60多年來，美國一直在環繞地球的軌道上運行衛星。今天，包括國防部（DoD）和美國國家航空航天局（NASA）在內的幾個美國政府機構都在運營衛星，許多外國和眾多商業公司也是如此。根據最近的一項研究，截至 2022 年5月，約有 ，1000 顆運行衛星在軌運行。其中許多衛星作為星座的一部分運行。（星座是一組衛星，從幾顆到數百顆或更多，共同執行特定任務。預計在未來十年內，軌道衛星的數量將猛增，這主要是因為一些新的大型商業衛星星座在相對較低的高度軌道上運行。在本報告中，國會預算辦公室介紹了衛星和星座的基本知識，描述了大型星座預計增長的原因和后果，并討論了部署這些星座的成本。

衛星基礎知識

(資料圖片)

衛星是復雜的技術設備，其設計和裝備用于在軌道上執行特定任務。衛星的任務和軌道高度決定了機載所需設備的能力。每種類型的任務都需要特定的設備。例如，執行地球觀測任務的衛星需要具有不同功能的望遠鏡，而通信衛星則需要能夠接收和傳輸信號給地球表面用戶和軌道上其他衛星的設備。

衛星任務的常見類別

大多數衛星執行的任務分為三類：地球觀測、導航或通信。

有幾種不同類型的地球觀測任務。一種常見的任務類型是識別和監測環境現象，如天氣、野火和極地冰蓋。例如，美國宇航局的地球觀測系統為此目的使用了各種配備望遠鏡的衛星，包括收集地球表面圖像的Landsat系列。另一種類型的地球觀測任務是監視外國對國家安全構成潛在威脅的活動。例如，國防部的天基紅外系統監測全球，以探測和表征導彈發射。設備的具體功能取決于任務：檢測環境趨勢可能只需要分辨率（物體之間的距離，可以明顯區分它們之間的距離），以公里（km）為單位;相比之下，檢測新的軍事裝備可能需要幾米（m）或幾十厘米的分辨率。

導航任務允許地球上的用戶通過接收來自多顆衛星的信號來確定他們的位置。國防部最初建造了全球定位系統（GPS）衛星星座以支持軍事導航，但它的使用也已為公眾廣泛傳播。

通信任務有幾個常見的應用，包括衛星電話（如銥星，Globalstar和Inmarsat），電視和廣播（如Dish和SiriusXM），以及最近的互聯網接入（如Viasat和Starlink）。此外，許多軍事應用依賴于軍用和商業衛星進行語音和數據通信。這些衛星通常具有從用戶接收信號然后將該信號中繼給指定接收者的設備。

衛星如何保持在軌道上

物體在地球表面上方的軌跡是由地球的引力和物體的初始速度（即其運動的方向和速度）決定的。繞地球軌道上的物體沿著平衡運動的路徑行進，這樣物體就不會靠近地球表面。（下面的描述有點理想化，以便于解釋。

重力隨著兩個物體之間距離的增加而減小。因此，地球對太空中物體的引力引起的加速度隨著物體在地球表面上方的高度（即其高度）的增加而迅速減小。例如，在1公里的高度，大約是地球表面加速度的四分之三;在36000公里的高度，它大約是表面加速度的五分之一。因此，物體離地球表面越近，它在給定時間內落得越遠。

當重力將物體拉向地球時，它的初始速度正在推動它穿過地球表面。如果這個速度恰到好處，即使物體已經下落，它也會在地球表面移動，所以它不會離地球更近。當這種情況發生時，該物體被稱為在軌道上。由于高度對重力加速度的影響，對于較低高度的物體，維持軌道所需的初始速度更高。

高度和初始速度對衛星軌跡的影響

重力總是將物體拉向地球（左上圖）。物體在地球表面的初始速度決定了除了下落之外會發生什么。如果速度太低，物體將在表面上移動，但仍會撞擊地球（右上圖）。如果速度太高，它將錯過地球并進入太空（左下圖）。如果速度恰到好處，它將繞地球轉一圈，然后返回相同的原始點，一條稱為軌道的路徑（右下圖）。

