全球空間信息基礎設施的發展態勢與我國衛星通信的發展思路

沈永言（中國衛通集團有限公司）

全球空間信息基礎設施的發展態勢與我國衛星通信的發展思路

Development of the Global Space Information Infrastructures and China's Satellite Communication

沈永言（中國衛通集團有限公司）

空間信息基礎設施是利用空間資源，為廣大用戶提供通信、遙感、導航定位之類信息產品和服務的天地一體化設施，它由功能配套、持續穩定運行的空間衛星系統、地面系統及其關聯系統組成。

衛星通信是空間信息基礎設施中規模最大、產業化程度最高的部分。由于同樣具有空間屬性的緣故，衛星遙感、衛星導航的穩定運行和良好服務都要不同程度地依賴于衛星通信。2015年底，全球在軌運行衛星1311顆（不含5kg以下的小衛星），其中通信衛星705顆（軍用123顆，民商用582顆）。全球衛星行業和衛星通信服務總產值分別為2083億美元和1274億美元。

近年來，我國空間信息基礎設施建設取得了長足的進步，“北斗”、“高分”、Ka頻段寬帶衛星等都在迅猛發展，但與發達國家相比，我國的應用水平和產業規模還非常有限。因此，作為衛星通信系統的設施擁有者和服務提供者，衛星通信運營商需要準確把握全球空間信息基礎設施的發展態勢，認真總結衛星通信的發展思路，充分發揮在天地一體化信息基礎設施中的紐帶作用。

1 全球空間信息基礎設施的發展態勢

星座化覆蓋

全球化發展必然要求信息基礎設施的全球覆蓋。相比于地面信息基礎設施，空間信息基礎設施，特別是基于星座技術的衛星網絡，在覆蓋和互通能力方面具有獨特的優勢。國際移動衛星－2～5（Inmarsat－2～5）、“全球星”（Globalstar）、“銥”衛星（Iridium）、“軌道通信”（Orbcomm），以及正在部署的“另外三十億人”（O3b）、即將啟動的一網公司（OneWeb）和太空探索技術公司（SpaceX）的衛星互聯網，都是面向全球的星座通信系統。美國“全球定位系統”（GPS）、俄羅斯“全球導航衛星系統”（GLONASS）、正在建設之中的歐洲“伽利略”（Galileo）和我國的“北斗”，都是面向全球的星座導航定位系統。傳統上，衛星遙感系統都是由單顆衛星構成，目前也在向星座化方向發展。截至2015年底，美國行星實驗室公司（Planet Labs，現改為行星公司）陸續發射了143顆鴿群－1（Flock－1）立方體衛星（其中66顆已再入大氣層并燃盡，6顆沒有釋放，34顆失敗），它是全球首個業務化對地觀測衛星遙感星座系統。美國天空盒子成像公司（Skybox Imaging）正在部署由24顆微小衛星組成的“天空衛星”（SkySat）系統，第一次將衛星遙感推向星座和連續視頻觀測時代。

空分化擴容

擴大容量是通信系統滿足日益增長帶寬需求的必然要求。對于衛星通信而言，開發新的頻段，通過空分/多點波束提高頻率利用率是擴大系統容量的2個基本途徑。繼L、S、C、Ku頻段之后，Ka頻段正在被大量使用，激光通信也在探索之中。繼國際移動衛星－3和4、“全球星”、“銥”衛星、“亞洲蜂窩衛星”（ACeS）、“瑟拉亞”（Thuraya）等移動衛星通信系統之后，多點波束也被廣泛應用，如“Ka頻段衛星”（Ka-Sat）、衛訊衛星－1（Viasat－1）、木星－1（Jupiter－1）、國際移動衛星－5等新的高吞吐量衛星通信系統。豐富的頻率加上20倍以上的頻率利用率，使得系統容量得以百倍提高。軌位的有限性和Ka以上頻段對于雨衰的敏感性，決定了空間分辨率和多點波束將越來越多地應用于常規頻段衛星通信系統。事實上，“互聯網協議星”（iPSTAR）用戶段使用的就是Ku頻段，而國際通信衛星公司的“史詩”（Epic）將在C、Ku頻段通信衛星上應用多點波束，作為一種戰略已經開始部署。

