國(guó)外中低軌高通量通信衛(wèi)星星座發(fā)展研究

劉悅 （北京空間科技信息研究所）

國(guó)外中低軌高通量通信衛(wèi)星星座發(fā)展研究

Study of Foreign Low & Medium Earth Orbit High Throughput Communications Satellite Constellation Development

劉悅 （北京空間科技信息研究所）

近年來(lái)，隨著全球掀起星座“熱潮”，多家傳統(tǒng)或新興衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商致力于打造全球高通量衛(wèi)星（HTS）星座，為全球提供高速寬帶服務(wù)。自2004年全球首顆高通量衛(wèi)星發(fā)射以來(lái)，經(jīng)過(guò)10余年的發(fā)展，已經(jīng)邁過(guò)了技術(shù)驗(yàn)證、市場(chǎng)培育，正在向全球化和產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展。伴隨著全球移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展步伐，中低軌高通量衛(wèi)星星座越來(lái)越多的出現(xiàn)，成為市場(chǎng)關(guān)注焦點(diǎn)，成為全球系統(tǒng)部署的重要解決方案之一。

1 概述

高通量衛(wèi)星的概念于2008年由美國(guó)航天咨詢公司北方天空研究所（NSR）率先提出，將其定義為“采用多點(diǎn)波束和頻率復(fù)用技術(shù)、在同樣頻譜資源的條件下，整星的通信容量（簡(jiǎn)稱通量）是傳統(tǒng)固定通信衛(wèi)星（FSS）數(shù)倍的衛(wèi)星”。高通量衛(wèi)星概念由寬帶衛(wèi)星演化而來(lái)，但與之有所區(qū)別。寬帶衛(wèi)星以“運(yùn)行在Ka頻段、大容量、提供寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入”為特點(diǎn)，開(kāi)辟了衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)接入的新業(yè)務(wù)，因此稱為“寬帶”。如今，產(chǎn)業(yè)界對(duì)于高通量衛(wèi)星的概念逐漸達(dá)成共識(shí)，即“高通量衛(wèi)星是以點(diǎn)波束和頻率復(fù)用為標(biāo)志，可以運(yùn)行在任何頻段，通量有大有小，取決于分配的頻譜和頻率復(fù)用次數(shù)，可以提供固定、廣播和移動(dòng)等各類商業(yè)衛(wèi)星通信服務(wù)的一類衛(wèi)星系統(tǒng)”。

高通量衛(wèi)星最基本的特征是多點(diǎn)波束和頻率復(fù)用。對(duì)比傳統(tǒng)固定通信衛(wèi)星的寬波束，點(diǎn)波束的覆蓋范圍僅為300～700km，寬波束的覆蓋范圍在2000km左右。采用點(diǎn)波束的通信衛(wèi)星的優(yōu)勢(shì)在于通過(guò)減小天線波束的孔徑角，帶來(lái)衛(wèi)星天線的增益提高，實(shí)現(xiàn)不同波束之間頻率的復(fù)用，提高衛(wèi)星系統(tǒng)的通量。

一直以來(lái)，衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商大多選擇部署地球靜止軌道（GEO）衛(wèi)星，率先進(jìn)行技術(shù)和市場(chǎng)驗(yàn)證，之后增加衛(wèi)星數(shù)量以擴(kuò)展業(yè)務(wù)能力。如今，越來(lái)越多的商業(yè)航天企業(yè)計(jì)劃部署中低軌衛(wèi)星星座，尋求全球范圍內(nèi)的服務(wù)能力。例如，歐洲的另外三十億人網(wǎng)絡(luò)公司（O3b Networks）部署中軌星座系統(tǒng)，美國(guó)的一網(wǎng)公司（ONEWEB）、太空探索技術(shù)公司（SpaceX）和低軌衛(wèi)星公司（LEOSat）計(jì)劃部署低地球軌道（LEO）衛(wèi)星星座系統(tǒng)。

2 國(guó)外典型中低軌高通量星座系統(tǒng)

