国外高吞吐量卫星最新进展

● 文 |中国空间技术研究院 张航

国外高吞吐量卫星最新进展

● 文 |中国空间技术研究院 张航

21世纪以来，高吞吐量卫星发展迅速，受到广泛关注，成为未来通信卫星产业发展的重要方向和驱动力。近几年来，国外高吞吐量卫星呈现出新的发展态势，超大容量、灵活载荷、高中低轨星座等发展方向也更加多样化。本文从地球静止轨道（GEO）和非GEO轨道两个方面梳理国外高吞吐量卫星的最新进展。

一、概况

高吞吐量卫星（HTS）也称宽带通信卫星，是指采用多点波束和频率复用实现总容量大幅提升、面向消费者互联网接入等宽带应用的卫星。自2005年首颗专用HTS卫星发射以来，十余年间呈现出快速发展的态势，实现了多项重要的里程碑：

●2005年，首颗专用HTS卫星iPStar发射；

●2007年，星上处理型载荷的太空之路-3卫星（Spaceway-3）发射；

●2010年，首颗接近100Gbit/s的卫星“Ka频段卫星”（Ka-Sat）发射；

●2013年，首个MEO轨道HTS星座“其他30亿人”（O3b）发射；

●2015年，首个GEO轨道HTS星座国际移动卫星-5（Inmarsat-5）发射。

2010－2015年，全球共计发射了35颗HTS卫星，接近2004－2009年发射总数量（13颗）的3倍（见图1）。未来，HTS卫星将进一步向着星上灵活处理、更大吞吐量、更多样化轨道的方向发展。2017年，卫讯-2（ViaSat-2）卫星将发射，单星吞吐量达到350Gbit/s，2019年ViaSat-3卫星将发射，吞吐量超过1Tbit/s。同时，低轨宽带卫星星座的代表“一网”（OneWeb）星座也将于2019年前后开始部署，进一步使宽带通信卫星数量和在轨可用容量呈井喷式发展。

二、典型GEO卫星系统

1.首个实现全球覆盖的GEO轨道HTS卫星星座——Inmarsat-5

2010年，国际移动卫星公司（Inmarsat）宣布“全球快讯”（Global Xpress）建设计划，利用3颗GEO卫星构建全球卫星宽带通信网络，提供无缝全球覆盖和移动宽带服务。截至2016年底，Inmarsat公司计划发展4颗卫星。其中，3颗工作卫星均已发射，轨道位置为62.6°E、55.0°W和179.6°E，分别覆盖印度洋、大西洋和太平洋。另有1颗在轨备份星用于提升网络容量，计划于2017年发射。

Inmarsat-5卫星基于波音卫星系统公司的BSS-HP平台研制，采用三轴稳定方式，卫星干质量为3750kg，发射质量为6070kg，设计寿命15年，寿命初期功率15kW，末期功率13.8kW。星体收拢状态尺寸为6.98m×3.59m×3.27m，在轨运行状态下，高度不变，天线展开宽度为8.08m，太阳能电池板翼展33.8m（见图2）。推进系统采用445N的液体远地点推力器和用于在轨姿态保持的氙离子电推力器，此外还有4个22N的轴向推力控制器和4个10N的辐向推力控制器。

卫星采用透明转发体制，共携带两种Ka频段载荷：固定多点波束对应的全球服务载荷（GSP）和可调波束对应的高容量载荷（HCP）。

全球服务载荷方面，天线配置为2发4收，通过两组网状喇叭馈源阵实现89个点波束的精确赋形（最大同时激活波束数量为72个），无缝覆盖除极区以外的全部地区。每个波束具有32/64MHz的带宽，波束中心区域和边缘区域的信号质量差不超过2dB，以保证全球用户均可获得同样的服务等级。

高容量载荷方主要用于满足业务需求量大的热点区域服务性能，通过12个130W功率的行波管放大器（TWTA）为6个可调用户波束和2个可调馈线波束提供服务，可为固定点波束区域提供最大8倍的应急业务容量。

