2021年国外通信卫星发展综述

2022-03-15王韵涵北京空间科技信息研究所

国际太空 2022年2期

王韵涵（北京空间科技信息研究所）

2021年，国外通信卫星领域发射活动再创新高，共实施39次通信卫星发射，成功将1388颗通信卫星送入太空。通信卫星整体行业格局面临重塑和调整。传统高轨通信卫星市场低迷，在轨占比持续下滑；低轨互联网星座领域发展迈入高峰期，部署数量和申报数量持续走高。整体来看，通信卫星领域发展竞争态势激烈，同时伴随大国竞争及产业模式转变，领域发展将呈现新格局。

1 总体态势

2021年，国外共实施39次通信卫星发射，成功将1388颗通信卫星送入太空，其中军用通信卫星1颗，民商用通信卫星1387颗。自1958年12月18日第1颗通信卫星成功发射以来，国外已经成功发射4760颗通信卫星。截至2021年12月，国外共计有3065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。

2021年，国外通信卫星成功部署的数量较2020年增加389颗，“星链”（Starlink）、“一网”（OneWeb）等低轨互联网星座的大规模部署是卫星数量增加的重要原因。美国以数量级优势稳居第一，欧洲位居第二，美国和欧洲发射总数量占比超过90%，继续保持领先地位。从在轨数量上看，美国、欧洲、俄罗斯位居前三位，三者在轨总数量占比达94%。

2021年国外通信卫星发射和在轨数量统计

2低轨宽带商业星座竞争加剧，“星链”“一网”领先全球

低轨星座批量部署迈入高峰期

“星链”“一网”两大星座引领全球卫星互联网领域发展，凸显“群雄逐鹿”抢占先发位置态势。2021年，“星链”星座实施19次大规模部署，部署989星。自首发试验星以来，累计发射1944颗卫星。上半年发射频次密集，在3月创下20天4发的纪录，推测其卫星工厂实现月均150星的生产速度。5月完成第一期第一阶段卫星发射任务。下半年自9月起恢复部署任务，开始发射搭载星间激光通信终端的新一代v1.5版本卫星。美国太空探索技术公司（SpaceX）使用猎鹰—9（Falcon—9）部署“星链”卫星，一次最多可发射60星，一级火箭可重复使用，卫星部署成本不断摊低。

在快速推进空间网络建设的同时，SpaceX公司也在积极争取美国之外的国家落地权和地面站建设工作，覆盖国家和地区包括加拿大、大洋洲（澳大利亚、新西兰），欧洲（英国、法国和德国），南美洲（主要是智利）等，覆盖范围仍在持续扩大。SpaceX公司还积极与地面云服务领域巨头微软、谷歌等达成合作协议，通过其星座为后者拓展云服务。SpaceX公司将在谷歌全球数据中心内部署“星链”地面站，实现其卫星网络与谷歌地面云网络设施的高效耦合，从而推动构建星地一体网络服务平台，大幅提升其服务效率与可靠性。

一网公司（OneWeb）成功渡过破产重组等重大财务危机，部署进度加快恢复。2021年，一网公司共发射8批次共284颗卫星。初代星座累计部署394颗卫星，建设进程过半，进度仅次于“星链”。2021年底，一网公司在北纬50°以上地区测试服务性能，2022年有望提供全球服务。据在阿拉斯加、加拿大和英国等地区的测试结果，网络服务延迟小于50ms，速度可达100Mbit/s。

总体来看，“星链”星座近年来在美军、民、商各界力量的支持下快速发展，不断刷新行业纪录。“一网”星座紧随其后，稳扎稳打，单星稳定可靠。其他低轨星座也在本年度取得进展，加拿大电信卫星公司（TeleSat）的“光速”（Lightspeed）星座获加拿大以及多个地方政府投资支持，总体建设进度略慢于“星链”和“一网”系统，该公司于2021年初授予泰雷兹-阿莱尼亚航天公司（TAS）298颗卫星研制合同，计划在2022年开始部署，首先发射78颗极地卫星，在北纬高纬度地区投入使用。亚马逊公司（Amazon）的“柯伊伯”（Kuiper）星座加快部署进度，首批2颗原型试验卫星将于2022年发射。

