民用通信广播空间基础设施的发展思路与建议

航天 · 2016-11-22 23:49:43

1 国外通信广播卫星系统发展情况　　2014年全球航天产业收入为3227亿美元，其中卫星产业的总收入达到2030亿美元，占全球航天产业收入的63%，相比2013年增长了4%，高于全球航天产业1%的年增长率，是航天技术和航天市场发展的重要推动力。

2014年全球航天产业收入情况（单位：亿美元）　　2014年，全球卫星通信广播服务业收入达到1213亿美元，包括大众消费通信服务（卫星电视直播、卫星音频广播、卫星宽带）、卫星固定通信服务（转发器租赁、管理网络服务）和卫星移动通信服务（移动话音与数据业务）。其中，大众消费通信服务年收入达到1010亿美元，占全球卫星通信广播服务业收入的83%，是最主要的收入来源。　　2014年全球共完成24次通信卫星发射任务，升空40颗通信卫星。截至2014年底，全球在轨运行的1261颗卫星中通信广播卫星占52%，商业通信广播卫星占38%，除传统固定通信卫星占据半壁江山外，高吞吐量通信卫星（HTS）和移动通信卫星的发展势头最为强劲。

全球在轨运行卫星情况　　高吞吐量通信卫星系统蓬勃发展　　高吞吐量通信卫星系统工作在Ka和Ku频段，采用多点波束和频率复用等技术，具有较高的系统容量和频谱利用率。由于单位带宽资费低，支持的用户数多，因此越来越受到市场的青睐。目前全球已有44颗高吞吐量通信卫星在轨运行，主要包括地球静止轨道（GEO）的“Ka频段卫星”（Ka-sat）、卫讯－1（Viasat－1）、回声星－17（Echostar－17）、亚塞特卫星－1A/1B（Yahsat－1A/1B）和国际移动卫星－5（Inmarsat－5）星座，以及中地球轨道（MEO）的“另外30亿人”（O3b）宽带卫星星座。按计划，2016年还将陆续发射卫讯－2、回声星－19、国际通信卫星－29E（Intelsat－29E）等。届时，全球高吞吐量通信卫星总容量将达到1400Gbit/s。　　高吞吐量通信卫星系统的应用非常广泛，其中面向个人和家庭用户的宽带接入服务占高吞吐量通信卫星市场容量的60%，地面蜂窝网基站回程、干线传输以及政府民用和企业网络服务保持着35%的年增长率，视频服务量稳步增加，商业航空、商业海事和军事卫星通信服务中的使用也日益突出。　　移动通信卫星系统更新换代　　移动通信卫星系统主要包括目前已在轨提供服务的GEO移动通信卫星系统，如地网星－1（Terrestar－1）、天地通－1（Skyterra－1），以及即将发射部署的低地球轨道（LEO）移动通信卫星系统，如第二代“铱”卫星[“下一代铱星”（Iridium NEXT）]和第二代“全球星”[全球星－2（Globalstar－2）]，呈现出全球网络化、移动宽带化的特点，具备提供多样化业务的能力。　　以地网星－1和天地通－1卫星为代表的最新一代GEO移动通信卫星系统不再使用传统的模拟或数字波束形成方式，而是采用地基波束形成技术生成多达500个点波束，天线口径由9～12m提高到现在的18～22m，系统能够广泛地支持宽带移动接入业务。　　LEO卫星星座系统的第一代已到寿命末期，全球星－2从2010年起已陆续发射了24颗，“下一代铱星”星座预计于2017年部署完毕，届时单个用户终端的通信速率将达到1.4Mbit/s，且在提供原有话音、数据等基本通信服务的基础上，通过搭载天基广播式自动相关监视（ADS-B）载荷提供空中交通监视服务。　　除上述传统的采用L/S频段提供服务的移动通信卫星系统外，2015年6月，新兴的卫星互联网运营商一网公司（OneWeb）宣布已筹集到5亿美元的资金支持，并选择了空客防务与航天公司（Airbus）为其建造900颗Ku频段低轨小卫星星座，首发星计划于2018年发射，建成后的系统可以为家庭以及舰船、飞机、火车、海上油田等多类平台提供高速、低延迟的卫星互联网接入。　　发展趋势　　全球通信广播卫星需求旺盛，在轨、在研数量快速增长。近5年相继发射了144颗通信广播卫星，除传统固定通信卫星外，高吞吐量通信卫星和下一代全球移动卫星星座等占据了订单的大部分份额，新兴国家和地区的通信市场需求带动了全球通信广播卫星市场的繁荣发展。　　全球通信广播卫星技术更新换代，研制水平不断提高。宽带、视频、高清电视、移动通信等业务需求决定了大功率、大天线、多点波束、频率复用等技术得以应用；近5年全球发射的81颗GEO商业通信广播卫星中50%的发射质量都大于5000kg，大型化发展趋势明显。　　全球通信广播卫星平台承载能力与效率显著提高。以“阿尔法平台”（Alphabus）为代表的大型卫星平台和以波音卫星系统－702SP（BSS－702SP）平台为代表的全电推进平台是新一代通信广播卫星平台的发展方向，大型卫星平台可支持多达200台转发器，有效载荷功率能力达18kW，全电推进平台卫星2015年3月已完成首发星，并因效率高、成本低而持续受到市场的青睐。　　全球卫星通信广播产业化程度不断加深，收入持续增长。纵观2005－2014年的10年间，全球卫星产业从888亿美元增长到2030亿美元，年平均增长8.6%，其中卫星服务业和地面设备制造业占卫星产业总收入的比重均有增加。2014年全球卫星产业收入的61%都来自于卫星服务业，29%来源于地面设备制造业。预计未来10年，还将有40家运营商发射550颗通信广播卫星，带动全球卫星通信广播产业收入持续增长。