2.透明转发体制超高吞吐量卫星的代表——ViaSat-3卫星

继2011年成功发射首颗卫星ViaSat-1之后，美国卫讯公司在短短数年间先后提出了发展ViaSat-2和ViaSat-3卫星的计划，每项计划均在上一个计划基础上实现了大幅跨越。ViaSat-1卫星单星吞吐量140Gbit/s，ViaSat-2卫星将实现2.5倍增长，ViaSat-3将达到Tbit/s量级。按照计划，3颗ViaSat-3卫星将于2020年前后发射。ViaSat-3卫星不仅实现了卫讯公司从美国到区域再到全球的扩展，而且大幅提升用户链路速率：家庭用户互联网接入100Mbit/s以上、飞行中连接（IFC）数百Mbit/s、海事和油气平台用户接入接近1Gbit/s。

ViaSat-3卫星将由波音公司基于成熟的BSS-702HP平台研制，设计寿命15年，有效载荷由卫讯公司自行研制。整个系统将采用“大卫星＋小关口站”的体系架构，将在地面部署数百个配备小口径天线的关口站。ViaSat-3首颗星将工作在西经79.3°，覆盖美国本土、加拿大和墨西哥。

卫星将采用弯管式透明转发体制，前向链路和反向链路非对称。其中，前向链路（关口站到用户）为一个TDM 500MHz的宽载波（416.67Msym/s），反向链路采用MF-TDMA体制，支持多种不同的带宽和数据速率。整个系统采用自适应编码调制来对抗雨衰。前向链路可选调制方案包括16APSK、8PSK和QPSK等，反向链路可选调制方案包括8PSK、QPSK和BPSK。

如图3所示，在卫星波束覆盖方面，ViaSat-3卫星将形成92个点波束。其中：20个A型波束，专门接入地面互联网和PSTN节点，并提供TT&C和其他系统运行功能保障；72个B型波束，主要为用户终端提供服务。A型波束下行链路EIRP峰值为56.9～62.2dBW，G/T值峰值为17.1～21.9dB/K。B型波束下行链路EIRP峰值为62.7～67.0dBW，G/T值峰值为18.2～22.7dB/K。

3.具有灵活载荷能力的Ku频段HTS卫星——Intelsat EPIC

为应对全球Ka频段HTS卫星的迅猛发展，国际通信卫星公司（Intelsat）提出了“史诗”系列卫星（Intelsat EPIC）发展计划，该计划特点是实现单跳通信（见图4）。整个星座共计5颗卫星，目前已发射2颗，分别为Intelsat-29e和Intelsat-33e，均在卫星名称后缀e来表示，分别覆盖美、欧、亚、非洲。

Intelsat-29e卫星于2016年初发射，采用702MP平台研制，本体包络为6m×3m×2m，发射质量为6552kg，功率15.8kW，设计寿命15年。星上搭载C频段、Ku频段和Ka频段转发器，单星吞吐量为25～60Gbit/s。

●C频段区域波束，共计12路转发器，多种带宽配置，包括36MHz、72MHz、112MHz、375MHz、5000MHz；

●Ku频段点波束，共计46路转发器，同样采用多种带宽配置，包括36MHz、62.5MHz、125MHz、187.5MHz、250MHz、375MHz和500MHz；

●Ka频段全球波束，共计1路转发器，采用500MHz的宽带载波。

此外，Intelat-29e卫星的突出特点是采用数字有效载荷，具备一定星上处理能力，支持波束间信号交换，能够实现卫星资源的灵活分配，实现C频段到Ku频段服务的铰链，可支持星状网、栅格网以及同一个用户波束内信号回送业务。

三、典型非GEO卫星系统

1.首个成功商业运营的MEO卫星星座——O3b卫星

O3b公司由著名创业家格雷格·维勒（Greg Wyler）于2007年建立，通过在MEO轨道部署小卫星星座，致力于为全球尚无法接入互联网的30亿人口提供高速通信连接，公司现为SES公司全资所有。

O3b卫星均运行在高度8060～8072km、倾角0.03°的同一轨道面上，轨道周期为287.92min，主要覆盖地面南北纬45°之间的区域（见图5）。整个星座的卫星数量不设上限，采取8颗星一组的模式，可以按需增加卫星数量，实现在轨容量扩展。截至2016年底，已有12颗O3b卫星成功发射，另有8颗计划2018年发射。

