2020 年國外通信衛星發展綜述

紀凡策（北京空間科技信息研究所）

2020 年，在新冠肺炎疫情與全球經濟持續下行的背景下，世界主要航天國家項目研發進度緩慢，既定發射計劃受阻，但通信衛星由于其信息基礎設施的定位、長期的技術積淀與較為成熟的產業發展模式，仍然表現出良好的發展態勢。軍用通信衛星系統新舊迭代趨勢進一步深化，新一代系統凸顯大規模、多功能化、智能化、高彈性等特點，低軌寬帶系統邁入“單點引領，多點跟進”的新時期，多項年度發射記錄被打破，衛星“軌道革命”持續深化，勢必將推動衛星通信網絡在天、地、用、控等多個維度發生重大變化，對傳統航天領域發展模式產生極大沖擊，并將在未來現代化軍事作戰、信息化工業制造、智能化生產生活中承擔重要角色。

1 總體態勢

2020 年，國外共計進行41 次通信衛星發射（其中1 次發射失敗），成功將999 顆通信衛星送入太空，其中，美國874 顆，歐洲106 顆，俄羅斯9 顆，日本3 顆，印度2 顆，其他國家5 顆。自1958 年12 月18日第一顆通信衛星成功發射以來，全球已經成功發射3367 顆通信衛星。截至2020 年底，國外共有1785顆通信衛星在軌運行，通信衛星仍是全球在軌數量最多的一類航天器。

近年來，隨著衛星“軌道革命”的全面深化以及小衛星系統、技術的快速演進，低地球軌道（LEO）衛星部署數量呈現爆發式增長，通信衛星領域呈現出越來越明顯的“低軌化”分布特征，“星鏈”（Starlink）星座已經成為迄今為止人類發展的規模最大的衛星系統，傳統高軌衛星部署和在軌占比則不斷下滑，新態勢、新格局已對衛星的研制和利用方式形成巨大沖擊，并將持續對人類進入和認知太空的能力產生深遠影響。

2 低軌寬帶星座建設進入新時期，競爭淘汰態勢進一步深化

2020 年，在新冠肺炎疫情和投資環境惡化等因素影響下，全球低軌寬帶星座領域的挑戰與風險逐漸清晰，“輸血”和“造血”能力成為該領域取得成功的關鍵。

“星鏈”年度完成14 次大規模部署，星座部署與系統軍民應用持續推進

2020 年，太空探索技術公司（SpaceX）主導的“星鏈”星座完成14 次、833 星部署，已邁入常態化、高密度發射新階段。在此牽引下，SpaceX 公司于2020 年發起兩次股權融資，共計獲得超過24 億美元資金，12 月新獲8.855 億美元美國聯邦通信委員會（FCC）農村寬帶補貼，并已啟動新一輪融資計劃，目標估值達960 億美元，持續吸引外界“輸血”；同時，積極推進系統應用，在2020 年開展的“星鏈”早期驗收測試（Beta 測試）中，其網速可達到50 ～150Mbit/s，用戶規模不斷增加。在此基礎上，以北美市場為根基向全球范圍持續輻射業務布局，在美國境外國家與地區開設14 家分公司，積極打造自身“造血”能力，進一步吸引美國政府、軍方的政策與資金支持，從試驗應用向商業化運營積極轉變，全方位領跑低軌寬帶星座發展。

一網公司經歷破產重組、恢復發射，全新組織形態或可重塑競爭力

3 月， 低軌寬帶星座標桿企業一網公司（ONEWEB）因資金鏈斷裂申請破產保護，引發業內外廣泛關注。在歷經資產拍賣、多方博弈后，一網公司于11 月完成資產重組，由英國政府與印度巴蒂電信公司（Bharti Airtel）合力收購，并于12 月恢復發射，年度完成3 次、104 星部署。通過此次重組，一網公司擺脫債務危機，獲得國家層面支持，利用印度電信巨頭打開印度及非洲市場，將在業務落地方面取得進展。在全面落后于SpaceX 公司的背景下，一網公司實現趕超難度極大，但其全新的組織形態或可在低軌寬帶星座市場中重獲一定競爭力。

