劉 悅 （北京空間科技信息研究所）

國外高通量衛(wèi)星系統(tǒng)與技術(shù)發(fā)展

劉 悅 （北京空間科技信息研究所）

The Development of Foreign High-throughput Satellite Systems and Technologies

1 HTS衛(wèi)星概念與特點

HTS衛(wèi)星概念由美國航天咨詢公司北方天空研究所（NSR）率先提出，將其定義為“采用多點波束和頻率復(fù)用技術(shù)、在同樣頻譜資源的條件下，整星通量是傳統(tǒng)固定通信衛(wèi)星（FSS）數(shù)倍的衛(wèi)星”。HTS衛(wèi)星概念由“寬帶衛(wèi)星”演化而來，但與之有所區(qū)別。寬帶衛(wèi)星以“大多運行在Ka頻段、大容量、提供寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入”為特點，開辟了衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)接入的新業(yè)務(wù)，因此稱為“寬帶”。而產(chǎn)業(yè)界普遍認為，HTS衛(wèi)星是以點波束和頻率復(fù)用為標志，可以運行在任何頻段，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、廣播和移動等各類商業(yè)衛(wèi)星通信服務(wù)的一類衛(wèi)星系統(tǒng)。

HTS衛(wèi)星與傳統(tǒng)通信衛(wèi)星波束對比

2 HTS衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)展

地球靜止軌道HTS發(fā)射數(shù)量逐年增加，發(fā)射比例趨近半數(shù)

從2004年首顆地球靜止軌道HTS衛(wèi)星（GEOHTS）發(fā)射以來，至2016年底，全球共計發(fā)射了46顆GEO-HTS衛(wèi)星，2017年全年預(yù)計發(fā)射11顆HTS衛(wèi)星（截至2017年9月底，已發(fā)射9顆），創(chuàng)歷年發(fā)射之最。過去5年（2012－2016年底），全球共計發(fā)射26顆HTS衛(wèi)星，是上一個5年（2007－2011年）發(fā)射數(shù)量總和（11顆）的2倍多。

全球2004－2020年GEO－HTS衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量統(tǒng)計與預(yù)測

2010－2016年國外發(fā)射的GEO－HTS衛(wèi)星

GEO-HTS衛(wèi)星自2015年起，發(fā)射數(shù)量從每年的2～3顆顯著增加至近10顆，近2年占發(fā)射GEO通信衛(wèi)星數(shù)量的1/3。從2019年起，隨著GEO通信衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量的下滑，HTS衛(wèi)星年發(fā)射數(shù)量將接近當(dāng)年發(fā)射GEO通信衛(wèi)星數(shù)量的50%。

中低軌HTS發(fā)射迎來井噴，2020前后達到頂峰

與GEO-HTS快速發(fā)展相比，多個大型中地球軌道（MEO）和低地球軌道（LEO）HTS星座進入研制當(dāng)中，最早將于2019年發(fā)射。雖然國外宣稱發(fā)展的中低軌HTS星座主要有6個，但由于建設(shè)的重復(fù)性、所需的資金規(guī)模、頻率協(xié)調(diào)、制造和發(fā)射能力的限制，導(dǎo)致最終能夠發(fā)展起來的星座項目并不如宣傳所述。

目前，全球在軌的中低軌HTS星座只有1個，即運行在MEO軌道的“另外三十億人”（O3b）星座，由12顆衛(wèi)星組成，現(xiàn)已完成部署并交付使用。從目前在建的HTS星座來看，主要有2019年預(yù)計發(fā)射的O3b星座擴展的8顆衛(wèi)星，以及2020年預(yù)計發(fā)射的650顆“一網(wǎng)”（OneWeb）衛(wèi)星星座。如果將所有宣稱發(fā)展的中低軌HTS星座都計算在內(nèi)，全球累計發(fā)射的中低軌HTS星座衛(wèi)星接近上萬顆。

全球中低軌HTS星座發(fā)射數(shù)量預(yù)測

國外計劃部署的中低軌HTS星座系統(tǒng)

除了確定要發(fā)射的O3b系統(tǒng)和OneWeb系統(tǒng)外，還有其他中低軌HTS星座系統(tǒng)處于在研或概念階段。

3 HTS衛(wèi)星關(guān)鍵技術(shù)

多波束天線技術(shù)

HTS衛(wèi)星最基本的特征就是衛(wèi)星的波束為點波束。衛(wèi)星采用多點波束的好處在于提高天線的發(fā)送/接收增益，并能實現(xiàn)頻率復(fù)用；采用多點波束的劣勢在于覆蓋，點波束覆蓋范圍較小，要想實現(xiàn)大范圍的區(qū)域覆蓋，則需要大量點波束。目前，國外主要有2種發(fā)展思路：一是以衛(wèi)訊衛(wèi)星－1和“Ka頻段衛(wèi)星”為代表的、采用窄點波束提高通量的區(qū)域系統(tǒng)；二是采用較大的點波束增加覆蓋范圍的全球系統(tǒng)，例如“史詩”（Epic）。

