全球通信卫星领域发展态势研判

■张祎莲 李博（北京空间科技信息研究所）

1 总体态势

卫星通信行业处于转型阵痛期，行业收入亟待“触底反弹’

轨道革命加速进入新周期，新航天引领产业格局变迁

提速降费成为行业新常态，高低轨市场竞争愈发激烈

2 高轨态势

高通量卫星性能加速演进，下一代VHTS 系统蓄势待发

自2005 年“互联网协议星”（Ipstar）系列卫星推出以来，高通量卫星正式步入市场，基于多点波束、频率复用以及高频段通信等技术，通信卫星容量从单星数Gbit/s 已快速演进至数百Gbit/s。在新兴卫星的设计上，载荷的处理能力不断增强，星载数字透明处理器（DTP）处理带宽实现百倍增长。2021年10 月24 日部署的SES-17 卫星基于泰雷兹-阿莱尼亚空间公司（TAS）第五代DTP，处理带宽达200GHz，配备200 个点波束，单条链路最大传输速率2Gbit/s，单星容量推测超过300Gbit/s。

受疫情导致的进度延误影响，最新一代甚高通量卫星（VHTS）计划于近两年集中发射，2022 年将成“VHTS 元年”。2022 年9 月6 日，欧洲最大的GEO 通信卫星“欧卫通连通甚高通量”（Eutelsat Konnect VHTS）成功发射，单星容量约500Gbit/s；Jupiter-3（单星容量500Gbit/s）、Viasat-3（共3颗，单星容量可达到Tbit/s 级别）、O3b mPower（目前共订购11 颗，前7 颗总容量达10Tbit/s）等多颗高通量卫星计划于2022/2023 年入轨，预计2022 年内GEO 入轨卫星总容量有望突破4Tbit/s，超过历史入轨的GEO 卫星容量总和（约3Tbit/s），正式开启VHTS 时代。

此外，随着卫星的性能不断增强，成本优势也更加凸显，单位带宽的服务成本大幅降低，根据欧洲咨询公司预测，容量大于500Gbit/s 的VHTS 系统每月单位带宽成本较早期的HTS 系统下降一个数量级。

卫星灵活性引领技术新趋向，满足市场更多元化需求

通过卫星的灵活性设计提升资源利用效率，也成为高通量卫星的重要性能演进方向，主要具有如下3 点技术特点：一是可调波束，实现覆盖范围动态优化调整；二是数字处理，采用数字信道化器等实现网络连接的灵活性；三是功率/频率配置，实现更高效率的系统容量供给能力。

随着2021 年7 月“ 欧洲量子”（Eutelsat Quantum）卫星的成功发射，“完全软件定义”的卫星概念也从理论走向现实。目前来看，各类运营商均增大了对载荷灵活性的需求，根据特定应用场景，灵活性设计程度不一。但从市场预期看，传统的透明转发卫星将以-14.6%的年均增速快速下降，具备全灵活功能的卫星数量将以78.2%的年均增速快速增长，推测至2030 年具备灵活功能的卫星占比将达98%。

高轨整星级软件定义产品推出，冲击产业发展格局

采用参数可调的单机与功能部件，有效载荷的标准化设计和卫星平台的模块化设计使得卫星的批量化生产成为可能。按照固定规格批产高轨整星，卫星入轨后再由用户动态调整配置，以此实现差异化任务功能。具备对需求变化快速的响应能力、对服务应用快速的适应升级，拓展更多的容量租赁模式，越来越成为运营商之间角力的关键所在。

在此基础上，考虑到进一步提高卫星的综合性价比（容量、时间、成本效益）和可用性的发展需求，灵活的中小型GEO-HTS 卫星开始加速进入市场。3家国外主流运营商已提早布局，推出下一代GEO 整星级灵活通信卫星产品线，如空客公司的“一星”（OneSat）系列卫星质量约3t，可生成数千个数字点波束，具备在轨100%可重构能力，能根据用户需求变化瞬时（毫秒级）调整容量分配策略，为热点目标区域集中提供数Gbit/s 的容量；泰雷兹-阿莱尼亚空间公司的“太空灵感”（Space Inspire）系列卫星质量约2t，同样具备在轨灵活重构能力，使用第六代DTP，单星容量100～200Gbit/s；波音公司基于O3b mPower 卫星推出的BSS-702X 平台也可适用于GEO 卫星，单星质量约1.9t，采用电子扫描相控阵天线，支持生成超过4000 个数字点波束，波束形状、位置同样均可变可调。

