为了满足生存与发展的需要，人类不断寻找并开发可得的资源。随着科学技术的不断发展与助力，太空资源探索成为人类下一步资源开发的重要领域。人类文明的开发经历了从地表到地下，从海面到深海的过程，在太空资源探索中同样也是由表及里、由浅入深、由近及远的发展过程。

因此，为了人类的生存与发展，广袤的太空资源成为人类发展的必须获取的宝贵资源。人类通往太空的方式是卫星的遥感、探测和载人航天，这两项的实现都需要通过卫星轨道这个重要的桥梁。

卫星在空间中通常绕地球做无动力飞行，卫星运动所在的平面称为轨道面，运动的轨迹称为轨道。根据卫星轨道形状、倾角、周期、高度等不同特征，卫星轨道可以有不同分类。

图1 1961年到2013年人造卫星分布

通常，卫星轨道就卫星通信系统来说，是根据卫星轨道高度进行分类的，具体分为低轨道、中轨道和静止轨道。

(1)低轨道（LEO，Low Earth Orbit）：又称近地轨道，运行轨道500-2000公里。

(2)中轨道（MEO，Medium Earth Orbit）：运行轨道在2000-35786公里之间。

(3)静止轨道（GEO，Geostationary Earth Oribt）：其轨道高度为 35786 公里。

图2  常见卫星通信系统轨道分布

单星覆盖面较小，但是传输时延低、链路损耗小、功率较小，绝大多数对地观测卫星、测地卫星、空间站以及一些新的通信卫星系统都采用近地轨道。如，美国 Iridium 系统、美国Globalstar系统、中国高分一号对地观测卫星、美国Topex-Poseidon卫星、前苏联处女地卫星（Tselina）等。

一方面：在近地轨道发射火箭的难度最低，燃料要求最少，并且近地轨道在技术支持、资源节约和通信体系建设上均有较大优势，有助于卫星发射成功，抢占资源开发先机，构建对地观测卫星体系。

另一方面：太空观测和卫星通信都需要处于可见度高、受气象条件、光污染和人类通信等电磁活动影响小的位置，而地球表面被地球大气层“遮挡”，因此距离地求表面近的近地轨道是进行此类活动的最佳地点。扣好太空资源开发的第一粒纽扣，抓住卫星发展的机遇，近地轨道的战略发展地位不容小觑。

近地轨道的另一主导轨道资源就是太阳同步轨道。地球并非完美的球体，赤道附近的直径为6378.1千米，极地之间的直径为6356.8千米，赤道附近明显大于两极地区。这导致发射进入太空的航天器不可避免受到不均匀的地球引力影响，无法保持设定好的轨道倾角，会随着地球的运动缓慢变化。与此同时，地球也在围绕太阳运动，太阳光线与航天器轨道倾角之间的关系也会发生变化。

因此，位于地表上空600-800千米，轨道倾角保持固定的太阳同步轨道成为解决这一问题的最优解。在此轨道上，轨道倾角受到地球引力的影响与地球的公转保持一致，那么航天器在此轨道上环绕地球一周的时间是固定的，并且路过地球上的某一点的时间就会固定，例如，每次穿过赤道时，都是当地时间的下午两点钟。处于太阳同步轨道的航天器飞过当地时是稳定的照明环境，这对于光学遥感、气象探测和资源勘探等卫星的意义极大，能够稳定反复遍访以获取最有价值信息。

图3  太阳同步轨道

单星传输时延、覆盖范围、链路损耗以及功率大于LEO但小于GEO，发射成本适中、传输延迟较低、覆盖区域更广，因此用于导航用途。

中轨道卫星属于地球非同步卫星，主要是作为陆地移动通信系统的补充和扩展，与地面公众网有机结合，实现全球个人移动通信，也可以用作卫星导航系统。因此，其在全球个人移动通信和卫星导航系统中具有极大的优势。

中轨道卫星兼具静止轨道和低轨道地球卫星的优点，可实现真正的全球覆盖和更有效的频率复用。

代表卫星包括：Odyssey（奥德赛）、MAGSS-14、美国Iridium系统、国际海事卫星组织INMARSAT系统、O3b星座及北斗中圆轨道卫星（MEO)等。

