[科普中国]-轨道通信卫星

发展概述

自1965年全球第一颗静止轨道通信卫星投入商用至今，静止轨道卫星通信系统的卫星与地球站总发展趋向是大卫星小终端。整个通信卫星发展的历程从一定意义上讲是从小卫星到大卫星发展的过程。最早的商用静止轨道通信卫星是自旋稳定小卫星—国际通信卫星－1，其发射质量仅68kg，现已发射的最大三轴稳定卫星中圆轨道－G1（ICO－G1）卫星的发射质量达6634kg。早期的自旋稳定通信卫星平台因电源功率满足不了发展的要求，已完成历史任务。现在卫星制造商研制的大功率卫星平台都是三轴稳定的卫星平台，且愈做愈大，现代大卫星技术性能正在向大容量、高等效全向辐射功率（EIRP）、高的接收品质因数（G/T）和增加星上处理能力方向发展。

而从一定意义上讲，整个通信卫星地球站发展的历程是从大尺寸、大质量的固定地球站到小尺寸、小质量的便携式和手持式用户终端。早期最大的固定地球站是天线口径为30m的“国际通信卫星”A型站，如今最小的地球站是卫星移动通信和卫星移动广播电视业务用的手持终端。现代用户终端正在向小型化、宽带化、综合化和智能化方向发展。3

国外地球静止轨道通信卫星的发展目前，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

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。1

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”（GlobalXpress）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。1

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。1

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

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。1

低轨道通信卫星为了克服静止轨道通信卫星的种种不足，各国发射了一些低轨道通信卫星。低轨道卫星离地球近、路径短，能克服地球静止轨道卫星存在的种种缺陷。由于低轨道卫星信号覆盖地面面积小，为了覆盖全球，需要用几十颗卫星组成星座和系统才能进行全球通信。

低轨道通信卫星主要用于移动通信，可为卫星电话、车载、船载、飞机等移动终端在任何时间、任何地点提供全球通信、无缝链接服务，十分方便，通信质量也好。它广泛应用于卫星通信、全球通信、远洋通信、抗灾救灾、搜索救援等。

1990年代，美国率先开展了低地球轨道通信卫星计划。20多年来，低轨道卫星系统几经起落，甚至差一点全军覆没。经过艰难发展，特别是手机技术、移动通信一机在手，链接全球技术、互联网技术的迅猛发展，低轨道通信卫星系统死而复生。如今，卫星手机、移动电脑等移动终端可随时链接卫星通信，传输电话与数据，下载图片、视频和多媒体内容。

低轨道通信卫星系统有三大特点：低轨道、大星座、移动通信。低轨道通信卫星系统对其他卫星系统和各国卫星发展具有重要意义。著名的低轨道通信卫星系统有：“铱星”卫星通信系统、“全球星”卫星通信系统、“泰利迪斯”卫星通信系统等。2

未来通信卫星发展需求提高卫星收发能力由于卫星通信技术发展和卫星能力提高， 现有商用静止轨道通信卫星移动通信业务的用户终端已由便携式发展到手持式，典型的卫星为格鲁达－1（Garuda－1）卫星和瑟拉亚－1 、2 、3 （ T h u r a y a － 1 、2 、3）。这两种卫星移动通信系统体制都与地面现有GSM蜂窝移动通信系统体制相兼容，但两者使用的手机有一定区别，地面移动通信手机为内置式天线，而卫星移动通信手机为外置式天线，且其体积和质量都较大。

从发展要求考虑，显然希望卫星手机能进一步小型化，天线为内置式，最后实现与地面移动通信用手机相近或相同。其差距较大的重要原因之一是卫星手机发射信道的等效全向辐射功率和接收信道的接收品质因数均大于地面移动通信手机。如要实现卫星通信手机与地面通信手机“无差异” 目标， 降低卫星手机的等效全向辐射功率和接收品质因数，势必要成倍提高卫星的这两项指标，也就是要大幅度增大卫星天线口径和发射功率，这就需要更大卫星来实现。3

