2019年国外通信卫星发展综述

谢珊珊 李博

（1航天系统部装备部 2北京空间科技信息研究所）

2019年，国外通信卫星领域发射活动再创新高，入轨数量同比激增112.8%，卫星轨道分布“倒挂”现象进一步明显，高轨卫星占比持续下滑，商业低轨星座启动大规模部署进程。军用通信卫星领域进入新旧更迭的关键期，体系级弹性目标驱动军用系统向单星防护、多星组网、智能安全的方向拓展。商业卫星通信市场格局调整步伐加快，运营商更加关注移动性、高速连接、天地一体服务，制造商多措并施优化研制模式、升级产品线、提升交付效率。在初创企业、新系统、新技术、新应用的冲击下，行业总体在波动中呈现较好的上升预期。

1 军事领域持续强化弹性能力，推动体系、系统、技术演进

2019年，以美国为代表，国外军用通信卫星领域围绕弹性目标，加强对下一代高防护性能和对抗能力的卫星系统与技术的研发，并提出构建军用低轨星座支撑多类军事应用承载等新概念，未来发展方向更趋多元化。

在研系统高度聚焦对抗防护需求

基于对他国高端对手潜在威胁的判断，美军近年来把防护卫星系统建设，特别是下一代防护卫星系统研发作为其整个军用通信卫星领域的建设重点。美国2020财年在卫星通信领域的大部分国防预算拨款，特别是研发预算的90%以上均用于下一代防护卫星系统研发。目前，美军基本遵循“防护战略与战术载荷分离”（核常分离）、“通过改造升级，使现役非防护卫星系统增加防护功能”的体系化转型发展思路，推进空间、地面和用户段多维度关键产品和技术的研发、测试。2019年，美军成功部署其第5颗“先进极高频”（AEHF）卫星，标志着该系统空间段建设进入尾声，也客观上加剧了新体系转型研发工作的紧迫性。

防护战略系统方面，2019年，美军持续推进“演进式战略卫星通信”（ESS）项目，该项目旨在美军承袭上一代AEHF的核心防护技术，发展专用型防护战略通信卫星系统。3月，空军航天与导弹系统中心（SMC）发布信息征询书，开展ESS地面控制系统（GCS）的演示研究，为期30个月，重点是调整和改进原AEHF任务控制段的2个关键模块，通过有效降低风险，使其适应ESS任务的需求。

防护战术系统方面，美军开发了防护战术波形（PTW）技术用于改造现役军用商业宽带系统，同时发展专用“防护战术卫星系统”（PTS），构建融合“宽带全球卫星通信”（WGS）系统、商业卫星系统和“防护战术卫星系统”在内的“防护战术抗干扰战术系统”（PATS）。2019年，空军向L3-哈里斯技术公司（L3 Harris Technologies）售出合同，后者将为PTS卫星有效载荷开发星上末端加密单元（ECU），通过集成L3-哈里斯技术公司的空间密码处理器，提升下一代防护战术保密通信能力。地面段方面，休斯网络系统公司（HNS）4月获得了PATS的地面系统—“防护战术企业服务”（PTES）的分包研制合同，将主要为该系统开发各种控制、组网、地面中心以及任务管理平台。

着力构建下一代太空体系传输层

2019年，美国新成立的航天发展局（SDA）聚焦未来威胁，正式提出发展以低轨星座为基础的下一代太空体系，影响和意义重大。根据国防部2020财年预算文件，航天发展局计划在2020财年实施六大研发项目，其中之一为“（空间）传输层架构与标准项目”，是其“首要关注目标”。所谓空间传输层，即在低轨部署一个骨干性的军用通信卫星网络，具备新型、快速响应的体系架构，以此为基础，将面向陆海空天多域节点提供基础的数据传输服务。

