國(guó)外高通量衛(wèi)星系統(tǒng)與技術(shù)發(fā)展

劉 悅 （北京空間科技信息研究所）

國(guó)外高通量衛(wèi)星系統(tǒng)與技術(shù)發(fā)展

劉 悅 （北京空間科技信息研究所）

The Development of Foreign High-throughput Satellite Systems and Technologies

1 HTS衛(wèi)星概念與特點(diǎn)

HTS衛(wèi)星概念由美國(guó)航天咨詢公司北方天空研究所（NSR）率先提出，將其定義為“采用多點(diǎn)波束和頻率復(fù)用技術(shù)、在同樣頻譜資源的條件下，整星通量是傳統(tǒng)固定通信衛(wèi)星（FSS）數(shù)倍的衛(wèi)星”。HTS衛(wèi)星概念由“寬帶衛(wèi)星”演化而來(lái)，但與之有所區(qū)別。寬帶衛(wèi)星以“大多運(yùn)行在Ka頻段、大容量、提供寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入”為特點(diǎn)，開(kāi)辟了衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)接入的新業(yè)務(wù)，因此稱為“寬帶”。而產(chǎn)業(yè)界普遍認(rèn)為，HTS衛(wèi)星是以點(diǎn)波束和頻率復(fù)用為標(biāo)志，可以運(yùn)行在任何頻段，通量有大有小，取決于分配的頻譜和頻率復(fù)用次數(shù)，可以提供固定、廣播和移動(dòng)等各類商業(yè)衛(wèi)星通信服務(wù)的一類衛(wèi)星系統(tǒng)。

HTS衛(wèi)星與傳統(tǒng)通信衛(wèi)星波束對(duì)比

2 HTS衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)展

地球靜止軌道HTS發(fā)射數(shù)量逐年增加，發(fā)射比例趨近半數(shù)

從2004年首顆地球靜止軌道HTS衛(wèi)星（GEOHTS）發(fā)射以來(lái)，至2016年底，全球共計(jì)發(fā)射了46顆GEO-HTS衛(wèi)星，2017年全年預(yù)計(jì)發(fā)射11顆HTS衛(wèi)星（截至2017年9月底，已發(fā)射9顆），創(chuàng)歷年發(fā)射之最。過(guò)去5年（2012－2016年底），全球共計(jì)發(fā)射26顆HTS衛(wèi)星，是上一個(gè)5年（2007－2011年）發(fā)射數(shù)量總和（11顆）的2倍多。

全球2004－2020年GEO－HTS衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量統(tǒng)計(jì)與預(yù)測(cè)

2010－2016年國(guó)外發(fā)射的GEO－HTS衛(wèi)星

GEO-HTS衛(wèi)星自2015年起，發(fā)射數(shù)量從每年的2～3顆顯著增加至近10顆，近2年占發(fā)射GEO通信衛(wèi)星數(shù)量的1/3。從2019年起，隨著GEO通信衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量的下滑，HTS衛(wèi)星年發(fā)射數(shù)量將接近當(dāng)年發(fā)射GEO通信衛(wèi)星數(shù)量的50%。

中低軌HTS發(fā)射迎來(lái)井噴，2020前后達(dá)到頂峰

與GEO-HTS快速發(fā)展相比，多個(gè)大型中地球軌道（MEO）和低地球軌道（LEO）HTS星座進(jìn)入研制當(dāng)中，最早將于2019年發(fā)射。雖然國(guó)外宣稱發(fā)展的中低軌HTS星座主要有6個(gè)，但由于建設(shè)的重復(fù)性、所需的資金規(guī)模、頻率協(xié)調(diào)、制造和發(fā)射能力的限制，導(dǎo)致最終能夠發(fā)展起來(lái)的星座項(xiàng)目并不如宣傳所述。

