60多年來，美國一直在環(huán)繞地球的軌道上運(yùn)行衛(wèi)星。今天，包括國防部（DoD）和美國國家航空航天局（NASA）在內(nèi)的幾個美國政府機(jī)構(gòu)都在運(yùn)營衛(wèi)星，許多外國和眾多商業(yè)公司也是如此。根據(jù)最近的一項研究，截至 2022 年5月，約有 ，1000 顆運(yùn)行衛(wèi)星在軌運(yùn)行。其中許多衛(wèi)星作為星座的一部分運(yùn)行。（星座是一組衛(wèi)星，從幾顆到數(shù)百顆或更多，共同執(zhí)行特定任務(wù)。預(yù)計在未來十年內(nèi)，軌道衛(wèi)星的數(shù)量將猛增，這主要是因為一些新的大型商業(yè)衛(wèi)星星座在相對較低的高度軌道上運(yùn)行。在本報告中，國會預(yù)算辦公室介紹了衛(wèi)星和星座的基本知識，描述了大型星座預(yù)計增長的原因和后果，并討論了部署這些星座的成本。

【資料圖】

衛(wèi)星基礎(chǔ)知識

衛(wèi)星是復(fù)雜的技術(shù)設(shè)備，其設(shè)計和裝備用于在軌道上執(zhí)行特定任務(wù)。衛(wèi)星的任務(wù)和軌道高度決定了機(jī)載所需設(shè)備的能力。每種類型的任務(wù)都需要特定的設(shè)備。例如，執(zhí)行地球觀測任務(wù)的衛(wèi)星需要具有不同功能的望遠(yuǎn)鏡，而通信衛(wèi)星則需要能夠接收和傳輸信號給地球表面用戶和軌道上其他衛(wèi)星的設(shè)備。

衛(wèi)星任務(wù)的常見類別

大多數(shù)衛(wèi)星執(zhí)行的任務(wù)分為三類：地球觀測、導(dǎo)航或通信。

有幾種不同類型的地球觀測任務(wù)。一種常見的任務(wù)類型是識別和監(jiān)測環(huán)境現(xiàn)象，如天氣、野火和極地冰蓋。例如，美國宇航局的地球觀測系統(tǒng)為此目的使用了各種配備望遠(yuǎn)鏡的衛(wèi)星，包括收集地球表面圖像的Landsat系列。另一種類型的地球觀測任務(wù)是監(jiān)視外國對國家安全構(gòu)成潛在威脅的活動。例如，國防部的天基紅外系統(tǒng)監(jiān)測全球，以探測和表征導(dǎo)彈發(fā)射。設(shè)備的具體功能取決于任務(wù)：檢測環(huán)境趨勢可能只需要分辨率（物體之間的距離，可以明顯區(qū)分它們之間的距離），以公里（km）為單位;相比之下，檢測新的軍事裝備可能需要幾米（m）或幾十厘米的分辨率。

導(dǎo)航任務(wù)允許地球上的用戶通過接收來自多顆衛(wèi)星的信號來確定他們的位置。國防部最初建造了全球定位系統(tǒng)（GPS）衛(wèi)星星座以支持軍事導(dǎo)航，但它的使用也已為公眾廣泛傳播。

通信任務(wù)有幾個常見的應(yīng)用，包括衛(wèi)星電話（如銥星，Globalstar和Inmarsat），電視和廣播（如Dish和SiriusXM），以及最近的互聯(lián)網(wǎng)接入（如Viasat和Starlink）。此外，許多軍事應(yīng)用依賴于軍用和商業(yè)衛(wèi)星進(jìn)行語音和數(shù)據(jù)通信。這些衛(wèi)星通常具有從用戶接收信號然后將該信號中繼給指定接收者的設(shè)備。

衛(wèi)星如何保持在軌道上

物體在地球表面上方的軌跡是由地球的引力和物體的初始速度（即其運(yùn)動的方向和速度）決定的。繞地球軌道上的物體沿著平衡運(yùn)動的路徑行進(jìn)，這樣物體就不會靠近地球表面。（下面的描述有點理想化，以便于解釋。

重力隨著兩個物體之間距離的增加而減小。因此，地球?qū)μ罩形矬w的引力引起的加速度隨著物體在地球表面上方的高度（即其高度）的增加而迅速減小。例如，在1公里的高度，大約是地球表面加速度的四分之三;在36000公里的高度，它大約是表面加速度的五分之一。因此，物體離地球表面越近，它在給定時間內(nèi)落得越遠(yuǎn)。

當(dāng)重力將物體拉向地球時，它的初始速度正在推動它穿過地球表面。如果這個速度恰到好處，即使物體已經(jīng)下落，它也會在地球表面移動，所以它不會離地球更近。當(dāng)這種情況發(fā)生時，該物體被稱為在軌道上。由于高度對重力加速度的影響，對于較低高度的物體，維持軌道所需的初始速度更高。

高度和初始速度對衛(wèi)星軌跡的影響

重力總是將物體拉向地球（左上圖）。物體在地球表面的初始速度決定了除了下落之外會發(fā)生什么。如果速度太低，物體將在表面上移動，但仍會撞擊地球（右上圖）。如果速度太高，它將錯過地球并進(jìn)入太空（左下圖）。如果速度恰到好處，它將繞地球轉(zhuǎn)一圈，然后返回相同的原始點，一條稱為軌道的路徑（右下圖）。

