卫星通信新趋势：低、中、高地球轨道卫星当中的高吞吐量卫星

卫星产业已经经历了从传统的数亿美元的大型卫星（>5000千克）的制造向数百万美元的小卫星的制造的巨大转变。在2016年，该行业共进行了126次发射，其中的55次（几近44％）为立方体卫星（CubeSat）。此外，过去5年的卫星发射数量增加了53％，其主要原因在于低地球轨道卫星（LEO）当中的小卫星（<>

近年来，高地球轨道卫星订单数量从原来的每年平均20~25个大幅下降到2016年的仅17个。由于近半数的在轨卫星用于商业通信（35％）或军事通信（14％），而且80％以上的卫星服务用于消费用途（卫星电视，卫星广播和卫星宽带），采用Ka波段技术（由于该波段具有可用带宽）的高速低延迟卫星通信市场逐步兴起。

目前，通信卫星的服役寿命通常为15年以上，在此期间可能发生数种需要对净荷操作要求进行调整的情形，这包括瞬息万变的商业和政治环境，以及新技术和新用途。因此，允许对频率、覆盖范围和功率分配进行重新配置的灵活净荷成为一种应对飞速发展的商业、政治及技术环境的解决方案。

针对5G规划的多无线接入技术（Multi-RAT）将增大对带宽的需求，该技术依赖WiGig、4G、100G以太网及卫星网络等各种异构网络实现其99%以上的带宽有效性。高吞吐量卫星（HTS）在吞吐量方面几乎为固定业务卫星（FSS）20倍，因此成为一种可大幅降低单位比特成本的理想回程替代方案。这进一步产生了对可实现灵活性的含固态功率放大器（SSPA）的高效发射机，高灵敏度接收机及可重新配置相控阵天线的需求。

灵活净荷

虽然为了有效降低服役寿命长达15年的卫星的制造和部署所伴随的风险，卫星通信行业普遍不愿意以新的尖端技术代替已得到验证的极其成熟的设备，但是其也同时正在向在卫星制造、设计和发射上允许更大灵活性的技术的方向转变。2010年发射的高适应性卫星（HYLAS-1）有助于证实灵活净荷技术的可行性，该技术将净荷设计难点从如何满足对多址接入、连接性和速度的要求转变为“透明”的净荷技术。为了降低单位比特成本，需要实现以下三项功能：

· 灵活的覆盖范围
· 灵活的波束功率分配
· 灵活的波束频谱分配

灵活的覆盖范围

相控阵天线等有源电子扫描阵列（AESA）已经在之前的X波段雷达以及最近的毫米波5G和WiGig应用中显示出高度的实用性。由于高频微波电路尺寸更小，因此在上行链路和下行链路中采用更高频段（Ku和Ka）的转发器这一趋势还带来缩减部件尺寸及提高集成度等益处。

虽然相控阵天线的成本和功耗高于无源电子扫描阵列（PESA）和机械扫描天线，但是其具有高度的重新配置能力。相控阵天线的辐射元件阵列与含有移相器的收发（T/R）模块分别连接，从而可通过在目标方向上建设性或破坏性地添加相位的方式，实现高度适应性和定向性的光束。此外，天线元件仅在至少达到Ka波段时才能实现小型化，以允许制成可适用于专用集成电路（ASIC）的更加多功能的设计——随着立方体卫星被越来越多地使用，这一点无论对于地面设备或是卫星，均是一种理想的选择。

图1：预定于2019年发射的欧洲通信卫星公司全Ku波段“量子”卫星（Eutelsat Quantum）通过将软件定义平台与相控阵天线相结合，预计可达到6~7Gbps的吞吐量，并且可在不移动卫星的前提下为移动目标提供卫星连接。

根据美国北方天空研究所（Northern Sky Research）的分析，到2026年，平板天线（FPA）的销售额将达到91亿美元。这些“智能”平板天线不仅限于相控阵天线，举例而言，切换波束阵列（通常用于77GHz车载应用）及无源电子扫描阵列可在实现一定程度的波束适应性的同时，避免数百个收发模块（每个模块均具有移相器、功率放大器、低噪声放大器等耗电器件）所带来的巨大功耗。

“新太空”（New Space）行业的各公司旨在通过低地球轨道和中地球轨道卫星网以满足全球的高宽带低延迟需求，因此将产生对具有高波束捷变性能的卫星和地面终端的需求。OneWeb便是其中的一家怀有远大抱负的公司，其目标为初步组建由648颗卫星构成的低地球轨道卫星网，以覆盖500多万个地面终端。以高地球轨道卫星制造能力闻名的波音公司正在考虑组建属于其自己的低地球轨道卫星宽带网。

