基于高通量卫星的天地融合宽带通信现状与应用展望

徐鸣 张世杰

银河航天科技有限公司

航天是进入数百千米以上的太空轨道、适应轨道环境并工作于轨道空间的一类科技活动，航天技术将人类科技活动从地球表面扩展到地球周围的三维空间，能够从“上帝视角”服务地面上的人类，具有覆盖范围广、全三维空间、工作效率高等优势。卫星通信是利用空间轨道上卫星进行地面无线通信的技术手段，是将微波通信与航天技术有机融合的高科技产物，卫星通信技术组网方便迅速、覆盖范围广、传输质量高以及通信容量大等，由于不受地球表面地理环境影响，在“老、少、边、穷”地区的通信覆盖成本较低，是全球通信系统的关键组成部分，是弥补信息时代“数字鸿沟”的核心工具。

1945年，英国物理学家A.C.克拉克（Arther C. Clarke）提出利用地球同步轨道卫星作为中继站进行地球上通信的设想，1960年8月，美国通过“回声”1卫星在1600km轨道首次开展了无源中继通信试验，利用卫星进行远距离通信的可行性得到了成功验证。1962年，美国发射了世界上第一颗有源通信卫星“电星”1（Telstar-1），进行了横跨大西洋的电视节目传送实验，虽然该星运行于近地点952km，远地点5933km的大椭圆轨道，每次直播最多不超过18min，但它创造了电视直播的历史，也是覆盖全球通信卫星网络的开端，开启了人类利用卫星进行通信的历史。

一、卫星通信技术发展现状

1963年，美国成功发射了世界上第一颗地球同步通信卫星“同步”2（Syncom -2），在大西洋上首次用于通信业务。1964年，美国发射了第一颗地球静止轨道（GEO）卫星“同步”3，1964年10月经该星转播了（东京）奥林匹克运动会的实况， 1965年发射的“晨鸟”静止通信卫星用于欧美间的商用卫星通信，推动卫星通信进入实用化阶段，也标志着商业通信卫星时代的开端。

1．地球静止轨道通信卫星

由于地球静止轨道周期与地球旋转周期相同、轨道平面与地球赤道平面重合，相对地面静止，并且一颗卫星足以覆盖近1/3的地球表面，在洲际通信服务方面具有不可替代性，卫星通信不受地理条件的限制，具有灵活的可移动性，因此地球静止轨道通信卫星得以快速发展并得以普及。20世纪90年代卫星电视直播到户（Direct To Home）、卫星广播、卫星移动通信等成为几类典型应用。

时至今日，地球静止轨道通信卫星所面临的大时延、低速率、高成本、高风险等问题日益突出，典型地球静止轨道商业通信卫星质量在5~6t，单颗卫星花费金额高达5亿美元左右；“中星”18卫星入轨后失联、国际通信卫星-29e（Intelsat 29e，又称IS-29e)卫星在轨发生故障并解体，导致损失惨重；同时，卫星通信亦受到容量大、传输速率高的地面通信系统的巨大冲击，尤其是卫星越洋通信被海底光缆所替代。近年来，高轨卫星通信朝着高通量、高柔性、小型化的方向发展，相继采用柔性载荷、多波束天线等新技术，研制了高通量卫星、小型地球静止轨道卫星等概念，以降低卫星网络的宽带成本，降低系统风险。

2．低轨窄带大型通信星座

地球静止轨道通信卫星覆盖范围较广，理论上3颗卫星就可以覆盖除南北极之外的全球，但由于地球静止轨道高度导致的通信延迟较大，超过500ms，难以满足低时延用户需求。另外，地球静止轨道卫星由于入射角的原因，无法覆盖南北极区，且在中高维度地区容易被城市建筑或山体遮挡，“南山效应”严重。通过几十颗卫星进行全球覆盖的低轨通信星座，具有全球覆盖、通信延迟小、通信仰角大，并且同时可见3颗以上卫星等优势，可避免信号被遮挡，同时便于实现用户终端小型化。在20世纪80年代末到21世纪初，形成了一股研制低轨移动通信星座的热潮。

首当其冲的当属通信巨头摩托罗拉公司，其基于自身对通信网络覆盖的需求，率先布局“铱”星全球移动通信系统。1985年，“铱”星计划提出，期望构建一个全球覆盖的卫星通信系统，使人们在任何地方都能通过便携式卫星电话进行通信。1998年由66颗卫星（外加6颗备份星）组成的“铱”星座正式部署完成并投入运营，是世界首个实用的大型低轨通信卫星系统，实现了无处不在、无时不在的卫星移动通信，开辟了个人手持卫星通信的时代。

