卫星地面段未来趋势分析

技术与服务模式革新。

1.“地面段即服务”模式逐渐主流化

“地面段即服务”是指航天服务商通过共享卫星地面站网络、数据中心、地面通 信网络、云数据存储与预处理平台,为多家运营商提供遥测遥控、数据获取、预处理、 存储、传输等服务。即，地面段不再由卫星运营商自行承担，而由专业的服务公司提 供。在卫星产业发展初期，卫星运营商自行负责地面段能力的建设和维护，地面段资 源仅供本公司使用。随着在轨卫星数量增多，运营商需要数量更多、分布更广的地面 站来满足业务发展要求。建设和维护地面段需要付出巨大的资金投入，并进行长期专 业的维护，还要获得地面段所在国家的政府许可。因此，当市场出现专业的航天测控 公司后，卫星运营商开始从这些测控公司采购卫星测控和数据传输服务，利用其分布 在世界各地尤其是气候环境恶劣的极圈地区的地面站，便捷地获得服务。在这种模式 下，卫星运营商开展地面活动的投人方式随之从单一资本支出型（CAPEX）过渡为资 本支出型与运营支出型（OPEX）并存的方式。

通常，地面站只能在非静地轨道卫星过顶时与其进行约 10 分钟的通信。对于星座 编队情况则要求地面站同时对过顶的多颗卫星进行发送和接收信息。按照传统方式每 个地面站只能同时与编队中的一颗卫星进行通信，或者设立多个地面站（或收发信道 设备）分别与多颗卫星进行通信,这样会带来成本增加或延时变长的问题。传统业务 通过拓展地面站网络资源、应用先进的人工智能信息技术、开发高性价比的平板天线、 加强与产业链上下游业务的融合,迅速向“地面段即服务”集成的新模式转型,为火箭 发射、多类型航天器运行、维护和应用提供高品质、高灵活度、高可靠、高安全性的 集成解决方案,用户通过应用编程接口（API）可自主、灵活定制地面服务。LeafSpace 公司于 2020 年推出的“地面段即服务”，建立从天线到基带单元和向客户传输数据的 完整系统，卫星编队过顶时使用一个地面站即可接收整个卫星编队下传的数据，并可 以同时向编队中不同卫星发出指令。

亚马逊、微软纷纷入场，“地面站即服务”模式逐渐成熟。亚马逊和微软分别成 立 AWS 和 Azure Orbital 地面站服务，该模式允许客户通过在其地面站和平台上租用 时间来访问其卫星。这种商业模式会吸引那些希望装备小型卫星但又不想建造大规模、 成本高昂的地面系统的小型公司。据 Azure Orbital 官网，借助 Azure Orbital 地面 站，空间数据可以通过安全和高可用性 Microsoft 网络以接近零延迟的方式传送到 Azure 区域。Azure Orbital 地面站支持 Microsoft 和行业领先的合作伙伴地面站网 络，确保访问最佳站点和网络，以便为太空任务提供支持。现在可以利用云的可靠性 和灵活性，在任何分类级别上为太空任务部署和操作大型全球分布式地面站解决方案。 据 AWS 官网，客户只需按天线实际使用时间付费，并可以依靠地面站的全球覆盖范围 随时随地下载数据，从而节省多达 80%的地面站运维成本。

2.软件定义地面站成为重要技术方向

随着软件定义有效载荷改变工业和政府实现卫星的方式，已经有厂商开始考虑软 件定义地面站了。传统的模拟地面站要适应多种频段、多种测控体制的应答机的测试， 需要配置多种基带和变频器的组合。采用软件定义地面站，可以大大降低这种多频段、 多模式模拟地面站的成本，降低开发周期。SDN（Software Defined Networking)网络 能处理与响应天地一体网络中并存的各个层次的协议，从而很好得兼容天地一体网络， 提高全局网络异构性。

