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时间: 2024-9-5 16:19

作者: zhuzerui 标题: 【学习笔记】卫星通信发展趋势

卫星通信系统是融合现代通信技术、航天技术与计算机技术的综合应用，已成为国际与国内通信、国防、移动通信及广播电视领域的关键基础设施。基于其频带宽度大、通信容量高、业务兼容性强、覆盖范围广、性能稳定、地理条件适应性高及成本与距离无关等特性，卫星通信确立了其在现代通信中的重要地位。卫星通信系统由通信卫星、地面站及用户终端构成。通信卫星作为信号中继站，接收并转发地面站发射的信号至指定接收点。

地面站负责信号的上行传输至卫星及下行接收卫星转发的信号，并将其转送至用户终端。用户终端涵盖手机、电视接收器、船载与机载通信设备等，通过接收卫星信号实现通信功能。具体而言，卫星通信系统通过多颗在轨卫星构建全球覆盖的通信网络，实现从太空到地球的信息传输，为陆地、海洋及空中提供远距离通信服务。这一系统架构确保了全球范围内的信息互联互通，展现了卫星通信技术在远程通信领域的卓越效能。

图1 卫星通信示意图

卫星通信系统以其独特的四大核心特性，深刻彰显了在现代通信技术中的卓越贡献与复杂挑战。首先，卫星位于数百乃至数万千米的高空，确保了覆盖范围内通信成本的恒定性，即使在最远达 18,000 公里的距离下，地球站建设成本也与距离无关，仅需三颗地球静止卫星即可基本实现全球覆盖，体现了广域通信的经济高效性。其次，卫星通信以广播方式工作，任一具备发射机的地球站均可在覆盖区内广播信号，为地球站间建立通信连接提供了灵活的组网方式，增强了多址联接的便利性。再者，卫星通信利用微波波段的宽频带，结合太阳能技术与日益增长的转发器功率，随着新体制、新技术的不断进步，不仅通信容量持续扩大，业务类型也日益丰富，满足了多媒体通信与宽带互联网接入等多样化需求。最后，由于卫星与地面站间距离远，通信系统需采用高增益天线、大功率发射机、低噪声接收设备及高灵敏度调制解调器等先进技术，且必须承受极端空间环境的考验，包括高低温差、宇宙辐射等，这要求卫星设备必须具备特殊适应性与高可靠性设计，确保在复杂条件下长期稳定运行，充分体现了卫星通信技术的高技术含量与可靠性要求。

图2 全球通信基础设施中的卫星

卫星的分类体系主要依据三个维度：应用领域、下游使用对象及轨道高度。按功能应用划分，卫星系统可分为通信卫星、导航卫星与遥感卫星等类型。全球范围内，通信卫星占据主导地位，数量占比高达 64%，凸显其在构建全球通信网络中的核心作用。而国内卫星构成中，遥感卫星则占据首位，占比 53%，反映遥感技术在国内广泛应用的现状。依据下游使用对象，卫星可细分为军用卫星、政府卫星及民用卫星。全球视角下，民用卫星构成主体，占比 72%，体现了卫星技术与民用市场深度融合的发展趋势。在国内，政府卫星占据较大份额，占比 38%，表明政府在卫星应用领域的主导地位。从轨道高度角度，卫星分为低轨道卫星、中轨道卫星与高轨道卫星。近年来，全球范围内低轨道卫星发射数量显著增长，成为卫星发射的主要类型，这一趋势反映了低轨道卫星在提高通信质量、增强导航精度及提升遥感效率等方面的优势，预示着低轨道卫星技术的蓬勃发展与广阔应用前景。

图3 卫星分类

全球主要卫星星座规划

全球低轨卫星遵循“先占永得”的规则，因此有极强的竞争属性。卫星绕地球运行需要申请轨道和频段资源，国际电信联盟（ITU）在轨道和频段资源获取上遵循“先登先占、先占永得”的原则。

低轨卫星凭借其独特优势，成为个人全球通信领域的优选方案。通信卫星根据运行轨道高度，主要分为低地球轨道（LEO）、中地球轨道（MEO）、地球静止轨道（GEO）、太阳同步轨道（SSO）和倾斜地球同步轨道（IGSO）等类型。其中，LEO 轨道以低于2000 公里的高度运行，尽管单颗卫星的覆盖范围有限，但通过构建由数十至数百颗卫星组成的星座网络，能够实现全球范围内的无缝通信覆盖，尤其在高纬度地区如南北极，有效弥补了高轨道卫星的覆盖盲区。低轨卫星的最显著优势在于其超低时延特性，特别适合实时性要求极高的应用场景，如实时通信和数据传输。同时，低轨卫星的链路损耗显著减小，降低了对终端设备处理能力的要求，推动了终端设备的小型化与高速数据传输能力的提升。这一特性不仅优化了用户体验，还为低轨卫星网络在个人全球通信领域开辟了广阔的发展前景。低轨卫星以其低时延、低损耗和终端小型化的优势，不仅能够提供全球无缝覆盖，还在提升实时通信和数据传输效率方面展现出巨大潜力，正逐步成为构建高效、便捷通信生态的关键技术之一。