受“铱”星星座构建的影响，同一时期全球先后提出了50余个低轨卫星通信星座，但在2000年后，“铱”星、“全球星”、“轨道通信”等三个构建完成的低轨通信星座构先后破产重组，这一波热潮以失败而告终。究其原因，通过分析具有典型代表的“铱”星系统可以窥见一斑。由于地面移动通信的迅猛发展，以及自身商业运营的各类型问题，“铱”星系统运行一年之后只有2万左右的用户，远少于公司运转维持所需的50万用户，从而造就了一个封闭的通信系统，无法真正融入地面通信系统，没有享受到地面通信快速发展的规模红利，导致铱星公司在正式经营后的半年内就申请破产。

好的航天任务是将空间特性同用户需求紧密结合的产物，航天为人类提供了在高远空间服务地面的技术途径，广域覆盖、不受地面自然环境影响的服务是其核心特性。“铱”星系统提供的话音通信主要以“人”为服务对象，而使用人群主要集中在城区，恰恰是地面蜂窝通信最容易发挥优势的地方。2000年以后，“铱”星系统转向满足短报文等数据服务，服务对象也从“人”扩展到了“物”，“物”的全球分布特性使得“铱星”系统的优势得到充分发挥，到 其商业用户达到了110多万，海洋航班、极区通信等地面手段难以覆盖的区域成为了核心用户需求区，“铱”星系统近年来节节攀升的股价也表明铱星公司获得了重生。当前，伴随着物联网应用需求的爆发式增长，铱星公司开始构建下一代卫星星座，提升了宽带通信服务能力和M2M应用服务，系统建设成本也显著下降，同地面通信系统的融合也逐步深入，可以预期下一代“铱”星星座将会在“万物互联”的这一特定时期发挥不可或缺的重要作用。

3．低轨宽带巨型通信星座

以“铱”星、“全球星”、“轨道通信”为代表的上一代低轨移动通信星座核心业务为话音、物联网等窄带服务。以后，伴随宽带互联网的全面覆盖，尤其是移动互联网的快速普及和商业化迅猛发展，培养了数十亿用网人口的数据型应用消费习惯。同一时期，以高频段、多波束和频率复用为技术特征的高通量卫星技术日渐成熟，将卫星通信速率提升了10倍以上，服务成本有了百倍的下降，变革了传统卫星通信领域，为卫星通信跟上移动互联网时代提供了技术基础。然而地球静止轨道带来的数百毫秒的时延依然是不可克服的技术障碍，难以提供良好的用户体验。为此，近地巨型宽带通信星座逐步兴起。O3b星座是一个成功的典型中轨道高通量卫星星座，其低成本构建并成功商业化运行验证了中低轨高通量卫星星座的潜在发展前景。随后“一网”星座、“星链”星座、Telesat星座、“柯伊伯”（Kuiper）星座、“虹云”星座、“鸿雁”星座等相继提出，推动了由数百甚至上万颗卫星构成的巨型低轨宽带通信卫星星座的发展，成为了当前卫星通信商业化的核心方向。截至12月底，“一网”已经有6颗卫星入轨，“星链”有3批共计122颗卫星入轨，并分别开展了相应的星地融合通信验证。

二、高通量卫星带来的通信变革

高通量卫星通过更高频段的频率复用、多点波束等，充分利用频率资源，显著提高广域内的通信服务能力，单星通信容量达数百吉比特每秒以上，并可为用户提供100Mbit/s的宽带通信服务。高通量卫星也大幅降低了每比特成本，投资成本降为传统通信卫星的1/100，将具备与地面网络相当的带宽成本。

虽然在概念提出时高通量卫星所用频率限定在Ka频段，但当前高通量卫星的内涵已得到极大扩展，可以使用任意频段（C、Ku、Ka以及更高频段），总吞吐量视所分配的在轨频率及频率复用情况可大可小，从技术上可以服务于任何目前由传统固定卫星业务（FSS）提供的商业卫星应用或服务。

1．地球静止轨道高通量卫星

地球静止轨道高通量卫星有效克服了传统地球静止轨道卫星通信速率低、服务成本高等缺点，在一定程度上变革了现有卫星通信行业。从首颗地球静止轨道高通量卫星发射以来，每年发射的此类型卫星由2~3颗增至近10颗，尤其是近年来占发射地球静止轨道通信卫星半数以上。

