全球通信衛星領域發展態勢研判

■張祎蓮 李博（北京空間科技信息研究所）

1 總體態勢

衛星通信行業處于轉型陣痛期，行業收入亟待“觸底反彈’

軌道革命加速進入新周期，新航天引領產業格局變遷

提速降費成為行業新常態，高低軌市場競爭愈發激烈

2 高軌態勢

高通量衛星性能加速演進，下一代VHTS 系統蓄勢待發

自2005 年“互聯網協議星”（Ipstar）系列衛星推出以來，高通量衛星正式步入市場，基于多點波束、頻率復用以及高頻段通信等技術，通信衛星容量從單星數Gbit/s 已快速演進至數百Gbit/s。在新興衛星的設計上，載荷的處理能力不斷增強，星載數字透明處理器（DTP）處理帶寬實現百倍增長。2021年10 月24 日部署的SES-17 衛星基于泰雷茲-阿萊尼亞空間公司（TAS）第五代DTP，處理帶寬達200GHz，配備200 個點波束，單條鏈路最大傳輸速率2Gbit/s，單星容量推測超過300Gbit/s。

受疫情導致的進度延誤影響，最新一代甚高通量衛星（VHTS）計劃于近兩年集中發射，2022 年將成“VHTS 元年”。2022 年9 月6 日，歐洲最大的GEO 通信衛星“歐衛通連通甚高通量”（Eutelsat Konnect VHTS）成功發射，單星容量約500Gbit/s；Jupiter-3（單星容量500Gbit/s）、Viasat-3（共3顆，單星容量可達到Tbit/s 級別）、O3b mPower（目前共訂購11 顆，前7 顆總容量達10Tbit/s）等多顆高通量衛星計劃于2022/2023 年入軌，預計2022 年內GEO 入軌衛星總容量有望突破4Tbit/s，超過歷史入軌的GEO 衛星容量總和（約3Tbit/s），正式開啟VHTS 時代。

此外，隨著衛星的性能不斷增強，成本優勢也更加凸顯，單位帶寬的服務成本大幅降低，根據歐洲咨詢公司預測，容量大于500Gbit/s 的VHTS 系統每月單位帶寬成本較早期的HTS 系統下降一個數量級。

衛星靈活性引領技術新趨向，滿足市場更多元化需求

通過衛星的靈活性設計提升資源利用效率，也成為高通量衛星的重要性能演進方向，主要具有如下3 點技術特點：一是可調波束，實現覆蓋范圍動態優化調整；二是數字處理，采用數字信道化器等實現網絡連接的靈活性；三是功率/頻率配置，實現更高效率的系統容量供給能力。

隨著2021 年7 月“ 歐洲量子”（Eutelsat Quantum）衛星的成功發射，“完全軟件定義”的衛星概念也從理論走向現實。目前來看，各類運營商均增大了對載荷靈活性的需求，根據特定應用場景，靈活性設計程度不一。但從市場預期看，傳統的透明轉發衛星將以-14.6%的年均增速快速下降，具備全靈活功能的衛星數量將以78.2%的年均增速快速增長，推測至2030 年具備靈活功能的衛星占比將達98%。

高軌整星級軟件定義產品推出，沖擊產業發展格局

采用參數可調的單機與功能部件，有效載荷的標準化設計和衛星平臺的模塊化設計使得衛星的批量化生產成為可能。按照固定規格批產高軌整星，衛星入軌后再由用戶動態調整配置，以此實現差異化任務功能。具備對需求變化快速的響應能力、對服務應用快速的適應升級，拓展更多的容量租賃模式，越來越成為運營商之間角力的關鍵所在。

在此基礎上，考慮到進一步提高衛星的綜合性價比（容量、時間、成本效益）和可用性的發展需求，靈活的中小型GEO-HTS 衛星開始加速進入市場。3家國外主流運營商已提早布局，推出下一代GEO 整星級靈活通信衛星產品線，如空客公司的“一星”（OneSat）系列衛星質量約3t，可生成數千個數字點波束，具備在軌100%可重構能力，能根據用戶需求變化瞬時（毫秒級）調整容量分配策略，為熱點目標區域集中提供數Gbit/s 的容量；泰雷茲-阿萊尼亞空間公司的“太空靈感”（Space Inspire）系列衛星質量約2t，同樣具備在軌靈活重構能力，使用第六代DTP，單星容量100～200Gbit/s；波音公司基于O3b mPower 衛星推出的BSS-702X 平臺也可適用于GEO 衛星，單星質量約1.9t，采用電子掃描相控陣天線，支持生成超過4000 個數字點波束，波束形狀、位置同樣均可變可調。