衛星功能與設計

衛星由特定任務的有效載荷（如望遠鏡或其他傳感器、通信包或允許用戶確定其位置的精確時鐘）和衛星總線組成，衛星總線容納使有效載荷能夠執行其任務的設備。該設備通常包括一個容納各種設備的結構和一個保護它們免受空間環境影響的外殼、電源（通常是太陽能電池板）、熱控制設備（在衛星進出地球陰影時調節衛星的溫度）、儲存能量的電池，以便在衛星處于地球陰影中時使用， 用于確定（通常是觀察恒星圖案的相機）和控制衛星位置及其對齊的設備（包括用于操縱衛星的小型火箭發動機），以及與地面控制器通信的設備。衛星的費用包括公共汽車和特定任務的設備。

衛星總線的能力會影響衛星的壽命和有效載荷的性能。例如，衛星總線中的推進劑量或電池可以經歷的放電-充電循環次數可能會限制衛星的使用壽命。總線提供多少電力以及它可以在電池中存儲多少電力會影響衛星有效載荷的性能。衛星總線還決定了衛星的指向精度（即衛星控制其傳感器的位置和對齊的能力）。某些任務可能需要高度的準確性，以確保衛星與先前觀測完全相同。

衛星的典型組件

衛星由幾個組件組成，包括通信天線和望遠鏡等特定任務的有效載荷、用于供電的太陽能電池板，以及通常用于其他有效載荷設備（如電子設備）和其他提供基本內務管理服務的設備（如與地面操作員的通信、位置確定和其他功能）的外殼。

軌道基礎知識

除了選擇特定任務的設備外，任務規劃人員還需要確定衛星將在太空中的哪個位置運行。大多數衛星在地球表面上方300公里（或約190英里）至約36，000公里（約22，000英里）之間的大致圓形軌道上運行。一般來說，衛星離地球表面越遠（即高度越高），衛星設備執行任務的能力就越強。

衛星高度決定軌道狀態

大多數衛星在三種軌道類別或制度之一中運行，由其高度定義：

低地球軌道（LEO）。LEO中的衛星的高度約為300公里至2，000公里。例如，國際空間站的軌道距離約為400公里，衛星電話提供商銥星的軌道距離約為780公里。相比之下，商用客機在大約 10 公里的高度飛行。

中地球軌道。MEO中的衛星的高度為2，000公里至35，786公里，但該制度中的大多數衛星在地球表面上方18，000公里至24，000公里之間運行。例如，GPS星座的軌道距離為20，200公里。

地球同步軌道。地球靜止軌道上的衛星在35，786公里的高度。在這個高度，衛星需要24小時才能繞地球一圈，因此與地球的自轉同步移動。在赤道上空運行的衛星將在整個軌道上保持在同一地面位置的上方，這被稱為地球靜止軌道。

所有常用軌道上的衛星都以非常高的速度運行：國際空間站以每秒約7.7公里的速度運行，相當于每小時超過17，000英里，GEO中的衛星以每秒約3.1公里的速度運行，或每小時約7，000英里。

共同軌道制度

一顆位于地球上空1 000公里低地球軌道的衛星大約每90分鐘繞地球一周，一顆位于地球上空約18 000公里的中地球軌道上的衛星大約需要12小時，一顆在地球同步軌道上的衛星大約需要24小時。

軌道狀況決定衛星特性

目前在軌運行的衛星中約有85%處于LEO中。但這種主導地位并非總是如此——就在10年前，GEO和LEO的衛星數量大致相同。低地球軌道衛星的大幅增長將在本報告后面更詳細地討論。

