衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)概述

（一）概念定義

1.衛(wèi)星的發(fā)展與衛(wèi)星通信

衛(wèi)星的發(fā)展過程可概括為“小衛(wèi)星—大衛(wèi)星—新小衛(wèi)星”。在人類開展航空航天活動初期，受火箭運(yùn)載能力和衛(wèi)星制造技術(shù)水平限制，發(fā)射的衛(wèi)星功能少、體積小、重量輕，可視為傳統(tǒng)小衛(wèi)星。

衛(wèi)星通信是指利用人造地球衛(wèi)星作為中繼站來轉(zhuǎn)發(fā)無線電波，從而實(shí)現(xiàn)多個地球站、航天器、空間站之間的單向或雙向通信。典型的通信形式為音視頻廣播、數(shù)據(jù)廣播（導(dǎo)航、定位等）、音視頻通話、數(shù)據(jù)傳輸（遙感、遙測等）、互聯(lián)網(wǎng)連接等。衛(wèi)星通信頻段一般劃分見表2-1，其中L、S頻段主要用于衛(wèi)星移動通信，C、Ku頻段主要用于衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)通信，Ka頻段應(yīng)用開始大量出現(xiàn)。為了滿足日益增加的頻率軌道資源需求，衛(wèi)星通信領(lǐng)域正在布局Q/V等更高的頻段資源。

衛(wèi)星通信系統(tǒng)由衛(wèi)星端、地面站、用戶端三部分組成，典型示意圖（見圖2-1）。衛(wèi)星端可包含一個或多個衛(wèi)星，每個衛(wèi)星由衛(wèi)星母體和星載設(shè)備組成。地面站由跟蹤遙測和指令站、監(jiān)控管理站以及通信關(guān)口站（包含控制中心和地球站）組成。地面站可以是衛(wèi)星系統(tǒng)與地面其他通信網(wǎng)的關(guān)口，也可以是用戶端與衛(wèi)星的地面通信樞紐。用戶端則是接受服務(wù)的各種用戶終端設(shè)備。

2.衛(wèi)星通信的分類

根據(jù)不同的分類標(biāo)準(zhǔn)，衛(wèi)星通信（系統(tǒng)）可以分為不同的類型，例如按照通信衛(wèi)星運(yùn)行的軌道不同，可分為：

低軌道（LEO）衛(wèi)星通信：LEO衛(wèi)星較小，運(yùn)行于距地面500-2000km的軌道上，具有傳輸時延、覆蓋范圍、鏈路損耗、功耗較小等特征。

中軌道（MEO）衛(wèi)星通信：MEO衛(wèi)星運(yùn)行于距地面2000-20000km的軌道上，其傳輸時延、覆蓋范圍、鏈路損耗、功耗大于LEO但小于GEO。

高軌道（GEO）同步衛(wèi)星通信：GEO衛(wèi)星運(yùn)行于距地面35800km的地球同步靜止軌道上。傳統(tǒng)的GEO通信系統(tǒng)的技術(shù)最為成熟，但由于存在較長的傳播時延和較大的鏈路損耗，不適用于通信領(lǐng)域。

按照衛(wèi)星重量大小，可分為大衛(wèi)星（1000kg以上）、中衛(wèi)星（500-1000kg）和小衛(wèi)星（500kg以下）。然而，隨著小衛(wèi)星技術(shù)和應(yīng)用的不斷發(fā)展，業(yè)界對小衛(wèi)星分類又進(jìn)行了細(xì)化見表2-2。文后出現(xiàn)的小衛(wèi)星仍指500kg以下的衛(wèi)星。此外，其他常見的分類方式見表2-3。

3.傳統(tǒng)衛(wèi)星通信的特點(diǎn)

傳統(tǒng)衛(wèi)星通信具有不同于光纖、公眾移動通信等地面通信方式的特點(diǎn)：

覆蓋區(qū)域廣：較少數(shù)量的衛(wèi)星即可提供廣域概念上的無縫覆蓋。

地面基礎(chǔ)設(shè)施少：由于衛(wèi)星的廣覆蓋能力，與光纖、公眾移動通信等通信方式相比較，不需要大量的地面基礎(chǔ)設(shè)施支撐。

信息延時較大：無線電信號星地間傳輸普遍大于其他通信方式。

對用戶端要求高：由于星地鏈路損耗大，開放式鏈路易受干擾，對用戶端的發(fā)射功率和噪聲處理能力要求較高，將進(jìn)一步增加終端體積和成本。

帶寬容量有限：受限于衛(wèi)星通信的頻譜、載荷、能源問題，其總帶寬和總?cè)萘肯鄬τ诠饫w和公眾移動通信要小得多。近幾年高通量衛(wèi)星的發(fā)展將改變這一狀況。

