国外高通量卫星系统与技术发展

刘 悦 （北京空间科技信息研究所）

国外高通量卫星系统与技术发展

刘 悦 （北京空间科技信息研究所）

The Development of Foreign High-throughput Satellite Systems and Technologies

1 HTS卫星概念与特点

HTS卫星概念由美国航天咨询公司北方天空研究所（NSR）率先提出，将其定义为“采用多点波束和频率复用技术、在同样频谱资源的条件下，整星通量是传统固定通信卫星（FSS）数倍的卫星”。HTS卫星概念由“宽带卫星”演化而来，但与之有所区别。宽带卫星以“大多运行在Ka频段、大容量、提供宽带互联网接入”为特点，开辟了卫星互联网接入的新业务，因此称为“宽带”。而产业界普遍认为，HTS卫星是以点波束和频率复用为标志，可以运行在任何频段，通量有大有小，取决于分配的频谱和频率复用次数，可以提供固定、广播和移动等各类商业卫星通信服务的一类卫星系统。

HTS卫星与传统通信卫星波束对比

2 HTS卫星系统发展

地球静止轨道HTS发射数量逐年增加，发射比例趋近半数

从2004年首颗地球静止轨道HTS卫星（GEOHTS）发射以来，至2016年底，全球共计发射了46颗GEO-HTS卫星，2017年全年预计发射11颗HTS卫星（截至2017年9月底，已发射9颗），创历年发射之最。过去5年（2012－2016年底），全球共计发射26颗HTS卫星，是上一个5年（2007－2011年）发射数量总和（11颗）的2倍多。

全球2004－2020年GEO－HTS卫星发射数量统计与预测

2010－2016年国外发射的GEO－HTS卫星

GEO-HTS卫星自2015年起，发射数量从每年的2～3颗显著增加至近10颗，近2年占发射GEO通信卫星数量的1/3。从2019年起，随着GEO通信卫星发射数量的下滑，HTS卫星年发射数量将接近当年发射GEO通信卫星数量的50%。

中低轨HTS发射迎来井喷，2020前后达到顶峰

与GEO-HTS快速发展相比，多个大型中地球轨道（MEO）和低地球轨道（LEO）HTS星座进入研制当中，最早将于2019年发射。虽然国外宣称发展的中低轨HTS星座主要有6个，但由于建设的重复性、所需的资金规模、频率协调、制造和发射能力的限制，导致最终能够发展起来的星座项目并不如宣传所述。

目前，全球在轨的中低轨HTS星座只有1个，即运行在MEO轨道的“另外三十亿人”（O3b）星座，由12颗卫星组成，现已完成部署并交付使用。从目前在建的HTS星座来看，主要有2019年预计发射的O3b星座扩展的8颗卫星，以及2020年预计发射的650颗“一网”（OneWeb）卫星星座。如果将所有宣称发展的中低轨HTS星座都计算在内，全球累计发射的中低轨HTS星座卫星接近上万颗。

全球中低轨HTS星座发射数量预测

国外计划部署的中低轨HTS星座系统

除了确定要发射的O3b系统和OneWeb系统外，还有其他中低轨HTS星座系统处于在研或概念阶段。

3 HTS卫星关键技术

多波束天线技术

HTS卫星最基本的特征就是卫星的波束为点波束。卫星采用多点波束的好处在于提高天线的发送/接收增益，并能实现频率复用；采用多点波束的劣势在于覆盖，点波束覆盖范围较小，要想实现大范围的区域覆盖，则需要大量点波束。目前，国外主要有2种发展思路：一是以卫讯卫星－1和“Ka频段卫星”为代表的、采用窄点波束提高通量的区域系统；二是采用较大的点波束增加覆盖范围的全球系统，例如“史诗”（Epic）。

HTS卫星主要应用两类多波束天线：一是单馈源单波束天线（SFB）；二是多馈源单波束天线（MFB）。SFB天线的每个馈源喇叭对应1个波束，简化了硬件设备，电性能也较好，对于覆盖范围较大的HTS卫星多采用SFB天线。MFB天线通过小的喇叭阵列形成波束，有的还配有波束成形网络，优势在于实现波束重合覆盖仅需1副反射器，从而减少了星上天线的尺寸和成本。因此，对于较小的地理区域和多用途HTS卫星，MFB天线是最佳选择。

HTS卫星SFB天线设计

HTS卫星MFB天线设计

频率复用技术

对于HTS卫星系统设计来说，采用点波束和频率复用技术相结合，能够有效提高天线增益，实现频率复用。优势在于：①天线的增益与波束宽度有关，波束宽度越窄，天线增益越高。较高的卫星天线增益可以使得用户采用更小口径的终端，并使用高阶调制编码方案，从而提高频谱利用效率，提高数据传输速率。天线增益增加10倍，系统容量增长4倍。②点波束的应用，使得距离较远的波束可以复用同一段频率。

