卫星制造及接收端产业研究：浩渺行无极，卫星逐月日千里

文琳行业研究 2024-04-11

（报告出品：东北证券）

1. 投资要点

一、卫星制造端与发射端作为基础设施，在前周期市场表现强劲，增速较为迅猛

（1）迭代技术升级和低成本途径的选择已成为首要趋势。在降低卫星成本方面，采用低成本技术途径至关重要。包括采用透明转发器简化卫星设计、使用电推进系统来减轻卫星的发射质量、以及利用平板形式的相控阵天线来缩小卫星体积以提高火箭运载效率等等。例如，Starlink 首次采用了氪电推进系统，以取代氙电推。此外，卫星部件的模块化接口设计可以实现卫星的规模化制造，并且不同供应商提供的卫星部件之间能够兼容。随着成熟的 3D 打印技术被应用于卫星制造领域，商业卫星公司将不断推进卫星的模块化设计、轻型化、规模标准化和 3D 打印生产，从而不断降低卫星研制成本和迭代周期。同时，轻型复合材料技术、微电子技术、微光电技术、微型计算机和微型机械以及高精密加工等高新技术的不断发展和集成应用为卫星的轻型化提供了技术支持。

（2）自动化大规模生产是实现成本降低的关键因素。对于降低卫星成本来说，自动化大规模生产至关重要。传统卫星制造过程极度定制化，通常每年只会生产数颗卫星，导致其价格居高不下。随着对低轨互联网卫星星座需求日益增长，传统航天集团的卫星制造模式已无法满足产能和成本方面的需求。因此，自动化和大批量生产变得至关重要，应用柔性生产技术是达成这一目标的有效手段。OneWeb 与空客公司共同组建了 OneWeb Satellites 公司，该公司率先引入工业规模生产技术于卫星制造领域中。可以更快地、更经济地生产出高质量的卫星。目前该公司已实现每天两颗卫星的产能, 其成本比传统制造商降低了一个数量级。中国也步入了大规模卫星生产时代，航天科工二院自主研发了小型智能化生产线，首颗由该生产线下线的卫星意味着年产量将可达 240 颗, 银河航天官网显示，目前可以达到 7 天 1 颗卫星的生产速度，随着商业航天第二级介入，中国在卫星制造领域将不断取得新进展，自动化与大规模生产正深刻改变着整个卫星制造行业。

（3）火箭制造及发射持续攻关，一箭多星成为降低发射成本的关键。商业火箭主要通过接收商业卫星和国家卫星等有效载荷订单来盈利。由于中国特有的体制因素，国家卫星订单预计不会成为目前商业火箭主要的收入来源。制造液体燃料、大推力和可回收能力的火箭（以降低发射成本）将成为未来商业火箭制造和发射企业的重点发展方向。在商业航天不断发展的过程中，动力系统将成为火箭制造的关键环节，国内的蓝箭航天应用液氧甲烷的技术路线，不断在火箭动力环节进行突破，并且成功实现了整箭的研发生产制造，随着商业航天的入场，我们认为 2024 年将是商业航天发射元年，银河航天、天兵科技、东方空间将不断发射商业火箭，将极大的减少火箭运输成本。目前中国单颗卫星的制造成本超 Starlink 4 倍以上，随着商业卫星公司的进入，有待进一步提高成本效益。随着国内技术创新、自动化生产和规模化运营手段的应用，在卫星制造端和发射端都存在极大降本增效的潜力，有望推动中国卫星互联网行业迈向更加可持续和具有更强劲竞争力的未来。

二、全球卫星互联网产业发展进入高速快车道，卫星应用发展空间巨大

当前高通量卫星技术的发展促使卫星互联网通信的性能大幅提升，在用户成本的快速下降的背景下，叠加海内外政策催化，卫星互联网将迎来迅速发展，卫星接收终端也将有更广阔的发展空间。

（1）政策催化，卫星互联网成为国家战略。国内方面，我国“十四五规划”明确指出要加快布局卫星通信网络，推动卫星互联网建设。随着中国星网组建成立，我国星座建设逐步走向协调统一，由国家统筹频段轨道资源，发挥举国体制优势；且国内长三角 G60 星链项目一期工程正在逐步落地，将对卫星制造端、应用端带来明显的促进作用。海外方面，今年欧洲议会议员投票通过新型卫星网络，将部署欧盟自主宽带卫星网络用于军事、政府与公众用途，成为欧盟第三个主要的卫星计划。SIA 预计中国卫星互联网 2025 年市场规模将达到 447 亿元，2021-2025 年复合增长率达到 11%。