衛(wèi)星功能與設(shè)計

衛(wèi)星由特定任務(wù)的有效載荷（如望遠(yuǎn)鏡或其他傳感器、通信包或允許用戶確定其位置的精確時鐘）和衛(wèi)星總線組成，衛(wèi)星總線容納使有效載荷能夠執(zhí)行其任務(wù)的設(shè)備。該設(shè)備通常包括一個容納各種設(shè)備的結(jié)構(gòu)和一個保護(hù)它們免受空間環(huán)境影響的外殼、電源（通常是太陽能電池板）、熱控制設(shè)備（在衛(wèi)星進(jìn)出地球陰影時調(diào)節(jié)衛(wèi)星的溫度）、儲存能量的電池，以便在衛(wèi)星處于地球陰影中時使用， 用于確定（通常是觀察恒星圖案的相機(jī)）和控制衛(wèi)星位置及其對齊的設(shè)備（包括用于操縱衛(wèi)星的小型火箭發(fā)動機(jī)），以及與地面控制器通信的設(shè)備。衛(wèi)星的費用包括公共汽車和特定任務(wù)的設(shè)備。

衛(wèi)星總線的能力會影響衛(wèi)星的壽命和有效載荷的性能。例如，衛(wèi)星總線中的推進(jìn)劑量或電池可以經(jīng)歷的放電-充電循環(huán)次數(shù)可能會限制衛(wèi)星的使用壽命。總線提供多少電力以及它可以在電池中存儲多少電力會影響衛(wèi)星有效載荷的性能。衛(wèi)星總線還決定了衛(wèi)星的指向精度（即衛(wèi)星控制其傳感器的位置和對齊的能力）。某些任務(wù)可能需要高度的準(zhǔn)確性，以確保衛(wèi)星與先前觀測完全相同。

衛(wèi)星的典型組件

衛(wèi)星由幾個組件組成，包括通信天線和望遠(yuǎn)鏡等特定任務(wù)的有效載荷、用于供電的太陽能電池板，以及通常用于其他有效載荷設(shè)備（如電子設(shè)備）和其他提供基本內(nèi)務(wù)管理服務(wù)的設(shè)備（如與地面操作員的通信、位置確定和其他功能）的外殼。

軌道基礎(chǔ)知識

除了選擇特定任務(wù)的設(shè)備外，任務(wù)規(guī)劃人員還需要確定衛(wèi)星將在太空中的哪個位置運(yùn)行。大多數(shù)衛(wèi)星在地球表面上方300公里（或約190英里）至約36，000公里（約22，000英里）之間的大致圓形軌道上運(yùn)行。一般來說，衛(wèi)星離地球表面越遠(yuǎn)（即高度越高），衛(wèi)星設(shè)備執(zhí)行任務(wù)的能力就越強(qiáng)。

衛(wèi)星高度決定軌道狀態(tài)

大多數(shù)衛(wèi)星在三種軌道類別或制度之一中運(yùn)行，由其高度定義：

低地球軌道（LEO）。LEO中的衛(wèi)星的高度約為300公里至2，000公里。例如，國際空間站的軌道距離約為400公里，衛(wèi)星電話提供商銥星的軌道距離約為780公里。相比之下，商用客機(jī)在大約 10 公里的高度飛行。

中地球軌道。MEO中的衛(wèi)星的高度為2，000公里至35，786公里，但該制度中的大多數(shù)衛(wèi)星在地球表面上方18，000公里至24，000公里之間運(yùn)行。例如，GPS星座的軌道距離為20，200公里。

地球同步軌道。地球靜止軌道上的衛(wèi)星在35，786公里的高度。在這個高度，衛(wèi)星需要24小時才能繞地球一圈，因此與地球的自轉(zhuǎn)同步移動。在赤道上空運(yùn)行的衛(wèi)星將在整個軌道上保持在同一地面位置的上方，這被稱為地球靜止軌道。

所有常用軌道上的衛(wèi)星都以非常高的速度運(yùn)行：國際空間站以每秒約7.7公里的速度運(yùn)行，相當(dāng)于每小時超過17，000英里，GEO中的衛(wèi)星以每秒約3.1公里的速度運(yùn)行，或每小時約7，000英里。

共同軌道制度

一顆位于地球上空1 000公里低地球軌道的衛(wèi)星大約每90分鐘繞地球一周，一顆位于地球上空約18 000公里的中地球軌道上的衛(wèi)星大約需要12小時，一顆在地球同步軌道上的衛(wèi)星大約需要24小時。

軌道狀況決定衛(wèi)星特性

目前在軌運(yùn)行的衛(wèi)星中約有85%處于LEO中。但這種主導(dǎo)地位并非總是如此——就在10年前，GEO和LEO的衛(wèi)星數(shù)量大致相同。低地球軌道衛(wèi)星的大幅增長將在本報告后面更詳細(xì)地討論。