目前，全球在軌的中低軌HTS星座只有1個(gè)，即運(yùn)行在MEO軌道的“另外三十億人”（O3b）星座，由12顆衛(wèi)星組成，現(xiàn)已完成部署并交付使用。從目前在建的HTS星座來(lái)看，主要有2019年預(yù)計(jì)發(fā)射的O3b星座擴(kuò)展的8顆衛(wèi)星，以及2020年預(yù)計(jì)發(fā)射的650顆“一網(wǎng)”（OneWeb）衛(wèi)星星座。如果將所有宣稱發(fā)展的中低軌HTS星座都計(jì)算在內(nèi)，全球累計(jì)發(fā)射的中低軌HTS星座衛(wèi)星接近上萬(wàn)顆。

全球中低軌HTS星座發(fā)射數(shù)量預(yù)測(cè)

國(guó)外計(jì)劃部署的中低軌HTS星座系統(tǒng)

除了確定要發(fā)射的O3b系統(tǒng)和OneWeb系統(tǒng)外，還有其他中低軌HTS星座系統(tǒng)處于在研或概念階段。

3 HTS衛(wèi)星關(guān)鍵技術(shù)

多波束天線技術(shù)

HTS衛(wèi)星最基本的特征就是衛(wèi)星的波束為點(diǎn)波束。衛(wèi)星采用多點(diǎn)波束的好處在于提高天線的發(fā)送/接收增益，并能實(shí)現(xiàn)頻率復(fù)用；采用多點(diǎn)波束的劣勢(shì)在于覆蓋，點(diǎn)波束覆蓋范圍較小，要想實(shí)現(xiàn)大范圍的區(qū)域覆蓋，則需要大量點(diǎn)波束。目前，國(guó)外主要有2種發(fā)展思路：一是以衛(wèi)訊衛(wèi)星－1和“Ka頻段衛(wèi)星”為代表的、采用窄點(diǎn)波束提高通量的區(qū)域系統(tǒng)；二是采用較大的點(diǎn)波束增加覆蓋范圍的全球系統(tǒng)，例如“史詩(shī)”（Epic）。

HTS衛(wèi)星主要應(yīng)用兩類多波束天線：一是單饋源單波束天線（SFB）；二是多饋源單波束天線（MFB）。SFB天線的每個(gè)饋源喇叭對(duì)應(yīng)1個(gè)波束，簡(jiǎn)化了硬件設(shè)備，電性能也較好，對(duì)于覆蓋范圍較大的HTS衛(wèi)星多采用SFB天線。MFB天線通過(guò)小的喇叭陣列形成波束，有的還配有波束成形網(wǎng)絡(luò)，優(yōu)勢(shì)在于實(shí)現(xiàn)波束重合覆蓋僅需1副反射器，從而減少了星上天線的尺寸和成本。因此，對(duì)于較小的地理區(qū)域和多用途HTS衛(wèi)星，MFB天線是最佳選擇。

HTS衛(wèi)星SFB天線設(shè)計(jì)

HTS衛(wèi)星MFB天線設(shè)計(jì)

頻率復(fù)用技術(shù)

對(duì)于HTS衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，采用點(diǎn)波束和頻率復(fù)用技術(shù)相結(jié)合，能夠有效提高天線增益，實(shí)現(xiàn)頻率復(fù)用。優(yōu)勢(shì)在于：①天線的增益與波束寬度有關(guān)，波束寬度越窄，天線增益越高。較高的衛(wèi)星天線增益可以使得用戶采用更小口徑的終端，并使用高階調(diào)制編碼方案，從而提高頻譜利用效率，提高數(shù)據(jù)傳輸速率。天線增益增加10倍，系統(tǒng)容量增長(zhǎng)4倍。②點(diǎn)波束的應(yīng)用，使得距離較遠(yuǎn)的波束可以復(fù)用同一段頻率。

頻率復(fù)用也會(huì)帶來(lái)一些問(wèn)題，當(dāng)2個(gè)或更多的波束使用同一段頻率時(shí)，由于天線旁瓣不為零，就會(huì)產(chǎn)生波束間的干擾。綜合來(lái)看，點(diǎn)波束技術(shù)的應(yīng)用能夠帶來(lái)效率的提高，但引起的波束間干擾又降低了效率。如果增加波束間的距離可以降低干擾，但又減少了頻率復(fù)用，影響了總的通量。因此，點(diǎn)波束的數(shù)量和頻率復(fù)用程度實(shí)際上是系統(tǒng)設(shè)計(jì)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的折中考量。