此外，SpaceX公司去年向美国联邦通信委员会（FCC）提交了组建能实现全球互联网覆盖的4.425卫星网的申请。从地球静止轨道（高地球轨道卫星）的固定卫星服务（FSS）向低地球轨道卫星的高吞吐量移动卫星服务（MSS）的过渡需要高波束捷变性卫星之间能够无缝切换。这一要求同样适用于与地面终端的通信链路的完整性，这是因为随着Ku波段在卫星下行链路中越来越普及，地面终端存在发生干扰的可能性。

灵活带宽和功率分配

与软件定义无线电（SDR）平台为Wi-Fi、4G、5G及WiGig的研发提供了灵活性一样，软件定义净荷是迈向卫星灵活性的革命性一步。智能天线与含有模拟/数字转换及数字信号处理（DSP）功能的软件定义平台共同提供了一种通用射频前端，其中，不同的复杂软件可在通用的硬件模块上运行。这一趋势不局限于商业无线领域，甚至也不局限于工业物联网（IoT）。

例如，太空电信无线电系统（STRS）项目旨在为NASA的太空和地面SDR平台定义一种开放式架构。其目标在于提供一个可从物理层中抽象出应用层的通用框架，以允许波形和服务在SDR平台上被更为灵活地重复使用。应用程序高度依赖于硬件的高度定制化供应商专用设计成为一项越来越过时的技术趋势。通过简单的固件升级便可实现功能更新的这一能力可大幅延长卫星的使用寿命，其使得运营商再也不用拘泥于固定的覆盖范围和固定的带宽。

传统上，卫星所装的若干转发器具有不允许精细调节的固定带宽。当客户所需的带宽超出其已购买的转发器带宽时，即使超出部分不够一个带宽段的宽度，其也只能再购买一个新的带宽段，从而造成浪费。相反，数字净荷可以模拟模拟转发器的功能，并且既可不做任何修改地重复从地面站接收的信号，也可通过解调，解码，转换，编码及调制“再生”上行链路信号。

如此，通过对带宽和功率分配进行精细划分、控制及监测，可确立灵活的覆盖范围，从而实现更灵活的频谱重复使用及降低此类昂贵“商品”的价格。特别地，针对再生净荷，还通过单板处理器对解调数据实施错误检测和纠正，从而使得该技术总体上比对应的透明转发器具有更好的链路性能。数字透明处理器（DTP）可将每个输入信道分成可变宽度子通道（宽度为数百kHz至数MHz），同时不对接收信号进行任何修改。

虽然透明和再生技术均具有灵活的信道化、频率转换及路由等主要功能，其也只是通往多波束卫星所用先进数字波束成形（DBF）和波束跳频技术的一种过渡。采用带智能天线的数字波束成形技术的优点在于，其可使得卫星能够向高流量需求的波束分配更多的功率或带宽，而且甚至能够根据流量需求在预定的时间内对若干波束进行加强。

数字净荷技术还促进了净荷测试的发展——波音公司最近获得了一项关于内置测试的专利，其中，所有测试部件构建于被测系统之内，从而可实现使数字净荷能够回送特定信号，无需外部测试设备以及缩短交货时间等优点。

高地球轨道卫星中的高吞吐量卫星

目前，用于移动解决方案（用于飞机、船舶和车辆的连接）的高带宽占用量视频串流业务占卫星电信业务量的50%。鉴于高吞吐量卫星使得单位卫星转发器转发价格从2010年以来每年平均以2~3%的速度递降，上述状况必将在未来十年内发生变化。如（图2）所示，根据美国北方天空研究所的分析，在2015年之前，固定业务卫星视频需求将平稳发展，而高吞吐量卫星视频需求预计将以约70亿美元的销售收入急剧上升。

全球卫星容量需求的历史沿革及预测图

图2：全球卫星回程市场预计将从2012年至2021年拓展至原来的3倍（达23亿），其中，高吞吐量卫星预计可在2020年前提供约1.34TBps的容量，并可能将在2025年前跃升至拍字节每秒（PBps）数量级范围。

与传统卫星技术相比，高吞吐量卫星一般具有如下两项主要优势：

· 采用频率更高的Ka波段转发器
· 通过点波束架构实现广泛的频率重复使用

与利用单一波束覆盖尽可能多的用户的方案不同，高吞吐量卫星利用多个小波束（点波束）实现大量的频率重复使用——这一点可通过改变信号频率和极化实现。自第一颗高吞吐量卫星在2004年被发射以来，该技术已经获得了长足发展。

