全球空间信息基础设施的发展态势与我国卫星通信的发展思路

沈永言（中国卫通集团有限公司）

全球空间信息基础设施的发展态势与我国卫星通信的发展思路

Development of the Global Space Information Infrastructures and China's Satellite Communication

沈永言（中国卫通集团有限公司）

空间信息基础设施是利用空间资源，为广大用户提供通信、遥感、导航定位之类信息产品和服务的天地一体化设施，它由功能配套、持续稳定运行的空间卫星系统、地面系统及其关联系统组成。

卫星通信是空间信息基础设施中规模最大、产业化程度最高的部分。由于同样具有空间属性的缘故，卫星遥感、卫星导航的稳定运行和良好服务都要不同程度地依赖于卫星通信。2015年底，全球在轨运行卫星1311颗（不含5kg以下的小卫星），其中通信卫星705颗（军用123颗，民商用582颗）。全球卫星行业和卫星通信服务总产值分别为2083亿美元和1274亿美元。

近年来，我国空间信息基础设施建设取得了长足的进步，“北斗”、“高分”、Ka频段宽带卫星等都在迅猛发展，但与发达国家相比，我国的应用水平和产业规模还非常有限。因此，作为卫星通信系统的设施拥有者和服务提供者，卫星通信运营商需要准确把握全球空间信息基础设施的发展态势，认真总结卫星通信的发展思路，充分发挥在天地一体化信息基础设施中的纽带作用。

1 全球空间信息基础设施的发展态势

星座化覆盖

全球化发展必然要求信息基础设施的全球覆盖。相比于地面信息基础设施，空间信息基础设施，特别是基于星座技术的卫星网络，在覆盖和互通能力方面具有独特的优势。国际移动卫星－2～5（Inmarsat－2～5）、“全球星”（Globalstar）、“铱”卫星（Iridium）、“轨道通信”（Orbcomm），以及正在部署的“另外三十亿人”（O3b）、即将启动的一网公司（OneWeb）和太空探索技术公司（SpaceX）的卫星互联网，都是面向全球的星座通信系统。美国“全球定位系统”（GPS）、俄罗斯“全球导航卫星系统”（GLONASS）、正在建设之中的欧洲“伽利略”（Galileo）和我国的“北斗”，都是面向全球的星座导航定位系统。传统上，卫星遥感系统都是由单颗卫星构成，目前也在向星座化方向发展。截至2015年底，美国行星实验室公司（Planet Labs，现改为行星公司）陆续发射了143颗鸽群－1（Flock－1）立方体卫星（其中66颗已再入大气层并燃尽，6颗没有释放，34颗失败），它是全球首个业务化对地观测卫星遥感星座系统。美国天空盒子成像公司（Skybox Imaging）正在部署由24颗微小卫星组成的“天空卫星”（SkySat）系统，第一次将卫星遥感推向星座和连续视频观测时代。

空分化扩容

扩大容量是通信系统满足日益增长带宽需求的必然要求。对于卫星通信而言，开发新的频段，通过空分/多点波束提高频率利用率是扩大系统容量的2个基本途径。继L、S、C、Ku频段之后，Ka频段正在被大量使用，激光通信也在探索之中。继国际移动卫星－3和4、“全球星”、“铱”卫星、“亚洲蜂窝卫星”（ACeS）、“瑟拉亚”（Thuraya）等移动卫星通信系统之后，多点波束也被广泛应用，如“Ka频段卫星”（Ka-Sat）、卫讯卫星－1（Viasat－1）、木星－1（Jupiter－1）、国际移动卫星－5等新的高吞吐量卫星通信系统。丰富的频率加上20倍以上的频率利用率，使得系统容量得以百倍提高。轨位的有限性和Ka以上频段对于雨衰的敏感性，决定了空间分辨率和多点波束将越来越多地应用于常规频段卫星通信系统。事实上，“互联网协议星”（iPSTAR）用户段使用的就是Ku频段，而国际通信卫星公司的“史诗”（Epic）将在C、Ku频段通信卫星上应用多点波束，作为一种战略已经开始部署。

