卫星系统技术介绍 卫星如何保持在轨道上的

60多年来，美国一直在环绕地球的轨道上运行卫星。今天，包括国防部（DoD）和美国国家航空航天局（NASA）在内的几个美国政府机构都在运营卫星，许多外国和众多商业公司也是如此。根据最近的一项研究，截至 2022 年5月，约有 ，1000 颗运行卫星在轨运行。其中许多卫星作为星座的一部分运行。（星座是一组卫星，从几颗到数百颗或更多，共同执行特定任务。预计在未来十年内，轨道卫星的数量将猛增，这主要是因为一些新的大型商业卫星星座在相对较低的高度轨道上运行。在本报告中，国会预算办公室介绍了卫星和星座的基本知识，描述了大型星座预计增长的原因和后果，并讨论了部署这些星座的成本。

卫星基础知识

卫星是复杂的技术设备，其设计和装备用于在轨道上执行特定任务。卫星的任务和轨道高度决定了机载所需设备的能力。每种类型的任务都需要特定的设备。例如，执行地球观测任务的卫星需要具有不同功能的望远镜，而通信卫星则需要能够接收和传输信号给地球表面用户和轨道上其他卫星的设备。

卫星任务的常见类别

大多数卫星执行的任务分为三类：地球观测、导航或通信。

有几种不同类型的地球观测任务。一种常见的任务类型是识别和监测环境现象，如天气、野火和极地冰盖。例如，美国宇航局的地球观测系统为此目的使用了各种配备望远镜的卫星，包括收集地球表面图像的Landsat系列。 另一种类型的地球观测任务是监视外国对国家安全构成潜在威胁的活动。例如，国防部的天基红外系统监测全球，以探测和表征导弹发射。设备的具体功能取决于任务：检测环境趋势可能只需要分辨率（物体之间的距离，可以明显区分它们之间的距离），以公里（km）为单位;相比之下，检测新的军事装备可能需要几米（m）或几十厘米的分辨率。

导航任务允许地球上的用户通过接收来自多颗卫星的信号来确定他们的位置。国防部最初建造了全球定位系统（GPS）卫星星座以支持军事导航，但它的使用也已为公众广泛传播。

通信任务有几个常见的应用，包括卫星电话（如铱星，Globalstar和Inmarsat），电视和广播（如Dish和SiriusXM），以及最近的互联网接入（如Viasat和Starlink）。此外，许多军事应用依赖于军用和商业卫星进行语音和数据通信。这些卫星通常具有从用户接收信号然后将该信号中继给指定接收者的设备。

卫星如何保持在轨道上

物体在地球表面上方的轨迹是由地球的引力和物体的初始速度（即其运动的方向和速度）决定的。绕地球轨道上的物体沿着平衡运动的路径行进，这样物体就不会靠近地球表面。（下面的描述有点理想化，以便于解释。

 

重力随着两个物体之间距离的增加而减小。因此，地球对太空中物体的引力引起的加速度随着物体在地球表面上方的高度（即其高度）的增加而迅速减小。例如，在1公里的高度，大约是地球表面加速度的四分之三;在36000公里的高度，它大约是表面加速度的五分之一。因此，物体离地球表面越近，它在给定时间内落得越远。

当重力将物体拉向地球时，它的初始速度正在推动它穿过地球表面。如果这个速度恰到好处，即使物体已经下落，它也会在地球表面移动，所以它不会离地球更近。当这种情况发生时，该物体被称为在轨道上。由于高度对重力加速度的影响，对于较低高度的物体，维持轨道所需的初始速度更高。

高度和初始速度对卫星轨迹的影响

重力总是将物体拉向地球（左上图）。物体在地球表面的初始速度决定了除了下落之外会发生什么。如果速度太低，物体将在表面上移动，但仍会撞击地球（右上图）。如果速度太高，它将错过地球并进入太空（左下图）。如果速度恰到好处，它将绕地球转一圈，然后返回相同的原始点，一条称为轨道的路径（右下图）。

卫星功能与设计

卫星由特定任务的有效载荷（如望远镜或其他传感器、通信包或允许用户确定其位置的精确时钟）和卫星总线组成，卫星总线容纳使有效载荷能够执行其任务的设备。该设备通常包括一个容纳各种设备的结构和一个保护它们免受空间环境影响的外壳、电源（通常是太阳能电池板）、热控制设备（在卫星进出地球阴影时调节卫星的温度）、储存能量的电池，以便在卫星处于地球阴影中时使用， 用于确定（通常是观察恒星图案的相机）和控制卫星位置及其对齐的设备（包括用于操纵卫星的小型火箭发动机），以及与地面控制器通信的设备。卫星的费用包括公共汽车和特定任务的设备。

