GEO 2.0 地球静止轨道的未来

GEO 2.0 地球静止轨道的未来


近年来,小型卫星和近地轨道星座的兴起引起了人们的关注和媒体的报道。与此同时,地球静止轨道(GEO)大型卫星的订单急剧下降。虽然大型GEO卫星的订单再次回升,尽管不像2010年和更早时候那样兴致勃勃,但该行业也看到了GEO向“小型化”的大趋势发展。
Microsats in GEO are doing big things, far more than the excitement of 2006 when the two ultra-suspicious MiTEx satellites were roaming about at an unknown orbital position in GEO. How about serving a nation’s video and data demands? And all with 5 kilowatts, compared to what would have typically taken much more energy, time, and money to manufacture, launch, and operate previously.
地球同步轨道上的小型卫星正在做大事,远比2006年两颗极为可疑的MiTEx卫星在地球同步轨道上未知的轨道位置漫游时令人激动。为一个国家的视频和数据需求提供服务怎么样?与之前制造、发射和运行通常需要更多的能源、时间和资金相比,都是5千瓦的卫星功率。
Of course, size isn’t everything, it’s about what you can do with it that counts most. And here, the question applies to all birds, large and small, being sent into the sky: is it software defined? Can it enable the network control and efficiency now being touted by network operators? What is happening in GEO to realize the satellite operator’s promise of flexibility? What enables them to not only adjust to changing customer demand over the life of the satellite, but to see in-orbit servicing potentiate extended missions?
当然,大小不是一切,最重要的是你能用它做什么。在这里,问题适用于所有被送入天空的卫星,无论大小:它是由软件定义的吗?它能实现网络运营商现在吹捧的网络控制和效率吗?为了实现卫星运营商对灵活性的承诺,地球同步轨道正在发生什么?是什么使他们不仅能够适应卫星寿命期间不断变化的客户需求,而且能够看到在轨服务可能会延长卫星使用寿命?
The software-defined payload could be the game changer that sees GEO satellites become one of the most efficient and lowest cost technologies to deliver services to end users. The value is that with software-defined satellites, no spectrum or power need be wasted covering areas that are not demanded by end users. Power, spectrum, and coverage can be dynamically assignable as demand, customers and usage patterns shift.
软件定义的有效载荷可能会改变游戏规则,使地球同步轨道卫星成为向最终用户提供服务的最有效和成本最低的技术之一。其价值在于,使用软件定义的卫星,不需要浪费频谱或功率来覆盖没有用户的区域。功率、频谱和覆盖范围可以随着需求、客户和使用模式的变化而动态分配。
This should impact pricing, says Tom Choi, CEO at Saturn Satellite Networks, the company that designed and developed the Nationsat communications microsatellite to efficiently provide a country’s data and video services with 5 kilowatts.
Saturn Satellite Networks首席执行官Tom Choi表示,这应该会影响定价。Saturn Satellite Networks是一家设计和开发他称之为国家卫星的微型通信卫星的公司,旨在高效地为一个国家提供5千瓦卫星支持的数据和视频服务。

软件定义的GEO高通量卫星(HTS)很可能将最终用户的定价比当前定价至少降低一个数量级。Choi说,相对于价格高于GEO HTS、需要更昂贵、耗电更大的终端的低轨系统,这将是一个非常引人注目的命题。低轨宽带将有其独特的优势,但未来通过卫星的大部分连接将属于GEO中的软件定义GEO高通量卫星(HTS)。

目前,Saturn Satellite Networks正在开发GEO上的软件定义无线电卫星星队,即智能空间节点(ISN),并储存了超过10亿美元的最终用户承诺。

GEO经济学


自2019年以来,超过一半的GEO订单属于软件定义的平台,同时,微型卫星的需求正在增长。

Astranis的首席执行官兼联合创始人约翰·格德马克(John Gedmark)说,这会随着时间的推移而增加,Astranis开发了它所称的微地球轨道卫星。我们相信小型卫星是未来。专用比共享更好,快总比慢好,定制总比一刀切好。对于客户来说,灵活性和弹性越来越重要,因此地球同步轨道卫星正在变得更小、更灵活和更便宜。如今,客户可以在地球同步轨道上拥有自己的专用通信卫星,只需预付很少的现金。模块化、可扩展性以及与其他基础设施良好配合的能力也越来越重要,因为客户不希望被锁定在需要大量投资新地面设备的技术上。

