浅谈低轨道卫星通信系统信道切换技术_王文洋
低轨卫星宽带通信空口协议标准
标题：低轨卫星宽带通信空口协议标准概述随着卫星通信技术的发展，低轨卫星宽带通信已成为未来通信领域的重要方向。
为了实现高效、可靠、低成本的卫星通信，我们需要制定一套统一的空口协议标准。
本文将介绍低轨卫星宽带通信空口协议标准的基本概念、发展历程、主要内容以及其对未来卫星通信的影响。
一、基本概念低轨卫星宽带通信空口协议是指卫星与地面设备之间进行数据传输的接口协议。
其核心目标是实现高速、可靠、低时延的通信，以满足大数据量、高带宽的应用需求。
二、发展历程近年来，随着5G、6G等移动通信技术的发展，卫星通信与地面通信的融合已成为趋势。
在此背景下，国际标准化组织如3GPP、ITU等已经开始研究低轨卫星宽带通信的空口协议标准。
国内企业也积极参与其中，推动相关标准的制定和实施。
三、主要内容低轨卫星宽带通信空口协议标准主要包括以下几个方面：1. 调制编码技术：选择合适的调制方式和编码技术，保证通信可靠性。
2. 信道编码技术：对传输信号进行纠错编码，提高传输可靠性。
3. 同步技术：实现卫星与地面设备的同步，保证通信质量。
4. 多址接入技术：解决多个地面设备同时接入卫星网络的问题，提高系统容量。
5. 射频技术：优化射频参数，提高通信效率。
四、对未来卫星通信的影响低轨卫星宽带通信空口协议标准的制定将为未来卫星通信的发展奠定基础。
一方面，统一的协议标准将促进卫星通信与地面通信的融合，提高通信效率；另一方面，标准的制定将推动相关产业链的发展，降低卫星通信的成本。
总结，低轨卫星宽带通信空口协议标准的制定是未来卫星通信发展的重要方向。
通过制定统一的协议标准，我们可以实现高效、可靠、低成本的卫星通信，满足大数据量、高带宽的应用需求。
低轨卫星通信系统的功耗管理技巧
低轨卫星通信系统的功耗管理技巧随着科技的不断发展和社会的进步，低轨卫星通信系统被广泛应用于无线通信、遥感、导航和气象等领域。
然而，低轨卫星通信系统面临一个重要的挑战：功耗管理。
与传统的地面通信系统相比，低轨卫星通信系统在能量供应和处理资源方面更加困难，因此需要采取一些有效的功耗管理技巧来优化系统性能和延长卫星的寿命。
首先，对于低轨卫星通信系统的功耗管理，有效的能量管理是关键。
设计合理的能量管理策略可以降低整个卫星系统的功耗。
例如，利用睡眠模式和醒来模式来控制卫星的运行时间和休眠时间，以减少能量消耗。
同时，通过优化处理器、传感器和存储器的功耗模式，合理分配能量资源，可以提高系统的能效，并延长卫星的使用寿命。
其次，有效的数据压缩和传输策略也是低轨卫星通信系统功耗管理的重要技巧之一。
传输大量的数据会消耗大量的能量资源，而传输和存储数据的过程中也会产生大量的功耗。
因此，对于卫星通信系统来说，压缩数据是非常必要的。
合理选择适合通信环境和数据特征的数据压缩算法，可以降低传输所需的带宽和能量，并且在一定程度上提高数据传输的可靠性。
另外，动态功耗管理技巧也是低轨卫星通信系统中常用的方式。
通过根据系统工作状态的实时变化，动态地管理功耗，可以进一步减少系统的能量消耗。
例如，根据卫星系统在不同传输距离和天线方向上的信号强度和距离，调整功率控制策略，使得功率在最小的情况下仍然能够满足通信要求。
采用智能的功耗管理系统，对卫星的实时电能消耗情况进行分析和优化，也可以有效地降低系统的功耗。
此外，温度管理也是低轨卫星通信系统功耗管理中不可忽视的方面。
由于卫星在轨运行时存在着温度的变化，温度对于系统的稳定性和可靠性有着重要的影响。
合理的温度管理策略可以减少功耗的变化，并保证整个卫星系统的稳定运行。
例如，采用合适的散热结构，有效减少系统的热量积聚，保持系统在适宜的温度范围内工作。
此外，采用动态的温度管理技术，根据不同的工况和环境要求，调整卫星系统的温度控制策略，也可以降低功耗。