衛(wèi)星通常被放置在最適合其任務(wù)的軌道上?？紤]像GPS這樣的導(dǎo)航衛(wèi)星。為了確定它們的位置，用戶需要能夠同時接收來自四顆或更多衛(wèi)星的信號。如果這些衛(wèi)星分布在天空中，GPS接收器確定的位置將更加準(zhǔn)確。MEO中的衛(wèi)星很好地滿足了這一要求 - 它們在天空中相對緩慢地移動，在地球表面的給定位置停留數(shù)小時。（相比之下，LEO中的衛(wèi)星僅在視野中顯示約10分鐘，而GEO衛(wèi)星始終保持在視野中。MEO中的衛(wèi)星也可以安排覆蓋整個地球緯度范圍，而GEO衛(wèi)星通常只在赤道上。因此，幾乎所有具有導(dǎo)航任務(wù)的衛(wèi)星都在MEO中。

按軌道制度分列的衛(wèi)星特性

衛(wèi)星的特性和成本取決于它們的任務(wù)。通信是LEO和GEO中最常見的任務(wù)，但導(dǎo)航主導(dǎo)著MEO。

在許多情況下，低軌道衛(wèi)星的設(shè)備功能較弱，計劃運(yùn)行壽命較短。這些因素通常導(dǎo)致衛(wèi)星的質(zhì)量小于為地球觀測小組設(shè)計的衛(wèi)星;質(zhì)量較小的衛(wèi)星通常比質(zhì)量較大的衛(wèi)星成本更低。

軌道高度決定了地球的可見程度

地球上在衛(wèi)星視線范圍內(nèi)的區(qū)域（稱為其關(guān)注場）隨高度而變化——衛(wèi)星越高，它能看到的區(qū)域就越大。一些任務(wù)要求衛(wèi)星大致位于所觀察區(qū)域的頭頂，從而減少了在任何給定時間可以有效查看的區(qū)域，而其他任務(wù)則允許衛(wèi)星以一定角度觀察，從而增加其覆蓋區(qū)域。

由于衛(wèi)星總是沿著其軌道路徑移動，因此大多數(shù)衛(wèi)星可以看到地球上特定點的時間是有限的，并且衛(wèi)星離地球越近，時間就越短。GEO衛(wèi)星可以無限期地觀察一個給定的點（如果它們能看到的話），因為它們的視場相對于地球表面是固定的，而MEO衛(wèi)星可以觀察一個給定的點幾個小時，LEO衛(wèi)星可以觀察大約10分鐘。

各種軌道衛(wèi)星的視野

此插圖表示低地球軌道（1，000 公里）、近地球軌道（18，000 公里）和地球靜止軌道（35，786 公里）中衛(wèi)星的觀察區(qū)域（關(guān)注場）的三維描述。此處表示的覆蓋區(qū)域考慮了地球的幾何形狀，但沒有考慮其他變量，例如與傳感器相關(guān)的視角限制。

衛(wèi)星的傳感器能力決定了可以觀測到多少地球

由于傳感器的觀察幾何形狀的限制，衛(wèi)星傳感器在任何時候都可以觀察到的實際區(qū)域（傳感器的視場）可能小于衛(wèi)星的視場。例如，某些類型的觀測可能需要傳感器向下看地球表面（而不是從側(cè)面看）。為了說明傳感器關(guān)注領(lǐng)域施加的一組典型限制，CBO應(yīng)用了從地球上的某個點看到的衛(wèi)星必須至少高于地平線20度才能有效地查看該點的限制。

實際上，傳感器在任何給定時刻都可能查看更小的區(qū)域。一些傳感器通過一次僅查看其關(guān)注領(lǐng)域的一部分來管理產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量或?qū)崿F(xiàn)更高的分辨率。該區(qū)域稱為傳感器的視野，位于傳感器視場定義的區(qū)域內(nèi)的某個位置。

使用單個傳感器關(guān)注范圍內(nèi)的平方英里數(shù)并使用20度約束進(jìn)行簡單計算意味著4顆GEO衛(wèi)星（或5顆MEO衛(wèi)星或約50顆LEO衛(wèi)星）可以保持100%覆蓋地球。然而，衛(wèi)星不能簡單地保持在最佳位置——它們必須在軌道上運(yùn)行，沿著軌道路徑連續(xù)移動（軌道路徑被限制在一個軌道平面上，軌道軌跡和地球中心都位于其中），而地球繼續(xù)在它們下面旋轉(zhuǎn)。因此，計算衛(wèi)星可以查看的實際區(qū)域以及何時可以查看這些區(qū)域是相當(dāng)復(fù)雜的。

各種軌道上的傳感器和衛(wèi)星的視野和關(guān)注場

如果視角必須至少高于地平線 20 度，則傳感器的視場（中間圓）小于衛(wèi)星的視場（外圓）。具有非常寬視野的相機(jī)可能能夠看到其關(guān)注范圍內(nèi)的任何地方，但大多數(shù)傳感器在任何給定時刻看到的區(qū)域都比其關(guān)注區(qū)域小得多（最小的橢圓形）。