從2004年首顆高通量衛(wèi)星發(fā)射以來(lái)，截至2016年底，國(guó)外共計(jì)發(fā)射了56顆高通量衛(wèi)星，其中GEO衛(wèi)星占絕大多數(shù)，為44顆，還有28顆GEO高通量衛(wèi)星在研。高通量衛(wèi)星中低軌星座部署目前只有O3b星座，在軌12顆衛(wèi)星，并有8顆衛(wèi)星在研，O3b公司表示2016年還將新增44顆衛(wèi)星。此外，一網(wǎng)公司、太空探索技術(shù)公司、加拿大電信衛(wèi)星公司（TeleSat）、低軌衛(wèi)星公司等運(yùn)營(yíng)商計(jì)劃部署低軌高通量衛(wèi)星星座，在研衛(wèi)星數(shù)量達(dá)到上千顆。

高通量衛(wèi)星星座O3b衛(wèi)星星座

歐洲O3b衛(wèi)星系統(tǒng)是目前全球唯一在軌的高通量星座系統(tǒng)，運(yùn)行在中圓軌道（MEO），軌道高度8060km× 8072km，傾角0.03°，周期287.93min/s，地面站單顆衛(wèi)星的可見(jiàn)時(shí)間約45min，為全球45°（S）～45°（N）的區(qū)域提供高通量衛(wèi)星通信服務(wù)，擴(kuò)展服務(wù)的覆蓋范圍為62°（S）～62°（N）。

O3b衛(wèi)星系統(tǒng)目前由12顆MEO衛(wèi)星組網(wǎng)，其中10顆工作星，2顆在軌備份星，工作在Ka頻段。2015年，又額外簽訂了8顆衛(wèi)星訂單，預(yù)計(jì)2018年發(fā)射，主要用于增加在軌容量，提高保密性，降低干擾。2016年，O3b公司向美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）申請(qǐng)了3個(gè)星座的許可：第一個(gè)申請(qǐng)是對(duì)現(xiàn)有8顆新增O3b衛(wèi)星的申請(qǐng)，O3b公司希望將8顆改為12顆衛(wèi)星；第二個(gè)申請(qǐng)是希望發(fā)展一個(gè)由最多24顆Ka頻段衛(wèi)星組成的星座，稱為O3bN，同樣運(yùn)行在MEO軌道；第三個(gè)申請(qǐng)是發(fā)展一個(gè)由最多16顆Ka頻段衛(wèi)星組成的星座，運(yùn)行在傾斜軌道和軌道高度為8062km、傾角為70°的軌道。該星座稱為O3bI，將會(huì)位于2個(gè)軌道面，每個(gè)軌道面有8顆衛(wèi)星。O3bI星座將會(huì)把當(dāng)前63°（S）～63°（N）之間的覆蓋服務(wù)擴(kuò)展到全球覆蓋。

O3b衛(wèi)星采用“擴(kuò)展壽命平臺(tái)”（EliteBus），該平臺(tái)繼承自“全球星”（Globalstar）二代衛(wèi)星。O3b衛(wèi)星發(fā)射質(zhì)量約700kg，設(shè)計(jì)壽命10年，功率15kW。衛(wèi)星采用透明轉(zhuǎn)發(fā)有效載荷，載有12臺(tái)Ka頻段轉(zhuǎn)發(fā)器，帶寬最高可達(dá)20MHz。

星上載有12副天線，其中10副天線用于用戶波束，2副天線用于信關(guān)站波束，波束尺寸720km。衛(wèi)星采用靈活有效載荷設(shè)計(jì)，每個(gè)波束均為可移動(dòng)波束，單個(gè)波束既可以分別覆蓋不同的服務(wù)區(qū)域，也可以疊加在一起，用于同一覆蓋地區(qū)獲得更高的容量，O3b衛(wèi)星單個(gè)用戶波束前向和反向鏈路的帶寬各為216MHz，總帶寬為432MHz，單個(gè)波束的容量最高可擴(kuò)展至1.6Gbit/s。

