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賽迪重磅:《中國衛星通信産業發展白皮書》發布

来源:賽迪智庫  作者:  投稿时间:2019-07-11

在衛星通信概念提出50年後,當下,衛星互聯網的投入成本隨著技術進步明顯下降,各國紛紛將衛星互聯網建設上升爲國家戰略,衛星通信發展迎來新風口。

近日,賽迪智庫無線電管理研究所发布《中国卫星通信产业发展白皮书》,詳細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。

爲促進業界衛星通信産業交流,通信産業報(網)全媒體獨家發布《中國衛星通信産業發展白皮書》,希望能助力中國衛星通信産業的創新與發展。

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:

一是各國紛紛將衛星互聯網建設上升爲國家戰略。美國政府提出了加快陸地移動通信與衛星通信無縫銜接,推動空天地一體化通信網絡建設的構想,並于2016年宣布投資5000萬美元的創新基金用于推動小衛星發展。澳大利亞于2016年12月發布“超高速寬帶基礎設施”立法草案,明確提出要爲衛星寬帶網絡提供長期資金支持。英國于2017年初發布《衛星和空間科學領域空間頻譜戰略報告》,計劃進一步放寬非同步軌道衛星的頻譜使用。俄羅斯、新西蘭、智利等國陸續發布向國內偏遠地區、遠離陸地的島嶼提供衛星互聯網覆蓋的計劃。

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。

三是頻率和軌道資源的國際爭奪戰愈演愈烈。在美、俄等航天強國的推動下,國際規則中衛星頻率和軌道資源的主要分配形式爲“先申報就可優先使用”的搶占方式,日益增長的需求使得衛星頻率軌道資源爭奪白熱化。軌道資源方面,地球同步軌道有效軌位資源非常緊張,各國紛紛將目標瞄准低軌道,預計該軌道內衛星數量會快速增長;頻率資源方面,C頻段和Ku頻段資源緊張,通信衛星向高頻段發展的趨勢明顯,目前Ka頻段是國際上大多數高通量衛星的首選,而Q/V頻段同樣有巨頭提前布局。

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豪门彩票的是互补与合作,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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衛星通信從“能用”到“好用”的發展,一方面要立足衛星通信“全球覆蓋”的獨特優勢,深耕通信、航海、航天、應急救援等垂直行業,進一步擴大在行業市場的優勢。另一方面需要大力發展大容量、高速率的高通量衛星和低軌寬帶星座,降低應用成本,拓寬互聯網應用市場。此外,衛星通信要充分發揮大覆蓋、靈活性高等優勢,與地面通信互補融合發展,協同打造覆蓋空、天、地、海多維空間的泛在網絡。

二、衛星通信産業概述

(一)概念定義

1、衛星的發展與衛星通信

衛星的發展過程可概括爲“小衛星—大衛星—新小衛星”。在人類開展航空航天活動初期,受火箭運載能力和衛星制造技術水平限制,發射的衛星功能少、體積小、重量輕,可視爲傳統小衛星。隨著大推力運載火箭的研發和衛星制造技術的升級,可發射的衛星功能逐漸複雜、重量增加、體積增大,相應的成本也在不斷增加,一般經濟水平的國家無法承擔,況且一旦發射失敗就會造成嚴重的經濟損失。因此,研制高性價比的衛星成爲了航天界的主要目標之一。20世紀80年代,美國軍方提出了現代小衛星的概念。美國國防高級研究計劃局投入80萬美元制造並發射了一個67.5kg重的數字存儲轉發式中繼衛星,在全球掀起了小衛星研制熱潮。

衛星通信是指利用人造地球衛星作爲中繼站來轉發無線電波,從而實現多個地球站、航天器、空間站之間的單向或雙向通信。典型的通信形式爲音視頻廣播、數據廣播(導航、定位等)、音視頻通話、數據傳輸(遙感、遙測等)、互聯網連接等。衛星通信頻段一般劃分見表2-1,其中L、S頻段主要用于衛星移動通信,C、Ku頻段主要用于衛星固定業務通信,Ka頻段應用開始大量出現。爲了滿足日益增加的頻率軌道資源需求,衛星通信領域正在布局Q/V等更高的頻段資源。

