衛星應用服務發展推動磁性材料器件應用

翁興園

1 衛星應用服務發展現狀

目前，中國已先后發射了400多顆衛星，超過200顆在軌運行。目前，小衛星代替大衛星、遠軌衛星向中軌衛星和低軌衛星方向發展，已經成為航天領域的未來趨勢。

按照質量大小來分，衛星分為：大衛星、中型衛星、小衛星。其中，小衛星包括：小型衛星、微小衛星、納衛星、皮衛星、飛衛星。

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

2020年商業航天產業界持續發力，加快推動中國低軌寬帶星座的建設工作。2020年6月23日，中國在西昌衛星發射中心于成功發射了北斗三號最后一顆全球組網衛星——北斗系統第55顆導航衛星，比原計劃提前了半年，全面完成了北斗三號全球衛星導航系統星座的部署。

衛星制造是衛星產業鏈行業的最上游，通常首先由具有衛星物權的企業向衛星整星的設計制造廠商提出具體要求，由其向衛星零部件廠商采購配件，然后進行生產組裝，最后交付完整的衛星產品。最后，完整的衛星產品通過火箭搭載，由發射服務商將衛星運送至預定的軌道運行。

衛星運營和地面設備制造環節是衛星產業鏈的中游，地面設備，主要包括對衛星跟蹤、遙測及對指令的地面測控和監測系統，以及各用戶終端。衛星運營商需要對在軌衛星進行全天候實時監測，并對地面空間段設備進行日常維護，以滿足下游用戶需要，為下游行業客戶提供各類型的衛星服務。

衛星下游應用服務主要分為3大類：通信、導航和遙感。具體應用服務含蓋衛星電視的直播、衛星的音頻廣播、衛星的寬帶、衛星的固定通信業務、衛星的移動通信業務及對地觀測業務。其中，衛星通信是重要的應用場景，主要涉及衛星電話、衛星廣播電視、衛星互聯網應用等。

根據統計，近10年來，全球衛星產業總收入呈現增長態勢。衛星運營服務占據衛星產業鏈的絕大多數產值。

根據統計，衛星產業的市場規模從2007年1 229億美元到2018年2 774億美元，復合增速達7.68%。2018年整個全球商業航天市場規模達到3 600億美元，其中衛星產業鏈占比約77%，高達2 774億美元，其他非衛星的航天產業占比 23%。2018年，在衛星產業中，衛星運營服務業規模達到1 265億美元，占全產業35.14%，而其中，衛星通信收入占衛星服務業收入比例高達98.34%。由此可見，衛星服務業發展之快和市場規模之大。

和國外相比，中國的衛星產業在衛星研制和發射領域競爭力比較強，企業實力較為突出；但在衛星用電子元器件、衛星終端產品、衛星應用系統和衛星運營服務等方面，中國的企業規模總體偏小，整體實力還較弱。

1.1 衛星通訊服務

衛星的通信系統分為空間段和地面段，由以下部分組成：空間衛星、衛星網絡控制中心站、衛星地面關口站和移動終端站。

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

衛星地面段：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。

隨著通信技術發展和未來應用需要，衛星移動通信系統將融合導航增強、多樣化遙感，實現通、導、遙的信息一體化，可同時支持衛星移動通信、物聯網、熱點信息廣播、導航增強、航空監視等服務，而低軌衛星網絡為實現5G真正的泛在連接提供了機會。

衛星電視是利用地球同步衛星將數字編碼壓縮的電視信號，進行遠距離傳輸的一種廣播電視形式。目前，衛星廣播電視應用成熟，高清節目上星持續驅動衛星應用行業增長，衛星廣播電視遠距離傳輸包括主要的2種方式：①將數字電視信號傳送到有線電視前端，然后再由有線電視臺轉換成模擬電視傳送到用戶家中；②利用衛星天線（鍋）直接接受數字電視信號。

為了實現電視節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星的轉發器成為主流。用戶向運營商租用衛星轉發器，實現廣播電視內容的轉發。各大廣播電臺也成為衛星通信產業的重要下游應用主體，今后，在很長一段時間，電視節目上星成為衛星通信行業增長的驅動因素。

隨著廣播電視數字化的發展和人們生活質量的提高，人們越來越關注電視圖像質量，圖像清晰度逐漸從標清向高清、超高清（4K），甚至8K發展。目前，高清節目基本成為行業主流。預計一兩年內將完成全國的高清衛視覆蓋，很快我國將邁入全國高清衛視時代。

衛星互聯網使用高通量衛星，以實現高帶寬、低時延和寬帶覆蓋。目前，我國低軌天基互聯網項目已全面啟動。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。

