韓慧鵬 劉波 佟金成 （中國空間技術(shù)研究院通信衛(wèi)星事業(yè)部）

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國外地球靜止軌道通信衛(wèi)星2011-2015年發(fā)展概況及啟示

韓慧鵬 劉波 佟金成 （中國空間技術(shù)研究院通信衛(wèi)星事業(yè)部）

目前，通信衛(wèi)星已經(jīng)成為在軌數(shù)量最多的航天器，各國已將通信衛(wèi)星與經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會(huì)服務(wù)、軍事國防等領(lǐng)域密切關(guān)聯(lián)。從通信衛(wèi)星分布的軌道來看，除美國和俄羅斯等少數(shù)國家或組織在低地球軌道（LEO）部署通信衛(wèi)星外，通信衛(wèi)星主要集中在地球靜止軌道（GEO）。

2011-2015年，全球GEO通信衛(wèi)星領(lǐng)域經(jīng)歷了長足的發(fā)展，主要表現(xiàn)為高吞吐量衛(wèi)星、寬帶移動(dòng)通信衛(wèi)星、高清電視直播衛(wèi)星、全電推進(jìn)衛(wèi)星等多類衛(wèi)星的發(fā)射，以及多種新型通信衛(wèi)星有效載荷技術(shù)的應(yīng)用。

1 研制單位能力

根據(jù)公開資料顯示，近5年各國共發(fā)射GEO衛(wèi)星150顆，研制單位主要集中在美國的勞拉空間系統(tǒng)公司（SS/L）、洛馬公司（LM）、軌道科學(xué)公司（OSC，現(xiàn)已更名為軌道-阿連特技術(shù)系統(tǒng)公司）和波音公司（Boeing）、歐洲的泰雷茲-阿萊尼亞空間公司（TAS）和歐洲空客防務(wù)與航天公司（ADS）、俄羅斯的信息衛(wèi)星系統(tǒng)-列舍特涅夫公司（ISS Reshetnev）、中國空間技術(shù)研究院（CAST）以及印度空間研究組織（ISRO）等單位。其中，中國空間技術(shù)研究院在2015年發(fā)射的GEO衛(wèi)星數(shù)量僅次于波音公司，占全年發(fā)射總量的17.6%，亦是該單位在近5年的最高全球發(fā)射量占比。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)，近5年通信衛(wèi)星領(lǐng)域呈現(xiàn)如下特點(diǎn)：

1）勞拉空間系統(tǒng)公司的生產(chǎn)能力最強(qiáng)，近5年共發(fā)射26顆衛(wèi)星，該公司在高功率通信衛(wèi)星方面具有領(lǐng)先地位，與歐洲空客防務(wù)與航天公司均瞄準(zhǔn)全球大中型衛(wèi)星市場，憑借其LS-1300平臺多年占據(jù)全球商業(yè)衛(wèi)星市場1/4以上的份額。

2）洛馬公司的業(yè)務(wù)以軍用通信衛(wèi)星為主，產(chǎn)品覆蓋衛(wèi)星固定通信（FSS）、衛(wèi)星廣播（BSS）、衛(wèi)星移動(dòng)通信（MSS）以及其他軍事應(yīng)用領(lǐng)域。近5年，洛馬公司研制的4顆美國海軍“移動(dòng)用戶目標(biāo)系統(tǒng)”（MUOS）衛(wèi)星和2顆“先進(jìn)極高頻”（AEHF）衛(wèi)星均已成功發(fā)射。此外，洛馬公司還為日本廣播衛(wèi)星系統(tǒng)公司（BSAT）和越南郵政與電信集團(tuán)研制完成商業(yè)通信衛(wèi)星。

3）波音公司在近5年共發(fā)射GEO通信衛(wèi)星16顆，繼續(xù)保持其傳統(tǒng)的軍用通信衛(wèi)星系統(tǒng)研制的狀態(tài)，為美軍“跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星”（TDRS）系統(tǒng)和“寬帶全球衛(wèi)星通信”（WGS）系統(tǒng)的主承包方。波音公司研制的國際移動(dòng)衛(wèi)星-5系列（Inmarsat-5F）衛(wèi)星在2015年已完成組網(wǎng)，構(gòu)建了全球首個(gè)衛(wèi)星寬帶移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)。

2011-2015年全球發(fā)射GEO衛(wèi)星情況1）

4）分析泰雷茲-阿萊尼亞空間公司在近5年發(fā)射的各類衛(wèi)星可知，其研制的衛(wèi)星主要分布在中、低軌道，其業(yè)務(wù)以通信衛(wèi)星星座為主，并通過出口衛(wèi)星有效載荷設(shè)備獲得豐厚的收益。目前三大通信衛(wèi)星星座［“全球星”（Globalstar）第二代星座、“銥”（Iridium）第二代星座和“其他三十億人”（O3b）星座］均由泰雷茲-阿萊尼亞空間公司承建。