增大通信卫星容量随着现代通信业务的多样化和多媒体化， 对通信业务类型、业务量和传输速率要求正在不断增长和提高。据国外预测，业务传输速率增长值从2005年的1.5～51.8Mbit/s到2010年的155Mbit/s～2.4Gbit/s，而且2010年后将达到100Gbit/s～1Tbit/s。卫星通信是电信业务的一个重要组成部分，随着人们对信息的需求愈来愈高，与之相适应，对卫星的通信容量要求也在不断提高。当前世界上通信容量最大的商业宽带卫星“因特网星”的通信总容量已高达40Gbit/s，其发射质量高达6300kg。为了满足长远发展需要，特别是满足发展中超高速率信息传输需要，还应不断提高卫星容量，提高卫星有效载荷带宽和功率，卫星质量也就相应的增大。3

增强卫星处理能力现有卫星使用的转发器有透明转发器和处理转发器两类。所谓透明转发器是对接收信号只进行放大、变频和再放大的转发器；所谓处理转发器是对接收信号的调制-解调制式或多址方式进行加工处理的一种转发器。

通信卫星处理转发器功能和特点： 通过对信号解调和再生，可去掉上行线路中叠加在信号上的噪声，提高整个通信链路的传输质量，并且能够实现上下链路分开设计，可使上下链路实行不同的调制体制和多址方式，以降低传输要求和地面设备的复杂性；通过星上信号处理，可实现用户线路的信道、频率、功率和波束的动态分配，以使卫星资源得到最佳利用，并可建立星际通信链路，以实现卫星星际联网等；通过前向链路与后向链路信号处理器连接，可实现移动用户之间一跳通信。全球现有的通信卫星虽然使用处理转发器的卫星甚少，但随着星上处理技术的进步，大容量宽带多媒体通信需求增长，蜂窝状多点波束覆盖服务区要求增多，星上处理转发器的使用会逐步发展起来。

目前，具有星上处理能力的宽带通信卫星主要有：2007年8月发射的由美国休斯网络系统公司运营的宽带卫星太空之路－3，星上采用Ka 频段再生处理转发器，发射天线采用2m直径1500单元相控阵多点波束天线；2008年2月发射的日本超高速因特网卫星“宽带网络工程试验及演示卫星”（WINDS），星上超高速通信业务使用弯管式Ka频段转发器，超高速多媒体通信业务使用再生交换[异步转移模式（ATM）交换、因特网路由转换]Ka频段转发器；2000－2008年间发射的用于移动通信的格鲁达－1卫星和瑟拉亚－1、2、3卫星，其星上都设有用于各转发器所有信号分路、选路和复合的信号处理器，并实现手持机用户之间一跳通信。3

提高卫星工作能力的途径发展超大型卫星为提高现有通信卫星平台能力， 劳拉空间公司正在研发超大型平台——LS－20.20卫星平台，该平台可装配150台转发器，整星质量达5000～7000kg，整星输出功率可达30kW，大约是FS－1300平台转发器容量的3倍和输出功率的2倍。3

发展各卫星独立的“卫星簇”所谓各卫星独立的“ 卫星簇”是簇中各卫星处于同一轨道位置, 彼此无通信链路连接的卫星群。为了避免各卫星在同一轨道位置中运行彼此碰撞或遮挡阳光以及各自测控和通信中彼此干扰，因此各卫星的在轨运行和频率配置方面有一定约束。可以把这种卫星簇理解成一个超宽频段大容量通信卫星。当现有卫星平台不能满足要求时，可将超宽频段分割成多个子频段，在同一轨道上配置多颗载有不同子频段转发器的卫星同时工作提供服务。

