國(guó)外高吞吐量衛(wèi)星最新進(jìn)展

● 文 |中國(guó)空間技術(shù)研究院 張航

國(guó)外高吞吐量衛(wèi)星最新進(jìn)展

● 文 |中國(guó)空間技術(shù)研究院 張航

21世紀(jì)以來(lái)，高吞吐量衛(wèi)星發(fā)展迅速，受到廣泛關(guān)注，成為未來(lái)通信衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要方向和驅(qū)動(dòng)力。近幾年來(lái)，國(guó)外高吞吐量衛(wèi)星呈現(xiàn)出新的發(fā)展態(tài)勢(shì)，超大容量、靈活載荷、高中低軌星座等發(fā)展方向也更加多樣化。本文從地球靜止軌道（GEO）和非GEO軌道兩個(gè)方面梳理國(guó)外高吞吐量衛(wèi)星的最新進(jìn)展。

一、概況

高吞吐量衛(wèi)星（HTS）也稱(chēng)寬帶通信衛(wèi)星，是指采用多點(diǎn)波束和頻率復(fù)用實(shí)現(xiàn)總?cè)萘看蠓嵘⒚嫦蛳M(fèi)者互聯(lián)網(wǎng)接入等寬帶應(yīng)用的衛(wèi)星。自2005年首顆專(zhuān)用HTS衛(wèi)星發(fā)射以來(lái)，十余年間呈現(xiàn)出快速發(fā)展的態(tài)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)重要的里程碑：

●2005年，首顆專(zhuān)用HTS衛(wèi)星iPStar發(fā)射；

●2007年，星上處理型載荷的太空之路-3衛(wèi)星（Spaceway-3）發(fā)射；

●2010年，首顆接近100Gbit/s的衛(wèi)星“Ka頻段衛(wèi)星”（Ka-Sat）發(fā)射；

●2013年，首個(gè)MEO軌道HTS星座“其他30億人”（O3b）發(fā)射；

●2015年，首個(gè)GEO軌道HTS星座國(guó)際移動(dòng)衛(wèi)星-5（Inmarsat-5）發(fā)射。

2010－2015年，全球共計(jì)發(fā)射了35顆HTS衛(wèi)星，接近2004－2009年發(fā)射總數(shù)量（13顆）的3倍（見(jiàn)圖1）。未來(lái)，HTS衛(wèi)星將進(jìn)一步向著星上靈活處理、更大吞吐量、更多樣化軌道的方向發(fā)展。2017年，衛(wèi)訊-2（ViaSat-2）衛(wèi)星將發(fā)射，單星吞吐量達(dá)到350Gbit/s，2019年ViaSat-3衛(wèi)星將發(fā)射，吞吐量超過(guò)1Tbit/s。同時(shí)，低軌寬帶衛(wèi)星星座的代表“一網(wǎng)”（OneWeb）星座也將于2019年前后開(kāi)始部署，進(jìn)一步使寬帶通信衛(wèi)星數(shù)量和在軌可用容量呈井噴式發(fā)展。

二、典型GEO衛(wèi)星系統(tǒng)

1.首個(gè)實(shí)現(xiàn)全球覆蓋的GEO軌道HTS衛(wèi)星星座——Inmarsat-5

2010年，國(guó)際移動(dòng)衛(wèi)星公司（Inmarsat）宣布“全球快訊”（Global Xpress）建設(shè)計(jì)劃，利用3顆GEO衛(wèi)星構(gòu)建全球衛(wèi)星寬帶通信網(wǎng)絡(luò)，提供無(wú)縫全球覆蓋和移動(dòng)寬帶服務(wù)。截至2016年底，Inmarsat公司計(jì)劃發(fā)展4顆衛(wèi)星。其中，3顆工作衛(wèi)星均已發(fā)射，軌道位置為62.6°E、55.0°W和179.6°E，分別覆蓋印度洋、大西洋和太平洋。另有1顆在軌備份星用于提升網(wǎng)絡(luò)容量，計(jì)劃于2017年發(fā)射。

Inmarsat-5衛(wèi)星基于波音衛(wèi)星系統(tǒng)公司的BSS-HP平臺(tái)研制，采用三軸穩(wěn)定方式，衛(wèi)星干質(zhì)量為3750kg，發(fā)射質(zhì)量為6070kg，設(shè)計(jì)壽命15年，壽命初期功率15kW，末期功率13.8kW。星體收攏狀態(tài)尺寸為6.98m×3.59m×3.27m，在軌運(yùn)行狀態(tài)下，高度不變，天線展開(kāi)寬度為8.08m，太陽(yáng)能電池板翼展33.8m（見(jiàn)圖2）。推進(jìn)系統(tǒng)采用445N的液體遠(yuǎn)地點(diǎn)推力器和用于在軌姿態(tài)保持的氙離子電推力器，此外還有4個(gè)22N的軸向推力控制器和4個(gè)10N的輻向推力控制器。

