卫星应急通信系统——高通量通信卫星

       高通量通信卫星的概念于2008年由美国航天咨询公司北方天空研究所(NSR)率先提出，将其定义为“釆用多点波束和频率复用技术，在同样频谱资源的条件下，整星的通信容量(简称通量)是传统固定通信卫星(FSS)数倍的卫星”。高通量通信卫星概念由宽带卫星演化而来，但与它有所区别。宽带卫星以“运行在Ka频段、大容量、提供宽带互联网接入”为特点，开辟了卫星互联网接入的新业务，因此称为“宽带”。如今，产业界对于高通量通信卫星的概念逐渐达成共识，即“高通量通信卫星是以点波束和频率复用为标志，可以运行在任何频段，通量有大有小，取决于分配的频谱和频率复用次数，可以提供固定、广播和移动等各类商业卫星通信服务的一类卫星系统”。

       高通量通信卫星最基本的特征是多点波束和频率复用。对比传统固定通信卫星的宽波束，点波束的覆盖范围仅为300〜700km,宽波束的覆盖范围在2000km左右。釆用点波束的通信卫星的优势在于通过减小天线波束的孔径角，提高卫星天线的增益，实现不同波束之间频率的复用，提高卫星系统的通量。

       一直以来，卫星运营商大多选择部署地球静止轨道(GEO)卫星，率先进行技术和市场验证，之后增加卫星数量以扩展业务能力。如今，越来越多的商业航天企业计划部署中低轨卫星星座，寻求全球范围内的服务能力。例如，欧洲的“另外三十亿人”网络公司(O3bNetworks)部署中轨星座系统，美国的一网公司(ONEWEB)＞太空探索技术公司(SpaceX)和低轨卫星公司(LeoSat)计划部署低地球轨道(LEO)卫星星座系统。

       从2004年首颗高通量卫星发射以来，截至2016年底，国外共计发射了56颗高通量卫星，其中GEO卫星占绝大多数，为44颗，还有28颗GEO高通量卫星在研。高通量卫星中低轨星座部署目前只有O3b星座，在轨12颗卫星，并有8颗卫星在研,O3bNetworks公司表示2016年还将新增44颗卫星。此外，一网公司、太空探索技术公司、加拿大电信卫星公司(TeleSat)、低轨卫星公司等运营商计划部署低轨高通量卫星星座，在研卫星数量达到上千颗。

        欧洲O3b卫星系统是目前全球唯一在轨的高通量星座系统，运行在中圆轨道(MEO),轨道高度8072km,倾角0.03°,周期287.93min,地面站单颗卫星的可见时间约45min,为全球45。(S)〜45。(N)的区域提供高通量卫星通信服务，扩展服务的覆盖范围为62°(S)〜62°(N)。03b卫星系统目前由12颗MEO卫星组网，其中10颗工作星，2颗在轨备份星，工作在Ka频段。2015年，又额外签订了8颗卫星订单，预计2018年发射，主要用于增加在轨容量，提高保密性，降低干扰。2016年，03b公司向美国联邦通信委员会(FCC)申请了3个星座的许可：第一个申请是对现有8颗新增O3b卫星的申请，O3b公司希望将8颗改为12颗卫星；第二个申请是希望发展一个由最多24颗Ka频段卫星组成的星座，称为O3bN,同样运行在MEO轨道；第三个申请是发展一个由最多16颗Ka频段卫星组成的星座，运行在倾斜轨道和轨道高度为8062km、倾角为70。的轨道。该星座称为O3bl,将会位于两个轨道面，每个轨道面有8颗卫星。O3bl星座将会把当前63。(S)〜63°(N)的覆盖服务扩展到全球覆盖。O3b卫星釆用“扩展寿命平台”(EliTeBUS),该平台继承自“全球星”(Globalstar)二代卫星。03b卫星发射质量约700kg,设计寿命10年，功率15kWo卫星釆用透明转发有效载荷，载有12台Ka频段 转发器，带宽最高可达20MHzo星上载有12副天线，其中10副天线用于用户波束，2副天线用于信关站波束，波束尺寸720km。卫星采用灵活有效的载荷设计，每个波束均为可移动波束，单个波束既可以分别覆盖不同的服务区域，也可以叠加在一起，用于同一覆盖地区获得更高的容量，03b卫星单个用户波束前向和反向链路的带宽各为216MHz，总带宽为432MHz,单个波束的容量最高可扩展至1.6Gbit/so03b卫星釆用有效载荷，支持同一波束内的“环回”(Loopback)。同一波束覆盖内用户之间可以实现单跳通信，用户可以部署任意的地面平台，并且能够选择适合的网络拓扑(如星状网、网状网、分布式星状网)。卫星采用开放的系统架构，使用户可以按需选择数据速率和网络容量，以及网速共享或专享的使用方式。O3b卫星还支持不同波束间的“钗链”(Crosslinked),即同一卫星间不同波束间的单跳通信。1颗O3b卫星最多可支持4个波束间的饺链，对于系统的军事应用意义重大。军用终端可以绕过O3b公司的信关站与军用信关站直接通信，保证通信的安全性。

