• 400-083-9969

上半年全球发射卫星概况及发展趋势

作者 | 韩慧鹏(中国空间技术研究院通信卫星事业部)

2018年前6个月全球共发射火箭55次,飞行器总数达177颗(详见表1)。

从国别来看,中美各占18次并列榜首,俄罗斯发射9次紧随其后。

从发射角度来看,55次中成功54次,部分成功1次,即1月25日欧洲Ariane 5 ECA火箭因控制分系统的程序问题,未能将2颗卫星送入预定轨道,后续只能依靠卫星自身推进系统入轨定点,其中采用全电推平台的SES-14卫星使用电推进系统于8月实现定点,Al Yah-3卫星采用化学推进系统实现定点,使用电推进系统进行位置保持。值得关注的是美国的重型猎鹰火箭和猎鹰9号Block 5火箭在上半年均进行首秀。

表1  2018上半年全球发射卫星统计表


从飞行器角度来看,全部飞行器按国别来分:美国72颗,中国41颗,欧盟26颗,俄罗斯8颗,其他国家30颗,仅中美两国发射的卫星已占全部卫星的63.8%。

按业务功能分为:通信卫星40颗,导航卫星8颗,遥感卫星54颗,试验卫星41颗,其他飞行器34颗。按轨道分为:140颗LEO卫星,18颗GEO卫星,11颗MEO卫星,1颗HEO卫星,7颗星际轨道飞行器。7颗星际飞行器包括中国发射的鹊桥、龙江一号和二号3颗探月卫星、美国发射的鼹鼠、瓦力和伊芙3颗火星探测卫星以及1个特斯拉红色电动跑车搭乘重型猎鹰火箭直飞火星(图1)。其中,鹊桥卫星是嫦娥四号登月探测器的月球中继卫星,龙江一号和二号卫星则用于超长波射电天文观测;鼹鼠卫星用于火星陆地探测,瓦力和伊芙则是其伴飞通信卫星。

卫星故障方面,除前述因火箭问题未能将2颗卫星送入轨道外,另有3颗卫星(美国军事卫星Zuma、印度GSAT-6A、中国龙江一号)在火箭发射成功后因卫星故障导致失败外,其余172颗飞行器未见异常工作报道。


图1  特斯拉红色跑车飞离地球

从上述统计结果可知,遥感卫星发射数量占据显著优势,尤其是中国发射的遥感卫星超过发射总数的一半,另外试验卫星和飞往空间站的卫星中也有多颗遥感卫星未列入遥感类别统计。遥感卫星发射数目众多的原因,一方面是由于全球对地球观测的需求旺盛,另一方面是因为遥感星座的部署,例如上半年狐猴星座(Lemur-2)发射了10颗卫星,鸽群星座(Flock,图2)发射了5颗卫星。

值得一提的是,鸽群星座由美国的卫星成像初创公司星球实验室(Planet Labs)研制,旨在建立最廉价、快捷、适用性更强的遥感卫星数据获取系统,将建成全球规模最大的地球遥感影像卫星星座,实现对全球每天一次的重复观测频率,将是世界上唯一具有全球高分辨率、高频次、全覆盖能力的遥感卫星系统。


图2  鸽群卫星在轨飞行示意图

通信卫星的部署已经显著朝两个方向发展,一个是GEO轨道的大型通信卫星,另一个则是与LEO轨道的通信卫星星座。以美国为例,上半年发射的20颗通信卫星中,LEO铱星第二代星座(图3)占据15颗,LEO立方体卫星Space BEE星座一次发射4颗,GEO通信卫星发射1颗,即美国空军航天司令部的AFSPC-11卫星,据悉该卫星将完成美国空军的连续广播增强卫星通信(CBAS)和增强对地静止实验室试验(EAGLE,简称老鹰)。

2018上半年发射的高通量卫星有3次7颗:1月25日,Al Yah-3卫星与SES-14卫星以“一箭双星”方式升空;3月9日,O3b星座成功发射4颗MEO卫星;6月4日,SES-12卫星发射成功。目前全球已有26个卫星运营商投资数十颗高通量卫星或载荷,使得高通量卫星和低轨大容量通信卫星星座成为通信卫星的热点。


图3  Iridium Next卫星在轨飞行示意图

导航卫星部署方面,中国的6颗北斗系列卫星是成为绝对主力,另外印度和俄罗斯各发射一颗导航卫星。此外,面对航天技术日新月异的发展,各国发射了各式各样的试验卫星,空间站上也搭载进行了多个试验项目。值得一提的是,部分试验卫星尝试通信、导航和遥感等技术融合发展,搭载导航通信一体化载荷、微型商业遥感相机、星载船舶自动识别系统(AIS)设备、广播式自动相关监视(ADS-B)载荷等载荷,开展相关技术试验和验证工作。