高通量卫星载荷采用类似地面蜂窝通信的多点波束，有较高的等效全向辐射功率（EIRP），便于地面终端小型化，增强便携性。在服务模式上，采用服务提供商采购转发器容量并自己定义服务的开放系统。用户只需购买终端就可实现高速的宽带互联网接入，满足宽带通信传输需求。正是由于高通量卫星的显著优势，所以近年来的卫星通信市场服务有了积极的变化（图2）。

从图2中可以看出，近几年卫星通信使用总量逐年增加，从类型上来看，传统的视频用量有缓慢增长，但近几年有少量下降，数据用量则显著增长。传统卫星提供容量近年来基本没有增长，甚至有少量降低，但高通量卫星供应则显著增加，体现出高通量显著改变了卫星通信行业现状，高通量卫星和数字业务发展成为主流。

从卫星通信服务收入统计看，随着高通量卫星带来卫星宽带服务需求，从而刺激数据流量业务的迅速增加，收入逐年增长。从用户角度看，高通量变得越来越便宜，用户平均收入（ARPU）相应减少，但低价刺激了需求弹性，用量增长的速度大于单价变便宜的速度，增加了总收入。

2．中低轨高通量通信卫星星座

正是由于高通量卫星技术的显著优势，卫星通信已迈入高通量时代，为克服地球静止轨道通信卫星无法克服的数百毫秒延迟，并满足对更大卫星容量、更高用户带宽的迫切需求，近年来，低轨高通量通信星座逐步得到关注，非地球同步轨道高通量卫星星座的能量利用效率要比高轨卫星高很多,有望提供大容量、低延迟、全球（或近乎全球）覆盖的服务，具有大容量、低时延、低成本等特点，可以经济、便利地实现各种新应用，典型应用以宽带接入、基站中继、移动通信为代表，并提供高速、高容量、随时随地的服务。

与地球静止轨道高通量卫星快速发展相对应，中地球轨道（MEO）和低地球轨道（LEO）高通量卫星星座相继提出或进入研制，如SES公司对O3b中地球轨道星座已相继发射16颗卫星，并持续扩展；“一网”、“星链”、“柯伊伯”、Telesat等低地球轨道宽带大容量巨型星座也进入建设阶段。，一网公司发射了6颗试验卫星，5月和11月，太空探索技术（SpaceX）公司分别采用一箭60颗“星链”卫星的发射方式，开始构建42000颗卫星的宏伟“星链”计划。

我国银河航天公司，对标“一网”和“星链”，于开始研制全球首颗采用Q/V频段的低轨宽带通信卫星，单星容量10Gbit/s，质量220kg。当前已完成全部卫星研制，并准备发射。

高通量通信卫星技术经过十余年的发展，考虑未来对全球覆盖、高速率、低时延、低成本的天地融合宽带通信应用的需求，高通量通信卫星将会在如下多个方面发展：①有效提高多波束天线C/I，增强频率多色复用效率；采用跳波束技术来提高卫星系统的灵活性，实现接收、发射覆盖区和波束位置可动态调整的需求；②研发大增益、多通道的满足星载有源相控阵，终端发射功率小、业务带宽大的要求；③积极开拓新的工作频段，除日益拥挤的Ka频段外，需要向Q/V、太赫兹等频段发展，获取更大带宽资源，进一步提高卫星通信容量；④发展频谱感知、干扰分析与规避等技术，提升低轨星座通信频率共用能力。

三、天地融合宽带通信应用场景设想

卫星通信覆盖范围广、部署快、不受地面环境影响，在特殊地理位置、特殊场合具有不可取代性；地面网络通信具有通信容量大、用户多、成本低等显著优势。未来5G网络建设，尤其是为实现“泛在、无线、智能”特征的6G系统，需要充分发挥卫星通信和地面信息传输系统的优势，从地面、天空互相孤立的网络走向天地融合宽带通信网络。只有天地一体，才能无缝覆盖，从而真正满足“无处不在、无时不在”的网络服务。

在制定5G标准时，第三代合作伙伴项目（3GPP）组织将卫星通信列为5G主要接入技术，充分挖掘其广覆盖优势对扩展5G覆盖等场景的应用价值，并给出了多种可参考的卫星网络的部署方案和应用场景。

