國外高通量衛星發展概述

高通量衛星（HTS）是指使用相同帶寬的頻率資源，而數據吞吐量是傳統通信衛星數倍甚至數十倍的通信衛星，實現通信容量達數百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。

高通量衛星按軌道可劃分為地球同步靜止軌道（GEO）和非地球同步軌道（NGSO）兩種類型衛星，當前在軌應用的高通量衛星以GEO-HTS為主，但NGSO-HTS星座項目的實施將對GEO-HTS的增長產生一定程度影響。NGSO-HTS星座有望提供大容量、低延遲、全球（或近乎全球）覆蓋的服務，如SES公司對O3b中地球軌道（MEO）星群的持續擴展，以及OneWeb、Starlink、Telesat和LeoSat等低地球軌道（LEO）寬帶大容量星座項目的設計和建造，預計到2020年以后高通量衛星及星座的容量將增加到40Tbps以上。

1.高通量衛星發展歷程

目前全球已有26個衛星運營商投資建造了數十顆高通量衛星或載荷，表1給出部分已發射的高通量衛星，其中2018年上半年發射的高通量衛星有3次共7顆，分別是：1月25日，Al Yahsat-3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（圖1）發射成功。

根據相關定義，回顧高通量衛星的發展歷程，可將其劃分為3個階段：

· 起步階段（2005-2010年），單顆高通量衛星的容量在50Gbps左右；

· 發展階段（2011-2019年），單顆通信容量在100～300Gbps；

圖1 SES-12衛星在軌示意圖

· 跨越階段（2019年以后），單顆通信容量將達到1Tbps。

目前，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，應用場景越來越廣泛，通過高通量衛星技術創新，將驅動市場應用不斷發展。

2.高通量衛星建設動向

根據歐洲咨詢公司于2017年6月發布的《高通量衛星：垂直市場分析與預測》，全球30家衛星運營商在高通量衛星系統方面的總承諾投資額已達到近190億美元。2017～2025年預計將有大約100次GEO-HTS發射，平均每年發射11次，并將至少發射一個LEO-HTS星座。預計高通量衛星在2017～2025年期間將產生360億美元以上總收入，到2025年HTS容量的租賃收入將超過60億美元，屆時單位帶寬成本將大幅降低。美國北方天空研究公司持有相似的預期，據其《全球衛星容量供應和需求第14版》分析，到2026年約60%的通信容量將來自LEO-HTS星座，其余則來自GEOHTS。

通過高通量衛星的發展歷程和預測分析，未來高通量衛星在技術領域將向網絡寬帶化、覆蓋全球化、通信高頻化、衛星載荷靈活化、終端天線平板化、應用移動化、運營多元化、天地一體化等方向發展。高通量衛星的應用市場將主要服務于以下幾個方面。

（1）視頻市場：雖然傳統衛星電視業務受到互聯網的挑戰，但是高清、4K、VR的發展會帶來帶寬增量需求，高通量衛星技術將分擔全球視頻分發任務。

（2）固定和移動數據連接：單個消費者寬帶使用量將大幅增長，航空航海等市場成為近期增長潛力點，長期來看陸地寬帶移動通信也具有巨大潛力。

（3）補充地面通信網絡：衛星數據通信業務增長點，必然是地面網絡不能覆蓋卻存在需求的方面，例如在海洋運輸（實時監測、遠程維護、船隊管理、船員互聯網接入）、游輪游艇（游客寬帶接入互聯網）、遠洋漁業（業務安全保障、漁民日常通信、智慧漁業）、海上石油開采（大數據應用、生產管理和控制）、航空客艙（乘客接入互聯網）等方面，衛星HTS通信享有得天獨厚的優勢。

2.1 GEO-HTS動向

國際通信衛星公司與日本SKY Perfect JSAT公司合作，將基于Intelsat EpicNG高通量衛星平臺，建造、發射一顆新的高通量衛星Horizons-3e，以滿足亞太地區不斷增長的移動和寬帶業務需求。Horizons-3e衛星由波音衛星系統（BSS）公司研制，采用BSS 702 MP衛星平臺，起飛質量為6500kg，工作頻段為C頻段和Ku頻段，計劃在2018年下半年發射，定點于東經169度太平洋上空。