靈活有效載荷技術(shù)

“靈活”指的是HTS衛(wèi)星系統(tǒng)在發(fā)展的過(guò)程中，為了提高商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力而對(duì)系統(tǒng)的服務(wù)能力提出的要求。早期發(fā)展HTS衛(wèi)星系統(tǒng)主要以提高整星通量為目標(biāo)，星上設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，衛(wèi)星一旦入軌，很難對(duì)服務(wù)進(jìn)行調(diào)整。實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中會(huì)出現(xiàn)熱點(diǎn)地區(qū)的轉(zhuǎn)發(fā)器飽和，非熱點(diǎn)地區(qū)轉(zhuǎn)發(fā)器利用率很低，造成轉(zhuǎn)發(fā)器利用率低的問(wèn)題。

靈活有效載荷是歐洲提出來(lái)的一個(gè)籠統(tǒng)的整體概念，主要包含三方面：①靈活的覆蓋，能夠?qū)崿F(xiàn)覆蓋區(qū)域的在軌可調(diào)，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星從所在軌位可見(jiàn)地面任何一個(gè)地區(qū)的動(dòng)態(tài)覆蓋調(diào)整，并能在軌控制點(diǎn)波束的尺寸、數(shù)量和形狀，實(shí)現(xiàn)途徑主要包括直接輻射陣列天線（DRA）、陣列饋源反射器天線（AFR）、共焦天線（Confocal Antennas）和透鏡天線（Lens Antennas）等；②靈活的頻譜分配，能夠靈活分配頻率和帶寬，主要通過(guò)星上處理實(shí)現(xiàn)（含模擬和數(shù)字處理技術(shù)）；③靈活的功率分配，主要通過(guò)多端口放大器（MPA）技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

自2010年起，歐洲航天局（ESA）“通信系統(tǒng)預(yù)先研究”（ARTES－3和4）產(chǎn)品研制專題為靈活有效載荷專設(shè)了“通用靈活有效載荷”專項(xiàng)，分“兩步走”：一是在英國(guó)阿萬(wàn)蒂通信公司的HTS衛(wèi)星高適應(yīng)性衛(wèi)星－1上開(kāi)展通用靈活有效載荷的在軌驗(yàn)證；二是在國(guó)際移動(dòng)衛(wèi)星公司的“阿爾法衛(wèi)星”（Alphasat）上開(kāi)展星上數(shù)字處理器的在軌驗(yàn)證。2015年，歐洲航天局與歐洲通信衛(wèi)星公司共同開(kāi)展了“量子”（Quantum）衛(wèi)星研制：①實(shí)現(xiàn)靈活的波束賦形覆蓋形狀和大小可調(diào)；②覆蓋范圍可變，8個(gè)獨(dú)立的點(diǎn)波束能夠在1min內(nèi)調(diào)整到任意可見(jiàn)的地面服務(wù)區(qū)域；③覆蓋波束跳換，更加靈活地按需分配，需求熱點(diǎn)地區(qū)可以獲得更高的容量分配；④功率和容量靈活，靈活地為用戶分配功率和容量；⑤頻率靈活，能夠使用Ku頻段范圍內(nèi)任何一段頻譜。