       O3b系统主要面向集团级用户，提供干线传输和蜂窝电话回程、企业网络和海事业务，未来还将提供军用卫星通信业务。03b公司提供的干线传输服务下行速率650Mbit/s,上行速率600Mbit/s,终端天线口径4m；蜂窝电话回程服务下行速率20Mbit/s,终端天线口径1.8m；海事服务下行速率400Mbit/s,上行速率150Mbit/s,终端天线口径1.2m。

       其他在研的低轨星座继O3b星座之后，涌现了多个卫星星座计划在研。一网公司计划部署一个低轨高通量卫星(LEO-HTS)系统，由650颗工作星组成，容量约5Tbit/s,运行在Ku频段，为偏远地区提供互联网接入服务和个人消费类服务；低轨卫星公司关注企业级通信服务，计划为大型通信、能源企业提供服务；太空探索技术公司计划发射4425颗卫星，为消费者、企业和政府机构提供宽带与通信服务。此外，加拿大电信卫星公司、空间诺威公司(SpaceNorway)＞开普勒通信公司(Kepler)也宣布了类似的星座计划。这些低轨星座大多将在2020年前完成部署。其中，只有一网公司获得了国际电信联盟(ITU)的频率轨位授权。根据国际电信联盟的要求，2020年前将会完成星座部署，2016年，一网公司和空客防务与航天公司(ADS)合作，在美国建立卫星制造工厂，首批10颗卫星在法国研制，之后的卫星均在美国的工厂完成。其他星座系统目前还在进行频率轨位协调。

       2017年4月120,中国首颗高通量通信卫星(HTS)——实践13号由长征三号乙运载火箭成功发射入轨。该卫星釆用了Ka频段、激光通信和电推进等一系列新技术，具有较高的性能。这是长征三号乙运载火箭的第43次发射。2018年，中国还将发射首颗釆用新一代大容量试验卫星平台东方红5的实践18号通信卫星、首颗国产电视直播卫星中星9A号和中星6C号通信卫星等5颗通信卫星，从而掀起中国通信卫星发射的新高潮。

       实践13号卫星工程于2013年4月27日由国家国防科技工业局(简称国防科工局)与财政部联合批复立项，是一颗验证东方红3B卫星平台和载荷等新技术的高轨技术试验卫星。卫星的设计寿命15年，起飞质量4600kg,定点于地球同步轨道(GSO)110.5°(E),见图2.24o

图2.24   实践13号高通量卫星

       第一颗釆用全配置东方红3B卫星平台的卫星，该卫星平台包括综合电子分系统、测控分系统、供配电分系统、控制分系统、化学推进分系统、电推进分系统、结构分系统和热控分系统，将实现我国卫星平台技术水平跨越式提升。

