軌道通信衛星

通信衛星已經成為在軌數量最多的太空飛行器，各國已將通信衛星與經濟發展、社會服務、軍事國防等領域密切關聯。從通信衛星分布的軌道來看，除美國和俄羅斯等少數國家或組織在低地球軌道（LEO）部署通信衛星外，通信衛星主要集中在地球靜止軌道（GEO）。為了克服靜止軌道通信衛星的種種不足，各國發射了一些低軌道通信衛星。低軌道衛星離地球近、路徑短，能克服地球靜止軌道衛星存在的種種缺陷。由於低軌道衛星信號覆蓋地面面積小，為了覆蓋全球，需要用幾十顆衛星組成星座和系統才能進行全球通信。

基本介紹

• 中文名：軌道通信衛星
• 外文名：Orbiting satellite
• 類型：地球靜止軌道、低軌道通信衛星

發展概述

自1965年全球第一顆靜止軌道通信衛星投入商用至今，靜止軌道衛星通信系統的衛星與地球站總發展趨向是大衛星小終端。整個通信衛星發展的歷程從一定意義上講是從小衛星到大衛星發展的過程。最早的商用靜止軌道通信衛星是自旋穩定小衛星—國際通信衛星－1，其發射質量僅68kg，現已發射的最大三軸穩定衛星中圓軌道－G1（ICO－G1）衛星的發射質量達6634kg。早期的自旋穩定通信衛星平台因電源功率滿足不了發展的要求，已完成歷史任務。衛星製造商研製的大功率衛星平台都是三軸穩定的衛星平台，且愈做愈大，現代大衛星技術性能正在向大容量、高等效全向輻射功率（EIRP）、高的接收品質因數（G/T）和增加星上處理能力方向發展。

而從一定意義上講，整個通信衛星地球站發展的歷程是從大尺寸、大質量的固定地球站到小尺寸、小質量的攜帶型和手持式用戶終端。早期最大的固定地球站是天線口徑為30m的“國際通信衛星”A型站，如今最小的地球站是衛星移動通信和衛星移動廣播電視業務用的手持終端。現代用戶終端正在向小型化、寬頻化、綜合化和智慧型化方向發展。

國外地球靜止軌道通信衛星的發展

通信衛星已經成為在軌數量最多的太空飛行器，各國已將通信衛星與經濟發展、社會服務、軍事國防等領域密切關聯。從通信衛星分布的軌道來看，除美國和俄羅斯等少數國家或組織在低地球軌道（LEO）部署通信衛星外，通信衛星主要集中在地球靜止軌道（GEO）。

2011-2015年，全球GEO通信衛星領域經歷了長足的發展，主要表現為高吞吐量衛星、寬頻移動通信衛星、高畫質電視直播衛星、全電推進衛星等多類衛星的發射，以及多種新型通信衛星有效載荷技術的套用。

高吞吐量通信衛星

2011年10月19日發射的由勞拉空間系統公司研製的衛訊-1（Viasat-1）衛星是近5年高吞吐量通信衛星的代表，單星擁有56台Ka頻段轉發器，總數據吞吐量可達140Gbit/s，比當年北美地區上空其他所有商用通信衛星的總容量還大，該容量是休斯網路系統公司2007年8月發射的首顆全Ka頻段寬頻通信衛星太空之路－3（Spaceway－3）總容量的14倍。衛訊-1衛星採用了Ka頻段72個點波束和頻分復用等技術，使衛星總容量在Ka頻段達到最大限度，上傳最大速率4Mbit/s，下載最大速率可達10Mbit/s。2013年3月，美國衛訊公司（Viasat）演示了該衛星為直升機提供超視距、高性能、寬頻通信服務，直升機可與地面站點或直升機之間建立4Mbit/s或8Mbit/s的數據傳輸鏈路，且不受振動、衝擊、螺旋槳的固有重複信號阻塞等影響。

