国外地球静止轨道通信卫星2011-2015年发展概况及启示

韩慧鹏 刘波 佟金成 （中国空间技术研究院通信卫星事业部）



国外地球静止轨道通信卫星2011-2015年发展概况及启示

韩慧鹏 刘波 佟金成 （中国空间技术研究院通信卫星事业部）

目前，通信卫星已经成为在轨数量最多的航天器，各国已将通信卫星与经济发展、社会服务、军事国防等领域密切关联。从通信卫星分布的轨道来看，除美国和俄罗斯等少数国家或组织在低地球轨道（LEO）部署通信卫星外，通信卫星主要集中在地球静止轨道（GEO）。

2011-2015年，全球GEO通信卫星领域经历了长足的发展，主要表现为高吞吐量卫星、宽带移动通信卫星、高清电视直播卫星、全电推进卫星等多类卫星的发射，以及多种新型通信卫星有效载荷技术的应用。

1 研制单位能力

根据公开资料显示，近5年各国共发射GEO卫星150颗，研制单位主要集中在美国的劳拉空间系统公司（SS/L）、洛马公司（LM）、轨道科学公司（OSC，现已更名为轨道-阿连特技术系统公司）和波音公司（Boeing）、欧洲的泰雷兹-阿莱尼亚空间公司（TAS）和欧洲空客防务与航天公司（ADS）、俄罗斯的信息卫星系统-列舍特涅夫公司（ISS Reshetnev）、中国空间技术研究院（CAST）以及印度空间研究组织（ISRO）等单位。其中，中国空间技术研究院在2015年发射的GEO卫星数量仅次于波音公司，占全年发射总量的17.6%，亦是该单位在近5年的最高全球发射量占比。

根据统计，近5年通信卫星领域呈现如下特点：

1）劳拉空间系统公司的生产能力最强，近5年共发射26颗卫星，该公司在高功率通信卫星方面具有领先地位，与欧洲空客防务与航天公司均瞄准全球大中型卫星市场，凭借其LS-1300平台多年占据全球商业卫星市场1/4以上的份额。

2）洛马公司的业务以军用通信卫星为主，产品覆盖卫星固定通信（FSS）、卫星广播（BSS）、卫星移动通信（MSS）以及其他军事应用领域。近5年，洛马公司研制的4颗美国海军“移动用户目标系统”（MUOS）卫星和2颗“先进极高频”（AEHF）卫星均已成功发射。此外，洛马公司还为日本广播卫星系统公司（BSAT）和越南邮政与电信集团研制完成商业通信卫星。

3）波音公司在近5年共发射GEO通信卫星16颗，继续保持其传统的军用通信卫星系统研制的状态，为美军“跟踪与数据中继卫星”（TDRS）系统和“宽带全球卫星通信”（WGS）系统的主承包方。波音公司研制的国际移动卫星-5系列（Inmarsat-5F）卫星在2015年已完成组网，构建了全球首个卫星宽带移动通信网络。

2011-2015年全球发射GEO卫星情况1）

4）分析泰雷兹-阿莱尼亚空间公司在近5年发射的各类卫星可知，其研制的卫星主要分布在中、低轨道，其业务以通信卫星星座为主，并通过出口卫星有效载荷设备获得丰厚的收益。目前三大通信卫星星座［“全球星”（Globalstar）第二代星座、“铱”（Iridium）第二代星座和“其他三十亿人”（O3b）星座］均由泰雷兹-阿莱尼亚空间公司承建。

5） 信息卫星系统-列舍特涅夫公司是俄罗斯最大的卫星生产企业，产品包括通信、中继、导航和地球探测等50种航天器，其通信卫星覆盖商业卫星和军用卫星，尤其是承研了俄罗斯国内绝大部分军用通信卫星。

6）为均衡生产能力，各研制单位加强合作和外包模式，例如泰雷兹-阿莱尼亚空间公司与信息卫星系统 列舍特涅夫公司在近5年签订合作协议，计划研发新型高功率通信卫星平台（超过12kW），同时研发卫星有效载荷元器件或功能组件，并具备通信卫星和有效载荷的总装、集成、测试能力。