国际移动卫星－5在轨飞行示意图

激光化传输

微波频率资源总体上是有限的，其频率带宽上限为10GHz，而激光频段可用频率资源要比微波高3～5个数量级。自20世纪70年代以来，美国、欧洲、日本等国对卫星激光通信技术进行了全面深入的研究，目前已开发出多套卫星激光通信终端，完成多次在轨试验，技术基本成熟，主要应用领域是星间中继，以及深空通信、卫星与地面站之间骨干传输。其中，星间中继通信速率已达到5.8Gbit/s，月地通信速率将达到2.5Gbit/s。由于具有传输距离远、容量大、载荷小、功耗低、安全可靠等优点，激光通信被认为是未来卫星通信的最佳解决方案。美国激光通信公司（Laser Light Communications）已经开始规划建设由8颗卫星和48个地面站构成的全球天基激光通信网络，其卫星轨道高度为12000km，预计系统总容量达到6Tbit/s，下载速度为200Gbit/s，是当前微波连接速度的100倍。

小型化发展

卫星质量对卫星发射和服务业影响巨大。作为提高效率、降低成本和扩大应用范围的有效解决方案，小型化贯穿于卫星通信、导航、遥感等各个领域。20世纪90年代以来，小卫星星座通信系统开始受到各国关注。从2007年开始，全球星公司、铱卫星公司、轨道通信公司等陆续启动各自二代系统的研制，O3b公司、外联网公司（Outernet）、一网公司和太空探索技术公司等也纷纷进入。小卫星质量通常都在几百千克，如第二代“铱”卫星质量800kg，第二代“全球星”质量700kg，第二代“轨道通信”质量157kg，O3b卫星质量低于700kg，一网公司的卫星质量约200kg。2015年，全球共成功发射149颗500kg以下小卫星，占全球同期入轨航天器总数的63.14%，相较2014年162颗有所回落，这是近5年来全球小卫星发射数量首次下探，但整体仍保持历史较高发射水平。在这些小卫星当中，遥感卫星数量占很大比例，小型化趋势较为明显。例如，天空盒子成像公司发射的第二颗“天空卫星”与第一颗质量一样，都是91kg，而行星实验室公司发射的鸽群－1遥感卫星质量只有5kg。目前，各种小卫星技术层出不穷，如立方体卫星、智能手机卫星等都是新的热点。

多样化发射

经济有效的卫星发射方式是空间信息基础设施建设和运行的基本保障。卫星发射主要有火箭直接发射和在轨航天器二次释放两种方式。对于小卫星发射而言，“一箭多星”是目前主流方式。此外，可以重复使用的无人机发射也在开发之中。在标准化星箭接口等技术的驱动下，美国、欧洲、俄罗斯和印度都具备了“一箭多星”的发射能力。2013年，国外通过20次发射，成功将135颗小卫星送入太空，其中“一箭五星”及以上发射8次，共成功发射小卫星102颗。2014年，俄罗斯“第聂伯”（Dnepr）火箭成功完成“一箭三十八星”卫星发射，创造了“一箭多星”新纪录。2012年，空间站释放方式开始首次应用，美国安塔瑞斯－120（Antares－120）火箭在发射轨道科学公司（OSC，现已更名为轨道-ATK公司）的“天鹅座”（Cygnus）飞船时，将33颗小卫星发射到“国际空间站”，并随后从中释放。2013年，又新增了母子卫星释放和在轨分离等新兴方式。2014年2月11－28日，美国行星实验室公司通过“国际空间站”陆续释放了28颗鸽群－1卫星，全年全球通过空间站共释放67颗立方体卫星。2015年9月20日，我国新型运载火箭长征－6成功将20颗微小卫星送入太空，此次发射任务创造了中国航天“一箭多星”发射的最高纪录。