（2）市场趋势：根据 SIA 发布的数据显示，近年来全球卫星地面设备市场呈现快速增长态势。从 2012 年的 754 亿美元增长至 2020 年的 1353 亿美元，年均增长率达 7.58%。2019 年 SIA 发布的全球卫星产业报告表明, 占据消费设备中最大市场份额的是各类卫星导航设备。按照中国信息通信研究院预计, 我国于 2027 年的卫星通信终端市场规模将达到 10.2 亿美元。

（3）应用拓展：我国卫星系统不断拓展其应用领域，并形成完善的产业体系。例如卫星导航技术在传统领域如测量测绘、数据采集之外，在物联网、安全监测、自动驾驶以及“一带一路”倡议等新兴领域得到广泛运用和扩展。随着新兴产业不断发展，高精度卫星导航技术将与大数据、人工智能等深度融合，共同塑造未来互相促进发展的格局。

2. 通测万里，万物互联

卫星，又称人造卫星(Artificial Satellite)，是指在地球空间轨道上运行的无人航天器。它们遵循基本的天体力学原理绕地球运动，但由于受到多种因素的影响，包括非球形地球引力场、大气阻力、太阳引力、月球引力以及光压，因此其实际运动情况非常复杂。人造卫星是数量最多、用途最广泛、发展速度最迅猛的航天器之一，其发射数量约占所有航天器发射总数的 90%以上。

人造卫星可分为三大类，分别是科学卫星、技术试验卫星和应用卫星。科学卫星用于科学探测和研究，主要包括空间物理探测卫星和天文卫星。这些卫星的任务包括研究某一星球的大气、辐射带、磁层、宇宙线、太阳辐射等，同时也可以用来观测其他星体。目前为止，全球发射的大多数的人造卫星都是人造地球卫星，除了地球卫星之外，还有一些人造卫星用于探测火星、月球等其他星球。

2.1. 人造卫星发展历史

人造卫星通常由专用系统和保障系统两部分组成。专用系统，也称为有效载荷，是与卫星执行的具体任务直接相关的部分。应用卫星的专用系统包括通信转发器、遥感器、导航设备等，根据其用途的不同而有所区别。科学卫星的专用系统则包括各种用于空间物理探测和天文观测的仪器。而技术试验卫星的专用系统则包含了用于测试新原理、新技术、新方案、新仪器设备和新材料的实验设备。

保障系统是确保卫星和专用系统在太空中正常运行的关键组成部分，也被称为服务系统，主要包括结构系统、电源系统、热控制系统、姿态控制和轨道控制系统、以及无线电测控系统等分系统。对于返回卫星，还会包括返回着陆系统。

2.2. 卫星轨道的精密之舞

卫星轨道参数是一组用来描述卫星在太空中位置、轨道形状和方向的参数。在太空中，卫星受到地球引力等多种力的影响，它们的轨道通常以开普勒椭圆轨道为一阶近似。然而，由于地球的形状、大气阻力、其他星球的引力等因素存在，实际轨道与理想开普勒轨道会有一定的偏差，这种现象在航天领域被称为“轨道摄动”。卫星轨道的形状和大小由长轴和短轴决定，而轨道在空间中的方向则由交点角𝛺、近地点幅角𝜔和轨道倾角𝑖确定。这五个参数被称为卫星轨道要素(根数)，有时还会加上近地点时刻𝑡0，共同构成六个要素。通过这些要素，可以在任何时刻确定卫星在太空中的精确位置。