SDA构想的空间传输层包括约650余颗小卫星，将极大程度上利用“黑杰克”（BlackJack）项目以及商业低轨宽带互联网星座成果，采用生产线模式开展卫星批量研制工作，每颗卫星将配备星间链路功能和备份的星地链路，预计最早于2022年利用商业火箭发射首星。SDA还计划在传输层中开发“嵌入的子系统”，提供导弹预警等额外能力。建成后的空间传输层将为全球任意两点之间提供超低延时的数据通信服务，支持美军作战管理、指挥、控制和通信（BMC3）能力的进一步升级。

打造军商网络智能无缝漫游服务

美军一直在通过采购商业卫星通信系统的容量为军事应用需求提供服务，但随着应用规模的不断增长，不同制式终端类型、数量也不断增长，仅宽带类的通信终端目前就达到17000部，大多数为根据卫星系统的不同而高度定制的，很难升级、互相之间无法兼容，运行成本很高。在此背景下，美军近两年来一直在通过技术手段推进其通信终端的能力升级，通过人工智能、软件无线电、多模式支持等技术，推动新型终端和终端管理体系架构的研发，以实现单个用户不用更换终端，即可支持多个卫星网络，实现随遇接入、无缝切换和服务的能力

2019年，美军持续推进名为“灵活调制解调接口”（FMI）研发工作，该项目通过在一型战术终端上集成多个调制解调器，配合升级的地面网络控制段，实现多频谱、多波形、多网络支持能力。2018年12月，休斯网络系统公司在完成研发的FMI样机上成功向美军高层开展了演示验证，并在该终端上开发了一项名为“规则引擎”的人工智能技术。基于该技术，新型终端能够基于通信条件和电磁环境，进行实时的智能化业务管理和控制，可总体掌握当前终端哪些卫星可用、哪些服务提供商可用、哪些调制解调器可用，从而实现调制解调器、卫星和服务提供商的动态自主及正确选择，提高作战用户的效率，提升不同卫星网络和终端系统之间的协同操作能力。为部署FMI、支持灵活使用军用和商业卫星通信，美军还提出发展“商业卫星通信即服务”（Satcom as a Service）的体系架构，该体系架构是在现有的商业卫星通信基础设施上部署的一个控制和管理平面覆盖体系架构，可以降低集成专有商业服务和商业现货设备的复杂性。

一网工厂内部场景

2 低轨星座发展进入爆发阶段，商业化竞争与大国博弈交织

2019年，“一网”（OneWeb）与“星链”（Starlink）星座相继启动部署，年度发射卫星总数超过120颗，美、加、俄等国政府加速进场，加大发展支持力度，标志着全球低轨星座领域迈入高峰期，“群雄逐鹿”抢占市场先发态势凸显，国际电信联盟（ITU）、各国对巨星星座监管约束不断收紧，也意味着该领域即将迈入竞争淘汰的实质性阶段。

大规模星座部署活动迈入高峰期

2019年，一网公司（ONEWEB）和美国太空探索技术公司（SpaceX）加快推进各自星座的规模化部署进程，持续成为行业发展格局的引领者。

2月，首批6颗OneWeb卫星发射成功，单星质量147kg，容量约8Gbit/s，卫星由一网公司、空客防务与航天公司（ADS）在法国图卢兹联合开发的批量自动化生产线所生产。7月，一网公司在韩国首尔利用韩国鹰雷公司（Intellian）和以色列赛提非公司（Satixfy）联合研制的终端，对卫星进行了性能测试。结果显示，全部6颗卫星的数据传输速率都超过400Mbit/s、延时低至32ms，且可实现无缝的波束和星间切换，性能超出预期。同在7月，一网公司正式宣布其佛罗里达的卫星工厂正式投入运行，将实现每天2星的出厂能力，可确保该公司实现2020年启动服务、2021年覆盖全球的目标。