寬頻移動通信衛星

由國際移動衛星公司（INMARSAT）構建的首個全球衛星寬頻移動通信網路“全球快訊”（GlobalXpress）初步建成，該網路由4顆波音公司研製的國際移動衛星公司第五代寬頻移動通信衛星構成，其中包括3顆工作星和1顆在軌備份星（該星預計2016年發射），各衛星均採用波音衛星系統-702HP（BSS-702HP）平台。3顆工作星分別部署在太平洋、大西洋和印度洋上空，提供高解析度視頻、音頻和數據通信服務，可為商業用戶（能源、海事、航空等）、政府部門、軍事機構提供速率高達50Mbit/s的高速移動寬頻服務。衛星採用透明轉發體制，通過6副Ka頻段固定波束天線（4副接收天線，2副發射天線）實現全球覆蓋；使用6副Ka頻段可動點波束天線來提高通信容量；採用2副饋線波束天線形成89個點波束（最多72個波束同時工作），實現除南北兩極以外的全球覆蓋。此外，“全球快訊”網路可提供軍用通信業務，用於補充美國“寬頻全球衛星通信”衛星系統在某些地區或特定區域覆蓋容量不足的問題。

高畫質電視直播衛星

近5年由美國直播衛星公司（DirecTV）構建的2 顆專用於高畫質電視傳輸的直播衛星-14、15（DirecTV－14、15）發射升空。直播衛星-14由勞拉空間系統公司研製，於2014年12月6日成功發射，衛星採用LS-1300平台，Ka頻段有效載荷，並安裝了最新研發的反向頻率載荷，該反向載荷將當前的上行頻率用於下行傳輸，而下行頻率則用於上行到衛星，即使用原上行頻率來直播電視信號，故此技術可獲得更寬頻寬。為了避免因使用反向頻率載荷對原頻率載荷的干擾，需要使用高度聚焦型天線。直播衛星-15衛星由歐洲空客防務與航天公司研製，於2015年5月27日成功發射，衛星採用歐洲星-3000（Eurostar－3000）平台，有效載荷包括30台Ku頻段轉發器、24台Ka頻段轉發器和18台發向直播轉發器，該衛星將與直播衛星-14衛星一起提升直播衛星公司4K高畫質電視轉播能力。

美國通信系列“新軍三星”

2011－2015年間，美國軍方GEO通信系列的“新軍三星”，即寬頻類型的“寬頻全球衛星通信”、窄帶類型的“移動用戶目標系統”和防護型的“先進極高頻”系統全面開始在軌部署，並完成初步的組網任務，預計到2020年將實現10顆“寬頻全球衛星通信”衛星、5顆“移動用戶目標系統”衛星和6顆“先進極高頻”衛星在軌服役。

全電推進衛星

2015年3月2日，以波音公司研製的BSS-702SP平台為代表的世界首批全電推進衛星發射入軌，包括亞洲廣播衛星公司（ABS）運營的亞洲廣播衛星公司－3A（ABS－3A）衛星和歐洲通信衛星公司（EUTELSAT）運營的歐洲通信衛星公司－115WB（Eutelsat－115WB）衛星，這兩顆GEO衛星採用一箭雙星方式發射。

BSS-702SP平台最大特點是採用8台氙離子推力器實現變軌和位保等任務，取消了傳統的化學推進系統，有效降低了平台質量。此外，該平台還採用了新一代綜合電子系統構架，簡化了數據管理並增強了衛星健康管理能力。該平台橫向尺寸2134mm，高度4572mm；可承載47台轉發器，可為有效載荷提供3～8kW電能；衛星設計壽命15年。

BSS－702SP平台配置的8台氙離子推力器中，4台安裝在背地面的南北側，另外4台分布在背地面的4個角點上。其推力器有兩種工作模式：①高功率模式，功耗4500W、推力165mN、比沖3500s、總效率65%；②低功率模式，功耗2300W、推力79mN、比沖3400s、總效率63%。根據702SP平台的供電能力，變軌過程採用高功率模式，共有2台推力器工作，功率9kW，最大推力330mN；位保過程只使用1台推力器，工作在低功率模式。

衛星雷射通信

近年來各國實施了多項空間雷射通信研究，以美國航空航天局（NASA）為代表的科研機構在“國際空間站”、月球探測器和衛星上進行太空與地面間的雷射通信技術試驗，目標是使未來太空飛行器的通信傳輸速率提高10～100倍，達到現有地面光纖網的水平。