第二代“全球星”在轨飞行示意图

离子化推进

一直以来，卫星轨道转移和位置保持都是依靠化学推进系统，而化学推进系统占卫星总质量的40%，这就意味着较大的卫星发射成本、较小的卫星载荷以及较低的卫星性价比。新兴的电推进概念正在改变这一局面，其原理是先将气态工质电离，并在强电场作用下将离子加速喷出，通过反作用力推动卫星进行姿态调整或者轨道转移。2012年，波音公司（Boeing）率先提出全电推进卫星概念，其BSS－702SP全电推进平台一经推出即获得4颗卫星订单，从此引领了全球全电推进卫星的发展浪潮。近年来，全球主要卫星制造商纷纷推出了全电推进卫星研制和发射计划。与化学推进相比，电推进的比冲性能要高1个数量级，其主要优点是可以有效降低卫星发射质量、增加卫星有效载荷、延长卫星工作寿命、提高卫星性价比和卫星运营商的市场竞争力。

灵活化应用

传统通信卫星，特别是静止轨道卫星，投资巨大，一旦入轨，其技术状态基本就被固定，难以针对通信市场的不断变化做出动态的调整，从而给卫星运营商带来较大的经营压力。对此，近年来国外兴起了针对通信卫星灵活性的研究，主要以欧洲为代表。所谓卫星灵活性，是指卫星在轨服役期间，可以动态调整星上资源，以应对市场需求或企业商业模式的变化。卫星灵活性有7种形态，即轨道灵活性、覆盖灵活性、频率规划灵活性、发射功率灵活性、路由灵活性、波形及媒体接入控制层灵活性、交换层灵活性。卫星灵活性涉及数字波成形技术，以及行波管放大器和多端口放大器、数字半透明载荷、再生载荷等。目前，灵活卫星尚处于起步阶段，但它代表了卫星通信的必然发展方向。

分散化部署

为突破现有卫星体系架构在成本、研发周期、技术更新、抗毁能力等方面的局限性，美军提出“弹性”与“分散”概念，力图塑造全新的空间体系架构和发展模式。2013年8月，美国空军航天司令部发布《弹性与分散空间体系》白皮书，将“分散”确定为美军空间系统未来发展的战略之一，目的是改变当前高度集成的、以大型空间系统为主的发展模式。通过多种方式将原有系统分散成若干功能单一、规模更小、成本更低的综合卫星系统，以提高空间系统的抗毁能力和经济可承受性，增加技术更新的机会，提振航天工业基础。分散主要包括系统、功能、有效载荷、多轨和多域等5种方式，其中，系统分散是由多个以无线方式相互作用的模块提供单一系统的功能；功能分散是将一颗卫星上的多个载荷功能或多项任务分散到多颗卫星上；有效载荷分散是将一些有效载荷搭载在其他类型卫星上；多轨分散是利用多个轨道平面来提高弹性；多域分散是将能力分散于海、陆、空、天、网络多域，以相互冗余和备份。

关联化搭载

卫星通信、遥感和导航等系统之间的相互关联，可以提高卫星应用的集成度和效能。例如，卫星导航终端通过卫星移动通信系统来报告位置信息就是一种基本的关联，典型形式有GPS+“国际移动卫星”/“铱”卫星。高级形式的卫星关联是载荷搭载，例如，星基增强系统（SBAS）通过静止轨道通信卫星搭载卫星导航增强信号转发器，可以向用户播发星历误差、卫星钟差、电离层延迟等多种修正信息，以实现卫星导航系统定位精度的改进。第二代“铱”卫星计划搭载美军“集成全球定位系统”（iGPS）有效载荷，iGPS可将GPS定位精度由当前的米级提高到厘米级。第二代“铱”卫星还计划搭载广播式自动相关监视系统（ADS-B）和对地观测载荷，该监视系统能为飞机提供连续的全时空天基监视与控制。第二代“轨道通信”中增加了船只“自动识别系统”（AIS），用于海上资产的跟踪与管理。2014年5月，日本发射了先进陆地观测卫星－2（ALOS－2），该卫星除了搭载L频段合成孔径雷达（SAR）载荷，用于执行对地观测和海洋监视任务外，还携带一个船只“自动识别系统”实验系统，用于辨别合成孔径雷达系统所跟踪的船只。目前，欧盟“伽利略”系统计划在每颗卫星上搭载合成孔径雷达载荷，以提供搜索和救援服务。