軌道傾角決定了地球的哪個部分是可見的

當(dāng)衛(wèi)星在其軌道上飛行時，它會在地面上追蹤一條路徑，該路徑取決于衛(wèi)星的相對運(yùn)動和地球的自轉(zhuǎn)。軌道的傾角（即軌道相對于赤道的角度）決定了衛(wèi)星在其軌道上在地球表面上的南北行駛距離。赤道軌道（0 度傾角）中的衛(wèi)星將在整個軌道上沿赤道運(yùn)行。當(dāng)傾角從 0 度增加到 90 度時，衛(wèi)星將追蹤一條達(dá)到等于其傾角的最大緯度（北和南）的路徑。

對于具有廣泛視野的衛(wèi)星，如GEO中的衛(wèi)星，赤道軌道可以進(jìn)入地球的大部分地區(qū)，包括一些接近（但尚未完全到達(dá)）極地地區(qū)的高緯度地區(qū)。LEO衛(wèi)星通常具有更小的視野，并且必須具有更高的觀察高緯度的傾向。許多低地球軌道衛(wèi)星使用所謂的極地軌道，傾角約為80度或更大，以覆蓋每個軌道期間的所有緯度范圍。

三顆低地球軌道衛(wèi)星在它們下方旋轉(zhuǎn)時的路徑

顯示的三條軌道代表LEO中的軌道，每個軌道都有不同的傾角。隨著地球繼續(xù)自轉(zhuǎn)，路徑中給定點正下方的位置從一個軌道周期變?yōu)橄乱粋€軌道周期。

三顆低地球軌道衛(wèi)星在地球上空的路徑投影

這些軌道代表與上圖中相同的衛(wèi)星，在一個90分鐘的軌道上。地球的運(yùn)動和衛(wèi)星的運(yùn)動在這個投影中結(jié)合在一起。下一個軌道將追蹤一條不同的路徑，該路徑從這條軌道結(jié)束的地方開始。

衛(wèi)星星座

衛(wèi)星星座是衛(wèi)星的集合，其中衛(wèi)星的軌道和位置是協(xié)調(diào)的，它們的集體能力被用來配合任務(wù)。星座通常由幾個平面上的衛(wèi)星組成，每個平面上的軌道上有許多衛(wèi)星間隔。衛(wèi)星可以相當(dāng)容易地改變它們在飛機(jī)內(nèi)的相對位置，但飛機(jī)之間的運(yùn)動需要大量的推進(jìn)劑，并且可能會縮短衛(wèi)星的壽命。7在某些星座中，每架飛機(jī)都包括備用衛(wèi)星，可以將其移動到位以替換同一平面內(nèi)任何出現(xiàn)故障的衛(wèi)星。

星座大小和觀測頻率

由于一顆衛(wèi)星在地球在其下方旋轉(zhuǎn)的同時沿其軌道不斷移動，因此一顆衛(wèi)星（地球同步軌道上的衛(wèi)星除外）通?？梢栽趲滋靸?nèi)以相當(dāng)狹窄的視野（或更常見的更大視野）觀察地球的大部分地區(qū)。對于一些任務(wù)，如環(huán)境監(jiān)測，只需要每隔一兩天進(jìn)行一次觀測，一顆衛(wèi)星可能就足夠了。但是，對于需要始終（或幾乎所有時間）覆蓋全球的任務(wù)，需要將多顆衛(wèi)星組合成一個星座。由于LEO中的每顆衛(wèi)星都可以看到相對較小的區(qū)域，因此這些星座通常需要比MEO或GEO中的星座擁有更多的衛(wèi)星才能實現(xiàn)相同的覆蓋范圍。

1公里低地球軌道上的衛(wèi)星星座

一個由72顆衛(wèi)星組成的星座，分為6個平面，每個平面上有12顆衛(wèi)星（左圖），提供幾乎完整的全球覆蓋。在右側(cè)面板中，藍(lán)色錐體顯示了衛(wèi)星傳感器的視場。傳感器的覆蓋范圍之間存在一些小差距，主要是在赤道地區(qū)。所有72顆衛(wèi)星都以80度的傾角運(yùn)行。

軌道高度和星座覆蓋范圍

為了對衛(wèi)星在不同軌道高度通常提供的覆蓋范圍進(jìn)行定量比較，CBO考慮了三個提供可比全球覆蓋范圍的星座的說明性示例：

一個地球同步星座，由4顆地球同步高度的衛(wèi)星組成，在單個平面上以0度傾角等距（即在赤道上空）;

一個MEO星座，由8顆衛(wèi)星組成，高度為18，000公里，分為2個平面，每架飛機(jī)4顆衛(wèi)星，傾角為45度;

一個LEO星座，由72顆衛(wèi)星組成，高度為1，000公里，分為6個平面，每平面12顆衛(wèi)星，傾角為80度（與上一節(jié)圖中所示的星座相同）。

所有這三個星座平均覆蓋全球約90%至95%。8然而，該覆蓋范圍的細(xì)節(jié)因緯度范圍而異，在幾個軌道周期的過程中，不同的星座將進(jìn)入地球的不同地區(qū)。在每種情況下，增加更多的衛(wèi)星 - 以額外的成本 - 可以增加覆蓋范圍。例如，在極地傾角增加一些衛(wèi)星可以使GEO星座實現(xiàn)全球全面覆蓋，就像美國的預(yù)警衛(wèi)星星座一樣。增加另一架衛(wèi)星飛機(jī)可以使LEO星座更接近提供全面的全球覆蓋。