2005和2014年全球卫星产业收入情况对比（单位：亿美元）　　2 我国通信广播卫星系统发展情况　　卫星固定通信和电视直播领域初具规模，实现整星出口零的突破　　从我国首颗GEO通信卫星成功发射至今，经过30多年的发展，在卫星固定通信方面，我国已有约15颗在轨固定通信卫星，多采用C和Ku频段，主要用于向我国境内和亚太等周边国家提供固定通信服务。在卫星直播方面，有在轨电视直播卫星——中星－9，为扩大我国卫星电视覆盖率做出了重要贡献，并正朝着商业化方向迈进。　　基于成熟的东方红－4卫星平台的固定通信卫星使我国摆脱了大容量通信卫星研制受制于人的被动局面，提高了国产化程度，并实现了整星出口零的突破。截至目前，我国已获得12个国际商业通信卫星采购合同，其中5颗卫星已成功交付，包括委内瑞拉卫星、玻利维亚卫星、巴基斯坦卫星、尼日利亚卫星及接替星，打造并初步树立了“东方红”的国际化品牌。　　卫星宽带通信和移动通信领域拓展应用、自主研制齐头并举　　在卫星宽带通信方面，利用现有常规通信卫星进行宽带通信技术的研究与应用已取得了很多成果，未来自主研制的Ka频段宽带通信卫星将对推动远程教育、促进资源共享、构建公平信息社会起到重要作用。　　在卫星移动通信方面，自主研制的GEO移动通信卫星系统建成后将为远洋运输、科学考察、抢险救灾、国际外交和其他民商业应用提供高可靠的基本移动通信连接，同时LEO卫星移动通信系统和移动多媒体广播卫星系统也在稳步推进。　　未来发展空间分析　　我国的通信广播卫星系统存在巨大的发展空间，具体如下：　　首先是扩展服务区域、提供全球通信保障。目前尚缺少宽带通信卫星系统对亚太地区的覆盖能力，无法为亚太地区的石油、港口、勘探、建筑等行业提供灵活的宽带专网连接，阻碍了我国在亚太地区影响力的扩大。另外，至今尚无一个真正意义上的全球通信广播卫星系统，难以提供基本的全球移动通信保障能力。因此需要加强宽带和移动通信卫星系统建设，进一步扩展服务区域，满足全球通信保障需求。　　其次是健全体系架构、填补业务空白。从目前来看，尚不具备支持大容量卫星固定宽带通信、卫星移动通信、卫星移动多媒体广播等业务能力，需要建设现代宽带通信卫星系统、移动通信卫星系统和多媒体广播卫星系统，健全体系架构，填补业务空白。　　第三是加强技术攻关、推动应用和产业的发展。现有通信广播卫星系统在系统容量、通信体制、频谱利用率、多波束天线、星上处理交换等关键技术上与国外相比尚存在一定差距，亟待突破；下一代大型GEO公用平台的通信广播卫星能力与国外在轨主流通信广播卫星基本相当，突破有望；后续仍需持续开展技术攻关，提升基础技术能力，带动应用和产业的深入发展。　　3 我国通信广播卫星系统发展必要性　　服务“宽带中国”战略　　2013年8月，国务院印发了《“宽带中国”战略及实施方案》，同时部署了未来8年的宽带发展目标及路径，把宽带定位从“重要信息通信基础设施”转变为“战略性公共基础设施”，意味着将发展宽带从一个行业上升为国家战略。　　我国幅员辽阔，虽然光缆的发展已经非常成熟，但对于地理环境复杂、自然灾害频发、农村偏远地区等稀路由区域而言，光缆传输方式存在着建设周期长、维护成本高、投资风险大却见效慢、收益小的特点。而通信广播卫星系统，特别是Ka频段宽带卫星，可以有效地解决这些稀路由地区的通信问题，快捷且节约成本。　　因此，发展通信广播卫星系统可以助力“宽带中国”战略的实施，加快宽带网络从乡镇向行政村、自然村延伸，解决对建设成本过高的边远地区、山区以及海岛等的信息孤岛问题。　　服务“走出去”战略　　随着我国对外贸易的全球化和“走出去”战略的实施，我国的国家利益延伸至世界各个角落。中央提出的“丝绸之路经济带”和“21世纪海上丝绸之路”的“一带一路”战略，更为我国的全球化布局指明了方向。信息可达和互联互通是战略构想实施的基本条件。为满足我国在海外国家利益发展的需要，拓展我国自有信息覆盖能力的信息国土，缩小我国与美国等发达国家在全球信息基础设施掌控能力方面的差距，并惠及沿线各国社会和民生发展，急需构建符合我国未来全球发展需求的通信广播卫星系统。　　4 我国通信广播卫星系统发展思路　　根据《国家民用空间基础设施中长期发展规划（2015－2025年）》要求，我国将逐步建设固定通信广播和移动通信广播系列，形成宽带通信、固定通信、电视直播、移动通信、移动多媒体广播服务能力。　　固定通信广播卫星系统更上一层楼　　固定通信广播卫星系统建设及应用将得到持续发展。　　一方面，平滑演进，满足迫切需求。对现有成熟卫星平台进行适应性修改，提升新一代大型静止轨道卫星公用平台能力，在此基础上，发展大容量宽带通信卫星、广播电视传输卫星和电视直播卫星，满足我国国土及周边区域的远程教育、电视直播户户通以及其他新增的固定通信业务等迫切需求。