表1 全球已發射的部分高通量衛星統計

繼Viasat-1和Viasat-2衛星之后，ViaSat公司繼續向高通量衛星更大容量方向邁進，BSS公司正為其開發ViaSat-3系統。該系統由3顆ViaSat-3衛星組成并配備最新型地面網絡基礎設施，將打造具有足夠容量的全球覆蓋的寬帶網絡，以提供可負擔的、高速、高質量互聯網和視頻流服務，每顆ViaSat-3衛星預計將提供1Tbps以上容量，并將能夠靈活地將容量動態分配到客戶所在位置。第一顆ViaSat-3衛星預計將于2019年發射，該衛星將是HTS劃時代的里程碑。

以色列Spacecom公司是AMOS系列衛星的運營商，向亞洲、歐洲、中東和非洲提供服務。該公司已投資新建的AMOS-17衛星（圖2）將提供Ka、Ku與C波段服務，通過廣域波束和高通量點波束組合實現最大頻譜效率。AMOS-17衛星位于東經17度，將擴大對非洲、中東和歐洲的覆蓋，衛星在軌壽命為15年，預計于2019年發射。AMOS-17衛星將是具有先進技術水平的多頻段高吞吐量衛星，可為用戶提供可靠的解決方案和極大的競爭優勢，它采用了創新設計，能夠靈活實現各種服務，滿足不斷增長的用戶需求。

泰國Thaicom公司于2005年發射的IPSTAR衛星是世界上第一顆高通量衛星，自發射以來已成為亞太地區衛星寬帶業務的代名詞。目前該公司將繼續支持寬帶衛星通信業務，最新的HTS項目是與中國長城工業公司簽訂的2.08億美元衛星采購合同。這顆衛星將通過Ka頻段提供53Gbps的吞吐量，為亞太地區提供服務，預計2019年底發射。

圖2 AMOS-17衛星在軌示意圖

新加坡Kacific公司計劃解決太平洋和東南亞地區的高速寬帶服務問題，該公司已融資1.47億美元以涵蓋衛星研制、發射服務、地面系統和其他項目，并于2017年2月從BSS公司訂購了它的第一顆高通量衛星Kacific-1，采用BSS 702平臺，通過57個Ka頻段窄波束提供寬帶通信服務，每個波束容量高達1.25Gbps，衛星計劃于2019年發射，其小型終端能夠以低成本提供100Mbps以上的互聯網上網速度。目前該衛星已預先售出51個波束的容量，大多數波束的出售容量已超過70%，Kacific正在開展后續其他高通量衛星相關計劃。

SES公司于2016年9月從泰勒斯·阿萊尼亞空間公司（TAS）訂購了一顆全電推的高通量衛星SES-17，該衛星將利用近200個Ka波段點波束補充SES公司現有的覆蓋區，進一步加強美洲和大西洋地區的覆蓋，衛星計劃于2020年發射。

2.2 NGSO-HTS動向

隨著O3b星座的部署以及SES公司對該項目的擴展，說明NGSO-HTS星座受到傳統衛星運營商的重視。O3b公司于2007年組建，2013年開始發射部署由TAS研制的O3b第一代衛星，2017年SES公司收購O3b公司后由BSS公司研制O3b第二代衛星，預計第二代衛星將于2020年以后開始部署。

O3b星座屬于MEO星座，4顆一組發射，8顆一個編隊運行，至今已發射4組次，在軌衛星已有16顆。第一代O3b衛星采用彎管式透明轉發方式，星上裝備12支65W Ka頻段行波管放大器，工作帶寬216MHz，對地面配備12副可動點波束天線（10個用戶波束，2個信關波束），波束指向范圍為±26°，衛星未設置星間鏈路，單星通信容量達19Gbps，衛星其他參數詳見表1 。目前，除O3b星座外，還有OneWeb、Starlink、LeoSat、Telesat等NGSO星座正在積極規劃和建設。