例如，通信公司ViaSat迄今为止已发射了Anik-F2（2004年），WildBlue-1（2006年），ViaSat-1（2011年）和ViaSat-2（2017年）四颗卫星，其总吞吐量分别为2Gbps，7Gbps，130Gbps和300Gbps。此外，计划在2019年或2020年发射的ViaSat-3将具有1000Gbps以上的吞吐量。根据ViaSat的说法，这种指数式增长是通过尽一切可能措施优化频谱的重复使用以使得卫星获得最大带宽的方式实现的。

这些措施当中的一种为增加地面网关的数目，其中，ViaSat-2的网关数为ViaSat-1的两倍，而为了实现兆兆位（TB）每秒级的吞吐量，ViaSat-3进一步增加了数百个网关（比ViaSat-2多10倍）。此外，地面设备的技术进步还使得成本获得了相应的缩减——ViaSat-1所使用的天线尺寸为7米，而ViaSat-2天线的尺寸略大于4米。ViaSat-2网关的成本为ViaSat-1网关的一半以下。另外，ViaSat-3的网关天线尺寸预计将在2米以下 。

低地球轨道卫星中的高吞吐量卫星

虽然大型地球静止轨道高吞吐量卫星将在上述未来数十年内获得高于固定业务卫星的实用性，但是小型高吞吐量低地球轨道卫星的前期成本更低，而且组网后的延迟连接性也更低。小型低地球轨道卫星网具有以生产流水线制造的潜力，这可降低单位卫星成本及前期资本性支出（CAPEX）。此外，小卫星的发射成本不但在过去十年中已获得大幅下降，而且在未来数十年中随着可回收火箭的普及，还将进一步下降（图3）。

甚小型运载火箭及其已公布的投资情况

图3：中型卫星的发射成本在过去数年中已从2.5亿美元下降到6500万美元，而且还将因联合发射联盟（ULA）和蓝色起源（Blue Origin）等公司的降价计划进一步迅速下滑。

虽然立方体卫星和小卫星的功能提升为航天领域中最受关注的一些发展成果，但是这项技术还需克服一些重大技术瓶颈才能实现无缝连接性。为了将成熟的成像小卫星转换为通信卫星，必须满足相应的大功率密度要求。由于只有在更高的高度下才能关闭与双向地面终端的链路，因此通信应用通常比成像应用需要更大的功率。这就要求开发更大的电池组及太阳能电池板。早在21世纪初推出的铱星（Iridium），全球星（Globalstar），天空之桥（Skybridge）及泰利迪斯（Teledesic）等低地球轨道卫星网均已以失败破产告终。

虽然通过数千颗低地球轨道卫星可实现全球覆盖，但是考虑在极地和相对荒芜的地区所花费的时间量，其效率可视为较为低下。此外，该技术还需要越来越复杂的地面终端及多卫星之间的无缝切换——这正是相控阵天线的一项潜在应用。虽然智能天线技术因其在众多应用中的实用性而同时正在被开发，但是考虑到需要在各种不同高度下使用，因此其在具有高服务可用性和可靠性的卫星技术中应用可能还需若干时日。

贵精不贵多

殊途同归，卫星技术的所有趋势都可归结为降低成本和优化效率这两点。全电推进系统可大幅减小卫星的发射重量。日前，空中客车公司制造的高吞吐量卫星Eutelsat-172B打破了最快电动轨道提升（EOR）卫星的记录。Eutelsat-172B的重量仅为3550公斤，如果使用传统的化学推进方案，这一重量将至少为6000公斤。可回收火箭可进一步降低卫星的部署成本，并可能成为未来发射的主要形式。

为了满足不断增长的数据需求，无论是高地球轨道卫星当中的大型高吞吐量卫星，还是低地球轨道卫星/中地球轨道卫星当中的小型低价位立方体，均需在功率极度受限环境中最大限度地利用资源。低功率附加效率氮化镓（GaN）功率放大器（PA）及GaAs pHEMT/mHEMT技术极低噪声放大器（LNA）等微波集成电路的发展成果可实现高功率密度及高灵敏度接收器。地球同步卫星具有航天器使用寿命长且无需大规模生产整个航天器系统的优点，而由立方体卫星/小卫星组成的低地球轨道卫星网可实现全球范围内的低延迟通信。