改變衛(wèi)星通信行業(yè)面貌的幾個(gè)發(fā)展趨勢

沈永言

（中國衛(wèi)通集團(tuán)股份有限公司，北京 100094）

0 引言

近年來，在航天和信息技術(shù)以及商業(yè)力量的推動下，全球衛(wèi)星通信行業(yè)進(jìn)入了以HTS（高通量衛(wèi)星）和NGSO（非靜止軌道）星座為代表的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展階段。衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)是人類活動從陸地向海洋和太空擴(kuò)展的必然結(jié)果、5G 萬物互聯(lián)和隨遇接入愿景實(shí)現(xiàn)的必然要求。在信息網(wǎng)絡(luò)天地一體化時(shí)代，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)在信息網(wǎng)絡(luò)安全、航空海事通信、普遍服務(wù)、軍事通信、應(yīng)急指揮等各個(gè)方面都具有重要的保障作用，進(jìn)而成為全球航天產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展熱點(diǎn)、移動互聯(lián)網(wǎng)之后又一個(gè)新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)。當(dāng)前，我國正在大力發(fā)展衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)，把握衛(wèi)星通信行業(yè)的發(fā)展趨勢，對于我國天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和衛(wèi)星通信的產(chǎn)業(yè)升級和規(guī)?；l(fā)展都具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 多點(diǎn)波束和高頻段釋放帶寬潛能

帶寬是衡量所有信息網(wǎng)絡(luò)性能的最基本指標(biāo)。目前，全球主要衛(wèi)星制造和運(yùn)營商都在積極發(fā)展基于多點(diǎn)波束和頻分復(fù)用技術(shù)的HTS，以擴(kuò)大衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)容量。HTS 包含GEO（地球同步軌道）、MEO（中地球軌道）、LEO（低地球軌道）三種形式，當(dāng)下應(yīng)用較多的是GEO HTS，其次是MEO HTS，LEO HTS 則正在建設(shè)之中。

表1 全球代表性的GEO HTS

目前，比較代表性的在軌GEO HTS 是美國Viasat 公司的Viasat-2和Hughes 公司的Jupiter-2，它們的容量分別達(dá)到300和220 Gb/s。在建的Viasat-3、Jupiter-3的容量將分別達(dá)到1 Tb/s 和500 Gb/s，Eutelsat 公司的“KONNECT VHTS”的容量也達(dá)500 Gb/s，這三個(gè)VHTS（超級HTS）都將在2021 年發(fā)射。HTS 容量的迅速提升使得大型GEO HTS 的單位Gb/s 制造成本降至到百萬美元以下，從而接近地面寬帶網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)能力和資費(fèi)水平。與發(fā)達(dá)國家相比，我國HTS 發(fā)展稍顯落后，但也在奮力追趕之中。中國衛(wèi)通首顆容量20 Gb/s 的HTS 中星16已于2017年4月發(fā)射，目前開始進(jìn)入商業(yè)運(yùn)營，容量達(dá)100 Gb/s 的中星26號HTS 正在建設(shè)之中。

高頻段是多點(diǎn)波束空分復(fù)用之外最重要的帶寬來源，頻段越高，帶寬資源越豐富。目前，Ka 之上的Q，V 頻段已經(jīng)開始商用。2016 年3 月，Eutelsat 率先使用 Q 頻段。SpaceX，O3b，Boeing，Amazon 以及國內(nèi)的相關(guān)企業(yè)的星座系統(tǒng)都有V 頻段的使用計(jì)劃，而歐美等國已開始進(jìn)行頻率更高的W 頻段的研究工作。與Q，V，W 頻段相比，空間光通信的帶寬更大，抗干擾能力更強(qiáng)。SpaceX，Telesat 以及國內(nèi)等相關(guān)公司都提出了衛(wèi)星光通信計(jì)劃。我國2019年底發(fā)射的實(shí)踐二十號衛(wèi)星成功了完成Q/V 頻段和激光通信搭載驗(yàn)證，星地通信激光傳輸速達(dá)到10 Gb/s。

