HTS衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)展

　　1. 地球靜止軌道HTS發(fā)射數(shù)量逐年增加，發(fā)射比例趨近半數(shù)

　　從2004年首顆地球靜止軌道HTS衛(wèi)星(GEO-HTS)發(fā)射以來，至2016年底，全球共計(jì)發(fā)射了46顆GEO-HTS，2017年全年預(yù)計(jì)發(fā)射11顆HTS衛(wèi)星(截至2017年9月底，已發(fā)射9顆)，創(chuàng)歷年發(fā)射之最。過去5年(2012-2016年底)，全球共計(jì)發(fā)射26顆HTS衛(wèi)星，是上一個(gè)5年(2007-2011年)發(fā)射數(shù)量的總和(11顆)的2倍多。

　　GEO-HTS衛(wèi)星自2015年起，發(fā)射數(shù)量從每年的2～3顆顯著增加至近10顆，近2年占發(fā)射GEO通信衛(wèi)星數(shù)量的1/3。從2019年起，隨著GEO通信衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量的下滑，HTS衛(wèi)星年發(fā)射數(shù)量將接近當(dāng)年發(fā)射的GEO通信衛(wèi)星數(shù)量的50%。

　　全球2004-2020年GEO-HTS衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量統(tǒng)計(jì)與預(yù)測

　　2. 中低軌HTS發(fā)射迎來井噴，2020前后達(dá)到頂峰

　　與GEO-HTS快速發(fā)展相比，多個(gè)大型中地球軌道(MEO)和低地球軌道(LEO)HTS星座進(jìn)入研制當(dāng)中，最早于2019年起發(fā)射。雖然國外宣稱發(fā)展的中低軌HTS星座主要有6個(gè)，但由于建設(shè)的重復(fù)性，所需的資金規(guī)模，頻率協(xié)調(diào)，制造、發(fā)射能力的限制導(dǎo)致最終能夠發(fā)展起來的星座項(xiàng)目并不如宣傳所述。

　　目前，全球在軌的中低軌HTS星座只有1個(gè)，即運(yùn)行在MEO軌道的“另外三十億人”(O3b)星座，由12顆衛(wèi)星組成，現(xiàn)已完成部署并交付使用。從目前在建的HTS星座來看，主要有2019年預(yù)計(jì)發(fā)射的O3b星座擴(kuò)展的8顆衛(wèi)星，以及2020年預(yù)計(jì)發(fā)射的650顆“一網(wǎng)”(OneWeb)衛(wèi)星星座。如果將所有宣稱發(fā)展的中低軌HTS星座都計(jì)算在內(nèi)，全球累計(jì)發(fā)射的中低軌HTS星座衛(wèi)星接近上萬顆。

　　全球中低軌HTS星座發(fā)射數(shù)量預(yù)測

　　HTS衛(wèi)星關(guān)鍵技術(shù)

　　1. 多波束天線技術(shù)

　　HTS衛(wèi)星最基本的特征就是衛(wèi)星的波束為點(diǎn)波束。衛(wèi)星采用多點(diǎn)波束的好處在于提高天線的發(fā)送/接收增益，并能實(shí)現(xiàn)頻率復(fù)用;采用多點(diǎn)波束的劣勢在于覆蓋，點(diǎn)波束覆蓋范圍較小，要想實(shí)現(xiàn)大范圍的區(qū)域覆蓋，則需要大量點(diǎn)波束。目前，國外主要有2種發(fā)展思路：一是以衛(wèi)訊衛(wèi)星-1和“Ka頻段衛(wèi)星”為代表的、采用窄點(diǎn)波束提高通量的區(qū)域系統(tǒng);二是采用較大的點(diǎn)波束增加覆蓋范圍的全球系統(tǒng)，例如“史詩”(Epic)。

　　HTS衛(wèi)星主要應(yīng)用兩類多波束天線：一是單饋源單波束天線(SFB);二是多饋源單波束天線(MFB)。SFB天線的每個(gè)饋源喇叭對應(yīng)1個(gè)波束，簡化了硬件設(shè)備，電性能也較好，對于覆蓋范圍較大的HTS衛(wèi)星多采用SFB天線。MFB天線通過小的喇叭陣列形成波束，有的還配有波束成形網(wǎng)絡(luò)，優(yōu)勢在于實(shí)現(xiàn)波束重合覆蓋僅需1副反射器，從而減少了星上天線的尺寸和成本。因此，對于較小的地理區(qū)域和多用途HTS衛(wèi)星，MFB天線是最佳選擇。