高軌衛星技術發展出現分水嶺，極致性能與高性價比呈兩種發展趨勢

為了進一步追求單星性能極致，具備超大容量、精細設計和嚴格測試要求的通信衛星成為了行業的發展方向之一，引導GEO 通信衛星“越做越大”。國際移動衛星公司規劃的第六代Inmarsat-6 系統是“全球有史以來設計最精細、制造最精巧、測試最復雜的通信衛星”，星上載有L 頻段（支持ELERA服務）和Ka 頻段（支持Global Xpress 服務）雙載荷，單星容量比整個Inmarsat-4 在軌系統容量還超過50%，首顆衛星已于2021 年12 月22 日發射。

與之相對應的是，以高性價比為牽引，聚焦夠用的容量、快速的設計、優化的測試，同樣促成了GEO 衛星的另一種發展趨勢——小型化趨勢。除了上文提到的3 家主流運營商的GEO 整星級靈活產品線，多家初創公司也以小型GEO 通信衛星為市場切入點，意圖瞄準對覆蓋范圍和性能要求較低的新興地區用戶，填補頻率、容量等資源需求空隙，降低市場準入門檻。如阿斯特拉尼斯（Astranis）公司推出了“微型靜止軌道衛星”（MicroGEO），單星質量300～400kg，容量10Gbit/s，功率2kW；土星衛星網絡公司（SSN/Saturn）也推出了“國家星”（Nationsat），單星質量600～1700kg，容量20～80Gbit/s，功率2.5kW。

3 低軌態勢

低軌競爭激化、格局復雜，兩大星座引領建設

2019 年以來，低軌商業通信星座的部署邁入高峰期，國際競爭形勢愈發復雜，美、俄、歐、中、加、日、印加速入場布局，除美、俄、中、加為本國獨自發展之外，其他均為多國聯合投資建設。值得關注的是，俄羅斯“球體”（Sfera）星座、歐盟主權寬帶衛星星座、日本“空間集成計算機網絡”等系統在規劃中采用混合方案，納入高/中/低軌多功能衛星，Inmarsat、歐洲衛星公司（SES）、加拿大電信衛星公司（Telesat）等運營商也規劃了多軌星座融合方案，意圖最大化復用資產，構建立體化網絡。

現有的低軌星座以“星鏈”“一網”兩大系統為引領，“群雄逐鹿”搶占市場先發位置和頻軌資源的態勢凸顯。目前，“星鏈”“一網”已事實性占據Ku 頻段資源；Ka 頻段中軌O3b 系統優先，“光速”（Lightspeed）星座縮減規模，推遲建設；Q/V 頻段儲備階段，存在較大可利用空間。

典型星座分析：“星鏈”占據事實性優勢地位

（1）星座研產與進度預期分析

“星鏈”星座建設步伐已實質性領先全球，發射頻次從2019 年的1 年2 發，快速增長至2022 年的平均每周（約6.2 天）1 發，2022 年5 月實現峰值5天3 發。

“星鏈”系統目前共規劃2 期3 階段，現今仍在推進第一期一階段星座建設工作，已于2021 年完成550km 殼層1 的部署，截至2022 年10 月22 日，累計部署3505 顆衛星，在軌3229 顆，其中到達預定軌道并正常工作的衛星數量為2731 顆。2022 年2 月，美國太空探索技術公司（SpaceX）官方聲明指出其工廠交付速度已突破45 顆/周，按此進度計算預計能夠按期完成第一期1.2 萬顆衛星的里程碑節點。

（2）設計方案與衛星能力加快迭代演進

“星鏈”星座的建設思路是前期放開試錯空間（以部分質量損失換效率/成本），大量采用商業現貨（COTS）器件、密集實現單月N 發，整流罩空間用到極限，“多、快、夠”地建設星座，以期在第一時間搶市場。“星鏈”衛星設計歷經3 次重大方案修改，體現出“邊建、邊試、邊用、邊優化”的螺旋迭代創新建設思路。“星鏈”目前的v1.5 型衛星單星尺寸3.1m×1.5m×0.25m，質量約290kg，容量約20Gbit/s；“星鏈”v2.0 衛星則將實現更強的通信能力，單星長度（太陽翼未展開）約7m，質量1～1.25t，容量約200Gbit/s。

“星鏈”星座規劃情況

2022 年8 月19 日，SpaceX 公司宣布重新將獵鷹-9 納入“星鏈”v2.0 發射計劃，“星鏈”v2.0 衛星將使用“星艦”（Starship）和獵鷹—9（Falcon-9）火箭混合發射。其中，對于LEO 軌道而言，“星艦”運力超100t，衛星在發射后幾周就能投入運營；獵鷹-9 火箭運力則為23t，衛星在發射后幾個月才能投入運營。對“星艦”發射方式進行估算，單次發射可部署80～100 顆“星鏈”v2.0 衛星，但考慮實際整流罩內空間，按照單星收攏尺寸7m×1.5m×0.3m，并排2 顆推算，能夠支持約52～60 顆衛星，而官方視頻則顯示54 顆，照此進度推算，30000 顆“星鏈”二期衛星（如果獲批）需要556 發“星艦”任務才能打完。