5） 信息衛(wèi)星系統(tǒng)-列舍特涅夫公司是俄羅斯最大的衛(wèi)星生產(chǎn)企業(yè)，產(chǎn)品包括通信、中繼、導(dǎo)航和地球探測等50種航天器，其通信衛(wèi)星覆蓋商業(yè)衛(wèi)星和軍用衛(wèi)星，尤其是承研了俄羅斯國內(nèi)絕大部分軍用通信衛(wèi)星。

6）為均衡生產(chǎn)能力，各研制單位加強(qiáng)合作和外包模式，例如泰雷茲-阿萊尼亞空間公司與信息衛(wèi)星系統(tǒng) 列舍特涅夫公司在近5年簽訂合作協(xié)議，計(jì)劃研發(fā)新型高功率通信衛(wèi)星平臺（超過12kW），同時(shí)研發(fā)衛(wèi)星有效載荷元器件或功能組件，并具備通信衛(wèi)星和有效載荷的總裝、集成、測試能力。

7）僅從發(fā)射數(shù)量來看，近5年在GEO衛(wèi)星領(lǐng)域已形成3個(gè)梯隊(duì)：第一梯隊(duì)發(fā)射數(shù)量在20顆（含）以上，包括勞拉空間系統(tǒng)公司、歐洲空客防務(wù)與航天公司和信息衛(wèi)星系統(tǒng) 列舍特涅夫公司，該梯隊(duì)發(fā)射衛(wèi)星數(shù)量共占全部發(fā)射衛(wèi)星的44.6%；第二梯隊(duì)發(fā)射數(shù)量在10顆（含）以上，包括波音公司、中國空間技術(shù)研究院、軌道科學(xué)公司和泰雷茲 阿萊尼亞空間公司，該梯隊(duì)發(fā)射衛(wèi)星數(shù)量共占全部的36.1%；第三梯隊(duì)發(fā)射數(shù)量在10顆以下，以洛馬公司和印度空間研究組織為代表。此外，各單位通過平臺與載荷合作、軌位合作、技術(shù)服務(wù)與運(yùn)營合作等多種模式，有力地促進(jìn)了通信衛(wèi)星領(lǐng)域的專業(yè)分工和快速發(fā)展。

2 通信衛(wèi)星技術(shù)現(xiàn)狀

高吞吐量通信衛(wèi)星

2011年10月19日發(fā)射的由勞拉空間系統(tǒng)公司研制的衛(wèi)訊-1（Viasat-1）衛(wèi)星是近5年高吞吐量通信衛(wèi)星的代表，單星擁有56臺Ka頻段轉(zhuǎn)發(fā)器，總數(shù)據(jù)吞吐量可達(dá)140Gbit/s，比當(dāng)年北美地區(qū)上空其他所有商用通信衛(wèi)星的總?cè)萘窟€大，該容量是休斯網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)公司2007年8月發(fā)射的首顆全Ka頻段寬帶通信衛(wèi)星太空之路-3（Spaceway-3）總?cè)萘康?4倍。衛(wèi)訊-1衛(wèi)星采用了Ka頻段72個(gè)點(diǎn)波束和頻分復(fù)用等技術(shù)，使衛(wèi)星總?cè)萘吭贙a頻段達(dá)到最大限度，上傳最大速率4Mbit/s，下載最大速率可達(dá)10Mbit/s。2013 年3月，美國衛(wèi)訊公司（Viasat）演示了該衛(wèi)星為直升機(jī)提供超視距、高性能、寬帶通信服務(wù)，直升機(jī)可與地面站點(diǎn)或直升機(jī)之間建立4Mbit/s或8Mbit/s的數(shù)據(jù)傳輸鏈路，且不受振動(dòng)、沖擊、螺旋槳的固有重復(fù)信號阻塞等影響。