Kratos 公司于 2020 年 10 月，公布了其新的 OpenSpace 平台——一个将软件定义 方法应用于地面站的虚拟产品系列。OpenSpace 使用开放标准、基于云的系统，可以 根据任务需求不断调整，而无需安装新硬件。OpenSpace 用软件虚拟化了地面系统， 使之可有效通过数字转换器连接到任何天线。微软公司在 2020 年 10 月宣布，它将使 用 OpenSpace 作为其 Azure Orbital 地面站即服务的一部分。 OpenSpace 的一个关键特性是尽可能靠近天线将射频信号数字化，将数据流转换 成有效的大型以太网。一旦将（射频）信号转移到数字域，就可以通过所谓的虚拟网 络功能在软件中处理这些子信道，即带宽。这样做的结果是，该软件可以在任何地方 运行，它不一定位于天线处。运营商可以在云中或加密数据中心运行这一解决方案。 这也意味着任何使用 OpenSpace 的地面站都可以针对不同用途进行快速调整。例如， 以一个需要与卫星交互的操作员为例。通过使用开源的地面站，这个人可以将其自己 的软件定义解决方案加载到系统中，与卫星连接，下载任何数据，并提示航天器进行 下一步任务。一旦卫星从视野中消失，第二个操作员可以接管地面站，加载一个完全 不同的软件定义解决方案，并在卫星过顶时与卫星交互。这种情况下，两个用户都能 够使用一个地面站与他们自己独特的卫星通信。

3.相控阵天线是地面段的必备配置

随着在轨卫星的增加，对跟踪和相控阵天线的需求正在增加。目前低轨卫星工作 频段主要集中在 Ka 频段，并且随着高通量卫星通信、宽带低轨卫星通信的快速发展， 基于先进封装的高频段毫米波平板相控阵天线将成为未来动中通天线的主流发展方向。 由于星地无线传输距离远、衰减大，一般情况下，用户终端与星载天线为高增益定向天线，通过波束对准提高传输速率。由于低轨卫星高速运动，地面终端也可能非静止， 对终端和星载天线的波束指向捷变能力提出较高要求。相控阵天线可实现波束快速扫 描，与机械伺服结构控制波束指向的反射面天线相比，极大降低波束扫描时延，同时 具有剖面低，重量轻，易维护，便于共形安装等特点，广泛应用于星地融合网络中。 它们不仅是 NGSO 卫星星座的必需品，还适用于海上、航空和陆地移动应用与 GEO 卫星 或 NGSO 卫星的通信。 星链终端天线与卫星之间的通信、跟星、切星等过程都是通过该相控阵阵面来实 现。星链一代卫星与地球站之间使用 Ku、Ka 和 V 共 3 个工作频段，星链二代在一代 3 个频段基础上，增加了 E 频段，可用带宽增加 3 倍，将极大地提高星链系统容量。星 链卫星系统的用户终端采用电机和电子相控阵两种模式来驱动天线对准卫星。在终端 天线的背面安装了支架、驱动电机、网线等结构。两侧有两个驱动电机，用于调整天 线波束的方位指向，齿轮比较大，转速很低，用于控制天线波束在方位维上粗对准星 链卫星。天线上 PC 板是电子相控阵的阵面和馈电网络，终端天线与卫星之间的通信、 跟星、切星等过程都是通过该相控阵阵面来实现。星链卫星终端天线相当于将传统卫 星地球站的天线和调制解调器两个部件的功能集成为一体，因此用户的通信终端可以 直接通过网线与该天线相连，省去了传统卫星地球站中常用的同轴线，极大地减少了 信号传输的损耗。

OneWeb 系统工作于 Ku 波段，而且卫星运行在低轨道，这使得终端设备可以做得 更小、更经济。OneWeb 每颗卫星都具有多波束覆盖的能力，每颗卫星具备上行 50Mb/s、 下行 200Mb/s 的接入速率，单星吞吐量约为 7.5Gb/s，整个星座总吞吐量为 6~7Tb/s。 由于采用低轨道，链路传输时延仅为 30ms，与地面网络相当。OneWeb 的用户终端包括 机载、车载、固定安装等多种安装模式，采用热点覆盖形态，将卫星调制解调、地面 LTE/3G、Wi-Fi 热点集成为一体，为 OneWeb 用户终端周边一定区域内的用户提供互联 网接入服务[32]。2022 年 12 月，Hughes Aircraft 宣布 2023 年下半年开始为 OneWeb 生产 LEO 终端(型号为 HL1100)。该终端包含电扫相控阵天线，能够自动指向 OneWeb 星 座，实现高达 195Mb/s 的下行和 32Mb/s 的上行传输速率，目前已经有了原型机，并正 在进行测试。4 种 OneWeb 用户终端天线，全部采用电扫相控阵天线。