2018上半年全球發射衛星概況及發展趨勢分析

一、概況

2018年上半年全球共發射火箭55次，航天器總數達177顆（詳見表1）。從國別來看，中美各18次并列榜首，俄羅斯發射9次緊隨其后。全部55次發射中成功54次，部分成功1次，即1月25日歐洲Ariane 5 ECA火箭因控制分系統的程序問題，未能將2顆衛星送入預定軌道，后續只能依靠衛星自身推進系統入軌定點，其中采用全電推平臺的SES-14衛星使用電推進系統于8月實現定點，Al Yah-3衛星采用化學推進系統實現定點，使用電推進系統進行位置保持。值得關注的是美國的重型獵鷹火箭和獵鷹9號Block 5火箭在上半年均進行了首秀。

從航天器角度來看，全部航天器按國別來分：美國72顆，中國41顆，歐盟26顆，俄羅斯8顆，其他國家30顆，僅中美兩國發射的衛星已占全部衛星的63.8%。按業務功能分為：通信衛星40顆，導航衛星8顆，遙感衛星54顆，試驗衛星41顆，其他航天器34顆。按軌道分為：140顆LEO衛星，18顆GEO衛星，11顆MEO衛星，1顆HEO衛星，7顆星際軌道飛行器。7顆星際飛行器包括中國發射的鵲橋，龍江一號和二號3顆探月衛星，美國發射的洞察號、瓦力和伊芙3顆火星探測器以及1個特斯拉紅色電動跑車搭乘重型獵鷹火箭直飛火星（圖1）。其中，鵲橋衛星是嫦娥四號登月探測器的月球中繼衛星，龍江一號和二號衛星則用于超長波射電天文觀測；洞察號探測器用于火星陸地探測，瓦力和伊芙則是其伴飛通信衛星。衛星故障方面，除前述因火箭問題未能將2顆衛星送入軌道外，另有3顆衛星（美國軍事衛星Zuma、印度GSAT-6A、中國龍江一號）在火箭發射成功后因衛星故障導致失敗，其余172顆飛行器未見異常工作報道。

表1 2018上半年全球發射衛星統計表

2018上半年全球發射的航天器按國別來分

2018上半年全球發射的航天器按業務來分

2018上半年全球發射的航天器按軌道功能來分

從上述統計結果可知，遙感衛星發射數量占據顯著優勢，尤其是中國發射的遙感衛星超過本國所有發射總數的一半。且試驗衛星和飛往空間站的衛星中也有多顆遙感衛星未列入遙感類別統計。遙感衛星發射數目眾多的原因，一方面是由于全球范圍內對地球觀測的需求旺盛，另一方面是因為遙感星座的持續部署。例如上半年美國狐猴星座（Lemur-2）發射了10顆衛星，美國鴿群星座（Flock，圖2）發射了5顆衛星。值得一提的是，鴿群星座由美國的衛星成像初創公司行星實驗室（Planet Labs）研制，旨在建立最廉價、快捷、適用性更強的遙感衛星數據獲取系統，將建成全球規模最大的地球遙感影像衛星星座，實現對全球每天一次的重復觀測頻率，將是世界上唯一具有全球高分辨率、高頻次、全覆蓋能力的遙感衛星系統。

通信衛星的部署則已經顯著朝兩個方向發展，GEO軌道的大型通信衛星，與LEO軌道的通信衛星星座。以美國為例，上半年發射的20顆通信衛星中，LEO銥星第二代星座（圖3）占據15顆，LEO立方體衛星Space BEE星座一次發射4顆，GEO通信衛星發射1顆，即美國空軍航天司令部的AFSPC-11衛星，據悉該衛星將完成美國空軍的連續廣播增強衛星通信（CBAS）和增強對地靜止實驗室試驗（EAGLE，簡稱老鷹）。

2018上半年全球發射的高通量衛星有3次7顆：1月25日，Al Yah-3衛星與SES-14衛星以“一箭雙星”方式升空；3月9日，O3b星座成功發射4顆MEO衛星；6月4日，SES-12衛星發射成功。目前全球已有26個衛星運營商共投資了數十顆高通量衛星或載荷，使得高通量衛星和低軌大容量通信衛星星座成為通信衛星的熱點。

