衛(wèi)星應(yīng)用服務(wù)發(fā)展推動磁性材料器件應(yīng)用

翁興園

1 衛(wèi)星應(yīng)用服務(wù)發(fā)展現(xiàn)狀

目前，中國已先后發(fā)射了400多顆衛(wèi)星，超過200顆在軌運行。目前，小衛(wèi)星代替大衛(wèi)星、遠軌衛(wèi)星向中軌衛(wèi)星和低軌衛(wèi)星方向發(fā)展，已經(jīng)成為航天領(lǐng)域的未來趨勢。

按照質(zhì)量大小來分，衛(wèi)星分為：大衛(wèi)星、中型衛(wèi)星、小衛(wèi)星。其中，小衛(wèi)星包括：小型衛(wèi)星、微小衛(wèi)星、納衛(wèi)星、皮衛(wèi)星、飛衛(wèi)星。

2018年底中國鴻雁星座首發(fā)星的成功發(fā)射，標志著中國低軌寬帶星座建設(shè)大幕的揭開了。民營企業(yè)銀河航天2020年1月也完成了首星的發(fā)射，首次在國內(nèi)開展了Q/V/Ka頻段通信的相關(guān)驗證工作。

2020年商業(yè)航天產(chǎn)業(yè)界持續(xù)發(fā)力，加快推動中國低軌寬帶星座的建設(shè)工作。2020年6月23日，中國在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心于成功發(fā)射了北斗三號最后一顆全球組網(wǎng)衛(wèi)星——北斗系統(tǒng)第55顆導(dǎo)航衛(wèi)星，比原計劃提前了半年，全面完成了北斗三號全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)星座的部署。

衛(wèi)星制造是衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)鏈行業(yè)的最上游，通常首先由具有衛(wèi)星物權(quán)的企業(yè)向衛(wèi)星整星的設(shè)計制造廠商提出具體要求，由其向衛(wèi)星零部件廠商采購配件，然后進行生產(chǎn)組裝，最后交付完整的衛(wèi)星產(chǎn)品。最后，完整的衛(wèi)星產(chǎn)品通過火箭搭載，由發(fā)射服務(wù)商將衛(wèi)星運送至預(yù)定的軌道運行。

衛(wèi)星運營和地面設(shè)備制造環(huán)節(jié)是衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)鏈的中游，地面設(shè)備，主要包括對衛(wèi)星跟蹤、遙測及對指令的地面測控和監(jiān)測系統(tǒng)，以及各用戶終端。衛(wèi)星運營商需要對在軌衛(wèi)星進行全天候?qū)崟r監(jiān)測，并對地面空間段設(shè)備進行日常維護，以滿足下游用戶需要，為下游行業(yè)客戶提供各類型的衛(wèi)星服務(wù)。

衛(wèi)星下游應(yīng)用服務(wù)主要分為3大類：通信、導(dǎo)航和遙感。具體應(yīng)用服務(wù)含蓋衛(wèi)星電視的直播、衛(wèi)星的音頻廣播、衛(wèi)星的寬帶、衛(wèi)星的固定通信業(yè)務(wù)、衛(wèi)星的移動通信業(yè)務(wù)及對地觀測業(yè)務(wù)。其中，衛(wèi)星通信是重要的應(yīng)用場景，主要涉及衛(wèi)星電話、衛(wèi)星廣播電視、衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用等。

根據(jù)統(tǒng)計，近10年來，全球衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)總收入呈現(xiàn)增長態(tài)勢。衛(wèi)星運營服務(wù)占據(jù)衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)鏈的絕大多數(shù)產(chǎn)值。

根據(jù)統(tǒng)計，衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)的市場規(guī)模從2007年1 229億美元到2018年2 774億美元，復(fù)合增速達7.68%。2018年整個全球商業(yè)航天市場規(guī)模達到3 600億美元，其中衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)鏈占比約77%，高達2 774億美元，其他非衛(wèi)星的航天產(chǎn)業(yè)占比 23%。2018年，在衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)中，衛(wèi)星運營服務(wù)業(yè)規(guī)模達到1 265億美元，占全產(chǎn)業(yè)35.14%，而其中，衛(wèi)星通信收入占衛(wèi)星服務(wù)業(yè)收入比例高達98.34%。由此可見，衛(wèi)星服務(wù)業(yè)發(fā)展之快和市場規(guī)模之大。

和國外相比，中國的衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)在衛(wèi)星研制和發(fā)射領(lǐng)域競爭力比較強，企業(yè)實力較為突出；但在衛(wèi)星用電子元器件、衛(wèi)星終端產(chǎn)品、衛(wèi)星應(yīng)用系統(tǒng)和衛(wèi)星運營服務(wù)等方面，中國的企業(yè)規(guī)?？傮w偏小，整體實力還較弱。

