原标题:国外高通量卫星发展概述

作者 | LASA鹏

来源 | 深夜空间局LASA

高通量卫星(HTS)是指使用相同带宽的频率资源,而数据吞吐量是传统通信卫星数倍甚至数十倍的通信卫星,实现通信容量达数百Gbps甚至Tbps量级。高通量卫星能大幅降低每比特成本,可以经济、便利地实现各种新应用,已成为卫星通信行业真正改变游戏规则的技术。

高通量卫星按轨道可划分为地球同步静止轨道(GEO)和非静止轨道(NGSO)两种类型卫星,当前在轨应用的高通量卫星以GEO-HTS为主,但NGSO-HTS星座项目的实施将对GEO-HTS的增长产生一定程度影响。NGSO-HTS星座有望提供大容量、低延迟、全球(或近乎全球)覆盖的服务,如SES公司对O3b中地球轨道(MEO)星群的持续扩展,以及OneWeb、Starlink、Telesat和LeoSat等低地球轨道(LEO)宽带大容量星座项目的设计和建造,预计到2020年以后高通量卫星及星座的容量将增加到40Tbps以上。

高通量卫星发展历程

目前全球已有26个卫星运营商投资建造了数十颗高通量卫星或载荷,表1给出部分已发射的高通量卫星,其中2018年上半年发射的高通量卫星有3次共7颗,分别是:1月25日,Al
Yahsat-3与SES-14卫星以“一箭双星”方式升空;3月9日,O3b星座成功发射4颗MEO卫星;6月4日,SES-12卫星(图1)发射成功。

·起步阶段(2005-2010年),单颗高通量卫星的容量在50Gbps左右;

·发展阶段(2011-2019年),单颗通信容量在100~300Gbps;

·跨越阶段(2019年以后),单颗通信容量将达到1Tbps。

目前,个人上网、企业数据传输、基站回传、飞机通信、航海通信、军事通信等都对高通量卫星提出了重大需求,应用场景越来越广泛,通过高通量卫星技术创新,将驱动市场应用不断发展。

表1
2018年截至6月30日已发射的部分高通量卫星统计

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图1 SES-12卫星在轨示意图

高通量卫星建设动向

根据欧洲咨询公司于2017年6月发布的《高通量卫星:垂直市场分析与预测》,全球30家卫星运营商在高通量卫星系统方面的总承诺投资额已达到近190亿美元。2017~2025年预计将有大约100次GEO-HTS发射,平均每年发射11次,并将至少发射一个LEO-HTS星座。

预计高通量卫星在2017~2025年期间将产生360亿美元以上总收入,到2025年HTS容量的租赁收入将超过60亿美元,届时单位带宽成本将大幅降低。美国北方天空研究公司持有相似的预期,据其《全球卫星容量供应和需求第14版》分析,到2026年约60%的通信容量来自LEO-HTS星座,其余则来自GEO-HTS。

通过高通量卫星的发展历程和预测分析,未来高通量卫星在技术领域将向网络宽带化、覆盖全球化、通信高频化、卫星载荷灵活化、终端天线平板化、应用移动化、运营多元化、天地一体化等方向发展。高通量卫星的应用市场将主要服务于以下几个方面。

(1)视频市场:虽然传统卫星电视业务受到互联网的挑战,但是高清、4K、VR的发展会带来带宽增量需求,高通量卫星技术将分担全球视频分发任务。

(2)固定和移动数据连接:单个消费者宽带使用量将大幅增长,航空航海等市场成为近期增长潜力点,长期来看陆地宽带移动通信也具有巨大潜力。

(3)补充地面通信网络:卫星数据通信业务增长点,必然是地面网络不能覆盖却存在需求的方面,例如在海洋运输(实时监测、远程维护、船队管理、船员互联网接入)、游轮游艇(游客宽带接入互联网)、远洋渔业(业务安全保障、渔民日常通信、智慧渔业)、海上石油开采(大数据应用、生产管理和控制)、航空客舱(乘客接入互联网)等方面,卫星HTS通信享有得天独厚的优势。

