Telesat、OneWeb及SpaceX三個全球寬帶低軌衛星星座系統的技術對比

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作者 | Inigo del Portilloa,*, Bruce G. Cameronb, Edward F. Crawleyc

編譯 | 劉帥軍 胡月梅（中科院軟體所）

本文原載於《衛星與網絡》雜誌2019年7月刊

原文《A Technical Comparison of Three Low Earth Orbit Satellite Constellation Systems to Provide Global Broadband》發表於2018年10月

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近年來，從太空提供網際網路接入的想法又捲土重來。在20世紀90年代提出的項目遭遇挫折後，經過近20年相對平靜的時期，在2014年至2016年期間出現了一股新的發展浪潮，即大型低地球軌道（Low Earth Orbit, LEO）衛星星座提供全球寬帶接入。

與上一代系統相比，這些系統的主要區別在於更為先進的數字通信有效載荷、高級調製方案、多波束天線和更複雜的頻率復用方案，這些因素都使得系統性能獲得了極大提升，同時也降低了各載荷製造與發射成本。

本文比較了三個代表性大型低軌衛星星座，即4425顆衛星且使用Ku-Ka波段的SpaceX衛星系統、720顆衛星且使用Ku-Ka波段的OneWeb系統和117顆衛星且使用Ka波段的Telesat衛星系統。

首先，本文依據2018年9月提交至FCC的文件對每個星座的系統架構進行介紹，並強調了這三個系統之間的相似性和差異性。

然後，本文設計了一種統計方法來估計總系統吞吐量（可銷售容量），同時考慮了空間段的軌道動力學、用戶鏈路及饋線鏈路大氣條件引起的性能變化。考慮到地面站的位置和數量在確定系統總吞吐量中起著重要作用，並且由於地面段的部署在FCC中沒有給出具體描述，因此我們設計了一個地面段部署優化方案，以最小化支持系統吞吐量所需的地面站總數。

最後，在結論部分進一步分析了三個系統在投入使用之前必須克服的一些主要技術挑戰。

1.引言

1.1 研究初衷

在過去的幾年裡，利用大型低軌衛星星座從太空提供網際網路的想法重新流行起來。儘管在90年代的十年中提出的項目遭遇挫折，但在2014年至2016年間出現了一批新的提議，即大型LEO衛星星座提供全球寬帶。共有11家公司向聯邦通信委員會（FCC）申請在非地球靜止衛星軌道（NGSO）部署大型星座，作為提供寬帶服務的手段。這些新設計星座規模差異較大，從挪威航天局提出的2顆到SpaceX提出的4425顆。由於這些星座中有大量的衛星，因此創造了「巨型星座（mega-constellations）」這個名稱來指代這些新提案。

與90年代的星座相比，這些巨型星座的主要區別在於，使用數字通信有效載荷、高級調製方案、多波束天近年來，從太空提供網際網路接入的想法又捲土重來。在20世紀90年代提出的項目遭遇挫折後，經過近20年相對平靜的時期，在2014年至2016年期間出現了一股新的發展浪潮，即大型低地球軌道（Low Earth Orbit, LEO）衛星星座提供全球寬帶接入。與上一代系統相比，這些系統的主要區別在於更為先進的數字通信有效載荷、高級調製方案、多波束天線和更複雜的頻率復用方案，這些因素都使得系統性能獲得了極大提升，同時也降低了各載荷製造與發射成本。

本文比較了三個代表性大型低軌衛星星座，即4425顆衛星且使用Ku-Ka波段的SpaceX衛星系統、720顆衛星且使用Ku-Ka波段的OneWeb系統和117顆衛星且使用Ka波段的Telesat衛星系統。首先，本文依據2018年9月提交至FCC的文件對每個星座的系統架構進行介紹，並強調了這三個系統之間的相似性和差異性。然後，本文設計了一種統計方法來估計總系統吞吐量（可銷售容量），同時考慮了空間段的軌道動力學、用戶鏈路及饋線鏈路大氣條件引起的性能變化。考慮到地面站的位置和數量在確定系統總吞吐量中起著重要作用，並且由於地面段的部署在FCC中沒有給出具體描述，因此我們設計了一個地面段部署優化方案，以最小化支持系統吞吐量所需的地面站總數。最後，在結論部分進一步分析了三個系統在投入使用之前必須克服的一些主要技術挑戰。

Telesat、OneWeb及SpaceX三個全球寬帶低軌衛星星座系統的技術對比線和更複雜的頻率復用方案，這些因素都使得系統性能獲得了極大提升，同時也降低了各載荷製造與發射成本。在進一步降低成本和增加技術能力方面，擴大對廣播數據的需求，以及對移動（航空、海事）市場增長的預測，為這些系統的發展提供了主要的動力。

在聯邦通信委員會登記的11個提案中，有3個處於更為高級的發展階段，即計劃在未來3年內完成發射：OneWeb、SpaceX和Telesat。

本文回顧了這些巨型星座的系統架構，如其各自在FCC的文件（截至2018年9月）所述，並強調了這三個系統之間的相似性和差異。然後，我們使用一個新的統計框架來估計系統的總吞吐量，該框架考慮了空間段的軌道動力學、用戶和饋線鏈路的大氣條件引起的性能變化以及對可售容量的合理限制。

1.2 相關研究概述

上世紀90年代，由於對蜂窩和個人通信服務的需求不斷增加，以及網際網路的普遍使用，業界首次提出了利用大型低軌衛星星座提供全球連接。

在提議的LEO系統中，有些甚至在發射前就被取消了（例如，Teledesic、Celestri、Skybridge） [1] ，而另一些則在運營開始後不久申請破產保護（例如，銥星、全球星、奧博通） [2] 。在相關已發表的多份技術報告（主要由星座設計者撰寫）中，概述了每一個擬發射衛星星座系統的架構，如：Sturza [3] 描述了最初的Teledesic衛星系統（924顆衛星星座）的技術信息；Patterson [4] 分析了進一步縮小規模後的系統，即288顆衛星系統；Leopold在研究成果 [5-6] 中對銥星系統進行了全面的描述，而Wiedeman在研究成果 [7] 中對全球星的星座進行了分析。