衛(wèi)星采用透明轉(zhuǎn)發(fā)體制，共攜帶兩種Ka頻段載荷：固定多點(diǎn)波束對(duì)應(yīng)的全球服務(wù)載荷（GSP）和可調(diào)波束對(duì)應(yīng)的高容量載荷（HCP）。

全球服務(wù)載荷方面，天線配置為2發(fā)4收，通過(guò)兩組網(wǎng)狀喇叭饋源陣實(shí)現(xiàn)89個(gè)點(diǎn)波束的精確賦形（最大同時(shí)激活波束數(shù)量為72個(gè)），無(wú)縫覆蓋除極區(qū)以外的全部地區(qū)。每個(gè)波束具有32/64MHz的帶寬，波束中心區(qū)域和邊緣區(qū)域的信號(hào)質(zhì)量差不超過(guò)2dB，以保證全球用戶(hù)均可獲得同樣的服務(wù)等級(jí)。

高容量載荷方主要用于滿(mǎn)足業(yè)務(wù)需求量大的熱點(diǎn)區(qū)域服務(wù)性能，通過(guò)12個(gè)130W功率的行波管放大器（TWTA）為6個(gè)可調(diào)用戶(hù)波束和2個(gè)可調(diào)饋線波束提供服務(wù)，可為固定點(diǎn)波束區(qū)域提供最大8倍的應(yīng)急業(yè)務(wù)容量。

2.透明轉(zhuǎn)發(fā)體制超高吞吐量衛(wèi)星的代表——ViaSat-3衛(wèi)星

繼2011年成功發(fā)射首顆衛(wèi)星ViaSat-1之后，美國(guó)衛(wèi)訊公司在短短數(shù)年間先后提出了發(fā)展ViaSat-2和ViaSat-3衛(wèi)星的計(jì)劃，每項(xiàng)計(jì)劃均在上一個(gè)計(jì)劃基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了大幅跨越。ViaSat-1衛(wèi)星單星吞吐量140Gbit/s，ViaSat-2衛(wèi)星將實(shí)現(xiàn)2.5倍增長(zhǎng)，ViaSat-3將達(dá)到Tbit/s量級(jí)。按照計(jì)劃，3顆ViaSat-3衛(wèi)星將于2020年前后發(fā)射。ViaSat-3衛(wèi)星不僅實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)訊公司從美國(guó)到區(qū)域再到全球的擴(kuò)展，而且大幅提升用戶(hù)鏈路速率：家庭用戶(hù)互聯(lián)網(wǎng)接入100Mbit/s以上、飛行中連接（IFC）數(shù)百M(fèi)bit/s、海事和油氣平臺(tái)用戶(hù)接入接近1Gbit/s。

ViaSat-3衛(wèi)星將由波音公司基于成熟的BSS-702HP平臺(tái)研制，設(shè)計(jì)壽命15年，有效載荷由衛(wèi)訊公司自行研制。整個(gè)系統(tǒng)將采用“大衛(wèi)星＋小關(guān)口站”的體系架構(gòu)，將在地面部署數(shù)百個(gè)配備小口徑天線的關(guān)口站。ViaSat-3首顆星將工作在西經(jīng)79.3°，覆蓋美國(guó)本土、加拿大和墨西哥。

衛(wèi)星將采用彎管式透明轉(zhuǎn)發(fā)體制，前向鏈路和反向鏈路非對(duì)稱(chēng)。其中，前向鏈路（關(guān)口站到用戶(hù)）為一個(gè)TDM 500MHz的寬載波（416.67Msym/s），反向鏈路采用MF-TDMA體制，支持多種不同的帶寬和數(shù)據(jù)速率。整個(gè)系統(tǒng)采用自適應(yīng)編碼調(diào)制來(lái)對(duì)抗雨衰。前向鏈路可選調(diào)制方案包括16APSK、8PSK和QPSK等，反向鏈路可選調(diào)制方案包括8PSK、QPSK和BPSK。

如圖3所示，在衛(wèi)星波束覆蓋方面，ViaSat-3衛(wèi)星將形成92個(gè)點(diǎn)波束。其中：20個(gè)A型波束，專(zhuān)門(mén)接入地面互聯(lián)網(wǎng)和PSTN節(jié)點(diǎn)，并提供TT&C和其他系統(tǒng)運(yùn)行功能保障；72個(gè)B型波束，主要為用戶(hù)終端提供服務(wù)。A型波束下行鏈路EIRP峰值為56.9～62.2dBW，G/T值峰值為17.1～21.9dB/K。B型波束下行鏈路EIRP峰值為62.7～67.0dBW，G/T值峰值為18.2～22.7dB/K。