频率复用也会带来一些问题，当2个或更多的波束使用同一段频率时，由于天线旁瓣不为零，就会产生波束间的干扰。综合来看，点波束技术的应用能够带来效率的提高，但引起的波束间干扰又降低了效率。如果增加波束间的距离可以降低干扰，但又减少了频率复用，影响了总的通量。因此，点波束的数量和频率复用程度实际上是系统设计根据实际应用的折中考量。

灵活有效载荷技术

“灵活”指的是HTS卫星系统在发展的过程中，为了提高商业竞争力而对系统的服务能力提出的要求。早期发展HTS卫星系统主要以提高整星通量为目标，星上设计简单，卫星一旦入轨，很难对服务进行调整。实际应用当中会出现热点地区的转发器饱和，非热点地区转发器利用率很低，造成转发器利用率低的问题。

灵活有效载荷是欧洲提出来的一个笼统的整体概念，主要包含三方面：①灵活的覆盖，能够实现覆盖区域的在轨可调，实现卫星从所在轨位可见地面任何一个地区的动态覆盖调整，并能在轨控制点波束的尺寸、数量和形状，实现途径主要包括直接辐射阵列天线（DRA）、阵列馈源反射器天线（AFR）、共焦天线（Confocal Antennas）和透镜天线（Lens Antennas）等；②灵活的频谱分配，能够灵活分配频率和带宽，主要通过星上处理实现（含模拟和数字处理技术）；③灵活的功率分配，主要通过多端口放大器（MPA）技术实现。

自2010年起，欧洲航天局（ESA）“通信系统预先研究”（ARTES－3和4）产品研制专题为灵活有效载荷专设了“通用灵活有效载荷”专项，分“两步走”：一是在英国阿万蒂通信公司的HTS卫星高适应性卫星－1上开展通用灵活有效载荷的在轨验证；二是在国际移动卫星公司的“阿尔法卫星”（Alphasat）上开展星上数字处理器的在轨验证。2015年，欧洲航天局与欧洲通信卫星公司共同开展了“量子”（Quantum）卫星研制：①实现灵活的波束赋形覆盖形状和大小可调；②覆盖范围可变，8个独立的点波束能够在1min内调整到任意可见的地面服务区域；③覆盖波束跳换，更加灵活地按需分配，需求热点地区可以获得更高的容量分配；④功率和容量灵活，灵活地为用户分配功率和容量；⑤频率灵活，能够使用Ku频段范围内任何一段频谱。

4 启示与建议

超高通量、全球覆盖、星座组网、高低轨结合是未来发展方向

从系统部署来看，未来GEO-HTS卫星系统的发展趋势将是多颗卫星组网，中低轨HTS卫星系统共存；从系统服务能力来看，国外主流卫星运营商无不以更高的通量为发展目标，已经出现了以卫讯卫星－3为代表的超高通量卫星（VHTS），单星通量超过1Tbit/s；从系统覆盖能力来看，面向区域覆盖的HTS卫星系统主要是发展初期用于技术和市场验证，全球四大卫星运营商无不以全球覆盖为发展目标；从系统服务质量来看，系统运行的轨道越低，时延越小，越能满足对实时性要求较高的应用，以国际通信卫星公司为代表的卫星运营商已经提出了GEO+LEO轨道的发展思路，多轨道系统结合也将是未来趋势之一。

深入挖掘市场需求和应用要求，我国HTS卫星系统设计与建设应充分结合市场与应用

2016年，由香港亚太卫星公司和中交通信科技有限公司联合打造的我国首个GEO-HTS卫星系统建设启动，我国有望在2019年拥有独立自主的HTS卫星系统。从国外发展经验来看，HTS卫星系统是一类以商业应用为主的通信卫星，不同的业务应用导致不同的有效载荷设计，不同的用户和应用环境影响频段的选择，不同的市场区域、用户特点决定不同的系统架构。因此，我国HTS卫星系统部署之前应充分调研、挖掘、甚至牵引市场需求，有针对性的开展系统设计，真正建设一个服务目标明确、功能清晰、用户好用的HTS卫星系统。

灵活性是HTS卫星未来发展目标，我国应加紧开展关键技术攻关

灵活性是国外HTS卫星系统根据数年运营总结的经验教训而提出的发展目标。为了解决需求分布不均、转发器利用率不高的问题，美欧卫星制造商、运营商已经有计划、有步骤地开展灵活有效载荷研制。全球首个真正意义上的“灵活”卫星“量子”已经在研，预计2018年投入运营。我国HTS卫星系统建设应充分吸取国外经验教训，加紧开展阵列天线、数字星上处理、多端口放大器技术等关键技术研发，避免HTS卫星系统重走国外卫星应用上出现的问题，实现跨越式发展。

自2004年首颗高通量卫星（HTS）发射至今，系统部署逐年增加，截至2017年9年底，全球共计发射56颗HTS卫星，并呈加速发展的趋势，近2年发射数量达到17颗，占HTS卫星发射总数的1/3以上。在研卫星数量大幅增加，全球各大卫星运营商积极推动HTS卫星部署，全球HTS卫星订单超过上千颗，是通信卫星领域发展最快、关注度最高、潜力最大的一类卫星系统。