       第一颗釆用电推进技术的高轨卫星，无须消耗化学推进剂即可完成全寿命期内南北位保任务，这对于我国高轨卫星来说具有革命性的技术突破，卫星承载能力显著提升。

       第一次在我国通信卫星上应用Ka频段多波束宽带通信系统，通信总容量超过20Gbit/s,它将引领我国高通量卫星通信技术的发展。

       第一次在我国高轨卫星上搭载激光通信系统。

       第一次在我国高轨道长寿命通信卫星上100%工程化应用国产化产品，改变了相关产品长期依赖进口的局面。

       第一次在我国卫星上把技术试验和示范应用相结合。作为我国首颗Ka宽带通信卫星，实践13号卫星在完成东方红3B卫星平台和载荷新技术一系列在轨试验验证后，卫星将纳入“中星”卫星系列，命名为中星16号卫星，开展Ka频段宽带通信系统的试验应用，提供双向宽带通信运营服务。这样可加速科研成果的应用转化，既满足了新技术在轨试验的目的，又满足了载荷示范应用的要求，提高了工程综合效益。

       实践13号/中星16号卫星有26个用户点波束，总体覆盖我国除西北、东北的大部分陆地和近海近200km海域。用户终端可以方便快速地接入网络，下载和回传速率最高分别达到150Mbit/s和12Mbit/s,实现了真正意义上的卫星宽带通信应用，填补了我国在该领域的技术空白。

       实践13号/中星16号卫星通信系统空间段卫星资源、地面段网络系统及业务运营系统采用了天地一体化设计，以及卫星网络与地面网络的互联互通，所以用户无须建设主站，仅需购买终端站就可使用宽带卫星服务，终端站通过卫星的用户波束接入所属信关站，这就为用户节省了网络建设的投资。系统可支持宽带接入、基站回传、视频内容分发、视频新闻采集、机载/船载/车载通信、企业联网、应急通信等方面的应用；除支持固定终端外，该卫星还支持机载、车载和船载等移动终端的应用，能够实现跨波束自动无缝切换。其3个信关站可支持30万部终端接入，并可扩展至百万量级。

       实践13号/中星16号卫星工程由卫星、火箭、发射场、测控、运控和试验应用六大系统组成。国防科工局负责工程组织实施管理和大总体协调，战略支援部队航天系统部负责卫星测控和发射，中国空间技术研究院、中国运载火箭技术研究院分别负责实践13号/中星16号卫星、长征三号乙火箭的生产研制，中国卫星通信集团有限公司负责卫星运行管理、试验应用系统以及河北怀来站、喀什站的建设，并牵头组织平台和试验项目的在轨考核，哈尔滨工业大学承担星地激光链路试验研究，负责河北涼水激光通信地面站的建设。

       (1)新卫星平台亮相。实践13号/中星16号卫星是釆用全配置东方红3B卫星平台的首发星。作为东方红3卫星平台的改进型，东方红3B卫星平台是我国研制的最新一代中等容量通信卫星平台，它釆用了综合电子、电推进、高效热控和锂离子蓄电池等先进技术，使卫星平台技术水平得到跨越式发展。这些技术可推广应用至其他平台，有效促进了卫星平台能力提升。

       (2)电推进工程应用。实践13号/中星16号是我国首颗电推进工程化应用的卫星。卫星采用的电推进分系统选用了中国空间技术研究院下属兰州空间技术物理研究所研制的LIPS-200M离子电推进系统，用于执行卫星在轨的南北位置保持任务。卫星在轨寿命为15年。该卫星的研发标志着我国新一代航天电推进技术跻身世界一流，将为我国高轨卫星带来革命性技术突破，为未来我国“全电推”卫星平台的应用奠定坚实的基础。

电推进系统的优点是比化学推进系统的推进效率高10倍左右，具有比冲高、省燃料、振动小、寿命长、较安全和综合性能好等一系列优点。所以，釆用电推进系统的卫星比釆用化学推进系统的卫星，在完成同样任务时所需的推进剂少得多，这样就可以显著降低发射质量，从而大幅降低发射成本；或明显增加卫星上的有效载荷数量，从而提高商业竞争力；或大大增加推进剂携带量，从而延长卫星的使用寿命。过去，1颗卫星维持15年的寿命周期需要675kg化学燃料，而使用离子电推进后仅需90kgo

       (3)卫星通信容量大。由于首次搭载了Ka频段通信载荷，实践13号/中星16号的通信总容量达到20Gbit/s,超过了之前我国研制的所有通信卫星容量的总和。这是我国卫星通信进入高通量时代的标志，真正意义上实现了自主通信卫星的宽带应用，将填补我国在该领域的空白，也会对我国卫星通信产业的发展起到极大的促进作用。