國際移動衛星－5在軌飛行示意圖

激光化傳輸

微波頻率資源總體上是有限的，其頻率帶寬上限為10GHz，而激光頻段可用頻率資源要比微波高3～5個數量級。自20世紀70年代以來，美國、歐洲、日本等國對衛星激光通信技術進行了全面深入的研究，目前已開發出多套衛星激光通信終端，完成多次在軌試驗，技術基本成熟，主要應用領域是星間中繼，以及深空通信、衛星與地面站之間骨干傳輸。其中，星間中繼通信速率已達到5.8Gbit/s，月地通信速率將達到2.5Gbit/s。由于具有傳輸距離遠、容量大、載荷小、功耗低、安全可靠等優點，激光通信被認為是未來衛星通信的最佳解決方案。美國激光通信公司（Laser Light Communications）已經開始規劃建設由8顆衛星和48個地面站構成的全球天基激光通信網絡，其衛星軌道高度為12000km，預計系統總容量達到6Tbit/s，下載速度為200Gbit/s，是當前微波連接速度的100倍。

小型化發展

衛星質量對衛星發射和服務業影響巨大。作為提高效率、降低成本和擴大應用范圍的有效解決方案，小型化貫穿于衛星通信、導航、遙感等各個領域。20世紀90年代以來，小衛星星座通信系統開始受到各國關注。從2007年開始，全球星公司、銥衛星公司、軌道通信公司等陸續啟動各自二代系統的研制，O3b公司、外聯網公司（Outernet）、一網公司和太空探索技術公司等也紛紛進入。小衛星質量通常都在幾百千克，如第二代“銥”衛星質量800kg，第二代“全球星”質量700kg，第二代“軌道通信”質量157kg，O3b衛星質量低于700kg，一網公司的衛星質量約200kg。2015年，全球共成功發射149顆500kg以下小衛星，占全球同期入軌航天器總數的63.14%，相較2014年162顆有所回落，這是近5年來全球小衛星發射數量首次下探，但整體仍保持歷史較高發射水平。在這些小衛星當中，遙感衛星數量占很大比例，小型化趨勢較為明顯。例如，天空盒子成像公司發射的第二顆“天空衛星”與第一顆質量一樣，都是91kg，而行星實驗室公司發射的鴿群－1遙感衛星質量只有5kg。目前，各種小衛星技術層出不窮，如立方體衛星、智能手機衛星等都是新的熱點。

多樣化發射

經濟有效的衛星發射方式是空間信息基礎設施建設和運行的基本保障。衛星發射主要有火箭直接發射和在軌航天器二次釋放兩種方式。對于小衛星發射而言，“一箭多星”是目前主流方式。此外，可以重復使用的無人機發射也在開發之中。在標準化星箭接口等技術的驅動下，美國、歐洲、俄羅斯和印度都具備了“一箭多星”的發射能力。2013年，國外通過20次發射，成功將135顆小衛星送入太空，其中“一箭五星”及以上發射8次，共成功發射小衛星102顆。2014年，俄羅斯“第聶伯”（Dnepr）火箭成功完成“一箭三十八星”衛星發射，創造了“一箭多星”新紀錄。2012年，空間站釋放方式開始首次應用，美國安塔瑞斯－120（Antares－120）火箭在發射軌道科學公司（OSC，現已更名為軌道-ATK公司）的“天鵝座”（Cygnus）飛船時，將33顆小衛星發射到“國際空間站”，并隨后從中釋放。2013年，又新增了母子衛星釋放和在軌分離等新興方式。2014年2月11－28日，美國行星實驗室公司通過“國際空間站”陸續釋放了28顆鴿群－1衛星，全年全球通過空間站共釋放67顆立方體衛星。2015年9月20日，我國新型運載火箭長征－6成功將20顆微小衛星送入太空，此次發射任務創造了中國航天“一箭多星”發射的最高紀錄。

