國外高通量衛星系統與技術發展

劉 悅 （北京空間科技信息研究所）

國外高通量衛星系統與技術發展

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衛星概念與特點

HTS衛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用技術、在同樣頻譜資源的條件下，整星通量是傳統固定通信衛星（FSS）數倍的衛星”。HTS衛星概念由“寬帶衛星”演化而來，但與之有所區別。寬帶衛星以“大多運行在Ka頻段、大容量、提供寬帶互聯網接入”為特點，開辟了衛星互聯網接入的新業務，因此稱為“寬帶”。而產業界普遍認為，HTS衛星是以點波束和頻率復用為標志，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用次數，可以提供固定、廣播和移動等各類商業衛星通信服務的一類衛星系統。

HTS衛星與傳統通信衛星波束對比

2 HTS衛星系統發展

地球靜止軌道HTS發射數量逐年增加，發射比例趨近半數

從2004年首顆地球靜止軌道HTS衛星（GEOHTS）發射以來，至2016年底，全球共計發射了46顆GEO-HTS衛星，2017年全年預計發射11顆HTS衛星（截至2017年9月底，已發射9顆），創歷年發射之最。過去5年（2012－2016年底），全球共計發射26顆HTS衛星，是上一個5年（2007－2011年）發射數量總和（11顆）的2倍多。

全球2004－2020年GEO－HTS衛星發射數量統計與預測

2010－2016年國外發射的GEO－HTS衛星

GEO-HTS衛星自2015年起，發射數量從每年的2～3顆顯著增加至近10顆，近2年占發射GEO通信衛星數量的1/3。從2019年起，隨著GEO通信衛星發射數量的下滑，HTS衛星年發射數量將接近當年發射GEO通信衛星數量的50%。

中低軌HTS發射迎來井噴，2020前后達到頂峰

與GEO-HTS快速發展相比，多個大型中地球軌道（MEO）和低地球軌道（LEO）HTS星座進入研制當中，最早將于2019年發射。雖然國外宣稱發展的中低軌HTS星座主要有6個，但由于建設的重復性、所需的資金規模、頻率協調、制造和發射能力的限制，導致最終能夠發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顆衛星組成，現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年預計發射的O3b星座擴展的8顆衛星，以及2020年預計發射的650顆“一網”（OneWeb）衛星星座。如果將所有宣稱發展的中低軌HTS星座都計算在內，全球累計發射的中低軌HTS星座衛星接近上萬顆。

全球中低軌HTS星座發射數量預測

國外計劃部署的中低軌HTS星座系統

除了確定要發射的O3b系統和OneWeb系統外，還有其他中低軌HTS星座系統處于在研或概念階段。

3 HTS衛星關鍵技術

多波束天線技術

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

HTS衛星主要應用兩類多波束天線：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1個波束，簡化了硬件設備，電性能也較好，對于覆蓋范圍較大的HTS衛星多采用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絡，優勢在于實現波束重合覆蓋僅需1副反射器，從而減少了星上天線的尺寸和成本。因此，對于較小的地理區域和多用途HTS衛星，MFB天線是最佳選擇。

HTS衛星SFB天線設計

HTS衛星MFB天線設計

頻率復用技術

對于HTS衛星系統設計來說，采用點波束和頻率復用技術相結合，能夠有效提高天線增益，實現頻率復用。優勢在于：①天線的增益與波束寬度有關，波束寬度越窄，天線增益越高。較高的衛星天線增益可以使得用戶采用更小口徑的終端，并使用高階調制編碼方案，從而提高頻譜利用效率，提高數據傳輸速率。天線增益增加10倍，系統容量增長4倍。②點波束的應用，使得距離較遠的波束可以復用同一段頻率。

頻率復用也會帶來一些問題，當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，就會產生波束間的干擾。綜合來看，點波束技術的應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，但又減少了頻率復用，影響了總的通量。因此，點波束的數量和頻率復用程度實際上是系統設計根據實際應用的折中考量。