卫星总线的能力会影响卫星的寿命和有效载荷的性能。例如，卫星总线中的推进剂量或电池可以经历的放电-充电循环次数可能会限制卫星的使用寿命。总线提供多少电力以及它可以在电池中存储多少电力会影响卫星有效载荷的性能。卫星总线还决定了卫星的指向精度（即卫星控制其传感器的位置和对齐的能力）。某些任务可能需要高度的准确性，以确保卫星与先前观测完全相同。

卫星的典型组件

卫星由几个组件组成，包括通信天线和望远镜等特定任务的有效载荷、用于供电的太阳能电池板，以及通常用于其他有效载荷设备（如电子设备）和其他提供基本内务管理服务的设备（如与地面操作员的通信、位置确定和其他功能）的外壳。

轨道基础知识

除了选择特定任务的设备外，任务规划人员还需要确定卫星将在太空中的哪个位置运行。大多数卫星在地球表面上方300公里（或约190英里）至约36，000公里（约22，000英里）之间的大致圆形轨道上运行。一般来说，卫星离地球表面越远（即高度越高），卫星设备执行任务的能力就越强。

卫星高度决定轨道状态

大多数卫星在三种轨道类别或制度之一中运行，由其高度定义：

低地球轨道（LEO）。LEO中的卫星的高度约为300公里至2，000公里。例如，国际空间站的轨道距离约为400公里，卫星电话提供商铱星的轨道距离约为780公里。相比之下，商用客机在大约 10 公里的高度飞行。

中地球轨道。MEO中的卫星的高度为2，000公里至35，786公里，但该制度中的大多数卫星在地球表面上方18，000公里至24，000公里之间运行。例如，GPS星座的轨道距离为20，200公里。

地球同步轨道。地球静止轨道上的卫星在35，786公里的高度。在这个高度，卫星需要24小时才能绕地球一圈，因此与地球的自转同步移动。在赤道上空运行的卫星将在整个轨道上保持在同一地面位置的上方，这被称为地球静止轨道。

所有常用轨道上的卫星都以非常高的速度运行：国际空间站以每秒约7.7公里的速度运行，相当于每小时超过17，000英里，GEO中的卫星以每秒约3.1公里的速度运行，或每小时约7，000英里。

共同轨道制度

一颗位于地球上空1 000公里低地球轨道的卫星大约每90分钟绕地球一周，一颗位于地球上空约18 000公里的中地球轨道上的卫星大约需要12小时，一颗在地球同步轨道上的卫星大约需要24小时。

轨道状况决定卫星特性

目前在轨运行的卫星中约有85%处于LEO中。但这种主导地位并非总是如此——就在10年前，GEO和LEO的卫星数量大致相同。低地球轨道卫星的大幅增长将在本报告后面更详细地讨论。

卫星通常被放置在最适合其任务的轨道上。考虑像GPS这样的导航卫星。为了确定它们的位置，用户需要能够同时接收来自四颗或更多卫星的信号。如果这些卫星分布在天空中，GPS接收器确定的位置将更加准确。MEO中的卫星很好地满足了这一要求 - 它们在天空中相对缓慢地移动，在地球表面的给定位置停留数小时。（相比之下，LEO中的卫星仅在视野中显示约10分钟，而GEO卫星始终保持在视野中。MEO中的卫星也可以安排覆盖整个地球纬度范围，而GEO卫星通常只在赤道上。因此，几乎所有具有导航任务的卫星都在MEO中。

按轨道制度分列的卫星特性

卫星的特性和成本取决于它们的任务。通信是LEO和GEO中最常见的任务，但导航主导着MEO。

在许多情况下，低轨道卫星的设备功能较弱，计划运行寿命较短。这些因素通常导致卫星的质量小于为地球观测小组设计的卫星;质量较小的卫星通常比质量较大的卫星成本更低。

轨道高度决定了地球的可见程度

地球上在卫星视线范围内的区域（称为其关注场）随高度而变化——卫星越高，它能看到的区域就越大。一些任务要求卫星大致位于所观察区域的头顶，从而减少了在任何给定时间可以有效查看的区域，而其他任务则允许卫星以一定角度观察，从而增加其覆盖区域。

