2021年國外通信衛星發展綜述

王韻涵（北京空間科技信息研究所）

2021年，國外通信衛星領域發射活動再創新高，共實施39次通信衛星發射，成功將1388顆通信衛星送入太空。通信衛星整體行業格局面臨重塑和調整。傳統高軌通信衛星市場低迷，在軌占比持續下滑；低軌互聯網星座領域發展邁入高峰期，部署數量和申報數量持續走高。整體來看，通信衛星領域發展競爭態勢激烈，同時伴隨大國競爭及產業模式轉變，領域發展將呈現新格局。

1 總體態勢

2021年，國外共實施39次通信衛星發射，成功將1388顆通信衛星送入太空，其中軍用通信衛星1顆，民商用通信衛星1387顆。自1958年12月18日第1顆通信衛星成功發射以來，國外已經成功發射4760顆通信衛星。截至2021年12月，國外共計有3065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。

2021年，國外通信衛星成功部署的數量較2020年增加389顆，“星鏈”（Starlink）、“一網”（OneWeb）等低軌互聯網星座的大規模部署是衛星數量增加的重要原因。美國以數量級優勢穩居第一，歐洲位居第二，美國和歐洲發射總數量占比超過90%，繼續保持領先地位。從在軌數量上看，美國、歐洲、俄羅斯位居前三位，三者在軌總數量占比達94%。

2021年國外通信衛星發射和在軌數量統計

2低軌寬帶商業星座競爭加劇，“星鏈”“一網”領先全球

低軌星座批量部署邁入高峰期

“星鏈”“一網”兩大星座引領全球衛星互聯網領域發展，凸顯“群雄逐鹿”搶占先發位置態勢。2021年，“星鏈”星座實施19次大規模部署，部署989星。自首發試驗星以來，累計發射1944顆衛星。上半年發射頻次密集，在3月創下20天4發的紀錄，推測其衛星工廠實現月均150星的生產速度。5月完成第一期第一階段衛星發射任務。下半年自9月起恢復部署任務，開始發射搭載星間激光通信終端的新一代v1.5版本衛星。美國太空探索技術公司（SpaceX）使用獵鷹—9（Falcon—9）部署“星鏈”衛星，一次最多可發射60星，一級火箭可重復使用，衛星部署成本不斷攤低。

在快速推進空間網絡建設的同時，SpaceX公司也在積極爭取美國之外的國家落地權和地面站建設工作，覆蓋國家和地區包括加拿大、大洋洲（澳大利亞、新西蘭），歐洲（英國、法國和德國），南美洲（主要是智利）等，覆蓋范圍仍在持續擴大。SpaceX公司還積極與地面云服務領域巨頭微軟、谷歌等達成合作協議，通過其星座為后者拓展云服務。SpaceX公司將在谷歌全球數據中心內部署“星鏈”地面站，實現其衛星網絡與谷歌地面云網絡設施的高效耦合，從而推動構建星地一體網絡服務平臺，大幅提升其服務效率與可靠性。

一網公司（OneWeb）成功渡過破產重組等重大財務危機，部署進度加快恢復。2021年，一網公司共發射8批次共284顆衛星。初代星座累計部署394顆衛星，建設進程過半，進度僅次于“星鏈”。2021年底，一網公司在北緯50°以上地區測試服務性能，2022年有望提供全球服務。據在阿拉斯加、加拿大和英國等地區的測試結果，網絡服務延遲小于50ms，速度可達100Mbit/s。

總體來看，“星鏈”星座近年來在美軍、民、商各界力量的支持下快速發展，不斷刷新行業紀錄。“一網”星座緊隨其后，穩扎穩打，單星穩定可靠。其他低軌星座也在本年度取得進展，加拿大電信衛星公司（TeleSat）的“光速”（Lightspeed）星座獲加拿大以及多個地方政府投資支持，總體建設進度略慢于“星鏈”和“一網”系統，該公司于2021年初授予泰雷茲-阿萊尼亞航天公司（TAS）298顆衛星研制合同，計劃在2022年開始部署，首先發射78顆極地衛星，在北緯高緯度地區投入使用。亞馬遜公司（Amazon）的“柯伊伯”（Kuiper）星座加快部署進度，首批2顆原型試驗衛星將于2022年發射。

