【安信产业】航天产业研究：卫星互联网蓄势待发
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摘要
全文
1.1.人造卫星
1.2.卫星通信技术概述
卫星通信技术（Satellite communication technology）是一种利用人造地球卫星作为中继站来转发无线电波而进行的两个或多个终端之间的通信技术。自20世纪90年代以来，电子信息技术的迅猛发展推动了卫星移动通信的进步。卫星通信具有覆盖范围广、通信容量大、传输质量好、组网方便迅速、便于实现全球无缝链接等众多优点，被认为是建立全球移动通信必不可少的一种重要手段。
卫星互联网，是基于卫星通信系统，以IP为网络服务平台，以互联网应用为服务对象，能够成为互联网的一个组成部分，并能够独立运行的网络系统。可以通俗地理解为地面基站被搬入空中的卫星平台，每颗卫星都是天上的移动基站，可以为全球范围内用户提供全覆盖、高带宽、灵活便捷的互联网接入服务。卫星互联网主要由空间段、用户段、地面段、公用及专用网络四部分等组成。在若干个轨道平面上布置多颗卫星，由通信链路将多个轨道平面上的卫星联结起来。整个星座如同结构上连成一体的大型平台，在地球表面形成蜂窝状服务区域，服务区域内用户至少被一颗卫星覆盖，用户可以随时接入系统。低轨卫星通信可以在用户段直接与地面终端连接，也可以通过地面关口站与地面公共网络连接。
2.1.低轨卫星适合移动通信，早期由于技术原因应用受限
2.1.1.低轨卫星特点适合移动通信地球同步轨道卫星（GEO）在通信、电视转播等方面的应用已经趋于成熟，其缺点也很明显，如体积大、重量大，距离地球遥远，通信延迟长，频谱利用率低，终端发射功率大，不易小型化等。
相对GEO卫星通信系统，低轨卫星通信系统有诸多优势，对用户而言，通信时延缩短，数据传输率提高，终端重量、体积、发射功率与普通陆地移动通信终端接近，还可以与陆地通信系统兼容，真正做到全球无缝接入。因此，随着卫星制造技术的进步和市场需求的逐渐旺盛，低轨卫星通信系统被认为是最有应用前景的卫星移动通信技术之一。 2.1.2.受制于技术原因，早期低轨卫星在通信领域应用有限低轨卫星通信系统也存在固有的缺点，如需要卫星数量较多，由此带来地面控制、维护系统比较复杂，对通信系统而言，影响较大的问题是波束切换和星间切换。上世纪60年代，人们就尝试利用低轨卫星进行通信，轨道高度在几百公里左右，但是由于低轨卫星相对地面某一点不是固定的，因此地球站必须有复杂的跟踪系统，同时由于低轨卫星覆盖面积相对较小，因此必须由多颗卫星组成网络才能实现全球覆盖，并且为了保持持续通信，一条通信链路需要在多颗卫星之间切换，增加了系统的复杂程度。因此，从1963年开始，人类利用地球同步轨道卫星进行卫星通信，与低轨卫星相比数量少，并且易于控制，1964年美国发射的SYNCOM 3型卫星标志着地球同步轨道通信卫星时代的到来。上世纪90年代，尽管航天技术有了长足进步，但低轨卫星通信技术问题仍没有得到完全解决。以铱星系统为例，其最小切换时间间隔10.3秒。实现切换需要一系列信令操作过程，频繁的切换加重了系统的信令负荷。铱星系统在运行初期的切换成功率只有85%，后来经过改进达到92~98%，与陆地移动通信系统的切换掉话率不高于5×〖10〗^(-4)的指标相比相差甚远。
2.2.铱星系统
