改變衛星通信行業面貌的幾個發展趨勢

沈永言

（中國衛通集團股份有限公司，北京 100094）

0 引言

近年來，在航天和信息技術以及商業力量的推動下，全球衛星通信行業進入了以HTS（高通量衛星）和NGSO（非靜止軌道）星座為代表的衛星互聯網發展階段。衛星互聯網是人類活動從陸地向海洋和太空擴展的必然結果、5G 萬物互聯和隨遇接入愿景實現的必然要求。在信息網絡天地一體化時代，衛星互聯網在信息網絡安全、航空海事通信、普遍服務、軍事通信、應急指揮等各個方面都具有重要的保障作用，進而成為全球航天產業領域的發展熱點、移動互聯網之后又一個新的經濟增長點。當前，我國正在大力發展衛星互聯網，把握衛星通信行業的發展趨勢，對于我國天地一體化信息網絡建設和衛星通信的產業升級和規?；l展都具有重要的現實意義。

1 多點波束和高頻段釋放帶寬潛能

帶寬是衡量所有信息網絡性能的最基本指標。目前，全球主要衛星制造和運營商都在積極發展基于多點波束和頻分復用技術的HTS，以擴大衛星互聯網容量。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，當下應用較多的是GEO HTS，其次是MEO HTS，LEO HTS 則正在建設之中。

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，它們的容量分別達到300和220 Gb/s。在建的Viasat-3、Jupiter-3的容量將分別達到1 Tb/s 和500 Gb/s，Eutelsat 公司的“KONNECT VHTS”的容量也達500 Gb/s，這三個VHTS（超級HTS）都將在2021 年發射。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絡的服務能力和資費水平。與發達國家相比，我國HTS 發展稍顯落后，但也在奮力追趕之中。中國衛通首顆容量20 Gb/s 的HTS 中星16已于2017年4月發射，目前開始進入商業運營，容量達100 Gb/s 的中星26號HTS 正在建設之中。

高頻段是多點波束空分復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 頻段已經開始商用。2016 年3 月，Eutelsat 率先使用 Q 頻段。SpaceX，O3b，Boeing，Amazon 以及國內的相關企業的星座系統都有V 頻段的使用計劃，而歐美等國已開始進行頻率更高的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。SpaceX，Telesat 以及國內等相關公司都提出了衛星光通信計劃。我國2019年底發射的實踐二十號衛星成功了完成Q/V 頻段和激光通信搭載驗證，星地通信激光傳輸速達到10 Gb/s。

多點波束空分復用和高頻段傳輸的綜合應用充分釋放衛星互聯網的帶寬潛能。目前，全球HTS 總帶寬供應量不到4 Tb/s，NSR 預計，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帶寬供應量增長情況

全球HTS 帶寬供應量的增長為消費者寬帶接入、機載通信、基站中繼、內容投遞、海事通信、政府和企業通信等衛星互聯網應用提供了充足的帶寬保障。

2 高中低軌星座實現全球立體覆蓋

由于地理和經濟等方面的原因，目前全球尚有近一半的人口未能使用互聯網，衛星互聯網是突破數字鴻溝的關鍵基礎設施。與此同時，迅猛發展的航空機載通信則成為互聯網應用的新領域，得到了衛星運營、互聯網、機載娛樂等企業的共同參與。信息網絡天地一體化覆蓋需要不同軌道高度和服務能力的衛星星座來保證。其中，GEO 星座傳輸時延較長，高緯度地區覆蓋能力較弱，但系統結構簡單，可以定向覆蓋；LEO 星座系統復雜一些，但時延較短，可以實現全球無縫覆蓋；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 構成，機載通信將是其重要的應用領域。Inmarsat-5 GEO 星座的4 顆HTS 已于2016年在軌運行。到2023年，Inmarsat 公司將新增10顆HTS，以進一步增強全球和特定區域的覆蓋能力。在國內，香港亞太衛星公司計劃構建一個由3-4顆HTS 組成的GEO 星座。按照《國家民用空間基礎設施中長期發展規劃》，我國將分三個步驟構建由7顆HTS 構成的GEO 星座。