卫星通信面向更高频段发展

随着Ka、Ku频段可用卫星频谱资源日趋紧张，在市场容量需求的推动下，卫星运营商开始探索使用更高的频段以扩大系统容量，提高服务速率。2021年，波音公司（Boeing）147颗V频段卫星获得美国联邦通信委员会（FCC）批准，预计将发射132颗卫星至1056km高度的低地球轨道（LEO），其余卫星将被发射至高度27355～44221km之间的轨道，向个人、商业、事业机构、政府和企业客户提供宽带通信服务。此外，据FCC公布的多份第二轮V频段非地球同步轨道（NGSO）星座申请资料，2021年，有9家卫星运营商新报或者增加V频段卫星运营许可，申请总数接近4万颗，申报者包括传统卫星企业波音、国际移动卫星（Inmarsat）、休斯（Hughes）、国际卫星通信（Intelsat）、卫讯（Viasat）等公司，以及新兴企业亚马逊、阿斯特拉航天（Astra Space）和旋转发射（SpinLaunch）等公司。其中，阿斯特拉航天公司申报规模最大，为13620颗。

3 软件定义卫星从概念走向现实，高低轨卫星趋向融合

软件定义卫星在轨应用拉开序幕

2021年7月，“欧洲通信卫星—量子”（Eutelsat Quantum）卫星发射成功，该卫星是全球首颗“完全软件定义”的商业通信卫星，具备星上功率、覆盖、频率的灵活在轨重构能力。“量子”卫星项目是欧洲航天局（ESA）和欧洲通信卫星公司（EUTELSAT）合作发展的新一代具备灵活通信能力的卫星。卫星载荷由主承包商空客防务与航天公司（ADS）设计开发，英国萨里卫星技术公司（SSTL）为其专门研发了新型地球静止轨道小卫星平台（GMP-T）。卫星发射质量3.5t，设计寿命15年，有效载荷质量450kg，载荷供电功率5kW，容量6～7Gbit/s。

2021年10月，欧洲卫星公司（SES）发射欧洲卫星公司—17（SES—17）卫星。卫星由泰雷兹-阿莱尼亚航天公司研制，发射质量6.4t，星上具有全数字灵活有效载荷，可在轨编程近200个波束，覆盖美洲（北美、加勒比、墨西哥和拉美）及大西洋地区，补充并加强其Ku和Ka频段、高轨和中轨的宽波束和点波束容量，扩展公司的全球空中互联网服务能力。此外，SES公司正在规划的新一代“O3b增强”（O3b mPower）中轨宽带卫星均采用波音公司推出的BSS-702X软件定义平台，质量仅1.2t，但技术性能突出，每颗卫星有多达数千个250km的波束，每个波束支持50Mbit/s至数Gbit/s不等的通信速率，单星容量达到数百Gbit/s，且具备灵活软件定义能力。

软件定义卫星通过在轨软件更新和升级，提高星上高效处理能力，提升有效载荷特性，满足不同用户需求，延长技术生命周期。近两年来，空客防务与航天公司、泰雷兹-阿莱尼亚航天公司也相继推出“一星”（OneSat）、“灵感”（Inspire）等软件定义卫星产品线，新型灵活卫星研制竞争进一步加剧。软件定义卫星将成为未来智能通信星座发展的必经途径和必要基础。

高低轨卫星趋向融合

随着用户容量需求和无缝覆盖要求日益增加，卫星服务商开始探索利用地球静止轨道（GEO）、中地球轨道（MEO）、低地球轨道提供多轨道融合的卫星通信服务。

2021年7月，Inmarsat公司提出“交响乐团”（Orchestra）通信网络建设计划，整合其现役高轨卫星、未来低轨卫星和地面5G设施，打造全球性、多维、动态的综合网状网络。具体而言，GEO卫星包括L频段卫星和Ka频段国际移动卫星GX系列（Inmarsat GX）；LEO星座由150～175颗卫星组成，为高需求地区提供额外容量；地面5G设施则在特定高需求地区增加超高容量，如港口、机场、海峡和海道。11月，卫讯公司宣布将以73亿美元收购Inmarsat公司。合并后，两家公司将共同打造全球高通量混合空间架构和地面网络，为政府、企业、航空、海运等全球移动用户提供更安全、更高速、更低延迟和更低成本的通信服务。

2021年8月，休斯公司演示了朱庇特—2（Jupiter—2）GEO卫星和“一网”卫星协同组网的能力。9月，安装休斯HM系列软件定义卫星终端的无人机演示在MEO和GEO多网络高速通信能力，将高清视频和传感器数据从机上传输至地面指挥中心。12月，SES公司和休斯公司合作演示霍尼韦尔（Honeywell）JetWave MCX宽带卫星通信解决方案提供的GEO/MEO多轨道、多网络机载宽带通信的能力。

此外，Telesat公司未来也有计划基于已有的高轨HTS宽带系统和“光速”低轨宽带星座，打造分布式、灵活、低延迟、高吞吐量、可负担的全球宽带架构，推动实现地面回程通信、航空、海事宽带通信兼容和互操作。