3.具有靈活載荷能力的Ku頻段HTS衛(wèi)星——Intelsat EPIC

為應(yīng)對(duì)全球Ka頻段HTS衛(wèi)星的迅猛發(fā)展，國(guó)際通信衛(wèi)星公司（Intelsat）提出了“史詩(shī)”系列衛(wèi)星（Intelsat EPIC）發(fā)展計(jì)劃，該計(jì)劃特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)單跳通信（見(jiàn)圖4）。整個(gè)星座共計(jì)5顆衛(wèi)星，目前已發(fā)射2顆，分別為Intelsat-29e和Intelsat-33e，均在衛(wèi)星名稱(chēng)后綴e來(lái)表示，分別覆蓋美、歐、亞、非洲。

Intelsat-29e衛(wèi)星于2016年初發(fā)射，采用702MP平臺(tái)研制，本體包絡(luò)為6m×3m×2m，發(fā)射質(zhì)量為6552kg，功率15.8kW，設(shè)計(jì)壽命15年。星上搭載C頻段、Ku頻段和Ka頻段轉(zhuǎn)發(fā)器，單星吞吐量為25～60Gbit/s。

●C頻段區(qū)域波束，共計(jì)12路轉(zhuǎn)發(fā)器，多種帶寬配置，包括36MHz、72MHz、112MHz、375MHz、5000MHz；

●Ku頻段點(diǎn)波束，共計(jì)46路轉(zhuǎn)發(fā)器，同樣采用多種帶寬配置，包括36MHz、62.5MHz、125MHz、187.5MHz、250MHz、375MHz和500MHz；

●Ka頻段全球波束，共計(jì)1路轉(zhuǎn)發(fā)器，采用500MHz的寬帶載波。

此外，Intelat-29e衛(wèi)星的突出特點(diǎn)是采用數(shù)字有效載荷，具備一定星上處理能力，支持波束間信號(hào)交換，能夠?qū)崿F(xiàn)衛(wèi)星資源的靈活分配，實(shí)現(xiàn)C頻段到Ku頻段服務(wù)的鉸鏈，可支持星狀網(wǎng)、柵格網(wǎng)以及同一個(gè)用戶(hù)波束內(nèi)信號(hào)回送業(yè)務(wù)。

三、典型非GEO衛(wèi)星系統(tǒng)

1.首個(gè)成功商業(yè)運(yùn)營(yíng)的MEO衛(wèi)星星座——O3b衛(wèi)星

O3b公司由著名創(chuàng)業(yè)家格雷格·維勒（Greg Wyler）于2007年建立，通過(guò)在MEO軌道部署小衛(wèi)星星座，致力于為全球尚無(wú)法接入互聯(lián)網(wǎng)的30億人口提供高速通信連接，公司現(xiàn)為SES公司全資所有。

O3b衛(wèi)星均運(yùn)行在高度8060～8072km、傾角0.03°的同一軌道面上，軌道周期為287.92min，主要覆蓋地面南北緯45°之間的區(qū)域（見(jiàn)圖5）。整個(gè)星座的衛(wèi)星數(shù)量不設(shè)上限，采取8顆星一組的模式，可以按需增加衛(wèi)星數(shù)量，實(shí)現(xiàn)在軌容量擴(kuò)展。截至2016年底，已有12顆O3b衛(wèi)星成功發(fā)射，另有8顆計(jì)劃2018年發(fā)射。

衛(wèi)星由泰雷茲-阿萊尼亞航天公司研制，采用“壽命延長(zhǎng)平臺(tái)”（ELiTe），單星發(fā)射質(zhì)量約700kg，功率1575W，設(shè)計(jì)壽命約10年。衛(wèi)星單星吞吐量12Gbit/s，單鏈路速率高達(dá)500Mbit/s。

平臺(tái)方面，電源分系統(tǒng)采用三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)能電池和100Ah鋰離子蓄電池；結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)分系統(tǒng)采用鋁管作為支撐結(jié)構(gòu)、鋁制蜂窩板作為面板；推進(jìn)分系統(tǒng)采用肼作為燃料，貯箱容量154kg，配備8個(gè)1N推力器。

有效載荷方面，衛(wèi)星采用彎管式透明轉(zhuǎn)發(fā)體制，星上12個(gè)65W行波管放大器，帶寬216MHz，對(duì)地面配備12副可控天線，指向范圍為±26°，每個(gè)天線形成一個(gè)點(diǎn)波束，共計(jì)12個(gè)點(diǎn)波束。其中10個(gè)波束為用戶(hù)波束，另外2個(gè)波束為信關(guān)站波束。