2.2.1.系统方案铱星系统是美国摩托罗拉公司提出的一种利用低轨道卫星群实现全球卫星移动通信的方案。铱星系统的原始设计是由77颗小型卫星，均匀有序地分布于离地面785km上空的7个轨道平面上，通过微波链路形成全球连接网络。因为其与铱原子的外层电子分布状况有一定的类似，故取名为铱星系统，后期为减少投资规模，简化结构以及增强与其他LEO系统的竞争能力，摩托罗拉公司将其卫星数降低到66颗，轨道平面降至6个圆形极地轨道，每条极地轨道上的卫星仍为11颗，轨道高度改为765KM，卫星直径为1.2m，高度为2.3m，重量为386.2kg，寿命为5~8年。 2.2.2.技术缺陷和成本过高导致破产铱星系统耗资约50亿美元，1990年6月首次公布，1990年12月向美国FCC提出许可证申请，在1992年9月得到FCC的许可证。当时铱星系统是设计方案中最为完整、具体，进展也很快，是十分有前景的方案，但系统仍存在不足，一是技术方面，受当时设备性能制约，系统切换掉话率高达15％，严重影响通话质量，并且数据传输速率仅有2.4kb/s；二是成本方面，与GSM等系统终端相比，暴露出业务收费高、有地区差异、手机价格高等问题，导致1998年底才投入运行，之后公司于2000年左右就宣告破产。
2.3.1.系统初期建设全球星（Globalstar）系统是美国LQSS（Loral Qualcomm Satellite Service）公司于1991年6月向美国联邦通信委员会（FCC）提出的低轨卫星移动通信系统。根据计划，全球星系统计划在1997年底发射12～16颗卫星，并于1998年发射其他的卫星。全球星（Globalstar）系统采用低成本、高可靠的系统设计，一个关口站只需要35万美元。手持机的价格只相当于目前广泛使用的蜂窝手机的价格，故其服务对象更适合为边远地区蜂窝电话用户、漫游用户、外国旅行者，以及希望低成本扩充通信的国家和政府通信网和专用网。按目前全球星（Globalstar）系统合作伙伴的分布情况来看，它可以为33个国家提供服务。 2.3.2.系统升级换代为了适应移动终端对数据传输量不断提高的需求，全球星系统于2010年开始建设Globalstar-2系统，并随着2013年2月6日最后6颗星的成功发射，从而完成了由24颗卫星组成的低轨移动卫星通信星座的部署。Globalstar-2卫星质量为700kg，采用2片3联太阳能帆板，初始功率为2.2kW，末级功率为1.7kW。卫星轨道高度为1414km，轨道倾角52°。卫星采用简单、高效、可靠性强的“弯管式”转发器设计，提供的服务包括一键通与广播、先进的短报文能力（MSS）、移动视频、GEO定位、多频段与多模手机、GPS集成数据等。
3.1.技术进步使得基于低轨卫星通信技术的卫星互联网成为现实
铱星系统、全球星系统建成初期，面临与地面移动通信的有力竞争，在通话费用、终端成本、数据传输速率等方面都不占优势，因此难以大规模普及，多应用于紧急救援、海事通信、军用通信等特殊领域。随着航天科技和电子信息技术的进步，降低了卫星研制、量产和发射的成本，而卫星通信资费的降低和数据传输速率的提升又带来了大量的互联网接入和大数据需求，如此广阔的市场需求，为低轨卫星通信的再次崛起提供了基础。在网络稳定性方面，随着卫星测控、星间通信等技术的进步，困扰早期铱星系统的掉线率高等技术问题已经逐步得到解决，使得以低轨通信卫星为基础的卫星互联网能够实现全球覆盖，成为卫星互联网的天基通信基站。在网络带宽方面，受制于电子信息技术的局限，早期的铱星网络只能支持语音及短信功能，无法满足用户常用的网页浏览、视频传输等宽带应用场景，但是随着电子信息技术的进步，卫星的通信能力不断提升，目前已经有多种支持互联网应用场景的高通量卫星投入使用，使得通过卫星搭建覆盖全球、满足用户宽带通信需求的卫星互联网成为现实。 3.2.抢占近30亿“未连接市场”，多家公司积极布局卫星互联网