根据上述的统计结果,对卫星的发展做出如下分析。

1、卫星星群发展趋势

随着卫星星座和编队飞行等技术的发展,集群化的卫星星座成为目前卫星行业的研究重点和发展趋势,特别是依靠微小卫星构建的星群将成为卫星通信、地球观测和物联网服务的主要手段。小卫星星群以其成本低、周期短、机动高、组网强、技术新等优势,最大程度地提升了全球系统组网运营能力。

目前,通信卫星星群的发展已有Iridium NEXT(LEO)、O3b(MEO)和Inmarsat-5(GEO,图4)等各种轨道星座,另有OneWeb、Starlink、Leosat和Telesat等LEO通信星座正在设计研制;地球观测星座有Flock和Lemur等低轨卫星星座;导航卫星有美国的GPS、中国的北斗、欧洲的Galileo和俄罗斯的GLONASS等星座。然而小卫星星座的发展存在每用户平均收入(ARPU)较低的问题,导致在发展前期难以判定投资的合理性,因此针对星群的商业模式和投资分析也已成为研究的核心问题之一。


图4  Inmarsat-5系列卫星在轨飞行示意图

综合分析航天器发展态势可知,卫星星群已经不再以单一功能为主,而是侧重于在太空部署“传感器+数据传输+导航控制”综合功能的网络,从而实现自适应、自组织、智能化的星间“通信-导航-遥感”一体化网络,并可以动态调整卫星的数量和编队构型。

目前星群常用的配置形式为分布式空间系统,包括星座、星群和编队飞行等,通过组网协同工作,或多颗卫星共同完成同一任务,或各自携带不同载荷从而扩展星群的业务能力,从而提升了系统的适应性和重置性。

分布式空间系统中卫星之间需要交换的数据主要包括:科学观测数据、导航数据、航天器状态数据、以及遥测遥控数据。随着地球遥感、空间观测、高速数传等业务的急速增长,星群之间的通信系统成为了最关键部分,负责传递卫星有效载荷的数据,因此国外通常为各种功能的星群配以天基通信中继系统(如欧洲的EDRS系统),或星群本身具备较强的空间通信中继能力(如美国的Iridium NEXT系统)。

通过星间通信链路,不仅可以支持大容量的星间高速数传、实时数据交付,而且不再需要使用大量的地基中继系统和全球跟踪系统,还可以提供小卫星姿态控制服务。星间通信通过交换姿态与位置信息,可以实现导航与编队控制,并维持航天器间的时间同步性。因此星间高速通信组网(星间激光链路或Ka高速传输链路)是星群实现实时、可靠、高效组网工作的核心和基础。

针对卫星星群的星间通信体系结构研究多集中在物理层、链路层和网络层。物理层连通是星群组网传输的基础,目前仍以射频链路为主,但已经开展激光链路实用性应用;然后无论是何种星间链路,卫星天线的设计是其最关键的技术。链路层以MAC协议作为研究重点,解决系统内多星之间的链路共享问题,需满足自适应性、伸缩性、信道利用率、延迟、吞吐量和公平性等需求的变化。

但是目前对于卫星星群间网络路由技术的研究较少,随着星群规模的增加,网络规模和复杂程度随之提升,需要深入开展网络层的相关研究工作。因此星群的重置性是其备受关注的需求,在网络内实线的应用和协议应检查节点故障或新增加的节点,自我重新配置以维持任务目标。

2、卫星与互联网技术结合

星群对空间卫星体系的结构带来了极大的变革,促进实现卫星通信、遥感、移动数据与互联网技术的融合发展。卫星通信有效地促进了新一代空间技术的快速发展,尤其是在新型的星群通信体系结构出现后,卫星通信的数据传输速率提高、传输延迟降低、覆盖范围扩大。

通过对全球发射航天器的统计可知,遥感数据的传输和应用成为卫星应用的第一动力源,更进一步则需要建立基于大数据技术的卫星遥感影像数据挖掘和应用处理体系。随着智能手机的普及、数据传输需求的激增,通过“互联网+”技术,可以使智能手机用户等终端获得直观的应用体验,涵盖了卫星通信、移动数据传输、大数据应用和遥感信息应用等领域。