導航衛星部署方面，中國的6顆北斗系列衛星成為絕對主力，另外印度和俄羅斯各發射一顆導航衛星。

此外，面對航天技術日新月異的發展，各國發射了各式各樣的試驗衛星，空間站上也搭載進行了多個試驗項目。值得一提的是，部分試驗衛星嘗試通信、導航和遙感等技術融合發展，搭載導航通信一體化載荷、微型商業遙感相機、星載船舶自動識別系統（AIS）設備、廣播式自動相關監視（ADS-B）載荷等，開展相關技術試驗和驗證工作。

圖1 獵鷹重型火箭發射的特斯拉紅色跑車飛離地球

圖2 鴿群衛星在軌飛行示意圖

圖3 Iridium Next衛星在軌飛行示意圖

二、趨勢分析

根據上述的統計結果，對衛星技術及應用趨勢的發展做出如下分析。

1.衛星星群發展趨勢

隨著衛星星座和編隊飛行等技術的發展，集群化的衛星星座成為目前衛星行業的研究重點和發展趨勢，特別是依靠微小衛星構建的星群將成為衛星通信、地球觀測和物聯網服務的主要手段。小衛星星群以其成本低、周期短、機動高、組網強、技術新等優勢，最大程度地提升了全球系統組網運營能力。

目前全球范圍內，通信衛星星群方面，已有Iridium NEXT（LEO）、O3b（MEO）和Inmarsat-5（GEO，圖4）等各種軌道的通信衛星星座已發射并持續部署，另有OneWeb、Starlink、Leosat和Telesat等LEO通信星座正在設計研制；地球觀測星座方面，Flock和Lemur等低軌衛星星座已發射并持續部署；導航衛星方面，美國的GPS、中國的北斗、歐洲的伽利略和俄羅斯的格洛納斯等星座已完成全球組網或即將完成，并都在持續技術升級中。其中，通信小衛星星座的發展存在每用戶平均收入（ARPU）較低的問題，導致在發展前期難以判定投資的合理性，因此針對該類星群的商業模式和投資分析也已成為行業研究的核心問題之一。

圖4 Inmarsat-5系列衛星在軌飛行示意圖

綜合分析航天器發展態勢可知，衛星星群已經不再以單一功能為主，而是側重于在太空部署“傳感器+數據傳輸+導航控制”綜合功能的網絡，從而實現自適應、自組織、智能化的星間“通信-導航-遙感”一體化網絡，并可以動態調整衛星的數量和編隊構型。

目前星群常用的配置形式為分布式空間系統，包括星座、星群和編隊飛行等，通過組網協同工作，或多顆衛星共同完成同一任務，或各自攜帶不同載荷從而擴展星群的業務能力，從而提升了系統的適應性和重置性。

分布式空間系統中，衛星之間需要交換的數據主要包括：科學觀測數據、導航數據、航天器狀態數據、以及遙測遙控數據。隨著地球遙感、空間觀測、高速數傳等業務的急速增長，星群之間的通信系統成為了最關鍵部分，負責傳遞衛星有效載荷的數據，因此國外通常為各種功能的星群配以天基通信中繼系統（如歐洲的EDRS系統），或星群本身具備較強的空間通信中繼能力（如美國的Iridium NEXT系統）。通過星間通信鏈路，不僅可以支持大容量的星間高速數傳、實時數據交付，而且不再需要使用大量的地基中繼系統和全球跟蹤系統，還可以提供小衛星姿態控制服務。星間通信通過交換姿態與位置信息，可以實現導航與編隊控制，并維持航天器間的時間同步性。因此星間高速通信組網（星間激光鏈路或Ka高速傳輸鏈路）是星群實現實時、可靠、高效組網工作的核心和基礎。