卫星通信低轨卫星网络时延优化方法探究
卫星通信低轨卫星网络时延优化方法探究近年来，随着卫星通信技术的飞速发展，低轨卫星网络成为了一种主要的通信模式。
然而，由于卫星距离地面的距离远，导致信号传输的时延较大，影响了通信的效率和稳定性。
因此，研究如何优化卫星通信低轨卫星网络时延成为了当前的热点问题。
为了解决卫星通信低轨卫星网络时延问题，研究人员提出了一系列的优化方法。
本文将重点探究其中的几种方法。
首先，一种常见的优化方法是通过改进天线设计来减少信号传输的时延。
天线的设计对卫星通信起着至关重要的作用，直接影响信号的接收和传输能力。
通过提高天线的增益、降低天线的带宽、增加天线的指向性等方式，可以有效地减少信号传输的时延。
此外，利用天线阵列技术还可以提高信号的接收灵敏度，进一步减少时延。
其次，卫星通信低轨卫星网络的时延还可以通过使用更先进的调制解调技术来优化。
传统的调制解调技术在高负载情况下容易出现时延增加、信号丢失等问题。
因此，研究人员提出了一种新的调制解调技术，即正交频分复用（OFDM）。
OFDM技术具有抗干扰能力强、传输效率高等优点，能够有效地减少卫星通信网络的时延。
此外，引入网络编码技术也是降低卫星通信低轨卫星网络时延的一种有效方法。
在传统的通信中，数据包丢失会导致重新发送该数据包，从而增加时延。
而采用网络编码技术后，发送端可以将多个数据包编码成一个冗余数据包，接收端只需接收到冗余数据包即可完整恢复原始数据。
这种方式能够减少数据包丢失对通信时延的影响，提高通信效率。
此外，还可以通过优化卫星的轨道设计来减少通信时延。
传统卫星通信的延迟主要来自于信号需要往返地面和卫星之间的距离。
通过选择合适的轨道高度和倾角，可以使得卫星相对地面的距离最小化，从而减少信号传输的时延。
同时，合理的轨道设计还可以使得卫星的覆盖范围更广，提高通信的可靠性和稳定性。
最后，利用更高效的路由算法也能够有效地减少卫星通信低轨卫星网络的时延。
目前，常用的路由算法主要有距离向量路由算法和链路状态路由算法。
基于龙伯透镜天线的低轨卫星通信切换设备的生产技术
图片简介:一种基于龙伯透镜天线的低轨卫星通信切换装置，该装置包括龙伯透镜天线体、在用星跟踪装置和后继星跟踪装置；在用星跟踪装置，用于基于在用星在龙伯透镜天线体上的焦点调整跟踪方向，以实时跟踪在用星；后继星跟踪装置，用于基于后继星在龙伯透镜天线体上的焦点调整跟踪方向，以实时跟踪后继星；当在用星超出在用星跟踪装置的跟踪范围，则将后继星作为新的在用星，后继星跟踪装置作为新的在用星跟踪装置，在用星跟踪装置作为新的后继星跟踪装置继续跟踪下一颗卫星，并将下一颗卫星作为新的后继星，以实现在用星跟踪装置和后继星跟踪装置对不同卫星跟踪的切换，缩短通信中断时间，保证通信的连续性。
技术要求1.一种基于龙伯透镜天线的低轨卫星通信切换装置，其特征在于，包括龙伯透镜天线体、在用星跟踪装置和后继星跟踪装置；所述在用星跟踪装置，用于基于在用星在所述龙伯透镜天线体上的焦点调整跟踪方向，以实时跟踪在用星；所述后继星跟踪装置，用于基于后继星在所述龙伯透镜天线体上的焦点调整跟踪方向，以实时跟踪后继星；当所述在用星超出所述在用星跟踪装置的跟踪范围，则将所述后继星作为新的在用星，所述后继星跟踪装置作为新的在用星跟踪装置，所述在用星跟踪装置作为新的后继星跟踪装置继续跟踪下一颗卫星，并将所述下一颗卫星作为新的后继星；所述在用星跟踪装置包括在用星馈源、在用星伺服设备、在用星射频处理模块和卫星通信终端；所述在用星馈源设置在所述在用星伺服设备上；所述在用星伺服设备，用于实时获取所述龙伯透镜天线体的位置信息、在用星馈源姿态信息和在用星位置信息，并对所述龙伯透镜天线体的位置信息、所述在用星馈源姿态信息和所述在用星位置信