1.1 衛(wèi)星通訊服務(wù)

衛(wèi)星的通信系統(tǒng)分為空間段和地面段，由以下部分組成：空間衛(wèi)星、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)控制中心站、衛(wèi)星地面關(guān)口站和移動終端站。

衛(wèi)星空間段：是整個通信系統(tǒng)的核心組成部分，主要功能包括對空間軌道中運行的通信衛(wèi)星和對衛(wèi)星進行跟蹤、遙測及指令的地面測控和監(jiān)測系統(tǒng)。

衛(wèi)星地面段：以用戶主站為主體，分別包括用戶終端及其與用戶主站連接的“陸地鏈路”以及用戶主站與“陸地鏈路”相匹配的接口。

隨著通信技術(shù)發(fā)展和未來應(yīng)用需要，衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)將融合導(dǎo)航增強、多樣化遙感，實現(xiàn)通、導(dǎo)、遙的信息一體化，可同時支持衛(wèi)星移動通信、物聯(lián)網(wǎng)、熱點信息廣播、導(dǎo)航增強、航空監(jiān)視等服務(wù)，而低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)為實現(xiàn)5G真正的泛在連接提供了機會。

衛(wèi)星電視是利用地球同步衛(wèi)星將數(shù)字編碼壓縮的電視信號，進行遠距離傳輸?shù)囊环N廣播電視形式。目前，衛(wèi)星廣播電視應(yīng)用成熟，高清節(jié)目上星持續(xù)驅(qū)動衛(wèi)星應(yīng)用行業(yè)增長，衛(wèi)星廣播電視遠距離傳輸包括主要的2種方式：①將數(shù)字電視信號傳送到有線電視前端，然后再由有線電視臺轉(zhuǎn)換成模擬電視傳送到用戶家中；②利用衛(wèi)星天線（鍋）直接接受數(shù)字電視信號。

為了實現(xiàn)電視節(jié)目在全國甚至更大范圍的播放，目前全球各大電視臺租用同步軌道衛(wèi)星的轉(zhuǎn)發(fā)器成為主流。用戶向運營商租用衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器，實現(xiàn)廣播電視內(nèi)容的轉(zhuǎn)發(fā)。各大廣播電臺也成為衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)的重要下游應(yīng)用主體，今后，在很長一段時間，電視節(jié)目上星成為衛(wèi)星通信行業(yè)增長的驅(qū)動因素。

隨著廣播電視數(shù)字化的發(fā)展和人們生活質(zhì)量的提高，人們越來越關(guān)注電視圖像質(zhì)量，圖像清晰度逐漸從標清向高清、超高清（4K），甚至8K發(fā)展。目前，高清節(jié)目基本成為行業(yè)主流。預(yù)計一兩年內(nèi)將完成全國的高清衛(wèi)視覆蓋，很快我國將邁入全國高清衛(wèi)視時代。

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)使用高通量衛(wèi)星，以實現(xiàn)高帶寬、低時延和寬帶覆蓋。目前，我國低軌天基互聯(lián)網(wǎng)項目已全面啟動。中國航天科工集團、中國航天科技集團先后推出了“虹云工程”“行云工程”和“鴻雁星座”。其中“鴻雁”和“虹云”均已于2018年12月發(fā)射首顆試驗星，相比國外進度基本位于同一起跑線上。

中圓地球軌道衛(wèi)星是北斗三號全球系統(tǒng)星座的主力衛(wèi)星，主要實現(xiàn)為全球用戶提供導(dǎo)航、定位和授時服務(wù)，除此以外，還提供全球短報文通信、國際搜救等特色服務(wù)。

早在北斗三號全球系統(tǒng)核心星座部署完成之前一年，我國北斗三號就完成了35顆星組網(wǎng)，并正式向全球提供服務(wù)。相比于之前規(guī)劃的2020年，時間上提前2年。隨著北斗三號中圓地球軌道衛(wèi)星全部發(fā)射完畢，無疑將進一步提升北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的服務(wù)性能和用戶體驗。

預(yù)計，到2022年，虹云星座、鴻雁星座、銀河航天星座將完成階段性部署或完成整個星座建設(shè)，屆時，中國衛(wèi)星通信市場將會迎來爆發(fā)式的增長。

未來，衛(wèi)星通信朝寬帶化、個體化、移動化、無縫覆蓋方向發(fā)展，衛(wèi)星通信發(fā)展軌跡基本上是從軍用走向民用，從高軌走向低軌。

1.2 衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)

2014—2018年期間，中國衛(wèi)星導(dǎo)航與位置服務(wù)產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值的年復(fù)合增長率約為17.56%。