4 多国推进下一代军用通信系统建设，军方重视低轨星座开发应用

2021年，国外共计进行1次军事通信卫星发射活动，成功将1颗卫星送入预定轨道，即法国的锡拉库斯—4A（Syracuse—4A）卫星，该卫星是法国第四代军事通信系统的首颗卫星。

高轨军用通信系统建设有序推进

美国2021年未发射高轨军用通信卫星。美军“先进极高频”星座（AEHF）已于2020年成功组网，现役的窄带和防护系统建设已经完成，未来两年内暂无高轨军用通信卫星部署任务，宽带系统后续发展方案尚未明晰，正在发展的宽带全球卫星通信—11（WGS—11）卫星将作为过渡补强其宽带卫星通信能力。

欧洲主要的军事航天国家目前均在积极谋划、论证或开始建设下一代系统的进程中。法国成功发射Syracuse—4A卫星，为下一代军事通信卫星系统锡拉库斯—4（Syracuse—4）的首颗卫星。Syracuse—4A采用SpaceBus Neo—100全电推进卫星平台，搭载X频段和Ka频段有效载荷，配置星上数字透明处理器和抗干扰天线，具备抗网络攻击、抗干扰和高空核爆炸的能力。Syracuse—4系统包括3颗卫星，第2颗卫星——Syracuse—4B卫星计划于2022年发射，第3颗卫星计划于2030年前发射。英国积极推进下一代天网—6（Skynet—6）卫星项目，新系统将在2028年正式投入运行，而在此之前为了确保服务的连续性，英军计划发展一颗过渡性的卫星Skynet—6A，可于2025年投入运行。意大利持续推进下一代锡克拉—3（Sicral—3）系统的建设工作，该系统包括2颗卫星，容量性能相比上一代明显提升，支持意军宽带和窄带通信需求。

大规模星座发展引起多方重视

2021年，在低轨大规模星座浪潮下，多国政府和军事力量加速介入，抢占空间领域发展先机，争夺频轨稀缺资源。美国国防高级研究计划局（DARPA）的“黑杰克”（Blackjack）项目和美国太空发展局（SDA）的下一代“国防太空体系”（NDSA）中均将低轨通信星座作为其重点研究对象和基础，将对未来通信领域甚至整个军事航天领域发展产生重要影响。2021年，SDA启动NDSA传输层1期的144颗卫星招标，包括126颗“基线”卫星和18颗搭载其他有效载荷的“1期演示与试验系统”（T1DES）卫星。T1DES试验卫星搭载多任务载荷，开展技术演示验证。传输层卫星均安装激光星间链路，组成天基网状网，预计于2024年开始发射。

俄罗斯推进“球体”（Sfera）多功能星座建设。“球体”项目由俄罗斯航天国家集团公司（Roskosmos）负责，旨在建设由几百颗卫星组成的“通遥”高中低轨混合星座。2021年，俄罗斯政府向“球体”项目拨款70亿卢布（约9247万美元），加快卫星研制和关键技术研发进度。2021年12月，俄罗斯航天国家集团公司授出中轨宽带通信卫星和低轨物联网卫星研制合同，预计2022～2023年发射原型卫星。“球体”项目已纳入《2021—2030俄罗斯联邦国家统一航天活动计划》。

欧洲公布“欧洲天基安全联通系统”（ESSCS）项目初步方案。ESSCS星座包括GEO、MEO和LEO卫星，计划在2022年形成1颗GEO、1颗MEO卫星在轨；到2024年形成24颗GEO+MEO、200颗LEO卫星在轨，初步建成安全、弹性的宽带卫星星座；到2029年再发射1200颗LEO卫星，建成面向大众市场的完整的宽带卫星星座。该方案由9家传统大型卫星制造商、发射服务提供商、卫星运营商组成的团队提出，论证耗资710万欧元，于2021年6月形成结论。12月，欧盟再次向由多家创企组成的团队授出论证合同，旨在寻求更优体系架构。

总体来看，主要航天国家政府对低轨大规模通信星座的潜在巨大应用效能愈发重视。美国军方多项目并行推进低轨星座开发应用、加拿大政府斥巨资扶持本国低轨系统、俄罗斯利用航天国家集团统筹加快“球体”星座建设、欧盟启动天基全球安全通信系统和空间交通管理项目、英国政府收购一网公司扶持星座建设。多个星座频轨方案与进度节点，在现有国际规则下形成先发、先占、先用优势。空间交通环境受此影响进一步趋向拥挤紧张。