　　2. 頻率復(fù)用技術(shù)

　　對于HTS衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計(jì)來說，采用點(diǎn)波束和頻率復(fù)用技術(shù)相結(jié)合，能夠有效提高天線增益，實(shí)現(xiàn)頻率復(fù)用。優(yōu)勢在于：①天線的增益與波束寬度有關(guān)，波束寬度越窄，天線增益越高。較高的衛(wèi)星天線增益可以使得用戶采用更小口徑的終端，并使用高階調(diào)制編碼方案，從而提高頻譜利用效率，提高數(shù)據(jù)傳輸速率。天線增益增加10倍，系統(tǒng)容量增長4倍。②點(diǎn)波束的應(yīng)用，使得距離較遠(yuǎn)的波束可以復(fù)用同一段頻率。

　　頻率復(fù)用也會(huì)帶來一些問題，當(dāng)2個(gè)或更多的波束使用同一段頻率時(shí)，由于天線旁瓣不為零，就會(huì)產(chǎn)生波束間的干擾。綜合來看，點(diǎn)波束技術(shù)的應(yīng)用能夠帶來效率的提高，但引起的波束間干擾又降低了效率。如果增加波束間的距離可以降低干擾，但又減少了頻率復(fù)用，影響了總的通量。因此，點(diǎn)波束的數(shù)量和頻率復(fù)用程度實(shí)際上是系統(tǒng)設(shè)計(jì)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的折中考量。

　　3. 靈活有效載荷技術(shù)

　　“靈活”指的是HTS衛(wèi)星系統(tǒng)在發(fā)展的過程中，為了提高商業(yè)競爭力而對系統(tǒng)的服務(wù)能力提出的要求。早期發(fā)展HTS衛(wèi)星系統(tǒng)主要以提高整星通量為目標(biāo)，星上設(shè)計(jì)簡單，衛(wèi)星一旦入軌，很難對服務(wù)進(jìn)行調(diào)整。實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中會(huì)出現(xiàn)熱點(diǎn)地區(qū)的轉(zhuǎn)發(fā)器飽和，非熱點(diǎn)地區(qū)轉(zhuǎn)發(fā)器利用率很低，造成轉(zhuǎn)發(fā)器利用率低的問題。

　　靈活有效載荷是歐洲提出來的一個(gè)籠統(tǒng)的整體概念，主要包含三方面：①靈活的覆蓋，能夠?qū)崿F(xiàn)覆蓋區(qū)域的在軌可調(diào)，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星從所在軌位可見地面任何一個(gè)地區(qū)的動(dòng)態(tài)覆蓋調(diào)整，并能在軌控制點(diǎn)波束的尺寸、數(shù)量和形狀，實(shí)現(xiàn)途徑主要包括直接輻射陣列天線(DRA)、陣列饋源反射器天線(AFR)、共焦天線(Confocal Antennas)和透鏡天線(Lens Antennas)等;②靈活的頻譜分配，能夠靈活分配頻率和帶寬，主要通過星上處理實(shí)現(xiàn)(含模擬和數(shù)字處理技術(shù));③靈活的功率分配，主要通過多端口放大器(MPA)技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

　　自2010年起，歐洲航天局(ESA)“通信系統(tǒng)預(yù)先研究”(ARTES-3和4)產(chǎn)品研制專題為靈活有效載荷專設(shè)了“通用靈活有效載荷”專項(xiàng)，分“兩步走”：一是在英國阿萬蒂通信公司的HTS衛(wèi)星高適應(yīng)性衛(wèi)星-1上開展通用靈活有效載荷的在軌驗(yàn)證;二是在國際移動(dòng)衛(wèi)星公司的“阿爾法衛(wèi)星”(Alphasat)上開展星上數(shù)字處理器的在軌驗(yàn)證。2015年，ESA與歐洲通信衛(wèi)星公司共同開展了“量子”(Quantum)衛(wèi)星研制：①實(shí)現(xiàn)靈活的波束賦形覆蓋形狀和大小可調(diào);②覆蓋范圍可變，8個(gè)獨(dú)立的點(diǎn)波束能夠在1min內(nèi)調(diào)整到任意可見的地面服務(wù)區(qū)域;③覆蓋波束跳換，更加靈活地按需分配，需求熱點(diǎn)地區(qū)可以獲得更高的容量分配;④功率和容量靈活，靈活地為用戶分配功率和容量;⑤頻率靈活，能夠使用Ku頻段范圍內(nèi)任何一段頻譜。