据Statista公司的测算，截至2023年7月，全球互联网普及率为64.5%，仍有约28亿人口尚未连接互联网。从世界各区域来看，欧洲、北美、南美的互联网普及率超过了80%，远超世界平均水平，但是在南亚、非洲互联网普及率不到50%，低于世界平均水平。这些地区是“一带一路”经济带的重要地区，但由于地理状况、基础设施水平等因素限制，互联网普及率仍处于较低水平。
3.3.1.基本情况OneWeb 的前身是WorldVu Satellites公司，创始人是格雷格·怀勒（Gregory Thane Wyler），于2012年在英国伦敦创立了这家企业，初步目标是建设由数百颗卫星组网的低时延低轨宽带互联网星座，目标是“让地球上所有人在任何地方都能无缝上网”。2014年，OneWeb推出第一代低轨星座设计方案，包含648颗在轨卫星与234颗备份卫星，总数达882颗。这些卫星将被均匀放置在不同的极地轨道面上，距离地面1200km左右。卫星高速运动，不同卫星交替出现在上空，保障某区域的信号覆盖。后期公司考虑增加卫星数量，计划数量达到近2000颗。投入运行后，One Web星座不仅能覆盖美国，亦能覆盖全球还没有连接互联网的农村边远地区。One Web的目标是，到2027年建立健全的、覆盖全球的低轨卫星通信系统，为每个移动终端提供约50Mbps速率的互联网接入服务。2016年1月，OneWeb公司、欧洲空客防务及航天公司合资成立OneWeb卫星公司，开启卫星生产工作。2017年6月25日，OneWeb拿到了美国低轨道卫星通信网络运营执照，获准在美服务落地。2019年2月，OneWeb首批6颗互联网卫星成功升空。2020年3月，OneWeb宣布破产，后期得益于英国政府、印度巴蒂企业、休斯网络系统和软银集团的投资，该公司于2021年底从破产中复苏。截止2022年12月，OneWeb在轨运行卫星数量超过了450颗。OneWeb业务将主要以B2B为主，不会直接向家庭出售服务。该公司将寻求与电信运营商、互联网服务提供商，以及任何其他向企业或家庭销售互联网服务的组织合作。
3.4.1.规模宏大的星链（Starlink）系统2015年，SpaceX公司计划将约1.2万颗通信卫星发射到轨道，并从2020年开始工作，这一项目被命名为“星链”（Starlink）系统。美国联邦通信委员会（FCC）于2018年3月批准SpaceX部署4425颗第一代“星链”卫星，2018年11月，FCC批准剩余的7518颗卫星发射计划。2020年5月，SpaceX向FCC提交了第二代“星链”卫星部署计划申请，希望额外部署3万颗卫星，FCC在2022年12月决定，批准部署其中约7500颗卫星，其余暂缓决定，以回应“有关轨道碎片和太空安全的担忧”。
3.4.5.由星链拓展到星盾，开始进入国家安全领域2022年12月，SpaceX公司在其官网上首次发布了星盾（Starshield）项目。星盾利用SpaceX的星链技术和发射能力来支持国家安全工作。星链是为消费和商业用途设计的，但Starshield是为政府用途设计的，最初主要关注三个领域：（1）地球观测领域，星盾发射搭载多种传感器载荷的遥感卫星，并将处理后的数据直接提供给用户；（2）通信领域，星盾通过星盾用户设备为政府用户提供有保证的全球通信；（3）托管有效负载，星盾开发卫星数据总线以支持最苛刻的客户有效载荷任务。在安全性方面，星链已经提供了有效的端到端用户数据加密。星盾使用额外的高等级加密技术，能够托管分类有效载荷并安全地处理数据，满足最苛刻的政府要求。互操作性方面，星链的卫星间激光通信终端，是当今唯一在轨道上大规模运行的通信激光器， 可以集成到合作伙伴卫星上，以便能够整合到星盾网络中。可扩展性方面，星盾可扩展的低地球轨道架构提供了多种在轨资源的连接及拓展功能，而SpaceX经过验证的火箭发射能力能够为后续航天器的发射提供有效手段。据CNBC报道，2023年9月，美国太空军（U.S. Space Force）授予 SpaceX 一份价值 7000 万美元的合同，其中包括提供商业合同中未包含的“独特条款和条件”的星链互联网服务，该产品线的服务是星盾（Starshield）项目的一部分，是已知的第1例星盾服务合同。