衛(wèi)訊-1衛(wèi)星在軌示意圖

寬帶移動(dòng)通信衛(wèi)星

由國際移動(dòng)衛(wèi)星公司（INMARSAT）構(gòu)建的首個(gè)全球衛(wèi)星寬帶移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)“全球快訊”（Global Xpress）初步建成，該網(wǎng)絡(luò)由4顆波音公司研制的國際移動(dòng)衛(wèi)星公司第五代寬帶移動(dòng)通信衛(wèi)星構(gòu)成，其中包括3顆工作星和1顆在軌備份星（該星預(yù)計(jì)2016年發(fā)射），各衛(wèi)星均采用波音衛(wèi)星系統(tǒng)-702HP（BSS-702HP）平臺。3顆工作星分別部署在太平洋、大西洋和印度洋上空，提供高分辨率視頻、音頻和數(shù)據(jù)通信服務(wù)，可為商業(yè)用戶（能源、海事、航空等）、政府部門、軍事機(jī)構(gòu)提供速率高達(dá)50Mbit/s的高速移動(dòng)寬帶服務(wù)。衛(wèi)星采用透明轉(zhuǎn)發(fā)體制，通過6副Ka頻段固定波束天線（4副接收天線，2副發(fā)射天線）實(shí)現(xiàn)全球覆蓋；使用6副Ka頻段可動(dòng)點(diǎn)波束天線來提高通信容量；采用2副饋線波束天線形成89個(gè)點(diǎn)波束（最多72個(gè)波束同時(shí)工作），實(shí)現(xiàn)除南北兩極以外的全球覆蓋。此外，“全球快訊”網(wǎng)絡(luò)可提供軍用通信業(yè)務(wù)，用于補(bǔ)充美國“寬帶全球衛(wèi)星通信”衛(wèi)星系統(tǒng)在某些地區(qū)或特定區(qū)域覆蓋容量不足的問題。

高清電視直播衛(wèi)星

近5年由美國直播衛(wèi)星公司（DirecTV）構(gòu)建的2顆專用于高清電視傳輸?shù)闹辈バl(wèi)星-14、15 （DirecTV-14、15）發(fā)射升空。直播衛(wèi)星-14由勞拉空間系統(tǒng)公司研制，于2014年12月6日成功發(fā)射，衛(wèi)星采用LS-1300平臺，Ka頻段有效載荷，并安裝了最新研發(fā)的反向頻率載荷，該反向載荷將當(dāng)前的上行頻率用于下行傳輸，而下行頻率則用于上行到衛(wèi)星，即使用原上行頻率來直播電視信號，故此技術(shù)可獲得更寬帶寬。為了避免因使用反向頻率載荷對原頻率載荷的干擾，需要使用高度聚焦型天線。直播衛(wèi)星-15衛(wèi)星由歐洲空客防務(wù)與航天公司研制，于2015年5月27日成功發(fā)射，衛(wèi)星采用歐洲星-3000（Eurostar-3000）平臺，有效載荷包括30臺Ku頻段轉(zhuǎn)發(fā)器、24臺Ka頻段轉(zhuǎn)發(fā)器和18臺發(fā)向直播轉(zhuǎn)發(fā)器，該衛(wèi)星將與直播衛(wèi)星-14衛(wèi)星一起提升直播衛(wèi)星公司4K高清電視轉(zhuǎn)播能力。

“寬帶全球衛(wèi)星通信”衛(wèi)星在軌狀態(tài)

美國“新軍三星”簡介

美國通信系列“新軍三星”

2011-2015年間，美國軍方GEO通信系列的“新軍三星”，即寬帶類型的“寬帶全球衛(wèi)星通信”、窄帶類型的“移動(dòng)用戶目標(biāo)系統(tǒng)”和防護(hù)型的“先進(jìn)極高頻”系統(tǒng)全面開始在軌部署，并完成初步的組網(wǎng)任務(wù)，預(yù)計(jì)到2020年將實(shí)現(xiàn)10顆“寬帶全球衛(wèi)星通信”衛(wèi)星、5顆“移動(dòng)用戶目標(biāo)系統(tǒng)”衛(wèi)星和6顆“先進(jìn)極高頻”衛(wèi)星在軌服役。

（1）“寬帶全球衛(wèi)星通信”衛(wèi)星

當(dāng)前美軍寬帶數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)主要由“寬帶全球衛(wèi)星通信”衛(wèi)星通信系統(tǒng)承擔(dān)，單顆“寬帶全球衛(wèi)星通信”衛(wèi)星的通信容量是“國防衛(wèi)星通信系統(tǒng)”（DSCS）的10倍，可實(shí)現(xiàn)X頻段直通、Ka頻段直通、X/Ka交聯(lián)和Ka/X交聯(lián)的戰(zhàn)術(shù)寬帶通信及全球廣播業(yè)務(wù)?！皩拵蛐l(wèi)星通信”衛(wèi)星將“國防衛(wèi)星通信系統(tǒng)”衛(wèi)星和“全球廣播系統(tǒng)”（GBS）的功能合二為一，用X頻段直通寬帶通信業(yè)務(wù)來替代“國防衛(wèi)星通信系統(tǒng)”雙向通信業(yè)務(wù)；用Ka頻段通信代替由“特高頻后繼星”（UFO）提供的全球廣播業(yè)務(wù)；另外，提供Ka頻段高容量雙向通信有效載荷的能力，提供作戰(zhàn)人員的移動(dòng)通信。