第二代“全球星”在軌飛行示意圖

離子化推進

一直以來，衛星軌道轉移和位置保持都是依靠化學推進系統，而化學推進系統占衛星總質量的40%，這就意味著較大的衛星發射成本、較小的衛星載荷以及較低的衛星性價比。新興的電推進概念正在改變這一局面，其原理是先將氣態工質電離，并在強電場作用下將離子加速噴出，通過反作用力推動衛星進行姿態調整或者軌道轉移。2012年，波音公司（Boeing）率先提出全電推進衛星概念，其BSS－702SP全電推進平臺一經推出即獲得4顆衛星訂單，從此引領了全球全電推進衛星的發展浪潮。近年來，全球主要衛星制造商紛紛推出了全電推進衛星研制和發射計劃。與化學推進相比，電推進的比沖性能要高1個數量級，其主要優點是可以有效降低衛星發射質量、增加衛星有效載荷、延長衛星工作壽命、提高衛星性價比和衛星運營商的市場競爭力。

靈活化應用

傳統通信衛星，特別是靜止軌道衛星，投資巨大，一旦入軌，其技術狀態基本就被固定，難以針對通信市場的不斷變化做出動態的調整，從而給衛星運營商帶來較大的經營壓力。對此，近年來國外興起了針對通信衛星靈活性的研究，主要以歐洲為代表。所謂衛星靈活性，是指衛星在軌服役期間，可以動態調整星上資源，以應對市場需求或企業商業模式的變化。衛星靈活性有7種形態，即軌道靈活性、覆蓋靈活性、頻率規劃靈活性、發射功率靈活性、路由靈活性、波形及媒體接入控制層靈活性、交換層靈活性。衛星靈活性涉及數字波成形技術，以及行波管放大器和多端口放大器、數字半透明載荷、再生載荷等。目前，靈活衛星尚處于起步階段，但它代表了衛星通信的必然發展方向。

分散化部署

為突破現有衛星體系架構在成本、研發周期、技術更新、抗毀能力等方面的局限性，美軍提出“彈性”與“分散”概念，力圖塑造全新的空間體系架構和發展模式。2013年8月，美國空軍航天司令部發布《彈性與分散空間體系》白皮書，將“分散”確定為美軍空間系統未來發展的戰略之一，目的是改變當前高度集成的、以大型空間系統為主的發展模式。通過多種方式將原有系統分散成若干功能單一、規模更小、成本更低的綜合衛星系統，以提高空間系統的抗毀能力和經濟可承受性，增加技術更新的機會，提振航天工業基礎。分散主要包括系統、功能、有效載荷、多軌和多域等5種方式，其中，系統分散是由多個以無線方式相互作用的模塊提供單一系統的功能；功能分散是將一顆衛星上的多個載荷功能或多項任務分散到多顆衛星上；有效載荷分散是將一些有效載荷搭載在其他類型衛星上；多軌分散是利用多個軌道平面來提高彈性；多域分散是將能力分散于海、陸、空、天、網絡多域，以相互冗余和備份。

關聯化搭載

衛星通信、遙感和導航等系統之間的相互關聯，可以提高衛星應用的集成度和效能。例如，衛星導航終端通過衛星移動通信系統來報告位置信息就是一種基本的關聯，典型形式有GPS+“國際移動衛星”/“銥”衛星。高級形式的衛星關聯是載荷搭載，例如，星基增強系統（SBAS）通過靜止軌道通信衛星搭載衛星導航增強信號轉發器，可以向用戶播發星歷誤差、衛星鐘差、電離層延遲等多種修正信息，以實現衛星導航系統定位精度的改進。第二代“銥”衛星計劃搭載美軍“集成全球定位系統”（iGPS）有效載荷，iGPS可將GPS定位精度由當前的米級提高到厘米級。第二代“銥”衛星還計劃搭載廣播式自動相關監視系統（ADS-B）和對地觀測載荷，該監視系統能為飛機提供連續的全時空天基監視與控制。第二代“軌道通信”中增加了船只“自動識別系統”（AIS），用于海上資產的跟蹤與管理。2014年5月，日本發射了先進陸地觀測衛星－2（ALOS－2），該衛星除了搭載L頻段合成孔徑雷達（SAR）載荷，用于執行對地觀測和海洋監視任務外，還攜帶一個船只“自動識別系統”實驗系統，用于辨別合成孔徑雷達系統所跟蹤的船只。目前，歐盟“伽利略”系統計劃在每顆衛星上搭載合成孔徑雷達載荷，以提供搜索和救援服務。