7）仅从发射数量来看，近5年在GEO卫星领域已形成3个梯队：第一梯队发射数量在20颗（含）以上，包括劳拉空间系统公司、欧洲空客防务与航天公司和信息卫星系统 列舍特涅夫公司，该梯队发射卫星数量共占全部发射卫星的44.6%；第二梯队发射数量在10颗（含）以上，包括波音公司、中国空间技术研究院、轨道科学公司和泰雷兹 阿莱尼亚空间公司，该梯队发射卫星数量共占全部的36.1%；第三梯队发射数量在10颗以下，以洛马公司和印度空间研究组织为代表。此外，各单位通过平台与载荷合作、轨位合作、技术服务与运营合作等多种模式，有力地促进了通信卫星领域的专业分工和快速发展。

2 通信卫星技术现状

高吞吐量通信卫星

2011年10月19日发射的由劳拉空间系统公司研制的卫讯-1（Viasat-1）卫星是近5年高吞吐量通信卫星的代表，单星拥有56台Ka频段转发器，总数据吞吐量可达140Gbit/s，比当年北美地区上空其他所有商用通信卫星的总容量还大，该容量是休斯网络系统公司2007年8月发射的首颗全Ka频段宽带通信卫星太空之路-3（Spaceway-3）总容量的14倍。卫讯-1卫星采用了Ka频段72个点波束和频分复用等技术，使卫星总容量在Ka频段达到最大限度，上传最大速率4Mbit/s，下载最大速率可达10Mbit/s。2013 年3月，美国卫讯公司（Viasat）演示了该卫星为直升机提供超视距、高性能、宽带通信服务，直升机可与地面站点或直升机之间建立4Mbit/s或8Mbit/s的数据传输链路，且不受振动、冲击、螺旋桨的固有重复信号阻塞等影响。

卫讯-1卫星在轨示意图

宽带移动通信卫星

由国际移动卫星公司（INMARSAT）构建的首个全球卫星宽带移动通信网络“全球快讯”（Global Xpress）初步建成，该网络由4颗波音公司研制的国际移动卫星公司第五代宽带移动通信卫星构成，其中包括3颗工作星和1颗在轨备份星（该星预计2016年发射），各卫星均采用波音卫星系统-702HP（BSS-702HP）平台。3颗工作星分别部署在太平洋、大西洋和印度洋上空，提供高分辨率视频、音频和数据通信服务，可为商业用户（能源、海事、航空等）、政府部门、军事机构提供速率高达50Mbit/s的高速移动宽带服务。卫星采用透明转发体制，通过6副Ka频段固定波束天线（4副接收天线，2副发射天线）实现全球覆盖；使用6副Ka频段可动点波束天线来提高通信容量；采用2副馈线波束天线形成89个点波束（最多72个波束同时工作），实现除南北两极以外的全球覆盖。此外，“全球快讯”网络可提供军用通信业务，用于补充美国“宽带全球卫星通信”卫星系统在某些地区或特定区域覆盖容量不足的问题。

高清电视直播卫星

近5年由美国直播卫星公司（DirecTV）构建的2颗专用于高清电视传输的直播卫星-14、15 （DirecTV-14、15）发射升空。直播卫星-14由劳拉空间系统公司研制，于2014年12月6日成功发射，卫星采用LS-1300平台，Ka频段有效载荷，并安装了最新研发的反向频率载荷，该反向载荷将当前的上行频率用于下行传输，而下行频率则用于上行到卫星，即使用原上行频率来直播电视信号，故此技术可获得更宽带宽。为了避免因使用反向频率载荷对原频率载荷的干扰，需要使用高度聚焦型天线。直播卫星-15卫星由欧洲空客防务与航天公司研制，于2015年5月27日成功发射，卫星采用欧洲星-3000（Eurostar-3000）平台，有效载荷包括30台Ku频段转发器、24台Ka频段转发器和18台发向直播转发器，该卫星将与直播卫星-14卫星一起提升直播卫星公司4K高清电视转播能力。

“宽带全球卫星通信”卫星在轨状态

美国“新军三星”简介

美国通信系列“新军三星”

