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赛迪重磅:《中国卫星通信产业发展白皮书》发布

来源:赛迪智库  作者:  投稿时间:2019-07-11

在卫星通信概念提出50年后,当下,卫星互联网的投入成本随着技术进步明显下降,各国纷纷将卫星互联网建设上升为国家战略,卫星通信发展迎来新风口。

近日,赛迪智库无线电管理研究所发布《中国卫星通信产业发展白皮书》,详细阐述卫星产业关键技术、国内外卫星产业发展,剖析我国卫星通信产业发展总体情况,并对卫星通信发展提出展望与建议,以此助推卫星通信产业发展。

为促进业界卫星通信产业交流,通信产业报(网)全媒体独家发布《中国卫星通信产业发展白皮书》,希望能助力中国卫星通信产业的创新与发展。

一、前言

卫星通信的理念最早可以溯源到阿瑟·克拉克(Arthur C.Clarke)于1945年提出的静止卫星通信的设想。此后以前苏联和美国为主导,全球卫星通信进入了密集试验阶段。直至1965年,美国成功发射了用于欧美间的商用通信的静止卫星“晨鸟”(“Early Bird”),标志着人类历史上卫星通信进入到了实用阶段。在过去的50多年时间里,卫星通信主要作为地面通信网络的补充、备份和延伸,其凭借着覆盖范围广、通信系统容量大、灾难容忍性强、灵活度高等独特优势,在偏远地区网络覆盖以及航海通信、应急通信、军用通信、应急通信、科考勘探等应用领域中发挥着不可替代的重要作用。近年来,随着卫星宽带成本的下降和卫星通信技术的进步,在高通量卫星带宽巨大需求的刺激下,国内外掀起了卫星互联网星座发展的热潮,卫星通信进入到一个新的发展阶段,呈现出以下特点:

一是各国纷纷将卫星互联网建设上升为国家战略。美国政府提出了加快陆地移动通信与卫星通信无缝衔接,推动空天地一体化通信网络建设的构想,并于2016年宣布投资5000万美元的创新基金用于推动小卫星发展。澳大利亚于2016年12月发布“超高速宽带基础设施”立法草案,明确提出要为卫星宽带网络提供长期资金支持。英国于2017年初发布《卫星和空间科学领域空间频谱战略报告》,计划进一步放宽非同步轨道卫星的频谱使用。俄罗斯、新西兰、智利等国陆续发布向国内偏远地区、远离陆地的岛屿提供卫星互联网覆盖的计划。

二是卫星互联网投入成本随着技术进步明显下降。小卫星通常指重量在500kg 以下的卫星。与大卫星相比,小卫星具有明显的成本低、研发期短、风险小、发射快、延时低、技术新等优点。近几年,小卫星在技术和商业模式创新的双重推动下,呈现快速发展趋势,面向大众的消费级应用市场逐渐成为新的增长方式。据测算,到2021年全球纳米卫星市场将达63.5亿美元。One Web、Space X、Facebook、波音等巨头的卫星互联网计划都是以小卫星为载体,选择距离地球数百公里至2000公里以内的低轨道。

三是频率和轨道资源的国际争夺战愈演愈烈。在美、俄等航天强国的推动下,国际规则中卫星频率和轨道资源的主要分配形式为“先申报就可优先使用”的抢占方式,日益增长的需求使得卫星频率轨道资源争夺白热化。轨道资源方面,地球同步轨道有效轨位资源非常紧张,各国纷纷将目标瞄准低轨道,预计该轨道内卫星数量会快速增长;频率资源方面,C频段和Ku频段资源紧张,通信卫星向高频段发展的趋势明显,目前Ka频段是国际上大多数高通量卫星的首选,而Q/V频段同样有巨头提前布局。

四是现阶段卫星互联网建设及运营模式更加合理。卫星互联网发展了近30年,主要经历了三个阶段(如图1所示)。从2014年开始,卫星互联网进入到第三阶段,该阶段以星链(Starlink)、One Web等计划为代表,定位于与地面通信形成互补融合的无缝通信网络。现阶段卫星互联网与地面通信系统二者之间更多的是互补与合作,发展空间巨大。从人群来看,世界上尚有超过一半的人口无法使用互联网,潜在用户众多;从万物互联来看,地面上偏远山区、大漠戈壁等部分区域如今依旧是通信盲区,卫星互联网低成本、广覆盖优势巨大;从应用场景来看,随着太空旅行等人类探索太空步伐的加快,星际间通信需求不可或缺,卫星互联网有能力提供解决方案。