通過比較方法，Comparetto [8] 對全球星、銥星和Odyssey系統進行了介紹，重點分析了各提案的系統架構、手機設計和成本結構。Dumont [9] 研究了這三個系統從1991年到1994年所經歷的變化。Evans [10] 分析了不同軌道上個人通信的不同衛星系統（GEO、MEO和LEO），隨後比較了LEO中Ka波段 [11] 和Ku波段 [12] 系統的不同提案。這些參考文獻中遵循的方法在本質上大多是描述性的，提供了對各種LEO系統的體系結構的概述。另一方面，Shaw [13] 定量比較了Cyberstar、Spaceway和Celestri方案的能力，評估了諸如容量、信號完整性、可用性和每計費T1/分鐘的成本等變量。

與新的LEO提案相關的研究很少，主要集中在分析碎片和撞擊概率[14、15] ，以及比較LEO和GEO系統應用於海上服務和航空用戶 [16] 。特別是，Le May [14] 研究了在當前LEO碎片環境中運行的SpaceX和OneWeb衛星的碰撞概率，而Foreman [15] 在分析了衛星與空間碎片之間的碰撞次數後，提出了幾個解決軌道碎片問題的政策建議。最後，McLain [16] 將上述兩個系統與多顆地球靜止、吞吐量非常高的衛星進行了比較，得出結論，後者為航空和海事工業提供了一條更簡單、風險更低、更經濟的途徑。

本文採用與Evans [10] 相似的方法，對OneWeb、Telesat和SpaceX的方案進行了比較。我們首先描述每個系統，然後對星座的其他方面進行比較分析。本文的後半部分主要是評估三個系統的性能（根據系統總吞吐量和地面部分的需求）。

1.3 論文目標

本文研究目標為如下兩方面：

（1）在OneWeb，Telesat和SpaceX星座的一致和可比較的基礎上展示系統架構，同時對它們進行技術比較；

（2）使用統計方法估算每個提案的地面部分的總系統吞吐量和要求，該統計方法考慮空間部分的軌道動態和大氣條件對用戶和饋線鏈路引起的性能變化。

1.4 論文結構

本文的結構如下：第2節討論了Telesat，OneWeb和SpaceX構思的三個系統的不同系統架構；第3節介紹了估算總系統容量和推導地面部分要求的方法；第4節介紹了每個巨型星座所需的總系統吞吐量，及所需的關口站數量、地面站位置數量等；第5節確定了我們認為這些系統在投入運營之前仍需克服的主要技術挑戰；第6節對本文進行了總結。

2.系統結構

本節比較了Telesat，OneWeb和SpaceX的系統，如其截至2018年9月的FCC文件和新聞稿中所述。

2.1 Telesat系統

Telesat的Ka波段星座 [17] 由不少於117顆衛星組成，衛星分布在兩組軌道面上：（1）第一組軌道面為極軌道，由6個軌道面組成，軌道傾角99.5度，高度1000km，每個平面至少12顆衛星；（2）第二組軌道面為傾斜軌道，由不少於5個軌道面組成，軌道傾角37.4度，高度1200km，每個平面至少有10顆衛星。就功能上而言，第一組極軌道提供了全球覆蓋，第二組傾斜軌道更關注全球大部分人口集中區域覆蓋。圖1描繪了Telesat的星座，極軌道和傾斜軌道中衛星的視場（Fields of Regard, FoR）分別用紅色和藍色表示，用戶的最小仰角為20度。

圖1 Telesat系統的星座模式。藍色對應於傾斜的軌道，紅色對應於極地軌道。

同一軌道組內的同一平面內或相鄰平面內，及在兩個軌道組間的相鄰衛星，都將通過雷射衛星間鏈路（Inter-Satellite Link, ISL）進行通信。由於使用星間鏈路，用戶將能夠從世界上任何地方連接到系統，即使用戶和關口站不在同一衛星的視線內。

每顆衛星將作為IP網絡的節點，並將攜帶具有直接輻射陣列（Direct Radiating Array, DRA）的高級數字通信有效載荷。有效載荷將包括具有解調、路由和重新調製功能的星上處理模塊，從而解耦上下行鏈路，這代表了當前彎管架構的重要創新。DRA將能夠在上行鏈路方向上形成至少16個波束，並且在下行鏈路方向上形成至少另外16個波束，並且將具有波束成形（beam-forming）和波束調形（beam-shaping）功能，其功率、帶寬、大小和視軸動態地分配給每個波束以最大限度地提高性能並最大限度地減少對GSO和NGSO衛星的幹擾。此外，每個衛星將具有2個可調向的關口站天線，以及用於信令的寬視場接收器波束。

該系統設計有多個分布在世界各地的關口站，每個關口站配備多個3.5米天線。渥太華的控制中心將監測、協調和控制資源分配過程，以及無線電信道的規劃、安排和維護。

Telesat的星座將在Ka頻段（17.8-20.2GHz）的較低頻譜中使用1.8GHz的帶寬用於下行鏈路，而在上Ka頻段（27.5-30.0GHz）的帶寬為2.1GHz用於上行鏈路。

2.2 OneWeb系統

OneWeb的Ku + Ka波段星座 [18] 包括在18個圓形軌道平面上的720顆衛星，軌道高度1200km，軌道傾角87度。圖2顯示了OneWeb系統的星座模式。

圖2 OneWeb星座模式

每顆衛星都有一個彎管有效載荷，有16個相同的、不可調整的、高橢圓形的用戶波束。這些波束的足跡保證了任何用戶都在至少一個仰角大於55度的衛星的視線範圍內。此外，每顆衛星將有兩個萬向可調向的關口站天線，其中一個將是主動的，而另一個將充當備用和切換天線。每個用戶波束將具有Ku波段中的單個信道，其將被映射到Ka波段中的信道。返回方向上的信道將具有125MHz的帶寬，而前向方向上的信道將具有250MHz的帶寬。

OneWeb的系統使用Ku波段進行用戶通信，使用Ka波段進行關口站通信。具體地，10.7-12.7和12.75-14.5GHz頻帶將分別用於用戶下行鏈路和用戶上行鏈路，而17.8-20.2GHz和27.5-30.0GHz頻帶將分別用於饋線下行鏈路和饋線上行鏈路。

地面段方面預計需要50個或更多的關口站，每個關口站最多配備10個口徑2.4米的天線。在用戶側，OneWeb的系統支持使用30-75釐米拋物面天線、相控陣天線和其他電調向天線。由於衛星不使用衛星間鏈路，只能在用戶和地面站同時位於衛星視線（LOS）範圍內的區域提供服務。