美國“星鏈”星座（來源：SpaceX）

俄羅斯“球體”星座（來源：Roskosmos）

新老系統加速入場，競爭態勢進一步深化

2020 年，其他低軌寬帶星座也取得重要進展，深化了該領域的競爭態勢。FCC 公布多家公司提出的非地球同步軌道（NGSO）星座計劃，涉及衛星規模達到8 萬顆；歐洲航天局（ESA）開始為其擬打造的運行軌道為200 ～300km 的超低軌、低延遲的通信星座招標；“電信衛星”（Telesat）星座計劃擴至1671 顆，擬2021 年開始部署；“柯伊伯”（Kuiper）星座獲批，亞馬遜云服務（AWS）地面站業務發展迅速；俄羅斯綜合星座“球體”（Sfera）項目將建立單獨的聯邦目標計劃（FTP），并納入俄羅斯未來5 年航天發展規劃；歐盟委員會（EC）欲牽頭打造自主衛星互聯網星座，擬投資60 億歐元。

總體來看，全球低軌寬帶星座正呈現出“單點引領、多點跟進”的新特點。雖然“星鏈”當前在系統部署、應用推廣等方面均保持領先身位，但由于衛星互聯網具有足夠大的市場、各國衛星落地政策的差異、地緣政治等多方面影響因素，該領域的未來發展走向及格局尚不明朗。

3 高通量系統建設穩步推進，傳統固定廣播衛星市場回暖

高通量系統呈現軌道多樣化、高頻拓展的發展特點

以高容量、低單位帶寬成本、靈活覆蓋為主要特點的高通量衛星系統持續其強勁的市場發展勢頭，并在2020 年呈現出新的發展趨勢。一是軌道多樣化趨勢更加突出，傳統高通量衛星以高軌衛星為主，仍然突出單系統的強大能力。近年來，傳統衛星運營商與新興衛星互聯網創企紛紛著力發展中低軌高通量衛星系統，其中，“一網”（OneWeb）單星容量超過8Gbit/s，“星鏈”單星容量約17Gbit/s。考慮到低軌星座動輒上百顆的部署數量，其容量供應量將在很大程度上分割傳統高軌高通量衛星市場份額，并進一步革新高通量衛星發展模式。此外，歐洲衛星公司（SES）于2020 年8 月宣布將擴大“O3b 增強”（O3b mPOWER）中軌道星座規模，衛星總數達到11 顆，將進一步鞏固其在高通量衛星領域的優勢地位。二是向更高頻段拓展，傳統通信衛星使用的C、Ku 頻段逐漸飽和，高通量衛星逐漸向更高頻段發展，如Ka/Ku 頻段，乃至Q/V 頻段。SpaceX 公司于2020年向FCC 提出30000 顆衛星申請，甚至已將頻率規劃至E 頻段。而O3b mPOWER 星座也將有6 顆衛星采用V 頻段。

“一網”星座（來源：Airbus）

頻譜清理方案敲定，GEO 軌道衛星市場回暖

在高通量衛星技術飛速發展、互聯網業務沖擊等因素影響下，傳統C 頻段固定廣播衛星市場此前持續低迷，衛星簽約量不斷下滑，2019 年稍有回暖，2020 年市場向好趨勢更為突出。2020 年3 月，FCC 發布C 頻段頻譜清理最終方案，包括國際通信衛星公司（INTELSAT）、歐洲通信衛星公司（EUTELSAT）和SES 公司在內的多家衛星運營商將能獲得總計150 億美元的頻譜騰讓費用。因此，SES 公司、INTELSAT 公司等老牌通信衛星運營商的C 頻段固定廣播衛星將無法使用，從而亟需采購新衛星組網以維持服務能力，地球靜止軌道（GEO）通信衛星市場隨之回暖。據不完全統計，2020 年GEO 通信衛星簽約數量達到21 顆，其中C 頻段補網衛星11 顆。

4 新型軍用通信衛星系統的大規模、高彈性、多功能化特點凸顯

近年來，全球商業低軌寬帶通信衛星星座建設熱潮興起，其批量研制、快速部署、大容量、低延時、全球覆蓋等特點，為軍事作戰通信保障應用提供了新思路、新方案。在此背景下，以美國為代表的主要軍事航天國家均探索利用商業衛星星座發展成果服務軍事能力建設，新概念、新設想集中涌現，大規模、高彈性、多功能化特點凸顯，并在2020 年取得進展。