1.轨道面倾角：是赤道平面与卫星轨道平面之间的夹角，它表示了轨道的倾斜程度，即处在卫星轨道升段时，从赤道平面反时针旋转到轨道平面的夹角。2.高度：指卫星离地球表面的距离，通常以公里或千米为单位。3.星下点：是卫星与地球中心连线在地球表面的交点，表示卫星在地球上方的位置。4.升交点：是卫星轨迹从南向北穿越赤道的点，也可以理解为轨道平面与赤道平面的交点。5.周期：表示卫星绕地球一周所需的时间，通常以分钟或小时为单位。6.载距：是卫星绕地球一周，地球自转过的度数，用来表示卫星在轨道上的位置。7.偏心率：是轨道的形状参数，表示焦距与轨道半长轴之比，用来描述轨道的椭圆程度。8.近地点角：是轨道平面内升交点和近地点与地心连线之间的夹角，用来描述卫星轨道在空间中的位置。人造卫星的轨道会根据其任务需求而不同，通常可以划分为以下类型：低轨道、中高轨道、地球同步轨道、地球静止轨道、太阳同步轨道、大椭圆轨道和极轨道等。这些卫星以高速绕地球飞行，低轨道和中轨道的卫星可能每天绕地球飞行多次，而高轨道卫星可能每天绕地球飞行数次至十几次。它们不受领土、领空和地理条件的限制，具有广阔的视野。这使它们能够迅速与地面进行信息交换，包括信息的传输和接收，还能够获取大量地球遥感数据，一颗地球资源卫星可以遥感覆盖数万平方千米的地表面积。

地球同步转移轨道(Geostationary Transfer Orbit，GTO)，指近地点在 1000 公里以下、远地点为地球同步轨道高度(约 36000 公里)的椭圆轨道。地球同步转移轨道为霍曼转移轨道的运用之一，为椭圆形轨道，经加速后可达地球静止轨道(GEO)。地球同步轨道(Geosynchronous Orbit，GSO)，位于地球同步轨道的人造卫星，其高度约为 36000 千米，与地球自转方向同向运行，轨道形状为圆形，位于地球赤道平面上。它们的运行周期与地球自转一周的时间相等，即 23 小时 56 分钟 4 秒，卫星在轨道上的绕行速度大约为每秒 3.1 公里，其运行角速度与地球自转的角速度相匹配。在地球同步轨道上部署 3 颗通信卫星，可以实现除两极地区以外的全球通讯覆盖。这种类型的卫星被广泛用于各种应用领域，是太空科技发展中用途最广泛且发展最迅速的太空器之一。

① 地球静止轨道(GEO：Geostationary Orbit)(正圆轨道)

当同步轨道卫星的轨道面倾角为零度，即卫星在地球赤道上空运行时，由于其运行方向与地球自转方向相同，运行周期与地球同步，因此，从地球上观察卫星，它似乎悬挂在太空中保持静止状态。因此，零倾角的同步轨道被称为静止轨道，而在静止轨道上运行的卫星被称为静止卫星。静止卫星具有重要的通信功能，因为它们可以实现与地面站之间持续的信息交换，这显著简化了地面站所需的设备。绝大多数通过卫星传递的电视转播和通信都依赖于静止通信卫星来实现。这使得静止卫星在通信领域发挥着关键作用。把携带有可见光和近红外光传感器的海洋卫星发射到静止轨道上，这样就可以监测海洋环境的细微变化，比如 GOCI 卫星。这种轨道的倾角为零，地面上的人看来，在这条轨道上运行的卫星是静止不动的。一般通信卫星，广播卫星，气象卫星选用这种轨道比较有利。地球同步轨道有无数条，而地球静止轨道只有一条。

② 倾斜地球同步轨道(IGSO：Inclined Geosynchronous Orbit )

倾斜同步轨道是一种特殊的地球同步轨道，其特点是轨道倾角不为零。IGSO 的星下点轨迹呈现出一个跨越南北半球的“8”字形状，并且与赤道相交于一个特定的点，通常称为交叉点。

③ 极地轨道同步轨道，又叫太阳同步轨道(SSO：Sun-synchronous Orbit )

卫星绕着地球自转轴，方向与地球公转方向相同，旋转角速度等于地球公转的平均角速度(360 度/年)的轨道，它距地球的高度不超过 6000 千米。在这条轨道上运行的卫星以相同的方向经过同一纬度的当地时间是相同的。在太阳同步轨道平面始终与太阳保持固定的取向，也就是轨道平面与太阳视线的夹角不变，这就保证了太阳的光照基本不变。太阳同步卫星每天在相同的地方时经过世界各地，每天在大致相同的太阳对地光照条件下观测地面。在这条轨道上运行的卫星跟地球和太阳保持“三点一线”，有较固定的光照条件，卫星每次飞越一个地方时，太阳都从同一角度照射该地，所以气象卫星、地球资源卫星一般采用这种轨道。近地轨道(Low Earth Orbit ，LEO)，也被称为低轨道，是指位于相对地面较低高度的航天器轨道。虽然没有精确的定义，但通常情况下，高度在 2000 公里以下的近圆形轨道都可以被称为近地轨道。近地轨道卫星离地面较近，因此它们广泛用于对地观测、测地卫星、空间站以及某些新型通信卫星系统。在近地轨道中，物体仍然会受到热层(距离地面约 80 至 500 公里)或外气层(距离地面约 500 至 1000 公里之外)的气体阻力影响，具体影响取决于轨道的高度。一般而言，近地轨道在大气层与内范艾伦辐射带之间，高度通常不低于 300 公里，否则由于大气阻力或高能粒子的影响，卫星轨道将变得不稳定且不适合使用。