涵蓋三個說明性星座

百分之

GEO星座提供高達(dá)約50度緯度的全面覆蓋，但在兩極附近沒有;MEO星座提供全覆蓋，除了緯度60度左右的波段;LEO星座在高緯度地區(qū)提供約95%的覆蓋率，但在赤道附近下降到約80%。

低地球軌道上的大型星座

星座由許多衛(wèi)星組成的想法并不新鮮，盡管近年來“許多”的含義發(fā)生了變化。GPS星座已經(jīng)運(yùn)行了幾十年，由MEO中的大約30顆衛(wèi)星（其中一些是軌道上的備用衛(wèi)星）組成。商業(yè)銥星星座在1990年代后期發(fā)射了最初的衛(wèi)星，在LEO運(yùn)行約75顆衛(wèi)星（包括備用衛(wèi)星）用于通信。目前星座的概念要大得多。例如，聯(lián)邦通信委員會最近批準(zhǔn)向第二代Starlink星座發(fā)射7，500顆衛(wèi)星，目前正在考慮為該星座再發(fā)射22，500顆衛(wèi)星。

在低地球軌道使用衛(wèi)星星座的最近趨勢

近年來，在低地球軌道上運(yùn)行的衛(wèi)星數(shù)量大幅增加，這在很大程度上是由對商業(yè)星座的投資推動的。如果目前的商業(yè)計劃完全實現(xiàn)，其中一些星座將包括數(shù)千顆衛(wèi)星。國防部的太空發(fā)展局也在為各種任務(wù)制定數(shù)百顆衛(wèi)星的星座計劃，其中大部分在LEO中。

一些技術(shù)發(fā)展促進(jìn)了大型星座數(shù)量的增加。從歷史上看，衛(wèi)星通常使用動手實驗室過程一次建造一顆。然而，現(xiàn)在，大規(guī)模生產(chǎn)衛(wèi)星的工藝和設(shè)施開始被使用。此外，火箭發(fā)射供應(yīng)商的數(shù)量大幅增加，降低了向低地球軌道發(fā)射衛(wèi)星的成本。

不同軌道狀態(tài)下的衛(wèi)星

數(shù)以千計的衛(wèi)星

在2010年代中期，所有三個軌道制度的衛(wèi)星數(shù)量緩慢但持續(xù)增長。從2018年左右開始，在LEO中運(yùn)行的衛(wèi)星數(shù)量開始急劇增長。

這種增長是由商業(yè)公司建造的所謂巨型星座刺激的。SpaceX憑借其Starlink通信衛(wèi)星星座引領(lǐng)潮流，占2020年和2021年LEO衛(wèi)星發(fā)射量的一半以上。

在低地球軌道使用衛(wèi)星的高分辨率地球觀測任務(wù)

地球觀測任務(wù)經(jīng)常使用低地球軌道上的衛(wèi)星，因為望遠(yuǎn)鏡在短距離內(nèi)更容易產(chǎn)生高分辨率圖像。如果需要一定的分辨率來完成衛(wèi)星的任務(wù)，如果衛(wèi)星處于較低的高度（因此通常更接近被觀測物體），則可以使用較小的望遠(yuǎn)鏡來實現(xiàn)。

這是因為望遠(yuǎn)鏡產(chǎn)生高分辨率圖像的能力與其區(qū)分靠近的物體的能力有關(guān)。光的波動性質(zhì)限制了可以區(qū)分的物體之間的最小角度，稱為衍射極限。該限制取決于被觀察光的波長（例如，紅外或紫外線）和望遠(yuǎn)鏡主光學(xué)元件（用于聚焦入射光的最大透鏡或鏡子）的直徑（），稱為望遠(yuǎn)鏡的孔徑，由下式給出。

因此，望遠(yuǎn)鏡越大，可以解析的角度分離越?。捶直媛试胶茫＝嵌确蛛x與地球表面上兩個物體可以相互區(qū)分（解析）的最小距離有關(guān)，稱為望遠(yuǎn)鏡的地面分辨率，其中是望遠(yuǎn)鏡與被觀察物體之間的距離。因此，對于給定的望遠(yuǎn)鏡孔徑，衛(wèi)星離物體越近，就越能清楚地看到它。

較小的望遠(yuǎn)鏡通常比較大的望遠(yuǎn)鏡成本低。美國宇航局的研究得出結(jié)論，望遠(yuǎn)鏡孔徑是決定太空望遠(yuǎn)鏡成本的主要因素。

各種孔徑尺寸的衍射極限分辨率

米（對數(shù)刻度）

望遠(yuǎn)鏡越大，分辨率越好（越?。?。哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的孔徑約為2.5米。

使用三種不同的望遠(yuǎn)鏡孔徑，顯示了在可見光譜中心附近500納米波長（對應(yīng)于藍(lán)綠色光）的地面分辨率的衍射極限。

在低地球軌道使用衛(wèi)星的通信任務(wù)

使用低地球軌道衛(wèi)星執(zhí)行通信任務(wù)既有優(yōu)勢也有挑戰(zhàn)。低海拔的衛(wèi)星可以從地面接收通信信號，并比高海拔的衛(wèi)星更快地發(fā)回通信信號。延遲（通常稱為延遲）對于GEO來說可能高達(dá)四分之一秒，這可能會給某些應(yīng)用程序帶來問題，例如遠(yuǎn)程控制飛機(jī)。