針對衛星星群的星間通信體系結構研究多集中在物理層、鏈路層和網絡層。物理層連通是星群組網傳輸的基礎，目前仍以射頻鏈路為主，但已經開展激光鏈路實用性應用；無論是何種星間鏈路，衛星天線的設計是其最關鍵的技術。鏈路層以MAC協議作為研究重點，解決系統內多星之間的鏈路共享問題，需滿足自適應性、伸縮性、信道利用率、延遲、吞吐量和公平性等需求的變化。但是目前對于衛星星群間網絡路由技術的研究較少，隨著星群規模的增加，網絡規模和復雜程度隨之提升，需要深入開展網絡層的相關研究工作。因此星群的重置性是其備受關注的需求，在網絡內實線的應用和協議應檢查節點故障或新增加的節點，自我重新配置以維持任務目標。

2.衛星與互聯網技術結合

星群對空間衛星體系的結構帶來了極大的變革，促進實現衛星通信、遙感、移動數據與互聯網技術的融合發展。

衛星通信有效地促進了新一代空間技術的快速發展，尤其是在新型的星群通信體系結構出現后，衛星通信的數據傳輸速率提高、傳輸延遲降低、覆蓋范圍擴大。

通過對全球發射航天器的統計可知，遙感數據的傳輸和應用成為現階段衛星應用的第一動力源，更進一步則需要建立基于大數據技術的衛星遙感影像數據挖掘和應用處理體系。隨著智能手機的普及、數據傳輸需求的激增，通過“互聯網+”技術，可以使智能手機用戶等終端獲得直觀的應用體驗，涵蓋了衛星通信、移動數據傳輸、大數據應用和遙感信息應用等領域。

因此，未來衛星應用應該具備高速移動數據接入和處理能力，從而滿足互聯網和移動數據業務所需的低延遲、持續覆蓋、數據率高的需求，數據傳輸速率需要達到Mbps量級以上。

圖5 OneWeb衛星在軌飛行構想圖

目前，SpaceX和SES等公司已經開始研究低軌小衛星星座以提供全球寬帶服務，OneWeb（圖5）、O3b、Leosat等公司計劃通過建設星座提供全球數據和互聯網服務。OneWeb使用自安裝的小型用戶終端，手機和Wi-Fi設備可與用戶終端通信對接，然后再由用戶終端與衛星進行聯通。O3b使用專業的大型地面終端，地面終端與本地基礎設施相連，衛星可作為蜂窩塔與移動核心網間的鏈路節點。近年來部署的高通量衛星系統與地面蜂窩系統類似，通過多個點波束實現空間與頻率分集復用方式，可提供高速數據傳輸等服務。

3.高通量通信衛星的發展

高通量通信衛星使用相同頻帶資源可實現數據吞吐量是傳統通信衛星數倍甚至數十倍，通信容量可達數百Gbps甚至Tbps量級。高通量衛星能大幅降低每比特成本，可以經濟、便利地實現各種新應用，已成為衛星通信行業真正改變游戲規則的技術，預計到2020年高通量衛星的容量將達到近5Tbps，隨著寬帶大容量通信星座的建成，屆時通信容量將增加到40Tbps以上。

預計，以Viasat-3衛星和OneWeb星座為代表的通信衛星將引領高通量衛星的發展趨勢和技術水平。高通量通信衛星的發展將按照網絡寬帶化、覆蓋全球化、傳輸高頻化、載荷靈活化、應用移動化、運營多元化、天地一體化等方向發展。通過高通量衛星技術創新，驅動市場應用行業不斷發展，個人上網、企業數據傳輸、基站回傳、飛機通信、航海通信、軍事通信等都對高通量衛星提出了重大需求，其應用場景將越來越廣泛。

高通量衛星應用市場的進一步拓展，還需要在以下方面努力。首先，需要進一步擴大系統通信容量，降低單位帶寬成本，才能使高通量衛星具備與地面寬帶通信水平相當的競爭力。其次，通過規模化、標準化、市場化模式研制生產用戶收發終端，充分降低高通量衛星通信系統的制造成本和信息獲取成本。另外，為了實現大容量數據傳輸，除Ka頻段外，還可以采用激光和Q/V等高頻段通信技術滿足需求。

