全球通信衛(wèi)星領(lǐng)域發(fā)展態(tài)勢(shì)研判

■張祎蓮 李博（北京空間科技信息研究所）

1 總體態(tài)勢(shì)

衛(wèi)星通信行業(yè)處于轉(zhuǎn)型陣痛期，行業(yè)收入亟待“觸底反彈’

軌道革命加速進(jìn)入新周期，新航天引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)格局變遷

提速降費(fèi)成為行業(yè)新常態(tài)，高低軌市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)愈發(fā)激烈

2 高軌態(tài)勢(shì)

高通量衛(wèi)星性能加速演進(jìn)，下一代VHTS 系統(tǒng)蓄勢(shì)待發(fā)

自2005 年“互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議星”（Ipstar）系列衛(wèi)星推出以來(lái)，高通量衛(wèi)星正式步入市場(chǎng)，基于多點(diǎn)波束、頻率復(fù)用以及高頻段通信等技術(shù)，通信衛(wèi)星容量從單星數(shù)Gbit/s 已快速演進(jìn)至數(shù)百Gbit/s。在新興衛(wèi)星的設(shè)計(jì)上，載荷的處理能力不斷增強(qiáng)，星載數(shù)字透明處理器（DTP）處理帶寬實(shí)現(xiàn)百倍增長(zhǎng)。2021年10 月24 日部署的SES-17 衛(wèi)星基于泰雷茲-阿萊尼亞空間公司（TAS）第五代DTP，處理帶寬達(dá)200GHz，配備200 個(gè)點(diǎn)波束，單條鏈路最大傳輸速率2Gbit/s，單星容量推測(cè)超過(guò)300Gbit/s。

受疫情導(dǎo)致的進(jìn)度延誤影響，最新一代甚高通量衛(wèi)星（VHTS）計(jì)劃于近兩年集中發(fā)射，2022 年將成“VHTS 元年”。2022 年9 月6 日，歐洲最大的GEO 通信衛(wèi)星“歐衛(wèi)通連通甚高通量”（Eutelsat Konnect VHTS）成功發(fā)射，單星容量約500Gbit/s；Jupiter-3（單星容量500Gbit/s）、Viasat-3（共3顆，單星容量可達(dá)到Tbit/s 級(jí)別）、O3b mPower（目前共訂購(gòu)11 顆，前7 顆總?cè)萘窟_(dá)10Tbit/s）等多顆高通量衛(wèi)星計(jì)劃于2022/2023 年入軌，預(yù)計(jì)2022 年內(nèi)GEO 入軌衛(wèi)星總?cè)萘坑型黄?Tbit/s，超過(guò)歷史入軌的GEO 衛(wèi)星容量總和（約3Tbit/s），正式開啟VHTS 時(shí)代。

此外，隨著衛(wèi)星的性能不斷增強(qiáng)，成本優(yōu)勢(shì)也更加凸顯，單位帶寬的服務(wù)成本大幅降低，根據(jù)歐洲咨詢公司預(yù)測(cè)，容量大于500Gbit/s 的VHTS 系統(tǒng)每月單位帶寬成本較早期的HTS 系統(tǒng)下降一個(gè)數(shù)量級(jí)。

衛(wèi)星靈活性引領(lǐng)技術(shù)新趨向，滿足市場(chǎng)更多元化需求

通過(guò)衛(wèi)星的靈活性設(shè)計(jì)提升資源利用效率，也成為高通量衛(wèi)星的重要性能演進(jìn)方向，主要具有如下3 點(diǎn)技術(shù)特點(diǎn)：一是可調(diào)波束，實(shí)現(xiàn)覆蓋范圍動(dòng)態(tài)優(yōu)化調(diào)整；二是數(shù)字處理，采用數(shù)字信道化器等實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接的靈活性；三是功率/頻率配置，實(shí)現(xiàn)更高效率的系統(tǒng)容量供給能力。