通信成本高：由于衛(wèi)星的研制、發(fā)射、運(yùn)營成本較高，而且存在發(fā)射失敗和在軌失效的風(fēng)險，造成衛(wèi)星通信的單位帶寬費(fèi)用遠(yuǎn)高于地面通信網(wǎng)絡(luò)。

組網(wǎng)部署靈活：衛(wèi)星通信不受地形限制，通信終端可以在地面、海上、空中，在自然災(zāi)害或突發(fā)事件情況下可以快速響應(yīng)，但容易受到天氣狀況影響。

信息安全能力強(qiáng)：衛(wèi)星通信系統(tǒng)構(gòu)獨(dú)立于常見地面通信網(wǎng)絡(luò)，所傳輸?shù)男畔⒉灰妆唤孬@，且衛(wèi)星移動終端難以監(jiān)測定位，具有較高的信息安全水平。

4.小衛(wèi)星獨(dú)有特性

近年來，小衛(wèi)星技術(shù)應(yīng)用發(fā)展迅猛，多用于通信和對地觀測領(lǐng)域。小衛(wèi)星具有一些不同于傳統(tǒng)大衛(wèi)星的特有性質(zhì)，例如：

輕小型化：與重達(dá)幾噸的普通衛(wèi)星相比，小衛(wèi)星重量只有克至百千克的量級。輕型復(fù)合材料技術(shù)以及微型技術(shù)集成化應(yīng)用是小衛(wèi)星輕型化發(fā)展的重要前提。

成本降低：傳統(tǒng)大衛(wèi)星的研制周期一般需要5年左右，而且項目投資大、發(fā)射費(fèi)用高、項目風(fēng)險大。小衛(wèi)星研制過程主要采用先進(jìn)成熟的技術(shù)以及科學(xué)、合理的管理手段，使得小衛(wèi)星的研制周期一般為2年左右，研制成本大大降低。通過一箭多星技術(shù)大幅度降低了小衛(wèi)星的平均發(fā)射成本。

靈活發(fā)射：小衛(wèi)星可以作為大衛(wèi)星的附屬物一起發(fā)射，也可以是幾十甚至上百個微小衛(wèi)星搭載同一個火箭一齊發(fā)射。

冗余組網(wǎng)：小衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的快速部署能力和抗毀性能增強(qiáng)。通過利用大量小衛(wèi)星組成冗余備份，當(dāng)某顆衛(wèi)星失效或摧毀時，能夠快速補(bǔ)充衛(wèi)星。小衛(wèi)星相對于傳統(tǒng)大衛(wèi)星的優(yōu)缺點(diǎn)總結(jié)見表2-4。

（二）衛(wèi)星通信關(guān)鍵技術(shù)

當(dāng)前，衛(wèi)星通信的新技術(shù)加速發(fā)展，衛(wèi)星系統(tǒng)實(shí)際部署效率進(jìn)一步提高。在各國際衛(wèi)星公司積極推進(jìn)與競爭下，通信衛(wèi)星在衛(wèi)星制造、火箭發(fā)射、單星容量、頻譜效率、成本控制等方面均取得一系列進(jìn)步。

1.設(shè)計和制造技術(shù)

衛(wèi)星的設(shè)計和制造理念正在改變。模塊化設(shè)計、輕小型化、規(guī)模標(biāo)準(zhǔn)化、3D打印生產(chǎn)使得衛(wèi)星研制成本逐漸降低，迭代周期不斷縮短。

小衛(wèi)星具備重量輕、體積小、成本低、研制周期短、發(fā)射容易、風(fēng)險小且技術(shù)含量高等特點(diǎn)，更適用于組建低軌星座，是目前全球發(fā)展熱點(diǎn)。小衛(wèi)星有效載荷技術(shù)使衛(wèi)星在不斷小型化的同時，也在不斷集成更多的功能。有效載荷關(guān)鍵技術(shù)包括一體化設(shè)計技術(shù)，結(jié)構(gòu)輕型化、微型化、多功能化技術(shù)，微型系統(tǒng)綜合集成技術(shù)與軟件化技術(shù)等。輕型復(fù)合材料技術(shù)、微電子技術(shù)、微光電技術(shù)、微型計算機(jī)、微型機(jī)械及高精尖加工等高新技術(shù)的發(fā)展和集成化應(yīng)用為衛(wèi)星的輕小型化提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

2.發(fā)射與回收技術(shù)