4.1.世界各国轨道频谱资源竞争激烈
4.2.边际成本低，适合基础设施薄弱地区实现通信网络覆盖
传统的地面蜂窝移动通信（Cellular Mobile Communication）是采用蜂窝无线组网方式，在终端和网络设备之间通过无线通道连接，进而实现用户在活动中可相互通信。其主要特征是终端的移动性，并具有越区切换和跨本地网自动漫游功能。单个蜂窝通信基站覆盖面积小，在密集城区的4G基站，覆盖半径一般只有几百米，因此为了实现广泛覆盖，需要建设多个通信基站。大量的基站联合起来，再加上其他的一些传输，控制节点，就组成了一张蜂窝移动通信网。
4.3.中国力量加入卫星互联网竞争阵营
4.3.1.我国现有卫星通信以广播通信为主，卫星移动通信客户逐步增涨
我国目前的卫星通信系统主要有卫星广播通信、卫星宽带互联网和卫星移动通信三种类型。在卫星广播通信领域，我国卫星广播通信建设时间早、客户数量多，是目前卫星通信服务的主要模式，我国发射了中星、亚太系列等多颗广播通信卫星，通信业务实现了亚洲、欧洲、非洲、太平洋等区域覆盖。在卫星宽带互联网领域，我国高通量宽带卫星发展刚刚起步，整体技术水平、系统容量和服务能力与国外先进卫星系统尚有差距。2017年发射的首颗高通量Ka宽带卫星“中星16号”，容量达到20Gbps，主要面向远程教育、医疗、机载和船舶通信、应急通信等领域的互联网接入，不能面向个人移动用户。在卫星移动通信领域，2016年我国发射的天通一号卫星是我国自主建设的首个移动通信卫星星座，支持最低1.2Kbps电路域话音、最高分组域384Kbps的数据业务，标志着我国卫星移动通信进入了新纪元。
4.3.2.天通一号卫星实现卫星移动通信天通一号卫星系统由航天五院研制，2016年8月6日，天通一号01星成功发射，实现了我国移动通信卫星零的突破，是我国S频段大容量地球同步轨道移动通信卫星的首发星。2020年11月12日、2021年1月20日，天通一号02、03星相继发射升空。天通一号是我国首个移动通信卫星星座，填补了国家商用卫星移动通信服务空白，该系统是我国空间信息基础设施的重要组成部分。系统由空间段、地面段和用户终端组成，空间段目前由3颗地球同步轨道移动通信卫星组成。组网运行后，天通一号实现亚太地区全覆盖，提升了国家应急通信保障能力，也扩展了我国国土及周边海域各类手持和小型移动终端语音与数据通信覆盖面，能够满足更多用户多样化通信需求，提供全天候、全天时、稳定可靠的话音、短消息和数据等移动通信服务。在面向社会提供服务方面，中国电信运营的手机号段1740用户，在卫星服务区内使用天通卫星手机或终端就能进行语音、短信、数据通信及位置服务。
