银河航天|我国首颗5G低轨宽带卫星通信成功，低轨通信星座建设正当时
虽处疫情之下，但是互联网让大家在这个寒冬做起了云监工，也当上了闲疯帝，在迟迟无法复工的情形下，互联网又让你与老板隔着屏幕四目相对。当然，也有例外，比如处于乡下的我，隔离与2G网更配哦。但是，最近有好消息传来：
2月16日，中国首颗通信能力达10Gbps的银河航天首发星，在轨30天后成功开展通信能力试验，在国内第一次验证低轨Q/V/Ka频段通信。银河航天首发星型号负责人常明介绍，一个月以来，银河航天首发星在轨状态良好，卫星入轨以后，按照飞行程序姿态机动和模式切换正常，星载软件、综合电子、测控系统运行正常，将继续开展Q/V/Ka等频段的通信性能测试。值得一提的是，银河航天首发星“体检结果”显示，它的“健康状况超预期”，其姿态控制精度和测控指标相对设计指标均有正偏差（超出设计指标）。此外，其他分系统在轨数据均满足设计指标。
简单一句话就是：银河航天在我国首先实现了5G低轨宽带卫星通信，拉开了我国太空互联网建设的序幕。那么，这个技术的成功可以让我们在未来干一些什么呢？未来，当你在飞机上时，打一把王者吃一把鸡肯定是不在话下了，但更重要的是对于爱工作、爱学习的各位朋友来说，只要你还在地球上，这个技术就可以让你快乐工作，愉快学习，而且拒绝延迟，让你第一时间看到老板善意的微笑，老师期许的目光。而我再也不用羡慕城里的孩子可以快乐吃鸡打王者了。
言归正传。不了解银河航天以及这项技术带来的优势的朋友可能要问银河航天是怎样的一家企业，他们为什么要验证这项技术，这项技术的优势在哪里，而对于了解这项技术的朋友则更加关心他们在应用这项技术的过程中是如何克服一些应用上的技术瓶颈的，以及如何在中国实现星座的快速组网建设，要知道starlink已经发射了300颗卫星，前不久oneweb也实现了一箭34星的发射，未来会增加到一箭78星。
下文将详细解答以上几个问题。
进入过银河航天官网的朋友们都会发现，在银河航天官网首页，大家可以看到几个醒目的大字：Make The Earth Better，让地球更美好。
如果看过银河航天CEO徐鸣在钛媒体CEO专栏发表的文章就可以发现银河航天为什么把“Make The Earth Better”这几个字放在官网首页了。
“生而平等的连接权”，这是徐鸣认为的人的基本权之一，“让5G卫星连接地球每个角落”，这是公司的愿景和使命。随着人类活动的领地向太空延伸，人类平等的定义也将被刷新。在相当长的时间里，食物、阳光、空气和水等自然资源，是人生而获得的资源上的权利，当然，人类的数次冲突也是围绕各类资源展开的。当资源总量扩大、分布更均匀的时候，有望降低由此导致的冲突频率，并促进最终结果上的资源平等。进入互联网时代，新的生存权则要加上“网络的平等权”。目前人类还有近一半的人口无法有效连接网络，银河航天希望通过自己与同道的努力，帮助大家实现网络连接的自由，弥合数字鸿沟，最终实现数字化的平等。数字化的平等，是每个人“生而有之”的权利与自由。这是银河航天的愿景和使命，并不能回答他们为什么验证Q/V/Ka频段这个问题。在正式回答这个问题之前，我们先来看看银河航天设想的几个典型的应用场景。
除了以上几个应用场景，银河航天还依靠低轨卫星具备高分辨率地面观测能力提供实时的AI服务。
在以上的几个场景中，其中重点提到了5G服务。其实，所列出来的几个应用场景，目前在地面5G建设中也同样有提到，5G的普及是实现其中几个关键场景的先决条件。看到这里可能会有朋友问为什么地面在大力建设5G网络太空还要重复建设。我简单回答一下这个问题：① 5G全部由地面基站建设，投入的资金将是万亿级别，而且偏远地区依旧无法覆盖，低轨道卫星的建设可以大幅度减少建设地面基站，更可以覆盖海陆空；② 二者是可以兼容的，是可以形成互补的；③ 国外在大力建设太空互联网星座；④ 未来的6G建设将会是空天一体，建设太空互联网，这是大势所趋。因此，太空互联网星座的建设并不是在重复建设。由银河航天设想的应用场景可以看到他们主打5G通信，地面5G有两个频段分区，如下表：
所以，实现5G通信的条件首先是需要1GHz或者10Ghz量级的频率。其实，卫星通信为了克服地球电离层对电磁波的影响，均采用微波通信即GHz量级，因为其他低频率电磁波难以穿过地球电离层到达地面。频率越高越容易穿透地球电离层。目前，卫星通信一般采用C波段(3.95GHz~8.2GHz)和Ku波段(12.4GHz~18GHz)，但是由于卫星日渐增多，频率资源日趋匮乏，因此目前正在向着更高频段的卫星通信发展，更高通信频段包括Ka波段(26.5GHz~40GHz)，Q波段(33GHz~50GHz)和V波段(50GHz~75GHz)。这次银河航天验证的频段就是Ka/Q/V三个波段。
