2020 年国外通信卫星发展综述

2021-03-17纪凡策北京空间科技信息研究所

国际太空 2021年2期

纪凡策（北京空间科技信息研究所）

2020 年，在新冠肺炎疫情与全球经济持续下行的背景下，世界主要航天国家项目研发进度缓慢，既定发射计划受阻，但通信卫星由于其信息基础设施的定位、长期的技术积淀与较为成熟的产业发展模式，仍然表现出良好的发展态势。军用通信卫星系统新旧迭代趋势进一步深化，新一代系统凸显大规模、多功能化、智能化、高弹性等特点，低轨宽带系统迈入“单点引领，多点跟进”的新时期，多项年度发射记录被打破，卫星“轨道革命”持续深化，势必将推动卫星通信网络在天、地、用、控等多个维度发生重大变化，对传统航天领域发展模式产生极大冲击，并将在未来现代化军事作战、信息化工业制造、智能化生产生活中承担重要角色。

1 总体态势

2020 年，国外共计进行41 次通信卫星发射（其中1 次发射失败），成功将999 颗通信卫星送入太空，其中，美国874 颗，欧洲106 颗，俄罗斯9 颗，日本3 颗，印度2 颗，其他国家5 颗。自1958 年12 月18日第一颗通信卫星成功发射以来，全球已经成功发射3367 颗通信卫星。截至2020 年底，国外共有1785颗通信卫星在轨运行，通信卫星仍是全球在轨数量最多的一类航天器。

近年来，随着卫星“轨道革命”的全面深化以及小卫星系统、技术的快速演进，低地球轨道（LEO）卫星部署数量呈现爆发式增长，通信卫星领域呈现出越来越明显的“低轨化”分布特征，“星链”（Starlink）星座已经成为迄今为止人类发展的规模最大的卫星系统，传统高轨卫星部署和在轨占比则不断下滑，新态势、新格局已对卫星的研制和利用方式形成巨大冲击，并将持续对人类进入和认知太空的能力产生深远影响。

2 低轨宽带星座建设进入新时期，竞争淘汰态势进一步深化

2020 年，在新冠肺炎疫情和投资环境恶化等因素影响下，全球低轨宽带星座领域的挑战与风险逐渐清晰，“输血”和“造血”能力成为该领域取得成功的关键。

“星链”年度完成14 次大规模部署，星座部署与系统军民应用持续推进

2020 年，太空探索技术公司（SpaceX）主导的“星链”星座完成14 次、833 星部署，已迈入常态化、高密度发射新阶段。在此牵引下，SpaceX 公司于2020 年发起两次股权融资，共计获得超过24 亿美元资金，12 月新获8.855 亿美元美国联邦通信委员会（FCC）农村宽带补贴，并已启动新一轮融资计划，目标估值达960 亿美元，持续吸引外界“输血”；同时，积极推进系统应用，在2020 年开展的“星链”早期验收测试（Beta 测试）中，其网速可达到50 ～150Mbit/s，用户规模不断增加。在此基础上，以北美市场为根基向全球范围持续辐射业务布局，在美国境外国家与地区开设14 家分公司，积极打造自身“造血”能力，进一步吸引美国政府、军方的政策与资金支持，从试验应用向商业化运营积极转变，全方位领跑低轨宽带星座发展。

一网公司经历破产重组、恢复发射，全新组织形态或可重塑竞争力

3 月，低轨宽带星座标杆企业一网公司（ONEWEB）因资金链断裂申请破产保护，引发业内外广泛关注。在历经资产拍卖、多方博弈后，一网公司于11 月完成资产重组，由英国政府与印度巴蒂电信公司（Bharti Airtel）合力收购，并于12 月恢复发射，年度完成3 次、104 星部署。通过此次重组，一网公司摆脱债务危机，获得国家层面支持，利用印度电信巨头打开印度及非洲市场，将在业务落地方面取得进展。在全面落后于SpaceX 公司的背景下，一网公司实现赶超难度极大，但其全新的组织形态或可在低轨宽带星座市场中重获一定竞争力。