中地球轨道(Medium Earth Orbit， MEO)，也称为中圆轨道，是位于低地球轨道(高度约在 2,000 千米)和地球静止轨道(高度约在 35,786 千米)之间的人造卫星运行轨道。这种轨道通常用于导航卫星，例如全球定位系统(GPS，高度约在 20,200 千米)、格洛纳斯系统(高度约在 19,100 千米)、北斗卫星导航系统(高度约在 21,500 千米)以及伽利略定位系统(高度约在 23,222 千米)。另外，一些跨越南北极的通信卫星也使用中地球轨道。中地球轨道上的卫星运行周期通常在 2 至 24 小时之间，但大多数卫星的运行周期约为 12 小时左右。其中，最早的通信卫星“Telstar”就采用了这种轨道。

极地轨道(Polar Orbit)，极地轨道是轨道平面与赤道面夹角为 90°的人造地球卫星轨道。人造卫星运行时能到达南北极区上空，即卫星能飞经全球范围的上空。需要在全球范围内进行观测和应用的气象卫星、导航卫星、地球资源卫星等都采用这种轨道。

2.3. 卫星系统的高度智能化

卫星通信系统是一个综合性的系统，它涵盖了广泛的设备和功能，以确保有效的通信和通信保障。这个系统包括了卫星本身以及与之相关的地面设备和网络架构。

1、位置与姿态控制系统

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：

1)太阳敏感器

太阳敏感器是一种以太阳为基准方向，利用对太阳辐射的敏感度来测量太阳视线与航天器特定轴之间夹角的设备。太阳敏感器的精度通常在 0.01°到 0.5°之间，因此在卫星设计中得到广泛应用。太阳敏感器具有多方面的优点。首先，太阳是一个非常强烈的光源，因此对太阳敏感器的结构要求较低，功耗也较小。其次，太阳的视场相对较大，轮廓清晰，这使得太阳敏感器的设计更加简化，并且有助于提高姿态确定算法的准确性。

2)星敏感器

星敏感器是一种利用恒星的可见光作为基准，测量恒星相对于航天器的角位置的设备。它通过测量恒星在航天器视野中的位置，然后与星历表中的恒星角位置参数进行比较，以确定航天器的姿态数据。

3)磁强计

磁强计是一种用地球磁场作为参考基准来估测航天器姿态的装置。因为地球上每个位置的磁场强度都已知，卫星上的磁强计可以测量磁场信息，然后与已知地球磁场数据进行对比，从而推测出卫星相对于地球的姿态。磁强计具有质量轻、低功耗、宽工作温度范围等优点，因此是一种广泛使用的敏感器。然而，这种姿态推测方法存在一定误差，通常精度约在 0.3°到 3°之间。此外，在卫星轨道较高的情况下，卫星自身的磁场强度可能会超过地球磁场，因此这种方法通常用于对姿态测量精度要求不高的应用场合，或者用于低轨道卫星。

4)陀螺

陀螺是卫星姿态控制系统中的关键敏感器之一，它以惯性空间作为参考基准，能够探测卫星在惯性空间中的三轴角速度，通常与其他敏感器协同使用来确定卫星的姿态。陀螺主要分为两大类：机械陀螺和光学陀螺。机械陀螺利用高速旋转的旋转体来感测其自旋轴在惯性空间中的变化。它可以具备定轴性和进动性两种特性。定轴性表示当机械陀螺不受外部扰动时，其自旋轴能够保持在不变的方向。进动性则表示当机械陀螺受到外部扰动时，其自旋轴会迅速调整，以趋近外部扰动力矩的方向，进动角速度与外部扰动力矩的大小成正比。光学陀螺则不包含机械运动损耗部件，它是一种基于萨格奈克效应的角速度传感器。光学陀螺具有高动态范围、长寿命和高可靠性等特点，因此广泛用于军事和民用领域。陀螺的精度非常高，具有快速的动态响应，但存在一些缺点，例如较高的功耗、输出漂移(精度随机漂移约在 0.0001°到 0.1°/h 之间)，以及对环境要求较高，特别是光纤陀螺容易受到磁场和温度的影响。