2010年，噴氣推進實驗室（JPL）和麻省理工學院（MIT）林肯實驗室進行首次地球到火星的雷射通信演示試驗（MLCD），來測試深空雷射鏈路，其通信速度將是現有微波通信速率的10倍以上。從2012年起NASA開展“雷射通信中繼演示驗證”（LCRD）項目，計畫於2017年搭載勞拉空間系統公司研製的GEO衛星進行試驗，採用雷射相干通信方式，實現上下行2.88Gbit/s的通信速率。2013年10月，美國首次完成了繞月衛星雷射通信演示試驗（LLCD），成功實現上行20Mbit/s、下行622Mbit/s的雷射通信速率。繞月衛星雷射通信演示試驗是雷射通信演示試驗項目的前奏，用以驗證相關技術。2014年6月，NASA首次通過雷射方式以50Mbit/s的下行速率，用時3.5s從“國際空間站”成功向地面傳送長達30s的高清視頻，若採用傳統的微波方式則需10min以上的時間。

此外，在“哥白尼”計畫中Gbit/s量級星間雷射鏈路試驗取得成功後，歐洲航天局和空客防務與航天公司於2015年初繼續推進“歐洲數據中繼系統”（EDRS）的建設，該項目星間雷射終端數據傳輸率可達1.8Gbit/s，星地鏈路則採用Ka頻段轉發器以克服大氣影響。2015年法國和日本通過日本某顆近地軌道衛星上的雷射終端與法國科索爾天文台進行了多次星地雷射鏈路試驗，以獲取雷射束穿越大氣層的傳播特性數據。

低軌道通信衛星

為了克服靜止軌道通信衛星的種種不足，各國發射了一些低軌道通信衛星。低軌道衛星離地球近、路徑短，能克服地球靜止軌道衛星存在的種種缺陷。由於低軌道衛星信號覆蓋地面面積小，為了覆蓋全球，需要用幾十顆衛星組成星座和系統才能進行全球通信。

低軌道通信衛星主要用於移動通信，可為衛星電話、車載、船載、飛機等移動終端在任何時間、任何地點提供全球通信、無縫連結服務，十分方便，通信質量也好。它廣泛套用於衛星通信、全球通信、遠洋通信、抗災救災、搜尋救援等。

1990年代，美國率先開展了低地球軌道通信衛星計畫。20多年來，低軌道衛星系統幾經起落，甚至差一點全軍覆沒。經過艱難發展，特別是手機技術、移動通信一機在手，連結全球技術、網際網路技術的迅猛發展，低軌道通信衛星系統死而復生。如今，衛星手機、移動電腦等移動終端可隨時連結衛星通信，傳輸電話與數據，下載圖片、視頻和多媒體內容。

低軌道通信衛星系統有三大特點：低軌道、大星座、移動通信。低軌道通信衛星系統對其他衛星系統和各國衛星發展具有重要意義。著名的低軌道通信衛星系統有：“銥星”衛星通信系統、“全球星”衛星通信系統、“泰利迪斯”衛星通信系統等。

未來通信衛星發展需求

提高衛星收發能力

由於衛星通信技術發展和衛星能力提高， 現有商用靜止軌道通信衛星移動通信業務的用戶終端已由攜帶型發展到手持式，典型的衛星為格魯達－1（Garuda－1）衛星和瑟拉亞－1 、2 、3 （ T h u r a y a － 1 、2 、3）。這兩種衛星移動通信系統體制都與地面現有GSM蜂窩移動通信系統體制相兼容，但兩者使用的手機有一定區別，地面移動通信手機為內置式天線，而衛星移動通信手機為外置式天線，且其體積和質量都較大。

從發展要求考慮，顯然希望衛星手機能進一步小型化，天線為內置式，最後實現與地面移動通信用手機相近或相同。其差距較大的重要原因之一是衛星手機發射信道的等效全向輻射功率和接收信道的接收品質因數均大於地面移動通信手機。如要實現衛星通信手機與地面通信手機“無差異” 目標， 降低衛星手機的等效全向輻射功率和接收品質因數，勢必要成倍提高衛星的這兩項指標，也就是要大幅度增大衛星天線口徑和發射功率，這就需要更大衛星來實現。

