Ka卫星系统的分析与讨论-卫星通信工程师SatComEngineer

Ka卫星系统的分析与讨论2015-4-15吴波洋APMT信息源自《Ka频段通信卫星资料》其中搜罗了大约150颗Ka卫星资料拟按——卫星的性能用途与发射时间卫星所属的公司国家与所在轨位卫星系统的造价与研制开发推广周期等等分别予以梳理，并据此探寻相关的发展路径Ka卫星发射日期性能与用途卫星制造商轨位与服务区波束与天线工作频段和极化方式邻星干扰HTS卫星与系统HTS系统带宽与容量用户终端与速率降雨衰耗设备供应商卫星与系统成本系统建设与市场开发更多市场选择推断与结论附：中低轨卫星星座资料发射日期❖101颗已发射Ka卫星➢含退役卫星7颗、以及发射失败或故障卫星5颗➢发射日期区间为1989年2月到2015年2月➢发射Ka卫星较多的年份⇨2002-2009年，共发射40颗，其中失败2颗⇨2010-2014年，共发射49颗，其中失败3颗❖51颗已披露发射计划及转发器信息的Ka卫星➢5颗已取消（原定于2007年的）发射计划➢计划于2015年、2016年、以及2017年或更晚发射的，分别为16颗、20颗和10颗❖分析与讨论➢过半数在轨Ka通信卫星，是在最近5年内发射升空的➢2015年和2016年的发射计划，将使Ka卫星数量扩容四成➢Ka卫星已成大热门，理当引起重视性能与用途❖101颗已发射Ka卫星➢排除23颗军用和测控中继卫星➢在78颗通信广播卫星中⇨41颗为部分Ka搭载或有限带宽⇨37颗属于宽带大容量后者中，有22颗用于DTH，略多于用于宽带IP的15颗❖46颗计划发射Ka卫星➢约有30颗为多转发器多波束大容量，大多用于宽带IP接入❖HTS（High Thoughput Satellite）➢在技术和市场两方面已日渐成熟且趋于热门⇨令人振奋又难免担心➢在需求旺盛时投巨资造星发星⇨可以满足市场需求、抢占市场份额⇨可能因供应过剩而将行业推向下一个危机前车之鉴❖2005年发射的两颗SpaceWay卫星➢迫于市场环境，封闭星上交换功能，将卫星转发器降格改为弯管式➢放弃宽带IP业务，转而用于DTH广播❖计划于2007年发射的五颗Rainbow Ka卫星➢迫于市场环境，7.5亿美元的合同于2005年被取消❖相关事例表明➢通信系统的发展不能强行走技术拉动路线➢倚靠市场推动才是王道卫星制造商❖152颗被调查的Ka卫星➢卫星平台的制造商与型号⇨相当数量的卫星，平台与载荷由不同的制造商承造➢逾6成出自美国制造商⇨SS/L，36颗（其中11颗在造），均为LS-1300⇨BSS，36颗（13颗在造），9颗/27颗-601/-702⇨LM，14颗（1颗在造，5颗取消合同），13颗A-2100，1颗AS-4000⇨Orbital Science，7颗（3颗在造），4颗/3颗GEO Star-2.4/-3.0➢近2成半份额由欧洲占据⇨EADS Astrium，21颗（4颗在造），20颗Eurostar-3000、1颗AlphaBus⇨Thales Alenia，13颗（4颗在造），2颗/8颗Spacebus-3000/-4000、3颗Italsat-GEOBus⇨OHB Luxor，2颗（均为在造卫星），均为Luxor Small GEO卫星制造商（续）❖152颗被调查的Ka卫星（续）➢余下1成半被俄、日、中、印和以色列分摊⇨俄国，6颗（1颗在造），1颗/2颗Ekspress-1000/-2000、3颗MSS-2500-GEO⇨中国，4颗（1颗在造），均为DFH-4⇨印度，4颗（1颗在造），2颗/1颗/1颗ISRO-2k/-2.5k/-4k⇨以色列，3颗（1颗在造），均为Amos，其中2颗为-HP⇨日本，5颗（3颗在造），4颗三菱电子DS-2000，1颗JAXA