2、天线系统

通信卫星的天线系统包括通信天线和遥测指令天线。这两种天线需要具备多项特性，如小体积、轻重量、高可靠性、长寿命、高增益以及能够始终将波束精确指向地球。通常，通信天线采用消旋天线，而遥测指令天线则使用全向天线。

3、转发器系统

空间转发器系统是通信卫星的核心组件，实际上是一种高灵敏度、宽带的收发信机。其关键在于以最小的额外噪声和失真，以及尽可能高的信号放大程度来有效地中继和传输无线信号。这一系统由天线、收发设备和双工器组成，被安装在卫星上，用于接收来自地球站的信号，经过频率变换和放大后，再发送回各个地球站。

4、遥测指令系统

卫星的遥测、跟踪和指令系统承担了从卫星发射阶段一直到卫星使用寿命结束的任务，用于监测和控制卫星的运行状态。这个系统通过发送下行信号和接收上行信号，将卫星上各个设备的运行信息传递到地面的卫星测控站，同时接收并执行来自地面测控站的指令信号。一旦卫星由火箭发射到太空，遥测、跟踪和指令系统就会追踪卫星的位置，进行轨道计算，确定其当前位置和未来的轨迹，还会对卫星进行一系列的健康检查，以确保卫星在正式执行任务之前处于良好状态。遥测系统负责收集卫星各个子系统的数据，将其编码后发送到地面测控中心。指令系统则接收并执行来自地面卫星控制中心的命令，用以调整卫星的运行速度、角度、位置等参数。这一系列操作确保了卫星的稳定运行和任务的顺利执行。

5、电源系统

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。

1)电源控制器

电源控制器在卫星电源系统中担任关键角色，其任务是确保母线电压在光照期和阴影期均保持稳定的 100 V，并在发生故障时进行有效的故障隔离。这一控制器是卫星电源系统的核心，其职责包括协调太阳能电池和锂电池组之间的能量传输，以及对负载进行功率管理。在光照期间，电源控制器分流和调节太阳电池阵的输出，以满足负载需求，同时将多余的能量用于充电蓄电池组。在阴影期或太阳电池阵输出不足时，电源控制器会通过调整蓄电池组的放电来维持母线电压的稳定。电源控制器的结构包括光照调节器(SUN)模块、蓄电池组充放电调节器(BCDR) 模块、电容(CAPA)模块、遥测/遥控(TM/TC)模块及母板(Motherboard)模块。SUN 模块负责在光照期间调节太阳电池阵的输出，以保持母线电压稳定。BCDR 模块则管理蓄电池组的放电和充电。CAPA 模块用于模块补充电源控制器电容容量，使电源控制器的滤波和接地。TM/TC 模块负责传输信号和与星载计算机通信，以实现遥控和遥测功能。Motherboard 模块用于传递各模块之间的信号和大功率电流。电源控制器采用模块化设计，其中的 SUN 模块和 BCDR 模块可以根据 PCU 电源控制器功率需求进行数量的调整，以覆盖从 5.4 kW 到 25.2 kW 的功率范围。最多可扩展 8 个 SUN 模块，以控制高达 24 级太阳电池阵。BCDR 模块的最大扩展数量为 16 个，以满足阴影期的 25.2 kW 平台功率需求。为了实现电源控制器的小型化、轻量化和扩展性，采用了分散供电的方式。这意味着多个 SUN 模块可以分别输出电流，取代了传统的集中供电方式。这种方法减小了每条供电通路的电流负荷，同时允许模块内部的电流通过印制板上的铜覆盖层进行传输，从而替代了传统的大量导线和金属汇流条。分散供电使得单个模块更加紧凑，功率密度显著提高。因此，东方红五号平台电源控制器具备了供电和初级配电功能。

2)太阳能电池板阵列

全新设计的二维二次展开半刚性太阳翼是中国自主研发的东方红五号 GEO 卫星平台电源系统的关键组件。东方红五号卫星平台具备提供更高功率、更长寿命以及更高效能的半刚性太阳电池翼，以确保整个卫星系统的电力供应。在卫星的早期运行阶段，这一太阳翼的输出功率超过 30 千瓦，是东方红四号卫星平台太阳翼功率的 2.5 倍以上。随着卫星功率需求的不断增加，太阳翼的数量、面积和惯量也在不断增大。此外，太阳翼的展开方式逐渐从一维一次展开向二维多次展开方向发展，以适应更复杂的卫星任务和电力需求。