（3）加快全球市場拓展和新業務布局

地面系統方面，現階段“星鏈”衛星尚未實際開啟星間鏈路功能，必須依靠全球地面段信關站網絡，實現星上業務流、數據流與地面網轉接。目前，“星鏈”系統已在全球建設158 個地面信關站（以美歐地區為主），并與微軟和谷歌開展地面云服務合作。

市場推廣方面，“星鏈”已在全球超36 個國家/地區提供服務，實際用戶規模超50 萬，亞太地區正在加緊布局，計劃2023 年起在全球大部分地區啟動服務。

業務拓展方面，2022 年6 月30 日，SpaceX公司獲得了FCC 的許可，可以在移動工具（包括船只、飛機和車輛等）上提供“星鏈”服務。目前，SpaceX 公司已發布了“海事星鏈”（Starlink Maritime）服務，將向皇家加勒比集團提供服務，并推出“扁平高性能”海事終端；機載服務方面，SpaceX 公司也已與JSX、夏威夷航空公司等用戶達成合作協議。“星鏈”業務的快速拓展可能會對現有的市場主導者（O3b、Inmarsat 等）構成一定的威脅。

星間組網優勢需理性看待

作為推動空間組網優化的關鍵技術，激光星間鏈路（OISL）雖非商業系統的必選項，但目前來看，“星鏈”v1.5 衛星已規模化部署4 部激光通信終端（OCT，應為SpaceX 公司自研終端），“一網”二代、Telesat 公司“光速”、亞馬遜公司“柯伊伯”（Kuiper）系統也計劃配置相應能力，10Gbit/s 星間傳輸能力成為標配，遠景目標將達到100Gbit/s。然而，對于寬帶星座而言，星間鏈路傳輸帶寬（10Gbit/s）低于星地用戶鏈路（如“星鏈”容量已達20Gbit/s），容易出現網絡堵塞，且異軌道面穩定星間鏈路技術難度較大，有待進一步發展；同時，主流終端單部價格約50 萬美元，若單星部署2～4 部，一期星座將共計部署上萬部星間鏈路終端，成本問題仍有待進一步評估。

拓展應用服務模式，沖擊軍事航天系統理念、形態與途徑

新興低軌星座的快速發展，誘發了美軍未來航天裝備體系新的轉變，多功能、多屬性集成式新體系架構，正處于快速探索、試驗階段。2018 年，美國防高級研究計劃局（DARPA）發起了“黑杰克”（Blackjack）低軌多功能演示驗證系統；2019 年，美國太空發展局（SDA）提出下一代“國防太空體系”（又稱“七層體系”，NDSA），低軌傳輸層系統將作為體系基底層，提供全球持續低時延數據通信傳輸，2022 年啟動0 階段工作星部署；2021 年底，美天軍啟動“混合太空架構”論證，融合軍民商盟衛星系統，以獲取更多的容量、靈活度和彈性。

總結分析來看，商業低軌星座可以在部署效率、建設成本、應用類型、安全防護能力等多方面對軍民航天領域產生沖擊，將通過五種服務模式支撐軍事應用：一是直接采購商業服務“為軍所用”，成為國家綜合基礎設施的重要組成，提升天基信息支持作戰應用的效能；二是提供多類功能搭載服務，實現一星靈活應用，推動快速構建多功能的衛星系統；三是共享研制資源，在工程研制層面（商業平臺、生產線、供應鏈）充分借鑒商業星座成果，加快軍事航天能力生成速度；四是天基互聯組網，通過統一接口標準，提升軍商系統的多樣化連接傳輸能力，為關鍵、海量軍事數據提供補充信息傳輸通道；五是云端高效協同，在異構互聯組網，實現天基資源的整合基礎上，開發太空資源的協同調用機制和操控系統，打造未來智能太空云體系。

4 結語

總體來看，隨著全球范圍內高速、持續、全覆蓋通信需求的不斷增長，應用市場的不斷開拓，行業競爭態勢愈發激烈，通信衛星產業正在形成新的格局：高軌衛星進一步向高通量、高靈活性轉型，低軌衛星互聯網成發展熱點，在技術迭代、批量部署、應用服務等方面展現出諸多顛覆性特點。未來，通信衛星產業仍會呈現快速發展的趨勢，將與地面通信技術的換代升級深度耦合交織，共同推動信息網絡基礎設施邁向新的時代。