一箭多星技術(shù)指通過一次火箭發(fā)射多顆衛(wèi)星。例如，長征十一號商用火箭以一箭多星的方式完成多次發(fā)射，大幅提高了衛(wèi)星商業(yè)發(fā)射的效率。異軌多星技術(shù)在火箭快速靈活進(jìn)入空間、空間機(jī)動和空間利用等方面具有廣闊應(yīng)用前景。例如，遠(yuǎn)征三號上面級通過與長征二號丁火箭配合使用，實(shí)現(xiàn)了21次自主快速軌道機(jī)動部署。

3.星座與編隊技術(shù)

衛(wèi)星組網(wǎng)主要通過衛(wèi)星星座技術(shù)與編隊飛行技術(shù)實(shí)現(xiàn)，即通過多顆衛(wèi)星協(xié)同工作完成特定空間任務(wù)。其中衛(wèi)星星座關(guān)注衛(wèi)星與地面的幾何關(guān)系，多顆衛(wèi)星組成星座可實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星業(yè)務(wù)的連續(xù)覆蓋或多重覆蓋，提高對目標(biāo)觀測的訪問頻度和時間分辨率。而編隊飛行則關(guān)注多個衛(wèi)星之間的相對幾何關(guān)系，用于實(shí)現(xiàn)多星協(xié)同任務(wù)，突破單顆衛(wèi)星性能與功能的限制。

4.寬帶化與軟件化技術(shù)

高通量衛(wèi)星通過采用高頻段、波束成形、多點(diǎn)波束、抗干擾等通信技術(shù)使得同樣尺寸天線的增益更高，衛(wèi)星通信吞吐容量增大，進(jìn)一步促進(jìn)衛(wèi)星接收終端的寬帶化。大容量、廣覆蓋、安全可靠等成為新一代衛(wèi)星通信系統(tǒng)的重要能力指標(biāo)。

星上通信計算載荷的軟件化也是新興技術(shù)之一。軟件化技術(shù)以微型計算機(jī)為核心，采用MMIC、ASIC、DSP超大規(guī)模集成電路，利用軟件工程技術(shù)和軟件無線電技術(shù)，把無線通信功能用軟件來實(shí)現(xiàn)，通過軟件編程來靈活實(shí)現(xiàn)多種寬帶數(shù)字濾波、直接數(shù)字頻率合成、數(shù)字下變頻等功能。軟件化減少了衛(wèi)星對各類硬件的需求，可進(jìn)一步降低衛(wèi)星重量，提升衛(wèi)星利用率。

（三）衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)

衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)鏈涵蓋衛(wèi)星制造、發(fā)射服務(wù)、地面設(shè)備制造、運(yùn)營與服務(wù)等環(huán)節(jié)。

衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)鏈全景見圖2-2。

（四）衛(wèi)星通信市場分析

1.全球衛(wèi)星通信市場概述

2018年，全球航天產(chǎn)業(yè)規(guī)模達(dá)到4000億美元，其中衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)規(guī)模超過3000億美元。

未來，全球衛(wèi)星通信系統(tǒng)商業(yè)化程度將不斷提高，衛(wèi)星通信系統(tǒng)向微小化趨勢發(fā)展，衛(wèi)星通信仍將是以衛(wèi)星廣播和固定類業(yè)務(wù)為主，衛(wèi)星移動和寬帶類業(yè)務(wù)將增長迅速。預(yù)計2020年，全球衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器出租容量將達(dá)到700GHz;且全球微小衛(wèi)星市場規(guī)模將達(dá)到60億美元，2025年全球微小衛(wèi)星數(shù)量市場規(guī)模可達(dá)200億美元。

2.我國衛(wèi)星通信市場概述

2018年，我國在軌衛(wèi)星總數(shù)約280顆，其中商業(yè)衛(wèi)星達(dá)到30顆，絕大多數(shù)衛(wèi)星為遙感、導(dǎo)航、科研等類型，通信衛(wèi)星數(shù)量較少。2018年12月，我國首張國產(chǎn)衛(wèi)星移動通信終端入網(wǎng)牌照發(fā)放，標(biāo)志著我國衛(wèi)星移動通信打破國外壟斷，完整產(chǎn)業(yè)鏈正式形成。

隨著我國商業(yè)航天市場的逐步開放，衛(wèi)星國家隊和許多民營企業(yè)紛紛布局衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座產(chǎn)業(yè)，將帶動通信小衛(wèi)星研制、火箭發(fā)射、衛(wèi)星通信系統(tǒng)終端設(shè)備與軟件應(yīng)用市場爆發(fā)式發(fā)展。2018年，我國衛(wèi)星通信市場規(guī)模達(dá)到600億元。預(yù)計2020年我國衛(wèi)星通信市場規(guī)模將超過800億元。