由于卫星总是沿着其轨道路径移动，因此大多数卫星可以看到地球上特定点的时间是有限的，并且卫星离地球越近，时间就越短。GEO卫星可以无限期地观察一个给定的点（如果它们能看到的话），因为它们的视场相对于地球表面是固定的，而MEO卫星可以观察一个给定的点几个小时，LEO卫星可以观察大约10分钟。

各种轨道卫星的视野

此插图表示低地球轨道（1，000 公里）、近地球轨道（18，000 公里）和地球静止轨道（35，786 公里）中卫星的观察区域（关注场）的三维描述。此处表示的覆盖区域考虑了地球的几何形状，但没有考虑其他变量，例如与传感器相关的视角限制。

卫星的传感器能力决定了可以观测到多少地球

由于传感器的观察几何形状的限制，卫星传感器在任何时候都可以观察到的实际区域（传感器的视场）可能小于卫星的视场。例如，某些类型的观测可能需要传感器向下看地球表面（而不是从侧面看）。为了说明传感器关注领域施加的一组典型限制，CBO应用了从地球上的某个点看到的卫星必须至少高于地平线20度才能有效地查看该点的限制。

实际上，传感器在任何给定时刻都可能查看更小的区域。一些传感器通过一次仅查看其关注领域的一部分来管理产生的数据量或实现更高的分辨率。该区域称为传感器的视野，位于传感器视场定义的区域内的某个位置。

使用单个传感器关注范围内的平方英里数并使用20度约束进行简单计算意味着4颗GEO卫星（或5颗MEO卫星或约50颗LEO卫星）可以保持100%覆盖地球。然而，卫星不能简单地保持在最佳位置——它们必须在轨道上运行，沿着轨道路径连续移动（轨道路径被限制在一个轨道平面上，轨道轨迹和地球中心都位于其中），而地球继续在它们下面旋转。因此，计算卫星可以查看的实际区域以及何时可以查看这些区域是相当复杂的。

各种轨道上的传感器和卫星的视野和关注场

如果视角必须至少高于地平线 20 度，则传感器的视场（中间圆）小于卫星的视场（外圆）。具有非常宽视野的相机可能能够看到其关注范围内的任何地方，但大多数传感器在任何给定时刻看到的区域都比其关注区域小得多（最小的椭圆形）。

轨道倾角决定了地球的哪个部分是可见的

当卫星在其轨道上飞行时，它会在地面上追踪一条路径，该路径取决于卫星的相对运动和地球的自转。轨道的倾角（即轨道相对于赤道的角度）决定了卫星在其轨道上在地球表面上的南北行驶距离。赤道轨道（0 度倾角）中的卫星将在整个轨道上沿赤道运行。当倾角从 0 度增加到 90 度时，卫星将追踪一条达到等于其倾角的最大纬度（北和南）的路径。

对于具有广泛视野的卫星，如GEO中的卫星，赤道轨道可以进入地球的大部分地区，包括一些接近（但尚未完全到达）极地地区的高纬度地区。LEO卫星通常具有更小的视野，并且必须具有更高的观察高纬度的倾向。许多低地球轨道卫星使用所谓的极地轨道，倾角约为80度或更大，以覆盖每个轨道期间的所有纬度范围。

三颗低地球轨道卫星在它们下方旋转时的路径

显示的三条轨道代表LEO中的轨道，每个轨道都有不同的倾角。随着地球继续自转，路径中给定点正下方的位置从一个轨道周期变为下一个轨道周期。

三颗低地球轨道卫星在地球上空的路径投影

这些轨道代表与上图中相同的卫星，在一个90分钟的轨道上。地球的运动和卫星的运动在这个投影中结合在一起。下一个轨道将追踪一条不同的路径，该路径从这条轨道结束的地方开始。

卫星星座

卫星星座是卫星的集合，其中卫星的轨道和位置是协调的，它们的集体能力被用来配合任务。星座通常由几个平面上的卫星组成，每个平面上的轨道上有许多卫星间隔。卫星可以相当容易地改变它们在飞机内的相对位置，但飞机之间的运动需要大量的推进剂，并且可能会缩短卫星的寿命。7 在某些星座中，每架飞机都包括备用卫星，可以将其移动到位以替换同一平面内任何出现故障的卫星。