衛星通常被放置在最適合其任務的軌道上。考慮像GPS這樣的導航衛星。為了確定它們的位置，用戶需要能夠同時接收來自四顆或更多衛星的信號。如果這些衛星分布在天空中，GPS接收器確定的位置將更加準確。MEO中的衛星很好地滿足了這一要求 - 它們在天空中相對緩慢地移動，在地球表面的給定位置停留數小時。（相比之下，LEO中的衛星僅在視野中顯示約10分鐘，而GEO衛星始終保持在視野中。MEO中的衛星也可以安排覆蓋整個地球緯度范圍，而GEO衛星通常只在赤道上。因此，幾乎所有具有導航任務的衛星都在MEO中。

按軌道制度分列的衛星特性

衛星的特性和成本取決于它們的任務。通信是LEO和GEO中最常見的任務，但導航主導著MEO。

在許多情況下，低軌道衛星的設備功能較弱，計劃運行壽命較短。這些因素通常導致衛星的質量小于為地球觀測小組設計的衛星;質量較小的衛星通常比質量較大的衛星成本更低。

軌道高度決定了地球的可見程度

地球上在衛星視線范圍內的區域（稱為其關注場）隨高度而變化——衛星越高，它能看到的區域就越大。一些任務要求衛星大致位于所觀察區域的頭頂，從而減少了在任何給定時間可以有效查看的區域，而其他任務則允許衛星以一定角度觀察，從而增加其覆蓋區域。

由于衛星總是沿著其軌道路徑移動，因此大多數衛星可以看到地球上特定點的時間是有限的，并且衛星離地球越近，時間就越短。GEO衛星可以無限期地觀察一個給定的點（如果它們能看到的話），因為它們的視場相對于地球表面是固定的，而MEO衛星可以觀察一個給定的點幾個小時，LEO衛星可以觀察大約10分鐘。

各種軌道衛星的視野

此插圖表示低地球軌道（1，000 公里）、近地球軌道（18，000 公里）和地球靜止軌道（35，786 公里）中衛星的觀察區域（關注場）的三維描述。此處表示的覆蓋區域考慮了地球的幾何形狀，但沒有考慮其他變量，例如與傳感器相關的視角限制。

衛星的傳感器能力決定了可以觀測到多少地球

由于傳感器的觀察幾何形狀的限制，衛星傳感器在任何時候都可以觀察到的實際區域（傳感器的視場）可能小于衛星的視場。例如，某些類型的觀測可能需要傳感器向下看地球表面（而不是從側面看）。為了說明傳感器關注領域施加的一組典型限制，CBO應用了從地球上的某個點看到的衛星必須至少高于地平線20度才能有效地查看該點的限制。

實際上，傳感器在任何給定時刻都可能查看更小的區域。一些傳感器通過一次僅查看其關注領域的一部分來管理產生的數據量或實現更高的分辨率。該區域稱為傳感器的視野，位于傳感器視場定義的區域內的某個位置。

使用單個傳感器關注范圍內的平方英里數并使用20度約束進行簡單計算意味著4顆GEO衛星（或5顆MEO衛星或約50顆LEO衛星）可以保持100%覆蓋地球。然而，衛星不能簡單地保持在最佳位置——它們必須在軌道上運行，沿著軌道路徑連續移動（軌道路徑被限制在一個軌道平面上，軌道軌跡和地球中心都位于其中），而地球繼續在它們下面旋轉。因此，計算衛星可以查看的實際區域以及何時可以查看這些區域是相當復雜的。

各種軌道上的傳感器和衛星的視野和關注場

如果視角必須至少高于地平線 20 度，則傳感器的視場（中間圓）小于衛星的視場（外圓）。具有非常寬視野的相機可能能夠看到其關注范圍內的任何地方，但大多數傳感器在任何給定時刻看到的區域都比其關注區域小得多（最小的橢圓形）。

軌道傾角決定了地球的哪個部分是可見的

當衛星在其軌道上飛行時，它會在地面上追蹤一條路徑，該路徑取決于衛星的相對運動和地球的自轉。軌道的傾角（即軌道相對于赤道的角度）決定了衛星在其軌道上在地球表面上的南北行駛距離。赤道軌道（0 度傾角）中的衛星將在整個軌道上沿赤道運行。當傾角從 0 度增加到 90 度時，衛星將追蹤一條達到等于其傾角的最大緯度（北和南）的路徑。