息进行计算，获取在用星馈源指向角度，以实时跟踪所述在用星；所述在用星射频处理模块，用于接收所述在用星馈源发送的在用星射频信号，并对所述在用星射频信号进行处理，生成在用星中频信号；将所述在用星中频信号等分成两束，其中一束在用星中频信号发送给所述在用星伺服设备，以对所述在用星馈源指向角度进行调整，另一束在用星中频信号发送给所述卫星通信终端；所述卫星通信终端，用于接收所述在用星射频处理模块发送的在用星中频信号；对所述在用星中频信号进行处理，生成在用星通信信息和在用星待发送中频信号，并将所述在用星待发送中频信号发送给所述在用星射频处理模块；所述在用星射频处理模块，用于接收所述在用星待发送中频信号，并发送给所述在用星馈源。
低轨卫星通讯的数据保密性
低轨卫星通讯的数据保密性近年来，随着科技的飞速发展，低轨卫星通讯技术成为了现代通信领域的一个热门话题。
它不仅具有覆盖范围广、传输速度快的优势，还能为人们带来更加安全可靠的通讯方式。
然而，低轨卫星通讯的数据保密性问题也备受关注。
本文将分析低轨卫星通讯的数据保密性现状，并探讨一些解决方案。
低轨卫星通讯的数据保密性一直是人们所关注的核心问题。
在传统的卫星通讯中，数据传输往往通过地面站转发，这就给黑客入侵和窃听提供了机会。
然而，低轨卫星通过高度低于500千米的轨道飞行，将通信任务直接交给卫星，避免了地面站的中转，使通信传输更加安全可靠。
同时，低轨卫星通讯还利用了点对点的通信方式，确保数据只能由发送者和接收者之间互相传输，大大减少了被窃听或篡改的风险。
然而，尽管低轨卫星通讯具有一定的安全性，但仍然面临一些潜在的威胁。
首先，卫星本身也存在被黑客攻击的可能性。
例如，黑客可以通过渗透卫星的控制系统来修改传输的数据或者完全控制卫星的行为。
其次，由于低轨卫星需要通过地面设备进行监控和控制，地面设备的安全性也成为了一项关键问题。
黑客可以利用漏洞入侵地面设备，获取通信数据或者操控卫星。
因此，确保低轨卫星通讯的数据保密性，需要多方面的努力。
为了提高低轨卫星通讯的数据保密性，一种有效的方法是采用加密技术。
通过对通信数据进行加密处理，可以防止其被窃听或者篡改。
加密技术可以分为对称加密和非对称加密两种方式。
对称加密使用相同的密钥进行加密和解密，速度快但安全性相对较低；非对称加密则使用公钥和私钥进行加密和解密，安全性较高但速度较慢。
在低轨卫星通讯中，可以根据具体需求选择合适的加密方式，进行数据保密。
此外，低轨卫星通讯的数据保密性还可以通过网络安全措施来提高。
一方面，建立安全的地面设备和通信网络，保证其不受黑客攻击；另一方面，加强对卫星控制系统的监控和管理，以及加强对通信数据的监测和筛查，及时发现和阻止非法入侵和攻击。
只有综合利用各种安全措施，才能确保低轨卫星通讯的数据保密性。
低轨道卫星系统的发展及面临的挑战
低轨道卫星系统的发展及面临的挑战CHINA RADIO2019.3卫星通信Satellite Communication0?引言卫星通信系统是一种微波通信，以卫星作为中继站转发微波信号，在多个地面站之间进行通信。
卫星通信的主要目的是实现对地面的无缝覆盖。
由于卫星工作于几百、几千甚至上万公里的轨道上，因此覆盖范围远大于一般的移动通信系统。
按照工作轨道划分卫星通信系统可以分为高轨道卫星通信系统(GEO)、中轨道卫星通信系统(MEO)、低轨道卫星通信系统(LEO)。
高轨道卫星通信系统即同步静止轨道卫星通信系统，技术最为成熟，已经成为建立卫星通信系统的传统模式。
但是，同步卫星有一个不可克服的障碍，就是较长的传播时延和较大的链路损耗，严重影响到它在某些通信领域的应用，特别是在卫星移动通信方面的应用。
中轨道卫星通信系统传输时延小于静止轨道卫星，覆盖范围较大，是建立全球或区域性卫星移动通信系统较为优越的方案。