HTS衛(wèi)星主要應(yīng)用兩類多波束天線：一是單饋源單波束天線（SFB）；二是多饋源單波束天線（MFB）。SFB天線的每個饋源喇叭對應(yīng)1個波束，簡化了硬件設(shè)備，電性能也較好，對于覆蓋范圍較大的HTS衛(wèi)星多采用SFB天線。MFB天線通過小的喇叭陣列形成波束，有的還配有波束成形網(wǎng)絡(luò)，優(yōu)勢在于實現(xiàn)波束重合覆蓋僅需1副反射器，從而減少了星上天線的尺寸和成本。因此，對于較小的地理區(qū)域和多用途HTS衛(wèi)星，MFB天線是最佳選擇。

HTS衛(wèi)星SFB天線設(shè)計

HTS衛(wèi)星MFB天線設(shè)計

頻率復(fù)用技術(shù)

對于HTS衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計來說，采用點波束和頻率復(fù)用技術(shù)相結(jié)合，能夠有效提高天線增益，實現(xiàn)頻率復(fù)用。優(yōu)勢在于：①天線的增益與波束寬度有關(guān)，波束寬度越窄，天線增益越高。較高的衛(wèi)星天線增益可以使得用戶采用更小口徑的終端，并使用高階調(diào)制編碼方案，從而提高頻譜利用效率，提高數(shù)據(jù)傳輸速率。天線增益增加10倍，系統(tǒng)容量增長4倍。②點波束的應(yīng)用，使得距離較遠的波束可以復(fù)用同一段頻率。

頻率復(fù)用也會帶來一些問題，當(dāng)2個或更多的波束使用同一段頻率時，由于天線旁瓣不為零，就會產(chǎn)生波束間的干擾。綜合來看，點波束技術(shù)的應(yīng)用能夠帶來效率的提高，但引起的波束間干擾又降低了效率。如果增加波束間的距離可以降低干擾，但又減少了頻率復(fù)用，影響了總的通量。因此，點波束的數(shù)量和頻率復(fù)用程度實際上是系統(tǒng)設(shè)計根據(jù)實際應(yīng)用的折中考量。

靈活有效載荷技術(shù)

“靈活”指的是HTS衛(wèi)星系統(tǒng)在發(fā)展的過程中，為了提高商業(yè)競爭力而對系統(tǒng)的服務(wù)能力提出的要求。早期發(fā)展HTS衛(wèi)星系統(tǒng)主要以提高整星通量為目標，星上設(shè)計簡單，衛(wèi)星一旦入軌，很難對服務(wù)進行調(diào)整。實際應(yīng)用當(dāng)中會出現(xiàn)熱點地區(qū)的轉(zhuǎn)發(fā)器飽和，非熱點地區(qū)轉(zhuǎn)發(fā)器利用率很低，造成轉(zhuǎn)發(fā)器利用率低的問題。

靈活有效載荷是歐洲提出來的一個籠統(tǒng)的整體概念，主要包含三方面：①靈活的覆蓋，能夠?qū)崿F(xiàn)覆蓋區(qū)域的在軌可調(diào)，實現(xiàn)衛(wèi)星從所在軌位可見地面任何一個地區(qū)的動態(tài)覆蓋調(diào)整，并能在軌控制點波束的尺寸、數(shù)量和形狀，實現(xiàn)途徑主要包括直接輻射陣列天線（DRA）、陣列饋源反射器天線（AFR）、共焦天線（Confocal Antennas）和透鏡天線（Lens Antennas）等；②靈活的頻譜分配，能夠靈活分配頻率和帶寬，主要通過星上處理實現(xiàn)（含模擬和數(shù)字處理技術(shù)）；③靈活的功率分配，主要通過多端口放大器（MPA）技術(shù)實現(xiàn)。

自2010年起，歐洲航天局（ESA）“通信系統(tǒng)預(yù)先研究”（ARTES－3和4）產(chǎn)品研制專題為靈活有效載荷專設(shè)了“通用靈活有效載荷”專項，分“兩步走”：一是在英國阿萬蒂通信公司的HTS衛(wèi)星高適應(yīng)性衛(wèi)星－1上開展通用靈活有效載荷的在軌驗證；二是在國際移動衛(wèi)星公司的“阿爾法衛(wèi)星”（Alphasat）上開展星上數(shù)字處理器的在軌驗證。2015年，歐洲航天局與歐洲通信衛(wèi)星公司共同開展了“量子”（Quantum）衛(wèi)星研制：①實現(xiàn)靈活的波束賦形覆蓋形狀和大小可調(diào)；②覆蓋范圍可變，8個獨立的點波束能夠在1min內(nèi)調(diào)整到任意可見的地面服務(wù)區(qū)域；③覆蓋波束跳換，更加靈活地按需分配，需求熱點地區(qū)可以獲得更高的容量分配；④功率和容量靈活，靈活地為用戶分配功率和容量；⑤頻率靈活，能夠使用Ku頻段范圍內(nèi)任何一段頻譜。