2.3 SpaceX系統

SpaceX的Ku + Ka波段星座 [19] 包含4,425顆衛星，分布在幾組軌道上。核心星座由1,600顆衛星組成，這些衛星均勻分布在高度1150km的32個軌道平面上，傾角為53度（圖3中藍色標識）。其他2,825顆衛星將進行輔助部署，將按如下方式部署：

●32個軌道面，每面50顆衛星，1110公裡，傾角53.8度（橙色）；

●8個軌道面，每面50顆衛星，1130公裡，傾斜度為74度（洋紅色）；

●5個軌道面，每面75顆衛星，1275公裡，傾角為81度（黑色）；

●6個軌道面，每面75顆衛星，1325公裡，傾斜度為70度（黃色）。

圖3 SpaceX系統的星座模式。不同的軌道組用不同的顏色表示

圖3描繪了SpaceX的巨型星座的星座模式。每顆衛星都將攜帶一個包含相控陣的高級數字有效載荷，這將允許每個波束單獨轉向和成形。用戶終端的最小仰角是40°，而每個衛星的總吞吐量預計為17-23Gbps，這取決於用戶終端的特性。此外，衛星還將具有雷射衛星間鏈路，以確保持續通信，提供海上服務，並減輕幹擾的影響。

地面部分將由3種不同類型的組件組成：跟蹤、遙測和指令（Tracking Telemetry and Commands, TT＆C）站，關口站天線和用戶終端。一方面，TT＆C站的數量稀少，分布在世界各地，其天線的直徑為5米。另一方面，關口站和用戶終端都將基於相位陣列技術。SpaceX計劃擁有大量的關口站天線，分布在世界各地，與網際網路對等點接近或共存。

SpaceX系統將使用Ku波段進行用戶鏈路，Ka波段用於饋線鏈路。具體而言，10.7-12.7 GHz和14.0-14.5 GHz頻段將分別用於用戶下行鏈路和用戶上行鏈路，而17.8-19.3 GHz和27.5-30.0 GHz頻段將用於饋線下行鏈路和饋線上行鏈路。

2.4 評估比較

本節比較了以上三個衛星星座系統，進一步擴展了前述內容，並分析了前文系統描述中未涉及的方面。

2.4.1 軌道位置和可視衛星數量

如表1所示，所有三個系統共同使用具有相似半徑的圓形軌道，所有這些系統都工作在1000-1350km軌道高度範圍內。OneWeb使用傳統的極軌道星座配置來提供全球覆蓋，而SpaceX和Telesat都使用多軌道組合配置，通過極軌道衛星提供全球覆蓋，而將一些衛星放置在傾斜的軌道上實現地球上人口密度較大區域的有效覆蓋。

表1 OneWeb、SpaceX及Telesat三個低軌星座的軌道參數表

這些軌道位置的差異，加上星群中的衛星總數在不同的競爭系統中有很大的差異，導致給定位置的視距（Line Of Sight, LOS）內衛星平均數存在很大的差異。與SpaceX和OneWeb系統（分別支持終端仰角為40度和55度）相比，衛星數量最少的Telesat系統將以較低的仰角（20度）運行。這種較低的仰角可能導致更頻繁的連接阻塞（由於樹葉、建築物阻塞）和連接中斷（由於較高的大氣衰減）。圖4顯示了不同緯度值下LOS內衛星的平均數量（考慮到FCC文件中報告的最小仰角）。

圖4 可視衛星數量隨緯度的變化

儘管Telesat星座中的衛星數量明顯小於OneWeb中的衛星數量，但LoS內的衛星數量在正負60度緯度範圍內較高，而該區域正是大多數人口密集的區域。這種情況的原因在於，Telesat的最小仰角小於OneWeb（20度相比於55度）。此外，值得注意的是，當部署完整的SpaceX系統時，地球上人口最多的地區的LOS內將有20多顆衛星（位於南北極區附近）。

2.4.2 頻率分配

圖5顯示了不同系統的頻率分配。對於每個系統和頻段，直線上面的部分代表右旋圓極化（Right HandedCircular Polarization, RHCP），直線下面的部分代表左旋圓極化（Left Handed Circular Polarization, LHCP）。表2比較了每個波束的波束數、每波束帶寬、每類鏈路分配的總帶寬和頻率復用因子。每個衛星的總帶寬計算方式為每波束的帶寬乘以頻率復用因子，該頻率復用因子是根據每顆衛星報告的總數據速率估算的。

圖5 三個低軌星座工作頻率對比

表2 三個低軌星座各鏈路帶寬比較

一方面，SpaceX和OneWeb都使用Ku頻段作為其衛星到用戶鏈路（上行鏈路和下行鏈路），而衛星到地面站則在Ka波段下行和上行鏈路中進行頻譜分配。OneWeb對用戶下行鏈路使用RHCP極化，對用戶上行鏈路使用LHCP；SpaceX對上行鏈路和下行鏈路使用RHCP，而LHCP用於遙測數據。此外，兩個系統都使用Ka頻段作為其饋線鏈路：OneWeb在RHCP和LHCP中使用155MHz下行鏈路信道和250MHz上行鏈路信道；SpaceX使用250MHz下行鏈路信道和500 MHz上行鏈路信道，同樣適用於RHCP和LHCP。

另一方面，Telesat的系統僅使用Ka波段頻譜，因此衛星到用戶和衛星到關口站的通信需要共享同一頻段。鑑於其數字有效載荷的靈活性，Telesat的系統能夠為用戶和關口站波束動態分配功率和帶寬，以減輕幹擾。

OneWeb的系統具有彎管架構，其中16個用戶下行鏈路信道都會映射到Ka頻段饋線上行鏈路信道，反之亦然，用於返回鏈路上的映射。但是，SpaceX和Telesat的系統架構允許星上解調、路由和再調製，從而有效地解耦用戶鏈路和饋線鏈路。這允許它們：a）在上行鏈路和下行鏈路信道中使用不同的頻譜效率，最大化衛星的總容量；b）為用戶波束動態地分配資源；c）通過選擇所使用的頻帶來減輕幹擾。由於這種解耦合，我們估計兩個系統的饋線鏈路都可以達到接近5.5bps/Hz的頻譜效率，這也就意味著SpaceX用戶鏈路頻率重複使用4-5次，Telesat用戶波束重複使用4次。