对于卫星通信，频率高会带来益处的同时，也会带来一些技术挑战。益处在于有更大带宽，但是微波在大气层中传播时因为大气介质的影响而发生吸收、衰减、散射、极化以及传播路径的弯曲等，其中降雨对微波通信的影响尤为突出，频率越高受到的影响越严重。因此，ka/Q/V频段更容易受到地面雨滴的影响，遇上下雨天，如果不优化信号的传输过程提高信号到达信号接收端的信号强度，那么高频段的通信信号会被严重削弱导致难以在雨天实现天地通信，所以银河航天要实现以上三个频段的通信，首先需要克服雨衰的影响。克服这个困难之后，带来的收益也是巨大的。采用通信专业术语来说，通过采用先进点波束和较高的频率复用因子，更高频段卫星将比使用同样频谱数量的传统Ku/Ka卫星获得更多倍的容量，从而减少通信传输成本。我们也可以更形象的描述这个过程: 如果把利用毫米波传输的信息理解为路上的车流，那么利用Q/V/Ka等频段的带宽，就意味着车更快、路更宽，车流量更大，当然也需要更高超的修路技术。
目前oneweb和starlink等巨型星座都申请了Ka波段的频段，但是Ka频段在不久的将来也将趋于饱和。圈内人都在说这几个巨型星座，都在为自己国家争取频率资源，作为后起之秀的银河航天，采用更高频段作为通信载波，同时兼顾Ka波段的通信，是综合考虑了频率资源、技术实用性、技术公关的难易性的。这就是银河航天选择验证Ka/Q/V频段的原因。用银河航天官方回应的话来讲：作为创业公司，银河航天也在通过不断创新，寻求突破的机会。当然，对于中国的商业航天突围者来说，想要对标甚至追赶国际上SpaceX、OneWeb等领先企业，则必须要有硬核的关键武器，以银河航天在低轨宽带卫星研发为例,更高的频段载荷技术便是关键武器之一。银河航天同时也提到他们研制该卫星过程中遇到的技术挑战：银河航天敢为人先决策在首发星中使用技术难度很高的Q/V/Ka等频段并实现了对标国际先进水平的10Gbps通信能力，但并没有可借鉴的技术和研制经验，这无疑是一场充满挑战的征程。为了达到10Gpbs的通信能力，他们采用了频段双极化技术实现通信速率翻倍。在这个过程中，技术团队在馈电部件的传输通道设计上进行了较大的创新，采用了双重特殊函数，并进行了电气与结构的联合迭代设计，最大程度上从设计角度消除了装配等人为因素的影响。在另一方面，为了提高系统灵活性，银河首发星在用户发射段采用了多端口放大器（Multi-Port Amplifier，MPA）技术，可以实现多个波束间容量的动态分配。这也是我国首个宽带Ka频段MPA的在轨应用，而且多端口放大器所有元器件均实现国产化。在国产化过程中，部分零部件遇到了非常大的挑战。因为国产元器件工艺和材料的稳定性和进口器件有一定差距，以耐压值为例，国外GaN功率器件可以做到28V供电，国产只能做到20V供电，在功率器件方面完全用国产器件并且保证载荷产品的质量和可靠性并不容易。从长期角度考虑，避免依赖进口存在风险而制约公司未来发展，团队选择国产元器件，尽管过程中存在巨大的挑战，但是经过与元器件供应商共同努力，我们最终保证了产品的可靠性和质量，未来银河航天将与国内元器件生产商共同探索中国商业航天卫星元器件研发、生产的新模式，共同推动整个商业航天产业的发展，助力中国航天的发展。除了在通信方面的创新应用，在卫星的设计、制造、成本控制等方面也做了大量的低成本、批产化尝试，如模块化设计、定制化接口芯片、工业化生产加工，大大降低了研制成本、缩短了研制周期。如采用3D打印技术缩小零部件体积给卫星瘦身。具体来说，就是在微波载荷的研发生产中，通过3D打印技术实现高频微距波导的加工（波导是实现微波传输的介质，载荷单机之间的互联元件），将载荷波导互联的空间压缩到传统波导占用空间的1/3，从大幅降低卫星体积。
此外，银河航天首发星搭载了电推进系统，来实现首发星的初始入轨调整、长期轨道保持、寿命末期离轨处理（减少太空垃圾）。电推进是区分于传统化学推进的一种高效率推进方式，由于其喷气速度远大于化学推进，可以为卫星节省大量燃料，减小卫星体积和质量。这是电推进系统在国内首次在低轨小卫星上使用。值得一提的是OneWeb和Starlink均采用了霍尔推进系统进行轨道提升、轨道保持和寿命末期的离轨。银河航天采用电推进完成以上轨道动作，是对标国际竞争对手的必备动力系统，也是体现银河航天首发星先进性的另一个重要技术。
至此，对于银河航天及其首发星已经有了足够的认识。那么，银河航天首发星对于中国商业航天的发展有哪些积极意义呢？