對于具有廣泛視野的衛星，如GEO中的衛星，赤道軌道可以進入地球的大部分地區，包括一些接近（但尚未完全到達）極地地區的高緯度地區。LEO衛星通常具有更小的視野，并且必須具有更高的觀察高緯度的傾向。許多低地球軌道衛星使用所謂的極地軌道，傾角約為80度或更大，以覆蓋每個軌道期間的所有緯度范圍。

三顆低地球軌道衛星在它們下方旋轉時的路徑

顯示的三條軌道代表LEO中的軌道，每個軌道都有不同的傾角。隨著地球繼續自轉，路徑中給定點正下方的位置從一個軌道周期變為下一個軌道周期。

三顆低地球軌道衛星在地球上空的路徑投影

這些軌道代表與上圖中相同的衛星，在一個90分鐘的軌道上。地球的運動和衛星的運動在這個投影中結合在一起。下一個軌道將追蹤一條不同的路徑，該路徑從這條軌道結束的地方開始。

衛星星座

衛星星座是衛星的集合，其中衛星的軌道和位置是協調的，它們的集體能力被用來配合任務。星座通常由幾個平面上的衛星組成，每個平面上的軌道上有許多衛星間隔。衛星可以相當容易地改變它們在飛機內的相對位置，但飛機之間的運動需要大量的推進劑，并且可能會縮短衛星的壽命。7在某些星座中，每架飛機都包括備用衛星，可以將其移動到位以替換同一平面內任何出現故障的衛星。

星座大小和觀測頻率

由于一顆衛星在地球在其下方旋轉的同時沿其軌道不斷移動，因此一顆衛星（地球同步軌道上的衛星除外）通常可以在幾天內以相當狹窄的視野（或更常見的更大視野）觀察地球的大部分地區。對于一些任務，如環境監測，只需要每隔一兩天進行一次觀測，一顆衛星可能就足夠了。但是，對于需要始終（或幾乎所有時間）覆蓋全球的任務，需要將多顆衛星組合成一個星座。由于LEO中的每顆衛星都可以看到相對較小的區域，因此這些星座通常需要比MEO或GEO中的星座擁有更多的衛星才能實現相同的覆蓋范圍。

1公里低地球軌道上的衛星星座

一個由72顆衛星組成的星座，分為6個平面，每個平面上有12顆衛星（左圖），提供幾乎完整的全球覆蓋。在右側面板中，藍色錐體顯示了衛星傳感器的視場。傳感器的覆蓋范圍之間存在一些小差距，主要是在赤道地區。所有72顆衛星都以80度的傾角運行。

軌道高度和星座覆蓋范圍

為了對衛星在不同軌道高度通常提供的覆蓋范圍進行定量比較，CBO考慮了三個提供可比全球覆蓋范圍的星座的說明性示例：

一個地球同步星座，由4顆地球同步高度的衛星組成，在單個平面上以0度傾角等距（即在赤道上空）;

一個MEO星座，由8顆衛星組成，高度為18，000公里，分為2個平面，每架飛機4顆衛星，傾角為45度;

一個LEO星座，由72顆衛星組成，高度為1，000公里，分為6個平面，每平面12顆衛星，傾角為80度（與上一節圖中所示的星座相同）。

所有這三個星座平均覆蓋全球約90%至95%。8然而，該覆蓋范圍的細節因緯度范圍而異，在幾個軌道周期的過程中，不同的星座將進入地球的不同地區。在每種情況下，增加更多的衛星 - 以額外的成本 - 可以增加覆蓋范圍。例如，在極地傾角增加一些衛星可以使GEO星座實現全球全面覆蓋，就像美國的預警衛星星座一樣。增加另一架衛星飛機可以使LEO星座更接近提供全面的全球覆蓋。