在全球覆蓋方面，鑒于海上無法大規模建設通信基站群，而地面基站難以滿足飛機等高速運動目標的連接需求等問題，應該優先從滿足航海和航空高通量通信的角度出發研制高通量衛星，而陸地范圍的高通量通信則可以交給地面通信系統，各展所長實現天地融合，構建全球高通量信號無縫連接。

鑒于此，我國的高通量天地一體化通信系統的建設，可以政府指導為牽引，企業建設為主體、市場需求為導向的商業發展模式，開展多元化運營，通過衛星靈活載荷設計來滿足市場需求變化或企業商業模式的變化，重點構建“一帶一路”空間信息走廊重大工程，積極挖掘和培育具有高黏著度的高通量衛星通信應用新方向，通過多種應用綜合發展衛星寬帶市場。

4.衛星導航技術拓展應用

目前，全球導航衛星系統（GNSS）已具備全天候、近實時、高精度的特點，可持續發射L頻段導航信號，廣泛應用于定位、導航和授時(Positioning, Navigationand Timing，PNT)等領域。隨著導航星座完成部署，需要進一步開展天基、地基和空基導航增強系統建設，通過增加衛星或地面參考站，向用戶提供衛星鐘差、衛星軌道參數、電離層改正參數和載荷狀況，提高衛星導航系統的導航精度、可用性和完好性。

隨著各導航衛星系統的逐漸完善及觀測站的增加，其應用范疇將越來越廣泛，例如通過GNSS進行表面反射信號遙感技術研究等。具體來說，GNSS持續向地球播發無線電信號，其中部分信號會被地球表面反射。從粗糙表面反射回來的GNSS延遲信號可以提供直射和反射信號路徑的不同信息。這些信息包括反射信號的波形、幅值、相位和頻率等的變化，極化特征的變化直接與反射面相關，結合接收機天線位置和介質信息，利用延遲測量觀測和反射表面屬性可以確定表面粗糙度和表面特性，即GNSS+R反射測量。GNSS+R作為當前GNSS和遙感領域的研究熱點和交叉點，在海洋、陸地、水文、植被和冰雪等遙感應用方面取得顯著進展。

此外，在Lemur-2星座衛星上安裝的STRATOS GPS大氣測量載荷也拓展了衛星導航技術的應用范疇。大氣測量載荷采用GPS接收機來跟蹤數顆位于地球中軌（MEO）的GPS導航衛星，測量它們的信號到達本星的時延信息，并測量信號傳遞路徑在穿過地球大氣時產生的路徑彎曲角度，從而可以幫助人們了解大氣內溫度、壓力和濕度等重要參數。

5.遙感衛星技術發展

回顧2017年及2018上半年，全球發射的遙感衛星數量成為當前衛星發射的主力軍。根據地球觀測領域“未來十年（2016-2025）戰略規劃”中確定的可持續發展、氣候變化和防災減災等三大優先發展事項，未來將重點在生物多樣性和生態系統管理、防災減災、能源和礦產資源管理、糧食安全、基礎設施和交通系統管理、公共衛生監測、城鎮可持續發展、水資源管理等八個社會受益領域提供實時信息服務，為決策提供關鍵數據、信息及知識。

美國地球遙感的科學目標主要是增進對全球變化的認識，預測地球系統的變遷，同時，積極推動谷歌等企業直接參與全球綜合地球觀測。歐盟提出的“哥白尼”等計劃，更加注重滿足用戶需求，保持歐洲地球觀測技術的獨立性和領先地位，通過“地平線2020”計劃致力于推動歐洲與亞洲開展廣泛的多邊合作研究。日本地球觀測衛星發展計劃已逐漸形成了具有其自身特點的地球觀測系統戰略規劃和體系，例如積極發展“先進觀測衛星”系列商業光學成像衛星，目標是建立長期的、覆蓋全球的、時間序列一致的地球觀測數據。