星座大小和观测频率

由于一颗卫星在地球在其下方旋转的同时沿其轨道不断移动，因此一颗卫星（地球同步轨道上的卫星除外）通常可以在几天内以相当狭窄的视野（或更常见的更大视野）观察地球的大部分地区。对于一些任务，如环境监测，只需要每隔一两天进行一次观测，一颗卫星可能就足够了。但是，对于需要始终（或几乎所有时间）覆盖全球的任务，需要将多颗卫星组合成一个星座。由于LEO中的每颗卫星都可以看到相对较小的区域，因此这些星座通常需要比MEO或GEO中的星座拥有更多的卫星才能实现相同的覆盖范围。

1公里低地球轨道上的卫星星座

一个由72颗卫星组成的星座，分为6个平面，每个平面上有12颗卫星（左图），提供几乎完整的全球覆盖。在右侧面板中，蓝色锥体显示了卫星传感器的视场。传感器的覆盖范围之间存在一些小差距，主要是在赤道地区。所有72颗卫星都以80度的倾角运行。

轨道高度和星座覆盖范围

为了对卫星在不同轨道高度通常提供的覆盖范围进行定量比较，CBO考虑了三个提供可比全球覆盖范围的星座的说明性示例：

一个地球同步星座，由4颗地球同步高度的卫星组成，在单个平面上以0度倾角等距（即在赤道上空）;

一个MEO星座，由8颗卫星组成，高度为18，000公里，分为2个平面，每架飞机4颗卫星，倾角为45度;

一个LEO星座，由72颗卫星组成，高度为1，000公里，分为6个平面，每平面12颗卫星，倾角为80度（与上一节图中所示的星座相同）。

所有这三个星座平均覆盖全球约90%至95%。8 然而，该覆盖范围的细节因纬度范围而异，在几个轨道周期的过程中，不同的星座将进入地球的不同地区。在每种情况下，增加更多的卫星 - 以额外的成本 - 可以增加覆盖范围。例如，在极地倾角增加一些卫星可以使GEO星座实现全球全面覆盖，就像美国的预警卫星星座一样。增加另一架卫星飞机可以使LEO星座更接近提供全面的全球覆盖。

涵盖三个说明性星座

百分之

GEO星座提供高达约50度纬度的全面覆盖，但在两极附近没有;MEO星座提供全覆盖，除了纬度60度左右的波段;LEO星座在高纬度地区提供约95%的覆盖率，但在赤道附近下降到约80%。

低地球轨道上的大型星座

星座由许多卫星组成的想法并不新鲜，尽管近年来“许多”的含义发生了变化。GPS星座已经运行了几十年，由MEO中的大约30颗卫星（其中一些是轨道上的备用卫星）组成。商业铱星星座在1990年代后期发射了最初的卫星，在LEO运行约75颗卫星（包括备用卫星）用于通信。目前星座的概念要大得多。例如，联邦通信委员会最近批准向第二代Starlink星座发射7，500颗卫星，目前正在考虑为该星座再发射22，500颗卫星。

在低地球轨道使用卫星星座的最近趋势

近年来，在低地球轨道上运行的卫星数量大幅增加，这在很大程度上是由对商业星座的投资推动的。如果目前的商业计划完全实现，其中一些星座将包括数千颗卫星。国防部的太空发展局也在为各种任务制定数百颗卫星的星座计划，其中大部分在LEO中。

一些技术发展促进了大型星座数量的增加。从历史上看，卫星通常使用动手实验室过程一次建造一颗。然而，现在，大规模生产卫星的工艺和设施开始被使用。此外，火箭发射供应商的数量大幅增加，降低了向低地球轨道发射卫星的成本。

不同轨道状态下的卫星

数以千计的卫星

在2010年代中期，所有三个轨道制度的卫星数量缓慢但持续增长。从2018年左右开始，在LEO中运行的卫星数量开始急剧增长。

这种增长是由商业公司建造的所谓巨型星座刺激的。SpaceX凭借其Starlink通信卫星星座引领潮流，占2020年和2021年LEO卫星发射量的一半以上。

在低地球轨道使用卫星的高分辨率地球观测任务

地球观测任务经常使用低地球轨道上的卫星，因为望远镜在短距离内更容易产生高分辨率图像。如果需要一定的分辨率来完成卫星的任务，如果卫星处于较低的高度（因此通常更接近被观测物体），则可以使用较小的望远镜来实现。