（2）“移動(dòng)用戶目標(biāo)系統(tǒng)”衛(wèi)星

“移動(dòng)用戶目標(biāo)系統(tǒng)”衛(wèi)星的亮點(diǎn)在于使用了全新的星地3G通信體制“寬帶碼分多址”（WCDMA），其數(shù)據(jù)傳輸能力是“特高頻軌道”（UFO）衛(wèi)星系統(tǒng)的16倍，并可通過國防信息系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)全球連接。同時(shí)“移動(dòng)用戶目標(biāo)系統(tǒng)”衛(wèi)星還搭載了完全兼容UFO系統(tǒng)終端的繼承載荷。“移動(dòng)用戶目標(biāo)系統(tǒng)”衛(wèi)星具有Ka-UHF前向鏈路和UHFKa返向鏈路；地面站與衛(wèi)星通信使用Ka頻段，WCDMA地面終端與衛(wèi)星通信使用UHF頻段；各地面用戶終端之間采用“M”型雙跳方式通信，各衛(wèi)星覆蓋區(qū)之間的數(shù)據(jù)通過地面站間的光纜進(jìn)行傳輸。

整個(gè)“移動(dòng)用戶目標(biāo)系統(tǒng)”空間段由4顆在軌工作星組成。地面段包括4個(gè)無線接入站、2個(gè)交換/網(wǎng)管站和2個(gè)衛(wèi)星控制站，地面段的主要作用是控制衛(wèi)星、傳輸和管理用戶話音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，集成至國防交換網(wǎng)和國防信息系統(tǒng)網(wǎng)。

（3）“先進(jìn)極高頻”衛(wèi)星

“先進(jìn)極高頻”衛(wèi)星在軌飛行示意圖

“先進(jìn)極高頻”衛(wèi)星是美國“軍事星”（Milstar）通信系統(tǒng)的后續(xù)星，增加了高數(shù)據(jù)率載荷（XDR，最大8.192Mbit/s）和極高頻段（Q頻段，43.5～45.5GHz）相控陣天線?！跋冗M(jìn)極高頻”衛(wèi)星的點(diǎn)波束更窄，功率更高，提高了通信的可靠性和數(shù)據(jù)率，極大減低了敵方偵聽和干擾的可能性，并且提高了衛(wèi)星“動(dòng)中通”的能力。其有效載荷在Milstar-2衛(wèi)星低數(shù)據(jù)率載荷（LDR）和中數(shù)據(jù)率載荷（MDR）的基礎(chǔ)上，增加了高數(shù)據(jù)率載荷，單星通信總?cè)萘刻岣吡?0倍，達(dá)到430Mbit/s?！跋冗M(jìn)極高頻”衛(wèi)星增強(qiáng)了路由選擇，根據(jù)用戶優(yōu)先級別來提供點(diǎn)對點(diǎn)通信以及網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，通過星間通信實(shí)現(xiàn)全球服務(wù)，并有非常強(qiáng)的戰(zhàn)場生存能力，減小了對地面支持系統(tǒng)的依賴程度，即便在地面控制站被破壞后，整個(gè)系統(tǒng)仍能自主工作半年以上。每顆星具有2條星間鏈路（V頻段，60GHz，雙向），星間通信速率可達(dá)60Mbit/s。

全電推進(jìn)衛(wèi)星

2015年3月2日，以波音公司研制的BSS-702SP平臺為代表的世界首批全電推進(jìn)衛(wèi)星發(fā)射入軌，包括亞洲廣播衛(wèi)星公司（ABS）運(yùn)營的亞洲廣播衛(wèi)星公司-3A（ABS-3A）衛(wèi)星和歐洲通信衛(wèi)星公司（EUTELSAT）運(yùn)營的歐洲通信衛(wèi)星公司-115WB （Eutelsat-115WB）衛(wèi)星，這兩顆GEO衛(wèi)星采用一箭雙星方式發(fā)射。

BSS-702SP平臺最大特點(diǎn)是采用8臺氙離子推力器實(shí)現(xiàn)變軌和位保等任務(wù)，取消了傳統(tǒng)的化學(xué)推進(jìn)系統(tǒng)，有效降低了平臺質(zhì)量。此外，該平臺還采用了新一代綜合電子系統(tǒng)構(gòu)架，簡化了數(shù)據(jù)管理并增強(qiáng)了衛(wèi)星健康管理能力。該平臺橫向尺寸2134mm，高度4572mm；可承載47臺轉(zhuǎn)發(fā)器，可為有效載荷提供3～8kW電能；衛(wèi)星設(shè)計(jì)壽命15年。