基于高通量卫星的天地融合通信将具有广阔的应用前景，应用市场将主要服务于全球视频分发、固定和移动数据连接以及大型运动平台接入等几个方面。

1．中继宽带传输业务

中继宽带传输业务是利用高通量卫星通信广覆盖、机动灵活组网等优势，作为地面连接的有效补充，实现用户终端到中心阶段的通信连接。由于高通量卫星，尤其是低轨宽带通信星座的部署，其通信容量、单用户服务速率、服务成本等都已经达到与地面光纤网络相当的性能。为我国老、少、边、穷等地区的宽带接入提供有效技术途径，消除信息时代的数字鸿沟。

2．数据回传及分发业务

卫星通信能够从三维空间对地面进行服务，对广域范围内的数据播发是发挥其优势的重要应用之一。将通信卫星链路与5G基站进行连接，充分利用通信卫星的多播功能优势，实现相同视频内容的播发（如高清视频、高清/超高清电视以及非视频数据）。尤其是与5G时代的边缘计算相结合，将内容缓存在网络边缘，方便用户就近获取所需内容，实现超低延迟应用。

3．宽带移动通信业务

当前飞机、车辆、火车、船舶等移动平台的普及，人们的活动半径得到极大扩展，对广域范围宽带移动通信业务需求日益增强，尤其是6G时代对泛在通信服务的要求，更是将宽带通信移动性应用同高通量卫星通信业务紧密连接起来。通过卫星链路与大型移动平台连接，并能够根据所需在大覆盖范围内播发或本地存储，实现对用户设备或传感器的高效通信服务，从而真正实现全天候、全地域、全时段的泛在通信服务。

4．混合多媒体业务

为满足家庭和办公室等海量用户对视频、高清电视以及其他非视频数据等多媒体宽带业务的需求，可通过卫星通信与地面网络联合，进行多媒体宽带网络传输优化，解决地面网络负载过重的问题，并提供更加广泛的个性化多媒体服务。

5．新闻传播应用服务

新闻报道的要素之一就是保证新闻现场信息的时效性和真实性，而时效性的保证必然要以快速、畅通、可靠的通信来保证。卫星通信具有覆盖面积大、传输距离远、通信成本与通信距离无关等优势，尤其是与地理自然环境无关的服务能力和建设成本，对于一些人口稀少的偏远地区,或地面线路中断时,卫星通信是不可或缺的通信手段,完成特殊时期的数据、图像及音视频等新闻报道通信任务。尤其是高通量卫星的出现，卫星通信业务的终端设备将会朝着更加小型化、多元化的方向发展，卫星通信应用领域愈来愈广泛，在新闻报道和广播电视传输方面将发挥极其重要的作用。

（1）卫星新闻直播采集。卫星新闻采集车是以卫星通信系统作为传输平台，将新闻现场所采集到的视频及音频信号数字化处理后，进行直接转播或经过编辑后播出的新一代电子新闻采集系统。由于卫星新闻采集车不受地域限制，能够与新闻事件发生完全同步进行地采集和转播突发性以及重要的新闻事件，近年来得到广泛应用。

（2）新闻卫星广播。卫星通信覆盖面积大,通过高通量卫星向国内、外新闻用户播发文字、图片、图表以及视频新闻等。尤其是在我国推动传统媒体与新兴媒体融合发展的重要阶段，高通量卫星广播业务为打通宣传工作“最后一千米”提供了一条重要技术途径。全球卫星网助力融媒体全球新闻报道

（3）多媒体新闻直播。为了更加适应多媒体传播时代的发展要求，近几年来视频报道、新媒体报道得以广泛推广。高通量卫星能够在各类恶劣条件下随时随地高速传输全高清实时音频视频信号，能够有效推动各类型新媒体报道推广。

四、结论

紧密围绕航天提供的从“上帝视角”向地面开展服务的独特优势，挖掘卫星通信广覆盖、高效率、部署快、无差异服务，尤其是低轨高通量卫星的太空互联网星座低成本、短时延、大容量等的特性，总结过去经验教训，展望未来潜在需求，探索卫星通信的应用新领域与应用新模式。紧抓高通量卫星带来的通信领域变革时机，大力发展大容量、高速率的高通量卫星和低轨宽带星座，充分发挥卫星通信与地面通信的各自优势，在覆盖、可靠性及灵活性方面对地面移动通信进行补充，实现天与地的有机融合，推动卫星通信从“建设”到“应用”、从“可用”到“好用”的发展，奠定以“5G+卫星”为核心模式的6G通信的基础。

本文发表于《中国航天》第1期

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