1、GEO-HTS动向

国际通信卫星公司与日本SKY Perfect JSAT公司合作,将基于Intelsat
EpicNG高通量卫星平台,建造、发射一颗新的高通量卫星Horizons-3e,以满足亚太地区不断增长的移动和宽带业务需求。Horizons-3e卫星由波音卫星系统(BSS)公司研制,采用BSS
702
MP卫星平台,起飞质量为6500kg,工作频段为C频段和Ku频段,计划在2018年下半年发射,定点于东经169度太平洋上空。

继Viasat-1和Viasat-2卫星之后,ViaSat继续向高通量卫星更大容量方向迈进,BSS公司正开发ViaSat-3系统。该系统由3颗ViaSat-3卫星组成并配备最新型地面网络基础设施,将提供具有足够容量的全球服务覆盖的宽带网络,以提供可负担的、高速、高质量互联网和视频流服务,每颗ViaSat-3卫星预计将提供1Tbps以上容量,并将能够灵活地将容量动态分配到客户所在位置。第一颗ViaSat-3卫星预计将于2019年发射,该卫星将是HTS划时代的里程碑。

以色列Spacecom公司是AMOS系列卫星的运营商,向亚洲、欧洲、中东和非洲提供服务。该公司已投资新建的AMOS-17卫星(图2)将提供Ka、Ku与C波段服务,通过广域波束和高通量点波束组合实现最大频谱效率。AMOS-17卫星位于东经17度,将扩大对非洲、中东和欧洲的覆盖,卫星在轨寿命为15年,预计于2019年发射。AMOS-17卫星将是具有先进技术水平的多频段高吞吐量卫星,可为用户提供可靠的解决方案和极大的竞争优势,它采用了创新设计,能够灵活实现各种服务,满足不断增长的用户需求。

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图2 AMOS-17卫星在轨示意图

泰国Thaicom公司于2005年发射的IPSTAR卫星是世界上第一颗高通量卫星,自发射以来已成为亚太地区卫星宽带业务的代名词。目前该公司将继续支持宽带卫星通信业务,最新的HTS项目是与中国长城工业公司签订的2.08亿美元卫星采购合同。这颗卫星通过Ka频段提供53Gbps的吞吐量,将为亚太地区提供服务,预计2019年底发射。

新加坡Kacific公司计划解决太平洋和东南亚地区的高速宽带服务问题,该公司已融资1.47亿美元以涵盖卫星、发射服务、地面系统和其他项目,并于2017年2月从BSS公司订购了它的第一颗高通量卫星Kacific-1,采用BSS
702平台,通过57个Ka频段窄波束提供宽带通信服务,每个波束容量高达1.25Gbps,卫星计划于2019年发射,其小型终端能够以低成本提供100Mbps以上的互联网上网速度。目前该卫星已预先售出51个波束的容量,大多数波束的出售容量已超过70%,Kacific正在开展后续其他高通量卫星相关计划。

SES于2016年9月从泰勒斯•阿莱尼亚空间公司(TAS)订购了一颗全电推的高通量卫星SES-17,该卫星将利用近200个Ka波段点波束补充SES公司现有的覆盖区,进一步加强美洲和大西洋地区的覆盖,卫星计划于2020年发射。

2、NGSO-HTS动向

随着O3b星座的部署以及SES公司对该项目的扩展,说明NGSO-HTS星座受到传统卫星运营商的重视。O3b公司于2007年组建,2013年开始发射部署由TAS研制的O3b第一代卫星,2017年SES公司收购O3b公司后由BSS公司研制O3b第二代卫星,预计第二代卫星将于2020年以后开始部署。

O3b星座属于MEO星座,4颗一组发射,8颗一个编队运行,至今已发射4组次,在轨卫星已有16颗。第一代O3b卫星采用弯管式透明转发方式,星上装备12支65W
Ka频段行波管放大器,工作带宽216MHz,对地面配备12副可动点波束天线(10个用户波束,2个信关波束),波束指向范围为±26°,卫星未设置星间链路,单星通信容量达19Gbps,卫星其他参数详见表1
。目前,除O3b星座外,还有OneWeb、Starlink、LeoSat、Telesat等NGSO星座正在积极规划和建设。