涵蓋三個說明性星座

百分之

GEO星座提供高達約50度緯度的全面覆蓋，但在兩極附近沒有;MEO星座提供全覆蓋，除了緯度60度左右的波段;LEO星座在高緯度地區提供約95%的覆蓋率，但在赤道附近下降到約80%。

低地球軌道上的大型星座

星座由許多衛星組成的想法并不新鮮，盡管近年來“許多”的含義發生了變化。GPS星座已經運行了幾十年，由MEO中的大約30顆衛星（其中一些是軌道上的備用衛星）組成。商業銥星星座在1990年代后期發射了最初的衛星，在LEO運行約75顆衛星（包括備用衛星）用于通信。目前星座的概念要大得多。例如，聯邦通信委員會最近批準向第二代Starlink星座發射7，500顆衛星，目前正在考慮為該星座再發射22，500顆衛星。

在低地球軌道使用衛星星座的最近趨勢

近年來，在低地球軌道上運行的衛星數量大幅增加，這在很大程度上是由對商業星座的投資推動的。如果目前的商業計劃完全實現，其中一些星座將包括數千顆衛星。國防部的太空發展局也在為各種任務制定數百顆衛星的星座計劃，其中大部分在LEO中。

一些技術發展促進了大型星座數量的增加。從歷史上看，衛星通常使用動手實驗室過程一次建造一顆。然而，現在，大規模生產衛星的工藝和設施開始被使用。此外，火箭發射供應商的數量大幅增加，降低了向低地球軌道發射衛星的成本。

不同軌道狀態下的衛星

數以千計的衛星

在2010年代中期，所有三個軌道制度的衛星數量緩慢但持續增長。從2018年左右開始，在LEO中運行的衛星數量開始急劇增長。

這種增長是由商業公司建造的所謂巨型星座刺激的。SpaceX憑借其Starlink通信衛星星座引領潮流，占2020年和2021年LEO衛星發射量的一半以上。

在低地球軌道使用衛星的高分辨率地球觀測任務

地球觀測任務經常使用低地球軌道上的衛星，因為望遠鏡在短距離內更容易產生高分辨率圖像。如果需要一定的分辨率來完成衛星的任務，如果衛星處于較低的高度（因此通常更接近被觀測物體），則可以使用較小的望遠鏡來實現。

這是因為望遠鏡產生高分辨率圖像的能力與其區分靠近的物體的能力有關。光的波動性質限制了可以區分的物體之間的最小角度，稱為衍射極限。該限制取決于被觀察光的波長（例如，紅外或紫外線）和望遠鏡主光學元件（用于聚焦入射光的最大透鏡或鏡子）的直徑（），稱為望遠鏡的孔徑，由下式給出。

因此，望遠鏡越大，可以解析的角度分離越小（即分辨率越好）。角度分離與地球表面上兩個物體可以相互區分（解析）的最小距離有關，稱為望遠鏡的地面分辨率，其中是望遠鏡與被觀察物體之間的距離。因此，對于給定的望遠鏡孔徑，衛星離物體越近，就越能清楚地看到它。

較小的望遠鏡通常比較大的望遠鏡成本低。美國宇航局的研究得出結論，望遠鏡孔徑是決定太空望遠鏡成本的主要因素。

各種孔徑尺寸的衍射極限分辨率

米（對數刻度）

望遠鏡越大，分辨率越好（越小）。哈勃太空望遠鏡的孔徑約為2.5米。

使用三種不同的望遠鏡孔徑，顯示了在可見光譜中心附近500納米波長（對應于藍綠色光）的地面分辨率的衍射極限。

在低地球軌道使用衛星的通信任務

使用低地球軌道衛星執行通信任務既有優勢也有挑戰。低海拔的衛星可以從地面接收通信信號，并比高海拔的衛星更快地發回通信信號。延遲（通常稱為延遲）對于GEO來說可能高達四分之一秒，這可能會給某些應用程序帶來問題，例如遠程控制飛機。