我国疆域辽阔，自然地形复杂。在面对偏远山区的自然村落时，与地面基站相比，“从天上”解决成本更低，并且能够同时解决海上通信问题。Ø 2016年12月的《十三五国家信息化规划》中明确提及“通过移动蜂窝、光纤、低轨卫星等多种方式，完善边远地区及贫困地区的网络覆盖。”Ø 2020年4月，国家发改委将“卫星互联网”列入“新基础设施”名单，与5G、人工智能、工业互联网、新能源充电桩并行。Ø 2021年4月28日，经国务院批准，组建中国卫星网络集团有限公司，列入国务院国有资产监督管理委员会履行出资人职责的企业名单。Ø 据新华社报道，2023年7月9日，我国在酒泉卫星发射中心使用长征二号丙运载火箭，成功将卫星互联网技术试验卫星发射升空，卫星顺利进入预定轨道，从而标志着我国在卫星互联网领域迈出了重要一步。Ø 2023年10月8日，工信部信息通信管理局发布《关于创新信息通信行业管理优化营商环境的意见（征求意见稿）》，提出“分步骤、分阶段推进卫星互联网业务准入制度改革，不断拓宽民营企业参与电信业务经营的渠道和范围。
4.4.1.“鸿雁”星座1） 方案组成“鸿雁”全球卫星通信系统由中国航天科技集团公司提出，该系统将由300颗低轨道小卫星及全球数据业务处理中心组成，具有全天候、全时段及在复杂地形条件下的实时双向通信能力，可为用户提供全球实时数据通信和综合信息服务。“鸿雁”星座首期投资约200亿元，是我国首个国家级的、投资规模最大的、具有里程碑意义的商业航天项目，将实现“沟通连接万物、全球永不失联”。项目创新运营高效的商业模式，聚集全社会资源，打造覆盖芯片、终端、系统集成、运营服务及人才培养等环节的完整产业链条，创新卫星及运载火箭规模化研制模式和流程，培育新经济增长点，将带动上下游超千亿元产值规模。
5.1.早期卫星成本高昂，限制卫星星座大规模建设
低轨卫星的研发、制造、发射等成本高昂，已成为制约业内公司可持续发展的重要因素。1997-1999三年间，铱星（Iridium）、全球星（Globalstar）和轨道通信（Orbcomm）等卫星移动通讯公司密集发射卫星完善产业布局，但三家公司在随后几年里因成本管控不当先后申请破产保护。铱星公司66颗卫星组成的通信系统总成本共计50亿美元，持续的高成本运营不堪重负，最终由于无法偿还贷款而宣告破产，同期竞争对手全球星、轨道通信卫星也面临破产威胁。
2007年，铱星公司启动了铱星2代（IridiumNEXT）星座用来替换原有铱星，铱星2代仍然是66在轨卫星，总造价约30亿美元，仅为一代的60%，却有着更好的数据速率和语音质量，也兼容老一代的通信终端和业务。
星链计划卫星数量庞大，因此卫星造价对于星链计划能够顺利实施至关重要，SpaceX也采取多种手段降低卫星制造成本。按照摩根士丹利分析师的估算，早期星链卫星制造成本约为100 万美元/颗，发射成本5000万美元/次，猎鹰9运载能力达到60颗/次。根SpaceX公司COO 格温·肖特维尔曾透露称：在复用一级火箭和整流罩的乐观状态下，单颗 Starlink 卫星制造成本有望低于50万美元，单次发射成本降至1500万美元。根据这一标准，完全部署4.2万颗Starlink卫星，需投入卫星制造成本210亿美元，发射成本105亿美元。
5.2.通过批量化生产降低卫星成本
星链发射前，围绕地球运行的在轨卫星共约有1400余颗，估计还有2600多颗卫星已经不再工作，只是漂浮在太空之中，加上这部分已经退役的卫星，人类已发射的卫星总数约为4000多颗。相比之下，星链计划发射的通信卫星数量将超过人类已发射卫星总数。
由于以往卫星批次数量少，因此难以大规模批量制造，随着低轨卫星星座中卫星数量的大幅增加，为批次建造卫星提供了前提，从而能够通过批量化制造来降低单星成本。
早期，OneWeb引入了汽车制造的概念，将卫星各系统模组化，在生产线大量使用自动化设备。在此模式下，OneWeb的“卫星工厂”每周能生产16颗卫星，年产量达到648颗卫星。批量化生产可以降低卫星的生产成本，2015年时设定的目标是使每颗通信卫星的造价降低至50万美元。
在国内，小型卫星的制造商同样采取“流水线”式的制造模式来降低卫星成本。