隨著2021 年7 月“ 歐洲量子”（Eutelsat Quantum）衛(wèi)星的成功發(fā)射，“完全軟件定義”的衛(wèi)星概念也從理論走向現(xiàn)實(shí)。目前來(lái)看，各類運(yùn)營(yíng)商均增大了對(duì)載荷靈活性的需求，根據(jù)特定應(yīng)用場(chǎng)景，靈活性設(shè)計(jì)程度不一。但從市場(chǎng)預(yù)期看，傳統(tǒng)的透明轉(zhuǎn)發(fā)衛(wèi)星將以-14.6%的年均增速快速下降，具備全靈活功能的衛(wèi)星數(shù)量將以78.2%的年均增速快速增長(zhǎng)，推測(cè)至2030 年具備靈活功能的衛(wèi)星占比將達(dá)98%。

高軌整星級(jí)軟件定義產(chǎn)品推出，沖擊產(chǎn)業(yè)發(fā)展格局

采用參數(shù)可調(diào)的單機(jī)與功能部件，有效載荷的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)和衛(wèi)星平臺(tái)的模塊化設(shè)計(jì)使得衛(wèi)星的批量化生產(chǎn)成為可能。按照固定規(guī)格批產(chǎn)高軌整星，衛(wèi)星入軌后再由用戶動(dòng)態(tài)調(diào)整配置，以此實(shí)現(xiàn)差異化任務(wù)功能。具備對(duì)需求變化快速的響應(yīng)能力、對(duì)服務(wù)應(yīng)用快速的適應(yīng)升級(jí)，拓展更多的容量租賃模式，越來(lái)越成為運(yùn)營(yíng)商之間角力的關(guān)鍵所在。

在此基礎(chǔ)上，考慮到進(jìn)一步提高衛(wèi)星的綜合性價(jià)比（容量、時(shí)間、成本效益）和可用性的發(fā)展需求，靈活的中小型GEO-HTS 衛(wèi)星開始加速進(jìn)入市場(chǎng)。3家國(guó)外主流運(yùn)營(yíng)商已提早布局，推出下一代GEO 整星級(jí)靈活通信衛(wèi)星產(chǎn)品線，如空客公司的“一星”（OneSat）系列衛(wèi)星質(zhì)量約3t，可生成數(shù)千個(gè)數(shù)字點(diǎn)波束，具備在軌100%可重構(gòu)能力，能根據(jù)用戶需求變化瞬時(shí)（毫秒級(jí)）調(diào)整容量分配策略，為熱點(diǎn)目標(biāo)區(qū)域集中提供數(shù)Gbit/s 的容量；泰雷茲-阿萊尼亞空間公司的“太空靈感”（Space Inspire）系列衛(wèi)星質(zhì)量約2t，同樣具備在軌靈活重構(gòu)能力，使用第六代DTP，單星容量100～200Gbit/s；波音公司基于O3b mPower 衛(wèi)星推出的BSS-702X 平臺(tái)也可適用于GEO 衛(wèi)星，單星質(zhì)量約1.9t，采用電子掃描相控陣天線，支持生成超過(guò)4000 個(gè)數(shù)字點(diǎn)波束，波束形狀、位置同樣均可變可調(diào)。

高軌衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展出現(xiàn)分水嶺，極致性能與高性價(jià)比呈兩種發(fā)展趨勢(shì)

為了進(jìn)一步追求單星性能極致，具備超大容量、精細(xì)設(shè)計(jì)和嚴(yán)格測(cè)試要求的通信衛(wèi)星成為了行業(yè)的發(fā)展方向之一，引導(dǎo)GEO 通信衛(wèi)星“越做越大”。國(guó)際移動(dòng)衛(wèi)星公司規(guī)劃的第六代Inmarsat-6 系統(tǒng)是“全球有史以來(lái)設(shè)計(jì)最精細(xì)、制造最精巧、測(cè)試最復(fù)雜的通信衛(wèi)星”，星上載有L 頻段（支持ELERA服務(wù)）和Ka 頻段（支持Global Xpress 服務(wù)）雙載荷，單星容量比整個(gè)Inmarsat-4 在軌系統(tǒng)容量還超過(guò)50%，首顆衛(wèi)星已于2021 年12 月22 日發(fā)射。