我国空间站采用的太阳能帆板是新一代的柔性太阳翼，它是在超薄型轻质复合材料基板上，覆盖三结砷化镓电池片，具有 30%的光电转换效率，远远超过了国际空间站 15%的光电转换效率。具体到“天和”核心舱，一片 67 平方米的太阳翼，初期能产生 9 千瓦的电能，一对太阳翼加起来面积是 134 平方，能产生超过 18 千瓦的电能。“问天”、“梦天”实验舱太阳翼更大，单翼的面积就超过 134 平方米，一个实验舱有 2 个太阳翼阵列。

3)星载锂离子电池组

目前，锂离子电池已经在地球低轨道(LEO)卫星、地球静止轨道(GEO)卫星以及深空探测领域广泛采用。在我国东方红四号平台电源系统的某些型号已经采用了锂离子电池，替代了传统的氢镍电池。锂离子电池因其高比能量、长循环寿命等优点，在太空领域的应用日益增多。

6、热控制系统

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。

7、入轨和推进系统

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。

1)化学燃烧推进

最常见且人类掌握最熟练的技术之一，通过燃烧氧化剂和还原剂来释放大量热能，产生高速排放的燃烧产物，从而产生反向推力。这个燃烧过程相当强烈，通常需要大型的发动机来实现，因此通常不适用于小型卫星，而更适用于大型航天器。工质类型：化学燃料燃烧后的产物典型应用：用于航天飞机的轨道转移系统、国际空间站的推进系统以及天宫二号的推进系统等。

2)物理变化推进

不涉及化学反应，而是通过改变工质的物理状态，例如将液态转化为气态，以产生推力。这种技术的优点在于不需要燃烧室，其质量和体积相对较小，可以提供较小且容易控制的推力。因此，这种技术适用于各种类型的卫星，也是目前应用最广泛的卫星推进方式。此外，它不仅可以用于改变轨道，还可以通过小型推力装置来控制卫星的姿态。这个原理类似于生活中，当水烧开后，蒸汽将水壶盖子顶起，利用了水的物理状态变化。工质类型：高压液态气体、通常是液态典型应用：几乎适用于所有类型的卫星。

3)电推进

电推进是一种将工质电离后送入磁场，然后在磁场的作用下，使离子以极高速度离开卫星，从而产生反推力的推进技术。由于电推进的电离效率非常高，而且工质离开的速度可以轻松达到几万米每秒，远远超过了化学燃料工质最高几千米每秒的速度，因此电推进被认为是目前效率最高的推进方式之一，它不仅工质消耗较少，而且具有良好的推进效果。工质类型：可被电离的粒子，例如氙气典型应用：新一代各国的卫星尽管电推进的推力相对较小，甚至连一牛顿的推力都被视为一个巨大的挑战，但它被认为是未来人类太空旅行的关键技术。因为电推进发动机几乎可以持续工作，不断为航天器提供加速度，就像积沙成塔一样，最终可能成为最有效的推进方式。

8、结构系统

机械结构在卫星的总重量中占据了约7%到10%的比例。它不仅连接卫星和发射器，支撑着搭载的电子设备，还具备对抗太空高能辐射和微小陨石碰撞的功能。早期小卫星，例如 Sputnik-1 卫星和“东方红一号”卫星，通常采用变形铝合金作为主要结构材料。这些合金主要包括 2000 系列的铝铜合金和 7000 系列的铝锌合金。随着对卫星结构刚度要求的不断提高，以及防腐蚀工艺的改进，镁合金也开始在小卫星结构中得到应用。例如，航天东方红卫星有限公司在 21 世纪初开始使用变形镁合金材料，通过机械加工加工成形用于小卫星的推进舱储箱安装板。随着材料比刚度和尺寸稳定性要求的提高，碳纤维增强复合材料也在小卫星结构中广泛应用。比如 2002 年美国与德国联合研制的 GRACE 卫星，它的结构材料大量采用了碳纤维增强树脂材料面板和铝蜂窝芯子组成的蜂窝夹层结构板。近年来，随着 3D 打印技术的不断成熟和工艺的改进，基于 3D 打印工艺的金属粉末材料也开始逐步应用于卫星结构中。