Winds ➢另有1颗未公布❖JAXA实验卫星WINDS➢2008年发射➢使用相控阵天线和星上交换技术➢0.45m终端的接收速率可达155Mbps轨位与服务区❖78颗已发射Ka通信广播卫星➢121W-78W弧段⇨跨度为43度⇨26颗，在轨25颗，其中约有16颗为宽带大容量⇨主要服务于北美和南美➢61W-69E弧段⇨跨度为130度⇨30颗，在轨28颗，其中约有14颗为宽带大容量⇨主要服务于欧洲、非洲和中亚➢74E-162E弧段⇨跨度为88度⇨22颗，在轨13颗，其中约有5颗为宽带大容量⇨主要服务于亚洲和澳洲轨位与服务区（续）❖40颗计划发射的Ka通信广播卫星➢119W-75W弧段⇨跨度为44度⇨7颗，均为宽带大容量➢65W-52E弧段⇨跨度为117度⇨23颗，约有15颗为宽带大容量➢74E-172E弧段⇨跨度为98度⇨10颗，估计过半数为宽带大容量❖对比及推断➢北美市场已近饱和➢欧洲及其周边的市场有待扩充➢中东中亚可能为下一热点➢日本以外的东亚较为保守复合点波束❖78颗已发射Ka通信广播卫星➢16颗明确为多点波束➢8颗可推断为多点波束➢多点波束卫星占比，约占三成❖40颗计划发射的Ka通信广播卫星➢应有半数以上为多点波束❖分布方式➢在欧美，多为密集铺开，连成一片➢在亚太地区，常见分散投向重点城市周边❖推断➢点波束卫星已渐成趋势点波束的波束宽度❖通常为0.5到0.8度➢地面覆盖区直径为300到500公里➢WildBlue-1⇨35个点波束覆盖美国➢Anik F2⇨45个点波束覆盖美加➢KA-SAT⇨大约50个点波束覆盖欧洲➢Eutelsat 65W A⇨16个点波束覆盖巴西➢Intelsat 32e⇨20个点波束覆盖巴西➢HYLAS-3⇨8个点波束覆盖南非点波束的波束宽度（续）❖相控阵天线波束宽度较窄➢SpaceWay 3⇨最小波束宽度仅为0.17度⇨100个点波束覆盖美国❖老卫星波束较宽➢AMC-16⇨10个点波束覆盖美国➢ASTRA 1L⇨11个点波束覆盖西欧❖Intelsat下一代Epic卫星➢出于全球覆盖的需要➢波束宽度为2度其他波束❖可移动波束➢多颗Ka卫星⇨灵活应对市场需求⇨抢占轨位频率资源❖波束之间的交链➢Ka/Ku交链方式⇨2颗卫星，Ka关口站/Ku用户波束⇨多颗卫星，Ka点波束/Ku区域波束，洲际跨接➢L/Ka交链⇨Inmarsat 5系列卫星➢X/Ka交链⇨多为军用卫星天线❖4个大口径展开式天线➢Ka卫星使用已成常态➢复合点波束需要较多较大的星上天线➢Inmarsat 5系列卫星⇨点波束由2收2发天线产生➢iPSTAR⇨1个2.7m天线产生18个Ka关口站点波束⇨3个2.7m天线产生84个Ku用户点波束❖10来个天线➢有多颗卫星装置➢展开与顶置➢兼顾不同频段和不同覆盖极化方式和工作频段❖极化方式➢现有资料，Ka卫星均采用圆极化❖常用频段➢27.5-30.0/17.7-20.2GHz➢上下行各有2.5GHz带宽➢高端的500MHz带宽由卫星FSS业务优先使用➢低端的2GHz带宽由地面FS业务优先使用❖HTS系统➢用户点波束常用29.5-30.0/19.7-20.2GHz频段⇨按2种交叉极化方式，分割为4个250MHz带宽，实现4色频率复用➢关口站点波束多用27.5-29.5/17.7-19.7GHz频段⇨卫星接收机采用4组不同变频比⇨1个关口站可连接4组（16个）用户点波束➢KA-SAT、Wildblue和HYLAS等卫星均按此作频率计划❖DirecTV所用卫星➢多工作于29.5-30.0/18.3-18.8GHz频段➢欧洲的频率监管比较严格⇨SNG使用29.5-30.0GHz优先频段时，也需与地面业务协调❖DirecTV 