2.4.3 波束特性

鑑於每個系統上的衛星有效載荷的差異性，每顆衛星上的波束在能力、形狀和覆蓋面積等方面也存在顯著差異。表3包含所有三個系統的波束特性的總結。

表3 三個低軌星座的波束特性比較

SpaceX和Telesat都具有可單獨成形和可控制的波束，而OneWeb僅具有固定波束。SpaceX和Telesat使用圓形波束，而OneWeb的系統使用高橢圓波束。圖6-a）包含對視場FoR的比較，而圖6-b）顯示了每個系統的波束的-3dB足跡輪廓。注意每個衛星和波束所覆蓋區域的差異：OneWeb的每個波束都覆蓋了近75000平方公裡的地球區域，SpaceX的波束覆蓋面積約為2800平方公裡，而Telesat可成形波束的覆蓋面積在960平方公裡（圖6-b中的Telesat min）和246000平方公裡（圖6-b中的Telesat max）之間調整。

圖6 a）為三個低軌星座運行至西班牙上空時的衛星視場；b）為三個低軌星座在紐約上空的單個波束足跡

2.4.4 部署和預期可擴展策略

表4總結了OneWeb和SpaceX的巨型星座的發射特性，包括每次發射的衛星數量和所需發射的總次數。在撰寫本文時，Telesat尚未發布有關其發射提供商和衛星特徵的公開信息，因此未包含有關其系統的信息。

表4 OneWeb與SpaceX低軌星座系統發射特性

OneWeb計劃通過與阿里安（使用21個聯盟號火箭發射）和維珍銀河（所開發設計的LauncherOne火箭）的合同部署其衛星。每個聯盟號火箭將攜帶34至36顆衛星（取決於火箭目的地和發射場），與阿里安的合同還包括另外5次聯盟號發射和3次額外的阿里安-6發射。此外，截至2018年3月，OneWeb向聯邦通信委員會提交了一份新的請願書，通過增加1260顆衛星擴展其星座，共計1980顆星的衛星星座。這種擴展將使軌道面數量增加一倍（從18軌道面增加到36軌道面），並將每面衛星數從40增加到55 [20] 。

SpaceX將使用他們自己的運載火箭（獵鷹9或獵鷹重型）發射他們的衛星。SpaceX計劃利用兩階段部署，最初部署1,600顆衛星（系統在首批800顆衛星發射後開始運行），以及稍後部署2,825顆剩餘衛星。初始部署將允許SpaceX提供南北緯60度緯度範圍內的服務，一旦最終部署啟動，將提供全球覆蓋。

最後，在最近的新聞稿中 ，Telesat透露，根據業務結果，他們正在考慮通過分階段部署擴展其星座，這將使衛星總數逐步從192增加到292，直至最終的512。除了他們的Ku-Ka頻段系統外，這三家公司都提交了申請，要求在Q/V頻段發射更大的星座，將LEO和MEO中的衛星結合起來。這些Q/V波段星座的描述和分析不在本文的討論範圍內。

2.4.5 資金和製造

關於融資和衛星製造方面，三家公司採取了不同的方法。

OneWeb創建了一個合作夥伴關係，其中高通公司（20.17%）、軟銀（19.98%）和空客（13.34%）擁有該公司的大量股份 [21] ，每個合作夥伴都在系統設計中發揮著特定的作用。例如，空客負責製造衛星，高通公司將提供OneWeb用戶基站，休斯網絡系統將提供關口站設備。在融資方面，OneWeb在最初的融資輪中從戰略合作夥伴那裡籌集了5億美元，軟銀在私募股權輪中進一步投資了15億美元[22] 。

SpaceX正在採用內部製造策略，其中大部分衛星總線都是在內部開發的，集成、組裝和測試任務也將在SpaceX的設施中進行。儘管SpaceX沒有提供有關其星座融資前景的信息，但最近一輪10億美元的融資，投資者包括谷歌和富達 [23] 。

最後，Telesat的大部分系統設計和製造將外包給不同的公司。儘管他們的衛星製造商尚未確定，但他們已與Thales-Maxar和空客達成合同，以進一步開發系統設計並提交堅定的建議，而Global Eagle和GeneralDynamics Mission Systems將負責開發他們的用戶終端。在融資方面，Telesat在他們的FCC申請中表示他們願意投資「他們自己的」重要財務資源，並建議他們將訴諸資本市場以獲得額外資金。

3.方法和模型描述

本節介紹了我們用來描述地面部分需求和評估系統性能的方法。圖7顯示了開發的模型（灰色陰影、圓角框）和所需輸入（白色框）的概述。評估系統總吞吐量（可銷售容量）的方法包括兩個步驟。首先，利用遺傳算法計算了饋線關口站的位置和數量。第二，地面部分的位置與大氣模型、鏈路預算模型和軌道動力學模型相結合，以統計確定系統的總吞吐量。

圖7 確定地面段位置和估計系統總吞吐量的方法

本節的其餘部分專門描述這些模型和輸入：第3.1節介紹所用的大氣模型；第3.2節介紹鏈路預算假設和參數；第3.3節介紹所用的需求模型；第3.4節介紹用於優化地面段的方法；最後，第3.5節介紹用於統計估計系統總吞吐量的方法。

3.1 大氣模型

大氣衰減是影響通信鏈路性能的主要外部因素。在Ka頻段，大氣衰減會導致鏈路容量降低，有時甚至直接導致鏈路中斷。為了解決鏈路數據在任何時間點的衰減和最大化，通常採用自適應編碼和調製策略。換句話說，調製和編碼方案（Modulation andCoding, ModCod）是動態選擇的，以最大限度地提高既定天氣條件下的頻譜效率。

在本研究中，我們按照ITU-RP.618-13建議書 [25] 中提出的指南（考慮了氣體/雲等），實施了 [24] 國際電信聯盟（ITU）模型，用於傾斜路徑鏈路的大氣衰減、對流層閃爍和雨水損害。這些建議提供了考慮每個上述事件所導致的衰減貢獻值，及超過這些值的時間百分比（即大氣衰減累積分布函數，CDF）。特別是ITU-R P.676-11和ITU-R P.840-7建議分別用於計算氣體和雲衰減，而建議書ITU-R P.837-6、ITU-R P .838-3和ITU-R P.839-4給出的圖分別用於估算降雨率、降雨特定衰減和降雨高度。例如，圖8顯示了波士頓不同頻段的總大氣衰減。