随着GEO的这种创新,地球静止轨道是如何推动市场的?据北方天空研究公司(Northern Sky Research)称,今天的固定卫星服务(FSS)市场每年约为130亿美元,预计到2030年将增长到200亿美元左右。在这200亿美元中,预计约150亿美元将来自固定卫星服务FSS,其余50亿美元来自低地球轨道。

在这方面,有哪些应用以及卫星服务将如何发挥作用?虽然数据和连接是FSS市场中不断增长的部分,但卫星在广播内容的分发中仍发挥着重要作用。然而,在未来10到20年内,随着视频继续转向在线,对点播内容的吸引力继续增长,这种情况仍会继续维持吗?在这里,运营商延长广播卫星寿命的能力极大地改变了游戏。相反,运营商如何证明今天投资约2亿美元来支持一个日益减少的应用是合理的?

Choi 补充道:“尤其是在进入新的轨道位置或开发新的细分市场时,小型地球同步轨道卫星的经济性将超过大型地球同步轨道卫星的投资。”有多家公司宣布了地球同步轨道卫星制造计划,但在向依赖地球同步轨道卫星长达15至20年的客户提供技术时,必须使用传统组件。Saturn Satellite Networks 并没有彻底改造每一个组件,而是只为我们的卫星使用传统组件。

GEO趋势:过去和现在


根据欧洲咨询公司(Euroconsult)的数据,在上世纪末,地球通信卫星的订购率平均每年有20颗新卫星,逐步下降到2017年至2019年小于或等于10颗时。然后出现了异常繁荣:2020年收到了18份订单,其中13份是为SES和Intelsat接受的FCC在美国的加速C波段清除计划。除这13颗C波段卫星外,其他5个订单是5个区域运营商的替代卫星。

欧洲咨询公司(Euroconsult)预计,从2023年起,基于既考虑市场驱动因素又考虑抑制因素,基于卫星替换或扩展场景,每年平均将恢复到12笔订单,例如5G网络部署、宽带星座竞争和寿命延长服务的引入。

欧洲咨询公司(Euroconsult)首席顾问马克西姆·普托(Maxime Puteaux)表示,如果10家最大的商业运营商采取有利于非地球同步轨道投资(如地面网络、HAPS和LEO星座)的替代或扩张战略,或者投资于更具能力和更大的卫星,那么这个数字可能过于乐观。

一个日益增长的趋势是:软件定义的卫星正在获得牵引力。自2019年以来,空客已售出7颗软件定义卫星。2022年,五份订单中有四份是基于泰雷兹新的Space Inspire 卫星平台,该平台支持完全可重构、软件定义的有效载荷,强调了运营商在不断变化的卫星通信市场中的灵活性需求。

说到软件定义卫星的价值主张,关键是灵活性。它们使运营商能够适应市场需求和业务计划的变化。由于这些卫星可在轨道上重新配置,运营商可以根据不断变化的需求模式改变覆盖范围、频率和带宽分配。

欧洲咨询公司(Euroconsult)董事总经理内森·德鲁伊特(NathanDeRuiter)表示:“这降低了卫星运营商投资寿命为15年的卫星的市场风险。我们当然希望更有效地利用卫星带宽,从而提高软件定义卫星的利用率。下一个问题是,软件定义的卫星能否提供一条途径,实现显著的成本降低,并更好地与5G地面网络集成,这是当今行业面临的两大挑战。如果两者都能实现,它将改变卫星通信行业的游戏规则。”

卫星延寿服务利基市场

然而,还有一个问题是如何在不断变化的世界中保持旧技术。卫星在轨服务是一种延长在轨卫星寿命的手段。有些卫星功能良好,但燃料耗尽。

格德马克说:“我认为卫星服务根本不会改变地球同步轨道的经济状况。可以这样想:如果你有一台20年前的笔记本电脑,而电池今天就没电了,你宁愿做什么?花1000美元买一个定制的替换电池,还是花1000美元买一台全新的、最先进的机器?“