為了與地球另一端的人進行通信，信號還需要在返回地球之前從一顆衛星傳輸到另一顆衛星（也許還有更多）。這種衛星間傳輸時間增加了所有軌道制度的延遲。即便如此，使用低地球軌道衛星中繼的信息的總傳輸時間（地面到衛星時間的總和、每顆衛星處理信號的時間、信號傳播到鏈中下一顆衛星的時間以及最終衛星到地面的時間）比使用MEO或GEO衛星中繼的信息短得多。

然而，對于低軌道的衛星來說，與衛星星座的通信更為復雜。如果地球上的某個點在地球靜止軌道衛星的視野內，它將無限期地保留在那里，用戶和衛星之間的通信可以建立，而無需更換衛星;這就是為什么衛星電視天線不動的原因。較低高度的衛星在較短的時間內觀察地球上的任何給定點。MEO中的人在他們的視野內保持地球上的給定點大約10個小時，因此每天大約兩次，地面用戶需要與新衛星建立鏈接以保持通信。對于LEO來說，這種情況更具挑戰性，因為這些衛星在其視野中僅保持給定點約10分鐘。在這種情況下，如果需要連續通信，則需要反復建立新的通信鏈路。

在地球表面傳輸13，000公里的信號的時間

毫秒

使用衛星星座，消息從地球表面的一個位置傳播到另一個位置的傳輸時間因星座的高度而異。

低空衛星與地面用戶的通信速度更快，但鏈中需要更多的衛星。然而，對于低高度軌道，每顆衛星之間的距離較短。總體而言，LEO的總運輸時間約為MEO的一半，GEO的四分之一。

大星座在低地球軌道上的優勢

與較小的星座相比，大型衛星星座具有多種優勢，特別是在損壞的衛星方面。近年來，國防部對對手干擾美國衛星的能力表示擔憂。根據公開報告，對手可以使用各種方法暫時或永久禁用衛星連接。此類攻擊造成的損害可能從物理破壞（由從地球發射的攔截導彈引起）到信號中斷（由對手廣播噪聲以壓倒或干擾衛星通信引起）。12擁有許多衛星的星座的一個潛在優勢是，與較小的星座相比，它們的覆蓋范圍和功能可能會逐漸下降，也就是說，衛星的丟失不會導致覆蓋范圍的突然喪失。此外，一顆受損的衛星會很快脫離低地球軌道感興趣區域的視野，而一顆功能正常的衛星將進入視野。最后，損壞的衛星可以很快更換。大型星座可能已經有備用衛星在軌，運營商可能會不斷生產和發射衛星，作為正常補給周期的一部分，以便在衛星老化時更換衛星;這些行動可用于提前更換受損的衛星。

用于通信的大型星座也有可能使用多個備用路徑在禁用衛星周圍路由信號。然而，這種彈性需要快速和適應性的方法來管理通信網絡，并且可能具有挑戰性。

CBO通過移除衛星來模擬其說明性星座中的覆蓋范圍下降，這將導致每一步最大的覆蓋范圍損失。從這個意義上說，該機構的結果可以被認為是最壞的情況。但是，同時破壞多顆衛星的大規模攻擊也是可能的。例如，對衛星計算機的網絡攻擊可能會影響星座的很大一部分;這樣的攻擊會產生不同的效果。

三個說明性星座的衛星覆蓋范圍下降

衛星覆蓋百分比

隨著單個衛星被禁用，MEO和GEO星座提供的覆蓋范圍迅速下降，因為每個禁用衛星占星座總數的很大一部分。更大的LEO星座對衛星的損失更加強大，因為即使有些衛星被禁用，仍有更多的衛星可用于任務。