4 啟示與建議

超高通量、全球覆蓋、星座組網(wǎng)、高低軌結(jié)合是未來發(fā)展方向

從系統(tǒng)部署來看，未來GEO-HTS衛(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)展趨勢將是多顆衛(wèi)星組網(wǎng)，中低軌HTS衛(wèi)星系統(tǒng)共存；從系統(tǒng)服務(wù)能力來看，國外主流衛(wèi)星運營商無不以更高的通量為發(fā)展目標，已經(jīng)出現(xiàn)了以衛(wèi)訊衛(wèi)星－3為代表的超高通量衛(wèi)星（VHTS），單星通量超過1Tbit/s；從系統(tǒng)覆蓋能力來看，面向區(qū)域覆蓋的HTS衛(wèi)星系統(tǒng)主要是發(fā)展初期用于技術(shù)和市場驗證，全球四大衛(wèi)星運營商無不以全球覆蓋為發(fā)展目標；從系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量來看，系統(tǒng)運行的軌道越低，時延越小，越能滿足對實時性要求較高的應(yīng)用，以國際通信衛(wèi)星公司為代表的衛(wèi)星運營商已經(jīng)提出了GEO+LEO軌道的發(fā)展思路，多軌道系統(tǒng)結(jié)合也將是未來趨勢之一。

深入挖掘市場需求和應(yīng)用要求，我國HTS衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計與建設(shè)應(yīng)充分結(jié)合市場與應(yīng)用

2016年，由香港亞太衛(wèi)星公司和中交通信科技有限公司聯(lián)合打造的我國首個GEO-HTS衛(wèi)星系統(tǒng)建設(shè)啟動，我國有望在2019年擁有獨立自主的HTS衛(wèi)星系統(tǒng)。從國外發(fā)展經(jīng)驗來看，HTS衛(wèi)星系統(tǒng)是一類以商業(yè)應(yīng)用為主的通信衛(wèi)星，不同的業(yè)務(wù)應(yīng)用導(dǎo)致不同的有效載荷設(shè)計，不同的用戶和應(yīng)用環(huán)境影響頻段的選擇，不同的市場區(qū)域、用戶特點決定不同的系統(tǒng)架構(gòu)。因此，我國HTS衛(wèi)星系統(tǒng)部署之前應(yīng)充分調(diào)研、挖掘、甚至牽引市場需求，有針對性的開展系統(tǒng)設(shè)計，真正建設(shè)一個服務(wù)目標明確、功能清晰、用戶好用的HTS衛(wèi)星系統(tǒng)。

靈活性是HTS衛(wèi)星未來發(fā)展目標，我國應(yīng)加緊開展關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)

靈活性是國外HTS衛(wèi)星系統(tǒng)根據(jù)數(shù)年運營總結(jié)的經(jīng)驗教訓(xùn)而提出的發(fā)展目標。為了解決需求分布不均、轉(zhuǎn)發(fā)器利用率不高的問題，美歐衛(wèi)星制造商、運營商已經(jīng)有計劃、有步驟地開展靈活有效載荷研制。全球首個真正意義上的“靈活”衛(wèi)星“量子”已經(jīng)在研，預(yù)計2018年投入運營。我國HTS衛(wèi)星系統(tǒng)建設(shè)應(yīng)充分吸取國外經(jīng)驗教訓(xùn)，加緊開展陣列天線、數(shù)字星上處理、多端口放大器技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)，避免HTS衛(wèi)星系統(tǒng)重走國外衛(wèi)星應(yīng)用上出現(xiàn)的問題，實現(xiàn)跨越式發(fā)展。

自2004年首顆高通量衛(wèi)星（HTS）發(fā)射至今，系統(tǒng)部署逐年增加，截至2017年9年底，全球共計發(fā)射56顆HTS衛(wèi)星，并呈加速發(fā)展的趨勢，近2年發(fā)射數(shù)量達到17顆，占HTS衛(wèi)星發(fā)射總數(shù)的1/3以上。在研衛(wèi)星數(shù)量大幅增加，全球各大衛(wèi)星運營商積極推動HTS衛(wèi)星部署，全球HTS衛(wèi)星訂單超過上千顆，是通信衛(wèi)星領(lǐng)域發(fā)展最快、關(guān)注度最高、潛力最大的一類衛(wèi)星系統(tǒng)。