圖 8 不同頻段下波士頓區域氣衰CDF曲線（橫坐標左側為對數坐標系）

3.2 鏈路預算模型

鏈路預算模塊與大氣模型相結合，計算不同大氣條件下上下行鏈路的可達數據速率。我們針對鏈路預算的代碼實現是參數化的，旨在快速計算地面站和運行條件的每種組合的最佳ModCod方案。此外，它還設計用於處理彎管結構（上下行之間發生頻率轉換）和再生結構（上下行鏈路使用不同的ModCod方案）。

對於性能評估模型，考慮採用2014年開發的擴展第二代通過衛星提供數字視頻廣播（Digital VideoBroadcasting via Satellite 2nd Extended,DVB-S2X） [26] 中規定的調製編碼方案，因為它是廣播、寬帶衛星通信和交互服務的主要標準。該標準定義了幀結構、信道編碼和一系列調製方案。具體來說，包括60多個ModCod，調製範圍從BPSK到256-APSK，編碼率從1/4到9/10。參考DVB-S2X實施指南的建議，我們假設幀錯誤率（Frame Error Ratio, FER）為10E-7。此外，我們假設固態高功率放大器（High Power Amplifier, HPA）的輸出回退等於ModCod的峰均比（給定為99.9％百分比功率與平均功率之間的比率），以避免飽和失真。

鏈路預算中的其餘參數包括發射器和接收器天線的直徑、效率和噪聲溫度，以及RF鏈上不同損耗和載波幹擾值。我們從提交給FCC的每個申請中詳細列出的鏈路預算示例中提取這些參數的值。表5和表6包含每個系統前向的饋線鏈路和用戶鏈路預算示例。

表5 所考慮的三個系統的關口站上行鏈路（上Ka波段）的波束鏈路預算，考慮不同的範圍和仰角，可用的大氣衰減值為99.5％；

表6 針對所考慮的三個系統在用戶下行鏈路波束的覆蓋邊緣處計算的波束鏈路預算，大氣衰減值可用率為99％。

3.3 需求模型

為了得到系統總吞吐量的實際估計值，我們開發了一個需求模型，該模型為給定軌道位置的任何衛星提供了最大可銷售容量的上限。需求模型的重點關注為終端用戶服務及為基站等設施提供回程服務，以擴展現有網絡（如蜂窩網絡的手機服務），而非滿足其他市場（如軍事、飛行、海上、離岸連接等）的需求。這一決定是經過深思熟慮的，因為目前大多數LEO星座方案都強調為最終用戶提供全球帶寬接入。

需求模型生成過程如下所述。

對於給定的軌道高度，我們生成了一個網格化地圖（緯度和經度解析度為0.1度*0.1度），用於確定位於特定軌道位置的衛星波束所覆蓋的人數，使用網格化人口世界第四版數據集（Gridded Population of the World v4, GPWv4），根據人口普查數據估算2020年人口數量超過30弧-秒的解析度網格 [27] 。我們還考慮了每顆衛星工作的最小仰角限制。此外，我們假設一個地區的用戶均勻分布在他們的LOS內的所有衛星上。

為了計算需求的數據速率值（以Gbps為單位），我們假設任何衛星將在網格的每個小區佔據最多10%的市場，並且每個用戶請求的平均數據速率為300kbps（每月約100GB）。最後，需求的上限是每顆衛星的最大數據速率（

，見4.2節），如公式1所示。（其中，是地面位置LOS內的衛星數量）。

（1）

圖9顯示了OneWeb星座的需求數據速率。需求較高的區域以鮮明的色調顯示，而需求較低的區域以較暗的色調顯示，而需求為零的區域不著色。

圖 9 不同軌道位置的衛星業務量需求

3.4 地面段優化

使用與 [28] 中所述程序相似的程序確定地面站位置。我們執行一個優化程序，以最大化以下目標函數

（2）

同時儘量減少所需的地面站數量。在式2，cov95和cov99分別代表地面站在大氣條件下覆蓋的軌道位置百分比，分別小於且小於1％。我們假設地面站與衛星通信的最小仰角是10度。

在數學上 ，這個優化問題可以被看作是一個向下選擇的問題，我們需要選擇性能最好的N個地面站。我們考慮在全球範圍內分布160個不同地點的搜索池，搜索空間為2168 ~3.8×1049 ，考慮到計算空間太大而無法進行全面的枚舉和評估。因此，需要使用優化算法。

鑑於其結構，遺傳算法非常適合解決下選問題 [29] 。我們採用了非支配排序遺傳算法（Non-dominated SortingGenetic Algorithm-II, NSGA-II） [30] ，一種高效的多目標遺傳算法，其工作原理如下：

①生成NPOP架構的隨機總體（使用地面站的隨機子集填充）

②評估每個目標函數o（等式2）的值。

③選擇N/2體系結構，它們是下一代群體的「父代」，遵循以下標準：a）帕累託排名較低的架構是首先選擇；b）在具有類似帕累託的架構中排名，那些擁擠距離較低的人首先選擇。

④在N/2上應用交叉遺傳算子父架構。交叉運算符將兩個父代作為輸入，並生成兩個子代。每個父站中存在的每個地面站都被分配給一個概率相等的子站（即，我們在每個父站的地面站上使用統一的交叉）。總的來說，N/2後代是由N/2父母產生的。

⑤將突變遺傳算子應用於N/2父結構和N/2子結構。突變將一個地面站從概率預移的架構中移除，並添加一個新的概率PADD地面站。變異算子與概率PMUT相結合。

⑥重複步驟2-5，直到滿足終止標準（即計算的最大生成數NGEN，帕累託前端沒有新的架構）。

此外，我們利用問題的地理結構來加速優化算法的收斂。考慮到一個地區地面站的選擇對另一個地區地面站的選擇影響較小，我們將優化分為兩個階段。首先，在階段A中，我們使用上述NSGA-II算法（NPOP=200，NGEN=200）確定所考慮的6個區域（非洲、亞洲、歐洲、北美、大洋洲和南美）的最佳地面段結構。第二，在階段B中，我們將NSGA-II算法應用於全局，但我們不生成隨機總體（步驟1），而是使用階段A中基於區域優化的帕累託前端架構作為初始總體的生成組件。換言之，從A階段的每個區域中選擇一個帕累託最優地面段結構來生成B階段的地面段結構。這個新的總體用作B階段NSGA-II算法的初始總體（NPOP=200，NGEN=80）。