10、11和12➢各有55个点波束，下行使用18.3-18.8GHz频段➢共用6个上行站发送载波⇨估计星上也采用宽带分段变频方式⇨否则1个上行站的带宽不足以涵盖10个点波束带宽❖Koreasat 3/ABS 7➢30085-30885/20335-21155MHz频段⇨1999年发射的老卫星❖遥测遥控频率➢美国空军的WGS系列X/Ka卫星⇨定向天线使用X和Ka频段⇨全向天线工作于S频段➢全Ka卫星HYLAS 3，工作于S和Ka频段邻星干扰❖关口站点波束➢8m以上Ka天线的0.3度偏轴隔离度有20多dB➢几乎不存在邻星干扰❖用户点波束➢0.75m以上Ka天线的2度偏轴隔离度有20多dB➢复合点波束和多色频率复用设计⇨邻星服务区之间的同频同覆盖可能性不大⇨小口径Ka终端的邻星干扰远弱于C和Ku频段➢工作频段常为29.5-30.0/19.7-20.2GHz⇨将小口径终端之间的邻星干扰问题，集中在有限范围内解决❖可移动波束➢常见于Ka频段在轨和计划卫星➢工作频段多在用户点波束常用频段之外➢小天线应用有碍于共享轨位频率资源邻星干扰（续）❖邻星的不同波束之间➢关注小天线大功率的SNG设备❖Ka卫星常以0.1度轨位间隔共轨➢111W的WildBlue 1与Anik F2➢103W的3颗DirecTV卫星➢99W的2颗DirecTV卫星与SpaceWay 2❖讨论➢用户点波束⇨频率计划随大流，易处理➢关口站点波束⇨大天线几无干扰，可能有邻星系统的小天线上行干扰➢可移动波束⇨有碍于频率轨位资源的有效利用⇨便于抢占和保护资源，新卫星尽可能搭载Ka卫星发射日期性能与用途卫星制造商轨位与服务区波束与天线工作频段和极化方式邻星干扰HTS卫星与系统HTS系统带宽与容量用户终端与速率降雨衰耗设备供应商卫星与系统成本系统建设与市场开发更多市场选择推断与结论附：中低轨卫星星座资料HTS系统❖传统通信卫星➢通信能力用上下行带宽表示➢卫星操作者向用户出租转发器带宽➢由用户自行建设并管理各自网络❖HTS卫星系统➢星地一体化的宽带IP通信系统➢通信能力用前向和返向载波的总传输容量表示➢以关口站为中心的星状网⇨关口站发送宽带前向载波，供用户接收⇨用户回传窄带返向载波，由关口站接收➢向用户零售、并向分销商批租信息流量➢通过广播、多播和点播方式提供增值服务编码调制方式❖固定编码调制➢常用于传统卫星➢根据卫星参数和用户设备性能，选定编码率和调制方式➢载波的信息速率、编码调制方式、符号速率与带宽均固定不变❖自适应编码调制➢HTS卫星系统必用➢载波的符号速率与带宽固定不变➢根据卫星参数、用户终端性能、以及信道传输条件，随时调整编码率和调制方式➢信息速率随之而变➢信道传输条件⇨降雨衰耗影响⇨晴空时C/N高，采用高纠错码率+高阶调制，信息速率为最高⇨降雨条件下C/N要求低，改用低纠错码率+低阶调制，信息速率随之降低符号速率与带宽❖前向载波的符号速率➢早期系统⇨符号速率最高为45Msps⇨适用于54和72MHz带宽转发器➢近期⇨符号速率可扩展至200Msps⇨适用于250MHz带宽点波束❖用户点波束带宽设计➢前向转发器通常只安排一个载波⇨以便充分利用转发器的饱和EIRP ➢应考虑设备条件➢没必要宽于最高符号速率的1.2？