OneWeb星座是目前正在興建的全球覆蓋的低軌衛星星座，整個星座有約920顆衛星組成（720顆在軌運行，約200顆地面備份），720顆衛星分布在18個軌道面上，軌道高度1200km，每個軌道分布40顆衛星，單顆衛星的容量不少于5Gbps，可為每個用戶終端提供上行50Mbps、下行200Mbps的寬帶接入服務，整個星座的通信容量可達5Tbps。單顆衛星覆蓋面積為1080km×1080km，由16個窄長橢圓波束組成，工作在Ku頻段與用戶終端通信，另有2個Ka頻段信關波束。為消除對GEO衛星產生的干擾，OneWeb提出一種“漸進傾斜（Progressive Pitch）”的干擾規避技術。為降低衛星及星座設計難度和加強對所傳輸信息的管控等因素，OneWeb星座不配備星間鏈路，將通過在全球部署55～75個信關站實現星座信息的流通以及衛星網絡與地面網絡的互聯互通。

SpaceX公司于2015年提出建設低軌寬帶互聯網星座計劃，并于2017年正式將該星座命名為Starlink。2018年2月22日，SpaceX公司采用獵鷹-9重型火箭成功發射了2顆試驗通信衛星Tintin A/B（圖3），將為Starlink星座建設提供前期在軌技術驗證，但是根據SpaceX向FCC提交的申請文件來看，Starlink星座正式衛星公布的主要參數與這2顆試驗衛星存在一定差異。Starlink星座將分2期建設，第1期計劃部署4425顆衛星，第2期計劃部署7518顆衛星，整個星座將包含接近12000顆衛星，成為迄今為止人類提出的規模最大的星座項目。Starlink星座第1期每顆衛星預計發射質量386kg，設計壽命5-7年，星上還帶有霍爾效應電推進系統；第1期衛星將具備數字信號處理能力，同時配備先進的相控陣天線，每顆衛星的覆蓋范圍半徑達1060km；第1期衛星的單星吞吐量約可達到17-23Gbps，第1期首批1600顆衛星的總吞吐能力可達到32Tbps，整個星座的數據吞吐量將達到接近100Tbps。Starlink星座將采用激光星間鏈路實現空間組網，達到網絡優化管理以及服務連續性的目標。Starlink星座第2期衛星將采用V頻段，星座目前公布的工作頻率計劃如表2。

圖3 Starlink星座兩顆試驗衛星Tintin A/B發射前配置情況

2017年5月，低軌高通量LeoSat星座獲得日本SKY Perfect JSAT公司的投資，星座由108顆衛星組成，衛星將由TAS公司承研，在該星座的系統構架中將采用激光星間鏈路，建立一個空間激光骨干網，不必通過多個地面站轉發數據，即可實現Gbps量級的數據傳輸服務。LeoSat星座將實現4G和5G數據回程傳輸，能夠向銀行業國外辦事處提供安全網絡，為能源和海事部門提供巨大帶寬，確保應急通信的關鍵備份，實現偏遠社區的互聯網接入，在電信、企業、海事和政府部門數據和移動市場中尋求新業務機會。

2018年1月12日，薩里衛星技術公司為加拿大衛星運營商電信衛星（Telesat）公司研制的一顆試驗通信衛星（LEO Vantage 1），搭乘印度的“極軌衛星運載器”通過一箭31星成功發射，目前正開展相關在軌測試。Telesat公司于2018年7月30日正式宣布由TAS公司和SSL公司聯合設計其低軌寬帶星座，該星座由117顆衛星組成，通信頻率計劃選用Ka頻段，并設置激光星間鏈路，預計于2022年開始投入使用。Telesat公司與美國軍方用戶為該星座設計了極地/傾斜軌道組合系統，軌道高度分別為1000km（極地軌道）和1248km（傾斜軌道）。Telesat星座瞄準的應用對象包括繁忙的機場，陸、海、空軍事行動，主要航運港口，偏遠大型社區以及企業網絡寬帶通信等需求集中的區域。