9、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。

我国的星载存储系统发展经历了不同阶段。最初，采用磁带机、基于 SRAM 和 SDRAM 的小容量型系统。基于 SRAM 的存储系统曾有短暂的发展期，例如 1994 年实践 4 号卫星采用了基于 SRAM 的 2Mbit 星载存储系统。但由于存储芯片的集成度较低、对单粒子效应敏感等原因，随着基于 SDRAM 的星载存储系统的出现，SRAM 系统逐渐被淘汰。基于 SDRAM 的星载存储系统在固态存储系统的发展历史上扮演着重要角色。我国 1999 年发射的实践 5 号卫星和 2007 年发射的嫦娥一号都采用了基于 SDRAM 的星载存储系统方案。大约在 2007 年左右，随着遥感二号等卫星的发射，星载存储系统进入以 NAND Flash 为主要存储介质的高速发展期。

2.4. 人造卫星系统不断朝向多颗卫星协同组网发展

卫星星座(Satellite constellation)，又称为分布式卫星系统(Distributed-Satellite System， DSS)，是一组人造卫星协同工作的整体系统。这些卫星按照一定规则分布在相似或互补的轨道上，通过协作来完成各种任务。卫星星座的成员卫星具有不同的轨道参数，能够实现不同的功能及覆盖范围，可以提供全球或局部的连续或间歇覆盖。与单颗卫星不同，完整的卫星星座可以实现永久或近似的全球覆盖，确保地球上的任何一点在任何时刻都至少能看到一颗卫星。这些卫星通常被部署在互补的轨道平面上，并能够与分布在地面的不同地面站进行连接。星座中的卫星之间也可以通过星间通信技术进行信息传输。事实上，传统的人造卫星分类，如通信卫星、导航卫星和遥感卫星，目前都已发展出了与它们相关或足以替代原有单一卫星的卫星星座。低地球轨道(LEO)通常被用作卫星星座的运行轨道。这是因为单个 LEO 卫星提供的覆盖面积有限，而且覆盖区域会随着卫星为了维持自身轨道而具有的高角速度而移动。因此，需要多颗 LEO 卫星来保持对同一区域的连续覆盖。这与运行在地球静止轨道上的卫星恰好相反，地球静止卫星以与地球自转相同的角速度来提供大范围的单一卫星覆盖。此外，对于需要低延迟通信的应用来说，LEO 卫星星座通信相对于地球静止卫星可以获得更小的延迟。对地静止卫星的理论星地间通信最小延迟为 125 毫秒，而 LEO 卫星的延迟仅为 1 到 4 毫秒。

1.导航卫星星座

目前，运行在轨道上的典型全球导航星座系统包括全球定位系统(GPS)、格洛纳斯星座(GLONASS)、伽利略星座(Galileo)以及我国的北斗导航系统(BDS)。全球定位系统(GPS)是美国国防部研制，美国太空军运营与维护的中距离圆型轨道卫星导航系统。该系统部署了 31 颗 GPS 人造卫星，同时拥有 1 个主控站、3 个数据注入站和 5 个监测站。GPS 能够为全球绝大部分地区(约 98%)提供准确的定位、测速和高精度的标准时间。

格洛纳斯系统(GLONASS)最初由苏联于 1982 年研发，后由俄罗斯继承。GLONASS 由 21 颗工作星和 3 颗备份星组成，分布在相隔 120 度的 3 个近圆形的轨道平面上，每个轨道面均匀分布有 8 颗卫星。这些卫星位于高度 2.36 万公里的 MEO 轨道，轨道倾角为 64.8 度。伽利略定位系统(Galileo)是由欧盟通过 ESA 创建，由欧盟空间计划局(EUSPA)运营的卫星导航系统。该系统包括两个地面操控站，分别位于德国慕尼黑附近的奥伯法芬霍芬和意大利的富齐诺。伽利略的目标是在水平和垂直方向提供精度 1 米以内的定位服务，并且在高纬度地区提供比其他系统更好的定位服务。完整的伽利略星座由 24 颗活跃的卫星组成。北斗导航系统(BDS)是由中国自主建设和运行的全球卫星导航系统。它由北斗一号系列卫星、北斗二号系列卫星、北斗三号系列卫星以及北斗导航系统增强系统等组成。这些卫星混合部署在不同轨道，包括中地球轨道(MEO)、地球同步轨道(GEO)和倾斜地球同步轨道(IGSO)。

