我國首顆高通量通信衛星成功發射！它到底有多「高」！

（專家：謝博，空間探測首席傳播專家，科普中國微平台原創首發）

2017年4月12日，我國首顆高通量通信衛星（HTS）實踐13號用長征3號乙運載火箭成功發射升空。該衛星採用了Ka 頻段、激光通信和電推進等一系列新技術，通信總容量超過20兆比特/秒，從而超過了我國此前研製的所有通信衛星容量的總和，這標誌我國衛星通信進入高通量時代，實現了真正意義上的自主通信衛星寬頻應用，填補了我國在該領域的空白。在完成試驗驗證以後，該衛星將納入「中星」系列進行業務運行，命名為中星16號，這也將對我國衛星通信產業的發展起到極大的促進作用。

實踐-13 ，圖片來源作者

何謂高通量通信衛星？

什麼叫高通量通信衛星呢？簡單地講，高通量通信衛星就是在使用相同頻率資源的條件下通信容量比常規通信衛星高數倍甚至數十倍的通信衛星。

這種衛星又叫高吞吐量通信衛星，主要特點是採用了頻率復用、多點波束等先進技術，其中雖然衛星所使用的點波束覆蓋範圍僅為300～700千米（常規通信衛星的寬波束覆蓋範圍在2000千米左右），但其好處是可通過減小天線波束的孔徑角，提高衛星天線的增益，從而實現不同波束之間頻率的復用，提高衛星系統的通信容量。通信容量指一套通信設備的通信能力。隨通信設備類型的不同，其內涵略有不同，但通常是指其數據傳輸速率。常規通信衛星一般通信容量不到10吉比特/秒，而2016年升空的美國回聲星19號通信容量達220吉比特/秒，星上共配置138個用戶波束，這是目前全球通信容量最大的單星系統，它可同時為200萬用戶提供服務。

衛星多個點波束示意圖，圖片來自作者

高通量通信衛星與寬頻通信衛星很類似，但又不完全相同。前者是以點波束和頻率復用為標誌，能運行在任何頻段（但目前大多採用Ka頻段），通信容量大小取決於分配的頻譜和頻率復用次數，能提供固定、廣播和移動等各類商業衛星通信服務。後者是以Ka頻段、大容量、提供寬頻互聯網接入為標誌，開闢了衛星互聯網接入的新業務。

點波束是指一束集中的高功率衛星信號，它僅覆蓋一個小的區域，在這個區域之外檢測不到該信號，它也不干擾相同波長的使用。其優點是能實現頻率復用，提高天線的收發增益。但由於點波束覆蓋範圍小，因此要想實現大範圍的區域覆蓋，需要大量點波束，且點波束之間能不斷切換連通。頻率復用就是使同一頻率覆蓋不同的區域，以充分利用頻率資源，衛星通信常採用極化復用和地區隔離相結合的方式來重複使用頻率，擴展衛星通信的容量。

實踐13號衛星在我國高軌衛星領域首次採用了多口徑多波束天線、固面反射器高形面精度控制等一系列先進技術，並且首次將空間技術試驗和示範應用相結合，提供雙向寬頻通信示範化運營服務。

高通量通信衛星有很高的經濟優勢，因為一顆通信總容量超過100吉比特/秒的高通量通信衛星，其衛星建造、火箭發射、發射保險的費用與常規通信衛星持平，但1吉比特/秒的成本僅是一顆常規通信衛星的1/50。其帶寬通信成本與地面網路的帶寬通信成本相當，使衛星通信服務提供商能夠提供與地面4G網路服務抗衡的包月服務資費。為此，近年來在全球掀起了研製和發射高通量通信衛星的高潮。至今，全球已有近50顆高通量通信衛星在軌運行，未來2年還將發射近20顆高通量通信衛星，屆時，全球高通量通信衛星總容量將達到1400吉比特/秒。在「十三五」期間，我國也將研製和發射多顆高通量通信衛星，實踐13號就是其中的首顆。

實踐-13，圖片來源作者

首次應用Ka頻段

實踐13號衛星首次在我國衛星上應用了Ka頻段多波束寬頻通信系統，那麼，衛星採用Ka頻段通信有什麼優勢呢？

了解衛星通信常識的朋友都知道，衛星通信可使用的頻段很多，如L、C、Ku、Ka頻段等，不同的頻段有不同的特點。頻率越低，電波進入雨層中引起的衰減越小，繞射能力越強，對終端天線的方向性要求也低，適合用於移動通信環境，但其缺點是帶寬小。而通信中採用的頻率越高，其帶寬就越寬，傳輸容量越大，但技術越複雜。