因此,未来卫星应用应该具备高速移动数据接入和处理能力,从而满足互联网和移动数据业务所需的低延迟、持续覆盖、数据率高的需求,数据传输速率需要达到Mbps量级以上。

目前,SpaceX和SES等公司已经开始研究低轨小卫星星座以提供全球宽带服务,OneWeb(图5)、O3B、Leosat等公司计划通过建设星座提供全球数据和互联网服务。OneWeb使用自安装的小型用户终端,手机和WIFI设备可与用户终端通信对接,然后再由用户终端与卫星进行联通。O3B使用专业的大型地面终端,地面终端与本地基础设施相连,卫星可作为蜂窝塔与移动核心网间的链路节点。近年来部署的高通量卫星系统采用与地面蜂窝系统类似,通过多个点波束实现空间与频率分集复用方式,可提供高速数据传输等服务。


图5  OneWeb卫星在轨飞行构想图

3、高通量通信卫星的发展

高通量通信卫星使用相同频带资源可实现数据吞吐量是传统通信卫星数倍甚至数十倍,通信容量可达数百Gbps甚至Tbps量级。高通量卫星能大幅降低每比特成本,可以经济、便利地实现各种新应用,已成为卫星通信行业真正改变游戏规则的技术,预计到2020年高通量卫星的容量将达到近5Tbps,随着宽带大容量通信星座的建成,届时通信容量将增加到40Tbps以上。

以Visat-3卫星和OneWeb星座为代表的通信卫星将引领了高通量卫星的发展趋势和技术水平,高通量通信卫星的发展将按照网络宽带化、覆盖全球化、传输高频化、载荷灵活化、应用移动化、运营多元化、天地一体化等方向发展。通过高通量卫星技术创新,驱动市场应用行业不断发展,个人上网、企业数据传输、基站回传、飞机通信、航海通信、军事通信等都对高通量卫星提出了重大需求,其应用场景越来越广泛。

针对高通量卫星的发展,需要进一步扩大系统通信容量,降低单位带宽成本,使高通量卫星具备与地面宽带通信水平相当的竞争力。通过规模化、标准化、市场化生产用户收发终端,充分降低高通量卫星通信系统的制造成本和信息获取成本。为了实现大容量数据传输,除Ka频段外,采用激光和Q/V等高频段通信技术满足需求。

在全球覆盖方面,鉴于海上无法大规模建设通信基站群和地面基站覆盖较小难以满足飞机等高速运动目标等问题,应该优先从满足航海和航空高通量通信的角度出发研制高通量卫星,而陆地范围的高通量通信则可以交给地面通信系统,各展所长实现天地融合,构建全球高通量信号无缝连接。

高通量天地一体化通信系统的建设,应以政府指导为牵引,企业建设为主体、市场需求为导向的商业发展模式,开展多元化运营模式,通过卫星灵活载荷设计来满足市场需求变化或企业商业模式的变化,重点构建“一带一路”空间信息走廊重大工程,积极挖掘和培育具有高黏着度的高通量卫星通信应用新方向,通过多种应用综合发展高通量卫星。

4、卫星导航技术拓展应用

目前,全球导航卫星系统(GNSS)已具备全天候、近实时、高精度的特点,可持续发射L频段导航信号,广泛应用于定位、导航和授时(Positioning, Navigationand Timing,PNT)等领域。随着导航星座完成部署,需要进一步开展天基、地基和空基导航增强系统建设,通过增加卫星或地面参考站,向用户提供卫星钟差、卫星轨道参数、电离层改正参数和载荷状况,提高卫星导航系统的导航精度、可用性和完好性。

随着各导航卫星系统的逐渐完善,观测站的增加,其应用范畴将越来越广泛,例如通过GNSS进行表面反射信号遥感技术研究等。GNSS持续向地球播发无线电信号,其中部分信号会被地球表面反射。从粗糙表面反射回来的GNSS延迟信号可以提供直射和反射信号路径的不同信息。

这些信息包括反射信号的波形、幅值、相位和频率等的变化,极化特征的变化直接与反射面相关,结合接收机天线位置和介质信息,利用延迟测量观测和反射表面属性可以确定表面粗糙度和表面特性,即GNSS+R反射测量。GNSS+R作为当前GNSS和遥感领域的研究热点和交叉点,在海洋、陆地、水文、植被和冰雪等遥感应用方面取得显著进展。

此外,在Lemur-2星座卫星上安装的STRATOS GPS大气测量载荷也拓展了卫星导航技术的应用范畴。大气测量载荷采用GPS接收机来跟踪数颗位于地球中轨(MEO)的GPS导航卫星,测量它们的信号到达本星的时延信息,并测量信号传递路径在穿过地球大气时产生的路径弯曲角度,从而可以帮助人们了解大气内温度、压力和湿度等重要参数。