2011-2015年间，美国军方GEO通信系列的“新军三星”，即宽带类型的“宽带全球卫星通信”、窄带类型的“移动用户目标系统”和防护型的“先进极高频”系统全面开始在轨部署，并完成初步的组网任务，预计到2020年将实现10颗“宽带全球卫星通信”卫星、5颗“移动用户目标系统”卫星和6颗“先进极高频”卫星在轨服役。

（1）“宽带全球卫星通信”卫星

当前美军宽带数据传输业务主要由“宽带全球卫星通信”卫星通信系统承担，单颗“宽带全球卫星通信”卫星的通信容量是“国防卫星通信系统”（DSCS）的10倍，可实现X频段直通、Ka频段直通、X/Ka交联和Ka/X交联的战术宽带通信及全球广播业务。“宽带全球卫星通信”卫星将“国防卫星通信系统”卫星和“全球广播系统”（GBS）的功能合二为一，用X频段直通宽带通信业务来替代“国防卫星通信系统”双向通信业务；用Ka频段通信代替由“特高频后继星”（UFO）提供的全球广播业务；另外，提供Ka频段高容量双向通信有效载荷的能力，提供作战人员的移动通信。

（2）“移动用户目标系统”卫星

“移动用户目标系统”卫星的亮点在于使用了全新的星地3G通信体制“宽带码分多址”（WCDMA），其数据传输能力是“特高频轨道”（UFO）卫星系统的16倍，并可通过国防信息系统网络实现全球连接。同时“移动用户目标系统”卫星还搭载了完全兼容UFO系统终端的继承载荷。“移动用户目标系统”卫星具有Ka-UHF前向链路和UHFKa返向链路；地面站与卫星通信使用Ka频段，WCDMA地面终端与卫星通信使用UHF频段；各地面用户终端之间采用“M”型双跳方式通信，各卫星覆盖区之间的数据通过地面站间的光缆进行传输。

整个“移动用户目标系统”空间段由4颗在轨工作星组成。地面段包括4个无线接入站、2个交换/网管站和2个卫星控制站，地面段的主要作用是控制卫星、传输和管理用户话音和数据业务，集成至国防交换网和国防信息系统网。

（3）“先进极高频”卫星

“先进极高频”卫星在轨飞行示意图

“先进极高频”卫星是美国“军事星”（Milstar）通信系统的后续星，增加了高数据率载荷（XDR，最大8.192Mbit/s）和极高频段（Q频段，43.5～45.5GHz）相控阵天线。“先进极高频”卫星的点波束更窄，功率更高，提高了通信的可靠性和数据率，极大减低了敌方侦听和干扰的可能性，并且提高了卫星“动中通”的能力。其有效载荷在Milstar-2卫星低数据率载荷（LDR）和中数据率载荷（MDR）的基础上，增加了高数据率载荷，单星通信总容量提高了10倍，达到430Mbit/s。“先进极高频”卫星增强了路由选择，根据用户优先级别来提供点对点通信以及网络服务，通过星间通信实现全球服务，并有非常强的战场生存能力，减小了对地面支持系统的依赖程度，即便在地面控制站被破坏后，整个系统仍能自主工作半年以上。每颗星具有2条星间链路（V频段，60GHz，双向），星间通信速率可达60Mbit/s。

全电推进卫星

2015年3月2日，以波音公司研制的BSS-702SP平台为代表的世界首批全电推进卫星发射入轨，包括亚洲广播卫星公司（ABS）运营的亚洲广播卫星公司-3A（ABS-3A）卫星和欧洲通信卫星公司（EUTELSAT）运营的欧洲通信卫星公司-115WB （Eutelsat-115WB）卫星，这两颗GEO卫星采用一箭双星方式发射。

BSS-702SP平台最大特点是采用8台氙离子推力器实现变轨和位保等任务，取消了传统的化学推进系统，有效降低了平台质量。此外，该平台还采用了新一代综合电子系统构架，简化了数据管理并增强了卫星健康管理能力。该平台横向尺寸2134mm，高度4572mm；可承载47台转发器，可为有效载荷提供3～8kW电能；卫星设计寿命15年。