多點(diǎn)波束空分復(fù)用和高頻段傳輸?shù)木C合應(yīng)用充分釋放衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的帶寬潛能。目前，全球HTS 總帶寬供應(yīng)量不到4 Tb/s，NSR 預(yù)計(jì)，到2028年，將增長到40 Tb/s。其中，GEO HTS 和非GEO HTS 平分秋色，見圖1所示：

圖1 全球HTS帶寬供應(yīng)量增長情況

全球HTS 帶寬供應(yīng)量的增長為消費(fèi)者寬帶接入、機(jī)載通信、基站中繼、內(nèi)容投遞、海事通信、政府和企業(yè)通信等衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供了充足的帶寬保障。

2 高中低軌星座實(shí)現(xiàn)全球立體覆蓋

由于地理和經(jīng)濟(jì)等方面的原因，目前全球尚有近一半的人口未能使用互聯(lián)網(wǎng)，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)是突破數(shù)字鴻溝的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施。與此同時(shí)，迅猛發(fā)展的航空機(jī)載通信則成為互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的新領(lǐng)域，得到了衛(wèi)星運(yùn)營、互聯(lián)網(wǎng)、機(jī)載娛樂等企業(yè)的共同參與。信息網(wǎng)絡(luò)天地一體化覆蓋需要不同軌道高度和服務(wù)能力的衛(wèi)星星座來保證。其中，GEO 星座傳輸時(shí)延較長，高緯度地區(qū)覆蓋能力較弱，但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，可以定向覆蓋；LEO 星座系統(tǒng)復(fù)雜一些，但時(shí)延較短，可以實(shí)現(xiàn)全球無縫覆蓋；MEO 星座則介于前面兩者之間。

在 GEO 星座方面，Viasat-3 GEO 星座由3 顆 VHTS 構(gòu)成，機(jī)載通信將是其重要的應(yīng)用領(lǐng)域。Inmarsat-5 GEO 星座的4 顆HTS 已于2016年在軌運(yùn)行。到2023年，Inmarsat 公司將新增10顆HTS，以進(jìn)一步增強(qiáng)全球和特定區(qū)域的覆蓋能力。在國內(nèi)，香港亞太衛(wèi)星公司計(jì)劃構(gòu)建一個(gè)由3-4顆HTS 組成的GEO 星座。按照《國家民用空間基礎(chǔ)設(shè)施中長期發(fā)展規(guī)劃》，我國將分三個(gè)步驟構(gòu)建由7顆HTS 構(gòu)成的GEO 星座。

在 MEO 星座方面，2016 年，Viasat 公司向美國 FCC 提出了一個(gè)由24顆MEO 衛(wèi)星組成的星座系統(tǒng)（后來縮減為20顆），該MEO 星座有3個(gè)軌道面，它能夠與GEO 衛(wèi)星進(jìn)行中繼通信。SES 公司旗下的O3b 系統(tǒng)是目前全球惟一實(shí)現(xiàn)商用化的MEO 星座系統(tǒng)，該系統(tǒng)一期20顆衛(wèi)星已經(jīng)全部在軌運(yùn)行。2017年11月，O3b 宣布新增30顆MEO 衛(wèi)星。這30顆衛(wèi)星部分運(yùn)行于O3bN（赤道軌道），部分運(yùn)行于O3bI（傾斜軌道）。其中，22顆衛(wèi)星屬于第二代衛(wèi)星（mPOWER），采用全電推進(jìn)等先進(jìn)技術(shù)，具有靈活波束形成能力。國內(nèi)，清華大學(xué)也在開發(fā)由8顆衛(wèi)星組成的傾斜軌道MEO 星座。