美国“星链”星座（来源：SpaceX）

俄罗斯“球体”星座（来源：Roskosmos）

新老系统加速入场，竞争态势进一步深化

2020 年，其他低轨宽带星座也取得重要进展，深化了该领域的竞争态势。FCC 公布多家公司提出的非地球同步轨道（NGSO）星座计划，涉及卫星规模达到8 万颗；欧洲航天局（ESA）开始为其拟打造的运行轨道为200 ～300km 的超低轨、低延迟的通信星座招标；“电信卫星”（Telesat）星座计划扩至1671 颗，拟2021 年开始部署；“柯伊伯”（Kuiper）星座获批，亚马逊云服务（AWS）地面站业务发展迅速；俄罗斯综合星座“球体”（Sfera）项目将建立单独的联邦目标计划（FTP），并纳入俄罗斯未来5 年航天发展规划；欧盟委员会（EC）欲牵头打造自主卫星互联网星座，拟投资60 亿欧元。

总体来看，全球低轨宽带星座正呈现出“单点引领、多点跟进”的新特点。虽然“星链”当前在系统部署、应用推广等方面均保持领先身位，但由于卫星互联网具有足够大的市场、各国卫星落地政策的差异、地缘政治等多方面影响因素，该领域的未来发展走向及格局尚不明朗。

3 高通量系统建设稳步推进，传统固定广播卫星市场回暖

高通量系统呈现轨道多样化、高频拓展的发展特点

以高容量、低单位带宽成本、灵活覆盖为主要特点的高通量卫星系统持续其强劲的市场发展势头，并在2020 年呈现出新的发展趋势。一是轨道多样化趋势更加突出，传统高通量卫星以高轨卫星为主，仍然突出单系统的强大能力。近年来，传统卫星运营商与新兴卫星互联网创企纷纷着力发展中低轨高通量卫星系统，其中，“一网”（OneWeb）单星容量超过8Gbit/s，“星链”单星容量约17Gbit/s。考虑到低轨星座动辄上百颗的部署数量，其容量供应量将在很大程度上分割传统高轨高通量卫星市场份额，并进一步革新高通量卫星发展模式。此外，欧洲卫星公司（SES）于2020 年8 月宣布将扩大“O3b 增强”（O3b mPOWER）中轨道星座规模，卫星总数达到11 颗，将进一步巩固其在高通量卫星领域的优势地位。二是向更高频段拓展，传统通信卫星使用的C、Ku 频段逐渐饱和，高通量卫星逐渐向更高频段发展，如Ka/Ku 频段，乃至Q/V 频段。SpaceX 公司于2020年向FCC 提出30000 颗卫星申请，甚至已将频率规划至E 频段。而O3b mPOWER 星座也将有6 颗卫星采用V 频段。

“一网”星座（来源：Airbus）

频谱清理方案敲定，GEO 轨道卫星市场回暖

在高通量卫星技术飞速发展、互联网业务冲击等因素影响下，传统C 频段固定广播卫星市场此前持续低迷，卫星签约量不断下滑，2019 年稍有回暖，2020 年市场向好趋势更为突出。2020 年3 月，FCC 发布C 频段频谱清理最终方案，包括国际通信卫星公司（INTELSAT）、欧洲通信卫星公司（EUTELSAT）和SES 公司在内的多家卫星运营商将能获得总计150 亿美元的频谱腾让费用。因此，SES 公司、INTELSAT 公司等老牌通信卫星运营商的C 频段固定广播卫星将无法使用，从而亟需采购新卫星组网以维持服务能力，地球静止轨道（GEO）通信卫星市场随之回暖。据不完全统计，2020 年GEO 通信卫星签约数量达到21 颗，其中C 频段补网卫星11 颗。

4 新型军用通信卫星系统的大规模、高弹性、多功能化特点凸显

近年来，全球商业低轨宽带通信卫星星座建设热潮兴起，其批量研制、快速部署、大容量、低延时、全球覆盖等特点，为军事作战通信保障应用提供了新思路、新方案。在此背景下，以美国为代表的主要军事航天国家均探索利用商业卫星星座发展成果服务军事能力建设，新概念、新设想集中涌现，大规模、高弹性、多功能化特点凸显，并在2020 年取得进展。

