卫讯-3：史上最强通信卫星挑战低轨星座

2023年5月1日，猎鹰重型运载火箭将重约6吨的卫讯-3通信卫星（美洲星）送入预定的34620千米×34620千米×0°高轨道。一同发射的还有Arcturus小型通信卫星和印度尼西亚GS-1小型立方星。卫讯-3通信卫星作为此次发射的主载荷，堪称人类历史上最强大的静止轨道通信卫星。该卫星拉开了静止轨道通信卫星容量向Tbps量级的跨越，也是目前静止轨道通信卫星衰落的大环境下为数不多的亮点之一。卫讯-3通信卫星不仅是当前人类最强通信卫星，也是卫讯公司为了对抗蓬勃发展的近地轨道星座而强化其地球静止轨道星群的重要一步。那么，卫讯-3通信卫星有何亮点？又能否逆潮流分一杯羹？

卫讯 -3通信卫星发射升空

人类最强通信卫星

卫讯-2通信卫星于2017年由阿里安5火箭发射升空后，就该被称为当时人类通信容量最高的通信卫星——设计通信容量达到了350Gbps，超过了当时由“回声星19”创下的记录。虽然由于其载荷设计上出现失误，最终卫讯-2通信卫星的容量为260Gbps，但这在当时仍然是惊人的。2021年9月，“连通-甚高通量欧洲通信卫星”以500Gbps的容量创造了新的世界纪录。

2023年5月，卫讯-3通信卫星以1Tbps的容量攀上了新高峰。

该卫星属于甚高通量通信卫星(VHTS)。相比于高通量通信卫星(HTS)，甚高通量通信卫星将提供更高的通信速率以支持更多用户接入和更高的用户数据传输速度。一般来说，甚高通量通信卫星的通量要达到至少200Gbps。因此甚高通量通信卫星通信波段相比传统固定服务、移动服务等使用的C/S波段和海事卫星使用的L波段来说频率更高，至少使用了Ka/Ku波段，甚至更高频的Q/V波段。代价就是高频波段雨衰严重，在恶劣天气下信号会严重衰减。同时甚高通量通信卫星使用了先进载荷工作模式以获得更大的通信覆盖范围，导致这些卫星数量较少且价格不菲。2017年发射的卫讯-2通信卫星的造价就高达6亿美元，该价格甚至超过了目前所有在轨星链卫星的总和。

不同于卫讯-1和卫讯-2通信卫星的“独苗”身份，当卫讯公司首次在2015年提出卫讯-3通信卫星计划的时候，就阐明它将是一个全球覆盖系统，使用波音的BSS-702MP+平台建造。该计划包括卫讯-3通信卫星美洲星（Viasat-3Americas），卫讯-3通信卫星欧洲-中东-非洲星（Viasat-3EMEA）和卫讯-3通信卫星亚洲-太平洋卫星（Viasat-3APAC）。3颗卫星呈120°布局，得以覆盖全球除了两极地区的全部区域，完美阐述了最初人类对地球静止轨道的理解。

3 颗卫讯 -3通信卫星将完美地完成地球覆盖

在3颗卫讯-3通信卫星的发射服务中，卫讯公司最初在2016年选择了阿里安宇航公司的阿里安64运载火箭，并在2018年宣布由联合发射联盟的宇宙神5运载火箭和太空探索技术公司的猎鹰重型运载火箭发射另外两颗卫星。猎鹰重型运载火箭的运载能力最为强劲，足以将卫讯-3通信卫星送入地球静止轨道。而运载能力稍为逊色的阿里安64和宇宙神5运载火箭则将把后续的卫星送入一条被称为“高近地点同步转移轨道”的绕地高轨道，随后依靠其XIPS-25离子推进器完成轨道提升。但由于阿里安6火箭首飞时间迟迟不定，最后确定由猎鹰重型运载火箭发射。

卫讯-3通信卫星（美洲星）发射升空，拉开了人类最强通信卫星组网的新历史。而第二颗卫讯-3通信卫星将在今年秋季搭乘宇宙神5运载火箭发射升空。

3.8小时直送

卫讯-3通信卫星发射质量约6吨，采用波音BSS-702MP+平台建造，配置4台XIPS-25离子推进器和一对由8片帆板组成的太阳翼。太阳翼发电功率为25~30千瓦，翼展达43.89米。卫星设计寿命15年。卫星配置一台网状环桁天线主反射器，由记忆合金和碳纤维组成，由一组套筒杆支撑。这部天线是卫讯-3通信卫星的关键设施。