大型星座和越來越多的碎片物體

衛星與軌道上的其他人造物體共享空間，稱為軌道碎片，它們來自兩個主要來源。首先，例行的太空作業通常會在軌道上留下碎片，包括用過的火箭體和載人飛行任務產生的廢物。其次，如果衛星破裂，有時會留下大量碎片。衛星解體的原因有很多。它們偶爾會因故障而碎裂，被與其他衛星或碎片碰撞摧毀，或被導彈擊中。后一類更為罕見，但發生了兩個值得注意的案例：2007 年的中國反衛星試驗和 2021 年的俄羅斯反衛星試驗。

一些碎片足夠大，可以追蹤，有可能避免;其他碎片太小而無法追蹤，但仍然大到足以損壞航天器。一旦產生，碎片可以在軌道上停留多年，這取決于其高度和其他因素。（低空的碎片落出軌道的速度更快。美國宇航局的一項研究發現，1985年美國在約500公里高度進行的反衛星導彈試驗的碎片在事件發生近20年后仍留在軌道上。

一般來說，如果更多的物體在特定區域移動，則其中一些更有可能（或幾乎）相互碰撞。美國運營著一個跟蹤衛星和碎片的系統，以警告世界各地的衛星運營商潛在的碰撞，以便他們能夠操縱衛星以避免碰撞。這種機動可以使衛星暫時停止運行，并要求它們燃燒一些有限的燃料，從而可能縮短其使用壽命。

雖然衛星可以操縱以避免碰撞，但碎片不能。碎片之間的碰撞可能會產生更多的碎片，特別是如果碰撞物體很大。如果軌道上的物體數量達到臨界密度，碎片就會自我延續。這種現象被稱為凱斯勒綜合癥，可能導致某些軌道無法用于衛星運行。14

繞地球運行的物體

軌道碎片物體的數量大幅增加，特別是自2005年以來，部分原因是具體事件。

在過去的15年里，軌道上的物體總數——碎片和航天器——大約翻了一番。其中絕大多數增長發生在LEO高度。

大星座對地球活動的干擾

在低地球軌道上有許多物體的另一個潛在缺點是它們會干擾地球上的活動。例如，從衛星反射的陽光是肉眼可見的，根據最近的一份報告，如果計劃中的星座完全部署，可能占夜空中可見光的10%。（衛星在陽光下停留的時間比地球表面長得多。此外，據一些行業分析師稱，許多LEO衛星之間以及這些衛星與地球之間的射頻通信可能會干擾高海拔衛星與地球之間的信號。國際天文學聯合會最近也對地球對光學和射電天文學的干擾表示關切。最后，人們擔心今后大量火箭發射和衛星在壽命結束時在大氣層中燃燒殆盡對環境的影響。

目前正在努力確定和實施促進可持續利用空間的行動，國際組織、各國政府和工業界都參與其中。19然而，這種努力具有挑戰性，因為目前沒有具有法律約束力的行為標準，任何努力都需要自愿的國際合作。

不同軌道上的衛星和星座的成本

為了在多年內部署一組衛星，運營商需要制造所需數量的衛星，將它們發射到軌道上，并在必要時更換它們。要估計部署這樣一個星座的長期成本，就需要估計衛星的生產和發射成本以及需要更換衛星的頻率（這一過程稱為更新周期）。在本節中，CBO估計了30年內部署其說明性LEO，MEO和GEO星座（本報告前面描述）的成本。

每顆衛星的成本

從歷史上看，LEO衛星的成本通常低于更高軌道的衛星。由于LEO衛星靠近地球，通常具有更簡單，功能更弱的有效載荷，可以由較小的總線支持。一般來說，具有較小總線和相應較低質量的衛星比具有較高質量的衛星成本更低。此外，LEO發射成本較低，因為將衛星提升到較低高度所需的能量更少。