OneWeb星座是目前正在兴建的全球覆盖的低轨卫星星座,整个星座有约920颗卫星组成(720颗在轨运行,约200颗地面备份),720颗卫星分布在18个轨道面上,轨道高度1200km,每个轨道分布40颗卫星,单颗卫星的容量不少于5Gbps,可为每个用户终端提供上行50Mbps、下行200Mbps的宽带接入服务,整个星座的通信容量可达5Tbps。单颗卫星覆盖面积为1080km˟1080km,由16个窄长椭圆波束组成,工作在Ku频段与用户终端通信,另有2个Ka频段信关波束。

为消除对GEO卫星产生的干扰,OneWeb提出一种“渐进倾斜”(Progressive
Pitch)的干扰规避技术。为降低卫星及星座设计难度和加强对所传输信息的管控等因素,OneWeb星座不配备星间链路,将通过在全球部署55~75个信关站实现星座信息的流通以及卫星网络与地面网络的互联互通。

SpaceX公司于2015年提出建设低轨宽带互联网星座计划,并于2017年正式将该星座命名为Starlink。2018年2月22日,SpaceX公司采用猎鹰-9重型火箭成功发射了2颗试验通信卫星Tintin
A/B(图3),将为Starlink星座建设提供前期在轨技术验证,但是根据SpaceX向FCC提交的申请文件来看,Starlink星座正式卫星公布的主要参数与这2颗试验卫星存在一定差异。

Starlink星座将分2期建设,第1期计划部署4425颗卫星,第2期计划部署7518颗卫星,整个星座将包含接近12000颗卫星,成为迄今为止人类提出发展的规模最大的星座项目。Starlink星座第1期每颗卫星预计发射质量386kg,设计寿命5-7年,星上还带有霍尔效应电推进系统;第1期卫星将具备数字信号处理能力,同时配备先进的相控阵天线,每颗卫星的覆盖范围半径达1060km;第1期卫星的单星吞吐量约可达到17-23Gbps,第1期首批1600颗卫星的总吞吐能力可达到32Tbps,整个星座的数据吞吐量将达到接近100Tbps。

Starlink星座将采用激光星间链路实现空间组网,达到网络优化管理以及服务连续性的目标。Starlink星座第2期卫星将采用V频段,Starlink星座目前公布的工作频率计划如表2。

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图3 Starlink星座两颗试验卫星Tintin
A/B发射前配置情况

表2
Starlink星座工作频率计划汇总

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2017年5月,低轨高通量LeoSat星座获得日本SKY Perfect
JSAT公司的投资,星座由108颗卫星组成,卫星将由TAS公司承研,在该星座的系统构架中将采用激光星间链路,建立一个空间激光骨干网,不必通过多个地面站转发数据,即可实现Gbps量级的数据传输服务。LeoSat星座将实现4G和5G数据回程传输,向银行业国外办事处提供安全网络,为能源和海事部门提供巨大带宽,确保应急通信的关键备份,实现偏远社区的Internet接入,在电信、企业、海事和政府部门数据和移动市场中寻求新业务机会。

2018年1月12日,萨里卫星技术公司为加拿大卫星运营商电信卫星(Telesat)公司研制的一颗试验通信卫星(LEO
Vantage
1),搭乘印度的“极轨卫星运载器”通过一箭31星成功发射,目前正开展相关在轨测试。Telesat公司于2018年7月30日正式宣布由TAS公司和SSL公司联合设计其低轨宽带星座,该星座由117颗卫星组成,通信频率计划选用Ka频段,并设置激光星间链路,预计于2022年开始投入使用。

Telesat公司与美国军方用户为该星座设计了极地/倾斜轨道组合系统,轨道高度分别为1000km(极地轨道)和1248km(倾斜轨道)。Telesat星座瞄准的应用对象包括繁忙的机场,陆、海、空军事行动,主要航运港口,偏远大型社区以及企业网络宽带通信等需求集中的区域。