       实践13号/中星16号是国内迄今容量最大的宽带卫星，能够覆盖我国除西北、东北的大部分陆地和近海百千米以上海域。地面无线网络信号覆盖不到或光缆宽带接入达不到的地方，都可以通过实践13号/中星16号卫星方便地接入网络。通过实践13号/中星16号卫星，机载终端可支持高达400Mbit/s的下载速率，而用传统手段，整架飞机只能获得10Mbit/s的网速。列车上网也是如此，4G基站能为高速行驶的整列火车提供不足10Mbit/s的下载速率，实践13号冲星16号卫星可提供破百兆比特的下载速率。

       随着互联网应用的日益普及、卫星通信带宽需求的不断扩大，以及传统C、Ku频段轨位和频率资源的日趋稀缺，卫星通信向Ka频段宽带方向发展就成为一个必然的趋势。Ka频段卫星通信的特点是频带宽、容量大、资源多、覆盖广、成本低、增益大、终端小等，其系统容量是传统通信卫星的数十倍，因此，可广泛用于高速卫星通信、千兆比特级宽带数字传输、高清晰度电视、卫星新闻釆集、VSAT业务、直接到户业务及个人卫星通信等新业务。

      (4)高轨道激光通信。实践13号/中星16号是我国首次在地球同步轨道卫星上开展对地高速激光通信技术试验的卫星。卫星激光通信具有通信容量大、传输距离远、保密性好等优点，在高速空间信息网络数据传输方面具有不可替代的作用，是国际科技竞争的重要战略高地。此前，我国曾在海洋・2上开展过低轨卫星与地面激光通信试验。这次在实践13号/中星16号卫星上开展高轨卫星与地面的双向激光技术通信，速率可最高达到2.4Gbit/s,试验成功后，将标志着我国在该领域的研究达到国际先进水平。

卫星激光通信的信息传输能力远大于微波卫星通信，能够有效解决现代卫星技术发展所带来的数据传输瓶颈问题，使卫星具有前所未有的信息传输能力。

       (5)实现无缝“动中通"。实践13号冲星16号卫星可以助力运营商实现无缝“动中通”。“动中通”是指车辆、轮船、飞机等移动载体在运动过程中的卫星通信保障。据统计，我国平均每天的飞机乘客超过120万人，平均每天的铁路客运量达到760万人，但乘客的上网体验却非常不佳：飞机机舱内无法上网，高铁列车上手机信号时断时续，游轮驶离港口后变成信息孤岛，乘客随时随地上网的需求长期得不到满足。以上问题是由于地面移动网络无法实现全面覆盖，或即使能覆盖，但跨越不同区域导致切换过于频繁，难以为高速交通工具提供服务。由于实践13号/中星16号卫星釆用天地一体化设计理念，其中一项重要业务就是提供高速“动中通，，，通过多波束无缝切换配合机载、车载或船载终端的自动跟踪捕获功能，可以为航空、航运、铁路等各类交通工具上的乘客联通世界，有效改善上网体验。

       (6)用户终端尺寸小。由于实践13号/中星16号卫星搭载了频率更高的Ka频段通信载荷，所以它不仅容量大，可传送高清视频，而且可使卫星的用户终端小，容易装备、携带和使用，还有就是无须单独建网，性价比高。

我国有超过6000万人参与徒步、登山、越野、骑行、海钓、自驾游等户外项目，但因为户外地区通信信号差甚至完全没有信号，每月有近千起迷路或失联事件发生。更重要的是，当发生地震、水灾、海啸等应急突发事件时，一旦地面固定和移动通信业务发生损毁或瘫痪，就无法与外界取得联系，不能及时、快速、准确地传递灾情信息，导致不可挽回的生命和财产损失。釆用Ka频段通信的实践13号/中星16号卫星，有效缩小了用户终端天线尺寸，非常便于携带。所以，无论户外游客还是受灾民众，配备了这种用户终端后都可以随时与卫星建立语音、数据和视频的传输，把途中或灾区的情况第一时间传递出去，为展开救援提供通信保障，将损失降至最小，发挥“应急通信”的关键  