在 MEO 星座方面，2016 年，Viasat 公司向美國 FCC 提出了一個由24顆MEO 衛星組成的星座系統（后來縮減為20顆），該MEO 星座有3個軌道面，它能夠與GEO 衛星進行中繼通信。SES 公司旗下的O3b 系統是目前全球惟一實現商用化的MEO 星座系統，該系統一期20顆衛星已經全部在軌運行。2017年11月，O3b 宣布新增30顆MEO 衛星。這30顆衛星部分運行于O3bN（赤道軌道），部分運行于O3bI（傾斜軌道）。其中，22顆衛星屬于第二代衛星（mPOWER），采用全電推進等先進技術，具有靈活波束形成能力。國內，清華大學也在開發由8顆衛星組成的傾斜軌道MEO 星座。

LEO 星座方面，現有的 Iridium，Globalstar，Orbcomm 三大系統都已完成系統升級，提高了寬帶接入、AIS（船舶自動識別系統）、ADS-B（廣播式自動相關監視系統）和遙感等綜合服務能力。此外，SpaceX，OneWeb，Telesat，leoSat，Amazon 等公司先后提出各自的LEO 星座系統。其中，SpaceX 公司憑借自己在衛星制造和發射方面的一體化能力，一馬當先。SpaceX 的Starlink LEO 星座最初計劃發射4，425顆衛星，2018年11月增加7，518顆，合計1.2萬顆。2019年10月又增加3萬顆，總數達4.2萬顆。Starlink 星座于2019年開始建設，計劃于2020-2021年開始 服 務。2019 年 5 月 和 11 月、2020 年 1-4 月，SpaceX 公 司 先 后通過一箭多星發射七批60顆小衛星。當衛星規模達到800顆時，Starlink 星座將基本具備覆蓋全球能力。為構建天地一體化信息網絡，我國航天、電子央企及多家民企都分別提出各自的LEO星座建設計劃，并已發射了多顆驗證衛星。2019年底，leoSat 宣布停止LEO 項目。原本與SpaceX 并駕齊驅的OneWeb 在2020年3月進行第兩次一箭34顆衛星發射后，宣布出現財務危機，進入破產保護，由此可見LEO 星座市場的內在風險性。

3 數字載荷和軟件定義賦予衛星靈活性

傳統GEO 衛星技術狀態在發射前兩三年就要凍結，在入軌后的十五年服役時間內無法更改，這一固定模式無法適應今天動態變化的通信市場環境。多年來，衛星通信運營商一直希望在軌衛星具有相對的靈活性來適應市場需求的變化，而基于數字載荷和軟件定義技術的靈活衛星可根據應用需求的變化，對衛星的覆蓋、連接、帶寬、頻率、功率和路由等性能進行動態調整和功能重構。根據Euroconsult 公司的統計，目前，全球一半左右的HTS 衛星帶有靈活性載荷，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用形式是移動波束，它已在O3b，Inmarsat，Intelsat 等公司的HTS普遍應用。連接靈活性的重要應用形式是DTP（數字透明處理器），它可在不同波束之間建立連接，從而解決一般HTS 星狀結構帶來的雙跳通信影響。這一技術在Intelsat EPIC 系統得到充分運用，它無需要求用戶更換終端就可以直接接入HTS 網絡，從而同時給運營商和用戶創造價值。帶寬靈活性的重要應用形式是Beam Hopping（跳波束），它通過時分技術，將有限的帶寬資源在不同波束之間動態分配，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務忙閑不均問題，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星提供商。2019年，這三家公司分別推出了各自的靈活性衛星：OneSat，702X 系列和 Inspire 衛星。Airbus 公司 OneSat 贏得了Inmarsat 公司的商業合同，為Inmarsat-5 系統制造GX7，GX8，GX9共3顆衛星，星上搭載的機載處理系統和有源天線，能夠調整覆蓋范圍、容量和頻率。Boeing 公司的702X 系列靈活性衛星包括一個1，900 千克的GEO 平臺以及一個小型MEO 平臺。Thales-Alenia 公司的Inspire 可根據客戶需求進行即時在軌調整，可實現從視頻廣播到寬帶連接服務的過渡。2019年5月10日，全球真正意義上的首顆靈活性衛星——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，可通過軟件定義調整覆蓋、頻率和功率。