LEO 星座方面，現(xiàn)有的 Iridium，Globalstar，Orbcomm 三大系統(tǒng)都已完成系統(tǒng)升級，提高了寬帶接入、AIS（船舶自動識別系統(tǒng)）、ADS-B（廣播式自動相關(guān)監(jiān)視系統(tǒng)）和遙感等綜合服務(wù)能力。此外，SpaceX，OneWeb，Telesat，leoSat，Amazon 等公司先后提出各自的LEO 星座系統(tǒng)。其中，SpaceX 公司憑借自己在衛(wèi)星制造和發(fā)射方面的一體化能力，一馬當(dāng)先。SpaceX 的Starlink LEO 星座最初計(jì)劃發(fā)射4，425顆衛(wèi)星，2018年11月增加7，518顆，合計(jì)1.2萬顆。2019年10月又增加3萬顆，總數(shù)達(dá)4.2萬顆。Starlink 星座于2019年開始建設(shè)，計(jì)劃于2020-2021年開始 服 務(wù)。2019 年 5 月 和 11 月、2020 年 1-4 月，SpaceX 公 司 先 后通過一箭多星發(fā)射七批60顆小衛(wèi)星。當(dāng)衛(wèi)星規(guī)模達(dá)到800顆時(shí)，Starlink 星座將基本具備覆蓋全球能力。為構(gòu)建天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)，我國航天、電子央企及多家民企都分別提出各自的LEO星座建設(shè)計(jì)劃，并已發(fā)射了多顆驗(yàn)證衛(wèi)星。2019年底，leoSat 宣布停止LEO 項(xiàng)目。原本與SpaceX 并駕齊驅(qū)的OneWeb 在2020年3月進(jìn)行第兩次一箭34顆衛(wèi)星發(fā)射后，宣布出現(xiàn)財(cái)務(wù)危機(jī)，進(jìn)入破產(chǎn)保護(hù)，由此可見LEO 星座市場的內(nèi)在風(fēng)險(xiǎn)性。

3 數(shù)字載荷和軟件定義賦予衛(wèi)星靈活性

傳統(tǒng)GEO 衛(wèi)星技術(shù)狀態(tài)在發(fā)射前兩三年就要凍結(jié)，在入軌后的十五年服役時(shí)間內(nèi)無法更改，這一固定模式無法適應(yīng)今天動態(tài)變化的通信市場環(huán)境。多年來，衛(wèi)星通信運(yùn)營商一直希望在軌衛(wèi)星具有相對的靈活性來適應(yīng)市場需求的變化，而基于數(shù)字載荷和軟件定義技術(shù)的靈活衛(wèi)星可根據(jù)應(yīng)用需求的變化，對衛(wèi)星的覆蓋、連接、帶寬、頻率、功率和路由等性能進(jìn)行動態(tài)調(diào)整和功能重構(gòu)。根據(jù)Euroconsult 公司的統(tǒng)計(jì)，目前，全球一半左右的HTS 衛(wèi)星帶有靈活性載荷，其中，覆蓋靈活性占35%，連接、帶寬和頻率靈活性各占15%，功率占9%。覆蓋靈活性的重要應(yīng)用形式是移動波束，它已在O3b，Inmarsat，Intelsat 等公司的HTS普遍應(yīng)用。連接靈活性的重要應(yīng)用形式是DTP（數(shù)字透明處理器），它可在不同波束之間建立連接，從而解決一般HTS 星狀結(jié)構(gòu)帶來的雙跳通信影響。這一技術(shù)在Intelsat EPIC 系統(tǒng)得到充分運(yùn)用，它無需要求用戶更換終端就可以直接接入HTS 網(wǎng)絡(luò)，從而同時(shí)給運(yùn)營商和用戶創(chuàng)造價(jià)值。帶寬靈活性的重要應(yīng)用形式是Beam Hopping（跳波束），它通過時(shí)分技術(shù)，將有限的帶寬資源在不同波束之間動態(tài)分配，從而有效解決多波束帶來的HTS 資源碎片化和不同波束之間的業(yè)務(wù)忙閑不均問題，提高HTS 帶寬資源的利用率。