第二代“铱”卫星在轨飞行示意图

商业化运作

在冷战结束、商业卫星服务能力提升的时代背景下，越来越多的国家通过军民共建、公私合营、商业容量采购、商业搭载等方式来获取军用卫星能力。2003年，英国首次将其军用通信卫星系统的采办、运管和经营全部交给私营公司负责，开创了军用通信卫星公私合营的先河。目前，商业卫星容量采购在美国和欧洲已经非常普遍。美国通过“未来商业卫星通信服务采购”（FCSA）计划，集中采购军方和政府所需的商业卫星容量。欧洲防务局（EDA）也开展了一项名为“欧洲卫星通信商业采购”（ESCPC）计划，在欧洲级别上汇集成员国对卫星通信的需求，统一进行商业卫星通信容量的采购，以产生规模经济效益。随着空间分辨率和时间分辨率方面的技术进步，商业对地观测卫星数据采购正成为响应国防和军事机构某些需求的重要方式。2014年3月，欧洲咨询公司（Euroconsult）报告表明，目前国防用户是最主要的对地观测卫星数据用户，来自国防的收入约占全球对地观测卫星数据总收入的65%。商业搭载的优点是大幅降低卫星研制和发射成本、缩短能力交付周期。2012年，国际通信卫星－22（Intelsat－22）成功发射，这颗商业卫星搭载了澳大利亚国防部的特高频（UHF）军用通信载荷，是首个业务化运行的军用通信载荷搭载商业卫星的实例。

放松化管制

近年来，各国政府对航天活动的管理日益放松，航天活动主体多元化趋势日渐显著，私营机构越来越多地在商业航天活动中参与竞争，有力地提高了商业航天的绩效。美国航天在商业化方面一直走在世界前列，20世纪80年代以前，美国航天活动基本为政府所主导。1988年，美国航天政策在军用航天和民用航天基础上增加了商用航天的内容。1990－2000年，美国政府逐步放松管制，促使美国商业航天步入蓬勃发展阶段，同时带动了一大批相关产业的发展。2000年以来，美国航天商业化进入提速阶段。2010版《美国航天政策》对于商业航天的鼓励更为激进，要求“积极探索采用有创造力的、非传统的安排来采购商业航天产品和服务”。GPS导航定位信息和高分辨率卫星遥感数据对商业市场的开放、允许商业公司参与航天运输和发射等，都是放松管制的具体举措。放松管制培育出了巨大的GPS产业，造就了天空盒子成像公司、一网公司、太空探索技术公司等一批高科技企业，加快了卫星应用商业模式创新和产业化进程。

国际化并购

卫星运营具有典型的规模经济特征，通过并购抢占国际市场、扩大经营规模、提高竞争实力，已成为卫星通信和遥感运营商的主要成长方式。2001年，欧洲卫星公司（SES）收购当时全球排名第6的美国通用电子卫星公司（GE），成为全球最大的卫星运营商。2003年，国际通信卫星公司（INTELSAT）收购劳拉天网公司（Loral Skynet）的北美系列卫星。2005年，国际通信卫星公司并购全球第4的泛美卫星公司（PAS），从而实现对欧洲卫星公司的超越，其卫星总数达到53颗。2005年底，欧洲卫星公司并购荷兰新蓝天卫星公司（New Skies）。2013年，欧洲通信卫星公司（EUTELSAT）收购墨西哥卫星公司（SATMEX），从而成为拉美地区的主要卫星通信运营商。目前，区域性卫星通信运营商也在加快并购步伐。2013年，阿拉伯卫星公司（ARABSAT）收购了希腊卫星公司（Hellas Sat）99.05%的股权，以期在2020年成为第5大全球卫星运营商。在卫星遥感领域，并购同样伴随着商业化进程。2013年，美国数字地球公司（DigitalGlobe）完成并购地球眼公司（GeoEye），从而成为世界上最大的商业遥感卫星公司。2014年，谷歌地球公司（Google Earth）以5亿美元收购天空盒子成像公司，以拓展高实时的卫星照片和视频业务能力，这是一种互联网公司对卫星遥感公司的跨界并购。