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衛星通信系統由衛星端、地面站、用戶端三部分組成,典型示意圖見圖2-1。衛星端可包含一個或多個衛星,每個衛星由衛星母體和星載設備組成。地面站由跟蹤遙測和指令站、監控管理站以及通信關口站(包含控制中心和地球站)組成。地面站可以是衛星系統與地面其他通信網的關口,也可以是用戶端與衛星的地面通信樞紐。用戶端則是接受服務的各種用戶終端設備。

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2、衛星通信的分類

根據不同的分類標准,衛星通信(系統)可以分爲不同的類型,例如按照通信衛星運行的軌道不同,可分爲:

低軌道(LEO)衛星通信:LEO衛星較小,運行于距地面500-2000km的軌道上,具有傳輸時延、覆蓋範圍、鏈路損耗、功耗較小等特征。典型系統爲Motorola的銥星系統。

中軌道(MEO)衛星通信:MEO衛星運行于距地面2000-20000km的軌道上,其傳輸時延、覆蓋範圍、鏈路損耗、功耗大于LEO但小于GEO。典型系統爲Inmarsat國際海事衛星系統。

高軌道(GEO)同步衛星通信:GEO衛星運行于距地面35800km的地球同步靜止軌道上。傳統的GEO通信系統的技術最爲成熟,但由于存在較長的傳播時延和較大的鏈路損耗,不適用于通信領域。典型系統爲VSAT系統。

按照衛星重量大小,可分爲大衛星(1000kg以上)、中衛星(500-1000kg)和小衛星(500kg以下)。然而,隨著小衛星技術和應用的不斷發展,業界對小衛星分類又進行了細化。例如,國際電聯提出了對小衛星重量、功率、成本等主要參數的類型劃分標准,見表2-2。文後出現的小衛星仍指500kg以下的衛星。

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此外,其他常見的分類方式見表2-3。

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3、傳統衛星通信的特點

傳統衛星通信具有不同于光纖、公衆移動通信等地面通信方式的以下特點:

覆蓋區域廣:較少數量的衛星即可提供廣域概念上的無縫覆蓋。例如,理論上3顆GEO衛星可覆蓋地球。

地面基礎設施少:由于衛星的廣覆蓋能力,與光纖、公衆移動通信等通信方式相比較,不需要大量的地面基礎設施支撐。

信息延時較大:無線電信號星地間傳輸普遍大于其他通信方式。例如,GEO傳輸延時約爲1s。

對用戶端要求高:由于星地鏈路損耗大,開放式鏈路易受幹擾,對用戶端的發射功率和噪聲處理能力要求較高,將進一步增加終端體積和成本。

帶寬容量有限:受限于衛星通信的頻譜、載荷、能源問題,其總帶寬和總容量相對于光纖和公衆移動通信來說要小得多。近幾年高通量衛星的發展將改變這一狀況。

通信成本高:由于衛星的研制、發射、運營成本較高,而且存在發射失敗和在軌失效的風險,造成衛星通信的單位帶寬費用遠高于地面通信網絡,普通用戶無法承受。

組網部署靈活:衛星通信不受地形限制,通信終端可以在地面、海上、空中,在自然災害或突發事件情況下可以實現快速響應,但容易受到天氣狀況的影響。

信息安全能力強:衛星通信系統構獨立于常見地面通信網絡,所傳輸的信息不易被截獲,且衛星移動終端難以監測定位,具有較高的信息安全水平。

4、小衛星獨有特性

近年來,小衛星技術應用發展迅猛,多用于通信和對地觀測領域。小衛星具有一些不同于傳統大衛星的特有性質,例如:

輕小型化:與重達幾噸的普通衛星相比,小衛星重量只有克至百千克的量級。輕型複合材料技術以及微型技術集成化應用是小衛星輕型化發展的重要前提。

成本降低:傳統大衛星的研制周期一般需要5年左右,而且項目投資大、發射費用高、項目風險大。小衛星研制過程主要采用先進成熟的技術以及科學、合理的管理手段,使得小衛星的研制周期一般爲2年左右,研制成本大大降低。通過一箭多星技術大幅度降低了每顆小衛星的平均發射成本。

靈活發射:小衛星可以作爲大衛星的附屬物一起發射,也可以是幾十甚至上百個微小衛星搭載同一個火箭一齊發射。運載和發射工具包括火箭、導彈、空間飛行器等,發射地點可以爲地面、大氣層或太空平台。還可以根據需求臨時發射小衛星到特定區域執行相應的工作任務。

冗余組網:小衛星網絡的快速部署能力和抗毀性能增強。通過利用大量小衛星組成冗余備份,當某顆衛星失效或摧毀時,能夠快速補充衛星。雖然單顆微小衛星功能單一受限,通過多顆微小衛星組成衛星星座或編隊進行網絡部署,呈現出空間拓展優勢,可以實現甚至超越同等重量的大衛星所能提供的功能。

小衛星相對于傳統大衛星的優缺點總結見表2-4。

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(二)衛星通信關鍵技術

當前,衛星通信的新技術加速發展,衛星系統實際部署效率進一步提高。在各國際衛星公司積極推進與競爭下,通信衛星在衛星制造、火箭發射、單星容量、頻譜效率、成本控制等方面均取得一系列進步。

1、設計和制造技術

衛星的設計和制造理念正在改變。衛星部件的模塊化接口設計爲規模化制造提供可能,並使得不同供應商提供的衛星部件之間能夠互操作。衛星制造普遍開始使用非航天級別的商業現貨部件,甚至形成了一些通用標准。

成熟的3D打印技術也已應用于衛星制造領域。模塊化設計、輕小型化、規模標准化、3D打印生産使得衛星研制成本和叠代周期不斷降低。

小衛星具備重量輕、體積小、成本低、研制周期短、發射容易、風險小且技術含量高等特點,更適用于組建低軌星座,是目前全球發展熱點。小衛星有效載荷技術使衛星在不斷小型化的同時,也在不斷集成豪门彩票的功能。有效載荷關鍵技術包括一體化設計技術,結構輕型化、微型化、多功能化技術,微型系統綜合集成技術與軟件化技術等。輕型複合材料技術、微電子技術、微光電技術、微型計算機、微型機械及高精尖加工等高新技術的發展和集成化應用爲衛星的輕小型化提供了技術基礎。

2、發射與回收技術

一箭多星技術指通過一次火箭發射多顆衛星。例如,長征十一號商用火箭以一箭多星的方式完成多次發射,大幅提高了衛星商業發射的效率。異軌多星技術在火箭快速靈活進入空間、空間機動和空間利用等方面具有廣闊應用前景。例如,遠征三號上面級通過與長征二號丁火箭配合使用,實現了21次自主快速軌道機動部署。

重型火箭技術則通過利用大推力高性能高空液氧煤油發動機獲得更大推力來增加火箭的有效載荷,實現規模效應,提升單位成本效益。例如,美國SpaceX公司的獵鷹重型火箭首飛成功,打破現役火箭運載能力紀錄,其近地軌道運載能力達到63.8噸,地球同步軌道運載能力爲26.7噸。

火箭回收技術大幅提高了火箭的重複利用率。運載火箭垂直回收制導控制技術利用可重複使用垂直起降平台,使火箭由一次性使用向重複使用、由單一航天運輸向航天運輸與空間操作相結合進行跨越。例如,中型可回收火箭——獵鷹9號的第一級可實現3次複用。