靈活有效載荷技術

“靈活”指的是HTS衛星系統在發展的過程中，為了提高商業競爭力而對系統的服務能力提出的要求。早期發展HTS衛星系統主要以提高整星通量為目標，星上設計簡單，衛星一旦入軌，很難對服務進行調整。實際應用當中會出現熱點地區的轉發器飽和，非熱點地區轉發器利用率很低，造成轉發器利用率低的問題。

靈活有效載荷是歐洲提出來的一個籠統的整體概念，主要包含三方面：①靈活的覆蓋，能夠實現覆蓋區域的在軌可調，實現衛星從所在軌位可見地面任何一個地區的動態覆蓋調整，并能在軌控制點波束的尺寸、數量和形狀，實現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（含模擬和數字處理技術）；③靈活的功率分配，主要通過多端口放大器（MPA）技術實現。

自2010年起，歐洲航天局（ESA）“通信系統預先研究”（ARTES－3和4）產品研制專題為靈活有效載荷專設了“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衛星高適應性衛星－1上開展通用靈活有效載荷的在軌驗證；二是在國際移動衛星公司的“阿爾法衛星”（Alphasat）上開展星上數字處理器的在軌驗證。2015年，歐洲航天局與歐洲通信衛星公司共同開展了“量子”（Quantum）衛星研制：①實現靈活的波束賦形覆蓋形狀和大小可調；②覆蓋范圍可變，8個獨立的點波束能夠在1min內調整到任意可見的地面服務區域；③覆蓋波束跳換，更加靈活地按需分配，需求熱點地區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頻段范圍內任何一段頻譜。

4 啟示與建議

超高通量、全球覆蓋、星座組網、高低軌結合是未來發展方向

從系統部署來看，未來GEO-HTS衛星系統的發展趨勢將是多顆衛星組網，中低軌HTS衛星系統共存；從系統服務能力來看，國外主流衛星運營商無不以更高的通量為發展目標，已經出現了以衛訊衛星－3為代表的超高通量衛星（VHTS），單星通量超過1Tbit/s；從系統覆蓋能力來看，面向區域覆蓋的HTS衛星系統主要是發展初期用于技術和市場驗證，全球四大衛星運營商無不以全球覆蓋為發展目標；從系統服務質量來看，系統運行的軌道越低，時延越小，越能滿足對實時性要求較高的應用，以國際通信衛星公司為代表的衛星運營商已經提出了GEO+LEO軌道的發展思路，多軌道系統結合也將是未來趨勢之一。

深入挖掘市場需求和應用要求，我國HTS衛星系統設計與建設應充分結合市場與應用

2016年，由香港亞太衛星公司和中交通信科技有限公司聯合打造的我國首個GEO-HTS衛星系統建設啟動，我國有望在2019年擁有獨立自主的HTS衛星系統。從國外發展經驗來看，HTS衛星系統是一類以商業應用為主的通信衛星，不同的業務應用導致不同的有效載荷設計，不同的用戶和應用環境影響頻段的選擇，不同的市場區域、用戶特點決定不同的系統架構。因此，我國HTS衛星系統部署之前應充分調研、挖掘、甚至牽引市場需求，有針對性的開展系統設計，真正建設一個服務目標明確、功能清晰、用戶好用的HTS衛星系統。

靈活性是HTS衛星未來發展目標，我國應加緊開展關鍵技術攻關

靈活性是國外HTS衛星系統根據數年運營總結的經驗教訓而提出的發展目標。為了解決需求分布不均、轉發器利用率不高的問題，美歐衛星制造商、運營商已經有計劃、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”衛星“量子”已經在研，預計2018年投入運營。我國HTS衛星系統建設應充分吸取國外經驗教訓，加緊開展陣列天線、數字星上處理、多端口放大器技術等關鍵技術研發，避免HTS衛星系統重走國外衛星應用上出現的問題，實現跨越式發展。

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