5月，SpaceX公司利用重复使用的猎鹰-9（Falcon-9）运载火箭成功发射首批60颗Starlink试验卫星，11月再次发射60颗首批正式工作卫星，一举超越铱星公司（Iridium）成为在轨卫星编队规模最大的通信卫星运营商。Starlink两次任务的卫星技术状态总体变化不大，发射质量分别达到227kg和260kg，卫星均配置单太阳电池翼、氪离子全电推进系统，载有Ku频段相控阵天线（工作星增加Ka频段抛物面天线），单星容量约17Gbit/s。根据SpaceX公司规划，2020年预计执行超过20次Starlink发射任务，从而完成其550km轨道高度的1584颗卫星部署，实现初步的覆盖和服务目标。

各国政府加大对低轨领域的扶持

低轨星座的竞争及其潜在巨大应用效能也不断引发各国政府的关注和支持。美国方面，空军也在持续关注近年来发展迅速的新兴商业低轨宽带星座的发展。空军于3月向SpaceX公司、12月向L3-哈里斯技术公司和诺格公司（Northrop Grumman）授予名为“商业天基互联网军用实验”（DEUCSI）的合同，旨在探索利用商业低轨通信星座，为空军构建全球范围内高弹性、高可用性、高带宽、低延时的通信设施，支持空军各类典型作战平台的行动。SpaceX公司获得的合同主要是利用多型军机对其Starlink星座的传输能力进行测试。10月，该公司透露，空军已经利用2018年发射的Starlink两颗原型星与安装在C-12军机上的终端进行数据传输测试，结果显示速率可以达到610Mbit/s，空军相关主管官员称“测试结果非常令人满意”。此外，波音公司（Boeing）也在需求牵引下，2019年推出了新型机载平板卫星天线，未来可安装在军机上，使其获得商业宽带卫星通信服务。

加拿大方面，电信卫星公司（Telesat）正在推动其主导的Telesat低轨宽带星座设计和研发工作。7月，加拿大政府与Telesat公司签署协议，将向Telesat低轨宽带星座一次性投资8500万加元（约合6470万美元），用于星座的技术研发和测试工作；后续，加拿大政府还将与Telesat公司签署一项注资协议，计划在10年时间内向星座继续投资6亿加元（折合4.56亿美元）。

俄罗斯方面，俄罗斯航天国家集团（ROSCOSMOS）正在推动其600颗各类卫星组成的“球体”（Sfer）星群计划，该计划中包含一个由288颗卫星构成的低轨通信星座，星座预计造价2990亿卢布（约312亿人民币），计划在2025年前建成，可提供电话和互联网接入服务。8月，俄罗斯政府军事工业委员会（MIC）完成了与该星座计划的协商，已经正式开始考虑自2020年起提供拨款。从这个角度来看，俄罗斯军方极有可能介入该系统的建设，未来有望建设一个军民两用型的卫星星座，满足国内民商用需求的同时，为军事作战用户提供更好的通信保障。

Telesat星座示意图

监管约束收紧、将加快淘汰节奏

低轨星座的火热态势，与此前相对较弱监管约束也有直接关系。10月，Starlink星座新增3万颗卫星的网络资料公布，引发广泛关注。考虑到ITU此前对非地球静止轨道（NGSO）卫星星座设定的里程碑节点规则相对宽松，运营商只需要在资料提交7年内发1颗卫星并使其稳定运行90天，就能获得相对晚提交申请资料系统的优先权，否则只是付出资料失效的代价。可以判断，SpaceX公司此举最核心和最初的意图即在于用低成本抢占频轨资源、挤压潜在国际对手，为后续发展争取更大的空间。但2019年世界无线电大会（WRC-19）新规定的星座部署节点要求指出，通信卫星运营商必须在资料提交9年内（即原规定7年节点要求的基础上，再加2年时间内）部署10%、12年内部署50%、14年内部署100%，否则频谱权利将按照实际发射梳理按比例缩减。

受此影响，星座竞争淘汰节奏进一步加快。11月，低轨宽带创企低轨卫星公司（LeoSat）宣布由于缺乏资金来源，公司已经停业。LeoSat公司由原另外三十亿人公司（O3b）首席执行官创建，旨在发展108颗低轨卫星构成的宽带星座，重点面向企业用户而非普通消费者提供服务。该公司此前一直处于融资困难的阶段，其原寄望西班牙卫星公司（Hispasat）和日本天空完美日星公司（SKY Perfect JSAT）会助其完成5000万美元的A轮融资，但两家卫星运营商由于管理层变动，导致相关合作投资计划发生重大变化，最终导致该项目不得不停止。