以远程教育应用为代表的宽带通信卫星系统示意图　　另一方面，升级换代，实现跨越式发展。突破下一代大型GEO公用平台技术和全电推进平台技术，形成单星上百吉赫兹的宽带通信能力，达到世界先进水平。在此基础上，重点发展超大容量通信卫星、高承载比卫星和新一代广播电视传输卫星，实现宽带通信在国土和周边区域的覆盖增强，具备境外区域宽带通信，以及与南极站数据传输的服务能力，同时满足新增的国家公益性通信和广播电视传输需求，完成在轨直播星的更新换代。　　典型的超大容量宽带通信卫星系统采用下一代大型GEO公用平台，有效载荷质量不小于1500kg，整星质量可扩展到9000kg，整星功率可扩展到20kW；用户链路工作在Ka频段，系统容量达到100Gbit/s以上；支持的传输速率可达上行4Mbit/s、下行40Mbit/s，支持机载、舰载、高铁等高速移动载体的双向宽带通信接入。全面提高我国宽带通信在空间覆盖能力、空间带宽总支持能力、终端应用支持能力等方面的业务水平。　　典型的高承载比卫星采用全电推进平台，承载比（有效载荷质量与整星质量之比）达0.2左右，可实现“一箭双星”的低成本发射，在境内外地面通信网络覆盖欠佳的特殊地区，可快速建立具有一定安全特性、覆盖区灵活可变的宽带卫星网络。预计经过未来10年的发展，将形成覆盖全球主要地区的宽带通信卫星系统和覆盖国土及周边区域的固定通信、电视直播卫星系统。