第二代“銥”衛星在軌飛行示意圖

商業化運作

在冷戰結束、商業衛星服務能力提升的時代背景下，越來越多的國家通過軍民共建、公私合營、商業容量采購、商業搭載等方式來獲取軍用衛星能力。2003年，英國首次將其軍用通信衛星系統的采辦、運管和經營全部交給私營公司負責，開創了軍用通信衛星公私合營的先河。目前，商業衛星容量采購在美國和歐洲已經非常普遍。美國通過“未來商業衛星通信服務采購”（FCSA）計劃，集中采購軍方和政府所需的商業衛星容量。歐洲防務局（EDA）也開展了一項名為“歐洲衛星通信商業采購”（ESCPC）計劃，在歐洲級別上匯集成員國對衛星通信的需求，統一進行商業衛星通信容量的采購，以產生規模經濟效益。隨著空間分辨率和時間分辨率方面的技術進步，商業對地觀測衛星數據采購正成為響應國防和軍事機構某些需求的重要方式。2014年3月，歐洲咨詢公司（Euroconsult）報告表明，目前國防用戶是最主要的對地觀測衛星數據用戶，來自國防的收入約占全球對地觀測衛星數據總收入的65%。商業搭載的優點是大幅降低衛星研制和發射成本、縮短能力交付周期。2012年，國際通信衛星－22（Intelsat－22）成功發射，這顆商業衛星搭載了澳大利亞國防部的特高頻（UHF）軍用通信載荷，是首個業務化運行的軍用通信載荷搭載商業衛星的實例。

放松化管制

近年來，各國政府對航天活動的管理日益放松，航天活動主體多元化趨勢日漸顯著，私營機構越來越多地在商業航天活動中參與競爭，有力地提高了商業航天的績效。美國航天在商業化方面一直走在世界前列，20世紀80年代以前，美國航天活動基本為政府所主導。1988年，美國航天政策在軍用航天和民用航天基礎上增加了商用航天的內容。1990－2000年，美國政府逐步放松管制，促使美國商業航天步入蓬勃發展階段，同時帶動了一大批相關產業的發展。2000年以來，美國航天商業化進入提速階段。2010版《美國航天政策》對于商業航天的鼓勵更為激進，要求“積極探索采用有創造力的、非傳統的安排來采購商業航天產品和服務”。GPS導航定位信息和高分辨率衛星遙感數據對商業市場的開放、允許商業公司參與航天運輸和發射等，都是放松管制的具體舉措。放松管制培育出了巨大的GPS產業，造就了天空盒子成像公司、一網公司、太空探索技術公司等一批高科技企業，加快了衛星應用商業模式創新和產業化進程。

國際化并購

衛星運營具有典型的規模經濟特征，通過并購搶占國際市場、擴大經營規模、提高競爭實力，已成為衛星通信和遙感運營商的主要成長方式。2001年，歐洲衛星公司（SES）收購當時全球排名第6的美國通用電子衛星公司（GE），成為全球最大的衛星運營商。2003年，國際通信衛星公司（INTELSAT）收購勞拉天網公司（Loral Skynet）的北美系列衛星。2005年，國際通信衛星公司并購全球第4的泛美衛星公司（PAS），從而實現對歐洲衛星公司的超越，其衛星總數達到53顆。2005年底，歐洲衛星公司并購荷蘭新藍天衛星公司（New Skies）。2013年，歐洲通信衛星公司（EUTELSAT）收購墨西哥衛星公司（SATMEX），從而成為拉美地區的主要衛星通信運營商。目前，區域性衛星通信運營商也在加快并購步伐。2013年，阿拉伯衛星公司（ARABSAT）收購了希臘衛星公司（Hellas Sat）99.05%的股權，以期在2020年成為第5大全球衛星運營商。在衛星遙感領域，并購同樣伴隨著商業化進程。2013年，美國數字地球公司（DigitalGlobe）完成并購地球眼公司（GeoEye），從而成為世界上最大的商業遙感衛星公司。2014年，谷歌地球公司（Google Earth）以5億美元收購天空盒子成像公司，以拓展高實時的衛星照片和視頻業務能力，這是一種互聯網公司對衛星遙感公司的跨界并購。