客观上而言，一颗星无法改变我们目前落后于欧美的现状，但古人曾云 “九层之台，起于垒土”，这是我国建设千星星座的伊始。在我之前写的文章 商业航天星座建设与商业航天产业发展之间的关系思考有详细的分析商业航天星座与商业航天之间的关系，简单而言，商业航天星座是这一轮商业航天发展的主角之一，另一大主角是火箭，二者互相促进。其实对于我个人而言，我一直有一个疑问：这么庞大的星座，我们如何快速建设起来？相信观看本文的朋友们同样有这样一个疑问。目前，从公开的渠道我没有看到相应的消息，但是从星座量级我们可以发现国内的星座建设不论是银河航天、其他商业航天星座，还是国网星座，均在500~1000星的数量级，总量预计在4000星左右，大家瞄准的星座建成日期基本也在同一时期，这对我国的火箭发射提出了高密度的要求。我们假设4000星都能够建成，这个数量接近于Oneweb与Starlink一期的卫星之和。目前，Oneweb计划在2023年之后采用一箭36星或者78星的方案发射（详情可参看space journal文章 明早OneWeb一箭34星启动密集组网），Starlink一箭60星，一年可达20次以上，平均一年可以发射2000星左右，我们是一家之力，还有国家队任务，一年之内，现阶段难以完成如此巨量的任务。
在估算我们一年发射商业星座卫星数量之前，我们首先需要假设用于星座建设的年发次数，一箭可以发射的卫星数量。为了更简单起见，我们假设4000星是一样规格的。首先可以确定的一件事是我们为了完成如此巨量的星座建设，必然需要采用中大型火箭以一箭几十星的方式建设，而且需要采用环境友好型火箭。对比于Oneweb和Starlink分别使用的联盟号火箭/阿里安火箭、猎鹰9号火箭，近地轨道运力处于8~20t量级。通过国家宇航局官网查询，符合环境友好型且运力合适的有长征7号（CZ-7）运载火箭和长征5号（CZ-5）运载火箭，CZ-5目前一般用于大型国家级航天任务，暂时不作考虑，据此只剩下13.5t近地轨道运力的CZ-7，运力取整为14t。至此，我再做一个假设，卫星质量250kg，仅从质量上来讲，CZ-7可以一箭55星，但是一箭多星需要支撑结构，也需要大的整流罩，直接使用现在构型的CZ-7无法实现一箭55星的发射，。
CZ-7芯级箭体直径3.35米，用于发射Starlink的猎鹰9号芯级3.7m，所采用的整流罩直径为5.2m，内径4.6m，高度13.2m。
我们需要注意的是Starlink为了实现一箭60星，采用了全新的抛射机构，而且卫星是扁平式的，可以高密度堆叠。
我们国家的卫星依然是传统形态且暂时缺少类似抛射机构，安装密度有限。
因此即使CZ-7的整流罩即使做到与猎鹰9号相似尺寸，也无法实现一箭55星的发射。那么，CZ-7一箭多少星是比较接近现实情况的呢？两次Starlink的一些数据可以用来估算CZ-7单次发射卫星数量。
考虑到卫星寿命普遍为5~7年，且ITU也有相应的时间节点要求，即NGSO(Non-Geostationary Satellite Orbit，非地球静止轨道 )星座建设公司必须满足从提出频谱申请7年后起算的部署节点要求，且在那7年过后星座运营商将需要在2年内发射10%的卫星，5年内发射50%，并在7年内全部部署完成，详情可以参看公众号航小宇的文章 国际电联设定大星座部署节点要求。假设CZ-7运力利用率能达到猎鹰9号发射Starlink的下限即84%，则用来发射卫星的运力可达11.76t，其他载荷平均到单星的质量采用Starlink系统一样的质量即81kg，在之前已经假设了单星质量为250kg，加上其他载荷，单星质量为331kg，因此CZ-7可以实现一箭35.5星。由于估算过程中采用了大量近似，我这里给出一个发射卫星数量的区间为30~40颗星。 考虑到国内目前的星座建设容量达到4000颗星，如果全部采用CZ-7发射，每年部署400星，即发射10次，则需要10年；每年部署800星，即发射20次，需要5年。我们的发射场，未来必将迎来更高密度的发射。
在完成星座的组网后，可以采用小型火箭补网。
任何事物都是随着时间而演变，我们无法预知这4000星最终能上多少颗星，甚至还有后来者也在蠢蠢欲动欲分一杯羹。如果胖五能够参与到这个建设中来，更多的发射工位加上更高效的发射工位利用率，追赶西方国家也并不是那么遥不可及。
此刻，银河航天已经在太空互联网这条赛道上奋力前行，合适的火箭在如此庞大的市场需求下也将列队而行，天时地利人和，相信银河航天一定可以Make The Earth Better。
引用文献：
刘西川, 高太长, 秦健, 等. 降雨对微波传输特性的影响分析[J]. 物理学报, 2010, 59(3): 2156-2162.
刘清波, 王权, 张德鹏, 等. Q/V 频段卫星通信技术特点与应用[J]. 第十五届卫星通信学术年会论文集, 2019.
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