近年來，不少國家都在爭相開發、應用Ka頻段通信衛星，主要原因是其頻帶寬、容量大、資源多、覆蓋廣、成本低、增益大、終端小等。例如，Ka頻段工作範圍為26.5～40吉赫茲，遠超C頻段（3.95～8.2吉赫茲）和Ku頻段（12.4～18.0吉赫茲），因此Ka可以利用的頻帶更寬，更能適應高清視頻等應用的傳輸需要。比方說，C和Ku頻段的頻率工作範圍只能行駛30個座位的大巴，而Ka頻段的頻率工作範圍可以跑100個座位的大巴。

另外，由於頻率高，所以Ka頻段通信衛星天線增益可以很大，從而使其用戶終端天線能夠做得更小更輕，這就有利於衛星通信用戶靈活移動和使用。

簡言之，Ka頻段通信衛星可廣泛用於高速衛星通信、千兆比特級寬頻數字傳輸、高清晰度電視、衛星新聞採集、VSAT業務、直接到戶業務及個人衛星等新業務。隨著互聯網應用的日益普及、衛星通信帶寬需求不斷擴大，以及傳統C、Ku頻段軌位和頻率資源的日趨稀缺，通信衛星向Ka頻段寬頻方向發展就成為一個必然的趨勢。

由於實踐13號衛星採用了Ka頻段通信，所以它不僅容量大，可傳送高清視頻，而且能使其衛星用戶終端做得較小，從而便於裝備、攜帶和使用，無需單獨建網，性價比高。我國現有超過6000萬人參與徒步、騎行、自駕游等戶外項目，但因為有些戶外地區通信信號差甚至沒有，所以每月有近千起迷路或失聯事件發生。尤其是當發生水災、地震和海嘯等急突發事件時，一旦地面固定和移動通信業務發生損毀或癱瘓，就不能及時、快速、準確地傳遞災情信息，導致損失嚴重。但如果遊客或受災民眾配備了實踐13號衛星的用戶終端後，就能隨時與衛星建立語音、數據和視頻的傳輸，把途中或災區的情況在第一時間傳遞出去，為展開救援提供通信保障，將損失降至最小，發揮「應急通信」的關鍵作用。

雖然，與目前國際先進的高通量Ka衛星相比，我國首顆高通量衛星實踐13號的通信容量、覆蓋區域等還相對有限，但它將引領我國高通量衛星通信技術發展。此後，我國研製和發射的中星18 號Ka 寬頻衛星將對此進行全面的補充和完善。

實踐-13，圖片來源作者

它還有許多亮點

實踐13號還有許多亮點。例如，它是我國首顆實現電推進工程化應用的衛星。該衛星既裝有化學推進分系統，也裝有採用氙離子推力器的電推進分系統，後者無需消耗化學推進劑即可完成全壽命期內南北位置保持任務，在軌壽命15年，這對我國高軌衛星來說是具有革命性的技術突破，衛星承載能力顯著提升。

我國研製的電推進系統，圖片來源作者

電推進系統是用電能加熱或電離推進劑，使其加速噴射而產生推力，即是一種把外部電能轉換為推進劑噴射動能的火箭。其優點是比化學推進系統的效率高10倍左右，具有比沖高、效率高、省燃料、振動小、成本低、壽命長、較安全和綜合性能好等一系列優點。所以，採用電推進系統的衛星比採用化學推進系統的衛星，在完成同樣任務時所需的推進劑少得多，這樣就可以顯著降低發射質量，從而大幅降低發射成本；明顯增加衛星上的有效載荷數量，從而提高商業競爭力；大大增加推進劑攜帶量，從而延長衛星的使用壽命。

例如，原來一顆衛星需要帶3噸的化學推進劑，採用電推進系統之後，其理論極限上只需要帶300千克推進劑，這對於衛星減重，增加有效載荷的承載容量的好處是非常大的。由此可見，電推進系統是一種全新的發展思路，有望成為改變地球靜止軌道通信衛星製造市場競爭格局的革命性技術，成為提高通信衛星平台的綜合性能和技術水平的重要手段，是地球靜止軌道通信衛星的重要發展方向。

這次實踐13號採用的是半電推進衛星平台方案。據有關專家介紹，我國已完成了全電推進衛星平台方案的詳細設計，其性價比和載荷比達到或略優於國外同類衛星水平。

另外，實踐13號也是我國首次在地球同步軌道衛星上開展對地高速激光通信試驗的衛星。衛星激光通信具有通信容量大、傳輸距離遠、保密性好等優點，在高速空間信息網路數據傳輸方面具有不可替代的作用，是國際科技競爭的重要戰略高地。此前，我國曾在海洋2號衛星上開展過低軌衛星與地面之間的激光通信試驗。此次在實踐13號衛星上開展高軌衛星與地面的雙向激光技術通信，通信速率最高可達到2.4吉比特/秒。這項試驗成功後，將標誌著我國在該領域的研究達到國際先進水平。

