卫星轨道基础课
卫星通信系统性能主要由轨道高度和频段决定。GEO轨道（3.6万公里）覆盖广但延迟高，适用于窄带通信（如天通一号）；LEO轨道（500-1200公里）延迟低但需大量卫星组网，适合宽带应用（如星链）。频段选择上，L/S频段穿透力强但带宽窄，Ku/Ka频段带宽大但易受天气影响。车载场景中，GEO适合应急通信，LEO支持高速上网，终端形态也从机械天线向相控阵演进。系统架构包含用户层、空间层、地面层和网络层，形成完整通信链路。
卫星通信系统的性能（延迟、带宽、终端大小），90% 取决于卫星挂得有多高，以及用了什么频段。 1 GEO（地球静止轨道）：36000公里的守望者 GEO (Geostationary Earth Orbit) 是最传统的通信卫星轨道。
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高度： 赤道上空 35,786 公里。
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特点： 卫星绕地球一圈的时间刚好是 24 小时。这意味着，从地面上看，卫星是静止不动的（悬停在空中）。
- 优点：覆盖广，好对准
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上帝视角： 只需要 3 颗 GEO 卫星，就能覆盖除了南北极之外的全球大部分区域。
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天线简单： 因为卫星不动，车载天线不需要复杂的跟踪机构，只需要在出厂时大体朝南（北半球）或者做简单的姿态调整即可。
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代表： 中国天通一号 (Tiantong-1)、Inmarsat（海事卫星）。
- 缺点：延迟大，损耗大
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光速的无奈： 信号往返一次（地->星->地）的路程是 72000 公里。光速 30万公里/秒。仅物理传输延迟就高达 240ms - 280ms。加上处理时间，通话会有半秒以上的明显的滞后感（类似于国际长途）。
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自由空间损耗： 距离太远，信号衰减极大。车端需要较大的发射功率，或者卫星需要巨大的天线（天通一号的天线大如篮球场）。
2 LEO（低地球轨道）：500公里的蜂群 LEO (Low Earth Orbit) 是现在的当红炸子鸡，也是 Starlink (星链) 的大本营。
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高度： 地面以上 500km - 1200km。
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特点： 卫星飞得极快（约 7.8km/s），90 分钟绕地球一圈。从地面看，卫星像流星一样划过天空（大约 10 分钟飞过头顶）。
- 优点：低延迟，高带宽
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比光纤还快： 距离只有 500km，往返物理延迟仅 3ms - 5ms。打游戏、远程驾驶完全没问题。
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信号强： 距离近了 70 倍，信号损耗大幅减小，手机大小的终端也能实现宽带上网。
- 缺点：系统极其复杂
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星群战术： 单颗卫星只能覆盖一小块地方，且稍纵即逝。要实现全球覆盖，必须发射 成千上万颗 卫星（Starlink 计划发 4.2 万颗）。
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越区切换 (Handover)： 车端的连接每隔几分钟就要从"卫星A"切到"卫星B"。这对网络的稳定性是巨大的考验。
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多普勒频移： 卫星飞得太快，频率会发生剧烈变化，接收机必须实时修正。
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代表： SpaceX Starlink、OneWeb、中国星网 (GW)。
3 频段战争：L/S频段 vs Ku/Ka频段 除了轨道高度，无线电频率是另一个决定性因素。 1. L/S 频段 (1GHz - 4GHz) ------ "黄金频段"
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特点： 频率低，波长长。
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优点：
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穿透力强： 不怕雨衰（下雨也能用），甚至能穿透稀疏的树叶。
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天线小： 可以做进手机或汽车鲨鱼鳍里。
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缺点： 带宽极窄。 资源非常稀缺，只能划出几十 MHz 给卫星用。
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应用： 窄带语音、短信。（如：天通一号用 S 频段，海事卫星用 L 频段）。这就是为什么极氪 001 FR 的卫星电话只能打电话，不能刷抖音。
- Ku/Ka 频段 (12GHz - 40GHz) ------ "宽带高速路"
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特点： 频率高，波长短。
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优点： 带宽巨大。 可以划出几 GHz 的频宽。