图4  北斗系列卫星发射数量及轨道分布图

地球静止轨道（GEO,Geostationary Earth Orbit)，通常指地球同步轨道通信卫星系统，其轨道高度为35786公里，卫星运动方向与地球自转方向相同，轨道面与地球赤道面重合，运行周期为一个恒星日（23 小时 56 分 4 秒），从地面上看卫星在空中是静止不动的。

覆盖区域的优势：单颗星覆盖区域广，可覆盖地球表面超过40%的区域，有利于为固定区域提供服务。在覆盖区域内，任何地球站之间可以实现24小时不间断通信，服务十分稳定。

卫星组网的优势：卫星系统构建简单，3颗同步地球卫星就可覆盖除两极外绝大多数区域，系统卫星数少，运营和在轨维护性价比高。

卫星寿命优势：不受大气阻力影响，寿命在15年以上，摊薄单位带宽成本。

通信卫星一般采用地球静止轨道，设置卫星在这条轨道上以每秒3075米的速度自西向东绕地球旋转，绕地球一周的时间为 23小时56分4秒，恰与地球自转一周的时间相等。因此从地面上看，卫星相对于地球表面是相对静止的状态，这就使地面接收站的信号接收非常稳定。

通信卫星是世界上应用最早、应用最广的卫星之一，许多国家都发射了通信卫星。1965年4月6日美国成功发射了世界第一颗实用静止轨道通信卫星“国际通信卫星1号”。中国的第一颗静止轨道通信卫星是1984年4月8日发射的“东方红二号”，至今已发射成功了六颗卫星。

不仅如此，地球静止轨道最省火箭燃料，可用于通讯、气象、广播电视、导弹预警、数据中继等方面，以实现对同一地区的连续工作。

频轨资源是不可再生的宝贵资源，对于通信、金融、农业等不同行业都有着重要的辅助甚至决定作用，与人类生存息息相关，而近地轨道开发难度低且资源丰富，近年来成为各个国家竞相商业化开发的轨道。

美国自2015年起，已经将实现低轨卫星商业价值的计划变为现实。美国SpaceX公司正式实施“星链”计划，在低空轨道领域占据领先全球的话语权。“星链”是SpaceX的一个卫星互联网项目，计划发射约4.2万颗卫星组成的“星链”网络提供互联网服务，其中1584颗将部署在地球上空550千米处的近地轨道。星链在通信领域的领先有目共睹，已经实现了在游艇、飞机等领域的实际通信落地。此外，星链V2.0问世，与一代相比更快更大更强，各方面能力增强使其牢牢占据近地轨道开发的头号交椅。

图5  “星链”卫星近低轨道的动态分布图

英国“OneWeb”卫星星座由6372颗1200km高度近地轨道(LEO)卫星和1280颗8500km高度的中地球轨道卫星构成，这些卫星使用V波段，用于实现全球覆盖打造低轨卫星星座。“OneWeb”卫星星座的目标是为偏远地区或互联网基础设施落后的地区提供价格适宜的互联网接入服务。

近地轨道距离地表近，通信传输时间短、损耗小、质量高，因此，中国抓紧了对近地轨道通信效能的开发，加快对近地轨道频轨资源的抢占。不仅是国家关注到近地轨道开发的重要性，以吉利集团为代表的民营企业也将卫星互联网作为本行业发展的新突破口。

2020年，中国以“GW”为代号申报了两个低轨卫星星座，共计12992颗卫星。同年，中国将卫星互联网纳入新基建的范畴，以推动卫星互联网领域的全方位发展。

2022年6月，“吉利未来出行星座”首轨九星以“一箭九星”的方式成功发射后，便开启了低轨卫星通讯加速推动自动驾驶发展的快车道。吉利汽车集团计划在2025年底前共发射72颗卫星，服务范围覆盖中国和整个亚太地区，2026年开始提供覆盖全球的数据应用服务，构建连接太空与地面车辆的高精度导航系统，为自动驾驶车辆提供更精确的厘米级导航服务。