高轨卫星技术发展出现分水岭，极致性能与高性价比呈两种发展趋势

为了进一步追求单星性能极致，具备超大容量、精细设计和严格测试要求的通信卫星成为了行业的发展方向之一，引导GEO 通信卫星“越做越大”。国际移动卫星公司规划的第六代Inmarsat-6 系统是“全球有史以来设计最精细、制造最精巧、测试最复杂的通信卫星”，星上载有L 频段（支持ELERA服务）和Ka 频段（支持Global Xpress 服务）双载荷，单星容量比整个Inmarsat-4 在轨系统容量还超过50%，首颗卫星已于2021 年12 月22 日发射。

与之相对应的是，以高性价比为牵引，聚焦够用的容量、快速的设计、优化的测试，同样促成了GEO 卫星的另一种发展趋势——小型化趋势。除了上文提到的3 家主流运营商的GEO 整星级灵活产品线，多家初创公司也以小型GEO 通信卫星为市场切入点，意图瞄准对覆盖范围和性能要求较低的新兴地区用户，填补频率、容量等资源需求空隙，降低市场准入门槛。如阿斯特拉尼斯（Astranis）公司推出了“微型静止轨道卫星”（MicroGEO），单星质量300～400kg，容量10Gbit/s，功率2kW；土星卫星网络公司（SSN/Saturn）也推出了“国家星”（Nationsat），单星质量600～1700kg，容量20～80Gbit/s，功率2.5kW。

3 低轨态势

低轨竞争激化、格局复杂，两大星座引领建设

2019 年以来，低轨商业通信星座的部署迈入高峰期，国际竞争形势愈发复杂，美、俄、欧、中、加、日、印加速入场布局，除美、俄、中、加为本国独自发展之外，其他均为多国联合投资建设。值得关注的是，俄罗斯“球体”（Sfera）星座、欧盟主权宽带卫星星座、日本“空间集成计算机网络”等系统在规划中采用混合方案，纳入高/中/低轨多功能卫星，Inmarsat、欧洲卫星公司（SES）、加拿大电信卫星公司（Telesat）等运营商也规划了多轨星座融合方案，意图最大化复用资产，构建立体化网络。

现有的低轨星座以“星链”“一网”两大系统为引领，“群雄逐鹿”抢占市场先发位置和频轨资源的态势凸显。目前，“星链”“一网”已事实性占据Ku 频段资源；Ka 频段中轨O3b 系统优先，“光速”（Lightspeed）星座缩减规模，推迟建设；Q/V 频段储备阶段，存在较大可利用空间。

典型星座分析：“星链”占据事实性优势地位

（1）星座研产与进度预期分析

“星链”星座建设步伐已实质性领先全球，发射频次从2019 年的1 年2 发，快速增长至2022 年的平均每周（约6.2 天）1 发，2022 年5 月实现峰值5天3 发。

“星链”系统目前共规划2 期3 阶段，现今仍在推进第一期一阶段星座建设工作，已于2021 年完成550km 壳层1 的部署，截至2022 年10 月22 日，累计部署3505 颗卫星，在轨3229 颗，其中到达预定轨道并正常工作的卫星数量为2731 颗。2022 年2 月，美国太空探索技术公司（SpaceX）官方声明指出其工厂交付速度已突破45 颗/周，按此进度计算预计能够按期完成第一期1.2 万颗卫星的里程碑节点。

（2）设计方案与卫星能力加快迭代演进

“星链”星座的建设思路是前期放开试错空间（以部分质量损失换效率/成本），大量采用商业现货（COTS）器件、密集实现单月N 发，整流罩空间用到极限，“多、快、够”地建设星座，以期在第一时间抢市场。“星链”卫星设计历经3 次重大方案修改，体现出“边建、边试、边用、边优化”的螺旋迭代创新建设思路。“星链”目前的v1.5 型卫星单星尺寸3.1m×1.5m×0.25m，质量约290kg，容量约20Gbit/s；“星链”v2.0 卫星则将实现更强的通信能力，单星长度（太阳翼未展开）约7m，质量1～1.25t，容量约200Gbit/s。

“星链”星座规划情况

2022 年8 月19 日，SpaceX 公司宣布重新将猎鹰-9 纳入“星链”v2.0 发射计划，“星链”v2.0 卫星将使用“星舰”（Starship）和猎鹰—9（Falcon-9）火箭混合发射。其中，对于LEO 轨道而言，“星舰”运力超100t，卫星在发射后几周就能投入运营；猎鹰-9 火箭运力则为23t，卫星在发射后几个月才能投入运营。对“星舰”发射方式进行估算，单次发射可部署80～100 颗“星链”v2.0 卫星，但考虑实际整流罩内空间，按照单星收拢尺寸7m×1.5m×0.3m，并排2 颗推算，能够支持约52～60 颗卫星，而官方视频则显示54 颗，照此进度推算，30000 颗“星链”二期卫星（如果获批）需要556 发“星舰”任务才能打完。