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卫星通信从“能用”到“好用”的发展,一方面要立足卫星通信“全球覆盖”的独特优势,深耕通信、航海、航天、应急救援等垂直行业,进一步扩大在行业市场的优势。另一方面需要大力发展大容量、高速率的高通量卫星和低轨宽带星座,降低应用成本,拓宽互联网应用市场。此外,卫星通信要充分发挥大覆盖、灵活性高等优势,与地面通信互补融合发展,协同打造覆盖空、天、地、海多维空间的泛在网络。

二、卫星通信产业概述

(一)概念定义

1、卫星的发展与卫星通信

卫星的发展过程可概括为“小卫星—大卫星—新小卫星”。在人类开展航空航天活动初期,受火箭运载能力和卫星制造技术水平限制,发射的卫星功能少、体积小、重量轻,可视为传统小卫星。随着大推力运载火箭的研发和卫星制造技术的升级,可发射的卫星功能逐渐复杂、重量增加、体积增大,相应的成本也在不断增加,一般经济水平的国家无法承担,况且一旦发射失败就会造成严重的经济损失。因此,研制高性价比的卫星成为了航天界的主要目标之一。20世纪80年代,美国军方提出了现代小卫星的概念。美国国防高级研究计划局投入80万美元制造并发射了一个67.5kg重的数字存储转发式中继卫星,在全球掀起了小卫星研制热潮。

卫星通信是指利用人造地球卫星作为中继站来转发无线电波,从而实现多个地球站、航天器、空间站之间的单向或双向通信。典型的通信形式为音视频广播、数据广播(导航、定位等)、音视频通话、数据传输(遥感、遥测等)、互联网连接等。卫星通信频段一般划分见表2-1,其中L、S频段主要用于卫星移动通信,C、Ku频段主要用于卫星固定业务通信,Ka频段应用开始大量出现。为了满足日益增加的频率轨道资源需求,卫星通信领域正在布局Q/V等更高的频段资源。

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卫星通信系统由卫星端、地面站、用户端三部分组成,典型示意图见图2-1。卫星端可包含一个或多个卫星,每个卫星由卫星母体和星载设备组成。地面站由跟踪遥测和指令站、监控管理站以及通信关口站(包含控制中心和地球站)组成。地面站可以是卫星系统与地面其他通信网的关口,也可以是用户端与卫星的地面通信枢纽。用户端则是接受服务的各种用户终端设备。

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2、卫星通信的分类

根据不同的分类标准,卫星通信(系统)可以分为不同的类型,例如按照通信卫星运行的轨道不同,可分为:

低轨道(LEO)卫星通信:LEO卫星较小,运行于距地面500-2000km的轨道上,具有传输时延、覆盖范围、链路损耗、功耗较小等特征。典型系统为Motorola的铱星系统。

中轨道(MEO)卫星通信:MEO卫星运行于距地面2000-20000km的轨道上,其传输时延、覆盖范围、链路损耗、功耗大于LEO但小于GEO。典型系统为Inmarsat国际海事卫星系统。

高轨道(GEO)同步卫星通信:GEO卫星运行于距地面35800km的地球同步静止轨道上。传统的GEO通信系统的技术最为成熟,但由于存在较长的传播时延和较大的链路损耗,不适用于通信领域。典型系统为VSAT系统。

按照卫星重量大小,可分为大卫星(1000kg以上)、中卫星(500-1000kg)和小卫星(500kg以下)。然而,随着小卫星技术和应用的不断发展,业界对小卫星分类又进行了细化。例如,国际电联提出了对小卫星重量、功率、成本等主要参数的类型划分标准,见表2-2。文后出现的小卫星仍指500kg以下的卫星。

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此外,其他常见的分类方式见表2-3。

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3、传统卫星通信的特点

传统卫星通信具有不同于光纤、公众移动通信等地面通信方式的以下特点:

覆盖区域广:较少数量的卫星即可提供广域概念上的无缝覆盖。例如,理论上3颗GEO卫星可覆盖地球。

地面基础设施少:由于卫星的广覆盖能力,与光纤、公众移动通信等通信方式相比较,不需要大量的地面基础设施支撑。

信息延时较大:无线电信号星地间传输普遍大于其他通信方式。例如,GEO传输延时约为1s。

对用户端要求高:由于星地链路损耗大,开放式链路易受干扰,对用户端的发射功率和噪声处理能力要求较高,将进一步增加终端体积和成本。

带宽容量有限:受限于卫星通信的频谱、载荷、能源问题,其总带宽和总容量相对于光纤和公众移动通信来说要小得多。近几年高通量卫星的发展将改变这一状况。

通信成本高:由于卫星的研制、发射、运营成本较高,而且存在发射失败和在轨失效的风险,造成卫星通信的单位带宽费用远高于地面通信网络,普通用户无法承受。

组网部署灵活:卫星通信不受地形限制,通信终端可以在地面、海上、空中,在自然灾害或突发事件情况下可以实现快速响应,但容易受到天气状况的影响。

信息安全能力强:卫星通信系统构独立于常见地面通信网络,所传输的信息不易被截获,且卫星移动终端难以监测定位,具有较高的信息安全水平。

4、小卫星独有特性

近年来,小卫星技术应用发展迅猛,多用于通信和对地观测领域。小卫星具有一些不同于传统大卫星的特有性质,例如:

轻小型化:与重达几吨的普通卫星相比,小卫星重量只有克至百千克的量级。轻型复合材料技术以及微型技术集成化应用是小卫星轻型化发展的重要前提。

成本降低:传统大卫星的研制周期一般需要5年左右,而且项目投资大、发射费用高、项目风险大。小卫星研制过程主要采用先进成熟的技术以及科学、合理的管理手段,使得小卫星的研制周期一般为2年左右,研制成本大大降低。通过一箭多星技术大幅度降低了每颗小卫星的平均发射成本。

灵活发射:小卫星可以作为大卫星的附属物一起发射,也可以是几十甚至上百个微小卫星搭载同一个火箭一齐发射。运载和发射工具包括火箭、导弹、空间飞行器等,发射地点可以为地面、大气层或太空平台。还可以根据需求临时发射小卫星到特定区域执行相应的工作任务。

冗余组网:小卫星网络的快速部署能力和抗毁性能增强。通过利用大量小卫星组成冗余备份,当某颗卫星失效或摧毁时,能够快速补充卫星。虽然单颗微小卫星功能单一受限,通过多颗微小卫星组成卫星星座或编队进行网络部署,呈现出空间拓展优势,可以实现甚至超越同等重量的大卫星所能提供的功能。

小卫星相对于传统大卫星的优缺点总结见表2-4。

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(二)卫星通信关键技术

当前,卫星通信的新技术加速发展,卫星系统实际部署效率进一步提高。在各国际卫星公司积极推进与竞争下,通信卫星在卫星制造、火箭发射、单星容量、频谱效率、成本控制等方面均取得一系列进步。

1、设计和制造技术

卫星的设计和制造理念正在改变。卫星部件的模块化接口设计为规模化制造提供可能,并使得不同供应商提供的卫星部件之间能够互操作。卫星制造普遍开始使用非航天级别的商业现货部件,甚至形成了一些通用标准。

成熟的3D打印技术也已应用于卫星制造领域。模块化设计、轻小型化、规模标准化、3D打印生产使得卫星研制成本和迭代周期不断降低。

小卫星具备重量轻、体积小、成本低、研制周期短、发射容易、风险小且技术含量高等特点,更适用于组建低轨星座,是目前全球发展热点。小卫星有效载荷技术使卫星在不断小型化的同时,也在不断集成更多的功能。有效载荷关键技术包括一体化设计技术,结构轻型化、微型化、多功能化技术,微型系统综合集成技术与软件化技术等。轻型复合材料技术、微电子技术、微光电技术、微型计算机、微型机械及高精尖加工等高新技术的发展和集成化应用为卫星的轻小型化提供了技术基础。

2、发射与回收技术

一箭多星技术指通过一次火箭发射多颗卫星。例如,长征十一号商用火箭以一箭多星的方式完成多次发射,大幅提高了卫星商业发射的效率。异轨多星技术在火箭快速灵活进入空间、空间机动和空间利用等方面具有广阔应用前景。例如,远征三号上面级通过与长征二号丁火箭配合使用,实现了21次自主快速轨道机动部署。