2 我國衛星通信的發展思路

發揮衛星通信運營商資源和能力優勢，支撐國家空間信息基礎設施建設和運營

衛星通信運營商通常擁有系列化的通信衛星軌位、平臺和頻率等空間資源，地點分散且具有良好的電力、通信、安全和電磁環境保障條件的地球站設施，以及專業的衛星測控、業務監測和設備系統維護隊伍。基于這些資源和能力，衛星通信運營商可以與軍隊、政府、事業單位等用戶開展衛星共建、網絡合營、轉發器租賃、轉發器容量采購、載荷搭載、衛星測控、設備托管、系統運維等多種形式的合作，全面支撐我國空間信息基礎設施的建設和運營。衛星通信軌位、頻率等空間資源是不可或缺、不可再生的自然資源，具有長遠的戰略價值。衛星通信運營商在頻率和軌位申請、保護、儲備、以民掩軍以及軍用頻率和軌位商業開發等方面，可以發揮重要的作用。

推進寬帶接入和電視直播，服務民生建設和文化發展

Ka頻段寬帶通信是衛星通信的發展方向，而寬帶接入和電視直播是Ka頻段寬帶衛星通信中事關民生建設和文化發展的兩大應用，也是衛星通信產業化的兩個重點。發展衛星寬帶接入和電視直播應用是全面落實“寬帶中國”戰略、繁榮社會主義文化的重要保障，可以直接帶動我國衛星通信和衛星產業的發展。近年來，我國寬帶通信整體進步較快，但是城鄉寬帶普及率差距仍在繼續擴大，邊遠地區仍然需要發揮Ka頻段寬帶衛星通信的獨特優勢來解決“最后一千米”接入和“數字鴻溝”問題。目前，全球衛星電視直播已進入高清、超高清和區域覆蓋時代，大容量和多波束的Ka頻段寬帶通信衛星是最佳的解決方案。美國是衛星電視直播行業最為發達的國家，市場滲透率達30%以上，電視直播公司（DirecTV）一家就擁有約12顆直播衛星，其中，7顆Ka頻段衛星用于高清、超高清和區域覆蓋，用戶總數近4000萬戶。我國類似需求也十分明顯，目前，廣電部門已基于中星－9普通直播衛星在寧夏等地區提供區域直播服務，這顯然是最經濟有效的方式。

開展天地一體綜合服務，提高衛星應用經濟和社會效益

衛星通信在天地一體信息基礎設施中處于樞紐位置。天地一體化的衛星綜合服務系統，在衛星遙感數據分發、衛星導航增強、寬帶接入、IP中繼、基站中繼、新聞采集、機載/船載/車載“動中通”、企業聯網、應急救災、廣播式自動相關監視系統、船只“自動識別系統”等領域，以及“一帶一路”等國家戰略中，都可以創造顯著的經濟和社會效益。發達國家在天地一體綜合服務方面已進入較高的發展階段，如國際通信衛星公司在全球各地擁有8個電信港和40多個接入點，將互聯網協議/多協議標記交換（IP/ MPLS）網絡、58000多千米光纖和衛星艦隊整合成一個統一的天地一體網絡—IntelsatOne，以滿足寬帶、中繼、媒體等用戶的端到端視頻、話音和數據通信需求。光平方公司（LightSquared）等借助地面輔助組件（ATC）技術，實現衛星移動通信和地面移動通信有機融合，使得終端用戶可以在輔助地面網絡和天基網絡之間進行無縫切換。從2008年開始，美國電視直播公司和美國電話電報公司（AT&T）開始合作，向各自用戶提供衛星電視直播、寬帶、住宅電話和無線話音四重服務。2014年，美國電話電報公司以485億美元價格收購了電視直播公司。美國光盤網絡公司（Dish Network）和衛訊衛星公司（ViaSat）也有類似的合作，英國天空廣播公司（BskyB）也有類似的綜合服務。相比之下，我國衛星天地一體綜合服務的經濟和社會效益還有較大提升空間。