BSS-702SP平臺配置的8臺氙離子推力器中，4臺安裝在背地面的南北側(cè)，另外4臺分布在背地面的4個(gè)角點(diǎn)上。其推力器有兩種工作模式：①高功率模式，功耗4500W、推力165mN、比沖3500s、總效率65%；②低功率模式，功耗2300W、推力79mN、比沖3400s、總效率63%。根據(jù)702SP平臺的供電能力，變軌過程采用高功率模式，共有2臺推力器工作，功率9kW，最大推力330mN；位保過程只使用1臺推力器，工作在低功率模式。

衛(wèi)星激光通信

近年來各國實(shí)施了多項(xiàng)空間激光通信研究，以美國航空航天局（NASA）為代表的科研機(jī)構(gòu)在“國際空間站”、月球探測器和衛(wèi)星上進(jìn)行太空與地面間的激光通信技術(shù)試驗(yàn)，目標(biāo)是使未來航天器的通信傳輸速率提高10～100倍，達(dá)到現(xiàn)有地面光纖網(wǎng)的水平。

2010年，噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）和麻省理工學(xué)院（MIT）林肯實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行首次地球到火星的激光通信演示試驗(yàn)（MLCD），來測試深空激光鏈路，其通信速度將是現(xiàn)有微波通信速率的10倍以上。從2012年起NASA開展“激光通信中繼演示驗(yàn)證”（LCRD）項(xiàng)目，計(jì)劃于2017年搭載勞拉空間系統(tǒng)公司研制的GEO衛(wèi)星進(jìn)行試驗(yàn)，采用激光相干通信方式，實(shí)現(xiàn)上下行2.88Gbit/s的通信速率。2013年10月，美國首次完成了繞月衛(wèi)星激光通信演示試驗(yàn)（LLCD），成功實(shí)現(xiàn)上行20Mbit/s、下行622Mbit/s的激光通信速率。繞月衛(wèi)星激光通信演示試驗(yàn)是激光通信演示試驗(yàn)項(xiàng)目的前奏，用以驗(yàn)證相關(guān)技術(shù)。2014年6月，NASA首次通過激光方式以50Mbit/s的下行速率，用時(shí)3.5s從“國際空間站”成功向地面發(fā)送長達(dá)30s的高清視頻，若采用傳統(tǒng)的微波方式則需10min以上的時(shí)間。

此外，在“哥白尼”計(jì)劃中Gbit/s量級星間激光鏈路試驗(yàn)取得成功后，歐洲航天局和空客防務(wù)與航天公司于2015年初繼續(xù)推進(jìn)“歐洲數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)”（EDRS）的建設(shè)，該項(xiàng)目星間激光終端數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá)1.8Gbit/s，星地鏈路則采用Ka頻段轉(zhuǎn)發(fā)器以克服大氣影響。2015年法國和日本通過日本某顆近地軌道衛(wèi)星上的激光終端與法國科索爾天文臺進(jìn)行了多次星地激光鏈路試驗(yàn)，以獲取激光束穿越大氣層的傳播特性數(shù)據(jù)。

3 通信衛(wèi)星發(fā)展趨勢及啟示

“高吞吐量衛(wèi)星”系統(tǒng)

高吞吐量通信衛(wèi)星的興起，源于高速上網(wǎng)、視頻服務(wù)、移動(dòng)寬帶、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)回傳等大帶寬需求業(yè)務(wù)，即帶寬需求是刺激高吞吐量通信衛(wèi)星出現(xiàn)的根本原因，對運(yùn)營商而言，高吞吐量通信衛(wèi)星數(shù)倍于傳統(tǒng)通信衛(wèi)星容量的特點(diǎn)，極大地改變了衛(wèi)星購置的成本結(jié)構(gòu)，可以使得運(yùn)營商提供衛(wèi)星寬帶服務(wù)的成本下降，這對新興的運(yùn)營商挑戰(zhàn)經(jīng)營傳統(tǒng)載荷的運(yùn)營商帶來極大的優(yōu)勢。