2.通信卫星星座

目前，正在轨道上运行的典型通信星座系统包括星链(Starlink)、一网(OneWeb)、铱星(Iridium)和 O3b。

星链(Starlink)是由太空探索技术公司(SpaceX)提出的一个巨型低轨卫星互联网星座项目。计划在 550km 至 1000km 的低地球轨道(LEO)上建立一个由约 1.2 万颗卫星组成的"星链"网络。其中，1584 颗卫星将被部署在地球上空 550 千米处的近地轨道，并从 2020 年开始运营。一网(OneWeb)是一个领先的卫星互联网公司，致力于在低地球轨道(LEO)上建立一个大规模的卫星星座，为全球范围内的互联网接入提供服务。该项目的目标是通过卫星网络覆盖地球上的偏远和难以接触的地区，以满足全球通信需求。计划部署数百颗 LEO 卫星，这些卫星将环绕地球运行，提供高速互联网连接。目标是提供低延迟、高带宽的互联网服务，适用于各种应用，包括远程教育、医疗保健、农业和企业通信。与 Starlink 的卫星互联网项目不同，一网的业务模式包括为全球合作伙伴提供卫星互联网服务的计划，而不仅仅是面向个人用户。铱星(Iridium)是一个著名的卫星通信系统，主要目标是提供全球范围内的卫星通信服务，由 66 颗工作卫星和备用卫星组成，这些卫星均匀分布在六个近极轨道平面上，使其可以覆盖全球，包括极地和远离陆地的海洋区域。采用 L-波段通信。O3b 是一个提供高速互联网连接的卫星网络，O3b 代表“Other 3 billion”，即为全球尚未获得互联网连接的 30 亿人提供服务。O3b 星座由多颗中地球轨道(MEO)卫星组成， O3b 卫星网络专注于为偏远地区和发展中国家提供高速互联网接入，以支持教育、医疗保健、企业和政府通信需求。

3.遥感卫星星座

资源卫星(Landsat)星座：运营机构：美国地质调查局(USGS)。Landsat 星座是全球最古老、最广泛使用的遥感卫星系统之一。自 1972 年以来，不断更新的 Landsat 卫星已经提供了连续的地球观测数据。这些数据以中低分辨率的多光谱图像形式存在，覆盖了地球上的陆地表面，用于土地覆盖分类、地质勘探、环境监测、林业管理、农业和水资源管理等领域。Landsat 数据可以追踪地表的变化，支持生态研究和资源规划。卫星遥感系统(Sentinel)星座：运营机构：欧洲空间局(ESA) Sentinel 星座是由多颗卫星组成的系列，旨在提供高质量的地球观测数据。这些卫星覆盖了多种波长范围，包括可见光、红外线和微波，用于气象、海洋、农业、城市规划、自然灾害监测和生态系统监测等广泛应用。Sentinel 卫星提供高分辨率的图像，可用于研究气候变化、资源管理和地表特征的监测。

世界观测卫星(WorldView)星座：运营机构：Maxar Technologies WorldView 星座由一系列高分辨率卫星组成，提供卓越的地球图像质量。这些卫星能够捕捉极为细致的地表细节，用于商业、军事、科学研究和地理信息系统(GIS)应用。WorldView 卫星在城市规划、资源勘探、环境监测、危机管理和国土安全等方面发挥关键作用。哥白尼(Copernicus)星座：运营机构：欧洲空间局(ESA) Copernicus 星座是欧洲联盟的地球监测计划，包括多个 Sentinel 系列卫星。这些卫星提供多光谱、多波段的地球观测数据，用于气象学、海洋学、环境保护、应急响应和城市规划等应用领域。Copernicus 卫星系统的开放数据政策使其对全球科研社区和政府机构免费可用。

中国高分卫星系列星座：该系列包括高分一号、高分二号、高分三号等卫星，旨在提供高分辨率、多光谱的地球观测数据。这些卫星用于土地资源管理、农业监测、城市规划、自然灾害监测和环境保护等领域。

中国长征遥感卫星系列：长征遥感卫星包括长征遥感一号(ZY-1)、长征遥感二号(ZY-2)等。这些卫星用于海洋资源监测、水资源管理、地质勘探和森林资源监测等应用。中国环境遥感卫星系列：环境遥感卫星系列包括环境一号(HJ-1)、环境二号(HJ-2)等，用于监测大气、海洋、陆地和地质环境等因素，支持自然资源管理和环境监测。