2. 卫星轨道与星座基础
卫星通信系统的链路预算、天线跟踪方式、切换策略乃至整星功率与散热设计，最终都被轨道参数“锁死”。理解 GEO、MEO、LEO 三类轨道的差异，不能停留在“高、中、低”这种高度印象上，而要落到四个可量化的维度：覆盖几何、传播时延、多普勒频移、星座构型。本节先建立轨道几何的基本量，再逐类分析其对系统架构的约束。
一、轨道几何的基本量：从高度到覆盖半角
对圆轨道，卫星到地心的距离为 r = Re + h，其中地球半径 Re ≈ 6378 km。轨道周期由开普勒第三定律给出：
T = 2π · sqrt(r³ / μ)，μ = 398600.4418 km³/s²
GEO：h = 35786 km，r = 42164 km → T ≈ 86164 s ≈ 23h56m
MEO：h = 20200 km，r = 26578 km → T ≈ 43082 s ≈ 11h58m
LEO：h = 550 km，r = 6928 km → T ≈ 5735 s ≈ 95.6 minGEO 周期等于恒星日，卫星相对地面静止，这是它最本质的几何优势。覆盖能力用地心半角衡量：卫星可见地面边缘时，视线与地心连线夹角为 α = arccos(Re / r)。GEO 的 α ≈ 81.3°，单星可覆盖约 1/3 地球表面；LEO 550 km 时 α ≈ 22.9°，单星覆盖半径约 2550 km，仅相当于一个中等国家范围。这个数字直接决定了：GEO 用 3 颗星即可实现近全球覆盖，而 LEO 必须靠几十到几百颗星组网。
二、传播时延：从公式到系统约束
自由空间单程时延 τ = d / c，c = 299792 km/s。取星下点斜距近似：GEO 约 35786 km，单程约 119 ms，往返约 238 ms；MEO 20200 km 时单程约 67 ms；LEO 550 km 时单程约 1.8 ms，考虑仰角 30° 时斜距约 1100 km，单程约 3.7 ms。这个量级差异带来完全不同的协议设计：
- GEO：TCP 三次握手往返已接近 0.5 s，必须使用窗口缩放、PEP 加速或改用 QUIC；语音业务需回声抑制，时延预算通常按 250~280 ms 单跳规划。
- MEO：时延约为 GEO 的 56%，适合对时延中等敏感的业务，如部分宽带接入与导航增强。
- LEO：单跳时延与地面光纤相当，但端到端时延取决于星间链路跳数。若采用 4 跳星间链路，每跳约 5~10 ms，总时延仍可控制在 50 ms 内，这是 LEO 能做实时交互业务的关键。
三、多普勒频移：LEO 必须直面的频率漂移
多普勒频移 f_d = (v_r / c) · f_c，其中 v_r 为卫星相对终端的径向速度。LEO 轨道速度约 7.6 km/s，最大径向速度接近 7 km/s。以 Ka 频段 20 GHz 为例，最大多普勒可达：
f_d,max ≈ (7 km/s ÷ 299792 km/s) × 20 GHz ≈ ±467 kHz若载波为 2 GHz（S 频段），则约 ±47 kHz。这个量级意味着：LEO 终端必须做频率预补偿或接收端具备足够宽的捕获范围；OFDM 系统子载波间隔若为 15 kHz，±467 kHz 相当于约 31 个子载波间隔，若不补偿会造成严重子载波间干扰。工程上常用做法是：终端根据星历和自身位置计算多普勒预测值，在发射和接收本振上预先反向偏移。GEO 的多普勒近似为零，因此终端晶振精度要求可以放宽；MEO 多普勒约 ±数十 kHz，介于两者之间。
四、星座构型：覆盖、切换与星间链路的权衡
星座构型决定覆盖连续性和切换频率。常见构型包括：
- GEO 单星/三星星座：3 颗星间隔 120° 经度，覆盖除极地外大部分区域。切换仅发生在跨波束或跨星时，频率极低。
- MEO Walker 星座：如 12 颗星分布在 3 个轨道面，每面 4 颗，轨道高度约 20200 km，倾角 55°。单星覆盖半径约 10000 km，切换周期约数十分钟。
- LEO Walker Delta 星座：以 550 km、53° 倾角、72 个轨道面、每面 22 颗星为例，共 1584 颗。单星覆盖半径约 2550 km，过顶时间约 10 分钟，切换频繁，必须依赖星间链路和地面网关协同。
星座构型对系统架构的影响体现在三个层面。第一，天线与波束：GEO 可用固定大口径天线；LEO 必须使用电扫相控阵，波束跟踪速度需匹配卫星角速度（约 0.5~1°/s）。第二，切换与路由：LEO 的星间链路需要动态拓扑路由，地面核心网要处理频繁的星地链路切换，通常采用“星上路由 + 地面锚点”的混合架构。第三，功率与散热：LEO 轨道低、路径损耗小，但单星覆盖小、卫星数量多，整星功率和散热设计需在成本与性能间折中；GEO 路径损耗大，需要高 EIRP 和大型可展开天线。
五、参数速查与设计对照
| 维度 | GEO | MEO | LEO |
|---|---|---|---|
| 典型高度 | 35786 km | 20200 km | 550~1200 km |
| 轨道周期 | 23h56m | 约 12h | 约 95~110 min |
| 单程时延 | 约 119 ms | 约 67 ms | 约 2~4 ms |
| 多普勒（Ka 20GHz） | ≈0 | ±数十 kHz | ±数百 kHz |
| 单星覆盖半角 | 约 81° | 约 62° | 约 23° |
| 典型星座规模 | 3 颗 | 10~24 颗 | 数十~数百颗 |
| 终端天线 | 固定抛物面 | 跟踪抛物面/相控阵 | 电扫相控阵 |
| 切换频率 | 极低 | 中等 | 高（约每 10 min） |
把上述参数代入链路预算时，还需注意：GEO 的自由空间损耗在 Ka 频段 20 GHz、35786 km 处约为 210 dB；LEO 550 km 处约为 194 dB，相差约 16 dB。这 16 dB 的差距，一部分被 LEO 的窄波束高增益天线抵消，另一部分则转化为对星间链路和地面网关密度的要求。轨道选择从来不是单一指标最优，而是时延、覆盖、终端复杂度、星座成本和频谱效率之间的系统级折中。