【众妙之门】锦汇资本 | 商业航天、卫星互联网系列二：卫星平台
协会新栏目【众妙之门】
【众妙之门】源自《道德经》，意指探索事物本质与变化的关键门户。这是协会面向科技与金融领域自由内容创作者的新栏目，主要围绕科技前沿发展，金融生态建设，政策实践探索集聚内容，从而发现独特视角，交流深度思考，传播知识理念。这是一个完全开放的信息汇聚平台，更是思想碰撞与智慧交流的空间，欢迎合作投稿~
协会特别推荐【众妙之门】栏目文章：
《商业航天、卫星互联网系列二：卫星平台》
作者：汪建川（锦汇资本投资总监）
上一期我们聊了对于商业航天及卫星互联网的现状及几点思考，这一期我们重点聊一聊卫星互联网的卫星平台及载荷情况。
卫星按照用途或其载荷不同，主要分为通信卫星、导航卫星、遥感卫星三大类。
卫星导航是以导航卫星作为导航台的星基无线电导航，是一种利用人造地球卫星进行用户点位测量的技术，是以用导航卫星发送的导航定位信号确定载体位置和运动状态、引导运动载体安全有效到达目的地。目前卫星导航采用“四星定位”原理，通过3颗卫星，了解目前所处地球地理位置情况，之后引入第4颗卫星作为时间零点，专门用来计算时间误差，以精确解算出位置信息。
目前全球有四大主要的卫星导航系统：美国（GPS）、中国（BDS）、俄罗斯（GLONASS）、欧盟（GALILEO）。其中，美国的GPS是目前唯一全面运行的卫星导航系统，占据全球定位市场95%的份额，在系统的成熟性、服务精度等方面都处于全球最领先水平。
2020年6月23日，我国成功发射北斗系统第五十五颗导航卫星，至此北斗三号全球卫星导航系统星座部署全面完成。
所谓遥感，就是使用各种设备作远距离探测；探测到的可能是图像，也可能是信号和多种有关的数据，这些都可以分析利用。遥感“站得高看得远”，用处极大，各国都很重视。现在的天空中已经存在很多的遥感监测卫星，根据不同的目的要求，监测卫星采取不同的运行轨道、携带不同的监测仪器、采用不同的通信方式。遥感卫星数据已在测绘、国土、规划、环境、水利、交通、海洋、林业、农业、地矿、电力、公共安全等领域得到了广泛应用。遥感卫星的应用为人类在难以到达的沙漠、沼泽、高山峻岭、冰层下的水体等通过遥感卫星都能够及时获取各种宝贵资料，为人类解决了想要探索无人区，深海两万里等地的技术难题。
根据对地观测的领域，遥感卫星主要分为陆地卫星、气象卫星和海洋卫星三种类型。
陆地卫星：探测地球资源与环境的人造地球卫星。主要用于地球陆地资源调查、监测与评价。应用极为广泛，是对地遥感卫星中的主要类型。具有获取信息范围广，观测对象多且精细，对空间分辨率、光谱分辨率要求较高的特点。陆地卫星用途比较广泛，故载荷种类也比较多，如发射/接收各种波段的电磁波仪器、雷达、高清相机等载荷。
气象卫星：从太空对地球及大气层进行气象观测的人造地球卫星。主要用于天气预报、气候预测、台风监测，洪涝灾害监测等。气象卫星观测范围广，观测次数多，时效快，观测数据质量高，不受自然条件和地域条件限制。气象遥感卫星主要携带的载荷有可见光扫描仪、红外扫描仪。
海洋卫星：针对地球海洋表面进行观测的人造地球卫星。主要用于海洋温度场，海流、海浪、海盐等方面的动态监测。对遥感的光谱分辨率要求较高。海洋遥感卫星载荷一般有合成孔径雷达、雷达高度计、微波辐射计和红外辐射计等遥感器。
军事侦察卫星：军事侦察卫星也属于遥感卫星的一种，只是主要用于军事用途，有电子侦察、导弹预警、海洋监视等多用途多场景，俄乌战争这种军事侦察卫星在战场上就发挥了很大的作用。军事侦察因其功能比较复杂多样，相对来说载荷也比较复杂多样，常用的军事侦察卫星载荷有：可见光相机、红外相机、多光谱相机、微波相机、激光雷达相机、无线、有线电子侦察设备。通常携带的设备有高分辨率的光学成像系统，红外成像系统，微光夜视系统，合成孔径的雷达系统等等。
通信卫星：通信卫星就是为无线通信提供中继转发或者发射无线电波的卫星。