如果关注了此次卫讯-3通信卫星的发射过程，就会发现这个过程和传统的静止轨道-准静止轨道直送有所不同。传统的直送过程中，火箭二次关机时进入一条近地点不到200千米、远地点35786千米的轨道，滑行5.5个小时后抵达远地点开机进入静止轨道。因此传统的直送方法需要约6.5个小时才能将载荷送入静止轨道，而此次重型猎鹰火箭发射卫讯-3通信卫星时，却只用了4.5个小时。滑行段甚至只有3.8个小时。

这表明猎鹰重型在二级二次关机后进入了一条远地点37375千米，稍高于目标轨道的转移轨道。这样发射极大地减少了末级空间滑行时间，而代价是从该转移轨道点火进入目标准静止轨道相比霍曼转移增加了约200米/秒的速度增量。对于猎鹰重型火箭来说，由于其第二级火箭结构质量很小，保温性能有限，因此采用此类发射方案有助于节省滑行带来的燃料消耗。此次发射卫讯-3通信卫星的猎鹰重型火箭使用全抛弃状态，在该状态下，火箭可将13吨载荷送入地球静止轨道，用一定的燃料换取时间是完全可行的。

卫讯 -3通信卫星使用了复杂的环桁天线

还有一个因素影响了此次发射的轨道方案。稍早之前，天狼星SXM-7卫星的伞状天线展开失败导致卫星全损，而卫讯-3通信卫星使用的大型环桁天线更为复杂而庞大，在恶劣的空间环境下可能发生天线节点冷焊等问题导致天线无法展开。因此通过一系列节省滑行时间的方案使得天线能够适当提早展开有助于确保卫星正常工作。

猎鹰重型火箭此次发射使用了全新的导航策略，极大地提升了入轨精度。在卫讯-3通信卫星从火箭末级分离并且展开构件后，XIPS-25推进器继续工作15天，以将卫星送入静止轨道。卫讯-3通信卫星定点于88.9°W后，将进行数个月的测试，随后投入使用。

从160Gbps到1Tbps

卫讯-3通信卫星作为人类历史上最强大的通信卫星，其通信载荷也是相当先进的。不同于传统通信卫星的多波束设计，卫讯-3通信卫星使用一个能够覆盖三分之一地球的波束。它使用了一套收发一体的相控阵馈源体系。相比传统的每个波束拥有固定的或多或少的带宽，卫讯-3通信卫星采用Ka波段软件定义载荷，通过调整波束在不同方向上的强度以最大化利用卫星的通信能力，给不同位置的单个用户提供超过100Mbps的上网服务速率。卫讯公司通过预测世界各地的需求增长以改变卫星软件，调节带宽资源分布以满足市场不断变化的需求，以此提升了卫星的性价比。

卫讯 -3通信卫星效果图

1Tbps的总容量意味着单颗卫讯-3通信卫星可以同时为10000个用户提供高速上网服务，这是相当惊人的。卫讯-3通信卫星可以像传统的海事卫星一样，为远海、荒野、沙漠等非传统用户地区用户提供类似低轨互联网星座的高速上网服务。卫讯公司还在研究手机直连低轨道卫星星座甚至静止轨道卫星的方案。

该卫星追求广域覆盖的目的也表明其具有足够的军事潜力。卫讯-3通信卫星同时具备大范围覆盖和高通信能力，使得其足以为全球分布的美军提供足够的覆盖和及时的数据传送，其数据传送速率可能高于现有的“移动用户目标系统”“宽带全球卫星”等战术卫星系统，在作战中可以传送实时战场图像、卫星地图、无人机图像等。卫讯公司拥有自己的Link16军用数据链业务，并且已经将业务打包卖给了美国国防业务分包商之一的L3哈里斯，足以说明卫讯公司和美国军方有密切联系。此次卫讯-3通信卫星的馈源高度保密，不排除有什么军方载荷在上面。

虽然卫讯公司宣布所有的载荷均由公司自主研发，但卫讯-3通信卫星使用的大型构架天线技术明显来自于诺·格公司研发的早期静止轨道信号情报卫星技术，可能属于某种变焦天线。而其馈源也可能采用外包设计甚至生产体制，因为这些载荷的性能过于强大，更可能采用了军-民融合生产体系。得益于波音BSS-702系列平台的模块化设计，这些载荷得以被方便地整合到一起。

对抗“星链”

