的高效合作，这

要求两个系统必须交换信道状态、调制格式等信息[16]

且

两个系统互不干扰。目前的方案是通过单一波形解决共

存系统的干扰问题，实现雷达和通信两种功能。因此需

要设计一种波形，在保证雷达性能的同时提供高质量的

通信信号。该问题的解决方向在于：在雷达服务和通信

服务的约束条件下，如何提出可以同时进行探测和数据

传输的波形。例如，有学者提出使用 Cramér-Rao 界限

（Cramér-Rao Bound，CRB） 作为探测的约束条件，使用

通信容量、用户QoS作为通信的约束条件，以实现最小

的探测CRB和最大的通信容量、最好的用户QoS，具有

潜力的波形有OFDM和RSMA等，更适配的波形有待产

业进一步研究设计[17-18]

。

2.4　通信导航融合增强技术

导航增强技术主要在于差分技术，差分技术的实质

是通过两个或多个观测站同时接收处理导航卫星信号，

将各个站点的观测量集中到一起进行处理，从而消除各

站点观测到的公共的、慢变化的误差项，提高全球导航

图4　机械泵送液体回路与可展开热辐射器

6(

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ffi 1图5　卫星双功能雷达通信结构

·15·

天地一体化信息网络 第 5 卷

卫星系统 （Global Navigation Satellite System，GNSS） 的

精度。典型的误差主要有卫星轨道误差、钟差、电离层

时延等空间传输误差。

对于地球静止轨道卫星，卫星导航增强方式为通过

大量分布广泛并且坐标位置已知的差分观测站对导航卫

星进行监测，获取原始定位数据 （包括伪距、相位等）

并发送给主控站进行处理；主控站计算出各颗卫星的定

位修正信息，并把这些定位修正信息发送给地球静止轨

道 （Geostationary Earth Orbit，GEO） 卫星；GEO卫星再

将这些修正完成的信息发送给用户接收机；接收机通过

差分解算消除区域导航误差，从而达到提高定位精度的

目的。更多的差分引入，能够提供更高精度的定位服务

并增强信号强度和质量。例如北美地区于2003年启用的

GPS 广 域 增 强 系 统 （Wide Area Augmentation System，

WAAS） 包含 25 个地面监视站、2 个地面主控站、3 颗

GEO卫星和连接地面站的光纤通信网络。WAAS监视站

全天候监视GPS星座、GPS信号以及GPS信号传输环境

（如电离层和对流层） 的变化。WAAS主控站接收处理各

监视站的信息，实时生成GPS位置增强数据和完好性增

强数据，通过太平洋上空、大西洋上空和美国内陆中部

的3颗GEO卫星，向北美地区的所有用户广播GPS广域

增强数据。该系统实现了北美地区的 GPS 精度从 10 m

（95%） 到水平3 m （95%）、垂直3.5 m （95%） 的大幅度

提升。

低轨卫星催生了一种新的可选技术路径，即在低轨

卫星上搭载GNSS的信号增强载荷，由多颗低轨卫星接收

GNSS信号，通过低轨星间通信链路完成星座内通信、星

座完成差分计算和误差消除后再向地面用户广播强度更

强、精度更高的导航增强信号[19]

。例如美国Xona Space

System公司的PULSAR项目，其设计和试验下一代小型

低轨卫星的精确导航增强服务，将提供比标准 GNSS 高

10倍的精度和高100倍的抗干扰能力[20]

。通过这种技术，

卫星可以与现有的GNSS系统结合，提供更精确的导航服

务，尤其是具备了更强的抗干扰能力。

通信导航融合增强技术的难点在于构建高质量、稳

定的星间通信链路。低轨卫星导航增强系统通常需要通

过星间通信链路进行数据传输和差分计算。这些链路的

时延和带宽限制对差分计算的实时性和准确性产生重要

影响[21]

。低轨卫星系统的卫星轨道变化较快，空间环境

复杂，使用激光载荷构建星间链路时因其激光束较窄，

光学星间链路的捕获、跟踪和指向成为难题。为保证星

间通信链路的质量，一方面可采用高指向精度，大带宽

的星间激光通信载荷，同时设计姿态和轨道保持精度更

高的卫星，确保链路的持续稳定可用；另一方面可采用

微波通信载荷 （例如 Ka 频段窄波束天线） 构建星间链

路，以降低成本和难度。

2.5　灵活载荷技术

为保证卫星服务能力能尽可能匹配动态变化的用户

需求，需要部署具备灵活性的星上载荷以充分调度资源，

具体技术体现在数字透明处理器（Digital Transparent Pro‐

cessor，DTP）、高速数/模转换 （Digital/Analog Conver‐

sion， DAC）、 高 速 模/数 转 换 （Analog /Digital Conver‐

sion，ADC）、数字变频、数字波束成形和小型化功率放

大器功率池技术。

数字透明处理器通过对信号的信道化，实现以子信

道为单位的数字自由交换，完成信号的广播、组播、路

由、变频、功率调节和阻塞功能，以子信道为资源灵活

调度的最小颗粒度。随着DTP技术的发展，处理能力不

断提升，DTP 兼容 C、Ku、Ka、Q/V 多频段信号，可达

960 Gbit/s以上的吞吐能力，传统电缆传输速度已无法满

足DTP数据交换要求。因此DTP单机内嵌入高速串行链

路的光设备，使用光通信承担DTP内部的数据传输，实

现20 Gbit/s级别的传输速率[22]

。

为支撑DTP高速大容量数字处理能力，需要在DTP

的输入输出侧分别配置高速 ADC 和 DAC 芯片，以满足

Gsps （吉符号/每秒） 级别的采样率和GHz级别的输入输

出带宽。同时需在ADC和DAC芯片中分别设计数字下变

频和数字上变频功能，兼容 L/Ka 或 C/Ka 频段的变频能

力。例如美国 Teledyne 公司的芯片即开发了该设计[23]

，

以满足未来卫星灵活载荷需求。这相比传统星载变频器

大幅度缩减了重量和功耗规模。

现存的卫星馈源指向调整技术或天线指向调整技术已

无法满足未来卫星波束灵活调整的需求。为实现卫星波束

指向大规模的高度灵活性，可行性的办法是采用数字波束

成形技术，即通过有源相控阵扫描实现每个波束的独立自

由指向，通过“馈源阵结合反射面”的体制来降低阵元规

模，通过数字波束成形器独立计算每个波束/子波束的权

值，形成全阵元参与全波束形成的全灵活体制。

未来星上载荷高效能和功率灵活性对功放小型化技

术提出要求。卫星信号放大主要依赖星载功率放大器。

为在卫星有限的空间包络下实现紧密的阵元排布同时降

低高频段功率放大器至馈源的衰减，功率放大器与馈源

应尽可能使用短波导连接且紧密排布，因此要求功率放

大器在保持原有效率水准的前提下尽可能缩减体积，构

·16·

第 3 期 李杰等：面向卫星通导遥算融合的关键技术分析

建小型化的功率放大器。功率放大器小型化技术又有利

于实现“相应功率放大器为对应馈源提供功率”，因为全

部馈源共同形成波束，所以结果是全部馈源贡献于全波

束成形，所有功率放大器汇聚成“功率池”，可以方便地

根据波束成形的权值灵活调配功率。

同时融合载荷的空间集约控制对星上供电方式也提

出了改变的要求。以往功率放大器需要电源控制器

（Electronic Power Controller，EPC） 从卫星母线获取供电

并完成供电控制工作，为适应空间集约要求，新的供电

方式是从单一放大器使用单个EPC转变为多个放大器共

用EPC供电，例如单个EPC为4～8个放大器供电。这大

大提升卫星空间利用效率和卫星性价比。

3　灵活载荷基础上通导遥算融合的应用模式

通信与导航、遥感、计算的融合提供了设施基础，

通导遥算的融合则带来应用和服务效率、数据业务便捷

度的大幅提升，对以往单纯的通信、遥感、导航服务水

平都是革命性的提升。

通导融合方面，利用低轨卫星轨道较低的特性，其

信号的空间损耗将大幅降低，地面获得的信号强度一般

较强。以Iridium为例，其地面接收机接收的信号强度比

GPS 强约30 dB；同时，低轨卫星运动速度更快，在一定

的时间窗口内几何位置变化较大，在载波相位定位时更

有利于对整周模糊度进行解算；低轨卫星相对于地面接

收机的速度同样更快，具有更好的多普勒观测性[24-25]

。

因此，将 LEO 卫星用于导航增强可以拓宽服务范围与

场景，使其在弱信号和强干扰环境提供服务成为可能，

并提供更高的定位精度。进一步的，基于融合卫星通信

灵活载荷的架构，通过星载计算平台分析导航增强需

求、控制通信载荷的有源相控阵天线进行波束扫描凝

视，可明显提高重点目标服务区的导航增强服务时间和

质量。

通遥融合方面，可以使用通信载荷高达Gbit/s量级的

高速通信链路实现高速遥感数据回传，替代传统的百

Mbit/s级别数据传输链路，大幅提高遥感回传速率、为大

数据量的遥感短时回传提供可行性。例如超高帧率遥感

相机载荷产生的数据量通常为Gbit量级，通过星载计算

平台搭载压缩算法完成数据压缩，再经由通信载荷的

Gbit/s 量级高速通信链路回传，可以将回传时间缩短到

1

10 以下。叠加利用星间通信链路及对地通信链路完成实

时回传，从而改变以往遥感卫星只能过顶数据传输站才

能回传的非实时传输问题；此外星地链路和星间链路也

大幅提升遥感回传链路的冗余度和可靠性。在功能方面，

基于通信融合遥感，还可利用通信灵活载荷的数字交换

和波束灵活调度功能，构建从遥感载荷直达用户端的服

务链路，更加高效地调度遥感数据至终端用户；此外，

利用通信灵活载荷的有源相控阵天线，在双功能雷达通

信的波形设计下 （例如 OFDM） 共用频谱资源，可同一

段频谱同时实现卫星通信和雷达扫描遥感功能，成倍提

高频谱利用效率。

在通导遥与计算融合方面，星载计算和存储平台为

各载荷提供在轨可重构的软件定义计算资源和大容量通

用存储空间，通信载荷为在轨重构的软件上注提供高速

通道。卫星操作者可提前规划任务安排，通过地面站上

注计算与控制指令和程序，调配计算资源以满足各种计

算任务。

通导遥算融合的灵活载荷框架设计如图6所示。

4　仿真实验分析

下面针对上述融合技术实现的载荷灵活性所带来的

卫星资源利用效率提升进行仿真验证。

对于传统的透明转发多波束卫星，在航空航海等业

务需求随时空分布变化等场景下，波束资源利用存在忙

闲不均问题，导致系统实际可用带宽远小于系统可用带

宽，实践中系统资源利用率通常在70%左右。

为了避免上述问题，可以将星上总功率和总带宽作

为整体，然后根据各波束中每个载波发出的需求指令进

行分配，功率和带宽使用完毕后再进行回收。每个载波

所分配的功率和带宽资源受每个多端口放大器的功率、

带宽以及星上总资源的约束。这一策略用高的复杂度换

来分配的灵活性以及对需求变化的适应性。

仿真的方法是，首先多路信号输入DTP，在DTP内

部完成子带交换以实现灵活的带宽分配和频率规划，然

后从DTP的输出进入微波光子变频器完成上变频，再通

过多端口放大器进入馈源形成覆盖波束。对于每个波束，

通过多个载波服务该波束覆盖范围内的不同终端。

以星上通过同一个多端口放大器 （Multi-Port Am‐

plifier，MPA） 的波束为一个波束组，根据组内波束

的信道条件和载波的容量需求，在满足 MPA 总功率和

带宽约束的前提下对分配给每个载波的功率和带宽进

行调整。假设前向上行接收载干噪比相同 （通过调整

信关站发射功率或者带宽进行保证），前向下行联合

优化卫星功率和带宽资源分配的问题可以建模为：在

·17·

天地一体化信息网络 第 5 卷

保证每个 MPA 输出总功率和输出总带宽的约束下，优

化分配给各波束内每个载波的发射功率和带宽，以最

小化各载波内所有终端的容量需求与实际所达到容

量的均方误差。

仿真结果表明，载荷的灵活性提升了系统实际带宽，

卫星资源利用率在90%以上。仿真结果如图7所示，传统

卫星载荷实现的容量匹配度为 71%，灵活卫星载荷实现

的容量匹配度达到了96%。

5　结束语

更高的通信速率、更精确的定位、实时的遥感数据

以及更匹配业务需求的智能分析与服务供给是未来天基

服务网的建设要求和发展方向，依靠现有单纯的通信、

导航、遥感服务不足以实现这些目标，可行的路径是通

过通信、导航、遥感、计算融合来实现。通导遥算的融

合，在卫星基础设施方面的核心关键技术是计算资源、

通导、通遥的融合技术，可靠高效的半导体技术和灵活

的载荷技术。基于这些技术，通导、通遥、通导遥和计

算的融合可以在服务和应用上带来效率的极大提升，相

应的实验结果印证了这个结论。

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,:6

1;0

,*8

,3B

?B0<B**8< ,??045

A-B/

GNSS1;<?