美國下一代“國防空間架構”取得進展

美國于2019 年提出下一代“國防空間架構”（NDSA）構想，旨在利用大規模、分布式、去中心化星座提升應對現實威脅的系統彈性和新興威脅的快速演進更新能力。“傳輸層”（Transport Layer）是“國防空間架構”基礎層，是美國航天發展局（SDA）未來3 年發展的重點，將由數百顆通信衛星組成。2020年，SDA 全面推進“傳輸層”試驗工作，5 月發布“傳輸層0 期”（Tranche 0）招標文件，在不到4 個月的時間內完成項目招標工作，選擇洛馬公司（LM）和約克空間系統公司（York Space System）作為衛星研制主承包商。6 月5 日，SDA 授予通用原子電磁系統公司（GA-EMS）電磁系統分部一份合同，后者將在2021 年使用其1550nm 激光通信終端開展一系列星間光學鏈路（OISL）在軌驗證試驗。10 月23 日，SDA 發布“傳輸層1 期”技術征詢書。根據文件，“傳輸層1 期”將在“傳輸層0 期”星座基礎上拓展衛星數量，技術上作漸進性增強。

“傳輸層”在七層體系建設層面起到“探路者”作用，其前期發展經驗將直接影響七層體系發展路線乃至最終的功能體系。一方面是發展路線上的調整，SDA 原計劃分3 個階段發展“傳輸層”，目前來看，“傳輸層0 期”已提前開展，與“風險降低演示”（RRD）同步進行；另一方面是體系上的迭代優化，“傳輸層”原計劃發展超過600 顆衛星，目前的方案則將衛星數量降低至120 ～170 顆。此外，SDA 發布的“傳輸層1 期”技術征詢書中透露出搭載遙感和射頻載荷的想法，這將淡化傳統衛星體系架構理念，“傳輸層”未來可能通過搭載遙感、“過頂持續紅外”（OPIR）等多種載荷實現跨功能層的多項功能。

俄羅斯通導遙一體化綜合星座浮出水面

俄羅斯針對“星鏈”、“一網”等低軌寬帶星座，最早于2018 年提出打造通導遙一體化星座—“球體”，并于2019 年完成與俄羅斯軍事工業委員會（MIC）的磋商。

10 月，俄羅斯航天國家集團（約合197.5 億美元）（Roscosmos）向俄羅斯聯邦政府申請15000 億盧布經費，用于建設“球體”多功能星座。該星座由通信、導航、遙感多種衛星組成，可提供寬帶通信、機器對機器通信、偵察、導航等多種功能，有望納入《俄羅斯聯邦國家統一航天活動計劃（2021－2030）》。

瞄準“星鏈”，歐洲欲打造泛歐層面低軌寬帶星座

12 月17 日，歐盟委員會計劃牽頭斥資60 億歐元（約合73 億美元）打造歐洲版“星鏈”星座，以避免歐洲在衛星互聯網領域競爭中落后。歐盟委員會已批準了一項類似于“星鏈”的近地軌道衛星互聯網研究項目，并授予幾家歐洲電信公司、衛星制造商和衛星運營商一份合同，以研究該項目的可行性。該衛星網絡將為政府機構提供安全通信，并為偏遠地區提供互聯網服務。

該星座將由歐盟委員會、地方復興基金和其他相關公司共同出資，資金總額為60 億歐元，并將充分借鑒歐洲“政府衛星通信”（GovSatCom）和量子技術項目（QCI）的現有成果，“讓歐洲能夠接觸到基于天基量子密碼學所提供的安全級通信”。該星座將由空客防務與航天公司（ADS）牽頭的團隊共同建設，包括泰雷茲-阿萊尼亞航天公司（TAS）、德國不萊梅軌道高技術系統股份公司（OHB system）、EUTELSAT 公司、SES 公司、意大利空間通信公司（Telespazio）和阿里安空間公司（Arianespace）。

綜上來看，隨著多功能載荷搭載技術的日趨進步，考慮到衛星頻率軌道資源的排他性，今后由多功能承載、組網協同的綜合性星座或將成為主流。從目前來看，綜合性星座的建設方式有兩類，一類是采用載荷搭載的方式實現物理耦合，這一思路已在“銥星下一代”（Iridium NEXT）星座建設中有所體現，該星座在設計之初即為衛星平臺預留部分承載能力，可搭載第三方有效載荷，其搭載的天基殺傷評估載荷可提升反導能力；另一類是采用標準化接口和太空云的方式實現體系耦合，這一思路是采用光學星間鏈路等技術，以未來全球持續天基低時延數據通信為支撐，構成由多個不同業務屬性的衛星組成的互聯互通的一體化體系，可由多個太空系統或載荷實現同一功能，反之一類太空系統也可以通過搭載多載荷實現跨功能層的多項功能，美國下一代“國防空間架構”和“黑杰克”（BlackJack）項目預計都將采用這一方式。