表2 Starlink星座工作頻率計劃匯總

3.高通量衛星新技術發展方向

GEO通信衛星已逐漸步入高通量時代，低軌通信星座也向大容量、高速率發展。銥星公司已投入建設的第二代星座中，除繼承原有L頻段載荷外，增加了Ka頻段載荷，用以提供最高8Mbps通信速率；近年來，Starlink星座、OneWeb星座的設計均采用Ku/Ka頻段，通信速率高達1Gbps，單星容量高達20Gbps。

按照ITU的頻率規則，使用同一頻段的衛星通信系統需開展互相協調以避免發生干擾。根據目前掌握的資料來看，現正在研制的通信衛星星座采用的頻率大多已經重疊，而且中低軌通信星座具有的全球動態無縫覆蓋特點，導致各個獨立的星座之間幾乎不存在共用同一段頻率資源的可能性。目前，O3b星座已相繼發射16顆衛星，Starlink星座于2018年初發射了兩顆試驗衛星起到關鍵的占頻保軌功能，這使得這些星座在未來的頻率協調中占據了主動地位，特別是Starlink等星座的整體規模非常龐大，必然對后續同頻星座的頻率協調造成不利影響。

面對頻率資源的緊張形勢和蜂擁而來的低軌通信星座建設浪潮，除申報和儲備頻率軌位網絡資料之外，應加速低軌星座實質性發射部署，同時加大對顛覆性創新技術的研究。針對全球高通量通信的發展，本文梳理總結了與衛星相關的技術特點和發展方向。

（1）有效提高多波束天線C/I，增強頻率多色復用效率。高增益多波束天線是保障高通量衛星實現高數據吞吐量的關鍵。在確保波束頻譜多色復用效率較高的前提下，有效提高多波束天線的C/I是一個核心技術問題。目前，每個波束的工作頻率、空間位置、極化方式等都是固定不變的，但在以Viasat-3為代表的下一代高通量衛星上，分配給每個波束的工作頻率和極化方式等可以在軌實時改變，因此除了目前使用的頻率隔離、空間隔離和極化隔離等手段之外，需要進一步研究改善高通量衛星多波束C/I的相關技術，增強頻率復用效率。

（2）開展低軌星座通信頻率共用技術研究。隨著多個低軌寬帶大容量通信星座的興建，頻率資源變得越來越稀缺，頻率協調難度越來越大，尤其是低軌星座全球覆蓋的特征，使得獨立專享頻率資源已不可能，急需通過頻率共用技術實現多星座共存。所以頻譜感知、干擾分析、智能避讓、各星座覆蓋時空統籌應用等技術，成為低軌通信系統設計必須突破的核心技術和多星座成功建設的必要條件。

（3）星載有源大規模相控陣天線技術。為提高星座衛星通信系統的單星覆蓋范圍，要求波束覆蓋范圍較大（一般為-60度到+60度），為滿足這一要求可采用有源相控陣技術。同時為了滿足終端發射功率小、業務帶寬大的要求，星載有源相控陣需要有比較大的增益，對于星座系統來說，其通道數量一般都在100以上，設計如此規模的有源相控陣天線陣列系統是極大的挑戰。

（4）發展跳波束技術。傳統高通量衛星設計多采用轉發器通道與點波束相對固定的組合方式，因此傳統高通量衛星需要大量的點波束（60-80個），且每個波束占用的帶寬固定且較寬；而在下一代高通量衛星上，采用跳波束技術來提高衛星系統的靈活性成為趨勢。跳波束技術包括接收和發射數字波束形成網絡、波束權值處理器、相控陣天線、跳波束通信協議等，可將點波束（轉發器通道）從既定的覆蓋布局實時指向期望的區域，從而實現接收、發射覆蓋區和波束位置可動態調整的需求。

（5）積極開拓新的工作頻段，研制新頻段相應的星載設備。為了實現高通量數據傳輸要求，除日益擁擠的Ka頻段外，需要向Q/V、太赫茲以及激光等頻段發展，獲得更大的工作帶寬資源，進一步提高衛星通信容量。積極研制天線、轉發器以及星上處理器等載荷設備，提高相關產品的成熟度和實用性，并向小型化和輕量化方向發展。目前來看，Q/V頻段（40/60GHz）和激光載荷設備技術近期內將成熟并可投入使用，有望改善對Ka頻段的嚴重依賴。