2013年國務(wù)院辦公廳發(fā)布的《國家衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)中長期發(fā)展規(guī)劃》，我國將衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)規(guī)模年超過4 000億元設(shè)定為2020年發(fā)展目標。

統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2018年中國衛(wèi)星導(dǎo)航與位置服務(wù)產(chǎn)業(yè)總體產(chǎn)值超過3 000億元。隨著中國衛(wèi)星導(dǎo)航與位置服務(wù)產(chǎn)業(yè)進一步發(fā)展，年產(chǎn)值持續(xù)增長。根據(jù)中國衛(wèi)星導(dǎo)航定位協(xié)會2019年發(fā)布的《中國衛(wèi)星導(dǎo)航與位置服務(wù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展白皮書》，全國2018年衛(wèi)星導(dǎo)航與位置服務(wù)產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值達到3 016億元。保守預(yù)計未來2年年復(fù)合增長率為15.16%。

根據(jù)有關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2019年，我國衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值規(guī)模已超3 600億元，預(yù)計到2020年產(chǎn)值將超4 360億元，與2013年國務(wù)院辦公廳發(fā)布的目標基本吻合。

從全球今后導(dǎo)航與位置服務(wù)發(fā)展目標來看，全空間信息平臺和系統(tǒng)成為重大需求。

1.3 衛(wèi)星遙感服務(wù)

自20世紀60年代興起的一種探測技術(shù)——衛(wèi)星遙感技術(shù)，原理是利用電磁波的理論，利用由許多的遙感儀器（例如多光譜掃描儀、紅外輻射計、紅外探測器等），對遠距離目標所輻射和反射的電磁波信息，進行信息的收集、處理，并最后處理成像，從而對地面各種場景事物進行探測和識別的一種綜合感知技術(shù)。

衛(wèi)星遙感技術(shù)衛(wèi)星遙感企業(yè)的產(chǎn)品和服務(wù)包括提供遙感衛(wèi)星圖像和以遙感圖像為基礎(chǔ)的圖像分析。

我國從20世紀70年代起開始從事空間遙感與應(yīng)用研究，與發(fā)達國家相比落后20年以上。近年來，印度在遙感平臺和微波遙感技術(shù)方面都比我國發(fā)展快，使我國面臨嚴峻的挑戰(zhàn)。

2 磁性材料與器件產(chǎn)業(yè)與衛(wèi)星服務(wù)相關(guān)的重要市場機會

2.1 衛(wèi)星通訊與服務(wù)領(lǐng)域涉及到的永磁材料器件應(yīng)用

衛(wèi)星通訊與服務(wù)領(lǐng)域除了地面部分設(shè)施用到永磁鐵體，天上部分主要以稀土永磁為主，主要用在衛(wèi)星通訊行波管、環(huán)行器中以及微型電機、微型錄音機、航空儀器、電子手表、地震儀和其它一些電子儀器上，以及用于衛(wèi)星的磁力軸承，磁力軸承有水平和垂直兩種，衛(wèi)星一般在真空環(huán)境下工作，在真空條件下，機械軸承面臨嚴重的潤滑、磨損和阻力能耗問題，它決定了人造衛(wèi)星的壽命，而磁性軸承沒有摩擦，不需要潤滑，因而可長期使用。

稀土永磁電機在衛(wèi)星中應(yīng)用較多，高溫場合以釤鈷永磁為主，主要有：導(dǎo)航系統(tǒng)、離子推進器（圖1）、行波管、宇航陀螺、動量飛輪、衛(wèi)星儲能飛輪、衛(wèi)星天線展開機構(gòu)、衛(wèi)星天線伺服跟蹤系統(tǒng)、掃描及成像系統(tǒng)、衛(wèi)星作動器及姿態(tài)控制系統(tǒng)、航天器交會對接機構(gòu)、電磁阻尼器、致動器，以及衛(wèi)星太陽電池陣展開機構(gòu)、伺服機構(gòu)等等。

具體應(yīng)用案例如：

①在衛(wèi)星和深空探測器上逐漸應(yīng)用的電磁推進發(fā)動機，需要產(chǎn)生和形成磁場，使用了稀土永磁材料；

②風(fēng)云二號氣象衛(wèi)星的太陽光源測試伺服系統(tǒng)，為了滿足超強的控制精度，使用了稀土永磁電機，系統(tǒng)正常運行5年多，而誤差僅為1s；