為了與地球另一端的人進(jìn)行通信，信號還需要在返回地球之前從一顆衛(wèi)星傳輸?shù)搅硪活w衛(wèi)星（也許還有更多）。這種衛(wèi)星間傳輸時間增加了所有軌道制度的延遲。即便如此，使用低地球軌道衛(wèi)星中繼的信息的總傳輸時間（地面到衛(wèi)星時間的總和、每顆衛(wèi)星處理信號的時間、信號傳播到鏈中下一顆衛(wèi)星的時間以及最終衛(wèi)星到地面的時間）比使用MEO或GEO衛(wèi)星中繼的信息短得多。

然而，對于低軌道的衛(wèi)星來說，與衛(wèi)星星座的通信更為復(fù)雜。如果地球上的某個點在地球靜止軌道衛(wèi)星的視野內(nèi)，它將無限期地保留在那里，用戶和衛(wèi)星之間的通信可以建立，而無需更換衛(wèi)星;這就是為什么衛(wèi)星電視天線不動的原因。較低高度的衛(wèi)星在較短的時間內(nèi)觀察地球上的任何給定點。MEO中的人在他們的視野內(nèi)保持地球上的給定點大約10個小時，因此每天大約兩次，地面用戶需要與新衛(wèi)星建立鏈接以保持通信。對于LEO來說，這種情況更具挑戰(zhàn)性，因為這些衛(wèi)星在其視野中僅保持給定點約10分鐘。在這種情況下，如果需要連續(xù)通信，則需要反復(fù)建立新的通信鏈路。

在地球表面?zhèn)鬏?3，000公里的信號的時間

毫秒

使用衛(wèi)星星座，消息從地球表面的一個位置傳播到另一個位置的傳輸時間因星座的高度而異。

低空衛(wèi)星與地面用戶的通信速度更快，但鏈中需要更多的衛(wèi)星。然而，對于低高度軌道，每顆衛(wèi)星之間的距離較短。總體而言，LEO的總運(yùn)輸時間約為MEO的一半，GEO的四分之一。

大星座在低地球軌道上的優(yōu)勢

與較小的星座相比，大型衛(wèi)星星座具有多種優(yōu)勢，特別是在損壞的衛(wèi)星方面。近年來，國防部對對手干擾美國衛(wèi)星的能力表示擔(dān)憂。根據(jù)公開報告，對手可以使用各種方法暫時或永久禁用衛(wèi)星連接。此類攻擊造成的損害可能從物理破壞（由從地球發(fā)射的攔截導(dǎo)彈引起）到信號中斷（由對手廣播噪聲以壓倒或干擾衛(wèi)星通信引起）。12擁有許多衛(wèi)星的星座的一個潛在優(yōu)勢是，與較小的星座相比，它們的覆蓋范圍和功能可能會逐漸下降，也就是說，衛(wèi)星的丟失不會導(dǎo)致覆蓋范圍的突然喪失。此外，一顆受損的衛(wèi)星會很快脫離低地球軌道感興趣區(qū)域的視野，而一顆功能正常的衛(wèi)星將進(jìn)入視野。最后，損壞的衛(wèi)星可以很快更換。大型星座可能已經(jīng)有備用衛(wèi)星在軌，運(yùn)營商可能會不斷生產(chǎn)和發(fā)射衛(wèi)星，作為正常補(bǔ)給周期的一部分，以便在衛(wèi)星老化時更換衛(wèi)星;這些行動可用于提前更換受損的衛(wèi)星。

用于通信的大型星座也有可能使用多個備用路徑在禁用衛(wèi)星周圍路由信號。然而，這種彈性需要快速和適應(yīng)性的方法來管理通信網(wǎng)絡(luò)，并且可能具有挑戰(zhàn)性。

CBO通過移除衛(wèi)星來模擬其說明性星座中的覆蓋范圍下降，這將導(dǎo)致每一步最大的覆蓋范圍損失。從這個意義上說，該機(jī)構(gòu)的結(jié)果可以被認(rèn)為是最壞的情況。但是，同時破壞多顆衛(wèi)星的大規(guī)模攻擊也是可能的。例如，對衛(wèi)星計算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)攻擊可能會影響星座的很大一部分;這樣的攻擊會產(chǎn)生不同的效果。

三個說明性星座的衛(wèi)星覆蓋范圍下降

衛(wèi)星覆蓋百分比

隨著單個衛(wèi)星被禁用，MEO和GEO星座提供的覆蓋范圍迅速下降，因為每個禁用衛(wèi)星占星座總數(shù)的很大一部分。更大的LEO星座對衛(wèi)星的損失更加強(qiáng)大，因為即使有些衛(wèi)星被禁用，仍有更多的衛(wèi)星可用于任務(wù)。