“銥星下一代”飛行示意圖（來源：Iridium）

5 衛星系統自主任務控制和切換將成重要趨勢

隨著低軌通信星座的大規模部署，星座運控成為運營商面臨的現實問題。通過軟件技術實現衛星的自主任務控制和切換，打造太空云平臺，可極大降低未來大規模星座地面運控的復雜度。同時，隨著未來太空中衛星數量的爆發式增長，衛星軌道逐漸擁擠，碰撞風險不斷增加，自主運行衛星可實現在軌自動避讓等操作。目前來看，無論是洛馬公司基于軟件定義無線電技術的“智能衛星”（Smartsat）、“黑杰克”項目的“賭臺官”（PitBoss），還是美國空軍擬打造的“變色龍”（Chameleon）星座計劃，都屬于這一范疇。特別是“黑杰克”項目所體現出的“一星多用、多星協同、天基組網、智能自主”等技術優勢，已逐步被美軍所認可。在全球衛星發射數量井噴式爆發、低軌通信星座計劃層出不窮的背景下，這一技術顯得尤為重要。2020 年，以特超巨星公司（Hypergiant）為代表的航天創企著力于基于人工智能的衛星系統自主任務控制和切換，可大幅提升大規模衛星群管理能力。

基于人工智能的衛星管理系統

5 月21 日，美國人工智能創企—特超巨星公司正式推出名為“超智能航天器增強”（HIVE）的衛星任務管理系統，該系統面向商業用戶和政府用戶，旨在利用人工智能（AI）技術和云計算技術降低衛星任務管理成本，可同時支持人為遠程和自主航天器任務操控模式，減少操控人員的培訓時間，提高衛星運營商的運管效率。目前，美國空軍太空與導彈系統中心（SMC）已經與特超巨星公司簽署協議，將在未來的任務中使用該平臺。HIVE 系統具備兩大技術特點：一是基于人工智能技術，系統可自動提取航天器任務操控所需的各類信息，并能通過與外部數據源進行關聯分析，對未來任務需求、任務類型進行預測，還能對衛星運行的健康狀況進行監控和診斷，從而自動控制衛星開展相應在軌任務操作。相比傳統人工模式，有效節省了數據提取和分析的時間，降低了衛星任務管理成本。在此基礎上，運營商可大幅改進其管理能力，實現從原來同時運管3 ～5 顆衛星提升至75 ～100 顆衛星，解決衛星數量呈指數級增長所帶來的數據量爆炸的問題。二是基于云計算技術和下一代人機交互界面技術，具備各類移動平臺的可移植性，支持在筆記本電腦、平板電腦等各類移動終端遠程上，對所運管的衛星進行操控，這為緊急情況下，衛星操控人員無法現場執行任務提供了極大的靈活性。

美國空軍基于人工智能技術的在軌任務可重構星座

“變色龍”是特超巨星公司擬打造的基于人工智能技術的可實現在軌任務重構的星座。該公司于1 月向美國空軍提出“變色龍”星座計劃構想，并獲得了美國空軍“小型企業創新研究補助金”的支持，6 月30 日，特超巨星公司宣布與美國空軍達成協議，擬研制“變色龍”星座首顆原型星，并計劃2021 年搭載諾格公司（Northrop Grumman）“天鵝座”（NG－14）貨運飛船發射入軌，驗證其基于人工智能技術的在軌任務重構性能。該星座擬由24 ～36 顆衛星組成，運行于LEO 軌道，衛星均為6U 立方體衛星，旨在通過人工智能技術實現衛星在軌軟件升級，并根據地面需求與指令，在幾分鐘內完成任務重置。該星座可支持地面操作人員與用戶對其進行測試，并按需加載新的進攻性或防御性軟件切換衛星任務屬性（如由防御性轉變為進攻性），同時可將新興技術插入到固有任務構架中，實現在軌功能升級。

“變色龍”星座具備以下特點：一是可基于星座運行與任務數據，優化、改進星載機器學習與人工智能協議、指令等，進一步提升其任務執行能力；二是支持星上軟件更新升級，進而提高衛星性能，延長衛星使用壽命；三是可根據地面需求，快速完成軟件功能重新配置，變更傳感器陣列的功能與通信協議，從而完成衛星任務屬性切換，如偵察、通信等；四是通過更新網絡安全軟件和協議，實現快速威脅防護。

6 結語

2020 年，新冠肺炎疫情在影響各國航天領域發展的同時，也對“無縫連接”的泛在通信提出了更高的要求，在地面5G/6G 通信基礎設施大規模鋪設的同時，通信衛星領域呈現出前所未有的競爭態勢，并將伴隨大國競爭重塑領域發展格局，牽引火箭發射、衛星制造、運營、地面系統全鏈條的變革。