O3b衛(wèi)星采用處理類有效載荷，支持同一波束內(nèi)的“環(huán)回”（Loopback）。同一波束覆蓋內(nèi)用戶之間可以實(shí)現(xiàn)單跳通信，用戶可以部署任意的地面平臺(tái)，并且能夠選擇適合的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌ɡ缧菭罹W(wǎng)、網(wǎng)狀網(wǎng)、分布式星狀網(wǎng)）。衛(wèi)星采用開(kāi)放的系統(tǒng)架構(gòu)，使得用戶可以按需選擇數(shù)據(jù)速率和網(wǎng)絡(luò)容量，以及網(wǎng)速共享或?qū)Ｏ淼氖褂梅绞健?/p>

O3b衛(wèi)星還支持不同波束間的“鉸鏈”（Crosslinked），即同一衛(wèi)星間不同波束間的單跳通信。1顆O3b衛(wèi)星最多可支持4個(gè)波束間的鉸鏈，對(duì)于系統(tǒng)的軍事應(yīng)用意義重大。軍用終端可以繞過(guò)O3b公司的信關(guān)站與軍用信關(guān)站直接通信，保證通信的安全性。

O3b系統(tǒng)主要面向集團(tuán)級(jí)用戶，提供干線傳輸和蜂窩電話回程、企業(yè)網(wǎng)絡(luò)和海事業(yè)務(wù)，未來(lái)還將提供軍用衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)。O3b公司提供的干線傳輸服務(wù)下行速率650Mbit/s，上行速率600Mbit/s，終端天線口徑4m；蜂窩電話回程服務(wù)下行速率20Mbit/s，終端天線口徑1.8m；海事服務(wù)下行速率400Mbit/s，上行速率150Mbit/s，終端天線口徑1.2m。

其他在研的低軌星座

繼O3b星座之后，涌現(xiàn)了多個(gè)衛(wèi)星星座計(jì)劃在研。一網(wǎng)公司計(jì)劃部署一個(gè)低軌高通量衛(wèi)星（LEOHTS）系統(tǒng)，由650顆工作星組成，容量約5Tbit/s，運(yùn)行在Ku頻段，為偏遠(yuǎn)地區(qū)提供互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)和個(gè)人消費(fèi)類服務(wù)；低軌衛(wèi)星公司關(guān)注企業(yè)級(jí)通信服務(wù)，計(jì)劃為大型通信、能源企業(yè)提供服務(wù)；太空探索技術(shù)公司計(jì)劃發(fā)射4425顆衛(wèi)星，為消費(fèi)者、企業(yè)和政府機(jī)構(gòu)提供寬帶和通信服務(wù)。此外，加拿大電信衛(wèi)星公司、空間諾威公司（Space Norway）、開(kāi)普勒通信公司（Kepler）也宣布了類似的星座計(jì)劃。

計(jì)劃部署的中低軌高通量衛(wèi)星星座

這些低軌星座大多在2020年前完成部署。其中，只有一網(wǎng)公司獲得了國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）的頻率軌位授權(quán)。根據(jù)國(guó)際電信聯(lián)盟的要求，2020年前將會(huì)完成星座部署，2016年，一網(wǎng)公司和空客防務(wù)與航天公司（ADS）合作，在美國(guó)建立衛(wèi)星制造工廠，首批10顆衛(wèi)星在法國(guó)研制，之后的衛(wèi)星均在美國(guó)的工廠完成。其他星座系統(tǒng)目前還在進(jìn)行頻率軌位協(xié)調(diào)。

3 中低軌星座系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)與風(fēng)險(xiǎn)

優(yōu)勢(shì)

（1）信號(hào)傳輸時(shí)延的優(yōu)勢(shì)