與之相對(duì)應(yīng)的是，以高性價(jià)比為牽引，聚焦夠用的容量、快速的設(shè)計(jì)、優(yōu)化的測(cè)試，同樣促成了GEO 衛(wèi)星的另一種發(fā)展趨勢(shì)——小型化趨勢(shì)。除了上文提到的3 家主流運(yùn)營(yíng)商的GEO 整星級(jí)靈活產(chǎn)品線，多家初創(chuàng)公司也以小型GEO 通信衛(wèi)星為市場(chǎng)切入點(diǎn)，意圖瞄準(zhǔn)對(duì)覆蓋范圍和性能要求較低的新興地區(qū)用戶，填補(bǔ)頻率、容量等資源需求空隙，降低市場(chǎng)準(zhǔn)入門檻。如阿斯特拉尼斯（Astranis）公司推出了“微型靜止軌道衛(wèi)星”（MicroGEO），單星質(zhì)量300～400kg，容量10Gbit/s，功率2kW；土星衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)公司（SSN/Saturn）也推出了“國(guó)家星”（Nationsat），單星質(zhì)量600～1700kg，容量20～80Gbit/s，功率2.5kW。

3 低軌態(tài)勢(shì)

低軌競(jìng)爭(zhēng)激化、格局復(fù)雜，兩大星座引領(lǐng)建設(shè)

2019 年以來(lái)，低軌商業(yè)通信星座的部署邁入高峰期，國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)形勢(shì)愈發(fā)復(fù)雜，美、俄、歐、中、加、日、印加速入場(chǎng)布局，除美、俄、中、加為本國(guó)獨(dú)自發(fā)展之外，其他均為多國(guó)聯(lián)合投資建設(shè)。值得關(guān)注的是，俄羅斯“球體”（Sfera）星座、歐盟主權(quán)寬帶衛(wèi)星星座、日本“空間集成計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)”等系統(tǒng)在規(guī)劃中采用混合方案，納入高/中/低軌多功能衛(wèi)星，Inmarsat、歐洲衛(wèi)星公司（SES）、加拿大電信衛(wèi)星公司（Telesat）等運(yùn)營(yíng)商也規(guī)劃了多軌星座融合方案，意圖最大化復(fù)用資產(chǎn)，構(gòu)建立體化網(wǎng)絡(luò)。

現(xiàn)有的低軌星座以“星鏈”“一網(wǎng)”兩大系統(tǒng)為引領(lǐng)，“群雄逐鹿”搶占市場(chǎng)先發(fā)位置和頻軌資源的態(tài)勢(shì)凸顯。目前，“星鏈”“一網(wǎng)”已事實(shí)性占據(jù)Ku 頻段資源；Ka 頻段中軌O3b 系統(tǒng)優(yōu)先，“光速”（Lightspeed）星座縮減規(guī)模，推遲建設(shè)；Q/V 頻段儲(chǔ)備階段，存在較大可利用空間。

典型星座分析：“星鏈”占據(jù)事實(shí)性優(yōu)勢(shì)地位

（1）星座研產(chǎn)與進(jìn)度預(yù)期分析

“星鏈”星座建設(shè)步伐已實(shí)質(zhì)性領(lǐng)先全球，發(fā)射頻次從2019 年的1 年2 發(fā)，快速增長(zhǎng)至2022 年的平均每周（約6.2 天）1 發(fā)，2022 年5 月實(shí)現(xiàn)峰值5天3 發(fā)。

“星鏈”系統(tǒng)目前共規(guī)劃2 期3 階段，現(xiàn)今仍在推進(jìn)第一期一階段星座建設(shè)工作，已于2021 年完成550km 殼層1 的部署，截至2022 年10 月22 日，累計(jì)部署3505 顆衛(wèi)星，在軌3229 顆，其中到達(dá)預(yù)定軌道并正常工作的衛(wèi)星數(shù)量為2731 顆。2022 年2 月，美國(guó)太空探索技術(shù)公司（SpaceX）官方聲明指出其工廠交付速度已突破45 顆/周，按此進(jìn)度計(jì)算預(yù)計(jì)能夠按期完成第一期1.2 萬(wàn)顆衛(wèi)星的里程碑節(jié)點(diǎn)。

（2）設(shè)計(jì)方案與衛(wèi)星能力加快迭代演進(jìn)