LNA

ADC ;D

=6*3

;D

);)? DAC

LNAC

,*8C

3BC <?,:6

3+;, A/;,

图6　通导遥算融合的灵活载荷框架设计

600

500

400

300

200

100

0

1-1 1-2 1-3 2-1 2-2 3-1 3-2 4-1 4-2

B

)

9

4/(Mbit·s−1

) 600

500

400

300

200

100

0

B

)

9

4/(Mbit·s−1

)

);/−B)(/

1-1 1-2 1-3 2-1 2-2 3-1 3-2 4-1 4-2

);/−B)(/

fflaffl*=>?B/9487,

fflbffl 40>?B/9487,

94?9

;:-A

94?9

EA)5

图7　卫星载荷资源匹配度仿真结果

·18·

第 3 期 李杰等：面向卫星通导遥算融合的关键技术分析

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·19·

天地一体化信息网络 第 5 卷

[作者简介]：

李杰 （1972—），男，本科，工程师，亚太卫

星宽带通信（深圳）有限公司总裁，深圳市高

层次人才，主要研究方向为卫星通信。

肖千里 （1997—），男，本科，亚太卫星宽带

通信 （深圳） 有限公司卫星应用研发部工程

师，主要研究方向为卫星通信、天线射频。

冯建元 （1989—），男，博士，高级工程师，

亚太卫星宽带通信（深圳）有限公司卫星应用

研发部总经理，中国通信学会公共安全通信委

员会委员，广东省天基信息系统工程技术研究

中心主任，主要研究方向为卫星通信、无线

组网。

张程 （1990—），女，博士，中国空间技术研

究院高级工程师，入选第八届中国科协青年人

才托举工程，主要研究方向为卫星通信系统

设计。

·20·

第 5 卷第 3 期

2024 年9 月

天 地 一 体 化 信 息 网 络

Space-Integrated-Ground Information Networks

Vol.5 No.3

September 2024

大型低轨通信星座的地面分布式核心网架构设计

尹曙明，郝利云，郭浩然，薛成宬

（北京空间信息传输中心，北京 102300）

摘 要：卫星通信系统当前主要采用集中方式部署核心网，存在单点故障风险，系统可靠性和扩展性不足、整体性能受限。

大型低轨通信星座系统，服务的用户数量和业务量大幅增加，对系统可靠性和整体性能提出了更高要求。对此，基于低轨星

座“天基基站+地面核心网”的典型布局，提出一种多节点分布的地面核心网架构。重点针对低轨星座多节点核心网落地选择

问题和用户管理问题提出解决思路，并设计用户漫游和主备切换的基本流程。该分布式核心网具备业务分担和备份接替的能

力，缓解了单节点核心网的承载压力，提高了系统可靠性和整体性能。

关键词：卫星通信系统；低轨星座；分布式核心网

中图分类号：

文献标识码：

doi：10.11959/j.issn.2096-8930.2024028

Design of Ground Distributed Core Network Architecture for

Large Low Earth Orbit Communication Constellation

YIN Shuming, HAO Liyun, GUO Haoran, XUE Chengcheng

Beijing Space Information Transmission Centery, Beijing 102300, China

Abstract: Currently, satellite communication systems mainly deploy core networks in a centralized manner, which poses risks of single

point failure and limits system reliability, scalability, and overall performance. The large-scale low-orbit constellation communication

system has seen a significant increase in the number of users and business volume, which puts higher demands on system reliability and

overall performance. In response, a multi-node distributed ground core network architecture based on the typical layout of low-orbit

constellation \"space-based base station + ground core network\" was proposed. The solutions to the problems of landing selection and

user management in multi-node core networks for low-orbit constellations were proposed, and basic processes for user roaming and ac‐

tive/standby switching were designed. The distributed core network had the ability to share services and backup, which alleviated the

load pressure of single-node core networks and improved system reliability and overall performance.

Keywords: satellite communication system, low orbit constellations, distributed core network

0　引言

以卫星通信系统为重要组成部分的天地一体化信息

网络，是支撑我国经济发展和信息化建设的重要组成部

分，是我国“新基建”的重点发展方向[1]

。低轨 （LEO）

通信卫星星座以其广覆盖、低时延、大容量、低成本等

优势，正日益成为卫星通信系统主流发展方向[2]

。近年

来，国内外低轨通信星座发展迅速。星链 （Starlink）、

OneWeb系统等已组网运行，正加速扩展在轨卫星规模；

铱星系统已完成二代系统更新；Telesat系统、Kuiper系统

即将发射部署[3]

。国内低轨星座虽起步较晚，但呈加速

追赶态势，国家卫星互联网系统、灵犀星座、千帆星座、

智慧天网等数个低轨星座项目同步推进。

与高轨通信卫星相比，低轨卫星具有时空动态性。

为满足通信用户移动性管理需求，一般采用天基基站+地

面核心网的技术架构。通过在地面集中部署核心网 （特

别是控制面网元），实现对全网用户的统一控制管理。星

座规模分类及典型代表如图1所示。

收稿日期：2024-04-11；修回日期：2024-08-20

天地一体化信息网络 第 5 卷

随着全球无线网络覆盖和通信容量需求的不断增长，

卫星通信系统正向大型甚至巨型星座发展。星座规模的

急剧扩张，不仅提升了系统容量，也增加了系统复杂

度。集中部署的核心网严重依赖地面网络承载能力，

同时系统健壮性不足，难以满足可靠通信需求。对此

提出了一种分布式的地面核心网架构，通过合理分布

核心网网元，实现多地业务负载分担和备份接替，提

升了系统整体健壮性，降低了地面承载网容量负担和

传输时延。

1　低轨星座典型架构

1.1　系统架构

与高轨卫星通信系统相同，典型的低轨星座系统包

含空间段、用户段和地面段3个部分。由于低轨星座系统

由多颗卫星构成，一般情况下需在地面配套部署多个信

关站，完成不同轨位卫星的落地接入。各信关站间通过

地 面 网 络 互 联，形 成 天 地 双 网 的 基 本 架 构，如 图 2

所示[4]

。

空间段由低轨卫星和星间链路组成，形成传输主干

网络。卫星作为空间网络的接入节点，起到天基移动基

站的功能，卫星间可建立微波或者激光星间链路，实现

数据中继转发[5]

。大型和巨型星座由于卫星规模庞大，

一般采用多轨道高度、多倾角的子星座构成多层混合

星座[6]

。

地面段主要有信关站、核心网、运维管控中心以及

地面承载网等基础设施。信关站用于收发卫星信号，实

现天基网络和地面网络连接的网关功能[2]

。天基数据经

信关站落地，完成星地协议转换后，通过地面承载网汇

入核心网，完成通信会话建立和信息交换。运维管控中

心对卫星、信关站等进行统一管理。

用户段包括各类用户终端及业务系统等，既可以作

为通信节点，也可作为接入节点构建局域网络。根据通

信场景的具体需求，用户数据可经卫星转发到另一端的

用户，也可以经过单跳或者多跳星间转发到信关站，再

通过地面网络完成传输。

1.2　核心网功能结构

低轨通信星座系统在与地面网络竞争发展的同时，

也不断借鉴地面网络发展的先进技术。低轨卫星与通信

用户空间位置的相对动态性，促使低轨通信星座系统一

般采用移动通信技术架构，以解决相对移动性管理问题。

当前，“5G+卫星通信”，甚至“6G+卫星通信”已经成为

低轨通信星座发展的主流趋势[7]

。

移动通信系统主要由接入网 （AN）、核心网 （CN）

等功能单元组成。接入网负责为通信用户构建无线接入

链路，包含无线资源控制、无线链路控制、媒质接入控

制等[8]

。接入网功能可部分或全部部署于星上，形成天

基基站。核心网负责通信业务的接入控制、移动性管理

和会话管理[9]

，包含接入和移动性管理、会话管理、策

略控制等功能单元。5G核心网架构如图3所示。

核心网是整个卫星通信系统的控制核心，整个系统

的业务处理要在核心网的控制下完成。核心网的主要功

能之一是移动性管理，即实时记录用户的时空位置，以

便于准确高效地向用户所在区域发起寻呼。为便于查询

用户实时位置，移动性管理功能一般需要部署于网络拓

扑关系稳定的地面，而低轨卫星时空位置具有高动态

???E

Iridium

D??E

OneWeb

Telesat

*??E

Kuiper

2??E

Starlink

10 0002

1 0002

1002

图1　星座规模分类及典型代表

AMF SMF PCF AF

NSSF AUSF UDM

UPF DN

2D86

A>86 AN N3 N6

N5

N7

N14 N4 N15

N2

N11

S-UPF SN19 S-UPF

5GC

N22 N12 N8

N10

图3 5G核心网架构

20,

A/,

+6, ?.C

+6)B=

/?= B>.2D?