增大通信衛星容量

隨著現代通信業務的多樣化和多媒體化， 對通信業務類型、業務量和傳輸速率要求正在不斷增長和提高。據國外預測，業務傳輸速率增長值從2005年的1.5～51.8Mbit/s到2010年的155Mbit/s～2.4Gbit/s，而且2010年後將達到100Gbit/s～1Tbit/s。衛星通信是電信業務的一個重要組成部分，隨著人們對信息的需求愈來愈高，與之相適應，對衛星的通信容量要求也在不斷提高。當前世界上通信容量最大的商業寬頻衛星“網際網路星”的通信總容量已高達40Gbit/s，其發射質量高達6300kg。為了滿足長遠發展需要，特別是滿足發展中超高速率信息傳輸需要，還應不斷提高衛星容量，提高衛星有效載荷頻寬和功率，衛星質量也就相應的增大。

增強衛星處理能力

現有衛星使用的轉發器有透明轉發器和處理轉發器兩類。所謂透明轉發器是對接收信號只進行放大、變頻和再放大的轉發器；所謂處理轉發器是對接收信號的調製-解調製式或多址方式進行加工處理的一種轉發器。

通信衛星處理轉發器功能和特點： 通過對信號解調和再生，可去掉上行線路中疊加在信號上的噪聲，提高整個通信鏈路的傳輸質量，並且能夠實現上下鏈路分開設計，可使上下鏈路實行不同的調製體制和多址方式，以降低傳輸要求和地面設備的複雜性；通過星上信號處理，可實現用戶線路的信道、頻率、功率和波束的動態分配，以使衛星資源得到最佳利用，並可建立星際通信鏈路，以實現衛星星際聯網等；通過前向鏈路與後向鏈路信號處理器連線，可實現移動用戶之間一跳通信。全球現有的通信衛星雖然使用處理轉發器的衛星甚少，但隨著星上處理技術的進步，大容量寬頻多媒體通信需求增長，蜂窩狀多點波束覆蓋服務區要求增多，星上處理轉發器的使用會逐步發展起來。

具有星上處理能力的寬頻通信衛星主要有：2007年8月發射的由美國休斯網路系統公司運營的寬頻衛星太空之路－3，星上採用Ka 頻段再生處理轉發器，發射天線採用2m直徑1500單元相控陣多點波束天線；2008年2月發射的日本超高速網際網路衛星“寬頻網路工程試驗及演示衛星”（WINDS），星上超高速通信業務使用彎管式Ka頻段轉發器，超高速多媒體通信業務使用再生交換[異步轉移模式（ATM）交換、網際網路路由轉換]Ka頻段轉發器；2000－2008年間發射的用於移動通信的格魯達－1衛星和瑟拉亞－1、2、3衛星，其星上都設有用於各轉發器所有信號分路、選路和複合的信號處理器，並實現手持機用戶之間一跳通信。

提高衛星工作能力的途徑

發展超大型衛星

為提高現有通信衛星平台能力， 勞拉空間公司正在研發超大型平台——LS－20.20衛星平台，該平台可裝配150台轉發器，整星質量達5000～7000kg，整星輸出功率可達30kW，大約是FS－1300平台轉發器容量的3倍和輸出功率的2倍。

發展各衛星獨立的“衛星簇”

所謂各衛星獨立的“ 衛星簇”是簇中各衛星處於同一軌道位置, 彼此無通信鏈路連線的衛星群。為了避免各衛星在同一軌道位置中運行彼此碰撞或遮擋陽光以及各自測控和通信中彼此干擾，因此各衛星的在軌運行和頻率配置方面有一定約束。可以把這種衛星簇理解成一個超寬頻段大容量通信衛星。當現有衛星平台不能滿足要求時，可將超寬頻段分割成多個子頻段，在同一軌道上配置多顆載有不同子頻段轉發器的衛星同時工作提供服務。