除了microGEO,任何旧的卫星如何与新的改变游戏规则的软件定义有效载荷的能力竞争?空中客车公司是第一个推出其新一代软件定义卫星的公司。OneSat卫星平台具有完全可重新配置、星上处理的有效载荷,能够重新分配容量,并动态改变广播覆盖范围以适应市场。这使卫星运营商能够完全改变其卫星在轨道上的功能:调整覆盖面积、容量、功率分配和频率,以满足短期和长期不断变化的任务场景。

有些公司会花钱延长卫星的寿命,但延长使用15年的卫星的寿命,或投资更灵活、更高效的最先进卫星,如OneSat,将是一种权衡。空中客车公司航天系统执行副总裁让·马克·纳斯尔说:“我们的一些超可靠的欧洲之星地球同步轨道卫星已经在轨道上完美地运行了许多年,比其15年的设计寿命长,但我们希望运营商能够利用所提供的最现代技术实现最大回报。”

简单地说,如果没有软件定义的有效载荷,您将面临一个显著的劣势,即削弱microGEO提供的好处,Nasr补充道。MicroGEO卫星可能会吸引那些希望以较少的目标服务服务于较小细分市场的运营商。然而,他说,如果没有适应不断变化的市场条件的灵活性,从长远来看,这可能会使它们成为更难证明的商业案例。

欧洲咨询公司(Euroconsult)认为,尽管未来几十年采用率会有所增长,卫星延寿服务市场仍将是一个利基市场。

Puteaux说,卫星运营商中延寿服务采用率的增长并不能弥补地球同步轨道市场结构上的下降。在化推卫星的驱动下,从今天到2040年,延寿服务市场有一个机会之窗,但2040年以后的市场仍然不确定。全球制造和发射成本的降低,再加上相对较低的资本成本,推动了资本支出效率的不断提高,促进了融资和发射替代卫星的可行性,而不是购买延寿服务。

多轨道服务


LEO在提供多轨道服务方面也发挥着补充作用。当与GEO结合使用时,客户可以获得两个世界中最好的——或者更确切地说,是GEO和非GEO卫星中最好的。虽然LEO可以提供较低的延迟和无处不在的全球覆盖,但GEO在集中的固定高需求区域上增加了大量的高容量。当然,由于LEO无处不在的覆盖范围和较低的延迟带来了较高的成本和较低的可用性,它在某种程度上局限于愿意支付溢价的市场。

由于GEO在为消费者提供对延迟不敏感的流量(如视频流)方面非常有效,因此在未来多轨道场景下,延迟敏感流量可能会通过低地球轨道或中地球轨道(MEO)传输,而视频流量可能通过GEO传输。这一切都需要通过智能路由软件来实现。

当组合在一起时,服务提供商可以混合和匹配GEO和非GEO卫星容量,以满足最终用户的需求。移动和政府似乎是多轨道市场的垂直领域,因为这项服务很好地符合其用户需求。然而,卫星地面段必须在这里发挥有利作用。

多轨道服务的实际市场采用将在很大程度上取决于地面段。多轨道用户终端的性能、可靠性和价格将决定其在不同用户群体中的适用性。de Ruiter说,在额外的灵活性和成本之间总会有权衡,不同的用户群体之间的偏好可能会显著不同。

卫星内置的软件满足了对更大容量和更大灵活性的日益增长的需求,而所有这些都依靠地面平台内的软件来支持整个系统。

艾德里安·莫里斯,休斯网络系统公司工程执行副总裁说,凭借其软件套件,休斯-Jupiter系统可为世界各地的各种地球同步轨道卫星进行扩展和配置,并通过软件实现了一些功能和应用。

莫里斯补充说,卫星在多轨道服务中发挥的有利作用使其成为一个激动人心的时刻,因为它在各种应用中都有着巨大的前景。

GEO可以在最需要卫星服务的地方提供容量,但也有一些地方无法达到,例如高纬度和极地,而这些地方低轨卫星可以提供覆盖。莫里斯说,通过这种方式,地球同步轨道和低地球轨道是互补的,但更进一步,一个多轨道解决方案将地球同步轨道和低地球轨道的容量提供给同一个居所或业务,对企业、政府和住宅服务具有巨大的前景。

对于企业和政府解决方案,多轨道解决方案提供了冗余和弹性,无论发生什么情况都能确保了连接。休斯正在领导一个在华盛顿州惠德比岛海军空军基地为美国海军服务的专用5G网络。为了实现全球连通性和弹性,该网络的架构包括LEO和GEO回程。