图2　低轨星座典型架构

·22·

第 3 期 尹曙明等：大型低轨通信星座的地面分布式核心网架构设计

性，因此移动性管理功能及核心网网元一般部署于

地面。

1.3　核心网集中部署的弊端

核心网集中部署实现简单，便于集中管理维护，建

设和运营成本低，是当前高轨卫星移动通信系统及中小

规模低轨通信星座系统的主流技术方案。核心网集中部

署方式，需要全系统数据全部汇聚至一处进行集中处理，

将带来以下问题。

（1）单点故障风险

集中部署的核心网将所有重要的网络功能和数据集

中在一个位置，将导致安全风险增加。如果发生异常故

障，比如自然灾害、电力中断或网络攻击，整个系统将

受到影响。

（2）高时延和带宽瓶颈

集中部署的核心网需要将大量的数据流量通过有限

的网络带宽传输到中心位置，将导致数据传输时延增加，

特别是在用户全球分布的情况下，该问题将更加严重。

同时，中心位置的网络带宽将成为瓶颈，限制系统整体

性能和响应速度。

（3）难以满足区域化需求

不同地区或业务领域可能有不同的网络需求和服务

器要求。集中部署的核心网可能难以灵活适应区域化需

求，导致服务质量下降或者无法满足用户需求。

2　分布式核心网技术现状和存在的问题

分布式核心网概念源自地面移动通信系统，专业名

称叫作分布式业务网络，是中国移动针对电信业务和移

动互联网业务提出的新一代可运营、可管理的分布式核

心网体系和功能架构。采用 P2P 和分布式计算技术，通

过一组均质化的节点来实现用户数据管理和会话控制，

并结合电信网络可运营、可管理的框架，实现业务核心

网的功能。

在地面5G移动通信系统中，基于服务化架构，采用

云化部署，已经基本实现分布式灵活部署。从2G到5G，

核心网经历了从封闭耦合到全面云化、网元功能虚拟化

（NFV） 及微服务架构的转变。这一过程极大地提升了核

心网的灵活性、可扩展性和可靠性。在5G及未来的5GAdvanced （5G-A） 时代，核心网持续演进，聚焦于“分

布化”和“去中心化”，以适应更复杂的业务场景和更高

的性能要求。

分布式核心网建立在核心网基础之上，其实质是一

张叠加网络。分布式核心网络结构与传统网络结构的主

要区别就是，传统网络结构由集中式服务器来完成用户

的信令处理，而分布式核心网络结构则通过分布于网络

中的各个控制节点来完成信令处理。因此，节点在为分

布式网络系统提供服务时是主服务器，也是备用服务器。

当部分节点遭到攻击，或者部分网络被破坏时，其他的

节点仍然可以正常工作，使其具有高容错、抗攻击的特

性。除此以外，由于数据资源是分布在众多节点之中的，

这就使整个网络系统的负载更为均衡，能够有效解决传

统的集中式服务器所带来的结构复杂、成本增加的问题。

分布式核心网基于虚拟化技术构建，可根据不同的用户

需求，对资源状况进行动态调配，从而具备更高的灵

活性。

随着网络规模的扩大和业务场景的复杂化，分布式

核心网面临诸多技术挑战。例如跨地域有效管理、跨网

络资源调度、高并发下的高可靠性等问题。特别是在5GA时代，无线侧的“万兆下行、千兆上行”将给核心网侧

带来巨大的转发压力，需要核心网进行更智能化的升级

和优化。

虽然分布式核心网在地面移动通信系统中较为成熟，

但在低轨星座中的应用仍处于探索阶段。不同于星链卫

星主要采用透明转发模式，我国的低轨星座主要采用天

基基站+地面核心网的总体布局，接入网功能主要部署于

卫星。低轨卫星的高动态特性导致基站与核心网的拓扑

关系实时变化。当核心网分布式部署后，将在地面产生多

个核心网节点，导致基站与核心网的拓扑复杂度随着核心

网节点数量的增多而呈指数级增长。基站部署于卫星，导

致用户与基站的连接关系高动态变化，用户的移动性管理

相对复杂，多个核心网节点将进一步加大移动性管理的技

术难度。这对地面核心网的设计带来了巨大挑战。

3　分布式核心网架构设计

相对于中小型星座系统，大型低轨星座的系统容量

和带宽将呈指数级增长，所服务的用户类型和用户需求

将更加多样，系统的整体可靠性要求也必然更加强烈，

因此必须建设分布式核心网以满足可靠性、灵活性等

需求。

3.1　设计原则

设计分布式核心网的最终目的是解决单点故障风险，

提升面向全球用户的服务保障能力，因此，必须遵守以

下原则。

（1）异地备份原则

为应对自然灾害等导致的单点故障风险，必须异地

·23·

天地一体化信息网络 第 5 卷

多点位部署核心网。各节点核心网具备完整的核心网功

能，能够不依托其他点位核心网独立运行。当某个甚至

多个节点核心网发生故障后，能够应急接替，使得面向

用户的通信服务基本不中断。

（2）负载分担原则

各节点核心网能够按照一定策略分担全网业务量，

以解决单点位部署存在的带宽瓶颈。用户与节点核心网

不存在强绑定关系，可根据通信需求，灵活接入任意节

点核心网。

（3）面向用户部署原则

节点核心网根据用户分布灵活部署，以降低信号传

输时延，满足用户时延敏感型通信需求。节点核心网设

计遵守统一的基本标准，但具体建设具有适当的灵活性，

以满足各区域用户群差异化的通信需求。

3.2　基本架构

分布式核心网以标准核心网为基础，根据地理位置、

用户密度、业务需求及网络拓扑等因素，合理规划地面

节点核心网的位置。通过去中心化处理，将处理和存储

能力分散到多个空间节点，并通过地面承载网互联互通。

节点分散部署于不同地理区域，以减少自然灾害、人为

破坏等单一事件对整个系统的影响。

分布式核心网的设计基本按照“集中运维管理、统

一业务控制、分散业务交换”的思路设计。集中运维管

理是指在一地建设运维管理系统，具备对核心网全局

进行运维管理的能力，确保分布式核心网按照统一的

策略运行，同样能够降低运维管理难度。统一业务控

制是指在控制面统筹管理用户，确保用户可随遇接入任

意核心网节点。分散业务交换是指在用户面灵活分散布

局，用户业务数据可以就近落地、就近转发，降低数据

处理传输时延。分布式核心网基本架构如图4所示。

分布式核心网部署主要需要解决的是落地选择问题

和用户注册管理问题。

（1）落地选择问题

落地选择问题是为用户的通信业务处理选择和分配

合适的节点核心网。由于各节点核心网均具备对任意用

户的通信处理能力，天基基站具备与任意节点核心网互

联的能力，因此必须根据预设策略选择唯一的节点核心

网进行业务处理。落地选择问题主要通过星地承载网解

决。通过为各节点核心网进行统一的地址规划，星地承

载网根据各节点核心网唯一的地址标识，就可按照预设

策略建立天基基站与合适节点核心网的数据传输链接，

为各个用户选择合适的落地处理节点核心网。

落地选择问题按照“以接入位置为基础+智能流量调

度”的策略选择落地节点核心网。“以接入位置为基础”

是指根据用户分布，将低轨卫星的服务覆盖区划分为多

个片区，并对应建设节点核心网。星地承载网建立卫星

位置的时空态势。当用户接入对应片区的星载基站后，

星地承载网根据接入卫星的时空坐标，分别对应用户的

接入片区，并将该基站处理的数据转发至对应节点核心

网。“智能流量调度”是指通过智能的流量调度算法，实

现各节点间的负载均衡，确保业务流量均匀分布，避免

单一节点过载。

虽然在低轨星座系统中天基基站与节点核心网无法

固定绑定，但通过基于接入位置的落地选择策略，基本

实现了节点核心网按地域分担服务的目标。

（2）用户注册管理问题

用户注册管理问题是分布式核心网必须解决的另一

问题，目的是使各节点核心网均衡承担用户通信业务，

具备随遇接入能力。对此主要采用“一地注册、分组

管理、多地备份”的解决思路。具体方法是建立跨节

点的统一用户数据库，根据用户的地域分布，将全部

用户划分为多个子集；分别为每个区域建立节点核心

网作为该地域用户的唯一注册地，管理和存储该地域

子集的用户数据，并在其他地域节点核心网备份存储。

通过高效的同步机制，确保各节点间用户数据的一

致性。

以建设5个节点核心网为例说明，如图4所示。全网

用户根据地域被划分为5个地域子集，分别用①~⑤表示。

每个节点核心网作为该区域子集用户数据的主存储服务

器，并作为其他多个区域子集的备份存储器。在图4中，

核心网1存储了用户子集①②③的数据，核心网2存储了

用户子集②③④的数据。以此类推，核心网5存储了用户

子集⑤①②的数据，其中核心网i是用户子集i的主要归

属用户位置存储器。各个核心网节点间通过地面网络实

时同步主备数据，通过划分用户子集的方式实现了节点

核心网的负载分担，通过用户数据异地备份的方式，解

决了单点故障后的应急接替需求。

3.3　业务流程设计

分布式核心网需要重点设计用户漫游和主备切换的

业务流程。

（1）用户漫游设计

当用户终端从一个卫星覆盖区移动到另一个时，系

统能够自动识别并触发漫游流程。通过核心网节点间的

协作，实现无缝切换，保证用户通信的连续性。当用户

·24·

第 3 期 尹曙明等：大型低轨通信星座的地面分布式核心网架构设计

移动至非归属注册地时，根据地理区域与归属站核心网

的映射路由，将落地至非归属站核心网，产生漫游问

题。对此采用落地站业务处理、归属站鉴权认证的

策略。

用户漫游至非归属注册地后，开机入网后会在非归

属站核心网注册登记 （称之为落地站）。落地站核心网

登记漫游用户的状态信息，同时向该用户的归属站核心

网查询获取认证鉴权数据，并通知归属站核心网变更

状态。

当漫游用户作为主叫时，由落地站的核心网根据归

属站同步的漫游用户鉴权数据，完成会话处理，如图 5

所示。

当漫游用户作为被叫时，同样会在初次接入落地站

时完成鉴权数据同步及归属站状态信息更新。当其他用

户对漫游用户呼叫时，主叫所在落地站的核心网将根据

被叫用户号码编码规则前往漫游用户归属站核心网查询

漫游用户当前位置。获知漫游用户落地站后，向被叫落

地站核心网发送寻呼信令，完成会话。会话结束后，漫

游用户落地站核心网向归属站核心网同步位置更新数据，

如图6所示。

（2）备份切换设计

为提升大型星座通信系统整体可用性，各节点核心

UE

(5 AUSF UDM UDM AUSF (5

AN

5+C

2D6

.;C

>D-?=(

099D;2=)

A>6

AMF SMF SMF AMF

UPF UPF

图5　主叫漫游策略

AMF SMF

(5 AUSF UDM

UE AN UPF

UDM AUSF

D15+C

SMF AMF

UDM AUSF (5

UPF

(1.;C (15+C

AN UE

ffl)

ffl09;2=)

@(1>D

ffl>D-?

ffl:9@/ ffl,;@/

图6　被叫漫游策略

fflfflffl fflfflffl fflfflffl fflfflffl

fflfflffl fflfflffl fflfflffl fflfflffl fflfflffl fflfflffl

/?=1 AMF AMF /?=2

AMF

SMF SMF

SMF

550

550 550

550

550

AUSF

AUSF AUSF

AUSF

AUSF

UDM

UDM UDM

UDM

UDM

UPF

B>.3

>=

UPF UPF

UPF

UPF

/?=3 /?=4 /?=5 AMF SMF AMF SMF

A/

?>

D)

2D6

A/6

图4　分布式核心网基本架构

·25·

天地一体化信息网络 第 5 卷

网具备互为备份能力。各节点核心网间采用心跳检测、

性能监控等手段，建立活跃性检测，一旦发现故障，立

即触发切换流程，将业务流量平滑迁移至备份节点，确

保服务不中断。

核心网故障后，主要有两项切换操作。一是对星间

路由策略进行重配置，将故障核心网对应通信区域的入

网请求路由至备份核心网处理；二是配置备份核心网存

储的用户数据切换为主用；三是通知各节点核心网，

故障核心网注册用户的归属地变更为备份核心网所

在地。

举例说明，以3号节点核心网故障为例，根据切换策

略，2号节点核心网将接替成为原 3 号节点核心网用户

的归属站，并通知 1 号、4 号、5 号节点核心网。3 号节

点核心网对应通信区域的用户，将通过重配置的星间

路由落地至 2 号节点核心网处理，其他用户寻呼原 3 号

节点核心网归属用户时，将向 2 号节点核心网数据库

查询。

3.4　预期效益

（1）系统可靠性有效提升

卫星通信系统，一般作为保底通信手段，必须具备

实时在线服务的能力。通过对地面核心网进行分布式部

署，实现了异地备份能力，避免了单点故障风险，可有

效应对自然灾害等极端情况发生，提升了系统的整体可

用度。

（2）便于灵活扩容

地面核心网处理能力受地面承载网等基础设施限制，

单点位链路带宽等承载能力有限，一定程度上成为限制

低轨星座服务容量的瓶颈。通过分布式部署核心网，实

现了多点分布、负载分担，降低了对地面链路带宽等基

础设施的需求，便于按需扩容。

（3）有效避免地面路由时延

低轨星座运行一般具备星地双路由，相对于星上直

接通信的星间路由，地面路由需经多次转发、复杂路由，

导致地面路由耗时巨大。分布式部署的核心网，为时延

敏感型用户提供了就近落地的选择，避免了地面路由耗

时，降低了通信时延。

（4）便于定制、部署差异化服务

低轨星座一般服务于全球用户，各地用户需求具有

区域化差异。分布式部署的核心网便于分区域部署差异

化的后台应用，为各地用户提供定制化的服务。

4　结束语

针对大型低轨星座容量大、落地点位多、可靠性要

求高的特点，设计了一种分布式的地面核心网架构，具

备业务负载分担和故障备份接替的能力。分布式核心网

通过去中心化，将处理和存储能力分散到多个节点上，

突破了单节点能力上限，避免了单点故障风险。通过合

理的节点布局、高效的业务分担与备份接替机制以及完

善的用户管理与漫游策略，该架构能够显著提升系统的

整体性能和用户体验。同时，每个节点核心网可针对所

属区域用户的需求特点进行差异化设计和特色功能扩展，

更好地适应不同类型用户的使用需求。基于多节点分布

的地面核心网架构为大型低轨通信星座系统提供了更为

可靠、高效和灵活的网络支撑。

参考文献：

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·26·

第 3 期 尹曙明等：大型低轨通信星座的地面分布式核心网架构设计

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tions, 2014, 26(4): 427-433.