高通量卫星新技术发展方向

GEO通信卫星已逐渐步入高通量时代,低轨通信星座也向大容量、高速率发展。铱星公司已投入建设的第二代星座中,除继承原有L频段载荷外,增加了Ka频段载荷,用以提供最高8Mbps通信速率;近年来,Starlink星座、OneWeb星座的设计均采用Ku/Ka频段,通信速率高达1Gbps,单星容量高达20Gbps。

按照ITU的频率规则,使用同一频段的卫星通信系统需开展互相协调以避免发生干扰。根据目前掌握的资料来看,现正在研制的通信卫星星座采用的频率大多已经重叠,而且中低轨通信星座具有的全球动态无缝覆盖特点,导致各个独立的星座之间几乎不存在共用同一段频率资源的可能性。

目前,O3b星座已相继发射16颗卫星,Starlink星座于2018年初发射了两颗试验卫星起到关键的占频保轨功能,这使得这些星座在未来的频率协调中占据了主动地位,特别是Starlink等星座的整体规模非常庞大,必然对后续同频星座的频率协调造成不利影响。

面对频率资源的紧张形势和蜂拥而来的低轨通信星座建设浪潮,除申报和储备频率轨位网络资料之外,应加速低轨星座实质性发射部署,同时加大对颠覆性创新技术的研究。针对全球高通量通信的发展,本文梳理总结了与卫星相关的技术特点和发展方向。

(1)有效提高多波束天线C/I,增强频率多色复用效率。高增益多波束天线是保障高通量卫星实现高数据吞吐量的关键。在确保波束频谱多色复用效率较高的前提下,有效提高多波束天线的C/I是一个核心技术问题。目前,每个波束的工作频率、空间位置、极化方式等都是固定不变的,但在以Viasat-3为代表的下一代高通量卫星上,分配给每个波束的工作频率和极化方式等可以在轨实时改变,因此除了目前使用的频率隔离、空间隔离和极化隔离等手段之外,需要进一步研究改善高通量卫星多波束C/I的相关技术,增强频率复用效率。

(2)开展低轨星座通信频率共用技术研究。随着多个低轨宽带大容量通信星座的兴建,频率资源变得越来越稀缺,频率协调难度越来越大,尤其是低轨星座全球覆盖的特征,使得独立专享频率资源已不可能,急需通过频率共用技术实现多星座共存。所以频谱感知、干扰分析、智能避让、各星座覆盖时空统筹应用等技术,成为低轨通信系统设计必须突破的核心技术和多星座成功建设的必要条件。

(3)星载有源大规模相控阵天线技术。为提高星座卫星通信系统的单星覆盖范围,要求波束覆盖范围较大(一般为-60度到+60度),为满足这一要求可采用有源相控阵技术。同时为了满足终端发射功率小、业务带宽大的要求,星载有源相控阵需要有比较大的增益,对于星座系统来说,其通道数量一般都在100以上,设计如此规模的有源相控阵天线阵列系统是极大的挑战。

(4)发展跳波束技术。传统高通量卫星设计多采用转发器通道与点波束相对固定的组合方式,因此传统高通量卫星需要大量的点波束(60-80个),且每个波束占用的带宽固定且较宽;而在下一代高通量卫星上,采用跳波束技术来提高卫星系统的灵活性。跳波束技术包括接收和发射数字波束形成网络、波束权值处理器、相控阵天线、跳波束通信协议等,可将点波束(转发器通道)从既定的覆盖布局实时指向期望的区域,从而实现接收、发射覆盖区和波束位置可动态调整的需求。

(5)积极开拓新的工作频段,研制新频段相应的星载设备。为了实现高通量数据传输要求,除日益拥挤的Ka频段外,需要向Q/V、太赫兹以及激光等频段发展,获得更大的工作带宽资源,进一步提高卫星通信容量。积极研制天线、转发器以及星上处理器等载荷设备,提高相关产品的成熟度和实用性,并向小型化和轻量化方向发展。目前来看,Q/V频段(40/60GHz)和激光载荷设备近期内将成熟并可投入使用,可改善对Ka频段的严重依赖。

本文转载自微信公众号“深夜空间局LASA”,原标题《国外高通量卫星发展概述》,作者 | LASA鹏

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高通量卫星的发展与应用前景

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