但是，如果需要为地面终端提供宽带业务，中轨道系统将存在一定困难。
低轨道卫星通信系统，卫星距地面500km ～2000km，由于卫星轨道低，其链路损耗小，所以传输时延和功耗较小，可以降低对卫星和用户终端的要求，可以采用微型/小型卫星和手持用户终端，同时可支持多跳通信。
低轨道卫星系统作为高速的多媒体卫星通信系统的性能要优于中轨道卫星系统。
低轨道通信卫星相对地面高速移动，对目标区域的覆盖是具有时段性的。
因此，单颗低轨道卫星无法满足区域或全球实时通信的需要，必须利用多颗卫星组成的星座，依靠各卫星对目标区域覆盖时隙的相互接续来完成对目标区域的持续覆盖，这导致了成本高、技术复杂的难题。
1?低轨道卫星发展现状及应用低轨道卫星通信系统一般是指多个卫星构成的可以进行实时信息处理的大型卫星系统，距地面500km ～2000km，典型的如铱星系统，多个卫星组成的通信系统可以实现真正的全球覆盖，频率复用更有效。
蜂窝通信、多址、点波束、频率复用等技术也为低轨道卫星移动通信提供了技术保障。
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０．引言 移动通信无疑已成 21 世纪备受瞩目的一个课题，它使得人们从有 线的网络中解脱出来。无线通信实际上已成为通信工业发展最快的一 部分，其中最为庞大的是全球个人通信网（PCN），它给每个用户提供一 个体积小、价格便宜的个人终端来实现随时随地的多媒体通信。为了实 现这个全球个人通信的美好设想，关键是建立一个包含高、中、低轨道 的卫星移动通信系统，而低轨道卫星移动通信系统即是其中一个重要 组成部分。 国外许多国家都在开发自己的低轨道卫星通信系统，长期以来，美 国在该领域中始终处于领先地位，英国、法国等国家的发展也十分迅 速，目前国际上针对移动通信需求而发展的低轨道卫星通信系统就有 8～9 个，其中就包括著名的铱星系统和全球星系统。这些系统虽然主要 以支持话音业务为主，但低轨道卫星的优越技术性能已经向人们预示 其包括话音、数据、传真、寻呼、定位、电视等内容的形形色色的通信服 务功能。高速数据通信是低轨道卫星通信系统中的一项重要的服务功 能，它可以为飞速发展的包括电话会议、全球双向交互式多媒体业务在 内的计算机数据通信提供强有力的支撑。可以预见，低轨道卫星通信系 统将成为今后世界上最具市场效益的通信产业之一。 １．低轨道卫星移动通信信道模型 低轨道卫星移动通信信道包括星际链路信道和星地链路信道，它 们既有着与地面移动通信信道相同的部分，也有着各自独特的特性。 （1）星际链路信道 低轨道卫星分布在电离层以外，空气的密度稀薄，可看作是自由空 间。星际链路需要考虑的问题主要是卫星之间的高速运动造成的多普 勒频移，当考虑毫米波频段时，多普勒频移相对较大，而宽带大容量通 信系统的频谱较宽，加之通信链路接点相对位置的不断变化，频谱的展 宽范围也较大。 星际链路可以分为三种类型：轨道内星际链路、轨道间星际链路和 反向缝链路。轨道内星际链路是卫星与同一个轨道上最近 2 颗或 4 颗 卫星间的链路，在卫星运行过程中保持不变。轨道间星际链路是卫星与 邻近轨道上卫星间的链路，如铱星系统中每个卫星有两条轨道间星际 链路。轨道间星际链路在卫星运行过程中是动态可变的，主要原因是： 1)在不同的纬度，卫星轨道间的距离是不同的；2)在极地区域，卫星快速 交叉运行，卫星上天线系统不能快速跟踪卫星的交叉位置，轨道间链路 需要经过断开再连接的过程。在极地星座中，存在南北反向运转的相邻 两个卫星轨道平面，这两个反向运行轨道上卫星间的链路称为反向缝 链路。反向缝链路实质是一个特殊的轨道间链路，如果卫星网络系统存 在反向缝链路，因卫星反向运行而引起反向缝链路频繁切换。如果不存 在，反向运行轨道上卫星之间必须经过其它轨道上的卫星才能通信。