[作者简介]：

尹曙明 （1979-），男，北京空间信息传输中

心高级工程师，主要研究方向为卫星通信、天

基测控等。

郝利云 （1987-），男，博士，北京空间信息传输中心工程师，

主要研究方向为卫星移动通信。

郭浩然 （1987-），男，博士，北京空间信息传输中心高级工程

师，主要研究方向为卫星移动通信、天基测控等。

薛成宬 （1991-），女，博士，北京空间信息传输中心工程师，

主要研究方向为卫星移动通信。

·27·

第 5 卷第 3 期

2024 年9 月

天 地 一 体 化 信 息 网 络

Space-Integrated-Ground Information Networks

Vol.5 No.3

September 2024

紧凑空间下大规模数字相控阵混合ADC接收机性能分析

张 毅1

，高 航2

，马 松1

，郭鸿儒2

，夏 斌2

，张朝贤3

（1.中国西南电子技术研究所，四川 成都 610036；

2.上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海 200240；

3.厦门大学嘉庚学院，福建 漳州 363105）

摘 要：针对紧凑空间互耦效应影响下的大规模数字相控阵混合ADC接收机性能评估问题，提出一种混合ADC接收机性能分

析方法。首先，通过联合考虑三维信道模型、互耦效应模型和ADC量化噪声模型，对互耦效应影响下的传播信道进行建模；

然后，采用线性最大比合并接收机，基于随机矩阵理论，推导给定天线阵列拓扑结构下系统可达速率的闭式表达式；最后，

分别对均匀线性阵列、均匀平面阵列在不同混合ADC配置方案下的可达速率进行理论计算和数值仿真。计算与仿真结果均表

明优化混合ADC配置方案可以有效提升系统可达速率，该结论可以为紧凑空间下高可达速率的混合ADC接收机设计提供理论

支撑。

关键词：大规模数字相控阵；紧凑空间；互耦效应；可达速率

中图分类号：TN929.52

文献标识码：A

doi：10.11959/j.issn.2096-8930.2024025

Performance Analysis of Large-Scale Digital Phased Array

Mixed-ADC Receiver in Compact Space

ZHANG Yi1

, GAO Hang2

, MA Song1

, GUO Hongru2

, XIA Bin2

, ZHANG Chaoxian3

1. Southwest China Institute of Electronic Technology, Chengdu 610036, China

2. School of Electronic Information and Electrical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China

3. Xiamen University Tan Kah Kee College, Zhangzhou 363105, China

Abstract: In order to evaluate the performance of large-scale digital phased array mixed-ADC receivers under the influence of mutual

coupling effects in compact spaces, a performance analysis method was proposed. Firstly, the propagation channel under the influence

of mutual coupling effects was modeled by jointly considering the three-dimensional channel model, mutual coupling effect model, and

ADC quantization noise model. Then, used a linear maximum ratio combining receiver and based on random matrix theory, a closed

form expression for the achievable rate of the system under a given antenna array topology was derived. Finally, the achievable rates of

uniform linear arrays and uniform planar arrays under different mixed-ADC configurations were theoretically calculated and numeri‐

cally simulated. The calculation and simulation results both indicated that optimizing the mixed-ADC configuration scheme could effec‐

tively improve the system achievable rate, and the conclusion could provide theoretical support for the design of high achievable rate

mixed-ADC receivers in compact spaces.

Keywords: large-scale digital phased array, compact space, mutual coupling effect, achievable rate

0　引言

大规模数字相控阵凭借其灵活的波束成形、空间功

率合成以及空间滤波等技术优势，已经成为卫星互联网

的关键使能技术[1-6]

。通过相控阵天线的波束成形能力，

天线覆盖范围可以动态调整，系统性能得到提升[7-12]

。

收稿日期：2024-05-18；修回日期：2024-08-30

基金项目：国家自然科学基金资助项目（No.62131005）

Foundation Item：The National Natural Science Foundation of China (No.62131005)

第 3 期 张毅等：紧凑空间下大规模数字相控阵混合ADC接收机性能分析

而在采用具有较小天线尺寸的毫米波频段时，相控阵的

天线数量可以进一步增大以获得更广的覆盖能力和更高

的通信速率。

数字相控阵天线数量的增加与系统能耗和成本增加

正相关。由于数字相控阵中接收信号需要通过模数转换

器 （Analog-to-Digital Converter，ADC） 量化以进行数字

处理，每个ADC的能耗随ADC的分辨率呈指数增长。对

于大规模数字相控阵，若采用传统设计，为所有天线均

配备高分辨率ADC，系统能耗将随着接收天线数量的增

加而增加，同时系统成本也将变得无法承受。因此，低

量化精度ADC的引入成为大规模数字相控阵能耗和成本

控制的重要途径。

参考文献[13]分析了在宽带场景和正交频分复用调制

系统中具有单比特 ADC 的大规模数字相控阵的接收性

能。参考文献[14]针对单比特 ADC 大规模数字相控阵，

提出了一种基于Bussgang分解的信道估计方法。在单比

特ADC大规模数字相控阵中，严重的非线性信号处理会

引起许多问题，例如速率损失大、基于导频的信道估计

开销大[15]

和预编码器设计的高复杂性[16]

。出于以上考

虑，参考文献[17]提出了一种混合ADC架构，其中ADC

由高分辨率ADC和单比特ADC组成。参考文献[18]推导

了在理想和非理想两种信道状态信息下，独立瑞利信道

上的混合ADC大规模数字相控阵的发射信号与量化输出

信号之间的遍历互信息的闭式表达式。参考文献[19]通过

加性量化噪声模型 （Additive Quantization Noise Model，

AQNM） 获得了具有理想信道状态信息和不完美信道状

态信息的Rician信道上混合ADC大规模数字相控阵接收

机可达速率的闭式表达式。

上述研究中假设相控阵天线元件之间电磁相互作用

产生的互耦效应忽略不计，该假设只在天线单元间距较

大时成立。在以低轨卫星为代表的紧凑空间平台上，

大规模数字相控阵的总尺寸受限，天线间距往往较小。

虽然已有一些文献关注其带来的影响，但只是关注其

导致的天线之间信道相关性[20-21]

，忽视了互耦效应的

影响。

参考文献[22]研究了给定长度的均匀线性阵列的互耦

效应。该研究表明，在给定天线阵列总尺寸的情况下，

随着天线数目的增加，互耦效应对系统容量有很大的影

响。参考文献[23]介绍了当两个天线单元间距较近时，相

互之间的耦合原理。参考文献[24]将互耦原理应用到给定

空间下的大规模天线系统中。结果表明，在给定空间尺

寸下，天线单元间距越小，相邻天线间的互耦效应越明

显，系统的信道容量越小。此外，结合考虑混合ADC结

构的影响，参考文献[25]分析了空间受限条件下互耦效应

对大规模数字相控阵信道估计和频谱效率性能的影响。

结果表明，混合ADC结构可以有效提高信道估计精度以

及系统频谱效率。

基于以上研究基础，本文进一步探究了紧凑空间下

互耦效应对大规模数字相控阵混合ADC接收机性能的作

用机理，并对考虑互耦效应的混合ADC接收机可达速率

进行理论分析与仿真验证，以指导紧凑空间下大规模数

字相控阵混合ADC配置方案的优化设计。

1　系统建模

如图 1 所示，考虑一个基于大规模数字相控阵混合

ADC接收机的上行多用户通信系统，假设在基站侧配置

具有N副接收天线的大规模数字相控阵，用户侧配置有K

个单天线用户，K个用户同时进行通信。用gk ∈ CN × 1来

表示第k个用户的信道向量。

通过基于射线追踪的三维信道模型，对于基站侧的

接收天线阵列，假设信道中包含P条入射径，即

gk = ZAhk βk (1)

其 中 ， Z ∈ CN × N 表 示 天 线 之 间 的 互 耦 矩 阵 ； A =

[ a1,⋯,ap ]，ap ∈ CN × 1

，表示第p条入射径的信道导向矩

阵；hk ∈ Cp × 1 表示所有 P 条入射径的小尺度衰落矩阵，

hk~CN (0, Ip )，βk表示第k个用户对应的大尺度衰落。

互耦矩阵[23]

Z定义为

Z = ( ZA + ZL )( Γ + ZL I)

-1

(2)

其中，ZA、ZL分别表示天线阻抗与负载阻抗；Γ表示互阻

抗矩阵，可以利用感应电动势方法，由天线间距d、本征

阻抗η0、波数β、波长λ、对偶极子的长度L等参数确定。

综上所述，K个用户与基站之间的上行信道定义为

G = [ g1,g2,…,gK ] = ZAHD (3)

其中，H为每个用户的小尺度衰落矩阵，D为每个用户的

大尺度衰落矩阵。

因此，基站侧的接收信号为

y = Pu Gx + n (4)

其中，Pu为每个用户的发射功率，x表示所有用户的发射

信号；n表示加性高斯白噪声，满足n~CN (0, IN )。

不失一般性，通过调整接收信号y、信道矩阵G与噪

声n中每一行对应元素的位置，可以将y表示为分别由高

分辨率和单比特ADC来量化的两部分接收信号yH和yL。

基于该前提，接收信号可以进一步表示为

·29·

天地一体化信息网络 第 5 卷

y = é

ë

ê

ê ù

û

ú

ú yH

yL

≈

é

ë

ê

ê

ê

ù

û

ú

ú

ú Pu GH x + nH

Pu GL x + nL

(5)

其中，GH=ZHAHD，GL=ZLAHD，而Z = [ Z T

H Z T

L ]

T

，下标

H表示高分辨率ADC量化部分，下标L表示单比特ADC

量化部分。根据AQNM模型[19]

，当相较于基站侧接收信

号的功率，加性噪声的功率较高时，ADC的量化输出可

以看作原有接收信号经过线性增益α与一个不相关的量化

噪声nq之和。采用AQNM来近似量化操作，量化后的信

号可以表示为

r = Q ( y) = é

ë

êê ù

û

úú rH

rL

≈

é

ë

ê

ê

ê

ù

û

ú

ú

ú Pu GH x + nH

Pu αGL x + αnL + nq

(6)

其中，α = 0.636 6，表示量化后的线性增益。

2　接收机可达速率推导

用W来表示线性接收机，则量化后的信号可以进一

步处理为x̂ = Wr。对于最大比合并（Maximal Ratio Com‐

bining, MRC）线性接收机，W可以写作

W = GH (7)

因此，对于第k个用户，其接收信号x̂可以表示为

x̂

k = Pu ( g H

H,k gH,k + αg H

L,k gL,k ) xk +

Pu ∑

k' = 1,k' ≠ k

k' = K

( ) g H

H,k gH,k' + αg H

L,k gL,k' xk' +

g H

H,knH + αg H

L,knL + g H

L,knq

(8)

在上述信号模型中，右侧第一项为所需要的信号，

而剩余 4 项则可以看作对于第 k 个用户而言的噪声与

干扰。

因此，通过假设干扰与噪声服从高斯分布，且与发

射信号x独立，可以得到第k个用户可达速率的下界

Rk = E

é

ë

ê

ê

ê

ê

ê

ê

ê

log2

æ

è

ç

ç

ç

ç

ç

1 +

Pu| g | H

H,k gH,k + αg H

L,k gL,k

2

Δ1 + Δ2 + Δ3

ö

ø

÷

÷

÷

÷

÷

ù

û

ú

ú

ú

ú

ú

ú

ú

(9)

其 中 ， Δ1 = Pu∑k′ = 1,k′ ≠ k

k′ = K |g H

H,k gH,k′ + αg H

L,k gL,k′

|

2

, Δ2 =

|g H

H,k + αg H

L,k|

2

，以及 Δ3 = |g H

L,knq|

2

。此外，在接下来的分

析中，为了表述简洁，用F、FH与FL来表示ZA、ZHA与

ZLA。

当N较大且采用MRC接收机时，通过大数定律，可

以有以下假设：E é

ë

ê

êlog2(1 +

X

Y )ù

û

ú

ú ≈ log2 (1 +

E[ X ]

E[Y ] )，因

此式（9）中的可达速率可以近似为

Rk = log2

æ

è

ç

ç

ç

ç

çç

ç

ç

ç

ç

1 +

PuE é

ë

ê

ê ù

û

ú | g | ú H

H,k gH,k + αg H

L,k gL,k

2

E[ Δ1 + Δ2 + Δ3 ]

ö

ø

÷

÷

÷

÷

÷÷

÷

÷

÷

÷

(10)

接着，令下标S ∈ { L,H }，可以得到

E é

ë

ê

ê| g H

S,k gS,k' |

2ù

û

ú

ú = βk βk'

E é

ë

êê| hH

k AH Z H

S ZSAh'

k |

2ù

û

úú (11)

对于k ≠ k′，式（11）可以进一步化简为

E é

ë

ê

ê| g H

S,k gS,k' |

2ù

û

ú

ú = βk βk'

Tr( R2

S ) (12)

其中，RS = F H

S FS。

;20)

x1

y1

y2 r2

r1

yN−1 rN−1

yN rN

x2

xK

Re

Re

Re

Re

Im

Im

Im

Im

I (x,r)

-,(5ADC

-,(5ADC

-,(5ADC

-,(5ADC

+(<ADC

+(<ADC

+(<ADC

+(<ADC

ffi

ffi

ffi

ffi

图1　上行多用户通信系统模型

·30·

第 3 期 张毅等：紧凑空间下大规模数字相控阵混合ADC接收机性能分析

对于k=k ′ ，利用参考文献[26]中的定理二，式 （12）

可以进一步化简为

E é

ë

ê

ê| g H

S,k gS,k |

2ù

û

ú

ú = β 2

k (Tr( R2

S ) + Tr( RS )