衛星通信面向更高頻段發展

隨著Ka、Ku頻段可用衛星頻譜資源日趨緊張，在市場容量需求的推動下，衛星運營商開始探索使用更高的頻段以擴大系統容量，提高服務速率。2021年，波音公司（Boeing）147顆V頻段衛星獲得美國聯邦通信委員會（FCC）批準，預計將發射132顆衛星至1056km高度的低地球軌道（LEO），其余衛星將被發射至高度27355～44221km之間的軌道，向個人、商業、事業機構、政府和企業客戶提供寬帶通信服務。此外，據FCC公布的多份第二輪V頻段非地球同步軌道（NGSO）星座申請資料，2021年，有9家衛星運營商新報或者增加V頻段衛星運營許可，申請總數接近4萬顆，申報者包括傳統衛星企業波音、國際移動衛星（Inmarsat）、休斯（Hughes）、國際衛星通信（Intelsat）、衛訊（Viasat）等公司，以及新興企業亞馬遜、阿斯特拉航天（Astra Space）和旋轉發射（SpinLaunch）等公司。其中，阿斯特拉航天公司申報規模最大，為13620顆。

3 軟件定義衛星從概念走向現實，高低軌衛星趨向融合

軟件定義衛星在軌應用拉開序幕

2021年7月，“歐洲通信衛星—量子”（Eutelsat Quantum）衛星發射成功，該衛星是全球首顆“完全軟件定義”的商業通信衛星，具備星上功率、覆蓋、頻率的靈活在軌重構能力。“量子”衛星項目是歐洲航天局（ESA）和歐洲通信衛星公司（EUTELSAT）合作發展的新一代具備靈活通信能力的衛星。衛星載荷由主承包商空客防務與航天公司（ADS）設計開發，英國薩里衛星技術公司（SSTL）為其專門研發了新型地球靜止軌道小衛星平臺（GMP-T）。衛星發射質量3.5t，設計壽命15年，有效載荷質量450kg，載荷供電功率5kW，容量6～7Gbit/s。

2021年10月，歐洲衛星公司（SES）發射歐洲衛星公司—17（SES—17）衛星。衛星由泰雷茲-阿萊尼亞航天公司研制，發射質量6.4t，星上具有全數字靈活有效載荷，可在軌編程近200個波束，覆蓋美洲（北美、加勒比、墨西哥和拉美）及大西洋地區，補充并加強其Ku和Ka頻段、高軌和中軌的寬波束和點波束容量，擴展公司的全球空中互聯網服務能力。此外，SES公司正在規劃的新一代“O3b增強”（O3b mPower）中軌寬帶衛星均采用波音公司推出的BSS-702X軟件定義平臺，質量僅1.2t，但技術性能突出，每顆衛星有多達數千個250km的波束，每個波束支持50Mbit/s至數Gbit/s不等的通信速率，單星容量達到數百Gbit/s，且具備靈活軟件定義能力。

軟件定義衛星通過在軌軟件更新和升級，提高星上高效處理能力，提升有效載荷特性，滿足不同用戶需求，延長技術生命周期。近兩年來，空客防務與航天公司、泰雷茲-阿萊尼亞航天公司也相繼推出“一星”（OneSat）、“靈感”（Inspire）等軟件定義衛星產品線，新型靈活衛星研制競爭進一步加劇。軟件定義衛星將成為未來智能通信星座發展的必經途徑和必要基礎。

高低軌衛星趨向融合

隨著用戶容量需求和無縫覆蓋要求日益增加，衛星服務商開始探索利用地球靜止軌道（GEO）、中地球軌道（MEO）、低地球軌道提供多軌道融合的衛星通信服務。

2021年7月，Inmarsat公司提出“交響樂團”（Orchestra）通信網絡建設計劃，整合其現役高軌衛星、未來低軌衛星和地面5G設施，打造全球性、多維、動態的綜合網狀網絡。具體而言，GEO衛星包括L頻段衛星和Ka頻段國際移動衛星GX系列（Inmarsat GX）；LEO星座由150～175顆衛星組成，為高需求地區提供額外容量；地面5G設施則在特定高需求地區增加超高容量，如港口、機場、海峽和海道。11月，衛訊公司宣布將以73億美元收購Inmarsat公司。合并后，兩家公司將共同打造全球高通量混合空間架構和地面網絡，為政府、企業、航空、海運等全球移動用戶提供更安全、更高速、更低延遲和更低成本的通信服務。

2021年8月，休斯公司演示了朱庇特—2（Jupiter—2）GEO衛星和“一網”衛星協同組網的能力。9月，安裝休斯HM系列軟件定義衛星終端的無人機演示在MEO和GEO多網絡高速通信能力，將高清視頻和傳感器數據從機上傳輸至地面指揮中心。12月，SES公司和休斯公司合作演示霍尼韋爾（Honeywell）JetWave MCX寬帶衛星通信解決方案提供的GEO/MEO多軌道、多網絡機載寬帶通信的能力。

此外，Telesat公司未來也有計劃基于已有的高軌HTS寬帶系統和“光速”低軌寬帶星座，打造分布式、靈活、低延遲、高吞吐量、可負擔的全球寬帶架構，推動實現地面回程通信、航空、海事寬帶通信兼容和互操作。