到2025年我国固定通信广播卫星系统覆盖范围示意图　　其中，宽带通信卫星系统形成约300GHz带宽的传输能力，能够很好地满足教育、广电、通信、交通等部门在远程教育、广播电影电视传输和边远地区双向通信等的应用需求，大幅提高我国西部和边远地区的信息化水平，有效提高普及教育质量，缩小数字鸿沟。预计到2025年，市场容量将达到100万双向用户和2000万单向用户，由此可带动运营服务收入50亿元/年，端站销售30亿元/年。　　固定通信卫星系统将形成约21GHz带宽的传输能力，电视直播卫星系统将形成约300路高清电视直播能力，有力强化政府的公共管理和社会服务能力。预计到2025年，直播卫星系统用户数将达到2亿户，年运营收入600亿元，设备销售收入120亿元。　　移动通信广播卫星系统后来者居上　　自主的移动通信广播卫星系统建设与应用将成为新的增长点。　　对全球移动通信卫星系统，统筹考虑多方需求，按照先区域、后全球的安排，分步建设，即第一阶段建设区域移动通信卫星系统，开展行业、个人日常及应急话音、信息服务，第二阶段根据各方需求，共建全球移动通信卫星系统，真正解决全球范围通信保障问题。　　对移动多媒体广播卫星系统，首先基于新一代大型静止轨道卫星公用平台开展建设，填补我国对移动终端通信广播服务的空白；然后基于下一代大型地球同步轨道公用平台，实现移动多媒体广播卫星系统的升级换代。

全球移动通信/多媒体广播卫星系统组成示意图　　典型的移动通信卫星系统空间段采用新一代大型GEO卫星公用平台,并进行适应性修改，配置大型可展开天线，有效提高用户波束数量，实现对海洋、山区和高原等地区近乎无缝的覆盖，并采用星间链路技术，具备可扩展至全球的中低速实时移动通信能力。　　典型的移动多媒体广播卫星采用新一代大型GEO卫星公用平台并进行适应性修改，有效载荷采用高效大功率合成及大规模波束形成网络技术，手持终端业务速率最低可达32kbit/s，车载/便携终端业务速率可超过128kbit/s。预计经过未来10年的发展，形成覆盖全球的移动通信卫星系统和覆盖国土及周边区域增强的移动多媒体广播卫星系统。　　其中，移动通信卫星系统将在全球范围内提供不低于5万路基本信道，支持1000万移动通信用户，进一步完善我国应急通信保障系统和提升海外通信保障能力，预计到2025年卫星移动通信系统用户总数可达1330万户，年运营收入10亿元，年销售收入100亿元。　　移动多媒体广播卫星系统将形成约40路移动电视广播能力，满足我国商用运营车、船、飞机以及个人用户和周边国家市场存在的卫星移动数据广播业务需求，有效改善政府应对自然灾害、事故灾害、公共卫生、社会安全等领域的突发事件的能力，并拓展车联网紧急呼叫和高精度导航等产业应用，预计到2025年移动多媒体广播应用用户数将达到800万户，年运营收入30亿元，年销售收入60亿元。　　5 结论与建议　　国家民用空间基础设施建设是党中央、国务院立足当前、着眼长远作出的一项重大战略决策，也是我国刻不容缓的重要战略任务。为加快通信广播卫星系统建设，落实民用空间基础设施规划，还需要从以下几个方面深入开展工作。　　基础设施建设、产业扶持政策先行　　国家主导推动，先期投入，采用先扶持、后产业，边扶持、边转变的方式，发挥卫星通信的基础设施效能；通过纳入国家空间基础设施开展顶层设计规划，通过技术进步（科研星）带动业务发展，通过政策扶持（业务星）不断扩大业务规模；针对直播星长期受到行业壁垒影响，积极协调相关政府职能部门，推动新的法令法规的制定，充分发挥效能。　　　　国家系统建设、资源储备政策先行　　加大推动并主导建立更高层面的统筹机制工作力度，有效确保空间基础设施的用频安全；把卫星频率轨位资源超前论证、基础研究纳入战略规划中，并研究制定相应的组织、管理、资金保证制度，确保系统建设应用与网络资料储备相匹配；从战略规划角度依托专业队伍，加大专业技术基础研究支撑与管理力度，包括软件系统开发、国家标准制定、专项课题研究等制定相应管理办法，并组织实施；设置机构，开展必要的频率轨位资源和技术储备，突破现有技术寻求新的频段拓展方案，为可持续发展从技术角度奠定基础。　　　　国家自主创新、技术推动政策先行　　以国家投入为主，加强载荷、平台、关键元器件等相关技术研究，依法制定知识产权政策，保护企业产品研发和投入的积极性，加大国产化推进力度，提高竞争力；适时地开展新一代卫星平台能力提升，开展下一代卫星平台开发，在国家层面为这些平台寻求首发星、提高其成熟度，为国家空间基础设施建设提供必要的能力储备；积极借鉴国际先进发展理念，引进国外先进技术和经验，促进相关设备、技术和服务的出口，提升国际影响力和国际竞争力。　　上文选自《国际太空》，如有需要请查阅该期刊。

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