3.5 系統總吞吐量估算

為了評估系統吞吐量，我們開發了一個計算模型，為每個巨型星座提供最大可銷售容量的上限。之所以需要開發基於統計模型的吞吐量評估方法，原因在於：1）每個衛星服務水平內的用戶數和關口站數隨時間變化，以及2）引入不同衰減下大氣條件，也就是說，不同的數據速率本質上也是隨機的。

確定系統總吞吐量的過程如下。

首先，選擇以60秒的時間步長，分析衛星星座任意衛星在一天內的軌道運行數據。然後，對於每個軌道配置，我們為每個地面站抽取10000個大氣衰減樣本，假設大氣衰減樣本在統計上獨立，並根據用大氣模型計算的概率分布曲線分布（例如波士頓，不同頻率的CDF如圖8所示。）然後，將這些樣本用作鏈路預算模塊的輸入，以估計每個地面站的可實現鏈路數據速率。最後，根據衛星是否有衛星間鏈路ISL，分別確定兩種不同的方式下系統總吞吐量。

如果星群沒有衛星間鏈路，則根據等式3計算每個衛星（ THsat ）的吞吐量，其中 dsat 是用戶需求，且

表示N個最佳地面站的數據速率 Rb 之和。這是針對每個軌道位置和一組大氣條件進行的，產生了1440萬個樣本。通過增加每個衛星的吞吐量來計算每個方案（我們稱之為軌道位置+大氣條件的組合方案）的總系統正向容量。

（3）

另一方面，如果存在衛星間鏈路，則遵循以下四步程序來計算總系統吞吐量：

1）計算可能使用所有可用傳輸的總系統前向容量饋線關口站。

2）通過把饋線關口站容量相加計算整個系統前向容量的CDF。

3）選擇CDF曲線上均勻間隔的1,000個場景的子集，以考慮衛星間鏈路進行進一步分析。

4）對於每個選定的場景：

A）構建一個網絡圖，其中每個衛星上的用戶，衛星本身和地面站是圖的節點，RF鏈路是邊緣。

B）解決「最小成本，最大流量」問題並確定從每個衛星到關口站的流量。

C）通過添加來自所有衛星的流量來計算總系統吞吐量。

3.6 其他假設匯總

本節總結了我們模型中的其他假設。

●用戶需求集中在陸地區域，與衛星覆蓋人口成比例，且不考慮海上或航空需求。

●在LOS內擁有多顆衛星的終端隨機選擇一個進行通信，因此需求在LOS內的衛星之間均勻分布。

●自適應編碼和調製（Adaptive Coding and Modulation, ACM）用於衛星關口站鏈路，因此對於任何軌道位置和大氣條件，選擇最大化吞吐量的調製編碼方案MODCOD。

●衛星具有足夠的功率，以便在需要時以最大EIRP進行通信。

●用戶終端不是限制因素，因為它們能夠連續跟蹤衛星並以所需的數據速率進行通信。

●在任何仰角，用戶鏈路中的樹葉、建築物障礙物或其他因素都不會造成鏈路中斷。

●不考慮由於不同星座的LEO衛星之間的幹擾導致的性能下降。

●地面站可以位於任何陸地區域。他們的位置沒有政治、著陸權或地理限制。

●ISL鏈路可用於將超額需求路由到其他衛星。只有同一軌道集中的衛星才能通過ISL（平面內和跨平面）進行通信。

●即使端到端延遲具有最小化需求，數據在星間鏈路ISL路由轉發時不設最大跳數限制。

4.結果

本節給出了以下結果：a）每個系統所需的地面段部署需求；b）如第3.3節所述，對於前向鏈路上總可售容量系統總吞吐量上限的性能評估。

在這些結果中，我們使用術語地面站（Ground Station）指的是承載一個或多個饋線天線的站點，而術語關口站天線（gateway antennas）指的是位於這些站點的實際饋線天線。需要注意的是，每個地面站的關口站天線數量是有限制的，因為天線指向方向之間必須保持最小的角度間隔，以防止相互之間的幹擾。根據三個系統的FCC文件中發現的最小角度分離值，每個站點的最大關口站天線數量的合理值為50，即在不需要更為高層協調下所允許的天線數量。然而更現實的情況是，每個地面站的天線數量通常限制在30個。

圖10分析了三個系統在給定地面站位置數量下需求區域覆蓋率的帕累託前端。可以看出，OneWeb的系統需要61個地面站才能實現全覆蓋，而Telesat和SpaceX的系統無法僅使用地面站覆蓋整個需求區域。發生這種情況原因在於，在衛星採用更大視場FoR情況下，衛星在其FoR內有更多的人口的軌道位置，即使相應地面站的仰角太低而無法關閉大氣條件的鏈路，95％的時間都在場。但是，SpaceX和Telesat的系統都不需要實現100％的需求區域覆蓋，因為ISL鏈路可用於將衛星數據從覆蓋區域路由到實際位於覆蓋區域內的衛星。

圖10 地面站位置數與需求區域覆蓋率

還應注意，對需求區域進行100％覆蓋並不能保證在最大系統容量下運行，因為一些地面站可能由於低仰角而以較低的數據速率運行。相反，沒有對需求區域的全面覆蓋並不意味著無法獲得最大系統吞吐量，因為衛星可能使用ISL在網絡內路由數據。考慮到這一點，圖11顯示了所分析的三個系統的估計總系統吞吐量與地面站數量的關係。使用實線繪製平均值（隨時間），而陰影區域表示四分位數值（即，容量隨時間變化，並且在陰影區域內包含25-75％的時間）。Telesat和SpaceX星座的ISL數據速率分別為5、10和20Gbps，分別以橙色，綠色和藍色表示。洋紅色線對應於沒有ISL的系統的性能。

從圖11中可以看出，OneWeb、Telesat和SpaceX星座的最大總系統吞吐量分別為1.56 Tbps、2.66 Tbps和23.7 Tbps。此外， SpaceX系統是採用ISL後受益最多的系統，並且由於衛星數量眾多，它需要最大數量的地面站才能達到其最大容量（總共123個）。有趣的是，OneWeb系統所需的地面站數量（71）大於Telesat所需的地面站數量（42），儘管前者的最大容量更低。圖11 d）同時表明，如果OneWeb也採用ISL方案（每個衛星4個ISL，即同軌道面內2個ISL和異軌道面間2個ISL），可以由圖中看出，在具備ISL時OneWeb系統所需的地面站數量明顯降低；即使ISL數據速率5Gbps情況下，也只需要27個地面站可以實現最大性能。