2 我国卫星通信的发展思路

发挥卫星通信运营商资源和能力优势，支撑国家空间信息基础设施建设和运营

卫星通信运营商通常拥有系列化的通信卫星轨位、平台和频率等空间资源，地点分散且具有良好的电力、通信、安全和电磁环境保障条件的地球站设施，以及专业的卫星测控、业务监测和设备系统维护队伍。基于这些资源和能力，卫星通信运营商可以与军队、政府、事业单位等用户开展卫星共建、网络合营、转发器租赁、转发器容量采购、载荷搭载、卫星测控、设备托管、系统运维等多种形式的合作，全面支撑我国空间信息基础设施的建设和运营。卫星通信轨位、频率等空间资源是不可或缺、不可再生的自然资源，具有长远的战略价值。卫星通信运营商在频率和轨位申请、保护、储备、以民掩军以及军用频率和轨位商业开发等方面，可以发挥重要的作用。

推进宽带接入和电视直播，服务民生建设和文化发展

Ka频段宽带通信是卫星通信的发展方向，而宽带接入和电视直播是Ka频段宽带卫星通信中事关民生建设和文化发展的两大应用，也是卫星通信产业化的两个重点。发展卫星宽带接入和电视直播应用是全面落实“宽带中国”战略、繁荣社会主义文化的重要保障，可以直接带动我国卫星通信和卫星产业的发展。近年来，我国宽带通信整体进步较快，但是城乡宽带普及率差距仍在继续扩大，边远地区仍然需要发挥Ka频段宽带卫星通信的独特优势来解决“最后一千米”接入和“数字鸿沟”问题。目前，全球卫星电视直播已进入高清、超高清和区域覆盖时代，大容量和多波束的Ka频段宽带通信卫星是最佳的解决方案。美国是卫星电视直播行业最为发达的国家，市场渗透率达30%以上，电视直播公司（DirecTV）一家就拥有约12颗直播卫星，其中，7颗Ka频段卫星用于高清、超高清和区域覆盖，用户总数近4000万户。我国类似需求也十分明显，目前，广电部门已基于中星－9普通直播卫星在宁夏等地区提供区域直播服务，这显然是最经济有效的方式。

开展天地一体综合服务，提高卫星应用经济和社会效益

卫星通信在天地一体信息基础设施中处于枢纽位置。天地一体化的卫星综合服务系统，在卫星遥感数据分发、卫星导航增强、宽带接入、IP中继、基站中继、新闻采集、机载/船载/车载“动中通”、企业联网、应急救灾、广播式自动相关监视系统、船只“自动识别系统”等领域，以及“一带一路”等国家战略中，都可以创造显著的经济和社会效益。发达国家在天地一体综合服务方面已进入较高的发展阶段，如国际通信卫星公司在全球各地拥有8个电信港和40多个接入点，将互联网协议/多协议标记交换（IP/ MPLS）网络、58000多千米光纤和卫星舰队整合成一个统一的天地一体网络—IntelsatOne，以满足宽带、中继、媒体等用户的端到端视频、话音和数据通信需求。光平方公司（LightSquared）等借助地面辅助组件（ATC）技术，实现卫星移动通信和地面移动通信有机融合，使得终端用户可以在辅助地面网络和天基网络之间进行无缝切换。从2008年开始，美国电视直播公司和美国电话电报公司（AT&T）开始合作，向各自用户提供卫星电视直播、宽带、住宅电话和无线话音四重服务。2014年，美国电话电报公司以485亿美元价格收购了电视直播公司。美国光盘网络公司（Dish Network）和卫讯卫星公司（ViaSat）也有类似的合作，英国天空广播公司（BskyB）也有类似的综合服务。相比之下，我国卫星天地一体综合服务的经济和社会效益还有较大提升空间。