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缺点：
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雨衰严重： 暴雨天信号会被水滴吸收，导致断网。
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指向性要求高： 必须使用高增益的相控阵天线或碟形天线对准卫星，稍微偏一点就没信号。
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应用： 宽带上网。（如：Starlink 用 Ku/Ka 频段）。这就是为什么 Starlink 终端需要一个平板天线，且不能遮挡。
总结表
| 维度 | GEO (天通一号) | LEO (Starlink) |
|---|---|---|
| 高度 | 36,000 km | 550 km |
| 相对运动 | 静止 | 极速飞驰 (7.8km/s) |
| 延迟 | > 500ms (迟滞) | < 30ms (流畅) |
| 典型频段 | L / S (窄带) | Ku / Ka (宽带) |
| 业务能力 | 救命用的电话/短信 | 车载娱乐/办公上网 |
| 终端形态 | 手机/鲨鱼鳍 | 平板天线 (相控阵) |
理解了这些，你就明白了：目前的国产新能源车搭载的卫星通信（天通），主要是为了救命（GEO + S频段）；而马斯克搞的 Starlink，是为了让你在沙漠里也能看 Netflix（LEO + Ku频段）。
表 1：高轨 (GEO) vs 低轨 (LEO) ------ 物理层面的降维打击
| 维度 | 高轨 GEO (Geostationary) | 低轨 LEO (Low Earth Orbit) | 核心差异点 |
|---|---|---|---|
| 高度 | 35,786 km (赤道上空) | 500 - 1,200 km | 距离差 70 倍 |
| 相对运动 | 静止 (悬停在头顶) | 极速飞驰 (7.8 km/s) | LEO 需要频繁切换卫星 |
| 单星覆盖 | 极广 (3 颗覆盖全球) | 极小 (需几千颗组网) | LEO 建设成本极高 |
| 物理延迟 | ~250 ms (往返 0.5秒) | ~5 ms (媲美光纤) | GEO 打电话有滞后感 |
| 路径损耗 | 极大 (信号微弱) | 较小 (信号较强) | LEO 终端可以做更小 |
| 典型代表 | 天通一号、北斗（部分）、Inmarsat | Starlink、OneWeb、中国星网 | 救命 vs 上网 |
表 2：天通一号 vs Starlink ------ 车载应用场景对比
| 维度 | 天通一号 (中国) | Starlink (SpaceX) | 车企选择逻辑 |
|---|---|---|---|
| 核心定位 | 保底通信 (SOS) | 宽带互联网 (Netflix) | 刚需 vs 享受 |
| 频段 | S 频段 (2 GHz) | Ku / Ka (12-30 GHz) | 穿透力 vs 带宽 |
| 峰值速率 | < 10 kbps (语音/短信) | > 100 Mbps (视频流) | 2G vs 5G 体验 |
| 遮挡容忍 | 强 (能穿透稀疏树叶/雨) | 弱 (一片树叶都可能断网) | 天通适合越野环境 |
| 天线形态 | 鲨鱼鳍 / 手机内置 | 平板相控阵 (需贴车顶) | 天通容易集成 |
| 落地难度 | 已量产 (极氪/仰望/华为) | 合规困难 (需落地权) | 国内目前只能选天通 |
表 3：机械天线 vs 相控阵天线 ------ 终端硬件进化
| 维度 | 机械天线 (动中通) | 相控阵天线 (ESA) | 技术评价 |
|---|---|---|---|
| 外观 | 大锅盖 / 圆顶 (Radome) | 平板 / 薄片 (Flat Panel) | 相控阵符合空气动力学 |
| 对星原理 | 电机机械转动 | 电子波束扫描 (移相) | 物理转动 vs 数学计算 |
| 响应速度 | 慢 (秒级) | 极快 (微秒级) | 只有相控阵能跟上LEO |
| 高度 | 高 (> 20cm) | 低 (< 5cm) | 机械天线进不了地库 |
| 成本 | 低 (成熟工艺) | 高 (芯片贵) | 相控阵正在通过CMOS降本 |
| 功耗/发热 | 低 | 极高 (需主动散热) | 相控阵是电老虎 |
| 车载前景 | 淘汰 (特种车除外) | 唯一未来 (乘用车标配) | 无运动部件是终极目标 |
系统架构图含以下四层结构：
- 用户层 (Car)：
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窄带终端： 鲨鱼鳍天线 -> T-Box (天通模块) -> 语音通话。
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宽带终端： 车顶相控阵 -> 专用路由器 -> 智能座舱 (刷视频)。
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空间层 (Space)：
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GEO： 一颗孤零零的高星，静止不动。
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LEO： 一群密密麻麻的低星，通过 激光链路 (Laser Link) 互相传球。
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地面层 (Ground)：
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信关站 (Gateway)： 巨大的地面天线阵列，负责接收卫星落地数据。
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网络层 (Core)：
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核心网 -> 互联网/PSTN： 最终接入我们熟悉的 5G 网络和电话网。