据澎湃网报道，2021年11月26日，“G60星链”产业基地启航仪式在上海举行。该项目由松江区、联和投资、临港集团三方共同打造，将建设长三角首个卫星制造的“灯塔工厂”。“G60星链”产业基地一期项目占地面积120亩，建筑面积20万平方米，将建设数字化卫星制造工厂、卫星在轨测运控中心、卫星互联网运营中心。其中，卫星工厂的设计产能将达到300颗/年，单星成本将下降35%。预计于2023年投入使用。项目规划分三期建设，“十四五”期间完成“152”工程：即建成1个全球低轨卫星通信星座，建成面积超500亩的卫星互联网产业集群，形成规模超200亿的卫星互联网产业创新应用生态。
2021年1月，中国航天科工集团有限公司二院空间工程公司，完成了我国首条批产卫星智能生产线的研制、生产及安装工作，正式转入现场试运行阶段。卫星从原材料出库到整星检验合格入库，需经历舱板级部装、卫星总装、整星电性能测试、通信载荷测试、机械精度测试、太阳翼安装与性能测试、质量特性测试、振动试验、真空热试验、检漏试验等十余道工序。如果关键工艺环节全部由机器来替代，生产效率能够提高40%以上。从单件小批量手工生产到高度自动化生产，在保证卫星装配测试过程满足技术要求的同时优化了工艺流程，该产线有望达到年产240颗以上小卫星的设计产能目标。
据中国空间技术研究院官网报道，2022年初，天津航天产业基地全面建成，该基地采用柔性制造模式，年产卫星数量可达200颗以上，并已启动试生产工作。该中心是一座高水准、现代化的“星星工厂”，按照“脉动式”节拍化生产，由中国空间技术研究院通信与导航卫星总体部负责抓总建设。项目于2019年启动建设，主要目的是适应国内卫星星座建设项目蓬勃发展的需求。
5.3.抗辐照加固器件成本较高，制约卫星成本
5.3.1.太空环境对电子器件的影响
运行在太空中的航天器由于没有地球大气层的保护，将会受到更多空间粒子的辐照，如重粒子、质子、α粒子、中子等，航天器中的电子设备受辐照影响容易出现性能下降甚至失效的情况。
太空辐射环境对电子设备的效应主要分为两类，一类是辐射总剂量TID(Total Ionizing Dose)，另一类是单粒子效应SEE(Single-Event Effect)。单粒子效应指单个高能粒子撞击引起的电子器件状态的瞬时扰动，或是永久性的损伤。单粒子效应又可以分为单粒子翻转SEU(Single-Event Upset)和单粒子闭锁SEL(Single-Evcnt Latchup)两类。
5.3.2.抗辐照加固技术综述
抗辐照加固技术可分为两大类：工艺加固（Radiation Harden By Process,RHBP）和设计加固（Radiation Harden By Design, RHBD）。
工艺加固是通过构建特殊的工艺线来实现抗辐照加固。在半导体衬底材料方面，通常的作法是将半导体硅衬底替换为硅绝缘体衬底（绝缘体上硅，SOI）或蓝宝石衬底（蓝宝石上硅，SOS）。抗辐照加固衬底的优点是，如果有一个器件被高能粒子击中，加固衬底能够有效地减少杂散电流向其邻近器件扩散。在封装材料方面，一般采用陶瓷封装替代塑料封装等。
工艺加固存在以下两个问题：一是目前生产工艺线厂商少、工艺线产量小，进而成本很高，不具备广泛的适用性；二是因为专用工艺线具有抗辐照能力，工艺线流程更加复杂，导致电路在性能上不及通用工艺线。
设计加固对器件工艺没有特殊要求， 主要通过优化电路和系统设计进行加固来提高集成电路可靠性。因而，设计加固是目前国内外集成电路进行抗辐照加固的主流技术。常见的电路加固方法有增加保护性有源结构， 增大敏感节点对间距等。在系统设计方面，常采用的方法有纠错检错方法、多冗余技术等。
5.3.3.抗辐照工艺加固案例