倍➢返向转发器带宽可为前向转发器的一半⇨用户下载速率远高于上传速率带宽效率与容量❖带宽效率➢单位带宽所能传送的最高信息速率⇨单位为bps/Hz➢新卫星多在2到4之间⇨KA-SAT、Amazonas 3等⇨EIRP可达70dBW➢老卫星可能低至1.3⇨AMC 16⇨峰值EIRP仅60dBW❖容量➢传输速率➢带宽与带宽效率之乘积➢单位为Gbps❖点波束带宽➢前向信道带宽常为250MHz⇨500MHz用户点波束带宽的一半⇨双极化，构成4色频率复用➢返向信道带宽可为120到250MHz➢偶有双向带宽低于250MHz❖卫星总带宽➢前向信道带宽与返向信道带宽之和⇨前向载波和返向载波分别使用各自的转发器信道➢所有点波束带宽之总和❖点波束容量➢多为1到2Gbps⇨Jupiter 1和2、ViaSat-1等➢偶有200kbps上下⇨Intelsat Epic系列等❖卫星总容量➢卫星在单位时间内所能传送单向信息的最大值➢前向信道容量与返向信道容量之和➢所有点波束容量之总和HTS卫星容量（续）❖欧美卫星容量➢点波束可达60或更多➢带宽多在20GHz以上➢容量为数十到100Gbps❖其他地区卫星容量➢点波束在20个上下➢带宽多在3、5GHz以下➢容量不超过10Gbps➢较多搭载Ku等其他频段转发器用户终端与传输速率❖用户终端➢天线口径多在0.75m上下➢功放输出为1到2W➢不考虑功率备余量⇨避免因使用不当，使上行功率过高，干扰同频段邻近点波束❖传输速率➢前向/返向信息速率通常不超过50/5Mbps➢日本实验卫星WINDS较为极端⇨0.45m终端的最高速率可达155Mbps❖自适应编码调制方式➢晴空时，可用8PSK甚或32APSK和9/10码率➢降雨条件下，最低降至QPSK和1/2码率降雨衰耗❖iPSTAR数据➢由Ka信标折算的上行雨衰⇨某日有连续22分钟在20dB以上⇨最严重时超过50dB⇨其间，前向载波全线中断❖上行信道➢由地球站UPC和卫星ALC补偿⇨补偿量远低于50dB➢降雨所产生热噪声⇨会额外降低信道C/N❖下行信道➢降雨备余量十分有限❖结论➢雨衰无法完全克服，只能有限度补偿降雨衰耗（续）❖自适应调制编码技术➢通过降低编码率并改用低阶调制，可对雨衰作有限度补偿➢晴空条件下的C/N要求越高，雨衰时的调整量越大⇨由9/10编码及32APSK调整到1/2编码和QPSK，调整量将近20dB⇨数据速率由极高降至极低⇨带宽利用率随之大幅下降❖雨衰对卫星容量的影响➢自适应编码调制不时降低带宽效率➢按最高传输速率估算的卫星容量仅为理论上的最大值设备供应商❖HTS卫星所需配置的地面系统➢无人值守关口站➢网管中心➢IP接入、数据中心、客户服务等❖供应商与相关系统➢HNS的HN/HX⇨用于2013年及以前发射的8颗美、英、俄、阿联酋卫星➢HNS的Jupiter⇨用于2012年及以后发射的8颗美国、西班牙、Eutelsat和Intelsat的在轨和计划卫星➢ViaSat的Surfbeam⇨用于ViaSat、Eutelsat、以及澳大利亚NBN的6颗在轨和计划卫星➢iDirect的同名系统⇨用于Inmarsat的4颗在轨和计划卫星设备供应商（续）❖HNS和ViaSat➢双重身份⇨设备供应商和系统运营商⇨两方面都占有较高市场份额➢系统集成⇨提供包括天线射频等设备的整体设计⇨运营经验对系统研发有加成❖其他设备供应商➢销售基带设备为主⇨DVB-S2系统的升级版本➢天线射频⇨多建议自行配置➢网管和IP系统⇨似以单转发器应用为主⇨多关口站大系统资料偏少Ka卫星造价❖美国空军的10颗WGS系列卫星➢首星于2007年发射➢均价约3亿美元⇨一说，前2颗的2002年初合约为3.36亿美元，其后3颗在2006年末的合约为10.67？美元，第7颗在2010年中的合约为1.82亿美元❖英国卫星HYLAS➢HYLAS 1⇨2010年发射，1.2+GHz带宽，项目1.2亿欧元（1.5亿？美元）➢HYLAS 2⇨2012年发射，10Gbps容量，卫星贷款3亿美元➢HYLAS 3⇨计划星，4+GHz带宽，Ka载荷0.74亿英镑（1.1亿？