“星鏈”星座的建設(shè)思路是前期放開試錯(cuò)空間（以部分質(zhì)量損失換效率/成本），大量采用商業(yè)現(xiàn)貨（COTS）器件、密集實(shí)現(xiàn)單月N 發(fā)，整流罩空間用到極限，“多、快、夠”地建設(shè)星座，以期在第一時(shí)間搶市場(chǎng)?！靶擎湣毙l(wèi)星設(shè)計(jì)歷經(jīng)3 次重大方案修改，體現(xiàn)出“邊建、邊試、邊用、邊優(yōu)化”的螺旋迭代創(chuàng)新建設(shè)思路?！靶擎湣蹦壳暗膙1.5 型衛(wèi)星單星尺寸3.1m×1.5m×0.25m，質(zhì)量約290kg，容量約20Gbit/s；“星鏈”v2.0 衛(wèi)星則將實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)的通信能力，單星長(zhǎng)度（太陽(yáng)翼未展開）約7m，質(zhì)量1～1.25t，容量約200Gbit/s。

“星鏈”星座規(guī)劃情況

2022 年8 月19 日，SpaceX 公司宣布重新將獵鷹-9 納入“星鏈”v2.0 發(fā)射計(jì)劃，“星鏈”v2.0 衛(wèi)星將使用“星艦”（Starship）和獵鷹—9（Falcon-9）火箭混合發(fā)射。其中，對(duì)于LEO 軌道而言，“星艦”運(yùn)力超100t，衛(wèi)星在發(fā)射后幾周就能投入運(yùn)營(yíng)；獵鷹-9 火箭運(yùn)力則為23t，衛(wèi)星在發(fā)射后幾個(gè)月才能投入運(yùn)營(yíng)。對(duì)“星艦”發(fā)射方式進(jìn)行估算，單次發(fā)射可部署80～100 顆“星鏈”v2.0 衛(wèi)星，但考慮實(shí)際整流罩內(nèi)空間，按照單星收攏尺寸7m×1.5m×0.3m，并排2 顆推算，能夠支持約52～60 顆衛(wèi)星，而官方視頻則顯示54 顆，照此進(jìn)度推算，30000 顆“星鏈”二期衛(wèi)星（如果獲批）需要556 發(fā)“星艦”任務(wù)才能打完。

（3）加快全球市場(chǎng)拓展和新業(yè)務(wù)布局

地面系統(tǒng)方面，現(xiàn)階段“星鏈”衛(wèi)星尚未實(shí)際開啟星間鏈路功能，必須依靠全球地面段信關(guān)站網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)星上業(yè)務(wù)流、數(shù)據(jù)流與地面網(wǎng)轉(zhuǎn)接。目前，“星鏈”系統(tǒng)已在全球建設(shè)158 個(gè)地面信關(guān)站（以美歐地區(qū)為主），并與微軟和谷歌開展地面云服務(wù)合作。

市場(chǎng)推廣方面，“星鏈”已在全球超36 個(gè)國(guó)家/地區(qū)提供服務(wù)，實(shí)際用戶規(guī)模超50 萬(wàn)，亞太地區(qū)正在加緊布局，計(jì)劃2023 年起在全球大部分地區(qū)啟動(dòng)服務(wù)。

業(yè)務(wù)拓展方面，2022 年6 月30 日，SpaceX公司獲得了FCC 的許可，可以在移動(dòng)工具（包括船只、飛機(jī)和車輛等）上提供“星鏈”服務(wù)。目前，SpaceX 公司已發(fā)布了“海事星鏈”（Starlink Maritime）服務(wù)，將向皇家加勒比集團(tuán)提供服務(wù)，并推出“扁平高性能”海事終端；機(jī)載服務(wù)方面，SpaceX 公司也已與JSX、夏威夷航空公司等用戶達(dá)成合作協(xié)議?！靶擎湣睒I(yè)務(wù)的快速拓展可能會(huì)對(duì)現(xiàn)有的市場(chǎng)主導(dǎo)者（O3b、Inmarsat 等）構(gòu)成一定的威脅。