在高吞吐量通信衛(wèi)星需求的驅(qū)動(dòng)下，寬帶大容量通信衛(wèi)星在系統(tǒng)技術(shù)體制、衛(wèi)星系統(tǒng)規(guī)模、覆蓋區(qū)域、工作頻段、支持平臺和有效載荷靈活性等方面均涌現(xiàn)出創(chuàng)新。繼衛(wèi)訊-1衛(wèi)星之后，美國衛(wèi)訊公司相繼與波音公司簽署了建造1顆衛(wèi)訊-2衛(wèi)星和3顆衛(wèi)訊-3衛(wèi)星的協(xié)議。除覆蓋區(qū)加大外，衛(wèi)訊-2衛(wèi)星的通信容量相當(dāng)于衛(wèi)訊-1的2倍以上，據(jù)稱其有效載荷設(shè)計(jì)方案中采用波音公司和衛(wèi)訊公司的專利技術(shù)，將拋棄傳統(tǒng)的Ka頻段多點(diǎn)波束理念，使之與衛(wèi)訊-1衛(wèi)星的設(shè)計(jì)全然不同。單顆衛(wèi)訊-3衛(wèi)星的通信容量可達(dá)1Tbit/s（即1000Gbit/s），是衛(wèi)訊-2衛(wèi)星容量的3倍，將來可為美洲、歐洲、中東、亞洲和非洲等地區(qū)用戶提供100Mbit/s的接入服務(wù)。此外，2015年10月，歐洲通信衛(wèi)星公司與泰雷茲-阿萊尼亞空間公司簽署協(xié)議訂購第一顆基于空間客車-Neo （Spacebus-Neo）平臺的新型高吞吐量通信衛(wèi)星，將為非洲等地區(qū)用戶提供寬帶服務(wù)。

鑒于高吞吐量通信衛(wèi)星系統(tǒng)的急速發(fā)展，對通信衛(wèi)星領(lǐng)域的啟示是應(yīng)加快超大容量寬帶通信衛(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)展，重點(diǎn)研發(fā)適應(yīng)于高吞吐量通信衛(wèi)星系統(tǒng)的新型衛(wèi)星有效載荷技術(shù)，突破傳統(tǒng)的多個(gè)點(diǎn)波束配合頻分復(fù)用的模式，逐步實(shí)現(xiàn)單星總?cè)萘窟_(dá)Tbit/s量級的高吞吐量通信衛(wèi)星，同時(shí)還需要發(fā)展新一代不低于4K的超清電視上星寬帶直播技術(shù)，通過技術(shù)創(chuàng)新提升具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高吞吐量通信衛(wèi)星的競爭力。

移動(dòng)通信衛(wèi)星系統(tǒng)

近5年，初步構(gòu)建了以美軍窄帶“移動(dòng)用戶目標(biāo)系統(tǒng)”（UHF頻段）和國際移動(dòng)衛(wèi)星公司寬帶“全球快訊”衛(wèi)星系統(tǒng)（Ka頻段）為代表的GEO全球移動(dòng)通信衛(wèi)星系統(tǒng)。據(jù)歐洲咨詢公司（Euroconsult）發(fā)布的移動(dòng)通信衛(wèi)星市場預(yù)測報(bào)告稱，到2024年衛(wèi)星移動(dòng)通信終端數(shù)量將達(dá)到680萬臺（不包括國際移動(dòng)衛(wèi)星公司Ka頻段的“全球快訊”服務(wù)），保持年均7%的增長速度。尤其是隨著L頻段大量創(chuàng)新產(chǎn)品和應(yīng)用業(yè)務(wù)的不斷涌現(xiàn)，以及新一代移動(dòng)通信衛(wèi)星系統(tǒng)星座的部署，將促使衛(wèi)星移動(dòng)通信領(lǐng)域出現(xiàn)巨大變革，競爭也將向衛(wèi)星固定通信領(lǐng)域拓展。

微小衛(wèi)星呈現(xiàn)井噴式發(fā)展，尤其是2014年以來，低軌寬帶通信衛(wèi)星星座計(jì)劃再次興起，以“一網(wǎng)”（OneWeb）項(xiàng)目和“太空探索技術(shù)”（SpaceX）項(xiàng)目為代表，這2個(gè)項(xiàng)目在2015年已成功融資15億美元。微小衛(wèi)星憑借成本低、制造快、發(fā)射快、及時(shí)補(bǔ)充受損衛(wèi)星、有效載荷靈活多樣等優(yōu)勢，將來可能會(huì)對以GEO大衛(wèi)星為主體的通信衛(wèi)星系統(tǒng)造成一定的沖擊。

鑒于國家利益全球化拓展和國防信息安全方面的需求，參考國外已經(jīng)構(gòu)建的UHF頻段和Ka頻段“全球移動(dòng)通信衛(wèi)星”系統(tǒng)，應(yīng)從星地一體化設(shè)計(jì)角度設(shè)計(jì)符合我國自身需求的GEO“全球移動(dòng)通信衛(wèi)星”系統(tǒng)。結(jié)合我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展需求，建設(shè)“全球移動(dòng)通信衛(wèi)星”系統(tǒng)時(shí)應(yīng)覆蓋“一帶一路”地區(qū)，使該系統(tǒng)能為此地區(qū)提供寬帶大容量的衛(wèi)星通信接入服務(wù)。例如老撾和土庫曼斯坦均擁有了本國首顆通信衛(wèi)星，老撾-1衛(wèi)星由中國空間技術(shù)研究院負(fù)責(zé)研制，采用東方紅-4S平臺，應(yīng)用綜合電子技術(shù)、鋰離子電池技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)，首創(chuàng)了天地一體化設(shè)計(jì)結(jié)合商業(yè)運(yùn)營模式理念。