5 技术发展态势

巨型星座批量部署牵引研制模式转变

近年来，随着商业巨型星座兴起，卫星系统设计理念正在从传统单星的“高精尖”向巨型星座的“多、快、够”转变。大规模、快速的研制部署保证系统可靠性，弥补单点失效风险，降低载荷容错率要求。如“星链”等新兴星座已不再单纯追求以高等级器件保证系统的高可靠性，而是以任务需求为牵引，通过星座系统级冗余设计和故障可恢复设计保障高性能任务的执行。

在研制模式方面，卫星研制向低成本、大批量、智能化发展。国外相关系统研制已经逐步转向自动化生产线模式，以实现批量化、低成本、高效率交付能力。传统卫星的设计、研发、生产、测试理念与模式，无法满足以天为计算周期的出厂效率，传统宇航级产品采购理念和方法，难以支撑高性价比的系统建设，牵引卫星研制流程创新升级与产品采购模式改革。美、欧主流制造商已围绕新要求，提前开展大规模、批量化研制能力的战略转型，一网公司等初创企业将创新商业思维融入研制流程设计与全球化供应链体系建设，也已初步取得成效。

一星多用、多星组网拓展更多功能

小卫星技术迭代演进，单星能力不断升级，各类应用快速发展，新型需求持续挖掘。多元化、高弹性的应用需求催生“通导遥一体化、智能云网”发展新格局。通信卫星的信息基础设施作用愈发凸显，为提升导航、遥感载荷应用效能提供天然支撑。多功能、复合型载荷能力或将成为主要军事航天国家关注的重点方向。美军NDSA、Blackjack卫星计划采用多功能载荷搭载方式，集成多方能力，革新作战应用；“铱星”（Iridium）星座已实现对低轨导航、导弹拦截效果评估等多类功能的承载；欧洲已经实现在高轨通信卫星搭载导航增强载荷，为用户提供增强定位精度服务；一网第二代星座将有望通过搭载导航载荷，为英国政府提供自主的低轨全球卫星导航服务。

在高性能网络通信的基础上，多功能拓展需求更加迫切。美国Blackjack、“七层体系”等军事星座，即采用基于太空云的智能网络体系结构和操作系统，把卫星变为天基网络节点和分布式计算节点，具备极高的自主智能功能，支持自主星座运控、智能任务筹划、轨道云计算和融合处理、泛在低延时网络传输等，将云网与天网相融合，推动航天体系形态向“云”端迁移，构建太空“网云化”的基础设施。

激光星间链路成为军商通信互联的技术关键

多个主流商业低轨星座系统均提出发展星间链路能力。“星链”“一网”二代星座确定配置激光星间链路，“光速”星座计划激光实现空间组网。美军力推的NDSA、Blackjack星座将建成由上百颗卫星组成的天基网状通信网络，通用的激光链路是未来军商多系统星间互联的重要基础。

SDA已向多家行业主流激光通信终端研制商授出合同，推动其分头研发采用共同技术标准、可实现相互通信的低成本激光终端系统。而作为其承包商之一的德国激光技术公司（Mynaric），在开展此项任务的同时，还承担了多个新兴商业低轨宽带星座的激光终端研制工作，部分运营商已确定将采用其为SDA研发的终端，这也将为未来军、商卫星网络实现星间互联奠定技术上的可行性。

2021年9月，DARPA发布“天基自适应通信节点”（Space-BACN）项目计划，旨在通过开发低成本、高速、可重配的激光通信终端，将多个不同的异构星座互连成为一个弹性的“空间层”，解决不同星座之间无法互操作、不同的政府卫星系统之间无法通信、政府卫星与商业卫星难以切换等问题，推动政府和商业卫星星座之间的互操作性。

同时，美军积极推动激光链路在轨演示验证。2021年6月，SDA和DARPA发射曼陀罗—2（Mandrake—2）和激光互联与组网通信系统（LINCS）试验载荷，分别用于开展星间激光通信链路和卫星-无人机激光通信在轨演示验证。具体而言，Mandrake—2包括Mandrake—2A、2B共2颗卫星，由DARPA和美国空军研究实验室（AFRL）开发，搭载SA光学公司（SA Photonics）研制的光学星间链路有效载荷，为Blackjack项目演示验证星间光学链路宽带数据传输技术。LINCS包含2颗试验卫星，由通用原子电磁系统分公司（GA-EMS）研制，任务是评估高数据速率激光通信终端。系统工作波长为1550nm，采用开关键控（OOK）技术，支持高达5Gbps的数据传输速率。卫星与MQ—9无人机机载终端连接，演示验证卫星-无人机激光链路通信性能。