遙感衛星未來發展將瞄準由單星應用向綜合應用、從局域觀測向全球監測應用的轉變，在多領域綜合應用中提高定量產品精度，堅持同類型衛星遙感數據的長期觀測積累和對比應用，組建全球接收站網基礎設施規模與能力，加強實地測量數據的驗證，完善全球綜合實驗場、定標場、真實性檢驗場、模擬與仿真實驗室等組成的實驗驗證體系，進一步提高關鍵星載設備、器件、數據處理分析系統與軟件產品的質量等。

世界各主要航天參與國都在致力于加快遙感衛星技術的產業化和商業化進程，建立長期連續、穩定自主、全球覆蓋、時間序列一致、協調配套的衛星地球觀測系統。通過遙感衛星技術的持續進步，可以更好地服務于全球可持續發展。

6.衛星軟件定義技術發展

2017年5月，歐洲通信衛星公司（Eutelsat）宣布再訂購至少兩顆“量子”衛星（圖6），由3顆衛星構成星座實現全球覆蓋。“量子”衛星是首顆真正意義上的軟件定義衛星，是軟件無線電技術應用于通信衛星的典型代表，其可重構性特征能滿足未來不斷發展的通信需求。

衛星軟件定義技術是新一代開放架構的衛星系統，支持用戶需求可定義、有效載荷動態重組、應用軟件動態重配、衛星功能動態重構，利用軟件定義無線電（SDR）技術提升衛星有效載荷能力。

隨著通信、互聯網、計算機、軟件的技術的迅猛發展，軟件定義正成為一種新的必然發展趨勢，將其與衛星技術相結合，可有效提高衛星產品的軟件密集度，逐步增強衛星功能和性能，通過通用產品的提前研制，可極大地縮短研發周期，降低研制成本。衛星軟件定義技術為發展智能衛星創造良好的前提條件，能實現衛星功能和性能的持續演進，可以加快新型科研成果在衛星工程中的應用轉化速度。

圖6 歐洲“量子”衛星在軌飛行構想圖

軟件定義衛星包括天基超算平臺、星載操作環境、軟件化有效載荷、應用軟件等多個方面，涉及多個學科、多個專業。預計衛星軟件定義技術未來將從以下5個方面取得進展：建立軟件定義衛星的標準規范體系；研制適用于軟件定義的關鍵有效載荷設備，包括專用ASIC、DSP和FPGA芯片技術，數/模和模/數轉換器技術，超寬帶接收機和功率放大器等設備；研制衛星軟件定義技術在軌試驗平臺；持續研發和改進星載操作環境，實現硬件設備和軟件程序的即插即用；建立健全應用軟件庫，拓展應用需求領域和技術支撐范圍。

三、綜合發展建議

本文通過對全球衛星技術及應用發展的概述及分析，嘗試對我國航天產業尤其是衛星制造及應用業，提出一些發展建議。

我國航天產業應進一步完善航天產業宏觀管理，在統籌規劃和應用政策等方面加強引導，深度貫徹軍民融合要求，實現航天產業天地一體化建設、制造與應用相結合發展；努力擴大衛星應用產業規模，提升衛星應用水平，強化業務化服務能力，形成完整的航天應用產業鏈條；深度推進和落實衛星數據資源分層級開放共享，建立衛星數據的公益性應用和商業性應用等分級共享模式，避免相近的衛星數據資源的重復建設以及國際衛星數據產品的重復購買，節約和優化國有資源和經費的使用；對于元器件、設備設施的國產化，應加強對相關技術領域從經費、政策、考評等方面的支持，鼓勵通過試驗衛星在軌驗證等方式進行科技創新，強化基礎能力建設。

航天產業應以應用為中心，以政府為牽引，以市場為導向，以企業為主體，以創新為動力，天地統籌規劃，加強基礎能力建設，促進社會化多元投資運作，拓展航天產業鏈，提高應用規模，帶動產業技術水平和科技實力扎實穩步提升，整體上實現航天產業由試驗應用型向業務服務型的轉變，顯著提高衛星應用產業的規模和效益。