“移動(dòng)用戶目標(biāo)系統(tǒng)”覆蓋示意圖

“電推進(jìn)高承載比”衛(wèi)星

電推進(jìn)技術(shù)具有延長衛(wèi)星使用壽命、降低成本、提高衛(wèi)星姿態(tài)控制精度等優(yōu)勢，可深度改變未來通信衛(wèi)星的狀態(tài)。電推進(jìn)技術(shù)具有比沖高的特點(diǎn)，可節(jié)約推進(jìn)劑，從而增加航天器的有效載荷或者增加推進(jìn)劑攜帶量以延長衛(wèi)星壽命，這就使推進(jìn)劑不再是壽命的主要約束條件。隨著衛(wèi)星壽命的延長，可為運(yùn)營商帶來更多的利潤，從而提高了衛(wèi)星研制和運(yùn)營的投入產(chǎn)出比。電推進(jìn)用于姿態(tài)控制時(shí)，產(chǎn)生的沖擊力較小，可以有效降低整星姿態(tài)擾動(dòng)，可提高衛(wèi)星在軌運(yùn)行期間的姿態(tài)控制精度。

在美國先進(jìn)極高頻-1衛(wèi)星事件之后，業(yè)界提出的全電推進(jìn)GEO衛(wèi)星平臺極大地推動(dòng)了電推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展。目前國外有6家單位正在進(jìn)行全電推進(jìn)衛(wèi)星平臺的研究，分別是美國的波音公司、勞拉空間系統(tǒng)公司、洛馬公司，俄羅斯的信息衛(wèi)星系統(tǒng)-列舍特涅夫公司，歐洲的泰雷茲-阿萊尼亞空間公司和布萊梅軌道高科技系統(tǒng)股份公司（OHB）。

未來電推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展側(cè)重于小功率至大功率電推進(jìn)技術(shù)的型譜化發(fā)展，以滿足宇航任務(wù)多樣化的需求。小功率電推進(jìn)技術(shù)可用于滿足超靜衛(wèi)星平臺的需要，從而滿足帶有大型可展開天線的GEO移動(dòng)通信衛(wèi)星對指向精度高的要求。而大功率電推進(jìn)技術(shù)依靠其高比沖的優(yōu)勢，可滿足大型通信衛(wèi)星在轉(zhuǎn)移軌道的需要。

新型衛(wèi)星有效載荷技術(shù)

近5年，歐洲極力推進(jìn)通信衛(wèi)星靈活有效載荷技術(shù)的發(fā)展，靈活有效載荷基于軟件無線電和認(rèn)知無線電技術(shù)，可在波束覆蓋、帶寬分配、功率調(diào)配和頻率配置等方面實(shí)現(xiàn)在軌調(diào)節(jié)，從而提高通信衛(wèi)星的靈活性和適應(yīng)性，還可以改變通信衛(wèi)星的方案設(shè)計(jì)和使用策略。歐洲通信衛(wèi)星公司與歐洲航天局已于2015年7月簽訂研制合同，將在“歐洲量子衛(wèi)星”上采用全軟件定義的靈活有效載荷技術(shù)，將實(shí)現(xiàn)Ku頻段收發(fā)覆蓋完全電子綜合，可使用戶獲得通過覆蓋區(qū)調(diào)整、功率調(diào)配和頻率帶寬調(diào)節(jié)等新技術(shù)獲得額外通信容量。

面對日益擁擠的衛(wèi)星通信頻率資源，新型的反向頻率載荷（即上下行頻率與現(xiàn)有頻率計(jì)劃相反）已經(jīng)在美國直播衛(wèi)星-14上使用，未來通信衛(wèi)星的工作頻段已經(jīng)逐步由Ka頻段向更高頻段提升，例如美國“先進(jìn)極高頻”系列衛(wèi)星上使用了EHF接收相控陣天線，工作頻率在44GHz；星間鏈路使用V頻段（60GHz），單向速率高達(dá)60Mbit/s。隨著Ka頻段逐步飽和，未來在Q/V頻段（40～50GHz）、W頻段（76～110GHz）、甚至THz頻段（0.1～10THz）豐富的寬帶資源可滿足超大容量衛(wèi)星通信和高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?。但目前這些頻段相應(yīng)的星載有效載荷技術(shù)仍是發(fā)展瓶頸，例如星載高功率放大技術(shù)、空間功率合成技術(shù)、高線性度調(diào)制解調(diào)技術(shù)、高速基帶信號并行處理技術(shù)等。