BSS-702SP平台配置的8台氙离子推力器中，4台安装在背地面的南北侧，另外4台分布在背地面的4个角点上。其推力器有两种工作模式：①高功率模式，功耗4500W、推力165mN、比冲3500s、总效率65%；②低功率模式，功耗2300W、推力79mN、比冲3400s、总效率63%。根据702SP平台的供电能力，变轨过程采用高功率模式，共有2台推力器工作，功率9kW，最大推力330mN；位保过程只使用1台推力器，工作在低功率模式。

卫星激光通信

近年来各国实施了多项空间激光通信研究，以美国航空航天局（NASA）为代表的科研机构在“国际空间站”、月球探测器和卫星上进行太空与地面间的激光通信技术试验，目标是使未来航天器的通信传输速率提高10～100倍，达到现有地面光纤网的水平。

2010年，喷气推进实验室（JPL）和麻省理工学院（MIT）林肯实验室进行首次地球到火星的激光通信演示试验（MLCD），来测试深空激光链路，其通信速度将是现有微波通信速率的10倍以上。从2012年起NASA开展“激光通信中继演示验证”（LCRD）项目，计划于2017年搭载劳拉空间系统公司研制的GEO卫星进行试验，采用激光相干通信方式，实现上下行2.88Gbit/s的通信速率。2013年10月，美国首次完成了绕月卫星激光通信演示试验（LLCD），成功实现上行20Mbit/s、下行622Mbit/s的激光通信速率。绕月卫星激光通信演示试验是激光通信演示试验项目的前奏，用以验证相关技术。2014年6月，NASA首次通过激光方式以50Mbit/s的下行速率，用时3.5s从“国际空间站”成功向地面发送长达30s的高清视频，若采用传统的微波方式则需10min以上的时间。

此外，在“哥白尼”计划中Gbit/s量级星间激光链路试验取得成功后，欧洲航天局和空客防务与航天公司于2015年初继续推进“欧洲数据中继系统”（EDRS）的建设，该项目星间激光终端数据传输率可达1.8Gbit/s，星地链路则采用Ka频段转发器以克服大气影响。2015年法国和日本通过日本某颗近地轨道卫星上的激光终端与法国科索尔天文台进行了多次星地激光链路试验，以获取激光束穿越大气层的传播特性数据。

3 通信卫星发展趋势及启示

“高吞吐量卫星”系统

高吞吐量通信卫星的兴起，源于高速上网、视频服务、移动宽带、移动网络回传等大带宽需求业务，即带宽需求是刺激高吞吐量通信卫星出现的根本原因，对运营商而言，高吞吐量通信卫星数倍于传统通信卫星容量的特点，极大地改变了卫星购置的成本结构，可以使得运营商提供卫星宽带服务的成本下降，这对新兴的运营商挑战经营传统载荷的运营商带来极大的优势。

在高吞吐量通信卫星需求的驱动下，宽带大容量通信卫星在系统技术体制、卫星系统规模、覆盖区域、工作频段、支持平台和有效载荷灵活性等方面均涌现出创新。继卫讯-1卫星之后，美国卫讯公司相继与波音公司签署了建造1颗卫讯-2卫星和3颗卫讯-3卫星的协议。除覆盖区加大外，卫讯-2卫星的通信容量相当于卫讯-1的2倍以上，据称其有效载荷设计方案中采用波音公司和卫讯公司的专利技术，将抛弃传统的Ka频段多点波束理念，使之与卫讯-1卫星的设计全然不同。单颗卫讯-3卫星的通信容量可达1Tbit/s（即1000Gbit/s），是卫讯-2卫星容量的3倍，将来可为美洲、欧洲、中东、亚洲和非洲等地区用户提供100Mbit/s的接入服务。此外，2015年10月，欧洲通信卫星公司与泰雷兹-阿莱尼亚空间公司签署协议订购第一颗基于空间客车-Neo （Spacebus-Neo）平台的新型高吞吐量通信卫星，将为非洲等地区用户提供宽带服务。