作用。非常期待中国生产的卫星电话的面世。

       (7)国产化水平高。实践13号/中星16号卫星的国产化水平在我国高轨长寿命通信卫星中达到了新的高度，首次实现了100V电源控制器(PCU)、动量轮、地球敏感器、Ka频段宽带接收机和多功能组件等国产化产品的工程应用，改变了相关产品长期依赖进口的局面，关键核心单机实现自主可控，平台产品国产化率达到100%。这对推动我国商用卫星国产化进程，对我国后续卫星载荷技术发展起到至关重要的作用。

该卫星在国内高轨卫星领域首次釆用了多口径多波束天线、固面反射器高形面精度控制等一系列先进技术，并且首次将空间技术试验和示范应用相结合，提供双向宽带通信示范化运营服务。

       经过40多年的发展，我国通信卫星的研制与应用取得了较大的成就，但与欧美等相比，在卫星技术水平、产业规模等方面还有较大差距。例如，国内民商通信卫星多为传统的C、Ku频段转发器，容量有限；通信卫星平台整星功率及有效载荷功率与国际先进水平差距明显；在宽带多媒体通信卫星、移动多媒体广播等新领域的应用尚属空白等。为了进一步推动我国通信卫星技术及产业的发展，后续我国将积极推进以下工作。

       加快新一代大容量卫星公用平台一东方红・5卫星平台的研制。为进一步提升我国通信卫星技术水平和国际竞争力，2015年，国防科工局联合财政部批复了新一代大容量通信卫星公用平台一一东方红・5卫星平台的攻关立项，该卫星平台是我国第5代通信卫星平台，整星输岀功率为28kW,有效载荷质量1500kg,有效载荷功率18kW(可承载120台通信转发器)，卫星平台设计寿命16年，主要性能指标超过目前现役的国际主流卫星平台。

        推进国家民用空间基础设施的实施。2015年，国务院正式批准了《国家民用空间基础设施中长期发展规划(2015-2025年)》(简称《规划》)o按照《规划》安排，至“十四五”，我国将新增建设22颗通信广播卫星，其中全新研制的通信卫星有5颗，包括L频段移动多媒体广播卫星、大容量宽带通信卫星、超大容量宽带通信卫星、高承载比宽带通信卫星、全球移动通信星座科研星等。例如，超大容量宽带通信卫星主要用于满足教育部提出的远程教育容量需求，同时兼顾远程医疗、应急救灾等公益应用，并牵引个人和企业宽带多媒体接入等商业应用，采用东方红・5卫星平台，整星容量超过100Gbit/s,达到国际宽带卫星领先水平，对于促进我国宽带卫星技术进步和产业发展以及推动国际宽带卫星市场开拓具有重大意义。

       启动天地一体化信息网络重大科技工程建设。天地一体化信息网络工程是国家面向2030年科技创新，新一轮启动的重大工程之一。该工程按照“天基组网、地网跨带、天地互联”的思路，以地面网络为依托、天基网络为拓展、天地一体化为手段，通过天基骨干节点、天基接入节点及地面骨干节点构成全球覆盖的天地一体化网络。计划于2020年左右完成典型示范，2025年前实现有效应用，2030年前实现全面服务。其中，天基接入点主要釆用政府主导，积极吸纳社会和商业资本，新增建设我国全球低轨移动卫星通信星座系统。该工程建设完成后，将大幅提升我国卫星通信服务能力，并推动我国电信服务网络向全球服务的转型升级。

       从总体上看，当前和今后一段时期是我国卫星通信产业实现跨越发展的机遇期。国家有关部门也相继出台了一系列政策，鼓励和支持商业航天发展，尤其是2016年国防科工局联合国家发展和改革委员会正式印发了《关于加快推进“一带一路”空间信息走廊建设与应用的指导意见》，明确提出“鼓励企业参与投资建设和合作运营通信卫星电信港，中国有句古话叫“众人拾柴火焰高”，我国通信卫星事业的发展离不开政府和企业的参与，更离不开全社会的支持。政府做好政策保障的同时，也需要企业和社会各界积极推动。如何充分发挥企业的主体作用，搭建更好的平台，也是后续工作的重点。