2

) (13)

综上所述，有

E é

ë

ê

ê| g H

H,k gH,k + αg H

L,k gL,k |

2ù

û

ú

ú =

β 2

k (Tr (RH + αRL )

2 + Tr (RH + αRL )

2

)

(14)

此外，E [ Δ1 ]可以表示为

E [ Δ1 ] =

Pu ∑

k' = 1,k' ≠ k

k' = K

βk βk' (Tr (R2

H ) + α2

Tr (R2

L ) + 2α (Tr (RH RL )) )

(15)

接着，对于Δ2求期望，有

E [ Δ2 ] = βk (Tr (RH ) + α2

Tr (RL )) (16)

最后，对 Δ3 求期望，有

E [ Δ3 ]=

) α (1 - α ) βk

( Pu∑i = 1

NL

[ FLF H

L ]

2

i,i

( ∑

k' = 1

K

( βk'

+ βk ) +∑i = 1 ) NL

[ FLF H

L ]i,i

(17)

将上述公式代入式（10）中，则得到第k个单天线用

户的近似遍历可达速率。进一步地，当用户发射功率Pu

趋于无穷大时，用户k的可达速率收敛于

lim Pu → ∞ Rk = log2

(1 + βkRd

Pd ) (18)

其中，

Rd = Tr( RH + αRL )

2

+ Tr

(( RH + αRL )

2

) (19)

Pd = ∑

k' = 1,k' ≠ k

k' = K

βk'(Tr (R2

H ) + α2

Tr (R2

L ) + 2α (Tr (RH RL )))

+α (1 - α )

( ) ∑i = 1

NL

[ FLF H

L ]

2

i,i

( ∑

k' = 1

K

( βk' + βk ) ) +∑i = 1

NL

[ FLF H

L ]i,i

(20)

这表明，在采用线性接收机的情况下，用户的可达

速率不会随着发射功率的增大而无限增大。

3　性能仿真与分析

为了评估理论推导结果的正确性，这里基于式 （9）

对混合 ADC 接收机的可达速率性能进行蒙特卡洛仿真，

并将其结果与基于式 （20） 计算得到的理论分析结果进

行对比分析。同时，选取典型阵列模型，分别对不同混

合ADC配置方案下的接收机可达速率性能进行分析，以

验证推导结论对大规模数字相控阵混合ADC接收机设计

的理论指导意义。

3.1　天线阵列建模

选取均匀线性阵列和均匀平面阵列两类典型天线阵列

进行分析，具体天线阵列排布模型分别如图2和图3所示。

3.2　仿真条件

对于大尺度衰落βk的假设：假设网络中所有单天线

用户采用完美的功率控制，所有用户的大尺度衰落均一

致，即对于∀i ≠ j，有βi = βj = 1。

对 于 小 尺 度 衰 落 hk 的 假 设 ： 如 上 文 中 的 假 设 ，

hk~CN (0, Ip )，且对于不同的用户，其小尺度衰落信道独

立生成。

对于方位角φp与水平角θP的假设[27]

：假设方位角φp

在区间[0, 2π)内均匀分布；假设水平角θp服从拉普拉斯分

布，且其均值为90°，方差为1.9°。

互耦矩阵Z中各参数设置参考文献[23]中的定义，天

线阻抗ZA为50 Ω，负载阻抗ZL为天线阻抗的共轭复数，

互阻抗矩阵Γ定义为

Γi,j =

ì

í

î

ï

ï

ïï

ï

ï

ï

ïï

ï

ï

ï

η0

4π [ 0.577 + ln (2π ) - Ci(2π ) + jSi(2π ) ],i = j

η0

4π [ 2Ci( βd ) - Ci( βu1 ) - Ci( βu2 ) ] -

j

η0

4π [ 2Si( βd ) - Si( βu1 ) - Si( βu2 ) ], i ≠ j

(21)

x

ffi

z

d

y

N−1 o 1 2 3

9:?/

θ

φ

图2　均匀线性阵列

ffi

ffi

z

y

9:?/

θ

Ny

−1

Nx

−1

φ

0 1 2 3 dy

dx

x

图3　均匀平面阵列

·31·

天地一体化信息网络 第 5 卷

其中，

ì

í

î

ï

ïï

μ1 = d2 + L2 + L

μ2 = d2 + L2 - L

(22)

Ci( x ) = ∫-∞

x cos x

x dx

Si( x ) = ∫-∞

x sin x

x dx

(23)

η0 = μ0

ε0

≈ 120π (24)

β = 2π/λ (25)

L = 0.5λ (26)

3.3　仿真结果与分析

在图 4 中，给出了采用均匀线性阵列时，不同混合

ADC 配置方案下第 k 个用户的可达速率随着用户发射功

率的变化情况。基站侧的接收天线数量为N=256副，单

天线用户的个数为K=10个，相邻天线间距为d=0.3λ。单

比特量化天线的数目 NL设置为总接收天线数目的 50%。

采用了3种ADC配置方案：方案一和方案二分别将阵列

中央部分的天线通过单比特 ADC 和高分辨率 ADC 来量

化，而边缘部分的天线则通过另一种ADC来量化；方案

三将单比特ADC在天线阵列中等间隔放置。

通过性能对比，可以看出理论分析结果与系统仿真

结果可以很好地拟合，两个结果都显示方案一会获得较

高的可达速率。这是因为方案一中将均匀线性阵列的中

间部分采用单比特ADC来量化，而这些天线受互耦效应

的影响也较大，因此低分辨率量化带来的性能损失较小。

根据分析和仿真可以知道，在均匀线性阵列中，在给定

单比特ADC数目的情况下，为了取得更高的接收机可达

速率，可以为阵列中央的天线配备单比特ADC。

在图5中，本文对均匀平面阵列可达速率随着用户发

射功率的变化情况进行了理论分析结果与系统仿真结果的

对比。在此对比中，假设基站天线数目为16×16，单比特

ADC 量化天线的数目 NL设置为总接收天线数目的 50%。

考虑了两种ADC配置方案：一种是将由单比特ADC量化

的天线集中放置在天线阵列中央；另一种则是将由单比特

ADC量化的天线分散放置在天线阵列边缘。

从图5中可以看出，仿真结果与理论分析得到的结果

同样拟合得很好。同时，不同混合ADC配置方案的对比

结果表明，当由单比特ADC来量化的天线集中放置在均

匀平面阵列的中央时，会获得更高的可达速率。这是因

为均匀平面阵列中央的天线受互耦影响较大，对其进行

单比特ADC量化造成的性能损失较小。

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−20 −15 −10 −5 0 5 10 15 20

1.40

1.35

1.30

1.25

1.20

1.15

1.10

2

*

;

5 Rk /(bit·s−1

·Hz−1

)

A/,:.5 Pu

/dB

,'A>=,CfflNL = 0.5N

,'A35,>fflNL = 0.5N

,',>=,CfflNL = 0.5N

,',35,>fflNL = 0.5N

,'9>=,CfflNL = 0.5N

,'935,>fflNL = 0.5N

图4　均匀线性阵列下3种方案用户发射功率与可达速率的关系

−20 −15 −10 −5 0 5 10 15 20

1.45

1.40

1.35

1.30

1.25

1.20

1.15

1.10

1.05

1.00

A/,:.5 Pu /dB

,'A>=,CfflNL = 0.5N

,'A35,>fflNL = 0.5N

,',>=,CfflNL = 0.5N

,',35,>fflNL = 0.5N

2

*

;

5 Rk /(bit·s−1

·Hz−1

)

图5　均匀平面阵列下两种方案用户发射功率与可达速率的关系

·32·

第 3 期 张毅等：紧凑空间下大规模数字相控阵混合ADC接收机性能分析

[6] HONG W, JIANG Z H, YU C, et al. Multibeam antenna technolo‐

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ters, 2021, 10(5): 948-952.

[作者简介]：

张毅 （1989−），男，中国西南电子技术研究

所高级工程师，主要研究方向为无线通信与

网络。

高航 （1996−），男，上海交通大学电子信息

与电气工程学院硕士生，主要研究方向为多天

线技术。

·33·

天地一体化信息网络 第 5 卷

马松 （1990−），男，中国西南电子技术研究

所高级工程师，主要研究方向为通信抗干扰

技术。

郭鸿儒 （1999−），男，上海交通大学电子信

息与电气工程学院硕士生，主要研究方向为通

感一体化。

夏斌 （1973−），男，上海交通大学电子信息

与电气工程学院教授，主要研究方向为无线通

信与网络。

张朝贤 （1983−），男，厦门大学嘉庚学院副

教授，主要研究方向为下一代移动通信网络。

·34·

第 5 卷第 3 期

2024 年9 月

天 地 一 体 化 信 息 网 络

Space-Integrated-Ground Information Networks

Vol.5 No.3

September 2024

基于NTN的手机直连卫星定位技术

孙晓南1

，周世东2

，康绍莉1

（1.中信科移动通信技术股份有限公司，北京 100083；

2.清华大学，北京 100084）

摘 要：随着无线通信技术的飞速发展，定位技术正经历从专用导航卫星系统向通信系统辅助定位，甚至独立定位的方向转

变。国际标准化组织3GPP自R18开展了基于5G NTN的定位技术研究，推进通信导航一体化发展。考虑到终端可见的卫星数

量，目前在3GPP中研究的主要是单星定位技术，存在收敛慢、定位精度低等不足。随着低轨巨型星座的发展，终端未来可见

的卫星数目越来越多，因此多星定位成为可能，并相对于单星定位具有收敛快、几何布局好、精度高等优势。针对5G NTN体

制的手机直连卫星定位技术进行研究，提出多种适合多星定位的算法，分析影响定位性能的关键因素并开展定位性能仿真

评估。

关键词：通信导航一体化；多星定位；TDOA；Multi-RTT；多普勒定位

中图分类号：TP393

文献标识码：A

doi：10.11959/j.issn.2096-8930.2024026

Non-Terrestrial Network Based Positioning Technologies for

Direct-to-Satellite Service

SUN Xiaonan1

, ZHOU Shidong2

, KANG Shaoli1

1. C-ICT Mobile Communication Technology Co., Ltd., Beijing 100083, China

2. Tsinghua University, Beijing 100084, China

Abstract: With the rapid evolution of wireless communication technologies, positioning technologies are undergoing a transformation

from dedicated navigation satellite systems towards communication system-assisted positioning and even standalone positioning. The

International Telecommunication Union's 3GPP, since Release 18, has embarked on researching 5G Non-Terrestrial Network (NTN) po‐

sitioning technologies, fostering the integration of communication and navigation. Considering the limited visibility of satellites to ter‐

minals, the primary focus of current 3GPP research lies in single-satellite positioning technology, which suffers from drawbacks such as

slow convergence and low accuracy. However, with the emergence of low-Earth orbit mega-constellations, terminals will access to an

increasing number of visible satellites in the future, rendering multi-satellite positioning feasible. Compared to single-satellite position‐

ing, multi-satellite positioning offers advantages such as faster convergence, improved geometric configurations and higher accuracy.

This paper delves into the research of positioning technologies for Direct-to-Satellite Service (D2SS) within the 5G NTN framework,

proposing various multi-satellite positioning algorithms, analyzing the critical factors influencing positioning performance, and conduct‐

ing simulation assessments of positioning performance.

