银河航天低轨宽带通信卫星

2019-12-29   来源:未知  

通信卫星的发展
卫星通信是利用人造卫星作为微波中继站来转发无线电信号的一通信种方式。其具有覆盖范围广、通信容量大、传输质量好、组网方便迅速、便于实现全球无缝链接等众多优点,随着1965年4月16日第一颗投入商业运营的静止轨道通信卫星Intelsat-I发射,卫星通信技术得到了蓬勃发展。

在早期的广播电视业务和2G语音业务时代,通信卫星主要是以GEO卫星、宽波束覆盖为主,单颗卫星带宽有限,一般不超过2GHz。随着通信技术的发展和容量需求的不断提升,宽带数据业务逐渐占据重要地位,高通量卫星(HTS,High Throughput Satellite)应运而生。HTS卫星主要利用了多点波束和频率复用技术、并采用更高的工作频段,提高了天线增益、展宽了工作频带,所以可以极大提高通信卫星的容量,从而减小了单位带宽的发射成本。初期的HTS卫星容量一般在50Gb/s,随着技术发展,单颗卫星的容量一般能达到200Gb/s以上、甚至1Tb/s(Viasat-3)。

我国实用通信卫星始于20世纪80年代的东二甲卫星,90年代完成研制东方红三号卫星。自21世纪初东四平台的逐渐成熟,静止轨道通信卫星研制技术得到了极大发展,并多次成功发射,有力推动了我国迈向航天大国的步伐。2017年4月12日首颗Ka频段HTS卫星(中星16号)成功发射,标志我国HTS卫星也开始进入实用阶段。

 
低轨通信卫星的崛起
静止轨道通信卫星在广播电视与宽带接入等方面的应用已经趋于成熟,但它的缺点也越来越明显,如:体积大、重量大、成本高、研制周期长,对卫星制造商提出了高的技术能力要求、对运营商提出了高的资金要求;轨道面单一,可容纳卫星数量有限,不能覆盖极地地区,导致服务区域和容量受限;与地面距离远、通信时延大,导致愈来愈多的低时延业务需求无法得到满足。

低轨卫星恰好弥补了上述不足,20世纪90年代的铱星系统是早期移动业务兴起时的低轨移动卫星通信的先驱。铱星系统能够不依赖地面转接为地球上任意位置的终端提供通信连接,系统的性能极为先进、复杂,但由于存在早期技术储备不足以支持复杂的星上处理能力等因素,导致整个系统投资费用较高、地面控制与维护复杂、切换成功率低等不利因素,最终商业上无法支撑其顺利运行。

近年来,随着通信技术和微电子技术的发展,制约早期低轨通信卫星系统的通话质量、掉话率、数据传输速率和使用成本等问题已有望得到解决,随着宽带接入和低时延业务的增长需求,低轨通信星座的应用再次焕发生机。

据Internet World Stats统计,截至2017年6月,全球互联网普及率约为51.7%,意味着仍有约一半的人口未实现互联网连接,面对如此广阔的市场,近年来波音、空客、亚马逊、Google、Facebook、SpaceX等高科技企业纷纷投资低轨卫星通信领域,提出了OneWeb、Starlink等十余个低轨卫星通信系统方案,目标是实现全球互联网覆盖。我国航天科技集团和航天科工集团也分别提出了“鸿雁”和“虹云”低轨通信卫星星座计划。若这些方案得以实施,未来数年内将有20000余颗低轨卫星进入太空。

 
低轨宽带通信卫星星座介绍
截止目前为止,已有多个低轨宽带通信卫星的试验星逐渐发射。包括Oneweb、Starlink、鸿雁和虹云等。

OneWeb吸引了空客、高通、维珍集团、波音和可口可乐等公司参与投资,其第一代星座设计方案包含882颗卫星。这些卫星将被均匀放置在1200km高度的不同极地轨道面上,馈电端采用Ka频段、用户端采用Ku频段,每颗卫星包含16个椭圆波束,单星容量约为7.5Gb/s。通过卫星高速飞行时的交替覆盖,实现区域的连续覆盖,确保包括全球尚未连接互联网的农村边远地区的通信。

2019年2月,OneWeb首批6颗卫星成功升空,计划到2022年初步建成低轨卫星互联网系统,到2027年建立健全的、覆盖全球的低轨卫星通信系统。Oneweb引入了汽车制造的概念,将卫星各部组件与分系统模块化,大量采用自动化生产线,有望极大提高批产能力、降低制造成本。

SpaceX的Starlink星座原计划第一阶段发射4425颗轨道高度约为1200km的低轨卫星,2018年2颗试验星发射后,调整了轨道高度。2019年5月25日,首批60颗卫星发射进入550km轨道高度。2019年11月,第二批60颗卫星也顺利升空。首批60颗卫星采用了Ku频段,每颗卫星重量227kg,采用了4套相控阵天线系统,天线覆盖64万平方千米。由于大量采用了平板结构设计,卫星批产程度高、组批发射能力强,大大降低了研制和发射成本。

鸿雁星座由中国航天科技集团提出,该系统将由300颗低轨道卫星及全球数据业务处理中心组成,具有全天候、全时段及在复杂地形条件下的实时双向通信能力,可为用户提供全球实时数据通信和综合信息服务。其首发试验星于2018年底成功发射,该试验星装载了L与Ka频段试验载荷,可实现关键技术的在轨验证。
虹云星座是中国航天科工集团大力推动商业航天发展、旨在构建覆盖全球的低轨宽带通信卫星系统,2018年12月22日,其首发试验星成功发射,卫星采用 Ka 频段,每颗卫星容量4Gb/s。

银河航天作为一家新兴的互联网+航天创业公司,也与2018年提出了包含成千上百颗卫星的低轨宽带通信卫星星座计划,并开展了首发试验星研制工作。为了提高系统带宽、同时规避频率资源协调风险,银河航天直接提出了在馈电端采用Q/V频段、用户端采用Ka频段的频率计划,配置16个用户波束,通过频率复用方式,扩展了系统总带宽。公司成功研制出超宽带、高可靠Q/V频段可动点波束天线和宽带Q/V频段微波部件,实现了Q/V频段透明转发。这也是全球首颗基于Q/V频段的低轨宽带通信卫星。

 
 
为了提高系统灵活性和可靠性,在用户发射段采用了多端口放大器(Multi-Port Amplifier,MPA)技术,可以实现多个波束间容量的动态分配。这也是我国首个宽带Ka频段MPA的在轨应用。

作为商业化运营的民营公司,银河航天在首发试验星的研制过程中,进行了大量的低成本和批产化尝试。如模块化设计、定制化接口芯片、工业化生产加工,大大降低了研制成本、缩短了研制周期。在首发星研制过程中,公司同步开发了地面信关站和终端设备,并与通信载荷进行了有线联试,进行了相关业务应用试验。联试结果表明卫星单个波束最大传输速率可达800Mb/s、平均容量可达600Mb/s以上,单星容量可高达10Gb/s。目前,首发试验星已经按流程完成了单机研制、分系统联试和整星试验等阶段性工作,已经出厂,预计明年1月9日发射。
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