美国下一代“国防空间架构”取得进展

美国于2019 年提出下一代“国防空间架构”（NDSA）构想，旨在利用大规模、分布式、去中心化星座提升应对现实威胁的系统弹性和新兴威胁的快速演进更新能力。“传输层”（Transport Layer）是“国防空间架构”基础层，是美国航天发展局（SDA）未来3 年发展的重点，将由数百颗通信卫星组成。2020年，SDA 全面推进“传输层”试验工作，5 月发布“传输层0 期”（Tranche 0）招标文件，在不到4 个月的时间内完成项目招标工作，选择洛马公司（LM）和约克空间系统公司（York Space System）作为卫星研制主承包商。6 月5 日，SDA 授予通用原子电磁系统公司（GA-EMS）电磁系统分部一份合同，后者将在2021 年使用其1550nm 激光通信终端开展一系列星间光学链路（OISL）在轨验证试验。10 月23 日，SDA 发布“传输层1 期”技术征询书。根据文件，“传输层1 期”将在“传输层0 期”星座基础上拓展卫星数量，技术上作渐进性增强。

“传输层”在七层体系建设层面起到“探路者”作用，其前期发展经验将直接影响七层体系发展路线乃至最终的功能体系。一方面是发展路线上的调整，SDA 原计划分3 个阶段发展“传输层”，目前来看，“传输层0 期”已提前开展，与“风险降低演示”（RRD）同步进行；另一方面是体系上的迭代优化，“传输层”原计划发展超过600 颗卫星，目前的方案则将卫星数量降低至120 ～170 颗。此外，SDA 发布的“传输层1 期”技术征询书中透露出搭载遥感和射频载荷的想法，这将淡化传统卫星体系架构理念，“传输层”未来可能通过搭载遥感、“过顶持续红外”（OPIR）等多种载荷实现跨功能层的多项功能。

俄罗斯通导遥一体化综合星座浮出水面

俄罗斯针对“星链”、“一网”等低轨宽带星座，最早于2018 年提出打造通导遥一体化星座—“球体”，并于2019 年完成与俄罗斯军事工业委员会（MIC）的磋商。

10 月，俄罗斯航天国家集团（约合197.5 亿美元）（Roscosmos）向俄罗斯联邦政府申请15000 亿卢布经费，用于建设“球体”多功能星座。该星座由通信、导航、遥感多种卫星组成，可提供宽带通信、机器对机器通信、侦察、导航等多种功能，有望纳入《俄罗斯联邦国家统一航天活动计划（2021－2030）》。

瞄准“星链”，欧洲欲打造泛欧层面低轨宽带星座

12 月17 日，欧盟委员会计划牵头斥资60 亿欧元（约合73 亿美元）打造欧洲版“星链”星座，以避免欧洲在卫星互联网领域竞争中落后。欧盟委员会已批准了一项类似于“星链”的近地轨道卫星互联网研究项目，并授予几家欧洲电信公司、卫星制造商和卫星运营商一份合同，以研究该项目的可行性。该卫星网络将为政府机构提供安全通信，并为偏远地区提供互联网服务。

该星座将由欧盟委员会、地方复兴基金和其他相关公司共同出资，资金总额为60 亿欧元，并将充分借鉴欧洲“政府卫星通信”（GovSatCom）和量子技术项目（QCI）的现有成果，“让欧洲能够接触到基于天基量子密码学所提供的安全级通信”。该星座将由空客防务与航天公司（ADS）牵头的团队共同建设，包括泰雷兹-阿莱尼亚航天公司（TAS）、德国不莱梅轨道高技术系统股份公司（OHB system）、EUTELSAT 公司、SES 公司、意大利空间通信公司（Telespazio）和阿里安空间公司（Arianespace）。

综上来看，随着多功能载荷搭载技术的日趋进步，考虑到卫星频率轨道资源的排他性，今后由多功能承载、组网协同的综合性星座或将成为主流。从目前来看，综合性星座的建设方式有两类，一类是采用载荷搭载的方式实现物理耦合，这一思路已在“铱星下一代”（Iridium NEXT）星座建设中有所体现，该星座在设计之初即为卫星平台预留部分承载能力，可搭载第三方有效载荷，其搭载的天基杀伤评估载荷可提升反导能力；另一类是采用标准化接口和太空云的方式实现体系耦合，这一思路是采用光学星间链路等技术，以未来全球持续天基低时延数据通信为支撑，构成由多个不同业务属性的卫星组成的互联互通的一体化体系，可由多个太空系统或载荷实现同一功能，反之一类太空系统也可以通过搭载多载荷实现跨功能层的多项功能，美国下一代“国防空间架构”和“黑杰克”（BlackJack）项目预计都将采用这一方式。