把握兼并机会，实现卫星通信国际化和规模化经营

卫星通信长期的商业化开发和全球化竞争，使通过常规途径获取C、Ku等常用轨位和频段变得越来越困难，而一些国家在电信和卫星通信方面的限制政策，也为国外卫星通信运营商通过一般途径进入其市场设置了障碍。因此，并购就成为我国卫星通信运营商获取轨位和频率资源、开拓国际市场、实现跨越式和规模化发展的必由之路。目前，全球卫星通信运营服务产业同时呈现集中和分散两级分化现象。一方面，国际通信卫星公司、欧洲卫星公司、欧洲通信卫星公司这些巨头凭借强大实力，掌控越来越多的卫星资源和市场份额。另一方面，一些发展中国家也纷纷建立自己的卫星通信系统。因此，对于我国卫星通信运营商来讲，实施并购战略可谓挑战与机遇并存，需要在资本运营、国际化人才、全球化运营能力等方面做积极的准备。

跟踪星座互联网技术，适应信息服务全球化和立体化发展趋势

全球化、宽带化、星座化是卫星通信发展的必然趋势，互联网和“轨道革命”正在给卫星通信产业注入新的活力。在技术体制上，基于小卫星和星座技术的新一代卫星互联网与地面互联网完全兼容，可以无缝对接，使其具有商业、军事等多方面的应用价值，因而成为发达国家竞相追逐的目标。作为正在崛起的发展中国家，我国需要密切跟踪卫星互联网技术的发展进程，制定发展战略。其中，卫星通信运营商在市场研究、网络规划、运营策略等方面，都可以发挥重要的支撑作用。由于频率资源获取十分困难，星座系统投资和维护费用巨大，同时建设多套网络并不现实。一个可行的方式是，将互联网、物联网、广播式自动相关监视系统、船只“自动识别系统”、凝视等应用整合在一个平台之上，以达到经济和社会效益最大化。

开发激光、多点波束和灵活性技术，增强卫星通信的市场竞争力

尽管卫星通信具有独特的优势，在信息网络中具有不可或缺的地位，但是来自国际主流卫星通信运营商，特别是地面电信运营商，在性能、质量、价格、服务等方面的强大竞争是客观存在的。面对地面光纤和移动通信的迅猛发展，以及日益国际化的卫星通信市场，我国卫星通信行业必须加大技术和应用创新力度。在跟踪卫星激光通信发展趋势的同时，我国卫星通信运营商需要与卫星制造商密切合作，全方位地开展多点波束和卫星灵活性技术的研究和应用，尽可能提高轨位、频率、转发器等资源利用率，以提高我国卫星通信产业的市场竞争力。这不仅是卫星通信企业的需要，更是我国国家战略的需要。

3 结语

严格来讲，空间信息基础设施实际包含军民两大部分，本文没有刻意划分民用和军用，这是因为空间信息基础设施军民融合趋势越来越明显，如GPS和“北斗”是军为民用，而商用卫星通信和卫星遥感则大量为军所用。由于空间信息基础设施投资巨大，而卫星轨位和频率资源日渐稀缺，因此，军民融合已成为发达国家的共同战略。

空间信息基础设施对于我国这样一个国家利益正在全球化的大国来讲，其重要性不言而喻。《国家民用空间基础设施中长期发展规划（2015－2025）》的出台，为我国民用卫星通信、导航和遥感的发展提出了框架和方向。从全球空间信息基础设施的发展态势来看，我国空间信息基础设施各个方面都具有良好的发展基础和提升空间，卫星通信更是任重道远。对于我国卫星通信运营商来讲，准确把握全球空间信息基础设施的发展态势，认真总结卫星通信的发展思路，既是社会责任，也是商业机会。