CBO在國防部提交的2023財年預算中使用平均值來估算發射成本，并假設同一軌道平面內的多顆LEO衛星可以在同一枚火箭上發射。生產衛星的典型成本基于國防部衛星的歷史示例，覆蓋范圍很廣。由于地球觀測衛星在MEO中沒有，這些軌道的生產成本范圍的較高值是基于新的、更先進的全球定位系統衛星的預期成本。MEO地球觀測衛星的實際成本可能更高或更低。低地球軌道衛星的成本與目前生產中的衛星的成本一致，低于低地球軌道衛星的典型歷史成本。CBO的估計僅包括生產衛星的成本，不包括任何研發成本。

不同軌道條件下衛星的典型成本

通信衛星的成本通常低于地球觀測衛星，是每個軌道衛星成本范圍的低端。

衛星的運行壽命

由于幾個原因，低地球軌道衛星的運行壽命通常比其他軌道上的衛星短。在低空，更多的殘留大氣和微觀碎片使衛星減慢速度，并要求它燃燒更多的推進劑操縱以維持軌道。碎片也會逐漸降低太陽能電池板的性能。此外，LEO衛星的大部分軌道都在地球的陰影中度過，因此它們的電池每天要經歷多次放電/充電循環，從而縮短了它們的使用壽命。

目前正在努力延長衛星的使用壽命，特別是低地球軌道的使用壽命。一種方法是發展衛星在軌服務的能力，使用其他衛星更換老化設備（如太陽能電池板）或重新填充推進劑罐。對這種方法的測試是成功的，但這種做法尚未被廣泛采用。一種更漸進的方法是提高系統的效率，例如使用電力推進而不是化學火箭發動機進行機動，并提高太陽能電池板的效率和魯棒性。

然而，較短的衛星壽命可能是有用的，因為它們有助于更迅速地采用新技術。在正在進行的研究和開發工作中，如果更頻繁地更換衛星，改進版本的衛星可以更快地進入軌道。CBO沒有估計這種研發計劃的成本。

按軌道制度分列的預期衛星使用壽命

衛星的預期壽命根據其任務和軌道狀態而有所不同。LEO中的衛星平均設計壽命約為5年，盡管有些衛星的使用壽命可能比這長得多。MEO衛星的設計壽命約為10年，對于GEO中的衛星，預期壽命約為14年。

星座的長期成本

單個LEO衛星的成本通常低于高軌道衛星，但需要更多的衛星，其壽命較短意味著需要更頻繁地更換。CBO說明性星座的長期成本比較反映了這些競爭因素之間的相互作用。CBO對長期成本的估計僅包括在每個星座中生產和發射衛星的成本。它們不包括研發（初始或持續）、地面系統或運營成本。總而言之，這種比較表明，從長遠來看，CBO考慮的說明性MEO和GEO星座的成本低于LEO星座。

衛星與許多其他制成品一樣，受到一種稱為生產學習曲線的現象的影響，其中單位生產成本隨著生產更多的單位而降低。22隨著數量的增加，成本下降的速度取決于所生產物品的類型。大型衛星星座的時代才剛剛開始，目前尚不清楚大衛星星座將適用多少百分比學習曲線（如果有的話）。如果應用95%的學習曲線，每生產一倍，單位生產成本就會降低5%，從而大大降低LEO星座的預計成本。（CBO使用了這條學習曲線，因為該曲線已經應用于該機構已經研究過的其他類型的衛星。

其他因素可以減少低地球軌道衛星星座與高軌道衛星星座之間的成本差異，包括較低的發射成本和更長的使用壽命。在軌道類別中，MEO和LEO每個星座的發射成本最高，并且將從發射成本的降低中受益最大。如果MEO或LEO的使用壽命可以延長，則需要更少的更換周期，并且總星座成本也將降低。

說明性衛星星座在各種軌道制度下的費用

GEO和MEO衛星的單獨成本更高，但由于它們的使用壽命更長，提供全面覆蓋所需的需求更少，因此從長遠來看，它們的星座成本較低。

然而，如果低地球軌道衛星的單位成本降低與95%的學習曲線一致，那么低地球軌道衛星的總生產成本將降低約25%，從長遠來看，使低地球軌道成本更接近MEO和GEO成本。

編輯：黃飛