服务于欧洲地区的同一轨道位置多颗卫星组成的卫星簇中最大的有两个： 一个是位于19.2°（ E ）的“ 阿斯特拉” （ASTRA） 系列7 颗卫星（1B、1C、1E、1F、1G、1H和2C） 组成的卫星簇， 它拥有10.70～12.75GHz下行Ku频段和29.50～30.00GHz下行Ka频段；另一个是位于13°（ E ）“ 热鸟”（Hot Bird）系列5颗卫星（1、2、3、4和6）组成的卫星簇，它拥有10.70～12.75GHz下行Ku频段和19.70～20.20GHz的下行Ka频段。3

发展各卫星相关的“卫星簇”所谓各卫星相关的“ 卫星簇”是簇中各卫星处于同一轨道位置,彼此有通信链路直接联接的卫星群。欧洲航天局有关专家对这种卫星簇进行了研究，将其称为空间局域网（SkyLAN）。空间局域网的基本概念是将1颗大卫星分成数颗小卫星组成卫星簇，各小卫星间用星间链路来完成有关任务，各小卫星集成功能等同于1颗大卫星。依据这一概念给出了两个设计案例：服务区覆盖全欧洲的宽带多媒体卫星簇和电视直播卫星簇。

（1）宽带多媒体卫星簇

4颗功能和性能相同的宽带多媒体小卫星相当于1颗原始宽带多媒体大卫星。原始宽带多媒体大卫星一般装载256台Ka频段转发器，其中弯管式转发器为关口站与用户终端间通信链路服务，再生式转发器为用户终端间通信链路服务；用4色波束频率复用覆盖服务区，全系统有效带宽14.4GHz；通信信号执行欧洲数字视频广播标准DVB-S和DVB-RCS；关口站采用双极化天线，用户终端采用单极化天线。3

（2）电视直播卫星簇

电视直播卫星簇由3颗接收/发射（Rx/Tx）卫星和1颗处理卫星组成，卫星簇星际链路呈星状结构，以处理卫星为中心，处理卫星携带一个大处理器，用于DVB-S解调和视频及音频压缩标准MPEG2-TS多路复用处理，还配备有一个接收多点波束Ka信号的天线和3个卫星中继线路终端，该卫星的轨道位置可以与3颗接收/发射卫星不在同一轨位。

原始电视直播大卫星一般装载134台Ku频段和5台Ka频段转发器，其中弯管式转发器为上行馈电站与用户终端间通信链路服务，再生式转发器用以处理视频多路复用信号，这些信号来自上线的各种分散节目播送设备；用三色波束频率复用覆盖服务区，全系统有效带宽4.78GHz，提供大于800路数字电视频道；广播信号执行欧洲DVB-S标准，关口站和用户终端均采用双极化天线。3

发展高性能“虚拟卫星”由卫星通信性能分析看出，要有效提高卫星转发器的接收品质因数值和等效全向辐射功率，并通过提高卫星频率复用次数以增大可用带宽，最主要的手段是采用超大口径天线，以形成超高增益点波束蜂窝状覆盖服务区。但卫星簇的概念无法实现这一功能，于是提出了发展具有超大口径天线的“虚拟卫星”设计思想。“虚拟卫星”即“分离模块卫星”，由密集分布式模块组成，各模块之间通过无线线路或有线线路（系绳）建立联系，其在功能和控制上相当于一颗大卫星。

具有超大口径天线功能的“虚拟卫星”设计概念有4种：一为采用自适应薄膜反射器馈电阵天线的静止轨道通信卫星，其反射器口径为100m，产生1000个点波束,每个波束容量为2Gbit/s；二为采用自适应薄膜透镜馈电阵天线的静止轨道通信卫星；三为采用旋转系绳聚集式天线的静止轨道通信卫星，星上有6个反射器，每个口径为25～50m，产生200个点波束，每个波束容量为1Gbit/s，在轨整星质量15t，寿命20年；四为采用旋转皮卫星群天线阵的静止轨道通信卫星，由众多皮卫星（每颗质量为23g）组成椭圆形卫星群， 长轴约为50km，短轴约为25km。3