大型星座和越來越多的碎片物體

衛(wèi)星與軌道上的其他人造物體共享空間，稱為軌道碎片，它們來自兩個主要來源。首先，例行的太空作業(yè)通常會在軌道上留下碎片，包括用過的火箭體和載人飛行任務(wù)產(chǎn)生的廢物。其次，如果衛(wèi)星破裂，有時會留下大量碎片。衛(wèi)星解體的原因有很多。它們偶爾會因故障而碎裂，被與其他衛(wèi)星或碎片碰撞摧毀，或被導(dǎo)彈擊中。后一類更為罕見，但發(fā)生了兩個值得注意的案例：2007 年的中國反衛(wèi)星試驗和 2021 年的俄羅斯反衛(wèi)星試驗。

一些碎片足夠大，可以追蹤，有可能避免;其他碎片太小而無法追蹤，但仍然大到足以損壞航天器。一旦產(chǎn)生，碎片可以在軌道上停留多年，這取決于其高度和其他因素。（低空的碎片落出軌道的速度更快。美國宇航局的一項研究發(fā)現(xiàn)，1985年美國在約500公里高度進(jìn)行的反衛(wèi)星導(dǎo)彈試驗的碎片在事件發(fā)生近20年后仍留在軌道上。

一般來說，如果更多的物體在特定區(qū)域移動，則其中一些更有可能（或幾乎）相互碰撞。美國運(yùn)營著一個跟蹤衛(wèi)星和碎片的系統(tǒng)，以警告世界各地的衛(wèi)星運(yùn)營商潛在的碰撞，以便他們能夠操縱衛(wèi)星以避免碰撞。這種機(jī)動可以使衛(wèi)星暫時停止運(yùn)行，并要求它們?nèi)紵恍┯邢薜娜剂希瑥亩赡芸s短其使用壽命。

雖然衛(wèi)星可以操縱以避免碰撞，但碎片不能。碎片之間的碰撞可能會產(chǎn)生更多的碎片，特別是如果碰撞物體很大。如果軌道上的物體數(shù)量達(dá)到臨界密度，碎片就會自我延續(xù)。這種現(xiàn)象被稱為凱斯勒綜合癥，可能導(dǎo)致某些軌道無法用于衛(wèi)星運(yùn)行。14

繞地球運(yùn)行的物體

軌道碎片物體的數(shù)量大幅增加，特別是自2005年以來，部分原因是具體事件。

在過去的15年里，軌道上的物體總數(shù)——碎片和航天器——大約翻了一番。其中絕大多數(shù)增長發(fā)生在LEO高度。

大星座對地球活動的干擾

在低地球軌道上有許多物體的另一個潛在缺點是它們會干擾地球上的活動。例如，從衛(wèi)星反射的陽光是肉眼可見的，根據(jù)最近的一份報告，如果計劃中的星座完全部署，可能占夜空中可見光的10%。（衛(wèi)星在陽光下停留的時間比地球表面長得多。此外，據(jù)一些行業(yè)分析師稱，許多LEO衛(wèi)星之間以及這些衛(wèi)星與地球之間的射頻通信可能會干擾高海拔衛(wèi)星與地球之間的信號。國際天文學(xué)聯(lián)合會最近也對地球?qū)鈱W(xué)和射電天文學(xué)的干擾表示關(guān)切。最后，人們擔(dān)心今后大量火箭發(fā)射和衛(wèi)星在壽命結(jié)束時在大氣層中燃燒殆盡對環(huán)境的影響。

目前正在努力確定和實施促進(jìn)可持續(xù)利用空間的行動，國際組織、各國政府和工業(yè)界都參與其中。19然而，這種努力具有挑戰(zhàn)性，因為目前沒有具有法律約束力的行為標(biāo)準(zhǔn)，任何努力都需要自愿的國際合作。

不同軌道上的衛(wèi)星和星座的成本

為了在多年內(nèi)部署一組衛(wèi)星，運(yùn)營商需要制造所需數(shù)量的衛(wèi)星，將它們發(fā)射到軌道上，并在必要時更換它們。要估計部署這樣一個星座的長期成本，就需要估計衛(wèi)星的生產(chǎn)和發(fā)射成本以及需要更換衛(wèi)星的頻率（這一過程稱為更新周期）。在本節(jié)中，CBO估計了30年內(nèi)部署其說明性LEO，MEO和GEO星座（本報告前面描述）的成本。

每顆衛(wèi)星的成本

從歷史上看，LEO衛(wèi)星的成本通常低于更高軌道的衛(wèi)星。由于LEO衛(wèi)星靠近地球，通常具有更簡單，功能更弱的有效載荷，可以由較小的總線支持。一般來說，具有較小總線和相應(yīng)較低質(zhì)量的衛(wèi)星比具有較高質(zhì)量的衛(wèi)星成本更低。此外，LEO發(fā)射成本較低，因為將衛(wèi)星提升到較低高度所需的能量更少。

CBO在國防部提交的2023財年預(yù)算中使用平均值來估算發(fā)射成本，并假設(shè)同一軌道平面內(nèi)的多顆LEO衛(wèi)星可以在同一枚火箭上發(fā)射。生產(chǎn)衛(wèi)星的典型成本基于國防部衛(wèi)星的歷史示例，覆蓋范圍很廣。由于地球觀測衛(wèi)星在MEO中沒有，這些軌道的生產(chǎn)成本范圍的較高值是基于新的、更先進(jìn)的全球定位系統(tǒng)衛(wèi)星的預(yù)期成本。MEO地球觀測衛(wèi)星的實際成本可能更高或更低。低地球軌道衛(wèi)星的成本與目前生產(chǎn)中的衛(wèi)星的成本一致，低于低地球軌道衛(wèi)星的典型歷史成本。CBO的估計僅包括生產(chǎn)衛(wèi)星的成本，不包括任何研發(fā)成本。