Keywords: navigation-communication integration, multi-satellite positioning, TDOA, Multi-RTT, Doppler-based positioning

0　引言

传统定位由专用导航卫星系统完成，常用手段包括

伪距测量定位、多普勒测量定位和载波相位测量定位。

专用导航卫星系统的轨道高、距离远等特性导致落地信

号弱且易受干扰，影响定位精度。通信业务和应用的激

收稿日期：2024-05-30；修回日期：2024-08-20

基金项目：国家重点研发计划资助项目（No. 2022YFB2902600）

Foundation Item：National Key Research&Development Program of China(No. 2022YFB2902600)

天地一体化信息网络 第 5 卷

增，使得人们对高精度定位的需求越来越强烈。因此，

国际标准化组织3GPP自R16开始探讨基于地面移动通信

系统的定位技术，研究了到达时间差 （Time Difference

of Arrival，TDOA） 定位、多次往返时间 （Multi-Round

Trip Time，Multi-RTT） 定位等系列定位方法。与此同

时，以卫星通信为代表的非地面网络 （Non-Terrestrial

Network，NTN） 自 3GPP R15 开始进行了研究[1]

，并于

R17完成了第1个标准版本。在手机直连卫星场景下，基

于5G NTN来开展定位具有天然的优势，既能够继承5G

地面基站定位已有的高精度定位算法，又能够充分发挥

卫星通信系统的抗毁性等特点，因此业界积极探讨基于

5G NTN的定位技术[2-4]

。考虑到终端可见的卫星覆盖区

域等因素约束，3GPP R18阶段的5G NTN定位研究主要

针对单星定位，开展了UE位置验证问题的定位技术等方

面的研究。

越来越多的低轨星座在朝着巨型星座组网的方式

发展，可以预见，终端在未来可见的卫星将远远不止

1 颗，由此定位技术也将由现有的单星定位向多星定

位发展，从而具有收敛快、几何布局好、精度高、抗

干扰能力强等优势。本文基于对经典定位方法和 NTN

单星定位方法的分析，面向应用热点手机直连卫星，

研究基于 NTN 体制的多星定位技术，提出多种适合多

星定位的高精度定位算法，并分析定位性能的影响因

素，以及开展定位性能的仿真评估。本文的研究，将

为 3GPP 针对 NTN 定位的后续研究和标准化提供有力

指 导 ， 为 高 精 度 定 位 技 术 的 进 步 提 供 切 实 可 行 的

参考。

1　经典定位方法分析

传统的导航卫星系统与5G地面移动通信系统[5]

所采

用的定位方法，可分为基于距离信息和基于角度信息两

大类别，如图1所示。前者通过测量发射端与待测设备之

间距离的相关信息来实现定位，后者通过测量发射端与

待测设备之间角度的相关信息来实现定位。

（1）基于距离信息的定位

距离信息既可以是绝对距离信息，也可以是差值距

离信息。绝对距离信息直接反映了发射端 （地面基站或

卫星） 与待测设备之间的距离，因此待测设备位于以发

射端为中心，以该绝对距离为半径的球面上。多个绝对

距离信息生成的多个球面相交时，即可确定待测设备的

位置。差值距离信息反映了不同发射端到同一待测设备

之间距离的差值，因此待测设备位于以两个发射端为焦

点，差值距离为实半轴的双曲面上。多个差值距离信息

生成的多个双曲面相交时，同样可确定待测设备的

位置。

根据获取距离信息所采用的测量方法，可以进一步

细分为时间测量、速度测量以及相位测量等多种方式。

其中基于时间测量的定位方法包括传统导航卫星系统中

的基于伪距测量定位方法，以及5G地面移动通信系统中

的TDOA、Multi-RTT定位方法[6]

；基于速度测量的定位

,>

,,

0A23

?>+,>

);0

ffl)A.;++23ffl

);,

ffl0,++23ffl

0A?>?>+,>

0A1,

?>+,>

D1)4AOA+1,

-2;;,838A/

>?B,;,,

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)+<52

*);@

),<*)

52;@D)

+?*);@

;?*);@

0A>2)4

+,>,,

Multi-RTT

TDOA

0A0,,83)4+

,>,,ffl+?ffl

0ACID+,>ffi

0A);,?+,>ffi

0AECID+,>ffi

0AUL-AOA+,>

0A;;,83)4+,

>,,ffl,?ffl

B)?>)4

,>,,

图1　经典定位方法

·36·

第 3 期 孙晓南等：基于NTN的手机直连卫星定位技术

方法包括传统导航卫星系统中的积分多普勒测量定位方

法[7]

；基于相位测量的定位方法包括传统导航卫星系统

中的载波相位定位方法[8]

。

（2）基于角度信息的定位

基于角度信息的定位方法利用到达角信息，在收发

端之间形成射线，多个角度测量值生成的多条射线相交

时，即可确定待测设备的位置。定位方法包括导航定位

系统中的瞬时多普勒频移测量定位方法，通信系统初期

采用的基于用户接入的小区身份 （Cell Identity，CID），

波束方向的定位方法以及现代5G通信系统采用的增强小

区标识（Enhanced Cell Identity，ECID）定位方法，AOA

定位方法。角度测量对天线阵列精度要求较高，成本

较高。

在实际应用中，基于距离信息和基于角度信息的融

合定位方法可以有效减少用户的位置误差，从而提高定

位的精确度。例如，将ECID与Multi-RTT或TDOA定位

方法相结合。

2 NTN单星定位方法

3GPP 自 R18 开始探讨 NTN 的定位研究[9]

，成立了

UE位置验证研究项目，探讨UE上报位置不准确的情况

下，网络如何有效地进行位置校验，确保网络提供的服

务能够遵守当地法律法规及符合监管要求[10]

。在无线接

入网第一工作组 （RAN1） 第 109 次会议中，主要涉及

NR基于无线接入技术的各类定位方案在NTN中的可行性

及理论精度，NTN场景在重叠覆盖少、信噪比低、工作

频段高等方面的特殊性，以及大子载波间隔下的CP长度

不足等诸多议题。在RAN1的第110次会议中，主要讨论

了基本定位场景、采用的定位方法以及所需的仿真参数

等内容。在 RAN1 的第 110 bis 次会议中，进一步分析了

DL-TDOA 和 Multi-RTT 这两种定位算法。随后的会议，

进一步分析了在不同几何构型下以及在 UE 时钟存在漂

移情况下的定位精度等问题，并最终在 RAN1 的第 115

次会议结束相关研究工作[11-16]

。此外，3GPP 建议研究

通过广播[17]

附加导航信息 （如精确星历、大气及电离层

校正等） 及LEO卫星轨道、时钟偏差信息等进行辅助定

位的方法。

目前 3GPP 所开展的 NTN 定位研究主要针对单星定

位，其存在诸多局限性。例如，单星定位的收敛速度较

慢，因其依赖于对一颗卫星的多个历元进行测量，以解

算出用户的位置，而短测量间隔下几何布局欠佳，定位

精度较低。由此，为了确保定位精度，测量间隔需要足

够长，从而导致收敛时间较长，这也限制了单星定位在

高动态用户、运行轨迹复杂的车辆导航中的应用潜力。

此外，即使是低动态用户，在单星定位的收敛过程内，

可能仍然处于运动状态中，因此各历元测量值所对应

的用户位置不同，这为定位解算带来了不可忽略的误

差。同时，在单星定位的收敛过程中，卫星及接收机

可能会存在时钟漂移、频率漂移等问题，也削弱了定

位精度。

考虑到未来的低轨卫星通信系统面向巨型星座发展，

对于终端来讲可见的卫星数目远不只一颗，因此可以综

合利用可见的多颗卫星来进行定位，以节省定位用时并

提升定位精度。

3 NTN多星定位方法

本节研究基于NTN系统的多星定位问题，结合手机

直连卫星应用[18]

，探讨多星定位的算法，分析定位性能

的影响因素，并开展相应的性能评估。

3.1　定位原理

多星定位模式在算法核心上延续了单星定位的策略，

但显著改进了信号测量方式，由原先的单星分时测量转

变为多星并行测量，极大地缩短了定位时间。

以常用的定位算法TDOA为例，图2给出了单星定位

和多星定位的方法示意。可以看出，多星TDOA定位模

式类似于GNSS系统，UE 需要同时测量多颗卫星的定位

参考信号 （Positioning Reference Signal，PRS），并选择

其中的1颗卫星为基准 （例如0号卫星），得到其他相邻

卫星相对于基准卫星的PRS信号到达时间差，然后再结

合参与定位的所有卫星的三维坐标位置计算 UE 的最终

位置。

3.2　定位算法

基于上述的定位方法分析，本文提出适用于NTN系

统手机直连卫星应用的多星定位算法，包括TDOA定位

算法、Multi-RTT定位算法、多普勒定位算法。

3.2.1 TDOA定位算法

TDOA 定位是一种利用到达终端的时间差信息进行

定位的方法，通过检测多个基站的信号到达终端的相对

时间差，而不是到达的绝对传输时间来确定终端位置，

降低了信号源与各个基站的时间同步要求，但增加了对

各个基站之间的时间同步要求。以下行为例，图3给出了

利用3个基站进行TDOA定位的原理示意，可以测到两组

TDOA 数据，终端位于两组 TDOA 数据所确定的双曲面

交点处。

·37·

天地一体化信息网络 第 5 卷

针对手机直连卫星场景，考虑到不同用户所处的高

度可能不同，NTN需要进行三维的立体定位，意味着终

端至少需要测量得到 3 个相对信号时延差 （Relative Sig‐

nal Time Difference，RSTD），由此终端需要对4颗卫星进

行 测 量 。 假 设 UE 的 位 置 为 ( x,y,z)， 卫 星 i 的 位 置 为

( xi

,yi

,zi)，卫星到UE的距离Ri可以表示为

Ri = ( x - xi)

2

+ ( y - yi)

2

+ ( z - zi)

2

(1)

其中，i=1,⋯,N。假如设置第 1 颗卫星为基准卫星，则

第 i 颗卫星测量与基准卫星测量所得的距离之差可以表

示为

R2

i - R2

1 = ( x - xi)

2

+ ( y - yi)

2

+ (z - zi)

2

-

( x - x1 )

2

- ( y - y1 )

2

- (z - z1 )

2

= 2( x1 - xi) x + 2( y1 - yi) y + 2(z1 - zi) z +

x2

i + y2

i + z 2

i - x2

1 - y2

1 - z 2

1

(2)

对式（2）进行变换得到

R2

i - R2

1 = 2[ ( x1 - xi) ( y1 - yi) ( z1 - zi)]

é

ë

ê

ê

ê

ù

û

ú

ú

ú

x

y

z

+ Ki - K1

(3)

其中，Ki = x2

i + y2

i + z 2

i ，K1 = x2

1 + y2

1 + z 2

1。

当 i 的最大取值为 4 时，表示 UE 测量了 4 次，得到

了 3 个 RSTD。通过解算该方程组即可求得 UE 的三维

坐标位置。当 UE 观测到的数据组大于 4 个时，TDOA

测量值的数目大于未知参数的数目，可以采用加权最

小二乘法来充分利用冗余的数据，以此提高数据解算

的精度。

3.2.2 Multi-RTT定位算法

如图4所示，Multi-RTT定位算法根据测量的用户与

基站之间的距离，以基站为球心构建一个球面，利用最

少3个基站的信息，可以得到一个交叠区域，进而利用定

位方法对用户位置进行最终估计。

Multi-RTT 定位算法采用的测量值为UE与基站之间

的往返传输时间。UE 测量来自传输接收点 （Transmis‐

sion Receiving Point，TRP） 的下行PRS的到达时间与UE

发送上行导频信号（Sounding Reference Signal，SRS）的

时间差 （UE Rx-Tx 时间差），TRP 测量来自 UE 的 SRSPos 的到达时间与 TRP 发送 DL PRS 的时间差 （gNB RxTx时间差）。如图5所示，UE与TRP之间的信号往返时

间 （Round Trip Time， RTT） 可 由 UE Rx-Tx 时 间 差

（t

Rx

UE - t

Tx

UE

） 加上 gNB Rx-Tx 时间差 （t

Rx

TRP - t

Tx

TRP

） 得到，

而UE与TRP的距离可由1/2 RTT乘以光速c得到。从UE

和各TRP的信号发送和接收的角度来说，Multi-RTT定位

能力隐含了对DL-TDOA和UL-TDOA的同时支持。

RTT = (∆T1 + ∆T2 )

= (t

Rx

UE - t

Tx

TRP ) + (t

Rx

TRP - t

Tx

UE ) = (t

Rx

UE - t

Tx

UE ) + (t

Rx

TRP - t

Tx

TRP ) (4)

Multi-RTT定位算法中RTT测量既可以采用gNB先发

送PRS，然后UE发送SRS的方式，也可以采用UE先发

送SRS，然后gNB发送PRS的方式。具体的测量过程如

图6所示，其中图6（a）中的RTT=T2-T1，而图6（b）中

的RTT=T1-T2。

;>1

;>2

;>3 ;>4

;>5

UE

fflaffl+?,>

fflbffl,?,>

UE

>?1 >?4

>? >?3 2

图 2 TDOA定位方法示意

UE

DL PR

D

S

L PRS

DL PRS

TRP2

TRP1

TRP3

PSTR2,1

PSTR2,1

)4>),>

PSTR3,1

PSTR3,1

)4>),>

图3 DL-TDOA定位示意

·38·

第 3 期 孙晓南等：基于NTN的手机直连卫星定位技术

3.2.3　多普勒定位算法

高轨卫星与地球之间的相对速度小，地面移动通信

系统中基站位置固定，因此多普勒频移均不明显。低轨

卫星由于其轨道低，运行速度快，多普勒频移显著。因

此，低轨卫星通信系统相比传统导航卫星系统及地面移

动通信系统更适合采用多普勒定位算法。此外，由于低

轨卫星的运行速度快，同样的采样间隔下，低轨卫星的

几何构型分散，定位精度高。同样的几何构型下，低轨

卫星定位的采样间隔小，收敛时间短。

多普勒定位算法利用多普勒效应，即当收发端之间

有相对运动时，接收到的信号频率不再是发端的载频，

而是存在一定的多普勒频移，与发端载频、收发端相对

运动速度方向在收发端径向方向之间的投影有关。接收

机会产生一个频率为f0的本振信号并与接收到的频率为fR

的卫星信号混频，然后在时间段[t1,t2 ]进行积分，对一段

时间内多普勒频移进行积分，即可得出这段时间内卫星

与接收机距离的变化量。两者之间的关系为

D2 - D1 = c

fs

[G - ( f0 - fs)(t2 - t1 ) ]