重型火箭技术则通过利用大推力高性能高空液氧煤油发动机获得更大推力来增加火箭的有效载荷,实现规模效应,提升单位成本效益。例如,美国SpaceX公司的猎鹰重型火箭首飞成功,打破现役火箭运载能力纪录,其近地轨道运载能力达到63.8吨,地球同步轨道运载能力为26.7吨。

火箭回收技术大幅提高了火箭的重复利用率。运载火箭垂直回收制导控制技术利用可重复使用垂直起降平台,使火箭由一次性使用向重复使用、由单一航天运输向航天运输与空间操作相结合进行跨越。例如,中型可回收火箭——猎鹰9号的第一级可实现3次复用。

目前,随着一箭多星、重型火箭和火箭回收技术的革新,卫星发射成本不断下降。例如,新一代小型火箭发射成本已降至百万美元级,猎鹰9号的单次发射费用为6200万美元,而传统中型火箭发射费用接近1亿美元。此外,新型运载火箭型谱也聚焦于模块化、组合化、系列化发展,将逐步满足各类市场的个性化发射需求。

3、星座与编队技术

卫星组网主要通过卫星星座技术与编队飞行技术实现,即通过多颗卫星协同工作完成特定空间任务。其中卫星星座关注卫星与地面的几何关系,多颗卫星组成星座可实现卫星业务的连续覆盖或多重覆盖,提高对目标观测的访问频度和时间分辨率。而编队飞行则关注多个卫星之间的相对几何关系,用于实现多星协同任务,突破单颗卫星性能与功能的限制。

由于小卫星体积小、功能单一、能力有限,但可使用一箭多星技术一次性发射大量卫星,所以在星座组网方面具有极大的优势。因此,小卫星常常以星座的形式部署使用,且多颗小卫星组成星座后可以实现并超越单一传统大卫星的功能。

例如,NASA研究日地关系的磁层星座就是用一枚Delta火箭同时把100颗10kg的纳卫星射入大偏心轨道组成磁层星座,这些纳卫星的远地点高度不同,可在不同高度同时进行地球磁层测量。小卫星还可以组成编队,完成单颗大卫星难以完成的诸如重力场测量、太空探测、间歇式导航和定位、高分辨率合成光学干涉测量等任务。

4、宽带化与软件化技术

高通量卫星通过采用高频段、波束成形、多点波束、抗干扰、频率复用、高波束增益等通信技术使得同样尺寸天线的增益更高,卫星通信吞吐容量增大,进一步促进了卫星接收终端的宽带化。大容量、广覆盖、安全可靠等成为新一代卫星通信系统的重要能力指标。欧美大国强势推进高通量卫星发展,其宽带卫星服务能力已达Tbps级。

例如,美国ViaSat-3系统的单星容量达1Tbps,能够同时为欧亚非地区的用户提供100Mbps的宽带接入服务。

星上通信计算载荷的软件化也是新兴技术之一。软件化技术以微型计算机为核心,采用MMIC、ASIC、DSP超大规模集成电路,利用软件工程技术和软件无线电技术,把无线通信功能用软件来实现,通过软件编程来灵活实现多种宽带数字滤波、直接数字频率合成、数字下变频、调制解调、纠错编码、信令控制、信源编码及加密解密等功能。软件化减少了卫星对各类硬件的需求,可进一步降低卫星重量,提升卫星利用率。

此外,随着相控阵等技术的发展和应用,卫星接收终端对卫星信号的灵敏度提升,地面接收设备在体积和重量上均有所下降,更适合住宅、车载以及个人使用。

(三)卫星通信产业链环节

卫星通信产业链涵盖卫星制造、发射服务、地面设备制造、运营与服务等环节。卫星通信产业链全景见图2-2。

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(四)卫星通信市场分析

1、全球卫星通信市场概述

2018年,全球航天产业规模达到4000亿美元,其中卫星产业规模超过3000亿美元,卫星通信产业市场规模约为1200亿美元。美国、欧洲、中国的传统航天企业借助云平台、大数据、天地一体化、物联网、5G等新技术快速发展精细化、个性化的卫星通信服务;一大批新兴商业航天企业及服务也迅速涌现。

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未来,全球卫星通信系统商业化程度将不断提高,卫星通信系统向微小化趋势发展,卫星通信仍将是以卫星广播和固定类业务为主,卫星移动和宽带类业务将增长迅速。预计2020年,全球卫星转发器出租容量将达到700GHz;且全球微小卫星市场规模将达到60亿美元,2025年全球微小卫星数量市场规模可达200亿美元。

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