铱 星系统不支持反向缝链路，Teledesic 系统计划支持反向缝链路。 （2）星地链路信道 电波从卫星到地面的传播主要是受到大气效应的影响，包括中性 大气与电离层两种特性极不相同的媒介影响。中性大气效应主要是密 度大和气象变化过程复杂的对流层效应，在晴空条件下，有折射、时延、 反射、多普勒频移以及气体分子的吸收衰减和湍流散射，在坏天气情况 下，还有雨雪、冰晶、尘埃等的吸收与散射所致的衰减，以及降雨和冰晶 的去极化效应。电离层的效应主要是折射弯曲、群时延、相位超前、多普 勒频移与法拉地极化旋转以及闪烁效应，特别是具有频率色散效应。一 般当频率高于 100GHz，对流层的影响是主要的；当频率低于 1 GHz 时， 电离层的影响是主要的。频率在 1 GHz 到 10GHz 之间时，特别是对于 低仰角，对流层与电离层两者的效应都有重要的影响。 ２．低轨道移动卫星通信中的切换 在蜂窝移动通信系统中，无线切换是一项非常重要的技术，采用的 是移动台辅助切换的方法，这是一种分布式的方法，由移动台检测判决 射频信号的强度，交换中心控制完成。低轨道移动卫星通信中的切换与 其相似，但在低轨道卫星移动通信系统中基站在太空高速运动，必须做 出相应的改变以适应卫星移动通信的特殊环境并制定相应的路由机 制。下面从低轨道卫星通信系统信道模型出发讨论任意倾角圆形低轨
道卫星移动通信中的切换问题。 在 LEO 卫星系统中，每颗卫星的覆盖域由更小的点波束覆盖域组
成，以达到覆盖域中的频率复用，如铱星系统每颗卫星的覆盖域是直径 为 4021km 的区域，它包含 48 个直径为 700km 的点波束覆盖域。卫星 绕地球运行导致其相应的覆盖域不断变化，对于地面的固定地点，每个 LEO 卫星的最大可见时间典型值大约是 8～11min，每个点波束的最大 可见时间典型值大约是 1～2min。地面节点连续地通过不同的可见点波 束或卫星获得通信服务。通信连接从一个点波束或卫星转移到新的点 波束或卫星称为切换，经历切换的连接称为切换连接，新的请求获得通 信服务的连接称为新连接。
连接确认控制 CAC(Connection Admission Control)算法通过切换预 测进行资源预留，在新连接的请求到达点波束时，将它与有一定概率访 问的邻居点波束的列表相关联，检查它们是否有可用信道。这种算法虽 然减少了切换的阻塞概率，但不能保证该概率的上界，也降低了网络资 源的利用率。地理连接确认控制 GCAC(Geographical CAC)算法利用用户 位置数据库信息和信道使用状态，估计将来该连接切换的阻塞概率，使 用全球定位系统及时更新用户位置数据库。如果计算出的新连接的阻 塞概率小于目标切换阻塞概率，那么就接收新连接的请求；否则，拒绝 新连接的请求。
重选和优化的路径完全重建相结合而达到综合性能的最优化。
在路径增量阶段，计算新加入卫星到原来路径上卫星之间的增量 路径，并与原有路径形成新路径。路径增量花费时间短，信令开销少，目
标是在切换后无需使用复杂的路由算法而建立比较优化的路径。通过
路径增量形成优化路径的依据是卫星网络拓扑结构的规则性和周期 性，从源到目的的初始路由是优化的，切换发生时，从源到目的路径上 的每颗卫星都用后续卫星替代，那么这样形成的路由可能也是优化的。
３．结论 由于低轨道卫星系统中卫星相对于地面终端高速运动，且轨道周 期比地球同步轨道卫星要小得多，因此在建立低轨道卫星通信系统的 背景下，对卫星信道及切换技术的研究显得尤为重要，在确保卫星通信 质量的前提下，充分合理的利用现有卫星通信资源也是目前国内外许 多学者关注的问题，本文在这个领域进行了初步的探讨，介绍了一些在 卫星通信中的有关切换问题以及实现相应切换的路由策略，如果 LEO 卫星网络系统具有星际链路，卫星具有路由处理能力，那么就能够形成 空间的自治域系统。这样的 LEO 卫星网络系统不仅能够推动网络通信 和互联网经济的发展，而且对国家安全有着十分重要的意义。