服務於歐洲地區的同一軌道位置多顆衛星組成的衛星簇中最大的有兩個： 一個是位於19.2°（ E ）的“ 阿斯特拉” （ASTRA） 系列7 顆衛星（1B、1C、1E、1F、1G、1H和2C） 組成的衛星簇， 它擁有10.70～12.75GHz下行Ku頻段和29.50～30.00GHz下行Ka頻段；另一個是位於13°（ E ）“ 熱鳥”（Hot Bird）系列5顆衛星（1、2、3、4和6）組成的衛星簇，它擁有10.70～12.75GHz下行Ku頻段和19.70～20.20GHz的下行Ka頻段。

發展各衛星相關的“衛星簇”

所謂各衛星相關的“ 衛星簇”是簇中各衛星處於同一軌道位置,彼此有通信鏈路直接聯接的衛星群。歐洲航天局有關專家對這種衛星簇進行了研究，將其稱為空間區域網路（SkyLAN）。空間區域網路的基本概念是將1顆大衛星分成數顆小衛星組成衛星簇，各小衛星間用星間鏈路來完成有關任務，各小衛星集成功能等同於1顆大衛星。依據這一概念給出了兩個設計案例：服務區覆蓋全歐洲的寬頻多媒體衛星簇和電視直播衛星簇。

（1）寬頻多媒體衛星簇

4顆功能和性能相同的寬頻多媒體小衛星相當於1顆原始寬頻多媒體大衛星。原始寬頻多媒體大衛星一般裝載256台Ka頻段轉發器，其中彎管式轉發器為關口站與用戶終端間通信鏈路服務，再生式轉發器為用戶終端間通信鏈路服務；用4色波束頻率復用覆蓋服務區，全系統有效頻寬14.4GHz；通信信號執行歐洲數字視頻廣播標準DVB-S和DVB-RCS；關口站採用雙極化天線，用戶終端採用單極化天線。

（2）電視直播衛星簇

電視直播衛星簇由3顆接收/發射（Rx/Tx）衛星和1顆處理衛星組成，衛星簇星際鏈路呈星狀結構，以處理衛星為中心，處理衛星攜帶一個大處理器，用於DVB-S解調和視頻及音頻壓縮標準MPEG2-TS多路復用處理，還配備有一個接收多點波束Ka信號的天線和3個衛星中繼線路終端，該衛星的軌道位置可以與3顆接收/發射衛星不在同一軌位。

原始電視直播大衛星一般裝載134台Ku頻段和5台Ka頻段轉發器，其中彎管式轉發器為上行饋電站與用戶終端間通信鏈路服務，再生式轉發器用以處理視頻多路復用信號，這些信號來自上線的各種分散節目播送設備；用三色波束頻率復用覆蓋服務區，全系統有效頻寬4.78GHz，提供大於800路數位電視頻道；廣播信號執行歐洲DVB-S標準，關口站和用戶終端均採用雙極化天線。

發展高性能“虛擬衛星”

由衛星通信性能分析看出，要有效提高衛星轉發器的接收品質因數值和等效全向輻射功率，並通過提高衛星頻率復用次數以增大可用頻寬，最主要的手段是採用超大口徑天線，以形成超高增益點波束蜂窩狀覆蓋服務區。但衛星簇的概念無法實現這一功能，於是提出了發展具有超大口徑天線的“虛擬衛星”設計思想。“虛擬衛星”即“分離模組衛星”，由密集分散式模組組成，各模組之間通過無線線路或有線線路（繫繩）建立聯繫，其在功能和控制上相當於一顆大衛星。

具有超大口徑天線功能的“虛擬衛星”設計概念有4種：一為採用自適應薄膜反射器饋電陣天線的靜止軌道通信衛星，其反射器口徑為100m，產生1000個點波束,每個波束容量為2Gbit/s；二為採用自適應薄膜透鏡饋電陣天線的靜止軌道通信衛星；三為採用旋轉繫繩聚集式天線的靜止軌道通信衛星，星上有6個反射器，每個口徑為25～50m，產生200個點波束，每個波束容量為1Gbit/s，在軌整星質量15t，壽命20年；四為採用旋轉皮衛星群天線陣的靜止軌道通信衛星，由眾多皮衛星（每顆質量為23g）組成橢圓形衛星群， 長軸約為50km，短軸約為25km。