这是因为望远镜产生高分辨率图像的能力与其区分靠近的物体的能力有关。光的波动性质限制了可以区分的物体之间的最小角度，称为衍射极限。该限制取决于被观察光的波长（例如，红外或紫外线）和望远镜主光学元件（用于聚焦入射光的最大透镜或镜子）的直径（），称为望远镜的孔径，由下式给出。

因此，望远镜越大，可以解析的角度分离越小（即分辨率越好）。角度分离与地球表面上两个物体可以相互区分（解析）的最小距离有关，称为望远镜的地面分辨率，其中是望远镜与被观察物体之间的距离。因此，对于给定的望远镜孔径，卫星离物体越近，就越能清楚地看到它。

较小的望远镜通常比较大的望远镜成本低。美国宇航局的研究得出结论，望远镜孔径是决定太空望远镜成本的主要因素。

各种孔径尺寸的衍射极限分辨率

米（对数刻度）

望远镜越大，分辨率越好（越小）。哈勃太空望远镜的孔径约为2.5米。

使用三种不同的望远镜孔径，显示了在可见光谱中心附近500纳米波长（对应于蓝绿色光）的地面分辨率的衍射极限。

在低地球轨道使用卫星的通信任务

使用低地球轨道卫星执行通信任务既有优势也有挑战。低海拔的卫星可以从地面接收通信信号，并比高海拔的卫星更快地发回通信信号。延迟（通常称为延迟）对于GEO来说可能高达四分之一秒，这可能会给某些应用程序带来问题，例如远程控制飞机。

为了与地球另一端的人进行通信，信号还需要在返回地球之前从一颗卫星传输到另一颗卫星（也许还有更多）。这种卫星间传输时间增加了所有轨道制度的延迟。即便如此，使用低地球轨道卫星中继的信息的总传输时间（地面到卫星时间的总和、每颗卫星处理信号的时间、信号传播到链中下一颗卫星的时间以及最终卫星到地面的时间）比使用MEO或GEO卫星中继的信息短得多。

然而，对于低轨道的卫星来说，与卫星星座的通信更为复杂。如果地球上的某个点在地球静止轨道卫星的视野内，它将无限期地保留在那里，用户和卫星之间的通信可以建立，而无需更换卫星;这就是为什么卫星电视天线不动的原因。较低高度的卫星在较短的时间内观察地球上的任何给定点。MEO中的人在他们的视野内保持地球上的给定点大约10个小时，因此每天大约两次，地面用户需要与新卫星建立链接以保持通信。对于LEO来说，这种情况更具挑战性，因为这些卫星在其视野中仅保持给定点约10分钟。在这种情况下，如果需要连续通信，则需要反复建立新的通信链路。

在地球表面传输13，000公里的信号的时间

毫秒

使用卫星星座，消息从地球表面的一个位置传播到另一个位置的传输时间因星座的高度而异。

低空卫星与地面用户的通信速度更快，但链中需要更多的卫星。然而，对于低高度轨道，每颗卫星之间的距离较短。总体而言，LEO的总运输时间约为MEO的一半，GEO的四分之一。

大星座在低地球轨道上的优势

与较小的星座相比，大型卫星星座具有多种优势，特别是在损坏的卫星方面。近年来，国防部对对手干扰美国卫星的能力表示担忧。根据公开报告，对手可以使用各种方法暂时或永久禁用卫星连接。此类攻击造成的损害可能从物理破坏（由从地球发射的拦截导弹引起）到信号中断（由对手广播噪声以压倒或干扰卫星通信引起）。12 拥有许多卫星的星座的一个潜在优势是，与较小的星座相比，它们的覆盖范围和功能可能会逐渐下降，也就是说，卫星的丢失不会导致覆盖范围的突然丧失。此外，一颗受损的卫星会很快脱离低地球轨道感兴趣区域的视野，而一颗功能正常的卫星将进入视野。最后，损坏的卫星可以很快更换。大型星座可能已经有备用卫星在轨，运营商可能会不断生产和发射卫星，作为正常补给周期的一部分，以便在卫星老化时更换卫星;这些行动可用于提前更换受损的卫星。