圖11 估計的總系統前向容量與地面站位置的數量a）Telesat，b）SpaceX，和c）OneWeb的系統。d）如果OneWeb的系統包括光學ISL（OISL），則顯示估計的系統前向容量。括號中的值表示每個地面站位置的最大關口站天線數。

表7列出了每個系統以及不同關口站和地面站方案的估計總系統吞吐量的數值。使用具有50個地面站位置的地面段（如前所述，在關於每個位置的最大關口站數量的合理假設下），OneWeb系統的容量達到1.47Tbps，而Telesat和SpaceX系統的容量分別達到2.65 Tbps和16.78 Tbps。請注意，儘管OneWeb的系統擁有的衛星數量遠遠超過Telesat，但其總系統容量卻較低。這是由於以下原因：

表7 不同地面站和關口站數量的估計總系統吞吐量（tbps）

（註：為地面站位置的數量，系統吞吐量單位Tbps。括號中的值表示，每個地面站位置允許的最大關口站數。N GS 為假設場景，因為OneWeb的系統沒有ISL。）

●頻譜利用策略：如第2.4.2節所述，OneWeb的星座僅使用Ku波段頻譜中單一極化方式，復用因子為2。這導致用戶下行鏈路的總可用帶寬低於SpaceX和Telesat的系統。如本節接下來解釋的那樣，用戶下行鏈路確是OneWeb系統中的限制因素。

●軌道配置和LOS中的衛星數量：如第2.4.1節所示，Telesat和SpaceX的系統都關注了地球上人口密集區域的覆蓋，而OneWeb僅使用極軌道導致他們的衛星在無人居住的地區飛行更長的時間。此外，SpaceX和Telesat的系統可以更好地滿足具有高要求的區域，因為在這些區域的LOS內有更多的衛星。

●波束早期飽和：由於OneWeb缺乏動態分配資源到特定波束的靈活性，即使整個衛星不飽和，一些波束也會飽和，導致需求下降。

●缺少ISL鏈路：缺少ISL鏈路導致OneWeb的衛星無法始終將其數據下行到地面站，尤其是對於地面站數量較少的情況。從表7中可以看出，如果使用ISL，當考慮30、50和65個地面站位置（與無ISL情況相比）時，總系統容量可以分別高10％，6％和1％。

如前所述，OneWeb的系統受到衛星到用戶鏈路的嚴重限制，這是其在數據速率方面整體性能較低的主要原因。表8顯示了關口站到衛星和衛星到用戶鏈路的每個衛星在前向方向上的平均和峰值數據速率。由於Telesat和SpaceX具有解調和再調製功能的數字有效載荷，因此這兩個鏈路可以分離並單獨考慮。

表8 每顆衛星的最大和平均數據速率

來自不同星座的衛星的平均數據速率存在顯著差異；由於使用了兩個獨立的關口站天線，Telesat的衛星實現了接近36Gbps的平均數據速率，SpaceX實現了接近20Gbps的數據速率（相對於SpaceX的FCC文件 [19] 報告的17-23Gbps），而OneWeb衛星平均為8.8Gbps（相比之前報導的每顆衛星8Gbps）。這些值的差異是因為關口站到衛星鏈路是SpaceX和Telesat星座的限制因素，而OneWeb的衛星受到衛星到用戶鏈路的限制。SpaceX和Telesat在大多數情況下都可以在其饋線上行鏈路中使用最高可用的MODCOD（256APSK），而OneWeb的用戶鏈路使用32-APSK作為其最高頻譜效率MODCOD。

如圖12所示的關口站數量與吞吐量的分析，我們觀察到每個巨型星座支持最大系統總吞吐量所需的關口站天線數量分別為SpaceX3500、Telesat220（10Gbps ISL）和OneWeb800（假設為20Gbps ISL）。正如預期的那樣，這個數字在很大程度上取決於衛星的數量。

圖12 三個LEO星座系統的系統吞吐量隨關口站天線數變化趨勢

從這些圖中可以得出兩個主要結論：第一，SpaceX的系統是從使用ISL中獲益最多的系統，而Telesat系統是獲益最少的系統（考慮到其星座中的衛星數量較少）；第二，SpaceX的總容量在擁有2500多個關口站天線後迅速變平（Using 20 Gbps isl），這表明他們的系統可以通過減少關口站天線的數量來提供顯著的節約，而不會對其總系統吞吐量產生重大影響（減少6%）。

最後，值得注意的是，如果OneWeb的系統選擇使用ISL，它們將獲得的收益；對於500個關口站系統，它們的總容量可能會增加33%，從1.2 Tbps增加到1.6 Tbps。在沒有ISL的情況下，總共需要800個關口站來實現1.6 Tbps的容量。

圖13顯示了Telesat和OneWeb系統的地面站數量、關口站天線數量和系統吞吐量之間的關係。可以觀察到，對於Telesat，系統容量主要由關口站天線的數量驅動（因為水平方向的吞吐量變化很小），而對於OneWeb，吞吐量取決於天線數量和地面站位置。

圖13 系統容量與地面站數量和關口站天線數量的關係a）Telesat和b）OneWeb

最後，表9總結了本文給出的結果值。從每個衛星的平均吞吐量和每個衛星可實現的最大數據速率方面，比較這些系統的效率是非常有意義的。在這方面，Telesat系統的效率最高，每顆衛星平均為22.74Gbps（每顆衛星最大數據速率的58.8%），而SpaceX和OneWeb分別為5.36Gbps和2.17Gbps（每顆衛星最大容量的25.1%和21.7%）。衛星效率的這種差異主要是由於通信衛星系統的兩個架構決定：在衛星上安裝雙主動關口站天線，在用戶側具有較低的最小仰角。

表9的下半部分顯示了假設場景的結果，其中三個系統都有50個地面站。請注意，在這種情況下，SpaceX系統將受到最不利的影響，其總吞吐量將減少30%至16.5Tbps，而OneWeb的系統吞吐量將減少6%至1.47 Tbps。Telesat系統不會受到影響，因為它只需要40個地面站以最大容量運行。

表 9 三個LEO衛星星座系統仿真結果對比

5. 技術挑戰

本節介紹了在這些系統投入運行之前需要克服的五個不同的技術挑戰。

5.1 幹擾協調

鑑於每個提案中部署了大量衛星，協調減少共線幹擾（即多顆衛星與地心在同一直線時）將是這些提案的一個重要方面。在NGSO衛星和GSO衛星之間（當LEO衛星穿過赤道線時），以及兩個近距離不同星座的NGSO衛星之間（同一頻率波束指向同一位置）可能會發生線內幹擾。