美元）➢HYLAS 4⇨计划星，28GHz带宽，卫星连发射保险3.5亿美元Ka卫星造价（续）❖ASTRA 2E等4颗同类卫星➢首星于2012年发射⇨购星信用额为7.5亿美元❖3颗Inmarsat 5卫星➢首星于2013年发射⇨2010年的购置费用为10亿美元❖以色列国产Amos卫星⇨Amos 3，15个Ku/Ka转发器，2007年底合同1.7亿美元⇨Amos 4，2+GHz带宽，3.65亿美元⇨Amos 6，45个S、Ku、Ka转发器，2.15亿美元❖中国产玻利维亚卫星TKSat-1➢2013年发射⇨卫星成本3亿美元（中国开发银行提供逾2.5亿贷款）❖印度国产计划星GSAT 11？HTS系统总成本❖EchoStar 17➢又名Jupiter 1或Spaceway 4➢2012年发射➢HNS在2011年以13亿美元将卫星与地面系统转售于EchoStar ❖阿联酋Yahsat 1A和1B➢分别于2011和2012年发射➢卫星制造发射和地面系统在2007年的合约，价值16.6亿美元❖澳大利亚计划星NBN-Co 1A和1B➢系统？成本为20亿澳元（16亿？美元）⇨ViaSat地面系统的合同为2.4亿美元卫星与系统成本❖Ka卫星造价➢根据星型大小和结构功能不同➢1到3亿美元，甚至更高❖HTS系统总成本➢与卫星成本相近或更高❖设备供应商的不同数据➢大型Ka卫星可达4、5亿美元⇨包括发射保险费用➢地面系统设备不超过1亿美元❖对比与考虑➢卫星造价高低悬殊，地面系统投入可能远超预算➢项目启动前应作充分的市场调查，切忌盲目上马，求大求全➢新兴市场的优选方案或应为⇨Ka结合Ku，区域波束中夹杂离散点波束系统建设周期❖KA-SAT➢原计划⇨34个月造星⇨2个月发射、定轨、IOT⇨6个月网络系统联调➢实际为⇨2010年12月发射⇨2011年5月开始运营⇨发射定轨IOT和系统联调时间仅为5个月市场开发相关数据❖Spaceway 3➢2007年8月发射➢总容量13Gbps➢16个关口站，可支持165万个用户终端➢推算⇨13Gbps / 1.65M = 8kbps = 20Gbpm⇨每用户终端的平均月流量约为20Gb或2.5GB ❖Jupiter 1➢2012年7月发射➢2014年第2季度的在线小站为60.5万个➢2014年的月增长量为2-3万个市场开发相关数据（续一）❖ViaSat-1➢2011年10月发射➢2014Q1在线终端40余万，预计2016年可达容量极限➢总容量超过120Gbps，终端销售上限不详➢推算⇨2014Q1前的月均终端增长量不超过2万⇨假设2014Q2及以后的月均增量为5万，到2016年底的在线终端数应该不超过50 + 5 * 33 = 215万个⇨用户终端的平均速率大于56kbps⇨折合月均流量140Gb或18GB市场开发相关数据（续二）❖2014年底美国市场数据➢卫星宽带业务终端数⇨Hughes，635k⇨ViaSat，620k⇨Total，1.255M➢DTH业务终端数⇨DirecTV，20.35M⇨EchoStar，14.06M⇨Total，31.41M➢对比⇨卫星电视用户数量约为卫星宽带用户的25倍，或许意味着后者有较大的增长潜力系统建设与市场开发❖Ka卫星系统建设➢卫星制造周期可能长达36个月➢卫星发射和系统联调约需6到9个月❖终端用户的月均流量预期值➢2000年代中期在5GB以下➢2010年代初已升至20GB❖HTS系统的终端数➢大型Ka卫星可达200万个➢北美市场现有两大系统（3颗卫星），终端容量或有500万个❖用户月增量➢2014年不超过5万➢5年内用满1颗大卫星的预期可能过于乐观个人终端用户以外的