用于通信的大型星座也有可能使用多个备用路径在禁用卫星周围路由信号。然而，这种弹性需要快速和适应性的方法来管理通信网络，并且可能具有挑战性。

CBO通过移除卫星来模拟其说明性星座中的覆盖范围下降，这将导致每一步最大的覆盖范围损失。从这个意义上说，该机构的结果可以被认为是最坏的情况。但是，同时破坏多颗卫星的大规模攻击也是可能的。例如，对卫星计算机的网络攻击可能会影响星座的很大一部分;这样的攻击会产生不同的效果。

三个说明性星座的卫星覆盖范围下降

卫星覆盖百分比

随着单个卫星被禁用，MEO和GEO星座提供的覆盖范围迅速下降，因为每个禁用卫星占星座总数的很大一部分。更大的LEO星座对卫星的损失更加强大，因为即使有些卫星被禁用，仍有更多的卫星可用于任务。

大型星座和越来越多的碎片物体

卫星与轨道上的其他人造物体共享空间，称为轨道碎片，它们来自两个主要来源。首先，例行的太空作业通常会在轨道上留下碎片，包括用过的火箭体和载人飞行任务产生的废物。其次，如果卫星破裂，有时会留下大量碎片。卫星解体的原因有很多。它们偶尔会因故障而碎裂，被与其他卫星或碎片碰撞摧毁，或被导弹击中。后一类更为罕见，但发生了两个值得注意的案例：2007 年的中国反卫星试验和 2021 年的俄罗斯反卫星试验。

一些碎片足够大，可以追踪，有可能避免;其他碎片太小而无法追踪，但仍然大到足以损坏航天器。一旦产生，碎片可以在轨道上停留多年，这取决于其高度和其他因素。（低空的碎片落出轨道的速度更快。美国宇航局的一项研究发现，1985年美国在约500公里高度进行的反卫星导弹试验的碎片在事件发生近20年后仍留在轨道上。

一般来说，如果更多的物体在特定区域移动，则其中一些更有可能（或几乎）相互碰撞。美国运营着一个跟踪卫星和碎片的系统，以警告世界各地的卫星运营商潜在的碰撞，以便他们能够操纵卫星以避免碰撞。这种机动可以使卫星暂时停止运行，并要求它们燃烧一些有限的燃料，从而可能缩短其使用寿命。

虽然卫星可以操纵以避免碰撞，但碎片不能。碎片之间的碰撞可能会产生更多的碎片，特别是如果碰撞物体很大。如果轨道上的物体数量达到临界密度，碎片就会自我延续。这种现象被称为凯斯勒综合症，可能导致某些轨道无法用于卫星运行。14

绕地球运行的物体

轨道碎片物体的数量大幅增加，特别是自2005年以来，部分原因是具体事件。

在过去的15年里，轨道上的物体总数——碎片和航天器——大约翻了一番。其中绝大多数增长发生在LEO高度。

大星座对地球活动的干扰

在低地球轨道上有许多物体的另一个潜在缺点是它们会干扰地球上的活动。例如，从卫星反射的阳光是肉眼可见的，根据最近的一份报告，如果计划中的星座完全部署，可能占夜空中可见光的10%。（卫星在阳光下停留的时间比地球表面长得多。此外，据一些行业分析师称，许多LEO卫星之间以及这些卫星与地球之间的射频通信可能会干扰高海拔卫星与地球之间的信号。国际天文学联合会最近也对地球对光学和射电天文学的干扰表示关切。 最后，人们担心今后大量火箭发射和卫星在寿命结束时在大气层中燃烧殆尽对环境的影响。

目前正在努力确定和实施促进可持续利用空间的行动，国际组织、各国政府和工业界都参与其中。19 然而，这种努力具有挑战性，因为目前没有具有法律约束力的行为标准，任何努力都需要自愿的国际合作。

不同轨道上的卫星和星座的成本

为了在多年内部署一组卫星，运营商需要制造所需数量的卫星，将它们发射到轨道上，并在必要时更换它们。要估计部署这样一个星座的长期成本，就需要估计卫星的生产和发射成本以及需要更换卫星的频率（这一过程称为更新周期）。在本节中，CBO估计了30年内部署其说明性LEO，MEO和GEO星座（本报告前面描述）的成本。

每颗卫星的成本

从历史上看，LEO卫星的成本通常低于更高轨道的卫星。由于LEO卫星靠近地球，通常具有更简单，功能更弱的有效载荷，可以由较小的总线支持。一般来说，具有较小总线和相应较低质量的卫星比具有较高质量的卫星成本更低。此外，LEO发射成本较低，因为将卫星提升到较低高度所需的能量更少。