鉴于高吞吐量通信卫星系统的急速发展，对通信卫星领域的启示是应加快超大容量宽带通信卫星系统的发展，重点研发适应于高吞吐量通信卫星系统的新型卫星有效载荷技术，突破传统的多个点波束配合频分复用的模式，逐步实现单星总容量达Tbit/s量级的高吞吐量通信卫星，同时还需要发展新一代不低于4K的超清电视上星宽带直播技术，通过技术创新提升具有自主知识产权的高吞吐量通信卫星的竞争力。

移动通信卫星系统

近5年，初步构建了以美军窄带“移动用户目标系统”（UHF频段）和国际移动卫星公司宽带“全球快讯”卫星系统（Ka频段）为代表的GEO全球移动通信卫星系统。据欧洲咨询公司（Euroconsult）发布的移动通信卫星市场预测报告称，到2024年卫星移动通信终端数量将达到680万台（不包括国际移动卫星公司Ka频段的“全球快讯”服务），保持年均7%的增长速度。尤其是随着L频段大量创新产品和应用业务的不断涌现，以及新一代移动通信卫星系统星座的部署，将促使卫星移动通信领域出现巨大变革，竞争也将向卫星固定通信领域拓展。

微小卫星呈现井喷式发展，尤其是2014年以来，低轨宽带通信卫星星座计划再次兴起，以“一网”（OneWeb）项目和“太空探索技术”（SpaceX）项目为代表，这2个项目在2015年已成功融资15亿美元。微小卫星凭借成本低、制造快、发射快、及时补充受损卫星、有效载荷灵活多样等优势，将来可能会对以GEO大卫星为主体的通信卫星系统造成一定的冲击。

鉴于国家利益全球化拓展和国防信息安全方面的需求，参考国外已经构建的UHF频段和Ka频段“全球移动通信卫星”系统，应从星地一体化设计角度设计符合我国自身需求的GEO“全球移动通信卫星”系统。结合我国经济社会的发展需求，建设“全球移动通信卫星”系统时应覆盖“一带一路”地区，使该系统能为此地区提供宽带大容量的卫星通信接入服务。例如老挝和土库曼斯坦均拥有了本国首颗通信卫星，老挝-1卫星由中国空间技术研究院负责研制，采用东方红-4S平台，应用综合电子技术、锂离子电池技术等先进技术，首创了天地一体化设计结合商业运营模式理念。

“移动用户目标系统”覆盖示意图

“电推进高承载比”卫星

电推进技术具有延长卫星使用寿命、降低成本、提高卫星姿态控制精度等优势，可深度改变未来通信卫星的状态。电推进技术具有比冲高的特点，可节约推进剂，从而增加航天器的有效载荷或者增加推进剂携带量以延长卫星寿命，这就使推进剂不再是寿命的主要约束条件。随着卫星寿命的延长，可为运营商带来更多的利润，从而提高了卫星研制和运营的投入产出比。电推进用于姿态控制时，产生的冲击力较小，可以有效降低整星姿态扰动，可提高卫星在轨运行期间的姿态控制精度。

在美国先进极高频-1卫星事件之后，业界提出的全电推进GEO卫星平台极大地推动了电推进技术的发展。目前国外有6家单位正在进行全电推进卫星平台的研究，分别是美国的波音公司、劳拉空间系统公司、洛马公司，俄罗斯的信息卫星系统-列舍特涅夫公司，欧洲的泰雷兹-阿莱尼亚空间公司和布莱梅轨道高科技系统股份公司（OHB）。

未来电推进技术的发展侧重于小功率至大功率电推进技术的型谱化发展，以满足宇航任务多样化的需求。小功率电推进技术可用于满足超静卫星平台的需要，从而满足带有大型可展开天线的GEO移动通信卫星对指向精度高的要求。而大功率电推进技术依靠其高比冲的优势，可满足大型通信卫星在转移轨道的需要。

