据中国航天科技集团消息,中国长征三号乙运载火箭在7月9日成功将中国首颗Ku/Ka体系频段高通量宽带商业通信卫星发射入轨,该卫星简称为"亚太6D通信卫星"。
亚太6D卫星发射成功,图片来源:西昌发射中心
亚太6D卫星基于东方红四号增强型(DFH-4E)卫星平台打造,质量为5.55吨,设计寿命为15年,作为中国第一颗Ku/Ka频段通信卫星,代表了中国最先进的通信卫星制造技术,也是最复杂的民商用通信卫星。
从功能方面看,亚太6D卫星的服务区域主要面向亚太,为船舶、航空器通信提供服务。亚太6D卫星的成功研发和入轨部署,意味着我国能够向高通量卫星领域进军。
2018年至2019年,全球卫星产业总收入在3000亿美元左右,其中三分之一是卫星服务收入。对于通信卫星而言,将其部署入轨后,还能依靠服务产业创造价值。在过去数年,卫星地面设备收入年增长率达到6%,提高通信卫星技术也就等于增加了产业规模。
高通量卫星及其功能
高通量卫星是一种通信卫星,数据吞吐量比传统的通信卫星更大,至少在10倍以上。
亚太6D卫星,图片来源:中国航天科技集团
该卫星采用了多波束天线,更大功率的设备,在有限的地球静止轨道上,增加单颗卫星的数据处理能力。以亚太6D卫星为例,其采用了Ku/Ka频段,在Ku频段资源紧张的时候,能切换到Ka频段。Ka频段天线增益较高,这意味着地面终端设备的体积就可以做到小型化,手持机变小了。
但是Ka频段也有自身的缺点,比如卫星单波束面积变小,以往只要一个波束就能覆盖的地区,就需要多个Ka频段波束进行覆盖,所以要结合多波束天线技术。
举个例子,我国在2012年发射的亚太7号卫星,使用的是Ku频段,单波束可覆盖我国大部分地区,但是如果使用Ka频段,就需要10至20个Ka频段波束。波束增多之后,频率复用的次数也增加了,直接体现在通信效率增加,就等于增加了卫星数据的吞吐量。
从产业角度看,高通量卫星可以为更多的人群提供通信服务,卫星运营商的收入也提高了。根据欧洲相关调查,预计在未来5年会发射数十颗高通量卫星,平均每年发射11颗,一年仅卫星制造的投入就需要上百亿的资金。每次发射火箭的成本按照1亿美元一发算,每年11颗高通量卫星的发射费用也能达到11亿美元。
在通信领域,高通量卫星可服务于4K高清卫星电视,还有正在发展的VR技术,这样在家里就可以通过高通量卫星传递的信号实现虚拟环球旅游,或者连接到探险者的头戴式摄像头上,足不出户也能利用VR设备加入探险者的队伍。
亚太6D卫星的技术特点
亚太6D卫星突出的特点是通信容量大,达到50Gbps,与2017年发射的我国首颗高通量卫星:中星16号卫星相比,通信容量增加了1.5倍。亚太6D卫星配备了8个地面关口站,可提供100兆的传输速率。多波束天线数量为90个,单个波束容量为1 Gbps,对地面形成全方面覆盖,支持高质量语音通信。
亚太6D卫星整流罩制备完成,图片来源:中国航天科技集团
亚太6D卫星使用东方红四号增强型(DFH-4E)卫星平台打造,该平台在东四平台的基础上进行研发,主要采用的技术有电推、大功率配电技术、大承载结构、双天线重叠收紧与展开技术等。为了适应国际市场的变化,可根据不同客户的需求研发出大容量、长寿命的通信卫星,还有数据中继星、高轨遥感卫星等。
东方红四号平台在2006年首飞,之后发展出东方红四号S平台,突破了电推等星载卫星技术。这次亚太6D卫星使用的东方红四号增强型编号为东方红四号E平台,在测控、综合电子数管方面提升不大,但在供配电方面提升了电源控制器,从9KW提升到12KW,锂离子蓄电池组从90Ah提升到135Ah,这样可以搭载更多的设备,因此单侧太阳能电池板也从3块增加到4块,实现了二次展开。
动量轮保持4个,与东方红四号S平台一致,氮气瓶从50L提升到90L,推进器与东方红四号S平台一致,仍然为1台490牛推进器和16台10牛推进器,比早期的东方红四号有所提升。
体积上,中心承力筒从东方红四号的3600毫米增加到4200毫米,大了一圈,可以安装更多的设备,有效载荷也比东方红四号平台增加了1.5倍,波导数量提升6倍。将来建造天基互联网,也能够使用到这些卫星技术。
通信卫星产业现状
每年全球通信卫星产业保持在每年10颗左右,这些年全球通信卫星订单出现下滑趋势,大型GEO静止轨道卫星的采购数量减少,LEO地球轨道的通信卫星需求增加。
在2015年前,大型GEO静止轨道通信卫星一年可发射18颗,2014年全球发射量更达到了27颗,主要是1990年代那波GEO静止轨道卫星即将到寿命了,需要换代。
通信卫星的大规模发射周期在10至15年,2020年之后每年维持在10颗左右。从2019年以来,通信卫星主要使用组合频段为主,比如Ku/C或者Ku/C/Ka的组合频段的卫星,亚太6D卫星就是采用Ku/Ka组合频段。
从未来趋势看,通信卫星需要一次技术变革,才能跟上时代发展,比如研发出超高通量的通信卫星,通信容量要达到300至500 Gbps,相比较而言,亚太6D卫星为50Gbps。超高通量的通信卫星能够与地面宽带速度接近,还需要将价格和体验速度降低到地面光纤宽带的水准,这也是马斯克正在做的太空互联网技术。
太空互联网技术需要大量的低轨道卫星,组成一个通信卫星星座,比如OneWeb、SpaceX等公司,在轨道上部署了数百颗500公斤级的低轨道通信卫星,对亚太卫星形成了冲击。亚太卫星只有将高通量卫星做得更大,研制出功能更强的GEO静止轨道卫星,才能保持竞争力。