衛星激光通信的信息傳輸能力遠大於目前的衛星微波通信的信息傳輸能力，可把數據傳輸速率提高10～100倍，使衛星具有前所未有的極大信息傳輸能力，能從太空傳回視頻及高精度測量數據，有效解決現代衛星技術發展所帶來的數據傳輸瓶頸問題。激光通信設備還有體積小、重量低、能耗少等優點。該技術將來有可能演變成高速太空互聯網，被認為「有潛力給太空通信帶來革命性改變」。

實踐-13，圖片來源作者

應用前景廣泛

實踐13號衛星有26個用戶點波束，能夠覆蓋我國除西北、東北的大部分陸地和近海百千米以上海域。用戶終端可以方便快速地接入網路，下載和回傳速率最高分別達到150兆比特/秒和12兆比特/秒，可實現真正意義上的衛星寬頻通信應用，填補我國在該領域的技術空白。地面無線網路信號覆蓋不到或光纜寬頻接入達不到的地方，都可以通過實踐13號衛星方便地接入網路。

該衛星通信系統空間段衛星資源、地面段網路系統及業務運營系統採用天地一體化設計，以及衛星網路與地面網路的互聯互通，用戶無需建設主站，僅需購買終端站就可使用寬頻衛星服務，終端站通過衛星的用戶波束接入所屬信關站，為用戶節省了網路建設的投資。此衛星系統可支持寬頻接入、基站回傳、視頻內容分發、視頻新聞採集、機載/船載/車載通信、企業聯網、應急通信等方面的應用；除支持固定終端外，還支持機載、車載和船載等移動終端的應用，能夠實現跨波束自動無縫切換。其3個信關站可支持30萬終端接入，並可擴展至百萬量級。

例如，用實踐13號衛星可以助力運營商實現無縫「動中通」。「動中通」是指車輛、輪船、飛機等移動載體在運動過程中的衛星通信保障。據統計，我國平均每天的飛機乘客超過120萬人，平均每天的鐵路客運量達到760萬人，但乘客的上網體驗卻非常不佳：飛機機艙內無法上網，高鐵列車上手機信號時斷時續，游輪駛離港口後變成信息孤島，乘客隨時隨地上網的需求長期得不到滿足。以上問題是由於地面移動網路無法實現全面覆蓋，或即使能覆蓋，但因跨越不同區域導致切換過於頻繁，所以難以為高速交通工具提供服務。由於實踐13號衛星採用天地一體化設計理念，其中一項重要業務就是提供高速「動中通」，通過多波束無縫切換配合機載、車載或船載終端的自動跟蹤捕獲功能，所以可以為航空、航運、鐵路等各類交通工具上的乘客聯通世界，徹底改善上網體驗。

我國幅員遼闊、地形複雜，在山區、沙漠、草原、海洋等地方，信息傳遞仍然存在盲區，同時，受我國東西部經濟發展不均衡以及地理條件的限制，部分地區的寬頻接入設施遠遠落後於其他地區。如何消除「網路鴻溝」已經是我國在信息化時代亟待解決的重要問題之一。在這些地區鋪設地面或移動網路，存在很多無法克服的障礙。而實踐13號高通量衛星則不受地麵條件限制，可以憑藉其快捷組網、高速接入的特點以及低成本優勢，很好地解決這一問題。這得益於衛星的大容量，實踐13號可以為這些地區的用戶提供優良的寬頻服務。

延伸閱讀

採用東方紅-5的超大容量寬頻通信衛星模型，圖片來源作者

今年，我國還計劃發射實踐18號、中星9號A等另外5顆通信衛星。其中實踐18號是首顆採用東方紅5號新一代大容量試驗衛星平台的衛星。我國第5代通信衛星平台東方紅5號，整星輸出功率為28千瓦，有效載荷重量1500千克，有效載荷功率18千瓦，可承載120台通信轉發器（目前東方紅4號衛星平台最多裝46台通信轉發器），衛星平台設計壽命16年，主要性能指標超過目前現役的國際主流衛星平台。

按照2015年國務院批准的《國家民用空間基礎設施中長期發展規劃（2015－2025年）》安排，至「十四五」，我國將新增建設22顆通信廣播衛星，其中全新研製的通信衛星有5顆，包括L移動多媒體廣播衛星、大容量寬頻通信衛星、超大容量寬頻通信衛星、高承載比寬頻通信衛星、全球移動通信星座科研星等。例如，超大容量寬頻通信衛星主要用於滿足教育部提出的遠程教育容量需求，同時兼顧遠程醫療、應急救災等公益應用，並牽引個人和企業寬頻多媒體接入等商業應用，採用東方紅號衛星平台，整星容量超過100兆比特/秒，達到了國際寬頻衛星領先水平，對於促進我國寬頻衛星技術進步和產業發展以及推動國際寬頻衛星市場開拓具有重大意義。

編輯：紀阿黎

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