4 啟示與建議

超高通量、全球覆蓋、星座組網(wǎng)、高低軌結(jié)合是未來(lái)發(fā)展方向

從系統(tǒng)部署來(lái)看，未來(lái)GEO-HTS衛(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)將是多顆衛(wèi)星組網(wǎng)，中低軌HTS衛(wèi)星系統(tǒng)共存；從系統(tǒng)服務(wù)能力來(lái)看，國(guó)外主流衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商無(wú)不以更高的通量為發(fā)展目標(biāo)，已經(jīng)出現(xiàn)了以衛(wèi)訊衛(wèi)星－3為代表的超高通量衛(wèi)星（VHTS），單星通量超過(guò)1Tbit/s；從系統(tǒng)覆蓋能力來(lái)看，面向區(qū)域覆蓋的HTS衛(wèi)星系統(tǒng)主要是發(fā)展初期用于技術(shù)和市場(chǎng)驗(yàn)證，全球四大衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商無(wú)不以全球覆蓋為發(fā)展目標(biāo)；從系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量來(lái)看，系統(tǒng)運(yùn)行的軌道越低，時(shí)延越小，越能滿足對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的應(yīng)用，以國(guó)際通信衛(wèi)星公司為代表的衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商已經(jīng)提出了GEO+LEO軌道的發(fā)展思路，多軌道系統(tǒng)結(jié)合也將是未來(lái)趨勢(shì)之一。

深入挖掘市場(chǎng)需求和應(yīng)用要求，我國(guó)HTS衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計(jì)與建設(shè)應(yīng)充分結(jié)合市場(chǎng)與應(yīng)用

2016年，由香港亞太衛(wèi)星公司和中交通信科技有限公司聯(lián)合打造的我國(guó)首個(gè)GEO-HTS衛(wèi)星系統(tǒng)建設(shè)啟動(dòng)，我國(guó)有望在2019年擁有獨(dú)立自主的HTS衛(wèi)星系統(tǒng)。從國(guó)外發(fā)展經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，HTS衛(wèi)星系統(tǒng)是一類以商業(yè)應(yīng)用為主的通信衛(wèi)星，不同的業(yè)務(wù)應(yīng)用導(dǎo)致不同的有效載荷設(shè)計(jì)，不同的用戶和應(yīng)用環(huán)境影響頻段的選擇，不同的市場(chǎng)區(qū)域、用戶特點(diǎn)決定不同的系統(tǒng)架構(gòu)。因此，我國(guó)HTS衛(wèi)星系統(tǒng)部署之前應(yīng)充分調(diào)研、挖掘、甚至牽引市場(chǎng)需求，有針對(duì)性的開(kāi)展系統(tǒng)設(shè)計(jì)，真正建設(shè)一個(gè)服務(wù)目標(biāo)明確、功能清晰、用戶好用的HTS衛(wèi)星系統(tǒng)。

靈活性是HTS衛(wèi)星未來(lái)發(fā)展目標(biāo)，我國(guó)應(yīng)加緊開(kāi)展關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)

靈活性是國(guó)外HTS衛(wèi)星系統(tǒng)根據(jù)數(shù)年運(yùn)營(yíng)總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)而提出的發(fā)展目標(biāo)。為了解決需求分布不均、轉(zhuǎn)發(fā)器利用率不高的問(wèn)題，美歐衛(wèi)星制造商、運(yùn)營(yíng)商已經(jīng)有計(jì)劃、有步驟地開(kāi)展靈活有效載荷研制。全球首個(gè)真正意義上的“靈活”衛(wèi)星“量子”已經(jīng)在研，預(yù)計(jì)2018年投入運(yùn)營(yíng)。我國(guó)HTS衛(wèi)星系統(tǒng)建設(shè)應(yīng)充分吸取國(guó)外經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，加緊開(kāi)展陣列天線、數(shù)字星上處理、多端口放大器技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)，避免HTS衛(wèi)星系統(tǒng)重走國(guó)外衛(wèi)星應(yīng)用上出現(xiàn)的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展。

自2004年首顆高通量衛(wèi)星（HTS）發(fā)射至今，系統(tǒng)部署逐年增加，截至2017年9年底，全球共計(jì)發(fā)射56顆HTS衛(wèi)星，并呈加速發(fā)展的趨勢(shì)，近2年發(fā)射數(shù)量達(dá)到17顆，占HTS衛(wèi)星發(fā)射總數(shù)的1/3以上。在研衛(wèi)星數(shù)量大幅增加，全球各大衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商積極推動(dòng)HTS衛(wèi)星部署，全球HTS衛(wèi)星訂單超過(guò)上千顆，是通信衛(wèi)星領(lǐng)域發(fā)展最快、關(guān)注度最高、潛力最大的一類衛(wèi)星系統(tǒng)。