= λS[G - ( f0 - fs)(t2 - t1 ) ] (5)

其中，λS表示发端载频的波长。因此接收端位于以 t1时

刻卫星位置和t2时刻卫星位置为焦点，D2 - D1为实半轴

的双曲面上。选择多个积分空间，可以得到多个双曲面。

这些双曲面的交点即为接收端位置。

当卫星的运动速度矢量已知时，测量瞬时多普勒频

移可以得出运动速度矢量与收发端径向位置之间的夹

角θ。即

cos θ = c∆f

vfs

(6)

因此接收端位于以卫星运动速度矢量为轴，以θ为锥

角的锥面上。多个测量值形成的锥面相交即可得出接收

端的位置。

>?2

>?1

>?3

UE

->45

3+45

F1

F2

Fn

S

S

n

1

S2

>?=.

fflaffl>=E)

fflbfflUE*A,?--1+9B

>?2

>?1 >?3

UE

图 4 Multi-RTT用户定位示意

DL RS

DL RS DL RS

DL RS

t

0 t

0 t

1 t

1

gNB

UE SRS SRS

SRS SRS

T1 T1

T2 T2

fflaffl fflbffl

图 6 Multi-RTT的RTT测量过程示意

t

TRP

Tx t

TRP

Rx

t

UE

Rx t

UE

Tx

TRP;0

UE;0

∆T1 ∆T2

图 5　信号往返时间示意

·39·

天地一体化信息网络 第 5 卷

3.3　影响因素分析

对于支持手机直连卫星的NTN系统，其多星定位性

能与星座构型和参考信号测量的准确度等因素相关。

从星座构型来看，卫星的布局会影响定位算法的

精度。当多颗卫星在空间分布上趋于聚集，即形成紧

凑的几何结构时，TDOA 和 Multi-RTT 定位方法均面临

挑战。例如，紧凑的卫星布局导致 RSTD 减小，生成的

多个双曲面间产生显著重叠，进而引发定位解算的模

糊性。类似地，Multi-RTT 定位也因多颗卫星相近的位

置和 RTT 值，使得所构建的球面模型存在广泛重叠，

降低了定位解的准确性与唯一性。为了量化接收机与

多颗卫星的几何分布，引入了精度稀释因子 （Dilution

of Precision，DOP） 的概念，其值越小，表示几何分布

对定位误差的放大作用越弱，定位精度越高。在三维

空间定位中，多颗卫星与接收机构成的多面体体积是

评估 DOP 值的重要指标，体积越大，DOP 值越小，定

位性能越好。

此外，参考信号的测量精度同样是决定卫星定位精

度不可忽视的要素。基于时间测量的定位技术，其核心

在于从收发端格式已知的参考信号中准确提取出时间信

息。参考信号的成功检测是后续相关性计算、距离估算

及最终定位解算的前提。因此，参考信号的测量精度直

接关联并限制着整个定位系统的精度表现。提升参考信

号的检测与测量精度是优化卫星定位系统性能的重要途

径之一。

3.4　性能评估

本 文 以 低 频 段 的 手 机 直 连 卫 星 应 用 为 例，针 对

TDOA定位算法和Multi-RTT定位算法，进行了NTN多星

定位性能评估，并与 3GPP 在讨论的 NTN 单星定位性能

进行对比。

3.4.1　仿真条件假设

基本的仿真条件见表1，假设卫星轨道高度为600 km，

系统工作在 2 GHz 的低频段，用户终端处于乡村的开阔

地区，卫星通信链路以直射径 （Line of Sight，LOS） 为

主。在链路预算受限的情况下，假设系统支持最大带宽

为10 MHz （对应有效带宽8.64 MHz）；假设终端工作的

最低仰角为30°。

3.4.2　星座构型影响评估

对于手机直连卫星场景，建立了轨道高度为600 km，

轨道倾角为60°，相位因子为3，60×60总计3 600颗卫星

的低轨卫星Walker星座。针对单星和多星定位场景下的

DOP计算结果分别见表2至表4。其中，HDOP代表水平

精度稀释因子，VDOP 代表垂直精度稀释因子，基于

HDOP和VDOP可以获得PDOP，其代表位置（3D）精度

稀释因子。各类精度稀释因子的关系如下

PDOP = HDOP2 + VDOP2 (7)

卫星间的分散程度及其间距是决定DOP的主要因素。

在单星定位模式下，多次测量时对应的卫星分布紧凑且

表 1 仿真假设

仿真参数

卫星轨道高度

频率

信道条件

带宽

子载波间隔

定位信号

梳状因子

终端类型

终端最低仰角

参数值

600 km

2 GHz

NTN-TDL-C

8.64 MHz，48物理资源块

15 kHz

下行PRS，上行SRS

2

手持终端

30°

表 2 LEO卫星轨道高度600 km情况下，单星定位DOP计算结果 （采样间隔10 s，4次测量）

时间

卫星位置

HDOP：8 432.72；VDOP：4 533.54；PDOP：9 574.11

X/km

Y/km

Z/km

0 s

-2 391.094 217

5 141.104 752

4 049.225 074

10 s

-2 414.944 936

5 091.531 45

4 097.482 293

20 s

-2 438.585 056

5 041.395 467

4145.256638

30 s

-2 462.012 624

4 990.702 385

4 192.542 487

表 3 LEO卫星轨道高度600 km情况下，单星定位DOP计算结果 （采样间隔30 s，4次测量）

时间

卫星位置

HDOP：1 045.2；VDOP：564.12；PDOP：1 187.80

X/km

Y/km

Z/km

0 s

-2 391.094 217

5 141.104 752

4 049.225 074

30 s

-2 462.012 624

4 990.702 385

4 192.542 487

60 s

-2 531.000 749

4 835.337 306

4 331.413 704

90 s

-2 598.007 261

4 675.165 227

4 465.691 674

·40·

第 3 期 孙晓南等：基于NTN的手机直连卫星定位技术

沿同一轨道面，导致DOP值增大，对定位精度构成不利

影响。在多星定位模式下，卫星间位置分散且间距较大，

具有更好的几何布局，导致DOP值明显缩小，有利于提

升定位精度。这一结果不仅印证了多星定位的优越性，

也预示了其发展的必然趋势。

在单星定位模式下，虽然可以通过牺牲采样间隔来

获取更理想的DOP值，但在收敛时间严格受限的应用场

景中显然不切实际。相比之下，多星定位策略无须受制

于采样间隔，用户能够灵活选取其视野内DOP值最优的

卫星组合进行即时测量与定位解算，从而显著缩短收敛

时间，展现出更高的实用价值与效率。

3.4.3　参考信号测量精度影响评估

对于3GPP NTN体制，定位技术所使用的下行参考信

号是PRS，上行参考信号是SRS，其在表1所给定的仿真

条件下的测量误差见表5。

从信噪比 （Signal to Noise Ratio，SNR） 来看，当用

户到卫星的仰角较大时，SNR水平较好。这是因为仰角

较大时，卫星位于用户的正上方附近，卫星与用户之间

的距离较近，信号衰减较小。从卫星天线能力方面来讲，

当用户位于卫星正下方时，卫星天线的指向精准；而当

用户位于卫星覆盖范围的边缘时，天线存在转向损耗，

即最大天线增益会有损失。因此仰角较大时，SNR较好，

测量误差较小；随着仰角逐渐变小，SNR变差，测量误

差变大。

从上下行链路对比来看，在同样的UE仰角条件下，

由于 UE 上行发射功率低于卫星下行发射功率，因此，

SRS的SNR水平要远低于PRS的SNR水平。

从测量误差来看，PRS 和 SRS 的测量误差均随 UE

仰角变小而增大，这主要归因于低仰角下 SNR 水平的

恶化，因此测量精度较差。在后续仿真过程中，根据

LEO 卫星 600 km 轨道场景的链路计算结果，结合对下

行 PRS 信号以及上行 SRS 信号测量误差的评估结果进

行仿真。

3.4.4　定位算法性能评估

在UE的仰角30°的情况下，卫星覆盖范围的半径大

于800 km。对于手机直连卫星场景，建立了轨道高度为

600 km，轨道倾角为60°，60×60总计3 600颗卫星的低轨

卫星星座，用户可见范围内 （以最大仰角30°进行评估）

存在十余颗卫星，选取其中的4颗卫星进行定位，卫星位

置见表4，并将其性能与单星定位性能进行对比，单星定

位时卫星位置分别见表2及表3。

DL-TDOA定位误差仿真结果如图7所示。可以看出，

四星定位的性能明显好于给定采样间隔的单星定位性能。

单星定位即便采用 30 s 的测量间隔，总计 90 s 的定位时

长，其误差范围均处于千米量级，而四星定位的最大误

差不超过280 m。这是因为单星定位需要合理设定采样间

隔，过短的采样间隔会导致TDOA测得的RSTD较小，多

次测量所生成的双曲面重叠区域较大，从而引入定位

模糊。

Multi-RTT定位误差仿真结果如图8所示。可以看出，

四星定位的性能好于给定采样间隔的单星定位性能。单

星定位的误差范围均处于千米量级，而四星定位的最大

表 4 LEO卫星轨道高度600 km情况下，多星定位DOP计算结果 （卫星数量：4颗）

卫星编号

卫星位置

HDOP：1.467 8；VDOP：0.972 4；PDOP：1.760 7

X/km

Y/km

Z/km

Sat 1

-2 391.094217

5 141.104 752

4 049.225 074

Sat 2

-2 111.325 856

5 604.199 205

3 560.233 792

Sat 3

-2 133.012 291

4 897.725 24

4 473.460 473

Sat 4

-2 925.524 135

4 837.936 554

4 071.907 637

表 5 PRS/SRS测量信号的测量误差 （8.64 MHz，48PRB）

仰角/(°)

80~90

70~80

60~70

50~60

40~50

30~40

PRS测量

平均

SNR/dB

3.68

3.44

2.93

2.13

1.00

-0.25

测量误差/ns

50%

3.99

4.18

4.04

4.08

4.16

4.29

90%

9.52

9.61

9.54

9.69

10.00

10.14

SRS测量

平均

SNR/dB

-13.96

-14.20

-14.71

-15.52

-16.64

-17.90

测量误差/ns

50%

5.38

5.42

5.70

5.64

6.01

6.19

90%

20.70

20.80

20.29

20.32

22.04

22.34

+?,>0-10 s

+?,>0-30 s

;?,>

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0

5 10 15 20

,>>)/km

3

0

-

5

,

)

图 7 DL-TDOA定位误差仿真结果

·41·

天地一体化信息网络 第 5 卷

误差不超过160 m。这是因为Multi-RTT机制下，短的采

样间隔会使得所测的RTT较接近，且卫星位置变化较小，

多次测量所生成的多个球面交集扩大，同样加剧定位的

不确定性。

和单星定位相比，多星定位策略通过选取用户视野

内空间分布较好的卫星群，单次测量即可捕获多组测量

值，不仅简化了测量流程，更在定位精度上超越了受收

敛时间限制而采用短间隔采样的单星定位方法，展现出

显著的性能优势。

4　结束语

本文研究了基于5G NTN体制的手机直连卫星定位技

术，提出了多种适合多星定位的算法，分析了影响定位

性能的因素，并进行了定位性能仿真评估。仿真结果表

明，NTN多星定位相对于NTN单星定位具有更高的定位

精度和更快的定位速度。可以预见，随着低轨巨型星座

卫星数量的不断增加，多星定位将成为NTN定位发展的

重要技术方向。此外，随着手机直连卫星成为业界热点，

基于NTN的手机直连卫星多星定位技术将与通信系统深

入融合，形成通信与导航的综合服务体系，促进星地融

合领域的通信导航一体化发展。

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[13] RP-223534, Revised WID: NR NTN (Non-Terrestrial Networks)

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[18] 孙晓南, 周世东, 侯利明, 等. 存量5G手机直连低轨卫星通信技

+?,>0-10 s

+?,>0-30 s

;?,>

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0

,>>)/km

2 4 6 8 10

3

0

-

5

,

)

图 8 Multi-RTT定位误差仿真结果

·42·

第 3 期 孙晓南等：基于NTN的手机直连卫星定位技术

术研究[J]. 信息通信技术, 2023, 17(5): 22-31.