图6  吉利星座01组卫星

美国海事卫星等星座早已对中轨进行开发，主要用于电视转播、通信等用途，但是目前中轨的商业化应用程度较低。

O3b星座系统是目前全球唯一一个成功投入商业运营的中地球轨道（MEO）卫星通信系统，主要面向地面网接入受限的各类运营商或集团客户提供宽带接入服务。

O3b星座网络是利用Ka波束天线技术，提供具备光纤传输速度的卫星通信骨干网，其业务应用涉及骨干网、地面移动网干线、能源、海事和政府通信等几大领域，系统分别针对不同的应用领域提供不同的速率和服务。

O3b卫星初始星座运行于赤道圆轨道，轨道高度8062公里，能够覆盖全球南北纬45°之间所有地方，在南、北纬45°～62°范围内（主要是非洲、亚洲和南美等）提供高带宽、低成本、低延迟的卫星互联网接入服务。

图7  O3b卫星3D虚拟覆盖图

中轨卫星只需要8颗就能覆盖全球，而且8颗卫星之间形成星间链路，不需要在海外建设信关站，预计主要用于远洋渔业、极地科考等使用场景。虽然国内对中轨轨道开发的时间较晚，但是已经孕育出了成熟的策划。

中国计划2025年前发射8颗卫星，部署在约2万千米高度的轨道上，通过卫星间的通信链路实现天基组网。这项计划被称为“智慧天网创新工程”，计划建设中国自主可控覆盖全球的移动卫星通信网络“智慧天网”。

业内专家认为，8颗中轨卫星能提供的带宽很有限，容纳用户数量比较少，但如果能实现全球覆盖还是有意义的，“虽然传不了视频，但是能传语音、传文字，它不是解决好坏的问题，是解决有无的问题”。

图8  “智慧天网创新工程”示意图

由于高轨位置特殊性，使高轨卫星的覆盖范围很广，因此，多用来发展导航系统。全球卫星导航是大多数国家现在和未来定位、导航、授时体系的核心基础，例如，美国的GPS卫星导航系统、俄罗斯的格洛纳斯导航系统、欧盟的伽利略卫星系统以及中国的北斗卫星导航系统等。

美国GPS卫星导航系统是利用在空间飞行的卫星不断向地面广播发送某种频率并加载了某些特殊定位信息的无线电信号来实现定位测量的定位系统。卫星所在高度约为20200公里，分布在6条交点互隔60度的轨道面上。它具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力，如今已经发展成为多领域、多模式、多用途、多机型的国际性高新技术产业。

图9  美国GPS卫星

俄罗斯GLONASS同样是卫星导航系统，其工作卫星有21颗，分布在3个轨道平面上，同时有三颗备份星。每颗卫星都在19100千米的高轨道上运行。GLONASS与GPS一样可为全球海陆空以及近地空间的各种用户提供全天候、连续提供高精度的各种三维位置、三维速度和时间信息（PVT信息）。

中国最具代表性且具有里程碑意义的高轨卫星是北斗卫星导航系统。北斗卫星导航系统是中国着眼于国家安全和经济社会发展需要，自主建设运行的全球卫星导航系统。 

截至2018年12月，北斗系统可提供全球服务，在轨工作卫星共33颗，包含15颗北斗二号卫星和18颗北斗三号卫星，其中包括5颗地球静止轨道卫星、7颗倾斜地球同步轨道卫星，主要分布在2-4万公里的高空。

北斗卫星导航系统可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠的定位、导航、授时服务，定位精度为分米、厘米级别，测速精度0.2米/秒，授时精度10纳秒。

图10  北斗卫星系统示意图

中卫汇通拥有西经高轨对地静止轨道稀缺轨位，预计可容纳3-5颗高通量Ka卫星，覆盖非洲、中东、 南美洲、欧洲及北美东部等地，与国家其他卫星形成互补之势，为更大区域的人民提供稳定高速的卫星网络信号，实现通信网络的飞跃发展。

实现卫星轨道资源的挖掘，抢占未来太空话语权，是当前全球太空发展的趋势。近年来，各国不断推进各轨道卫星领域的发展，实力不断增强。

然而，人类过度开发太空资源，发射大量卫星势必会给太空带来难以清理的太空垃圾，这对太空的伤害是不可逆转的。

但是我们相信，随着人类对太空认知的不断深化，会将实现对卫星频轨资源更为积极合理的开发，这将会把太空资源开发变为造福全球，推动人类文明的进步发展的壮举，从而实现全宇宙的可持续发展。