未來在設(shè)計(jì)通信衛(wèi)星系統(tǒng)時(shí)，須考慮與新型通信體制（3G、4G或5G體制）升級適應(yīng)性以及前向兼容性問題，如“移動(dòng)用戶目標(biāo)系統(tǒng)”首次實(shí)現(xiàn)了星地3G通信。在空間激光通信方面，美國“激光通信中繼演示驗(yàn)證”激光載荷將于2017年發(fā)射至GEO衛(wèi)星進(jìn)行高速超寬帶通信試驗(yàn)，激光憑借其超高的通信容量，適用于構(gòu)件骨干星間傳輸網(wǎng)絡(luò)。

近年來，星載多波束天線技術(shù)已成為關(guān)注焦點(diǎn)：①單顆“移動(dòng)用戶目標(biāo)系統(tǒng)”衛(wèi)星在UHF頻段通過1副天線形成16個(gè)子波束；②單顆國際移動(dòng)衛(wèi)星-5在Ka頻段通過2組網(wǎng)狀喇叭饋源陣形成89個(gè)子波束；③波音公司研制的墨西哥衛(wèi)星-2采用22m口徑的網(wǎng)狀可展開天線，實(shí)現(xiàn)L頻段122個(gè)子波束；④美軍先進(jìn)極高頻衛(wèi)星相控陣天線技術(shù)。多波束天線技術(shù)是實(shí)現(xiàn)便攜式移動(dòng)終端與衛(wèi)星通信的重要途徑，未來需要突破波束形成技術(shù)（包括星載波束形成技術(shù)和地基波束形成技術(shù)），為高速衛(wèi)星通信提供支持。

軍用通信衛(wèi)星

目前，國外軍用通信衛(wèi)星朝著業(yè)務(wù)范圍廣、通信容量大、生存能力強(qiáng)的方向發(fā)展。業(yè)務(wù)范圍已從單一的電話電報(bào)擴(kuò)展至傳輸遙感圖像和偵察照片等的數(shù)據(jù)和圖像的傳輸，相應(yīng)的通信容量已提高數(shù)十倍甚至上百倍，而且未來抗打擊、抗干擾的通信衛(wèi)星將采用星間鏈路、高速率載荷等技術(shù)。

對于某些具有高度保密要求的衛(wèi)星軍用通信業(yè)務(wù)，須研發(fā)新型的EHF（含Q、V、W等頻段）和THz頻段微波星間通信載荷以及星間激光通信載荷，由于受到大氣層對地面干擾或竊聽的“屏蔽”，可有助于實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)。但最理想的保密通信方式則是量子通信，隨著星載量子通信技術(shù)的發(fā)展，量子通信衛(wèi)星在軍用通信衛(wèi)星領(lǐng)域?qū)⒕哂泄饷鞯陌l(fā)展前景。

面對軍用通信衛(wèi)星開發(fā)成本較高的問題，美國與歐洲多數(shù)軍用衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)采取租用商業(yè)衛(wèi)星信道結(jié)合國防安全專用衛(wèi)星信道的方式，既確保了國防衛(wèi)星通信的安全性，又節(jié)約了軍用通信衛(wèi)星研發(fā)和部署的成本。例如，美國軍方租用“全球快訊”網(wǎng)絡(luò)來補(bǔ)充寬帶全球通信衛(wèi)星系統(tǒng)在某些地區(qū)或特定區(qū)域覆蓋容量不足的問題。而新興航天國家（如墨西哥和巴西等）則提倡“政府為主建設(shè)、軍民商共用”的通信衛(wèi)星發(fā)展模式。

4 結(jié)束語

本文分析了近5年各通信衛(wèi)星研制單位的生產(chǎn)能力，對比了GEO衛(wèi)星領(lǐng)域3個(gè)梯隊(duì)的特點(diǎn)，梳理了典型衛(wèi)星的技術(shù)現(xiàn)狀，分析研究認(rèn)為未來通信衛(wèi)星發(fā)展的趨勢將會(huì)向“高吞吐量通信衛(wèi)星”系統(tǒng)、“移動(dòng)通信衛(wèi)星”系統(tǒng)、“電推進(jìn)高承載比”衛(wèi)星、各種新型衛(wèi)星有效載荷技術(shù)等方面深入發(fā)展。通過以上研究分析，以期能對我國通信衛(wèi)星的發(fā)展和研制提供參考。

Development and Inspiration of 2011-2015 Foreign GEO Communications Satellites