卫讯公司不止一次宣布要和“星链”“一网”竞争。虽然全球覆盖的卫讯-3通信卫星拉开了这个序幕，但仅仅依靠“卫讯-3”似乎还并不能和目前全球热火朝天的低轨道互联网星座叫板，尤其是二代星链已经达到了单星上百Gbps的容量。因此卫讯公司启动了相当疯狂的计划——提出了卫讯-4和卫讯-5通信卫星的研制计划。其中卫讯-4的通信容量将达到7Tbps，而卫讯-5将在此基础上再至少翻倍，达到15+Tbps。这两代卫星大概率会使用速率更高的Q/V波段载荷以达到这个惊人的通信速率。鉴于“卫讯-2”的高昂造价，“卫讯-3”的单星造价很可能超过10亿美元，而“卫讯-4”可能会超过15亿美元。

卫讯-3卫星运行效果图

对于卫讯-4和卫讯-5通信卫星来说，由于当前BSS-702MP+平台的30千瓦功率已经接近平台极限，更高功率的平台还需要麦克萨公司的SSL-1300系列。然而在卫讯-2卫星的研制过程中，卫讯公司撕毁了和麦克萨公司的合同转身找了波音公司，因此继续使用麦克萨公司平台研制卫讯-4和卫讯-5通信卫星可能会遇到较大的阻力。同时麦克萨公司基本使用整星交付，而卫讯公司使用的“载荷自研”能否和麦克萨公司达成一致仍然是一个问题。但不管怎么样，卫讯-4通信卫星项目仍然在推进中。有意思的是，卫讯公司在此前曾经指责过太空探索技术公司的二代星链卫星没有得到足够的审查，“将对地球产生重大的美学、科学、社会和文化以及健康影响”。但“卫讯-3”仍然依赖太空探索技术公司的运载火箭发射。

显然，卫讯公司一边提出要依靠静止轨道系统对抗大型低轨道互联网星座，一边为了获得美国联邦通信委员会的204亿美元宽带补贴的一部分而提出了属于自己的低轨道互联网星座。该项目计划在1300千米的绕地轨道（比“星链”和“一网”都要高）布置288颗卫星，采用Ka/Q/V波段进行通信。每颗卫星具备96Gbps的通信容量，旨在建立一个覆盖南北纬60°范围的27Tbps低轨道互联网络，并且提供手机直连服务。该项目后来似乎得到了欧洲空间局的支持，并且有报道指出会通过量子加密技术为欧洲政府和军事组织提供安全通信。

2020年4月，美国联邦通信委员会还批准卫讯公司建造一个由20颗中地球轨道卫星组成的通信星座。该星座运行于8200千米，使用Ka和V波段。但卫讯公司并未承诺会完成该项目，而是称可能会加强自己的静止轨道卫星数量。如果卫讯公司能够在2026年前发射其中10颗卫星，则频段可以保留。但目前看来卫讯公司并没有在这个项目中投入什么资源。卫讯公司在2019年还和欧洲卫星公司签订了合同以使用O3b卫星星座。同年，当卫讯公司宣布开发“卫讯-4”的时候，他们也宣称在考虑一个静止轨道卫星-低轨道卫星星座-地面的混合体系，但似乎也没有了下文。

卫讯-3卫星团队合影留念

综合看来，卫讯公司无论是强化其地球静止轨道星群，打造极高通量的“卫讯-4”和“卫讯-5”之类极其强力的通信卫星，还是收购海事卫星公司和开发低轨道-高轨道混合手机直连服务，都展示了该公司对抗现有低轨道大型卫星星座的意愿。但这一意愿实现的可能性是很小的。

在静止轨道带来的高延迟等固有缺陷下，使用高性能静止轨道卫星对抗大规模走量低成本卫星似乎并不是一个明智的选择。由于卫讯公司没有独立的卫星生产和发射能力，因此只能建造足够大的卫星以集约化发射，将鸡蛋（通信容量）放在一个篮子（卫星）里。好处是可以创造奇观，但复杂且昂贵的卫星如果遇到了严重的单点失效故障等导致卫星性能大幅降低乃至全损，对公司财务和业务都是毁灭性的打击。相比之下，星链卫星和一网卫星都大幅降低了成本，允许星座在一些卫星失效的情况下还能工作，并且抗干扰能力和全面摧毁能力远低于庞大而笨重的地球静止轨道系统。类似“卫讯-3”的全球覆盖地球静止轨道星座的优点在于可以提供高纬度地区的军事/商业服务，服务低烈度作战，并且组网发射数量远少于大型低轨道星座，或许可以提供一些军方服务来获取一定支持。（作者：张晨）

本文原载于《太空探索》杂志2023年第7期

来源: 《太空探索》杂志