目前,隨著一箭多星、重型火箭和火箭回收技術的革新,衛星發射成本不斷下降。例如,新一代小型火箭發射成本已降至百萬美元級,獵鷹9號的單次發射費用爲6200萬美元,而傳統中型火箭發射費用接近1億美元。此外,新型運載火箭型譜也聚焦于模塊化、組合化、系列化發展,將逐步滿足各類市場的個性化發射需求。

3、星座與編隊技術

衛星組網主要通過衛星星座技術與編隊飛行技術實現,即通過多顆衛星協同工作完成特定空間任務。其中衛星星座關注衛星與地面的幾何關系,多顆衛星組成星座可實現衛星業務的連續覆蓋或多重覆蓋,提高對目標觀測的訪問頻度和時間分辨率。而編隊飛行則關注多個衛星之間的相對幾何關系,用于實現多星協同任務,突破單顆衛星性能與功能的限制。

由于小衛星體積小、功能單一、能力有限,但可使用一箭多星技術一次性發射大量衛星,所以在星座組網方面具有極大的優勢。因此,小衛星常常以星座的形式部署使用,且多顆小衛星組成星座後可以實現並超越單一傳統大衛星的功能。

例如,NASA研究日地關系的磁層星座就是用一枚Delta火箭同時把100顆10kg的納衛星射入大偏心軌道組成磁層星座,這些納衛星的遠地點高度不同,可在不同高度同時進行地球磁層測量。小衛星還可以組成編隊,完成單顆大衛星難以完成的諸如重力場測量、太空探測、間歇式導航和定位、高分辨率合成光學幹涉測量等任務。

4、寬帶化與軟件化技術

高通量衛星通過采用高頻段、波束成形、多點波束、抗幹擾、頻率複用、高波束增益等通信技術使得同樣尺寸天線的增益更高,衛星通信吞吐容量增大,進一步促進了衛星接收終端的寬帶化。大容量、廣覆蓋、安全可靠等成爲新一代衛星通信系統的重要能力指標。歐美大國強勢推進高通量衛星發展,其寬帶衛星服務能力已達Tbps級。

例如,美國ViaSat-3系統的單星容量達1Tbps,能夠同時爲歐亞非地區的用戶提供100Mbps的寬帶接入服務。

星上通信計算載荷的軟件化也是新興技術之一。軟件化技術以微型計算機爲核心,采用MMIC、ASIC、DSP超大規模集成電路,利用軟件工程技術和軟件無線電技術,把無線通信功能用軟件來實現,通過軟件編程來靈活實現多種寬帶數字濾波、直接數字頻率合成、數字下變頻、調制解調、糾錯編碼、信令控制、信源編碼及加密解密等功能。軟件化減少了衛星對各類硬件的需求,可進一步降低衛星重量,提升衛星利用率。

此外,隨著相控陣等技術的發展和應用,衛星接收終端對衛星信號的靈敏度提升,地面接收設備在體積和重量上均有所下降,更適合住宅、車載以及個人使用。

(三)衛星通信産業鏈環節

衛星通信産業鏈涵蓋衛星制造、發射服務、地面設備制造、運營與服務等環節。衛星通信産業鏈全景見圖2-2。

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(四)衛星通信市場分析

1、全球衛星通信市場概述

2018年,全球航天産業規模達到4000億美元,其中衛星産業規模超過3000億美元,衛星通信産業市場規模約爲1200億美元。美國、歐洲、中國的傳統航天企業借助雲平台、大數據、天地一體化、物聯網、5G等新技術快速發展精細化、個性化的衛星通信服務;一大批新興商業航天企業及服務也迅速湧現。

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未來,全球衛星通信系統商業化程度將不斷提高,衛星通信系統向微小化趨勢發展,衛星通信仍將是以衛星廣播和固定類業務爲主,衛星移動和寬帶類業務將增長迅速。預計2020年,全球衛星轉發器出租容量將達到700GHz;且全球微小衛星市場規模將達到60億美元,2025年全球微小衛星數量市場規模可達200億美元。

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