卫星由泰雷兹-阿莱尼亚航天公司研制，采用“寿命延长平台”（ELiTe），单星发射质量约700kg，功率1575W，设计寿命约10年。卫星单星吞吐量12Gbit/s，单链路速率高达500Mbit/s。

平台方面，电源分系统采用三结砷化镓太阳能电池和100Ah锂离子蓄电池；结构机构分系统采用铝管作为支撑结构、铝制蜂窝板作为面板；推进分系统采用肼作为燃料，贮箱容量154kg，配备8个1N推力器。

有效载荷方面，卫星采用弯管式透明转发体制，星上12个65W行波管放大器，带宽216MHz，对地面配备12副可控天线，指向范围为±26°，每个天线形成一个点波束，共计12个点波束。其中10个波束为用户波束，另外2个波束为信关站波束。

2.有望实现首个成功部署的低轨宽带星座——OneWeb卫星

一网公司（OneWeb）于2014年底提出，计划在LEO轨道部署近900颗小卫星，实现全球高速宽带通信无缝覆盖（见图6）。项目一提出就得到了卫星产业界内外的大力支持，短短两年间便获得了17亿美元的融资，足以支撑前期卫星研制和发射的费用。目前，OneWeb公司已经签署了卫星研制和发射合同，系统部署工作有条不紊的开展，计划2019年前后开始部署。

根据最新公布的信息，OneWeb系统一期卫星星座全系统运行需要880余颗卫星，分布在18个圆轨道面上，每个轨道面上部署49颗卫星。轨道高度约为1200km，倾角87.9°，相邻轨道面间隔约10.15°。在2017年初获得软银主导的12亿美元融资之后，OneWeb公司更是计划二期发展2000余颗卫星。OneWeb公司将在全球建设数十个关口站，其中部分关口站集成了测控站，另外在美国和英国分设两个互为备份的卫星控制中心。

OneWeb的每一颗卫星质量为125kg，可在轨运行5年左右。卫星主承包商为空客防务与航天公司（ADS），最初10颗将在法国研制，其余卫星将在美国佛罗里达州的合资卫星制造厂中生产，可实现每周5颗左右的生产速度。

卫星不带有星间链路，通过关口站组网通信。卫星与用户间链路采用Ku频段，单星形成16个长椭圆形波束，共覆盖星下1080km×1080km的范围。单个波束下行速率可达750Mbit/s，上行速率可达375Mbit/s。每颗卫星携带2个Ka频段圆极化双反射面天线，同时与2个关口站进行通信。单星吞吐量约为7.5Gbit/s，整个星座总吞吐量为6～7Tbit/s。由于采用低轨道，链路传输时延仅为30ms，与地面网络相当。

四、结束语

随着用户数据量和数据速率的大幅提升，预计2020年左右，全球HTS卫星通信服务需求超过1.6Tbit/s，总用户数量将超过600万，产业收入将达到90亿美元。在市场发展与技术进步的双重驱动下，HTS卫星将呈现出新的多样化的发展态势。

一是透明转发体制和星上处理体制将长期并存，以满足不同应用场景的通信需求。

二是Ku、Ka频段并存，并逐步向更高频段方向发展，特别是Q/V频段在关口站馈电链路的应用将会更加成熟和广泛。

三是高轨卫星与中低轨卫星将长期并存且一体化融合。高轨卫星的广域覆盖与中低轨卫星的低时延可实现优势互补，分别解决广域常态覆盖与局域热点覆盖需求，具有巨大的发展前景。

[1]Euroconsult. High Throughput Satellite:Vertical Market Analysis & Forecasts.March, 2016.

[2]Craig Hibberd. Inmarsat Global Xpress Network – meeting the challenges of providing a seamless global Ka-band service to mobile terminals. September 2012.

[3]ViaSat,Attachment A: Technicla Information to Supplement Schedule S.FCC filing, 2014.

[4]Intelsat. Intelsat 29e Engineer Statement. FCC filing. 2012.

[5]Jack Deasy. 21st Centry Comms over Satellite: HTS Medium Earth Orbit satellites bring cloud services and FMV to the frontline. November, 2016.[6]Oneweb. Attachment A: Technical Information to Supplement Schedule S.April, 2016.