卫星通信，简单的说就是地球上（包括地面、水面和低层大气中）的无线电通信站之间利用人造卫星作为中继站转发或反射无线电波，以此来实现两个或多个地球站之间通信的一种通信方式。它是一种无线通信方式，可以承载多种通信业务，是当今社会重要的通信手段之一。
导航卫星、遥感卫星、通信卫星均是由卫星平台和载荷平台构成，卫星平台因载荷功能、重量、轨道高度等有较大差异。本文主要研究通信卫星的产业链情况，以下从卫星制造和通信载荷两个角度描述。
通信卫星平台包括遥感测控系统、供电系统、结构系统、推动系统、数据管理系统、热控系统、姿轨控制系统。正常情况下定制通信卫星卫星平台和载荷平台价值量占比差不多1：1，随着星网计划的实施，卫星平台逐步趋于标准化模块化，卫星平台在卫星中的成本逐步下降，预计未来卫星平台在卫星的价值量占比预计在25%-30%左右。各分系统成本占比大致如下：
遥感测控系统：卫星在轨测控需要完成卫星平台的早期测试、日常管理和末期管理三大任务，其中早期测试是为了测试卫星入轨后各项性能指标与总体设计符合情况，测试结果是卫星交付用户和开展业务运行的依据；日常管理完成卫星的遥测监视、遥控发令和异常处理等工作，包括：遥测监视卫星的运营状态、星上时钟修正、轨道注入、遥控指令发射接收、轨道测量及外侧数据处理、轨道保持控制、姿态侧摆控制、太阳帆板转角控制、卫星轨道位置漂移控制管理等各种指令确保卫星平台正常工作；末期管理废弃的地球同步轨道卫星应该被转移到高于地球同步轨道高度约300km的“卫星墓地”。因此定点卫星在轨测控需要完成的最后一项任务就是抬高卫星轨道，控制卫星离开定点的位置运行到“卫星墓地”，并进行旋转部件关机、电池放电等钝化处理。当低轨卫星轨道降得足够低时，完成密集轨道测量和准确陨落位置预报。
供电系统：通信卫星入轨运营后，后续要与地面终端进行信息交互、姿态控制、升变轨、指令收发等复杂的工作，这些工作均需要能源保障，故现代通信卫星的电源同时采用太阳能电池和化学电池，要求电源系统体积小、重量轻、效率高、寿命长。现代通信卫星的电源系统采用太阳能电池和化学电池的组合，以满足对电源系统体积、重量、效率、寿命等性能指标的要求。电源系统在卫星的全寿命期内扮演着至关重要的角色，为卫星提供稳定的能源，直接影响着卫星的功率能力和使用寿命。它是卫星系统中不可或缺的一部分。电源系统通常由三大组成部分构成，首先是电源控制器，被称为“电力大管家”，它负责管理和控制整个电源系统的运行；其次是太阳能电池板阵列，被称为“发电机”，它通过捕捉太阳能将其转化为电能；最后是蓄电池组，被称为“存储电量的池子”，它用于储存电能，以便在卫星进入地球阴影或需要额外电能时提供支持。电源系统在卫星的各个阶段，包括地面测试、发射前测试、主动段飞行、转移轨道和同步轨道寿命期内，都承担着整星电能的转换、传输和控制任务。它需要动态调节太阳能电池板阵列、蓄电池组和负载之间的功率平衡，提供一条全调节供电母线以确保卫星平台在全寿命期内可以满足有效载荷的能源需求。当前，我国的主流GEO卫星电源系统采用了100V全调节母线，其中东方红四号平台电源系统包括6KW、9KW和增强型12KW等配置，代表了我国目前在轨GEO卫星大功率电源系统的最新发展。
结构系统：结构系统是为了保障卫星平台及载荷平台完成其功能使命而设计的具有承重、支撑、连接、散热、保温、密封的各种结构及零部件制造。
入轨推进系统：太阳系统天体数量众多，根据万有引力定律天体数量相互作用、低轨运行时的大气影响，太阳光压、微流星撞击、卫星设备机械零部件影响等多种因素会影响卫星偏离其轨道、导致卫星无法正常运营，同时星舰分离后入轨前也要对卫星的运行轨迹进行控制纠正，基于上述原因需要安装入轨推进系统，为卫星提供动力从而保证卫星的在轨运行。所以几乎任意一颗卫星，推进系统都是非常重要的一环。发动机就像人的心脏一样，它维持人的一切生命活动。
静止卫星的轨道控制系统主要包括轴向和横向两个推进系统。轴向推进系统用于控制卫星在纬度方向的漂移，而横向推进系统则用于控制卫星因环绕速度变化而导致的经度方向的漂移。这些推进系统由小型气体火箭组成，使用一种气体燃料，其点火时刻和燃烧持续时间受地面测控站发送的控制信号精确控制。此外，推进系统还具有姿态控制功能，可以通过自旋稳定、重力梯度稳定和磁力稳定等方法来控制卫星的姿态。卫星推进的基本原理是通过加速排出一定物质以产生反推力，从而改变卫星的运动状态。目前，推进技术主要根据使用的工质不同分为以下几类：