把握兼并機會，實現衛星通信國際化和規模化經營

衛星通信長期的商業化開發和全球化競爭，使通過常規途徑獲取C、Ku等常用軌位和頻段變得越來越困難，而一些國家在電信和衛星通信方面的限制政策，也為國外衛星通信運營商通過一般途徑進入其市場設置了障礙。因此，并購就成為我國衛星通信運營商獲取軌位和頻率資源、開拓國際市場、實現跨越式和規模化發展的必由之路。目前，全球衛星通信運營服務產業同時呈現集中和分散兩級分化現象。一方面，國際通信衛星公司、歐洲衛星公司、歐洲通信衛星公司這些巨頭憑借強大實力，掌控越來越多的衛星資源和市場份額。另一方面，一些發展中國家也紛紛建立自己的衛星通信系統。因此，對于我國衛星通信運營商來講，實施并購戰略可謂挑戰與機遇并存，需要在資本運營、國際化人才、全球化運營能力等方面做積極的準備。

跟蹤星座互聯網技術，適應信息服務全球化和立體化發展趨勢

全球化、寬帶化、星座化是衛星通信發展的必然趨勢，互聯網和“軌道革命”正在給衛星通信產業注入新的活力。在技術體制上，基于小衛星和星座技術的新一代衛星互聯網與地面互聯網完全兼容，可以無縫對接，使其具有商業、軍事等多方面的應用價值，因而成為發達國家競相追逐的目標。作為正在崛起的發展中國家，我國需要密切跟蹤衛星互聯網技術的發展進程，制定發展戰略。其中，衛星通信運營商在市場研究、網絡規劃、運營策略等方面，都可以發揮重要的支撐作用。由于頻率資源獲取十分困難，星座系統投資和維護費用巨大，同時建設多套網絡并不現實。一個可行的方式是，將互聯網、物聯網、廣播式自動相關監視系統、船只“自動識別系統”、凝視等應用整合在一個平臺之上，以達到經濟和社會效益最大化。

開發激光、多點波束和靈活性技術，增強衛星通信的市場競爭力

盡管衛星通信具有獨特的優勢，在信息網絡中具有不可或缺的地位，但是來自國際主流衛星通信運營商，特別是地面電信運營商，在性能、質量、價格、服務等方面的強大競爭是客觀存在的。面對地面光纖和移動通信的迅猛發展，以及日益國際化的衛星通信市場，我國衛星通信行業必須加大技術和應用創新力度。在跟蹤衛星激光通信發展趨勢的同時，我國衛星通信運營商需要與衛星制造商密切合作，全方位地開展多點波束和衛星靈活性技術的研究和應用，盡可能提高軌位、頻率、轉發器等資源利用率，以提高我國衛星通信產業的市場競爭力。這不僅是衛星通信企業的需要，更是我國國家戰略的需要。

3 結語

嚴格來講，空間信息基礎設施實際包含軍民兩大部分，本文沒有刻意劃分民用和軍用，這是因為空間信息基礎設施軍民融合趨勢越來越明顯，如GPS和“北斗”是軍為民用，而商用衛星通信和衛星遙感則大量為軍所用。由于空間信息基礎設施投資巨大，而衛星軌位和頻率資源日漸稀缺，因此，軍民融合已成為發達國家的共同戰略。

空間信息基礎設施對于我國這樣一個國家利益正在全球化的大國來講，其重要性不言而喻。《國家民用空間基礎設施中長期發展規劃（2015－2025）》的出臺，為我國民用衛星通信、導航和遙感的發展提出了框架和方向。從全球空間信息基礎設施的發展態勢來看，我國空間信息基礎設施各個方面都具有良好的發展基礎和提升空間，衛星通信更是任重道遠。對于我國衛星通信運營商來講，準確把握全球空間信息基礎設施的發展態勢，認真總結衛星通信的發展思路，既是社會責任，也是商業機會。