③風(fēng)云三號氣象衛(wèi)星太陽電池陣展開機構(gòu)，使用了釤鈷稀土永磁有刷直流電動機；

④在北斗導(dǎo)航衛(wèi)星的天線展開機構(gòu)上，使用了釹鐵硼稀土永磁有刷直流電機作動力；

⑤為了形成均勻磁場，衛(wèi)星上用于探測宇宙中奇異物質(zhì)的阿爾法磁譜儀上，其中的魔環(huán)結(jié)構(gòu)，使用了釹鐵硼稀土永磁材料；

⑥衛(wèi)星上為了將機械能轉(zhuǎn)換為電信號，用于監(jiān)測工作狀態(tài)的很多傳感器也使用了稀土永磁材料來；

⑦為實現(xiàn)精密位移、精確定位和降噪減震等功能，某些衛(wèi)星載荷上高響應(yīng)速度、高控制精度的致動器或微型馬達，使用了稀土超磁致伸縮材料，多數(shù)應(yīng)用在衛(wèi)星的光學(xué)觀測設(shè)備上。

2.2 衛(wèi)星通訊與服務(wù)領(lǐng)域涉及到的軟磁材料器件應(yīng)用

衛(wèi)星通訊與服務(wù)領(lǐng)域涉只要是有電源，電流電壓和電磁波信號轉(zhuǎn)輸、變換、吸收、隔離、濾波，抗電磁干擾的大大小小場所，都需要用到軟磁材料與器件，以電感和電子變壓器為最多。

此外，涉及地面網(wǎng)絡(luò)信息平臺、衛(wèi)星電話、機頂盒、衛(wèi)星高清電視、衛(wèi)星地面網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、探測傳感儀器、戶外盒子、定位器、智能手表手環(huán)等相關(guān)產(chǎn)品中也用到大量軟磁性材料器件。

通訊衛(wèi)星和地面服務(wù)的信息處理單元對衛(wèi)星通訊與服務(wù)有著非常重要的作用，包括信息采集、傳遞、儲存、加工和處理等各個方面，需要各種各樣的磁性傳感器、具有旋磁特性的微波鐵氧體器件、磁性存儲器。

而在信息的加工和處理過程中，計算機、掃描儀、復(fù)印機等設(shè)備都離不開各類永磁馬達或其他驅(qū)動裝置；在信息加工和處理過程中離不開由軟磁性材料制作的各種電感器，扼流圈和變壓器。

2.3 衛(wèi)星通訊與服務(wù)領(lǐng)域涉及到微波鐵氧體材料與器件應(yīng)用

衛(wèi)星通訊與服務(wù)領(lǐng)域需要使用大量微波鐵氧體器件，如中環(huán)行器、隔離器、開關(guān)、轉(zhuǎn)發(fā)器、移相器、雙工器、濾波器、藕合器等。

為了確保衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)范圍及通信容量得到更好的擴大，就要在衛(wèi)星通信系統(tǒng)設(shè)計建造過程中，加大與微波磁性器件的有效融合，如：隔離器、環(huán)行器、開關(guān)等微波鐵氧體器件等。在選擇時，可以根據(jù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的大中小功率以及低損耗、高隔離、寬頻帶等要求合理進行選擇，并按照波導(dǎo)、同軸、帶線、微帶和表面安裝等形式進行應(yīng)用。

衛(wèi)星通訊相控陣技術(shù)中有源相控陣即在每個天線單元通道中設(shè)置TR組件，其典型的特征就是在每個天線單元發(fā)射通道中集成了功率放大器和在每個天線單元接收通道中集成了低噪聲放大器，TR組件其一般包含接收和發(fā)射2個通道，集成了射頻切換開關(guān)、功率放大器、低噪聲放大器、移相器、衰減器、限幅器等功能部件。

3 結(jié)語

現(xiàn)代社會無論科技、軍事，工業(yè)和消費，人們生活的方方面面都離不開衛(wèi)星和衛(wèi)星服務(wù)，隨著全球衛(wèi)星發(fā)射技術(shù)的發(fā)展和衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量的快速增長，與之相應(yīng)的磁性材料器件應(yīng)用將會持續(xù)增長。國內(nèi)商業(yè)小衛(wèi)星發(fā)射需求在未來5～10年內(nèi)呈指數(shù)級增長，保守估計超過4 000顆，商業(yè)衛(wèi)星制造的需求呈爆炸式增長。總體來看，無論永磁材料還是軟磁材料及其他磁性材料與器件，衛(wèi)星通訊與服務(wù)領(lǐng)域?qū)Ω咝阅?、高穩(wěn)定、高可靠和高的環(huán)境適應(yīng)性要求越來越高，部分磁性材料器件規(guī)格品種多，數(shù)量不大，但價格可觀，器件小型化、片式化、集成化，產(chǎn)品定制化將是未來發(fā)展趨勢。

10.19599/j.issn.1008-892x.2021.01.013