表1 卫星通信的技术趋势（低轨星座）

低轨道小型化卫星与规模制造技术的革新，显著降低了卫星行业的进入门槛，推动了卫星通信领域的深刻变革。随着互联网与物联网技术的普及，多元化通信需求如机载、船载、空间中继等持续增长，卫星通信正步入低轨化、小型化的新纪元，以高通量卫星与中低轨星座等技术平台为依托。成本考量是卫星通信行业不可忽视的核心，尤其在产业链上游的“卫星制造”与“火箭制造”环节。低轨小型卫星的兴起，以其显著的成本优势——更短的研制周期、更低的研制与发射成本——正改变行业面貌。与传统大卫星相比，小卫星、微小卫星、纳卫星及皮卫星等在成本效益上更胜一筹，为行业提供了更灵活、经济的通信解决方案。规模制造技术的飞跃，进一步强化了低轨小卫星的优势。它不仅支持微小型卫星的标准化与功能专一化设计，更使成千上万颗小卫星的大规模生产成为现实，大幅提升了生产效率，降低了单颗卫星的制造成本。这一规模化生产模式，为构建全球覆盖的低轨卫星网络铺平了道路，预示着卫星通信领域的应用空间将空前广阔。此外，近年来可回收火箭技术的快速发展，为行业商用化提供了强大支持，与规模制造技术相辅相成，共同推动着卫星通信行业向更高效、更经济的方向迈进。早期高轨同步轨道卫星的“定制”研发模式因成本高昂且生产受限，逐渐让位于低轨星座中的微小型卫星，后者以其体积小、功能专一等特性，实现了大规模生产，展现了卫星制造与应用的未来趋势。

图4 不同轨道类型卫星示意图

低轨空间正逐渐成为全球航天发展的战略焦点，随着技术的成熟与需求的激增，低轨星座的批量部署已迈入高峰期。这一趋势可追溯至 20 世纪 80 年代至 2000 年前后，摩托罗拉的“铱星”计划率先提出，通过部署 66 颗低轨卫星，构建全球卫星通信网络的宏伟蓝图。

而今，SpaceX 的“星链”计划将这一愿景推向新高度，计划发射约 4.2 万颗通信卫星，其中1584 颗卫星将部署在近地轨道，旨在创建覆盖全球的高效卫星通信网络，为全球用户带来廉价、快速的宽带互联网服务。全球低轨卫星发展的火热态势吸引了多方参与，SpaceX 的星链计划、OneWeb、亚马逊的 Kuiper、加拿大 Telesat、俄罗斯的 Sphere、德国的 Rivada以及韩国三星等，纷纷规划了宏大的卫星发射计划，共同推动低轨卫星星座的发展。

表2 各国主要卫星互联网星座部署计划

SpaceX 星链与发射业务均引领行业发展。截至 24 年 4 月，SpaceX 已经向 LEO 发射了超过 6,000 颗星链卫星，其中大约 400 颗卫星已脱离轨道，有 5600 颗卫星正在运行，占到全球总活跃卫星数量的 50%左右，拥有举足轻重的地位。这成就背后，猛禽发动机的迭代进化功不可没。第三代猛禽发动机的诞生，标志着 SpaceX 在推动太空探索技术上的又一重大突破，其内部流动路径的优化与再生冷却技术的引入，实现了性能、可靠性和成本的三重飞跃。

猛禽发动机的迭代升级，从 V1 至 V3，每一步都承载着技术创新与成本优化的双重使命。V3 发动机较前两代在推力、结构精简、成本控制上实现了质的飞跃，其内部化二次流道与再生冷却技术的应用，更是体现了 SpaceX 对追求效率与复用性的要求。内化二次流道不仅整合了发动机的次要气流通道，简化结构，减轻重量，还显著提高了发动机的可靠性和性能。再生冷却技术的内部集成设计，不仅减轻了重量，提高了热效率，也确保了发动机在极端环境下的稳定运行，为实现快速完全复用的太空运输系统奠定了坚实基础。

图5 三代猛禽发动机示意图

马斯克的“第一性原理”在发动机设计中的应用，通过 3D 打印技术的大量使用，进一步体现了对“最佳零件是无零件”的追求。3D 打印的集成与精简，不仅在设计上实现了创新，也在生产效率和成本控制上带来了革命性变化。从发动机部件到燃料系统组件，从隔热罩到有效载荷整流罩，3D 打印技术的应用贯穿 SpaceX 的整个供应链，为星舰及Super Heavy 助推器的高效生产和性能提升带来了前所未有的可能。

中国卫星互联网宏伟蓝图

千帆星座

中国在低轨卫星互联网领域的雄心壮志正随着“千帆星座”（又名：G60 星链计划）的稳步推进而逐渐显现。这一项目由上海垣信卫星科技有限公司引领，自 2023 年启动以来，便以全频段、多层多轨道的创新设计，以及包含三代卫星系统的规划，吸引了全球目光。