新型卫星有效载荷技术

近5年，欧洲极力推进通信卫星灵活有效载荷技术的发展，灵活有效载荷基于软件无线电和认知无线电技术，可在波束覆盖、带宽分配、功率调配和频率配置等方面实现在轨调节，从而提高通信卫星的灵活性和适应性，还可以改变通信卫星的方案设计和使用策略。欧洲通信卫星公司与欧洲航天局已于2015年7月签订研制合同，将在“欧洲量子卫星”上采用全软件定义的灵活有效载荷技术，将实现Ku频段收发覆盖完全电子综合，可使用户获得通过覆盖区调整、功率调配和频率带宽调节等新技术获得额外通信容量。

面对日益拥挤的卫星通信频率资源，新型的反向频率载荷（即上下行频率与现有频率计划相反）已经在美国直播卫星-14上使用，未来通信卫星的工作频段已经逐步由Ka频段向更高频段提升，例如美国“先进极高频”系列卫星上使用了EHF接收相控阵天线，工作频率在44GHz；星间链路使用V频段（60GHz），单向速率高达60Mbit/s。随着Ka频段逐步饱和，未来在Q/V频段（40～50GHz）、W频段（76～110GHz）、甚至THz频段（0.1～10THz）丰富的宽带资源可满足超大容量卫星通信和高速数据传输的需求。但目前这些频段相应的星载有效载荷技术仍是发展瓶颈，例如星载高功率放大技术、空间功率合成技术、高线性度调制解调技术、高速基带信号并行处理技术等。

未来在设计通信卫星系统时，须考虑与新型通信体制（3G、4G或5G体制）升级适应性以及前向兼容性问题，如“移动用户目标系统”首次实现了星地3G通信。在空间激光通信方面，美国“激光通信中继演示验证”激光载荷将于2017年发射至GEO卫星进行高速超宽带通信试验，激光凭借其超高的通信容量，适用于构件骨干星间传输网络。

近年来，星载多波束天线技术已成为关注焦点：①单颗“移动用户目标系统”卫星在UHF频段通过1副天线形成16个子波束；②单颗国际移动卫星-5在Ka频段通过2组网状喇叭馈源阵形成89个子波束；③波音公司研制的墨西哥卫星-2采用22m口径的网状可展开天线，实现L频段122个子波束；④美军先进极高频卫星相控阵天线技术。多波束天线技术是实现便携式移动终端与卫星通信的重要途径，未来需要突破波束形成技术（包括星载波束形成技术和地基波束形成技术），为高速卫星通信提供支持。

军用通信卫星

目前，国外军用通信卫星朝着业务范围广、通信容量大、生存能力强的方向发展。业务范围已从单一的电话电报扩展至传输遥感图像和侦察照片等的数据和图像的传输，相应的通信容量已提高数十倍甚至上百倍，而且未来抗打击、抗干扰的通信卫星将采用星间链路、高速率载荷等技术。

对于某些具有高度保密要求的卫星军用通信业务，须研发新型的EHF（含Q、V、W等频段）和THz频段微波星间通信载荷以及星间激光通信载荷，由于受到大气层对地面干扰或窃听的“屏蔽”，可有助于实现该目标。但最理想的保密通信方式则是量子通信，随着星载量子通信技术的发展，量子通信卫星在军用通信卫星领域将具有光明的发展前景。

面对军用通信卫星开发成本较高的问题，美国与欧洲多数军用卫星通信业务采取租用商业卫星信道结合国防安全专用卫星信道的方式，既确保了国防卫星通信的安全性，又节约了军用通信卫星研发和部署的成本。例如，美国军方租用“全球快讯”网络来补充宽带全球通信卫星系统在某些地区或特定区域覆盖容量不足的问题。而新兴航天国家（如墨西哥和巴西等）则提倡“政府为主建设、军民商共用”的通信卫星发展模式。

4 结束语

本文分析了近5年各通信卫星研制单位的生产能力，对比了GEO卫星领域3个梯队的特点，梳理了典型卫星的技术现状，分析研究认为未来通信卫星发展的趋势将会向“高吞吐量通信卫星”系统、“移动通信卫星”系统、“电推进高承载比”卫星、各种新型卫星有效载荷技术等方面深入发展。通过以上研究分析，以期能对我国通信卫星的发展和研制提供参考。

Development and Inspiration of 2011-2015 Foreign GEO Communications Satellites