2.有望實(shí)現(xiàn)首個(gè)成功部署的低軌寬帶星座——OneWeb衛(wèi)星

一網(wǎng)公司（OneWeb）于2014年底提出，計(jì)劃在LEO軌道部署近900顆小衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)全球高速寬帶通信無(wú)縫覆蓋（見(jiàn)圖6）。項(xiàng)目一提出就得到了衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)界內(nèi)外的大力支持，短短兩年間便獲得了17億美元的融資，足以支撐前期衛(wèi)星研制和發(fā)射的費(fèi)用。目前，OneWeb公司已經(jīng)簽署了衛(wèi)星研制和發(fā)射合同，系統(tǒng)部署工作有條不紊的開(kāi)展，計(jì)劃2019年前后開(kāi)始部署。

根據(jù)最新公布的信息，OneWeb系統(tǒng)一期衛(wèi)星星座全系統(tǒng)運(yùn)行需要880余顆衛(wèi)星，分布在18個(gè)圓軌道面上，每個(gè)軌道面上部署49顆衛(wèi)星。軌道高度約為1200km，傾角87.9°，相鄰軌道面間隔約10.15°。在2017年初獲得軟銀主導(dǎo)的12億美元融資之后，OneWeb公司更是計(jì)劃二期發(fā)展2000余顆衛(wèi)星。OneWeb公司將在全球建設(shè)數(shù)十個(gè)關(guān)口站，其中部分關(guān)口站集成了測(cè)控站，另外在美國(guó)和英國(guó)分設(shè)兩個(gè)互為備份的衛(wèi)星控制中心。

OneWeb的每一顆衛(wèi)星質(zhì)量為125kg，可在軌運(yùn)行5年左右。衛(wèi)星主承包商為空客防務(wù)與航天公司（ADS），最初10顆將在法國(guó)研制，其余衛(wèi)星將在美國(guó)佛羅里達(dá)州的合資衛(wèi)星制造廠中生產(chǎn)，可實(shí)現(xiàn)每周5顆左右的生產(chǎn)速度。

衛(wèi)星不帶有星間鏈路，通過(guò)關(guān)口站組網(wǎng)通信。衛(wèi)星與用戶(hù)間鏈路采用Ku頻段，單星形成16個(gè)長(zhǎng)橢圓形波束，共覆蓋星下1080km×1080km的范圍。單個(gè)波束下行速率可達(dá)750Mbit/s，上行速率可達(dá)375Mbit/s。每顆衛(wèi)星攜帶2個(gè)Ka頻段圓極化雙反射面天線，同時(shí)與2個(gè)關(guān)口站進(jìn)行通信。單星吞吐量約為7.5Gbit/s，整個(gè)星座總吞吐量為6～7Tbit/s。由于采用低軌道，鏈路傳輸時(shí)延僅為30ms，與地面網(wǎng)絡(luò)相當(dāng)。

四、結(jié)束語(yǔ)

隨著用戶(hù)數(shù)據(jù)量和數(shù)據(jù)速率的大幅提升，預(yù)計(jì)2020年左右，全球HTS衛(wèi)星通信服務(wù)需求超過(guò)1.6Tbit/s，總用戶(hù)數(shù)量將超過(guò)600萬(wàn)，產(chǎn)業(yè)收入將達(dá)到90億美元。在市場(chǎng)發(fā)展與技術(shù)進(jìn)步的雙重驅(qū)動(dòng)下，HTS衛(wèi)星將呈現(xiàn)出新的多樣化的發(fā)展態(tài)勢(shì)。

一是透明轉(zhuǎn)發(fā)體制和星上處理體制將長(zhǎng)期并存，以滿(mǎn)足不同應(yīng)用場(chǎng)景的通信需求。

二是Ku、Ka頻段并存，并逐步向更高頻段方向發(fā)展，特別是Q/V頻段在關(guān)口站饋電鏈路的應(yīng)用將會(huì)更加成熟和廣泛。

三是高軌衛(wèi)星與中低軌衛(wèi)星將長(zhǎng)期并存且一體化融合。高軌衛(wèi)星的廣域覆蓋與中低軌衛(wèi)星的低時(shí)延可實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，分別解決廣域常態(tài)覆蓋與局域熱點(diǎn)覆蓋需求，具有巨大的發(fā)展前景。

[1]Euroconsult. High Throughput Satellite:Vertical Market Analysis & Forecasts.March, 2016.

[2]Craig Hibberd. Inmarsat Global Xpress Network – meeting the challenges of providing a seamless global Ka-band service to mobile terminals. September 2012.

[3]ViaSat,Attachment A: Technicla Information to Supplement Schedule S.FCC filing, 2014.

[4]Intelsat. Intelsat 29e Engineer Statement. FCC filing. 2012.

[5]Jack Deasy. 21st Centry Comms over Satellite: HTS Medium Earth Orbit satellites bring cloud services and FMV to the frontline. November, 2016.[6]Oneweb. Attachment A: Technical Information to Supplement Schedule S.April, 2016.