热控系统：人造卫星的热控制系统是一种用于管理卫星在轨飞行时内外温度的系统，以确保卫星的温度保持在所需范围内。卫星在轨飞行时会面临高温和低温的极端环境。太阳是一个巨大的热源，而在数百到数千千米的高空，没有空气传导和对流散热，稀薄的大气无法有效阻挡太阳辐射，因此太阳会直接照射到卫星表面。在这种情况下，如果不采取措施，卫星的温度会快速上升。然而，当卫星进入地球的阴影区时，就会失去太阳的热量，导致温度急剧下降。卫星必须在这种高温和低温之间运行，通常在摄氏100度到摄氏零下100度之间变化。此外，地球的太阳光反射和红外低温辐射也会影响卫星表面的温度。同时，卫星内部的仪器设备在运行时会产生热量，并需要将其散热出去。通常情况下，电子仪器设备在超过摄氏50度的环境下长时间运行会出现故障，而一些设备，如化学电池，在零摄氏度以下的环境中效率会大幅下降。因此，尽管外部环境的温度变化非常大，卫星必须维持一定的内部温度范围，以确保卫星内部的仪器设备正常运行。热控制系统的任务是确保卫星内部的温度始终在规定的范围内波动。通常情况下，卫星内部的温度保持在摄氏5度到45度之间的范围内，个别部分允许的温度变化范围可能只有1-2摄氏度。
姿轨控制系统：理论上，静止卫星在地球同步轨道上的位置是相对稳定的，但实际上卫星需要不断进行轨道控制以保持其相对静止的状态。这是因为地球并不是一个完美的圆球，而是具有一定的曲度，因此卫星受到地球引力的作用会产生微小的扰动，使其轨道发生漂移。此外，太阳和月亮的引力也会对卫星产生影响，导致轨道的扰动，进而干扰卫星与地面站的通讯，甚至信号中断。卫星的轨道控制系统的任务之一就是负责保持和控制卫星在轨道上的位置。不仅要确保卫星保持在指定位置上，还必须确保它具有正确的姿态。这是因为卫星上的定向天线需要不断指向地球中心或通信区域的中心，由于定向波束在上万公里的高空只有十几度或更窄，所以波束的指向受卫星姿态变化的影响很大。同时，太阳能电池必须朝向太阳，所以卫星的姿态控制非常重要。卫星的飞行姿态中的每个微小角度都会对太阳能电池板的朝向、信号接收、卫星携带的摄像机视角等产生影响。因此，卫星通常需要配备敏感器，以实时测定其状态和空间方位并且及时进行下一步的调整和修正。这些传感器包括：太阳敏感器、星敏感器、磁强计、陀螺等。
数据管理系统：星载存储系统的演进与星上数据存储介质的发展密不可分，这些介质的选择经历了从磁带机、SRAM、SDRAM到NAND Flash的发展历程。目前，NAND Flash作为星上数据存储的首选介质，因其非易失性和出色的单位面积性能容量而备受青睐。在星载存储领域，SLC NAND Flash曾占据主导地位，但由于其价格昂贵、单位面积性能容量较低等问题，无法满足卫星载荷数据存储对高速率和大容量的需求。因此，采用单位面积集成度更高的大容量2D MLC和3D TLC NAND Flash成为星载存储系统发展的方向。
【风险提示】本系列行研笔记为个人学习总结笔记，不构成投资建议，请投资者注意风险，独立审慎决策。
陕西省创业投资协会成立于2003年11月，是由陕西省科技厅发起，经陕西省民政厅注册登记，由从事创业投资以及与创业投资相关的机构和个人自愿组成的全省性、非营利性、自律性的行业组织和社团法人。截至目前，现有会员共195家，其中理事会员28家、普通会员163家，另有4家观察会员。协会是陕西省4A社团组织，中基协地方协会特别会员，省级技术转移示范机构。通过行业研究、项目路演，大赛组织，人才培养，行业交流等形式，有效促进了陕西创业投资环境建设和机构发展，得到社会的高度肯定，具有良好的平台影响力。联系电话：029-81026408
首页
ꄲ
众妙之门
ꄲ
【众妙之门】锦汇资本 | 商业航天、卫星互联网系列二：卫星平台