4 多國推進下一代軍用通信系統建設，軍方重視低軌星座開發應用

2021年，國外共計進行1次軍事通信衛星發射活動，成功將1顆衛星送入預定軌道，即法國的錫拉庫斯—4A（Syracuse—4A）衛星，該衛星是法國第四代軍事通信系統的首顆衛星。

高軌軍用通信系統建設有序推進

美國2021年未發射高軌軍用通信衛星。美軍“先進極高頻”星座（AEHF）已于2020年成功組網，現役的窄帶和防護系統建設已經完成，未來兩年內暫無高軌軍用通信衛星部署任務，寬帶系統后續發展方案尚未明晰，正在發展的寬帶全球衛星通信—11（WGS—11）衛星將作為過渡補強其寬帶衛星通信能力。

歐洲主要的軍事航天國家目前均在積極謀劃、論證或開始建設下一代系統的進程中。法國成功發射Syracuse—4A衛星，為下一代軍事通信衛星系統錫拉庫斯—4（Syracuse—4）的首顆衛星。Syracuse—4A采用SpaceBus Neo—100全電推進衛星平臺，搭載X頻段和Ka頻段有效載荷，配置星上數字透明處理器和抗干擾天線，具備抗網絡攻擊、抗干擾和高空核爆炸的能力。Syracuse—4系統包括3顆衛星，第2顆衛星——Syracuse—4B衛星計劃于2022年發射，第3顆衛星計劃于2030年前發射。英國積極推進下一代天網—6（Skynet—6）衛星項目，新系統將在2028年正式投入運行，而在此之前為了確保服務的連續性，英軍計劃發展一顆過渡性的衛星Skynet—6A，可于2025年投入運行。意大利持續推進下一代錫克拉—3（Sicral—3）系統的建設工作，該系統包括2顆衛星，容量性能相比上一代明顯提升，支持意軍寬帶和窄帶通信需求。

大規模星座發展引起多方重視

2021年，在低軌大規模星座浪潮下，多國政府和軍事力量加速介入，搶占空間領域發展先機，爭奪頻軌稀缺資源。美國國防高級研究計劃局（DARPA）的“黑杰克”（Blackjack）項目和美國太空發展局（SDA）的下一代“國防太空體系”（NDSA）中均將低軌通信星座作為其重點研究對象和基礎，將對未來通信領域甚至整個軍事航天領域發展產生重要影響。2021年，SDA啟動NDSA傳輸層1期的144顆衛星招標，包括126顆“基線”衛星和18顆搭載其他有效載荷的“1期演示與試驗系統”（T1DES）衛星。T1DES試驗衛星搭載多任務載荷，開展技術演示驗證。傳輸層衛星均安裝激光星間鏈路，組成天基網狀網，預計于2024年開始發射。

俄羅斯推進“球體”（Sfera）多功能星座建設。“球體”項目由俄羅斯航天國家集團公司（Roskosmos）負責，旨在建設由幾百顆衛星組成的“通遙”高中低軌混合星座。2021年，俄羅斯政府向“球體”項目撥款70億盧布（約9247萬美元），加快衛星研制和關鍵技術研發進度。2021年12月，俄羅斯航天國家集團公司授出中軌寬帶通信衛星和低軌物聯網衛星研制合同，預計2022～2023年發射原型衛星。“球體”項目已納入《2021—2030俄羅斯聯邦國家統一航天活動計劃》。

歐洲公布“歐洲天基安全聯通系統”（ESSCS）項目初步方案。ESSCS星座包括GEO、MEO和LEO衛星，計劃在2022年形成1顆GEO、1顆MEO衛星在軌；到2024年形成24顆GEO+MEO、200顆LEO衛星在軌，初步建成安全、彈性的寬帶衛星星座；到2029年再發射1200顆LEO衛星，建成面向大眾市場的完整的寬帶衛星星座。該方案由9家傳統大型衛星制造商、發射服務提供商、衛星運營商組成的團隊提出，論證耗資710萬歐元，于2021年6月形成結論。12月，歐盟再次向由多家創企組成的團隊授出論證合同，旨在尋求更優體系架構。

總體來看，主要航天國家政府對低軌大規模通信星座的潛在巨大應用效能愈發重視。美國軍方多項目并行推進低軌星座開發應用、加拿大政府斥巨資扶持本國低軌系統、俄羅斯利用航天國家集團統籌加快“球體”星座建設、歐盟啟動天基全球安全通信系統和空間交通管理項目、英國政府收購一網公司扶持星座建設。多個星座頻軌方案與進度節點，在現有國際規則下形成先發、先占、先用優勢。空間交通環境受此影響進一步趨向擁擠緊張。