Airbus，Boeing，Thales-Alenia 公司是全球主要的靈活性衛(wèi)星提供商。2019年，這三家公司分別推出了各自的靈活性衛(wèi)星：OneSat，702X 系列和 Inspire 衛(wèi)星。Airbus 公司 OneSat 贏得了Inmarsat 公司的商業(yè)合同，為Inmarsat-5 系統(tǒng)制造GX7，GX8，GX9共3顆衛(wèi)星，星上搭載的機(jī)載處理系統(tǒng)和有源天線，能夠調(diào)整覆蓋范圍、容量和頻率。Boeing 公司的702X 系列靈活性衛(wèi)星包括一個(gè)1，900 千克的GEO 平臺以及一個(gè)小型MEO 平臺。Thales-Alenia 公司的Inspire 可根據(jù)客戶需求進(jìn)行即時(shí)在軌調(diào)整，可實(shí)現(xiàn)從視頻廣播到寬帶連接服務(wù)的過渡。2019年5月10日，全球真正意義上的首顆靈活性衛(wèi)星——Eutelsat Quantum 成功完成有效載荷艙與平臺的對接。該星由Airbus 公司建造，可通過軟件定義調(diào)整覆蓋、頻率和功率。

4 小衛(wèi)星制造和多星發(fā)射降低服務(wù)成本

衛(wèi)星制造和發(fā)射是衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)的上游和基礎(chǔ)，以往花費(fèi)數(shù)年制造1顆GEO 衛(wèi)星和一箭一星發(fā)射的模式，已無法滿足衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代大規(guī)模星座建設(shè)和運(yùn)營的需要。

在小衛(wèi)星批量制造方面，OneWeb 等公司開始使用非航天級別的COTS（商業(yè)現(xiàn)貨）組件，利用3D 打印、模塊化設(shè)計(jì)、即插即用、智能裝配、大數(shù)據(jù)、機(jī)器人、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等現(xiàn)有成熟技術(shù)，采用與飛機(jī)和汽車生產(chǎn)相似的流水線組裝方式，來批量生產(chǎn)小衛(wèi)星，初期能每天生產(chǎn)1-2顆衛(wèi)星。SpaceX 公司最新發(fā)射的Starlink 小衛(wèi)星采用扁平化設(shè)計(jì)，以易于量產(chǎn)、裝載、發(fā)射；采用先進(jìn)可靠的離子推進(jìn)器，以進(jìn)一步降低成本；配備光學(xué)追蹤器，以主動探測、自動避開太空垃圾；使用到期時(shí)，可自行拆解，以實(shí)現(xiàn)100%環(huán)保。各種新技術(shù)、新工藝、新模式的應(yīng)用使得LEO小衛(wèi)星單星成本已接近100萬美元。

在一箭多星發(fā)射和火箭再利用方面，2019 年11 月11 日，SpaceX 公司用一枚四手獵鷹9火箭，將Starlink 第二批60顆衛(wèi)星送入軌道，同時(shí)首次實(shí)現(xiàn)整流罩的回收。SpaceX 公司表示，這種5型火箭被設(shè)計(jì)成“在無需例行整修的情況下”能反復(fù)使用10次，若“做適當(dāng)?shù)睦芯S護(hù)”可用100次。除了現(xiàn)役“獵鷹9號”重鷹火箭，SpaceX 公司已開始研制星艦飛船+超重鷹火箭的下一代衛(wèi)星發(fā)射系統(tǒng)，它能一次性部署數(shù)百顆小衛(wèi)星。一箭多星發(fā)射和火箭再利用使得衛(wèi)星發(fā)射成本降低了85%左右，達(dá)到每1千克質(zhì)量2，720美元的水平，這將極大推動航天運(yùn)輸和衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

5 在軌服務(wù)延長衛(wèi)星通信生命周期

衛(wèi)星通信是個(gè)重資產(chǎn)、高風(fēng)險(xiǎn)的行業(yè)。燃料耗盡、系統(tǒng)故障和碎片碰撞等因素都可能影響衛(wèi)星的壽命，進(jìn)而直接影響衛(wèi)星通信運(yùn)營商的業(yè)績和可持續(xù)發(fā)展。以價(jià)值數(shù)億美元的GEO 衛(wèi)星為例，其壽命通常為15年，當(dāng)燃料耗盡時(shí)，即便衛(wèi)星功能完好，也要做離軌操作。如果發(fā)生故障或遭遇碎片碰撞，則不得不提前終止服務(wù)。2019年4月，造價(jià)4億美元、服役僅3年的Intelsat 29e發(fā)生故障并最終解體，直接影響Intelsat 公司全年收入近5，000萬美元。在需要大規(guī)模、常態(tài)化發(fā)射LEO 衛(wèi)星的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，在軌服務(wù)將更加緊迫。值得慶幸的是，基于空間機(jī)器人和無人飛船的在軌服務(wù)的商用化有望改變這個(gè)局面。