市场选择❖HTS终端的销售对象➢目前以个人用户为主➢据称在北美市场的成本和价格已接近于地面宽带➢不适用于中国城市❖HTS终端的流量消费➢目前以宽带上网为主➢通信运营商可与内容供应商相结合❖面向商户和机构的市场开拓➢移动通信基站等的backhaul⇨小微波已不适应4G⇨高铁上的宽带上网➢连锁店的虚拟专用网⇨美国的超市和快餐店是卫星通信的大用户➢高清电影院和调频广播差转站等的内容传播地面用户以外的市场选择❖对流层以上的空间应用➢不受降雨衰耗影响❖民航客机内的宽带上网➢Ka卫星多为点波束⇨带宽容量大⇨点波束之间需要切换➢Ku卫星多为区域波束⇨带宽容量有限❖高空通信平台的backhaul➢用飞艇或飞机在20km以上高空建立的蜂窝状通信网⇨WAC-97已分配48GHz频段，其后有国家争取30GHz频段➢Ka卫星提供的新选择⇨网管中心--（Ka卫星--多个）HAPS--用户终端⇨不同HAPS之间用户信息的传输与交换⇨网管中心--HAPS链路的雨衰分集Ka卫星发射日期性能与用途卫星制造商轨位与服务区波束与天线工作频段和极化方式邻星干扰HTS卫星与系统HTS系统带宽与容量用户终端与速率降雨衰耗设备供应商卫星与系统成本系统建设与市场开发更多市场选择推断与结论附：中低轨卫星星座资料推断与结论❖Ka卫星和HTS系统已成大热➢北美市场已近饱和➢欧洲周边有待扩充➢中东中亚正成热点➢多颗计划卫星设有非洲覆盖➢中国也有相关计划❖市场推动是王道➢过于超前的技术投入可能遭致风险➢系统周期长⇨从签约到运营要4到5年⇨从空载到满负荷又要5到10年⇨Ka点波束卫星不宜作倾轨运行⇨系统全容量运营时间很可能不满5年⇨在这长周期内，市场和技术会有变化➢迟疑难免踏空行情，盲动更可能遭致风险推断与结论（续）❖合理设计➢卫星容量、波束设计、转发器带宽与EIRP、终端速率等，均应从设备性能与市场需求出发，权衡考虑➢Ka结合Ku、区域波束中夹杂离散点波束的中型卫星系统，与地面网络相结合，可能更适合于新兴市场❖邻星干扰➢远低于C和Ku频段卫星系统➢频率计划应随大流❖降雨衰耗➢依靠自适应编码调制技术➢晴空条件最好能用高纠错码率和高阶调制❖设备供应商选择➢注重系统整体的集成能力➢注重销售和运营方面的往绩Ka卫星发射日期性能与用途卫星制造商轨位与服务区波束与天线工作频段和极化方式邻星干扰HTS卫星与系统HTS系统带宽与容量用户终端与速率降雨衰耗设备供应商卫星与系统成本系统建设与市场开发更多市场选择推断与结论附：中低轨卫星星座资料Globalstar-2❖卫星星座➢由48颗低轨卫星组成⇨Globalstar一代系统由48颗在轨工作和8颗在轨备份卫星组成➢轨道参数⇨轨道高度1410km，轨道倾角52度，与Globalstar一代系统相同❖发射计划➢已发射24颗⇨Globalstar-73到96⇨分别于2010年10月、2011年7月和12月、以及2013年2月发射⇨1箭6星，由Soyuz-2-1a Fregat-M火箭（联盟2，LEO卫星的发射重量为7.8T）发射➢计划于2015年发射6颗⇨Globalstar-97到102➢尚未排定其余18颗卫星的发射计划⇨Globalstar-103到120Globalstar-2（续）❖卫星平台➢ELiTe平台⇨设计寿命15年⇨发射重量700kg⇨BOL功率2.4kW，EOL功率1.7kW ➢Globalstar一代卫星采用LS-400平台⇨设计寿命7.5年⇨干重350kg，发射重量450kg⇨直流功率1.1kW❖有效载荷➢C/S频段和L/C频段转发器各16个❖合同价格➢6.61亿欧元（2006年底）➢48颗卫星的研发、制造和发射支持服务⇨并不包括发射费用？。