我们的企业客户,包括石油和天然气管道以及全国零售商,有兴趣将LEO添加到其网络和SD-WAN部署中。在某些情况下,客户希望LEO用于偏远和农村地区的站点连接。莫里斯说,在其他情况下,客户希望在整个网络上有一个LEO网络层,作为二级或三级备份系统。

在今年的卫星展上,休斯演示了使用休斯Jupiter 2 GEO容量和OneWeb LEO容量的无缝多轨道GEO-LEO连接。多轨道解决方案提供了一种明显的“更快速的”互联网体验,支持多玩家、快速刷新的视频游戏和无缓冲的网络浏览。演示展示了这两个世界的最佳之处,GEO链路处理后台下载和大文件,而LEO连接用户服务一个提升——快速建立视频流,然后继续通过GEO进行传输。

毫无疑问,地球同步轨道对多轨道未来至关重要。这些卫星是互联生态系统的主力,能够快速高效地传输千兆位数据,无论是用于主连接还是备用连接、基站回程还是宽带互联网。LEO星座正在变得拥挤,几十年来,地球同步轨道上的卫星提供了必要的连通性,同时也提供了工业和地缘政治合作以及轨道运行方面的考虑。莫里斯说,正如跨洋光缆几十年来连接各大洲的方式一样,地球同步轨道卫星在未来许多年内将在全球范围内提供久经考验的真正连接。

分叉:进入大型卫星


对于Viasat执行主席Mark Dankberg来说,启用多轨道服务类似于5G,以及网络必须如何使用不同的传输频带、覆盖区域和物理层技术来获得网络级的结果,这些结果在仅使用单个传输介质时并不经济,甚至不可能。对于多轨道服务,其基本原则是将具有不同优缺点的不同传输资源结合起来,为用户实现单一无缝聚合服务。

Dankberg说:“我们相信,最有效、性能最高的网络将通过多轨道、多频带动态集成传输,并与地面组件集成,例如用于最终用户和基础设施应用的有线或无线组件。”

与新兴的microGEO趋势形成鲜明对比的是,Viasat准备推出其全球Viasat-3 Ka频段星座,每颗卫星预计重达数吨。凭借更大的影响力,ViaSat-3有望提供前所未有的容量——至少每秒1TByte(备注:应为1Tbps),个人、企业和政府在地面、空中和海上的下载速度高达每秒数百兆。

Dankberg说,由软件定义的卫星并不是一切的最终目标。价值取决于启用的可重构性的类型和程度,以及实现该可重构性所涉及的权衡。卫星通常受到限制,因为如果它们有更多的资源,如功率、体积或质量,它们可以增加带宽和覆盖范围。因此,如果软件定义的卫星所需的资源消耗如此巨大,以至于减少了总带宽或覆盖范围,那么它可能会降低价值。

此外,卫星可重新配置的速度(微秒、小时或天)以及分配带宽的实际机制对价值创造有很大影响。Dankberg说,这在单播和广播应用中可能有很大不同。例如,机械可操纵的点波束是可重构的,可以由软件定义,但在单播(备注:即点对点通信)市场上可能不如动态、空间和频率捷变相控阵波束形成器有价值。但是,相控阵可能比机械控制波束消耗更多的功率,并减少总带宽或覆盖范围,以至于破坏,而不是创造价值。

由于GEO卫星具有非常大的视场,即“地球的三分之一”,用于服务于空间中的其他卫星,以及如何设计卫星以简单直接地服务于大量高度分散的航天器,因此GEO卫星在空间中继网络中很有价值。

像ViaSat-3这样的超大容量卫星,可以保持覆盖整个地球的波束网格,可以通过一个简单的模块化用户终端支持地球同步轨道下几乎任何轨道上的卫星。Dankberg说,可以按需获得地理空间中继服务,以增强其他服务。

今年4月,美国宇航局选择Viasat作为其通信服务项目的一部分,以开发和演示各种应用的空间中继能力。

Euroconsult还将GEO视为空间中继网络的关键推动者。Puteaux说,“考虑到轨道在覆盖范围以及空间段和地面段的视线方面所提供的权衡,GEO有望在数据中继市场中发挥关键作用,”

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