關於NGSO-GSO幹擾，每個提案都有不同的緩解策略。雖然OneWeb提出了一種漸進式的衛星調距機動方案，同時選擇性地禁用波束，但SpaceX和Telesat依靠其波束的可調整性和可成形能力，以及赤道用戶的多顆衛星在LOS範圍內這一事實。在所有情況下，目標都是確保LEO波束不與GSO衛星波束不共線，從而保持波束之間的最小角度間隔（最小辨別角）。

對於NGSO-NGSO共線幹擾，考慮到建議的頻率分配，OneWeb和SpaceX的下行鏈路用戶波束之間以及OneWeb，SpaceX和Telesat的關口站波束（上行鏈路和下行鏈路）之間可能會發生幹擾。此外，由於Telesat是一個僅限Ka波段的系統，它們的用戶波束也可能會干擾其他系統的關口站波束。在NGSO到NGSO的在線事件中，兩個控制公司都需要通過在同一點上使用不同的頻率信道，禁用波束或分割頻譜來協調以減輕幹擾。雖然Telesat和SpaceX都有避免幹擾的設計機制（例如，LOS中的多顆衛星，可操作和可成形的波束，動態帶寬信道化），但OneWeb的設計缺乏這種靈活性，因此它只能在協調過程中扮演被動角色。

5.2 動態資源管理

SpaceX和Telesat都使用了內置高度靈活的數字有效載荷。如前所述，兩個系統都計劃利用這種靈活性作為一種機制，以避免幹擾，同時通過將資源分配給覆蓋需求較高地區的波束，以最大限度地提高每個衛星的吞吐量。考慮到快速變化的環境（軌道位置、來自其他系統的幹擾、用戶需求、大氣衰減等）以及所涉及的大量波束和衛星，需要開發先進的動態資源分配管理（Dynamic Resource Management, DRM）算法。

此外，由於一個星群中的多顆衛星必須協調（即確保覆蓋所有用戶而不會對外部衛星造成幹擾），因此這些DRM算法需要在一個控制中心運行，該控制中心了解每個衛星的內部狀態以及整個星群的概況。同時，另一套DRM算法將需要在每顆衛星上本地運行，以處理衛星快速變化的環境。

5.3 發射時間表

這三個系統加在一起將為LEO增加5000多顆衛星。預計在未來4年內，將其送入軌道需要大約100-150枚專用火箭發射，這將導致世界範圍內發射數量的顯著增加（特別是聯盟號和獵鷹9號火箭）。僅在2017年，全球軌道發射的數量就達91次；其中18次是獵鷹9號火箭，15次是聯盟號火箭。

此外，儘管在撰寫本文時，這三家公司都為其系統製造了測試衛星（SpaceX和Telesat甚至在2018年初將它們送入軌道），但尚不清楚這些公司是否能夠根據其計劃時間表最終確定衛星的設計和生產。事實上，一些公司已經被迫稍微推遲了最初的發布，並推遲了運營的時間。

5.4 系統運營

巨型星座中的大量衛星在避免碰撞和廢棄處置方面帶來了新的操作挑戰。在這方面，地面基礎設施應持續監測、跟蹤和指揮數百顆衛星，並與太空飛行器在類似軌道上飛行的其他機構和組織進行協調（可能存在碰撞風險）。此外，由於數百顆NGSO衛星的遙測、內部狀態和網絡狀態信號需要持續監測，因此需要比當前最先進的系統更高的自動化程度。

5.5 用戶終端

支持具備跟蹤低軌衛星且低成本的用戶終端，是系統設計中所需考慮的一個關鍵要素，對本文分析的三個系統的商業成功至關重要。在過去，寬帶LEO網絡需要昂貴的由萬向天線組成的終端（通常是一對天線以保證連續覆蓋），這限制了對購買力高的客戶（主要是在企業市場內）的採用。

電調平板天線在這一領域是一種很有前途的技術，儘管目前還不清楚當星座開始服務時，這種技術是否能以期望的價位提供。就每個系統的用戶終端設計而言，Telesat兼容終端提出了最嚴格的要求，因為它們的天線需要在低至20度的仰角下工作（SpaceX和OneWeb分別為40度和55度）。

6. 結論

本文對三個LEO全球寬帶衛星星座系統進行了技術比較。在描述了每個系統的空間和地面段之後，我們詳細比較了每個星座的一些附加方面。然後，我們提出了一種方法：a）確定了每個系統所需的地面站和地面段關口站的數量需求；b）估計系統的總吞吐量。最後，我們強調了在這些系統投入運行之前需要克服的幾個技術挑戰，如幹擾協調、動態資源管理、發射計劃和運營。

我們分析的主要結論總結如下：

●最大總系統吞吐量（可銷售）對於OneWeb、Telesat和SpaceX的星座分別為1.56Tbps、2.66Tbps和23.7Tbps。

●由42個地面站組成的地面段足以滿足Telesat的所有容量，而OneWeb至少需要71個地面站，SpaceX需要超過123個。

●就衛星效率（理解為每顆衛星的平均數據速率與其最大數據速率之比）而言，Telesat系統的性能明顯優於競爭對手（約59%，與SpaceX的25%和OneWeb的22%相比）。這是因為：a）在每個衛星上使用了雙有源天線，b）在用戶鏈路中需要更低的最小仰角。

●OneWeb系統的吞吐量低於Telesat系統，儘管前者中的衛星數量要大得多。這主要是由於OneWeb的低複雜度衛星設計、頻譜利用策略、軌道配置和有效載荷設計以及無ISL導致的每顆衛星的數據率較低；

●如果將ISL用於OneWeb的星座（即使數據傳輸速率為5Gbps），所需的地面站數量可以減少一半以上，減少到27個地面站。

綜上所述，我們的分析揭示了三種低軌衛星星座方案的不同技術策略。OneWeb的戰略重點是率先上市，將風險降至最低，並採用低複雜性的空間段，從而提供較低的吞吐量。相比之下，Telesat的戰略圍繞著高性能衛星和系統靈活性（在部署、目標容量分配、數據路由等不同領域）展開，從而增加了設計複雜性。最後，SpaceX的系統在尺寸上是獨特的，雖然每個衛星的單獨結構並不比Telesat衛星系統複雜，但是大量的衛星和地面站大大增加了整個系統的風險和複雜性。

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