中低軌高通量衛(wèi)星星座系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在時(shí)延方面。對(duì)于1顆GEO高通量衛(wèi)星，傳輸時(shí)延在250ms左右，無(wú)法滿足地面交互式通信需要；MEO衛(wèi)星的傳輸時(shí)延為150ms左右，主要適用于干線傳輸和蜂窩回程等應(yīng)用；LEO衛(wèi)星的傳輸時(shí)延僅為30～50ms，已經(jīng)與地面通信手段較為接近（無(wú)線蜂窩通信的傳輸時(shí)延為10～50ms，光纖的傳輸時(shí)延為10～20ms）。

（2）更具性價(jià)比的容量使用成本優(yōu)勢(shì)

GEO衛(wèi)星一般是小型運(yùn)營(yíng)商或運(yùn)營(yíng)商作為高通量衛(wèi)星市場(chǎng)驗(yàn)證的選擇，先通過(guò)部署1顆衛(wèi)星覆蓋容量需求較為密集的地區(qū)，有了一定的用戶基礎(chǔ)和商業(yè)模式之后向區(qū)域和全球覆蓋方向逐顆衛(wèi)星進(jìn)行擴(kuò)展，投資風(fēng)險(xiǎn)較小，但單顆衛(wèi)星容量有限，如今在軌的高通量衛(wèi)星單顆衛(wèi)星容量大多在數(shù)百吉比特每秒左右，限制了市場(chǎng)的發(fā)展。而中低軌星座一旦入軌，星座容量在太比特每秒級(jí)別量級(jí)，可大大降低用戶的容量使用成本，擴(kuò)大了用戶群。

風(fēng)險(xiǎn)

（1）衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)

衛(wèi)星的軌道高度越低，單顆衛(wèi)星覆蓋范圍就越小，要求組成星座的衛(wèi)星就越多，軌道設(shè)計(jì)也更復(fù)雜（需要包含傾斜軌道面和極軌道），衛(wèi)星會(huì)在極地上空停留更長(zhǎng)時(shí)間，地面終端需要做更多的信號(hào)切換，同時(shí)加大了地面終端的設(shè)計(jì)難度。假設(shè)固定接收終端的天線口徑為30cm，仰角15°，天線的覆蓋區(qū)內(nèi)有數(shù)個(gè)子波束，當(dāng)衛(wèi)星飛行經(jīng)過(guò)，天線在每個(gè)波束之間大約45s就需要切換1次。如果考慮到衛(wèi)星處在不同的軌道面，終端設(shè)計(jì)更加復(fù)雜。

（2）現(xiàn)有發(fā)射能力風(fēng)險(xiǎn)

以“一網(wǎng)”衛(wèi)星發(fā)射為例，該星座如果從2017年底開(kāi)始發(fā)射，到國(guó)際電信聯(lián)盟授權(quán)的頻率軌位到期前（2020年）完成，需要在2～3年內(nèi)完成900多顆衛(wèi)星的發(fā)射（650顆在軌衛(wèi)星+備份星）。20世紀(jì)90年代擬發(fā)展的“泰利迪斯”（Teledesic）系統(tǒng)，為了解決發(fā)射能力不足的問(wèn)題，曾提出要用蘇聯(lián)的洲際彈道導(dǎo)彈發(fā)射衛(wèi)星。從全球發(fā)射市場(chǎng)的容量來(lái)看，現(xiàn)有的衛(wèi)星發(fā)射能力不能滿足未來(lái)幾年衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座的發(fā)射需求。過(guò)去5年，全球每年大約發(fā)射200多顆衛(wèi)星，但從2017年起，由于OneWeb星座發(fā)射啟動(dòng)，待發(fā)射衛(wèi)星數(shù)量猛增至300～400顆，大大超過(guò)了發(fā)射服務(wù)提供商的發(fā)射能力。

（3）低軌惡劣空間環(huán)境的考驗(yàn)