SUN X N, ZHOU S D, HOU L M, et al. Research on technologies

of existing 5G mobile phone direct accessing to LEO satellite com‐

munication[J]. Information and Communications Technologies,

2023, 17(5): 22-31.

[作者简介]：

孙晓南 （1974—），男，中信科移动通信技术

股份有限公司总经理，长期从事移动通信新技

术研究，主要研究方向为5G、卫星通信等。

周世东 （1969—），男，清华大学信息技术研

究院无线中心副主任、电子系教授、博士生导

师，主要研究方向为无线与移动通信系统体

制、扩频与码分多址技术、信道编译码技术、

多天线系统与技术等。

康绍莉 （1974—），女，中信科移动通信技术

股份有限公司系统研究高级技术专家，长期从

事地面移动通信和卫星通信的新技术研究，在

中国通信标准化协会担任航空通信委员会系统

组副组长。

·43·

第 5 卷第 3 期

2024 年9 月

天 地 一 体 化 信 息 网 络

Space-Integrated-Ground Information Networks

Vol.5 No.3

September 2024

算存融合的天基承载网架构

丁春旭，丁熙浩，丁文慧，徐志平，虞志刚，陆 洲

（中国电子科技集团有限公司电子科学研究院，北京 100041）

摘 要：面向“网络无所不达、计算无处不在”的新一代泛在通信和服务一体化网络，多样化的业务应用存在对计算、存储

与网络资源等多种维度资源的需求。与此同时，在卫星网络高动态、弱连接场景下，如何高效调度统筹天、地多元异构的算

存资源，协同优化组网、传输、存储机制，建立天基计算、存储、网络联合的资源优化模型，提供高质量的天基承载网服务

是一个亟须解决的重要问题。针对该问题，在研究天基算存融合技术的发展现状的基础上，研究和分析其对天基承载网架构

的影响，并在此基础上提出一种算存融合的天基承载网架构，从组网优化、传输优化、存储优化、服务优化等4个方面系统分

析算存融合的天基承载网架构相较于传统天基承载网架构的优势，总结相关关键技术，以期为后续卫星网络的研究、建设和

标准化提供有价值的建议和参考。

关键词：算存融合；天基承载网；网络架构；天基计算

中图分类号：TN92

文献标识码：A

doi：10.11959/j.issn.2096-8930.2024027

Integrated Computing and Storage for Space

Transport Network Architecture

DING Chunxu, DING Xihao, DING Wenhui, XU Zhiping, YU Zhigang, LU Zhou

China Academy of Electronics and Information Technology, Beijing 100041, China

Abstrac: Facing the new generation of ubiquitous communication and integrated service network characterized by \"networks every‐

where and computing omnipresent\", diverse business applications have multi-dimensional resource requirements for computation, stor‐

age, and networking. At the same time, in the high-dynamic, weakly-connected scenarios of satellite networks, how to efficiently sched‐

ule and coordinate the multi-heterogeneous storage and computing resources of both space and ground, collaboratively optimize the net‐

working, transmission, and storage mechanisms, establish a space-based computing, storage, and network joint resource optimization

model, and provide high-quality space-based carrying network services is an important issue that urgently needs to be resolved. In re‐

sponse to this issue, based on the research and analysis of the development status of space-based computing and storage integration tech‐

nology and its impact on the space-based carrying network architecture, a space-based carrying network architecture with computing

and storage integration was proposed. From the perspectives of networking optimization, transmission optimization, storage optimiza‐

tion, and service optimization, the advantages of the computing and storage integrated space-based carrying network architecture com‐

pared to the traditional space-based carrying network architecture were systematically analyzed. The key technologies were summarized

and refined, with the aim of providing valuable suggestions and references for subsequent research, construction, and standardization of

satellite networks.

Keywords: integrated computing and storage, space transport network, network architecture, space computing

收稿日期：2024-04-30；修回日期：2024-08-01

通信作者：虞志刚，yzg11@tsinghua.org.cn

基金项目：国家重点研发计划资助项目（No. 2022YFB2902700）；国家自然科学基金资助项目（No. 62201534, No. 61931017）

Foundation Items：National Key Research&Development Program of China(No. 2022YFB2902700), The National Natural Science Foundation of China (No. 62201534,

No. 61931017)

第 3 期 丁春旭等：算存融合的天基承载网架构

0　引言

随着人类活动疆域从陆地向深海、深空不断扩展，为

切实保障远洋航行、应急救援等领域的网络通信需求，世

界各国纷纷布局以低轨星座为代表的卫星互联网，构建全

球无缝覆盖、服务无处不在的服务能力[1]

。卫星通信网络

具有广域覆盖、灵活组网、不受地面环境限制等优势，已

经成为下一代移动通信网络（6G）的重要组成部分[2]

。

纵观国内外典型卫星互联网星座，具体见表1，可发

现卫星通信网络有如下发展趋势。

（1）天基组网。卫星之间通过激光/微波星间链路组网

构成一张天基网络，已经成为国内外星座建设的发展方

向，如我国的天地一体化信息网络[1, 3]

、鸿雁星座以及智

慧天网[4]

；美国的 Iridium NEXT[5]

、Starlink[6]

、DARPA

Blackjack[7]

以及太空发展局（SDA）T1TL星座[8]

。

（2）星上计算。为了提高卫星网络的韧性，支持自主

智能运行[9-10]

，星上具有较强的计算处理能力已经成为卫

星网络发展的新趋势，如美国的 Blackjack 以及 T1TL 星

座，以及我国的天算星座[11]

、中国移动 01 星[12]

均支持

星上计算优化网络服务流程，以提供更高质量的通信

服务。

随着天基组网成为卫星通信网络发展的主流，作为

卫星通信网络的重要组成的天基承载网应运而生。天基

承载网是天基接入网和核心网等功能网元互联互通的

“基座”[3]

，主要由天基路由器、地基路由器、网络控

制器等通过星间、星地链路互联而成，负责传递信息和

指令，如图 1 所示。相较于地面承载网，天基承载网具

有拓扑动态时变、链路频繁切换等特征，无法直接继承

地面成熟的网络技术。现有天基承载网研究主要侧重于

解 决 拓 扑 时 变 场 景 下 如 何 稳 定 组 网 路 由 、 可 用 性

问题[3]

。

与此同时，随着航天电子技术的迅猛发展，特别是

商用货架器件的广泛应用，星上计算能力获得跃升，卫

星逐渐从“网络转发”向“计算服务”能力拓展，天基

云计算、数据实时在轨处理等新型服务对天基承载网的

高效可信等服务质量提出了新要求。

1 天基承载网发展现状

1.1　天基承载网基本概念

与地面移动通信系统相对应，天基接入网、天基核

心网以及天基承载网是卫星通信网络三大组成部分。

（1） 天基接入网。可以比喻为人的“四肢”，负责广

域分布的无线覆盖、无线接入，主要由部署在卫星侧的

星载基站等设备组成，重点负责卫星终端用户提供空中

接口，与核心网通过天地承载网相连，共同完成无线资

源分配、调度、管理接入策略等功能。相较于传统地面

接入网，天基接入网需要考虑星载重量、功耗、体积受

限和散热等因素以及空间复杂电磁环境的影响[2]

。

（2） 天基核心网。可以比喻为人的“大脑”，是整个

网络的管理中枢，主要负责用户鉴权、移动性管理、业

务传输、位置服务以及策略计费等功能，是通信系统的

控制大脑，通过天基承载网与天基接入网进行互联，共

表1 国内外典型卫星互联网星座

名称

Iridium NEXT

天地一体化信息

网络

Starlink

鸿雁星座

智慧天网

DARPA Blackjack

SDA T1TL

天算星座

中国移动01星

时间

2007年

2013年

2015年

2018年

2019年

2019年

2020年

2021年

2024年

国家

美国

中国

美国

中国

中国

美国

美国

中国

中国

轨道类型

低轨

高低轨

低轨

低轨

中轨

低轨

低轨

低轨

低轨

组网模式

天基组网

天基组网

天基组网

天基组网

天基组网

天基组网

天基组网

天基组网

不详

备注

星上计算

星上计算

星上计算

星上计算

-.>?

D.>? Si

Si

+6C

Si

Si

?B0C

?B0C

Si

.2D?

A>D?

'9D?

19= )B= /?=

+62D8

<0)B=

+.>?

图1　天基承载网架构示意

·45·

天地一体化信息网络 第 5 卷

同完成对用户相关的管理功能。天基核心网可以部署在

地面段，通过轻量化裁剪之后也可以部署在卫星节点之

上。天基核心网部署在卫星节点，重点需要考虑天基有

限的重量、功耗、体积等物理限制条件，进行按需裁剪，

并考虑天地分布式部署[2]

。

（3） 天基承载网。可以比喻为人四通八达的“脉

络”，负责连接“四肢”和“大脑”，主要由天基路由器、

地基路由器、网络控制器等通过星间、星地链路互联而

成[3]

，是天基接入网和核心网等功能网元互联互通的

“基座”（有时需要与地面承载网联合，构建“天基接入

网—天基承载网—地面承载网—核心网”的完整通路），

主要负责传递信息和指令，是本文讨论的重点。相较于

地面承载网，天基承载网具有拓扑动态时变、链路频繁

切换等特征，无法直接继承地面成熟的网络技术；现有

天基承载网研究主要侧重于解决拓扑时变场景下如何稳

定组网路由、可用性问题，主要可以分为两类：拓扑结

构以及路由算法研究。

1.2　拓扑结构研究现状

拓扑结构作为卫星互联网的关键特征之一，直接决

定了卫星互联网网络容量的理论上限，学术界进行了大

量的探索研究。为实现全球覆盖、泛在通联，仅需3颗静

止轨道卫星即可实现纬度75°以下区域全覆盖，通过十几

颗中轨卫星也能实现全球覆盖，而低轨卫星则需要几十

颗乃至成百上千颗实现，因此卫星网络的拓扑设计成了

研究的热点问题。天基承载网架构如图2所示。

（1）单层星座拓扑研究

铱星系统是单层卫星星座的典型，其通过部署66颗

780 km高度的近极轨星座实现全球无缝覆盖。除此之外，

Globalstar （1999 年 ， 1 400 km， 48 颗 星）、 OneWeb

（2012年，720 km，600颗星） 等星座均采用了单层星座

的设计。参考文献[13]围绕星座拓扑，从网络覆盖率、系

统吞吐量、业务往返时延等方面对比分析了不同卫星星

座部署、信关站部署方案。参考文献[14-16]将低轨卫星

星座网络拓扑抽象成为一个时变的Mesh网络。

（2）多层星座拓扑研究

星链系统 （Starlink） 是美国太空探索公司提出的多

层低轨卫星拓扑的典型案例，根据最新报道，星链二代

系统由轨道高度位于340~614 km的共9个子星座 （共计

288 个轨道面） 组成，构成一个复杂的拓扑。针对 Star‐

link星座，参考文献[17-18]从理论上分析了任意两颗星链

卫星之间的最短星间通信链路距离与最小通信时延。除

此之外，参考文献[19-20]提出了高、中、低轨等多层卫

星混合组网的网络拓扑，不仅同轨道卫星之间彼此建立

星间链路，不同轨道之间也仍然建立星间链路，构成一

个三维立体的卫星网络拓扑。

整体而言，卫星通信网络星座拓扑的设计是根据覆

盖、带宽、时延等应用需求以及建设成本、建设周期等

实际约束条件综合评估之后的折衷结果。

1.3　路由算法研究现状

路由是解决天基承载网互联互通的关键，也是当前

学术界和工业界研究的热点内容。按照路由控制方式通

常可以分为集中式路由、分布式路由、集中式与分布式

相结合的路由。

（1）集中式路由研究

集中式路由基于软件定义网络 （Software Defined

Network，SDN） 理念，具体是指天基承载网中的天基路

?.C

/?= ?.C

?B0C

<+)B=

<0)B= +6)B=

19=

+

6

)

B

=

PDN

S-GW S-AMF

S-SMF S-UPF

?B5A8

UE 8<=5

图2　天基承载网架构

·46·