Loral 公司的在軌服務(wù)項(xiàng)目—— RSGS，能夠在GEO 軌道上為20-30顆衛(wèi)星提供在軌維修服務(wù)。Loral 公司的無人飛船與需要維修的衛(wèi)星對接，為其補(bǔ)充燃料、修復(fù)或更換必要的組件。Airbus 公司的“太空拖船”可以將報(bào)廢衛(wèi)星推到距地面200 km左右的軌道，隨后衛(wèi)星會逐漸下降，進(jìn)入地球大氣中燃燒成灰燼。Northrop Grumman 公 司 旗下的 Space Logistics 在 2019 年 10 月 發(fā)射的MEV-1飛船與已經(jīng)在軌運(yùn)行18年Intelsat 901對接，為其提供動力，從而將其壽命延長至少5年。2020年2月25日，MEV-1同Intelsat 901對接，隨后帶著其回到了地球同步軌道弧。2020年4月2日，Intelsat 901重新開始向其客戶提供服務(wù)。MEV-1將與Intelsat 901一起服役到2025年2月28日。MEV-1總共可使用15年，之后，它將同其他衛(wèi)星對接起來，以提供同樣的服務(wù)。在未來數(shù)月，Northrop Grumman 還打算發(fā)射MEV-2，首個(gè)服務(wù)對象也將是Intelsat 公司2004年發(fā)射、設(shè)計(jì)壽命為13年的Intelsat 10-02。

日本Astroscale 公司正在開發(fā)一種交會并捕捉太空碎片與報(bào)廢衛(wèi)星的系統(tǒng)，英國薩里太空中心等也在致力于碎片減緩和清除應(yīng)用。此外，近年來，也出現(xiàn)了很多在軌服務(wù)初創(chuàng)公司。未來，在軌服務(wù)還將會從所有退役衛(wèi)星等航天器上回收可用部件，這不僅深刻改變衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代衛(wèi)星通信的運(yùn)行環(huán)境和經(jīng)營模式，而且其自身也正在形成太空經(jīng)濟(jì)中一個(gè)新的規(guī)模產(chǎn)業(yè)。NSR 預(yù)測，到2028年，在軌服務(wù)整體服務(wù)的累計(jì)收入將達(dá)到45億美元，其中延長服務(wù)占59%，搶救維修占11%，離軌占8%。

6 結(jié)束語

帶寬、覆蓋、靈活性、成本和生命周期是決定衛(wèi)星通信市場競爭力和行業(yè)發(fā)展前景的關(guān)鍵因素。前面數(shù)據(jù)表明，全球衛(wèi)星通信在以上幾個(gè)方面都取得了革命性的進(jìn)步，這為衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展注入巨大的活力，并將深刻改變衛(wèi)星通信行業(yè)的發(fā)展面貌。

近年來，我國衛(wèi)星制造、發(fā)射和應(yīng)用水平有了質(zhì)的飛躍，直播、移動、高通量等各類應(yīng)用衛(wèi)星陸續(xù)投入商業(yè)化運(yùn)營，衛(wèi)星公用平臺、重載火箭、一箭多星發(fā)射等方面都取得長足的進(jìn)步。但是，與歐美發(fā)達(dá)國家相比，我國衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)，尤其是衛(wèi)星通信服務(wù)業(yè)規(guī)模較小，其中衛(wèi)星電視直播、寬帶接入等業(yè)務(wù)產(chǎn)能尚未得到充分釋放是一個(gè)重要原因。為實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，我國不僅需要加強(qiáng)衛(wèi)星通信體制和標(biāo)準(zhǔn)、靈活載荷、軟件定義網(wǎng)絡(luò)、電調(diào)平板天線等方面的技術(shù)和應(yīng)用研究，更要深化天地融合、軍民合作以及混合所有制方面的機(jī)制體制創(chuàng)新，提升我國衛(wèi)星通信運(yùn)營商的國際化服務(wù)能力。