不同軌道條件下衛(wèi)星的典型成本

通信衛(wèi)星的成本通常低于地球觀測衛(wèi)星，是每個軌道衛(wèi)星成本范圍的低端。

衛(wèi)星的運(yùn)行壽命

由于幾個原因，低地球軌道衛(wèi)星的運(yùn)行壽命通常比其他軌道上的衛(wèi)星短。在低空，更多的殘留大氣和微觀碎片使衛(wèi)星減慢速度，并要求它燃燒更多的推進(jìn)劑操縱以維持軌道。碎片也會逐漸降低太陽能電池板的性能。此外，LEO衛(wèi)星的大部分軌道都在地球的陰影中度過，因此它們的電池每天要經(jīng)歷多次放電/充電循環(huán)，從而縮短了它們的使用壽命。

目前正在努力延長衛(wèi)星的使用壽命，特別是低地球軌道的使用壽命。一種方法是發(fā)展衛(wèi)星在軌服務(wù)的能力，使用其他衛(wèi)星更換老化設(shè)備（如太陽能電池板）或重新填充推進(jìn)劑罐。對這種方法的測試是成功的，但這種做法尚未被廣泛采用。一種更漸進(jìn)的方法是提高系統(tǒng)的效率，例如使用電力推進(jìn)而不是化學(xué)火箭發(fā)動機(jī)進(jìn)行機(jī)動，并提高太陽能電池板的效率和魯棒性。

然而，較短的衛(wèi)星壽命可能是有用的，因為它們有助于更迅速地采用新技術(shù)。在正在進(jìn)行的研究和開發(fā)工作中，如果更頻繁地更換衛(wèi)星，改進(jìn)版本的衛(wèi)星可以更快地進(jìn)入軌道。CBO沒有估計這種研發(fā)計劃的成本。

按軌道制度分列的預(yù)期衛(wèi)星使用壽命

衛(wèi)星的預(yù)期壽命根據(jù)其任務(wù)和軌道狀態(tài)而有所不同。LEO中的衛(wèi)星平均設(shè)計壽命約為5年，盡管有些衛(wèi)星的使用壽命可能比這長得多。MEO衛(wèi)星的設(shè)計壽命約為10年，對于GEO中的衛(wèi)星，預(yù)期壽命約為14年。

星座的長期成本

單個LEO衛(wèi)星的成本通常低于高軌道衛(wèi)星，但需要更多的衛(wèi)星，其壽命較短意味著需要更頻繁地更換。CBO說明性星座的長期成本比較反映了這些競爭因素之間的相互作用。CBO對長期成本的估計僅包括在每個星座中生產(chǎn)和發(fā)射衛(wèi)星的成本。它們不包括研發(fā)（初始或持續(xù)）、地面系統(tǒng)或運(yùn)營成本。總而言之，這種比較表明，從長遠(yuǎn)來看，CBO考慮的說明性MEO和GEO星座的成本低于LEO星座。

衛(wèi)星與許多其他制成品一樣，受到一種稱為生產(chǎn)學(xué)習(xí)曲線的現(xiàn)象的影響，其中單位生產(chǎn)成本隨著生產(chǎn)更多的單位而降低。22隨著數(shù)量的增加，成本下降的速度取決于所生產(chǎn)物品的類型。大型衛(wèi)星星座的時代才剛剛開始，目前尚不清楚大衛(wèi)星星座將適用多少百分比學(xué)習(xí)曲線（如果有的話）。如果應(yīng)用95%的學(xué)習(xí)曲線，每生產(chǎn)一倍，單位生產(chǎn)成本就會降低5%，從而大大降低LEO星座的預(yù)計成本。（CBO使用了這條學(xué)習(xí)曲線，因為該曲線已經(jīng)應(yīng)用于該機(jī)構(gòu)已經(jīng)研究過的其他類型的衛(wèi)星。

其他因素可以減少低地球軌道衛(wèi)星星座與高軌道衛(wèi)星星座之間的成本差異，包括較低的發(fā)射成本和更長的使用壽命。在軌道類別中，MEO和LEO每個星座的發(fā)射成本最高，并且將從發(fā)射成本的降低中受益最大。如果MEO或LEO的使用壽命可以延長，則需要更少的更換周期，并且總星座成本也將降低。

說明性衛(wèi)星星座在各種軌道制度下的費用

GEO和MEO衛(wèi)星的單獨成本更高，但由于它們的使用壽命更長，提供全面覆蓋所需的需求更少，因此從長遠(yuǎn)來看，它們的星座成本較低。

然而，如果低地球軌道衛(wèi)星的單位成本降低與95%的學(xué)習(xí)曲線一致，那么低地球軌道衛(wèi)星的總生產(chǎn)成本將降低約25%，從長遠(yuǎn)來看，使低地球軌道成本更接近MEO和GEO成本。

編輯：黃飛

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