（3）加快全球市场拓展和新业务布局

地面系统方面，现阶段“星链”卫星尚未实际开启星间链路功能，必须依靠全球地面段信关站网络，实现星上业务流、数据流与地面网转接。目前，“星链”系统已在全球建设158 个地面信关站（以美欧地区为主），并与微软和谷歌开展地面云服务合作。

市场推广方面，“星链”已在全球超36 个国家/地区提供服务，实际用户规模超50 万，亚太地区正在加紧布局，计划2023 年起在全球大部分地区启动服务。

业务拓展方面，2022 年6 月30 日，SpaceX公司获得了FCC 的许可，可以在移动工具（包括船只、飞机和车辆等）上提供“星链”服务。目前，SpaceX 公司已发布了“海事星链”（Starlink Maritime）服务，将向皇家加勒比集团提供服务，并推出“扁平高性能”海事终端；机载服务方面，SpaceX 公司也已与JSX、夏威夷航空公司等用户达成合作协议。“星链”业务的快速拓展可能会对现有的市场主导者（O3b、Inmarsat 等）构成一定的威胁。

星间组网优势需理性看待

作为推动空间组网优化的关键技术，激光星间链路（OISL）虽非商业系统的必选项，但目前来看，“星链”v1.5 卫星已规模化部署4 部激光通信终端（OCT，应为SpaceX 公司自研终端），“一网”二代、Telesat 公司“光速”、亚马逊公司“柯伊伯”（Kuiper）系统也计划配置相应能力，10Gbit/s 星间传输能力成为标配，远景目标将达到100Gbit/s。然而，对于宽带星座而言，星间链路传输带宽（10Gbit/s）低于星地用户链路（如“星链”容量已达20Gbit/s），容易出现网络堵塞，且异轨道面稳定星间链路技术难度较大，有待进一步发展；同时，主流终端单部价格约50 万美元，若单星部署2～4 部，一期星座将共计部署上万部星间链路终端，成本问题仍有待进一步评估。

拓展应用服务模式，冲击军事航天系统理念、形态与途径

新兴低轨星座的快速发展，诱发了美军未来航天装备体系新的转变，多功能、多属性集成式新体系架构，正处于快速探索、试验阶段。2018 年，美国防高级研究计划局（DARPA）发起了“黑杰克”（Blackjack）低轨多功能演示验证系统；2019 年，美国太空发展局（SDA）提出下一代“国防太空体系”（又称“七层体系”，NDSA），低轨传输层系统将作为体系基底层，提供全球持续低时延数据通信传输，2022 年启动0 阶段工作星部署；2021 年底，美天军启动“混合太空架构”论证，融合军民商盟卫星系统，以获取更多的容量、灵活度和弹性。

总结分析来看，商业低轨星座可以在部署效率、建设成本、应用类型、安全防护能力等多方面对军民航天领域产生冲击，将通过五种服务模式支撑军事应用：一是直接采购商业服务“为军所用”，成为国家综合基础设施的重要组成，提升天基信息支持作战应用的效能；二是提供多类功能搭载服务，实现一星灵活应用，推动快速构建多功能的卫星系统；三是共享研制资源，在工程研制层面（商业平台、生产线、供应链）充分借鉴商业星座成果，加快军事航天能力生成速度；四是天基互联组网，通过统一接口标准，提升军商系统的多样化连接传输能力，为关键、海量军事数据提供补充信息传输通道；五是云端高效协同，在异构互联组网，实现天基资源的整合基础上，开发太空资源的协同调用机制和操控系统，打造未来智能太空云体系。

4 结语

总体来看，随着全球范围内高速、持续、全覆盖通信需求的不断增长，应用市场的不断开拓，行业竞争态势愈发激烈，通信卫星产业正在形成新的格局：高轨卫星进一步向高通量、高灵活性转型，低轨卫星互联网成发展热点，在技术迭代、批量部署、应用服务等方面展现出诸多颠覆性特点。未来，通信卫星产业仍会呈现快速发展的趋势，将与地面通信技术的换代升级深度耦合交织，共同推动信息网络基础设施迈向新的时代。