“铱星下一代”飞行示意图（来源：Iridium）

5 卫星系统自主任务控制和切换将成重要趋势

随着低轨通信星座的大规模部署，星座运控成为运营商面临的现实问题。通过软件技术实现卫星的自主任务控制和切换，打造太空云平台，可极大降低未来大规模星座地面运控的复杂度。同时，随着未来太空中卫星数量的爆发式增长，卫星轨道逐渐拥挤，碰撞风险不断增加，自主运行卫星可实现在轨自动避让等操作。目前来看，无论是洛马公司基于软件定义无线电技术的“智能卫星”（Smartsat）、“黑杰克”项目的“赌台官”（PitBoss），还是美国空军拟打造的“变色龙”（Chameleon）星座计划，都属于这一范畴。特别是“黑杰克”项目所体现出的“一星多用、多星协同、天基组网、智能自主”等技术优势，已逐步被美军所认可。在全球卫星发射数量井喷式爆发、低轨通信星座计划层出不穷的背景下，这一技术显得尤为重要。2020 年，以特超巨星公司（Hypergiant）为代表的航天创企着力于基于人工智能的卫星系统自主任务控制和切换，可大幅提升大规模卫星群管理能力。

基于人工智能的卫星管理系统

5 月21 日，美国人工智能创企—特超巨星公司正式推出名为“超智能航天器增强”（HIVE）的卫星任务管理系统，该系统面向商业用户和政府用户，旨在利用人工智能（AI）技术和云计算技术降低卫星任务管理成本，可同时支持人为远程和自主航天器任务操控模式，减少操控人员的培训时间，提高卫星运营商的运管效率。目前，美国空军太空与导弹系统中心（SMC）已经与特超巨星公司签署协议，将在未来的任务中使用该平台。HIVE 系统具备两大技术特点：一是基于人工智能技术，系统可自动提取航天器任务操控所需的各类信息，并能通过与外部数据源进行关联分析，对未来任务需求、任务类型进行预测，还能对卫星运行的健康状况进行监控和诊断，从而自动控制卫星开展相应在轨任务操作。相比传统人工模式，有效节省了数据提取和分析的时间，降低了卫星任务管理成本。在此基础上，运营商可大幅改进其管理能力，实现从原来同时运管3 ～5 颗卫星提升至75 ～100 颗卫星，解决卫星数量呈指数级增长所带来的数据量爆炸的问题。二是基于云计算技术和下一代人机交互界面技术，具备各类移动平台的可移植性，支持在笔记本电脑、平板电脑等各类移动终端远程上，对所运管的卫星进行操控，这为紧急情况下，卫星操控人员无法现场执行任务提供了极大的灵活性。

美国空军基于人工智能技术的在轨任务可重构星座

“变色龙”是特超巨星公司拟打造的基于人工智能技术的可实现在轨任务重构的星座。该公司于1 月向美国空军提出“变色龙”星座计划构想，并获得了美国空军“小型企业创新研究补助金”的支持，6 月30 日，特超巨星公司宣布与美国空军达成协议，拟研制“变色龙”星座首颗原型星，并计划2021 年搭载诺格公司（Northrop Grumman）“天鹅座”（NG－14）货运飞船发射入轨，验证其基于人工智能技术的在轨任务重构性能。该星座拟由24 ～36 颗卫星组成，运行于LEO 轨道，卫星均为6U 立方体卫星，旨在通过人工智能技术实现卫星在轨软件升级，并根据地面需求与指令，在几分钟内完成任务重置。该星座可支持地面操作人员与用户对其进行测试，并按需加载新的进攻性或防御性软件切换卫星任务属性（如由防御性转变为进攻性），同时可将新兴技术插入到固有任务构架中，实现在轨功能升级。

“变色龙”星座具备以下特点：一是可基于星座运行与任务数据，优化、改进星载机器学习与人工智能协议、指令等，进一步提升其任务执行能力；二是支持星上软件更新升级，进而提高卫星性能，延长卫星使用寿命；三是可根据地面需求，快速完成软件功能重新配置，变更传感器阵列的功能与通信协议，从而完成卫星任务属性切换，如侦察、通信等；四是通过更新网络安全软件和协议，实现快速威胁防护。