3 瞄准超高通量、灵活载荷，打造多轨联合、天地一体服务

2019年，传统高轨通信卫星领域向超高通量和灵活定制化方向演进，“500Gbit/s+”成为下一代系统标配，牵引体系架构、载荷技术升级，波音公司、空客防务与航天公司、泰雷兹-阿莱尼亚航天公司（TAS）均发力小型灵活卫星制造，打造地球静止轨道（GEO）整星级产品线；空天地海一体化融合趋势加速，多项卫星与第5代移动通信系统（5G）网络融合试验研发项目快速推进、成果突出。

Jupiter-3卫星示意图

Q/V频段、光载荷技术推动VHTS研发

随着传统卫星频段资源的使用趋向饱和，Q/V频段具备的高带宽、窄波束等优势，使其被广泛认为是下一代超高通量卫星通信系统（VHTS）的首选频段，成为产业界关注的焦点。主流运营商在其VHTS系统规划时，都将Q/V频段作馈电链路使用。一方面，可完全将Ka频段资源分配给用户链路使用，系统容量将大幅提升；另一方面，可使单个信关站传输能力更大、管理的用户波束数量更多，相同卫星容量下所需的信关站数量就能减少，从而降低系统建设总成本。目前，Ka/Q/V频段配置已成为超高通量通信卫星频率方案设计中的共识。6月，美国联邦通信委员会（FCC）向休斯网络系统公司授予其500Gbit/s的下一代超高通量卫星—休斯-95W[HNS-95W，又名丘比特-3（Jupiter-3）]的建造与运行许可，标志着全球首颗旨在采用Q/V频段提供商业服务的通信卫星系统建设迈出重要一步。

随着通信卫星载荷小型化、大容量、高速处理转发等趋势发展，传统电域微波信号处理与传输技术在有效载荷系统中的局限日益凸显，如微波变频载荷的多级结构复杂、隔离度低，高频微波信号传输载荷的损耗高、质量大，微波交换与处理载荷的电磁干扰等。因此，通过引入微波光子技术克服传统电域微波信号处理与传输的局限，可以在完成相同功能的基础上节省大量空间，还可以升级卫星容量（至数十波束）。12月，空客防务与航天公司通过名为“光地平线2020”（Optima Horizon 2020）的项目，验证并演示了光子卫星有效载荷技术，并使其达到了6级的技术成熟度，从而做好了未来投入在轨原型演示验证的准备。

打造GEO整星级通用灵活产品线

近年来，在运营商越来越追求在轨通信功能的灵活性驱动下，卫星制造商不断加大对灵活载荷产品的投入，并逐步推动载荷研制向通用化转型，从而与公用平台的成熟、模块化设计研制相匹配，打造高轨大卫星的整星级生产线，大幅压缩研制周期和交付时间，推动从定制生产向真正意义上的批量生产转移。2019年，波音公司、空客防务与航天公司和泰雷兹-阿莱尼亚航天公司均推出各自的灵活卫星产品线。

波音公司702X系列产品线：波音公司基于为SES公司研制的“下一代另外三十亿人”（O3b mPower）系列卫星，推出了702X系列静地通信小卫星产品，该产品利用数字载荷和3D打印部件将干质量3750kg的卫星压缩至只有1900kg，原本需要4500个部件和近1300条射频电缆缩减至只需要348个部件和64条电缆，卫星将采用固态放大器，设计寿命15年，用户下单后3年交付，载荷采用模块化设计，具备软件定义功能，配备支持生成5000个点波束的相控阵天线，容量最大1Tbit/s。