5、遥感卫星技术发展

回顾2017年及2018上半年,全球发射的遥感卫星数量已是当前卫星发展的主力军。根据地球观测领域“未来十年(2016-2025)战略规划”中确定的可持续发展、气候变化和防灾减灾等三大优先发展事项,未来将重点在生物多样性和生态系统管理、防灾减灾、能源和矿产资源管理、粮食安全、基础设施和交通系统管理、公共卫生监测、城镇可持续发展、水资源管理等领域等八个社会受益领域提供实时信息服务,为决策制定提供关键数据、信息及知识。

美国在地球遥感的科学目标主要是增进对全球变化的认识,预测地球系统的变迁,同时,积极推动谷歌等企业直接参与全球综合地球观测。

欧盟提出的哥白尼等计划,更加注重满足用户需求,保持欧洲地球观测技术的独立性和领先地位,通过地平线2020计划致力于推动欧洲与亚洲开展广泛的多边合作研究。

日本地球观测卫星发展计划已逐渐形成了具有其自身特点的地球观测系统战略规划和体系,例如积极发展“先进观测卫星”系列商业光学成像卫星,目标是建立长期的、覆盖全球的、时间序列一致的地球观测数据。

遥感卫星未来发展将瞄准由单星应用向综合应用发展,从局域观测向全球监测应用发展,在多领域综合应用中提高定量产品精度,坚持同类型卫星遥感数据的长期观测积累和对比应用,组建全球接收站网基础设施规模与能力,加强实地测量数据的验证,完善全球综合实验场、定标场、真实性检验场、模拟与仿真实验室等组成的实验验证体系,进一步提高关键星载设备、器件、数据处理分析系统与软件产品的质量等。

通过遥感卫星技术的持续进步,更好地服务于全球可持续发展,加快遥感卫星技术的产业化和商业化进程,建立长期连续、稳定自主、全球覆盖、时间序列一致、协调配套的卫星地球观测系统。

6、卫星软件定义技术发展

2017年5月,欧洲通信卫星公司(Eutelsat)宣布再订购至少两颗“量子”卫星(图6),由3颗卫星构成星座实现全球覆盖。“量子”卫星是首颗真正意义上的软件定义卫星,是软件无线电技术应用于通信卫星的典型代表,其可重构性特征能满足未来不断发展的通信需求。

卫星软件定义技术是新一代开放架构的卫星系统,支持用户需求可定义、有效载荷动态重组、应用软件动态重配、卫星功能动态重构,利用软件定义无线电(SDR)技术提升卫星有效载荷能力。随着通信、互联网、计算机、软件的技术的迅猛发展,软件定义正成为一种新的必然发展趋势,将其与卫星技术相结合,可有效提高卫星产品的软件密集度,逐步增强卫星功能和性能,通过通用产品的提前研制,可极大地缩短研发周期,降低研制成本。

卫星软件定义技术为发展智能卫星创造良好的前提条件,能实现卫星功能和性能的持续演进,可以加快新型科研成果在卫星工程中的应用转化速度。

软件定义卫星包括天基超算平台、星载操作环境、软件化有效载荷、应用软件等多个方面,涉及多个学科、多个专业。预计软件定义卫星未来将从以下5个方面取得进展:建立软件定义卫星的标准规范体系;研制适用于软件定义的关键有效载荷设备,包括专用ASIC、DSP和FPGA芯片技术,数/模和模/数转换器技术,超宽带接收机和功率放大器等设备;研制软件定义卫星技术在轨试验平台;持续研发和改进星载操作环境,实现硬件设备和软件程序的即插即用;建立健全应用软件库,拓展应用需求领域和技术支撑范围。


图6  欧洲量子卫星在轨飞行构想图

7、综合发展建议

我国航天产业应进一步完善航天产业宏观管理,在统筹规划和应用政策等方面加强引导,深度贯彻军民融合要求,实现航天产业天地一体化建设、制造与应用相结合发展;

努力扩大卫星应用产业规模,提升卫星应用水平,强化业务化服务能力,形成完整的航天应用产业链条;

深度推进和落实卫星数据资源分层级开放共享,建立卫星数据的公益性应用和商业性应用等分级共享模式,避免相近的卫星数据资源的重复建设以及国际卫星数据产品的重复购买,节约和优化国有资源和经费的使用;

对于元器件、设备设施的国产化,应加强对相关技术领域从经费、政策、考评等方面的支持,鼓励通过试验卫星在轨验证等方式进行科技创新,强化基础能力建设。

航天产业将以应用为中心,以政府为牵引,以市场为导向,以企业为主体,以创新为动力,天地统筹规划,加强基础能力建设,推进数据分级共享,协调军民融合发展,促进社会化多元投资运作,拓展航天产业链,提高应用规模,带动产业技术水平和科技实力扎实稳步提升,整体上实现航天产业由试验应用型向业务服务型的转变,显著提高卫星应用产业的规模和效益。