地球的外層空間位于700～10000km高度有2條高能質(zhì)子輻射帶，即范·艾倫輻射帶。低軌衛(wèi)星在變軌的過(guò)程中，需要頻繁穿越高能質(zhì)子輻射帶，會(huì)對(duì)衛(wèi)星的電子系統(tǒng)正常工作造成很大影響，因?yàn)閷?duì)衛(wèi)星抗輻射能力提出了很高的要求。同時(shí)，還會(huì)存在與微流星體和軌道碎片碰撞的風(fēng)險(xiǎn)。2009年，俄羅斯宇宙－2251（COSMO－2251）衛(wèi)星與銥－33（Iridium－33）衛(wèi)星在790km的軌道高度發(fā)生碰撞，2顆衛(wèi)星相撞造成的空間碎片成百上千，碰撞低軌衛(wèi)星的概率很大。此外，低軌星座衛(wèi)星數(shù)量眾多，退役后一旦成為新的太空垃圾，將會(huì)對(duì)后續(xù)衛(wèi)星產(chǎn)生很大影響。

（4）巨額資本投入風(fēng)險(xiǎn)

對(duì)于一個(gè)非地球同步軌道（NGSO）高通量衛(wèi)星系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，關(guān)鍵問(wèn)題在于要想實(shí)現(xiàn)全球覆蓋，必須部署一個(gè)星座，并且要想實(shí)現(xiàn)連續(xù)覆蓋，星座的每一顆衛(wèi)星都必須發(fā)射（提供連續(xù)覆蓋的衛(wèi)星數(shù)量取決于衛(wèi)星的軌道高度，軌道高度越低，所需的衛(wèi)星數(shù)量越多）。從部署成本來(lái)看，1顆NGSO高通量衛(wèi)星星座加上發(fā)射成本，至少需要約20億美元，而1顆GSO衛(wèi)星的部署成本是1.5億美元左右。同時(shí)，運(yùn)營(yíng)商部署1個(gè)星座需要的時(shí)間成本（3～4年或更多）對(duì)該公司的現(xiàn)金流也是一個(gè)考驗(yàn)。此外，LEO衛(wèi)星的壽命一般較短，因而衛(wèi)星的替換也將更為頻繁（LEO衛(wèi)星的設(shè)計(jì)壽命一般是5～7年，GEO衛(wèi)星一般是15年）。

4 總結(jié)與啟示

從國(guó)外近幾年的發(fā)展情況來(lái)看，高通量衛(wèi)星系統(tǒng)在降低容量使用成本方面具有巨大優(yōu)勢(shì)，是衛(wèi)星通信領(lǐng)域重要的發(fā)展方向。從國(guó)外主要高通量衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商的發(fā)展計(jì)劃來(lái)看，建設(shè)面向全球的高通量衛(wèi)星系統(tǒng)是大勢(shì)所趨，GEO星座和中低軌星座均是運(yùn)營(yíng)商的重要選擇。從國(guó)外的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，GEO高通量衛(wèi)星系統(tǒng)由于前期部署成本較小，較為適宜系統(tǒng)部署前期、市場(chǎng)需求較小、盈利模式不清晰的市場(chǎng)；而中低軌系統(tǒng)由于單顆衛(wèi)星部署成本較低，衛(wèi)星數(shù)量龐大，系統(tǒng)容量較高，對(duì)于全球覆蓋具有巨大優(yōu)勢(shì)，同時(shí)顯著降低用戶的容量使用成本和傳輸時(shí)延，在商業(yè)模式和服務(wù)模式方面易于推陳出新，是最符合成熟市場(chǎng)或市場(chǎng)潛力較大的解決方案。此外，以國(guó)際通信衛(wèi)星公司（INTELSAT）為代表的衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商已經(jīng)提出了GEO+LEO的發(fā)展思路，多軌道系統(tǒng)結(jié)合也將是未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)之一。

中低軌星座的部署既有優(yōu)勢(shì)，又有風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商而言，沒(méi)有“一站式”的解決方案，必須根據(jù)自身的實(shí)際情況，特別是擬投入的資金規(guī)模、轉(zhuǎn)發(fā)器使用潛力、提供的業(yè)務(wù)類型、市場(chǎng)發(fā)展階段等因素，設(shè)計(jì)符合現(xiàn)階段需要的高通量衛(wèi)星系統(tǒng)。