5 技術發展態勢

巨型星座批量部署牽引研制模式轉變

近年來，隨著商業巨型星座興起，衛星系統設計理念正在從傳統單星的“高精尖”向巨型星座的“多、快、夠”轉變。大規模、快速的研制部署保證系統可靠性，彌補單點失效風險，降低載荷容錯率要求。如“星鏈”等新興星座已不再單純追求以高等級器件保證系統的高可靠性，而是以任務需求為牽引，通過星座系統級冗余設計和故障可恢復設計保障高性能任務的執行。

在研制模式方面，衛星研制向低成本、大批量、智能化發展。國外相關系統研制已經逐步轉向自動化生產線模式，以實現批量化、低成本、高效率交付能力。傳統衛星的設計、研發、生產、測試理念與模式，無法滿足以天為計算周期的出廠效率，傳統宇航級產品采購理念和方法，難以支撐高性價比的系統建設，牽引衛星研制流程創新升級與產品采購模式改革。美、歐主流制造商已圍繞新要求，提前開展大規模、批量化研制能力的戰略轉型，一網公司等初創企業將創新商業思維融入研制流程設計與全球化供應鏈體系建設，也已初步取得成效。

一星多用、多星組網拓展更多功能

小衛星技術迭代演進，單星能力不斷升級，各類應用快速發展，新型需求持續挖掘。多元化、高彈性的應用需求催生“通導遙一體化、智能云網”發展新格局。通信衛星的信息基礎設施作用愈發凸顯，為提升導航、遙感載荷應用效能提供天然支撐。多功能、復合型載荷能力或將成為主要軍事航天國家關注的重點方向。美軍NDSA、Blackjack衛星計劃采用多功能載荷搭載方式，集成多方能力，革新作戰應用；“銥星”（Iridium）星座已實現對低軌導航、導彈攔截效果評估等多類功能的承載；歐洲已經實現在高軌通信衛星搭載導航增強載荷，為用戶提供增強定位精度服務；一網第二代星座將有望通過搭載導航載荷，為英國政府提供自主的低軌全球衛星導航服務。

在高性能網絡通信的基礎上，多功能拓展需求更加迫切。美國Blackjack、“七層體系”等軍事星座，即采用基于太空云的智能網絡體系結構和操作系統，把衛星變為天基網絡節點和分布式計算節點，具備極高的自主智能功能，支持自主星座運控、智能任務籌劃、軌道云計算和融合處理、泛在低延時網絡傳輸等，將云網與天網相融合，推動航天體系形態向“云”端遷移，構建太空“網云化”的基礎設施。

激光星間鏈路成為軍商通信互聯的技術關鍵

多個主流商業低軌星座系統均提出發展星間鏈路能力。“星鏈”“一網”二代星座確定配置激光星間鏈路，“光速”星座計劃激光實現空間組網。美軍力推的NDSA、Blackjack星座將建成由上百顆衛星組成的天基網狀通信網絡，通用的激光鏈路是未來軍商多系統星間互聯的重要基礎。

SDA已向多家行業主流激光通信終端研制商授出合同，推動其分頭研發采用共同技術標準、可實現相互通信的低成本激光終端系統。而作為其承包商之一的德國激光技術公司（Mynaric），在開展此項任務的同時，還承擔了多個新興商業低軌寬帶星座的激光終端研制工作，部分運營商已確定將采用其為SDA研發的終端，這也將為未來軍、商衛星網絡實現星間互聯奠定技術上的可行性。

2021年9月，DARPA發布“天基自適應通信節點”（Space-BACN）項目計劃，旨在通過開發低成本、高速、可重配的激光通信終端，將多個不同的異構星座互連成為一個彈性的“空間層”，解決不同星座之間無法互操作、不同的政府衛星系統之間無法通信、政府衛星與商業衛星難以切換等問題，推動政府和商業衛星星座之間的互操作性。

同時，美軍積極推動激光鏈路在軌演示驗證。2021年6月，SDA和DARPA發射曼陀羅—2（Mandrake—2）和激光互聯與組網通信系統（LINCS）試驗載荷，分別用于開展星間激光通信鏈路和衛星-無人機激光通信在軌演示驗證。具體而言，Mandrake—2包括Mandrake—2A、2B共2顆衛星，由DARPA和美國空軍研究實驗室（AFRL）開發，搭載SA光學公司（SA Photonics）研制的光學星間鏈路有效載荷，為Blackjack項目演示驗證星間光學鏈路寬帶數據傳輸技術。LINCS包含2顆試驗衛星，由通用原子電磁系統分公司（GA-EMS）研制，任務是評估高數據速率激光通信終端。系統工作波長為1550nm，采用開關鍵控（OOK）技術，支持高達5Gbps的數據傳輸速率。衛星與MQ—9無人機機載終端連接，演示驗證衛星-無人機激光鏈路通信性能。

6 結語

2021年，在全球各行業信息化的需求牽引下，其系統部署、技術迭代、產業發展速度不斷加快，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。