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的路径。完全重建阶段需要较多的信令交换，需要的时间较长。 （2）链路切换 低轨道卫星(如铱星)在接近极地时，关闭与邻居轨道卫星间的星际
链路，经过这些星际链路的通信连接需要切换到其它链路，这种切换称 为链路切换。链路切换由于部分星际链路的关闭，容易因网络资源不足 而造成通信阻塞，路径重选的开销比较大，通信中断时间也比较长，因 此，LEO 卫星网络系统的路由机制非常关注链路切换，特别是在路径建 立阶段就需要考虑链路切换，应尽量减少链路切换。
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浅谈低轨道卫星通信系统信道切换技术
陕西理工学院 王文洋
［摘 要］低轨道卫星移动通信系统在未来移动通信系统中将起到越来越重要的作用，本文通过对低轨道卫星通信模型的研究，讨论 了低轨道卫星通信系统的信道切换技术，这对未来低轨道卫星系统的信道切换具有一定借鉴意义。 ［关键词］移动通信系统 低轨道卫星 信道模型 信道切换
Satellite
1
movement
Original up/downlink
New up/downlink
系统总信道数减去设置的阈值，如果忙信道的个数大于阈值，新连接的 请求被拒绝。增加守护信道的数量可以减少切换连接阻塞的概率，但相 应地增加新连接请求的阻塞概率，在切换连接的阻塞和新连接的阻塞 之间存在折衷。切换排队 HQ(Handover Queuing)算法利用相邻两个点波 束之间的覆盖重叠区域，当地面终端进入覆盖重叠区域时，启动切换过 程，如果在新的点波束中存在可用信道，将可用信道分配给地面终端； 否则切换连接的请求放入请求队列中。当有信道空闲时，就分配给请求 队列中的切换连接。切换排队减少了切换连接阻塞的概率，但性能依赖 于新连接的到达率和覆盖重叠区域的大小。动态信道分配算法是对切 换排队算法的修改，在每一个连接离开后都重新分配信道，但因切换频 繁导致卫星系统开销很大。
在多次路径增量过程之后，由于卫星上通信流量和链路特性等发
生变化，通过增量形成的整个路径会偏离优化路径，因此在一段时间后
需要进行路径完全重建，重新确定通信的两个节点的优化路径。源端节
点确定重建时间，向目的节点发送路由请求进行初始化，在新路径上网
络资源满足后，从终端节点开始更新路由信息，新路径建立后删除原来
PRP (Probabilistic Routing Protocol) 协 议 ，即 概 率 路 由 协 议 ，利 用 LEO 卫星网络拓扑机构的可预知性，在一个新连接的路径建立阶段，去 掉在其通信生存期内或卫星切换前可能经历链路切换的 ISL，在这个新 形成的卫星网络拓扑结构的基础上计算路由，这样得到的路径会减少 因链路切换引起的路径重选次数。由于用户终端的位置和通信生存期 大小是随机的，只能按照统计概率估算通信连接的生存期。由于 PRP 协议在计算路由时删除了某些星际链路，会增加其它星际链路的阻塞 概率，因此，PRP 协议在链路阻塞概率和因链路切换引起路径重选次数 之间存在折衷，同时区分新连接和切换连接，切换连接的阻塞概率应小 于新连接的阻塞概率。
在路径建立以后，通信连接可能还会经历链路切换，路由重选可使 用上面介绍的 FHRP 协议。
（3）点波束切换 点波束切换包含释放切换终端与当前点波束的连接以及在新的点 波束中分配新连接给切换终端，切换涉及到的两个点波束都在同一个 卫星中。由于点波束覆盖面积小，点波束切换是 LEO 卫星系统中最频 繁的切换，如图 2 所示。
卫星移动 １
２
３