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

早在北斗三號全球系統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，并正式向全球提供服務。相比于之前規劃的2020年，時間上提前2年。隨著北斗三號中圓地球軌道衛星全部發射完畢，無疑將進一步提升北斗衛星導航系統的服務性能和用戶體驗。

預計，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，屆時，中國衛星通信市場將會迎來爆發式的增長。

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

1.2 衛星導航服務

2014—2018年期間，中國衛星導航與位置服務產業總產值的年復合增長率約為17.56%。

2013年國務院辦公廳發布的《國家衛星導航產業中長期發展規劃》，我國將衛星導航產業規模年超過4 000億元設定為2020年發展目標。

統計數據顯示，2018年中國衛星導航與位置服務產業總體產值超過3 000億元。隨著中國衛星導航與位置服務產業進一步發展，年產值持續增長。根據中國衛星導航定位協會2019年發布的《中國衛星導航與位置服務產業發展白皮書》，全國2018年衛星導航與位置服務產業總產值達到3 016億元。保守預計未來2年年復合增長率為15.16%。

根據有關統計數據，2019年，我國衛星導航產業產值規模已超3 600億元，預計到2020年產值將超4 360億元，與2013年國務院辦公廳發布的目標基本吻合。

從全球今后導航與位置服務發展目標來看，全空間信息平臺和系統成為重大需求。

1.3 衛星遙感服務

自20世紀60年代興起的一種探測技術——衛星遙感技術，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。

衛星遙感技術衛星遙感企業的產品和服務包括提供遙感衛星圖像和以遙感圖像為基礎的圖像分析。

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

2 磁性材料與器件產業與衛星服務相關的重要市場機會

2.1 衛星通訊與服務領域涉及到的永磁材料器件應用

衛星通訊與服務領域除了地面部分設施用到永磁鐵體，天上部分主要以稀土永磁為主，主要用在衛星通訊行波管、環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，以及用于衛星的磁力軸承，磁力軸承有水平和垂直兩種，衛星一般在真空環境下工作，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。

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

具體應用案例如：

①在衛星和深空探測器上逐漸應用的電磁推進發動機，需要產生和形成磁場，使用了稀土永磁材料；

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

③風云三號氣象衛星太陽電池陣展開機構，使用了釤鈷稀土永磁有刷直流電動機；

④在北斗導航衛星的天線展開機構上，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，衛星上用于探測宇宙中奇異物質的阿爾法磁譜儀上，其中的魔環結構，使用了釹鐵硼稀土永磁材料；

⑥衛星上為了將機械能轉換為電信號，用于監測工作狀態的很多傳感器也使用了稀土永磁材料來；

⑦為實現精密位移、精確定位和降噪減震等功能，某些衛星載荷上高響應速度、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，多數應用在衛星的光學觀測設備上。

2.2 衛星通訊與服務領域涉及到的軟磁材料器件應用

衛星通訊與服務領域涉只要是有電源，電流電壓和電磁波信號轉輸、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，涉及地面網絡信息平臺、衛星電話、機頂盒、衛星高清電視、衛星地面網絡設備、探測傳感儀器、戶外盒子、定位器、智能手表手環等相關產品中也用到大量軟磁性材料器件。

通訊衛星和地面服務的信息處理單元對衛星通訊與服務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、復印機等設備都離不開各類永磁馬達或其他驅動裝置；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 衛星通訊與服務領域涉及到微波鐵氧體材料與器件應用

衛星通訊與服務領域需要使用大量微波鐵氧體器件，如中環行器、隔離器、開關、轉發器、移相器、雙工器、濾波器、藕合器等。

為了確保衛星通信業務范圍及通信容量得到更好的擴大，就要在衛星通信系統設計建造過程中，加大與微波磁性器件的有效融合，如：隔離器、環行器、開關等微波鐵氧體器件等。在選擇時，可以根據衛星通信系統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、同軸、帶線、微帶和表面安裝等形式進行應用。

衛星通訊相控陣技術中有源相控陣即在每個天線單元通道中設置TR組件，其典型的特征就是在每個天線單元發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射2個通道，集成了射頻切換開關、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 結語

現代社會無論科技、軍事，工業和消費，人們生活的方方面面都離不開衛星和衛星服務，隨著全球衛星發射技術的發展和衛星發射數量的快速增長，與之相應的磁性材料器件應用將會持續增長。國內商業小衛星發射需求在未來5～10年內呈指數級增長，保守估計超過4 000顆，商業衛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，衛星通訊與服務領域對高性能、高穩定、高可靠和高的環境適應性要求越來越高，部分磁性材料器件規格品種多，數量不大，但價格可觀，器件小型化、片式化、集成化，產品定制化將是未來發展趨勢。

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