泰雷兹-阿莱尼亚航天公司“灵感”（Inspire）系列产品线：该公司认为，到2022年或2023年之后，灵活卫星将成为高通量系统发展的主流，其新推出的名为Inspire产品线将研制一款新型全电卫星产品，该卫星强调质量轻和采用数字有效载荷，可实现“一箭三星”的发射能力，卫星质量约2000kg，设计寿命15年，支持Ku和Ka频段，容量在100～200Gbit/s。该公司期待在2020年底前拿到首份订单，2023年完成首星研制，利用标准化部件来加快生产，后续卫星制造周期将缩短至18个月。

空客防务与航天公司“一星”（Onesat）系列产品线：该公司在6月正式推出名为Onesat的产品线，并基于此获得了国际通信卫星-7（Inmarsat-7）系列3颗卫星的研制订单。Onesat主要具备的特点：一是基于模块化、标准化理念，采用设计制造一体化方法，可实现多星并行生产，将卫星交付周期从3.5年缩短至1.5年；二是采用电推进方式、降低发射质量，结构上采用紧凑化设计，卫星尺寸小于传统GEO卫星，而且发射时，整流罩内的卫星可以相互堆叠在一起，不需要安装单独的适配器；三是载荷方面，在覆盖上采用先进的波束成形技术，具备生成数千个点波束的能力，可在数秒内对波束覆盖区做出调整，容量方面，突出可重构能力，能根据用户需求变化瞬时（毫秒级）调整容量分配策略，为热点目标区域集中提供数吉比特每秒的容量。

基于Onesat系列产品线的Inmarsat-7X

探索多轨联合、卫星+5G融合

在中低轨星座快速发展的冲击下，传统高轨卫星运营商近年来已经不断加大对该领域布局，积极探索高中低轨联合服务应用的潜力。2019年，欧洲通信卫星公司（EUTELSAT）的相关工作取得进展。10月，该公司与泰雷兹-阿莱尼亚航天公司合作，在一架安装了Thinkom Ka 2517相控阵天线的飞机上完成了跨GEO/中地球轨道（MEO）的机载宽带业务演示。该飞机在飞行途中经过数颗GEO和MEO卫星，以及各颗卫星的不同波束，但全程机载连接正常。这是全球第一次利用MEO卫星进行机载通信，在MEO和GEO卫星之间实现了无缝切换。飞行途中的数据下载速率达265Mbit/s，还成功开展了4K视频传输测试等大带宽应用测试。此次测试也将为SES公司未来“GEO高通量卫星+O3b下一代卫星”大规模应用于机载市场奠定基础。

2019年，随着5G网络在各国逐步投入商用，卫星行业对5G融合应用的研究进度进一步加快。11月，韩国电信卫星公司（KT Sat）使用高丽卫星-6（Koreasat-6）成功进行了5G网络传输测试试验。此次测试名为“卫星+地面混合5G传输”，通过结合不同的网络，实现了基于卫星通信干线链路的5G边缘云媒体传输。除此之外，5月，Telesat公司、萨里大学与新科技公司（Newtec）合作测试，使用Telesat公司的低轨宽带试验星开展5G回传测试。结果显示，数据传输时延仅为18～40ms，可以支持包括8K流媒体传输、视频通话等在内多类应用，为卫星+5G在海上、航空、联网汽车等高耗带宽应用铺平了道路。试验表明，低轨系统在融入5G网络、提供宽带服务方面具有重大优势。

总体来看，在全球科技革命、产业变革和市场需求变化的共同作用下，通信卫星系统作为重要的全球性信息基础设施领域，正在经历前所未有的深度调整期，以超大容量、全球组网、灵活可调、安全可靠为主要特征，驱动技术更迭与升级速度不断加快，新理念、新模式、新应用持续涌现，与其他天基信息系统的融合趋势愈发明显，与地面移动通信网络更新换代的交叉影响逐步深化。这些变化和趋向，已经并将在相当长的时期内对国际通信卫星制造和运营服务领域产生冲击，值得深入持续开展研究。

Telesat公司开展5G测试的天线设备