星間組網(wǎng)優(yōu)勢(shì)需理性看待

作為推動(dòng)空間組網(wǎng)優(yōu)化的關(guān)鍵技術(shù)，激光星間鏈路（OISL）雖非商業(yè)系統(tǒng)的必選項(xiàng)，但目前來(lái)看，“星鏈”v1.5 衛(wèi)星已規(guī)模化部署4 部激光通信終端（OCT，應(yīng)為SpaceX 公司自研終端），“一網(wǎng)”二代、Telesat 公司“光速”、亞馬遜公司“柯伊伯”（Kuiper）系統(tǒng)也計(jì)劃配置相應(yīng)能力，10Gbit/s 星間傳輸能力成為標(biāo)配，遠(yuǎn)景目標(biāo)將達(dá)到100Gbit/s。然而，對(duì)于寬帶星座而言，星間鏈路傳輸帶寬（10Gbit/s）低于星地用戶鏈路（如“星鏈”容量已達(dá)20Gbit/s），容易出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)堵塞，且異軌道面穩(wěn)定星間鏈路技術(shù)難度較大，有待進(jìn)一步發(fā)展；同時(shí)，主流終端單部?jī)r(jià)格約50 萬(wàn)美元，若單星部署2～4 部，一期星座將共計(jì)部署上萬(wàn)部星間鏈路終端，成本問(wèn)題仍有待進(jìn)一步評(píng)估。

拓展應(yīng)用服務(wù)模式，沖擊軍事航天系統(tǒng)理念、形態(tài)與途徑

新興低軌星座的快速發(fā)展，誘發(fā)了美軍未來(lái)航天裝備體系新的轉(zhuǎn)變，多功能、多屬性集成式新體系架構(gòu)，正處于快速探索、試驗(yàn)階段。2018 年，美國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）發(fā)起了“黑杰克”（Blackjack）低軌多功能演示驗(yàn)證系統(tǒng)；2019 年，美國(guó)太空發(fā)展局（SDA）提出下一代“國(guó)防太空體系”（又稱“七層體系”，NDSA），低軌傳輸層系統(tǒng)將作為體系基底層，提供全球持續(xù)低時(shí)延數(shù)據(jù)通信傳輸，2022 年啟動(dòng)0 階段工作星部署；2021 年底，美天軍啟動(dòng)“混合太空架構(gòu)”論證，融合軍民商盟衛(wèi)星系統(tǒng)，以獲取更多的容量、靈活度和彈性。

總結(jié)分析來(lái)看，商業(yè)低軌星座可以在部署效率、建設(shè)成本、應(yīng)用類型、安全防護(hù)能力等多方面對(duì)軍民航天領(lǐng)域產(chǎn)生沖擊，將通過(guò)五種服務(wù)模式支撐軍事應(yīng)用：一是直接采購(gòu)商業(yè)服務(wù)“為軍所用”，成為國(guó)家綜合基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成，提升天基信息支持作戰(zhàn)應(yīng)用的效能；二是提供多類功能搭載服務(wù)，實(shí)現(xiàn)一星靈活應(yīng)用，推動(dòng)快速構(gòu)建多功能的衛(wèi)星系統(tǒng)；三是共享研制資源，在工程研制層面（商業(yè)平臺(tái)、生產(chǎn)線、供應(yīng)鏈）充分借鑒商業(yè)星座成果，加快軍事航天能力生成速度；四是天基互聯(lián)組網(wǎng)，通過(guò)統(tǒng)一接口標(biāo)準(zhǔn)，提升軍商系統(tǒng)的多樣化連接傳輸能力，為關(guān)鍵、海量軍事數(shù)據(jù)提供補(bǔ)充信息傳輸通道；五是云端高效協(xié)同，在異構(gòu)互聯(lián)組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)天基資源的整合基礎(chǔ)上，開發(fā)太空資源的協(xié)同調(diào)用機(jī)制和操控系統(tǒng)，打造未來(lái)智能太空云體系。

4 結(jié)語(yǔ)

總體來(lái)看，隨著全球范圍內(nèi)高速、持續(xù)、全覆蓋通信需求的不斷增長(zhǎng)，應(yīng)用市場(chǎng)的不斷開拓，行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)愈發(fā)激烈，通信衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)正在形成新的格局：高軌衛(wèi)星進(jìn)一步向高通量、高靈活性轉(zhuǎn)型，低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)成發(fā)展熱點(diǎn)，在技術(shù)迭代、批量部署、應(yīng)用服務(wù)等方面展現(xiàn)出諸多顛覆性特點(diǎn)。未來(lái)，通信衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)仍會(huì)呈現(xiàn)快速發(fā)展的趨勢(shì)，將與地面通信技術(shù)的換代升級(jí)深度耦合交織，共同推動(dòng)信息網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施邁向新的時(shí)代。