2024 年 8 月 6 日，项目迎来了关键里程碑——首批 18 颗组网卫星通过“一箭 18 星”的壮举成功部署，标志着“千帆星座”的网络构建迈出了坚实的第一步。

按照规划，“千帆星座”将在 2025 年完成一期 648 颗卫星的部署，初步构建全球覆盖的卫星互联网系统。这一阶段的目标是实现区域网络覆盖，为后续的全球连接奠定基础。预计今年内 108 颗卫星将发射升空，而整个一期计划将发射 1296 颗卫星，为打造 1.4 万多颗低轨宽频多媒体卫星组网的宏图铺路。

“千帆星座”的建设将分三步走：至 2025 年底，648 颗卫星将提供区域网络覆盖；到2027 年，相同数量的卫星将实现全球网络覆盖；最终，至 2030 年底，星座将拥有 1.5 万颗卫星，实现手机直连的多业务融合服务，覆盖全球。这一系列目标的实现，将极大地提升中国在全球卫星通信领域的竞争力，为国内乃至全球用户提供更广泛、更高质量的通信服务，标志着中国在低轨卫星互联网技术与应用方面进入了新的阶段。

表4 千帆星座发射阶段及任务

GW 星座与 Honghu-3 星座计划

GW 星座又称国网星座，由中国卫星网络集团有限公司牵头，计划发射约 1.3 万颗低轨卫星，旨在构建一个庞大的卫星网络，提供全球范围内的高速互联网服务。该计划的实施将大幅提升中国在全球卫星互联网领域的影响力，并推动相关技术的发展和应用。GW星座的发射计划预计在 2024 年下半年开始，计划在未来 5 年内发射约 10%的卫星，即约1300 颗，并在 2035 年完成全部卫星的发射。星座的轨道规划分为两组：一组是分布在500km 以下的极低轨道的 GW-A59 星座，共 6080 颗卫星；另一组是分布在 1145km 的近地轨道的 GW-A2 星座，共 6912 颗卫星。技术方案上，“国网”星座采用分层设计，包括核心层、中继层和用户层三个层面。

Honghu-3 星座计划，作为上海蓝箭鸿擎科技有限公司的前瞻力作，旨在构建一个由 1万颗卫星组成的巨型太空网络，这些卫星将均匀分布于 160 个轨道平面上，形成密集的通信覆盖层。这一宏伟构想不仅彰显了中国在商业航天领域的战略远见与技术实力，更预示着中国航天业正向着更加广阔和深远的宇宙空间迈进，展现出巨大的发展潜力与市场前景。

Honghu-3 星座与 GW 星座的并驾齐驱，将为中国乃至全球通信领域带来革命性变革。这些星座的部署将显著扩展网络覆盖范围，特别是在偏远区域、海洋等传统通信技术难以触及的“信息孤岛”，提供稳定、高速的通信连接，填补了传统通信网络的盲区。同时，通过推动 6G 通信技术的创新与发展，中国将在全球通信技术格局中占据更加重要的位置，加速国际太空经济的繁荣。随着这两个星座计划的逐步实施，中国将全方位提升其在卫星全产业链中的核心竞争力，包括卫星设计与制造、发射服务、地面设备制造以及运营维护等关键环节，为天地一体化网络的构建提供坚实的科技支撑。这不仅将推动中国航天产业的升级与转型，更将加速全球通信体系的完善与优化，为构建“万物互联”的信息社会奠定坚实基础。

卫星通信产业链

卫星产业链是一个复杂而精细的系统，覆盖了从卫星制造到下游应用的多个环节。产业链的起点在于卫星制造，这一环节由拥有卫星物权的企业发起，他们向卫星整星设计制造厂商提出具体需求，后者则负责向卫星零部件厂商采购所需组件，进行集成生产，最终交付完整的卫星产品。这些卫星，由卫星平台和卫星载荷两大部分构成。卫星平台包括结构系统、供电系统、推进系统、遥感测控系统、姿态与轨道控制系统、热控系统以及数据管理系统等，是卫星的“骨架”与“大脑”；而卫星载荷则包含天线分系统、转发器系统及各类金属/非金属材料与电子元器件，直接决定了卫星的业务功能。

卫星服务和地面设备制造则构成了产业链的中游。地面设备是连接卫星与用户的桥梁，包括用于跟踪、遥测及指令下达的地面测控和监测系统，以及用户终端设备。卫星服务企业扮演着类似电信运营商的角色，对在轨卫星进行实时监测，确保地面空间段设备的正常运行，为下游客户提供包括通信、导航和遥感在内的各类卫星服务。

商业航天的下游应用领域主要分为通信、导航和遥感三大类别。通信领域，卫星提供宽带互联网接入、卫星电话、电视广播等服务；导航领域，如全球定位系统（GPS），为陆、海、空提供精确的定位、导航和授时服务；遥感领域，则通过收集和分析地球表面的电磁辐射信息，实现资源监测、环境检测、灾害预警等。这些应用领域构成了卫星产业链的终端市场，也是商业航天价值实现的关键环节。

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