CBO在国防部提交的2023财年预算中使用平均值来估算发射成本，并假设同一轨道平面内的多颗LEO卫星可以在同一枚火箭上发射。生产卫星的典型成本基于国防部卫星的历史示例，覆盖范围很广。由于地球观测卫星在MEO中没有，这些轨道的生产成本范围的较高值是基于新的、更先进的全球定位系统卫星的预期成本。MEO地球观测卫星的实际成本可能更高或更低。低地球轨道卫星的成本与目前生产中的卫星的成本一致，低于低地球轨道卫星的典型历史成本。CBO的估计仅包括生产卫星的成本，不包括任何研发成本。

不同轨道条件下卫星的典型成本

通信卫星的成本通常低于地球观测卫星，是每个轨道卫星成本范围的低端。

卫星的运行寿命

由于几个原因，低地球轨道卫星的运行寿命通常比其他轨道上的卫星短。在低空，更多的残留大气和微观碎片使卫星减慢速度，并要求它燃烧更多的推进剂操纵以维持轨道。碎片也会逐渐降低太阳能电池板的性能。此外，LEO卫星的大部分轨道都在地球的阴影中度过，因此它们的电池每天要经历多次放电/充电循环，从而缩短了它们的使用寿命。

目前正在努力延长卫星的使用寿命，特别是低地球轨道的使用寿命。一种方法是发展卫星在轨服务的能力，使用其他卫星更换老化设备（如太阳能电池板）或重新填充推进剂罐。对这种方法的测试是成功的，但这种做法尚未被广泛采用。一种更渐进的方法是提高系统的效率，例如使用电力推进而不是化学火箭发动机进行机动，并提高太阳能电池板的效率和鲁棒性。

然而，较短的卫星寿命可能是有用的，因为它们有助于更迅速地采用新技术。在正在进行的研究和开发工作中，如果更频繁地更换卫星，改进版本的卫星可以更快地进入轨道。CBO没有估计这种研发计划的成本。

按轨道制度分列的预期卫星使用寿命

卫星的预期寿命根据其任务和轨道状态而有所不同。LEO中的卫星平均设计寿命约为5年，尽管有些卫星的使用寿命可能比这长得多。MEO卫星的设计寿命约为10年，对于GEO中的卫星，预期寿命约为14年。

星座的长期成本

单个LEO卫星的成本通常低于高轨道卫星，但需要更多的卫星，其寿命较短意味着需要更频繁地更换。CBO说明性星座的长期成本比较反映了这些竞争因素之间的相互作用。CBO对长期成本的估计仅包括在每个星座中生产和发射卫星的成本。它们不包括研发（初始或持续）、地面系统或运营成本。总而言之，这种比较表明，从长远来看，CBO考虑的说明性MEO和GEO星座的成本低于LEO星座。

卫星与许多其他制成品一样，受到一种称为生产学习曲线的现象的影响，其中单位生产成本随着生产更多的单位而降低。22 随着数量的增加，成本下降的速度取决于所生产物品的类型。大型卫星星座的时代才刚刚开始，目前尚不清楚大卫星星座将适用多少百分比学习曲线（如果有的话）。如果应用95%的学习曲线，每生产一倍，单位生产成本就会降低5%，从而大大降低LEO星座的预计成本。（CBO使用了这条学习曲线，因为该曲线已经应用于该机构已经研究过的其他类型的卫星。

其他因素可以减少低地球轨道卫星星座与高轨道卫星星座之间的成本差异，包括较低的发射成本和更长的使用寿命。在轨道类别中，MEO和LEO每个星座的发射成本最高，并且将从发射成本的降低中受益最大。如果MEO或LEO的使用寿命可以延长，则需要更少的更换周期，并且总星座成本也将降低。

说明性卫星星座在各种轨道制度下的费用

GEO和MEO卫星的单独成本更高，但由于它们的使用寿命更长，提供全面覆盖所需的需求更少，因此从长远来看，它们的星座成本较低。

然而，如果低地球轨道卫星的单位成本降低与95%的学习曲线一致，那么低地球轨道卫星的总生产成本将降低约25%，从长远来看，使低地球轨道成本更接近MEO和GEO成本。

编辑：黄飞