4 小衛星制造和多星發射降低服務成本

衛星制造和發射是衛星通信產業的上游和基礎，以往花費數年制造1顆GEO 衛星和一箭一星發射的模式，已無法滿足衛星互聯網時代大規模星座建設和運營的需要。

在小衛星批量制造方面，OneWeb 等公司開始使用非航天級別的COTS（商業現貨）組件，利用3D 打印、模塊化設計、即插即用、智能裝配、大數據、機器人、增強現實等現有成熟技術，采用與飛機和汽車生產相似的流水線組裝方式，來批量生產小衛星，初期能每天生產1-2顆衛星。SpaceX 公司最新發射的Starlink 小衛星采用扁平化設計，以易于量產、裝載、發射；采用先進可靠的離子推進器，以進一步降低成本；配備光學追蹤器，以主動探測、自動避開太空垃圾；使用到期時，可自行拆解，以實現100%環保。各種新技術、新工藝、新模式的應用使得LEO小衛星單星成本已接近100萬美元。

在一箭多星發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顆衛星送入軌道，同時首次實現整流罩的回收。SpaceX 公司表示，這種5型火箭被設計成“在無需例行整修的情況下”能反復使用10次，若“做適當的例行維護”可用100次。除了現役“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星發射系統，它能一次性部署數百顆小衛星。一箭多星發射和火箭再利用使得衛星發射成本降低了85%左右，達到每1千克質量2，720美元的水平，這將極大推動航天運輸和衛星互聯網產業的發展。

5 在軌服務延長衛星通信生命周期

衛星通信是個重資產、高風險的行業。燃料耗盡、系統故障和碎片碰撞等因素都可能影響衛星的壽命，進而直接影響衛星通信運營商的業績和可持續發展。以價值數億美元的GEO 衛星為例，其壽命通常為15年，當燃料耗盡時，即便衛星功能完好，也要做離軌操作。如果發生故障或遭遇碎片碰撞，則不得不提前終止服務。2019年4月，造價4億美元、服役僅3年的Intelsat 29e發生故障并最終解體，直接影響Intelsat 公司全年收入近5，000萬美元。在需要大規模、常態化發射LEO 衛星的衛星互聯網時代，在軌服務將更加緊迫。值得慶幸的是，基于空間機器人和無人飛船的在軌服務的商用化有望改變這個局面。

Loral 公司的在軌服務項目—— RSGS，能夠在GEO 軌道上為20-30顆衛星提供在軌維修服務。Loral 公司的無人飛船與需要維修的衛星對接，為其補充燃料、修復或更換必要的組件。Airbus 公司的“太空拖船”可以將報廢衛星推到距地面200 km左右的軌道，隨后衛星會逐漸下降，進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 發射的MEV-1飛船與已經在軌運行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。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，它將同其他衛星對接起來，以提供同樣的服務。在未來數月，Northrop Grumman 還打算發射MEV-2，首個服務對象也將是Intelsat 公司2004年發射、設計壽命為13年的Intelsat 10-02。

日本Astroscale 公司正在開發一種交會并捕捉太空碎片與報廢衛星的系統，英國薩里太空中心等也在致力于碎片減緩和清除應用。此外，近年來，也出現了很多在軌服務初創公司。未來，在軌服務還將會從所有退役衛星等航天器上回收可用部件，這不僅深刻改變衛星互聯網時代衛星通信的運行環境和經營模式，而且其自身也正在形成太空經濟中一個新的規模產業。NSR 預測，到2028年，在軌服務整體服務的累計收入將達到45億美元，其中延長服務占59%，搶救維修占11%，離軌占8%。

6 結束語

帶寬、覆蓋、靈活性、成本和生命周期是決定衛星通信市場競爭力和行業發展前景的關鍵因素。前面數據表明，全球衛星通信在以上幾個方面都取得了革命性的進步，這為衛星互聯網的產業化發展注入巨大的活力，并將深刻改變衛星通信行業的發展面貌。

近年來，我國衛星制造、發射和應用水平有了質的飛躍，直播、移動、高通量等各類應用衛星陸續投入商業化運營，衛星公用平臺、重載火箭、一箭多星發射等方面都取得長足的進步。但是，與歐美發達國家相比，我國衛星通信產業，尤其是衛星通信服務業規模較小，其中衛星電視直播、寬帶接入等業務產能尚未得到充分釋放是一個重要原因。為實現衛星互聯網的產業化發展，我國不僅需要加強衛星通信體制和標準、靈活載荷、軟件定義網絡、電調平板天線等方面的技術和應用研究，更要深化天地融合、軍民合作以及混合所有制方面的機制體制創新，提升我國衛星通信運營商的國際化服務能力。