1）微芯科技耐辐射单片机
Microchip Technology Inc.（美国微芯科技公司）于2019年面向航空航天业，推出了基于Arm®内核的单片机——SAMV71Q21RT耐辐射单片机和SAMRH71抗辐照单片机，将商用现货（COTS）技术的低成本和大型生态系统优势与宇航级器件可调节的防辐射性能相结合。基于汽车级SAMV71单片机打造的SAMV71Q21RT耐辐射单片机和SAMRH71抗辐照单片机，采用了广泛使用的Arm® Cortex®-M7片上系统（SoC），有助于提升空间系统的集成度，在降低成本的同时提升性能。两款器件均可使用SAMV71的完整软件开发工具链，从而显著缩短开发时间、降低成本。
初步开发工作在COTS器件上完成后，所有在这个阶段开发的软件都可以被移植到采用高可靠性塑封和宇航级陶瓷封装的耐辐射或抗辐照单片机上。SAMV71Q21RT耐辐射单片机可重用全套COTS掩模组，具有一定的引脚兼容性，从而可立即实现COTS器件到合规宇航级器件的移植。
SAMV71Q21RT的耐辐射性能是低轨地球卫星星座、太空机器人等太空应用领域的良好选择， SAMRH71的抗辐照性能则更适合陀螺仪、星体跟踪器等更为重要的子系统。SAMV71Q21RT耐辐射器件可耐受累计达30 Krad（Si）的总电离辐射剂量（TID），同时具有闭锁抗扰能力，且不会被重离子破坏。
2）意法半导体耐辐射系列芯片
与发射到地球静止轨道的高轨道卫星相比，低轨道卫星受到的大气保护更多，受辐射程度更低。此外，低轨道卫星设计寿命较短。虽然低轨道卫星对电子元件的性能和质量保证要求与传统卫星相近，但抗辐照能力要求较低。从历史上看，航天用元器件一直被安装在密封的陶瓷封装内，以通过严格的QML或ESCC认证和生产流程测试，导致这些通常小批量生产的元器件成本相对较高。
意法半导体(STMicroelectronics)面向新一代小型低轨道(LEO)卫星的设计和量产，开发了系列抗辐照加固功率、模拟和逻辑芯片，这些芯片采用低成本塑料封装，为卫星电子电路提供重要功能应用。意法半导体2022年3月发布了该系列的首批九款产品，可用于整个卫星系统，例如，发电配电、星载计算机、卫星遥感跟踪器、收发器等卫星系统。意法半导体今后几个月继续发布新品扩大该系列，增加更多功能，以进一步扩大设计师的选择范围。
意法半导体的新型LEO抗辐照加固塑料封装元器件可以直接用于航天器，在产品认证和制程方面进行了产品优化，具有规模经济效益。新产品不需要用户进行额外的认证或筛选测试，因此消除了巨大成本和风险。
3）国内抗辐照芯片
在国内，北京微电子技术研究所和中科院微电子所都开发了抗辐照芯片产品。
北京微电子技术研究所隶属于中国航天科技集团公司第九研究院，是国家重点军用电子元器件研制单位。以领先的抗辐照加固集成电路设计技术为基础，面向全球提供高端宇航电子元器件产品、高性能抗辐照IP及ASIC设计服务、高可靠陶瓷封装设计及封装服务、高性能集成电路测试和可靠性验证等服务。抗辐照FPGA、抗辐照AD/DA、抗辐照SRAM、抗辐照总线和65nm抗辐照加固IP等多款产品和技术已经为全球多家宇航公司提供了产品与技术服务。
中科院微电子所在抗辐照SOI技术与应用方面开展了长期研究。SOI技术与体硅技术相比，具有如下特点：全介质隔离：器件寄生电容小、速度快、静态功耗低；抗单粒子能力强；抗电离总剂量能力面临挑战；抗ESD能力面临更大挑战。微电子所针对SOI中的埋氧层为电路的抗总剂量辐照能力的问题，开发了变掺杂的斜角分层沟道注入技术，使SRAM抗总剂量能力提升至大于300krad(Si)。 在工艺方面，开发了0.18μm和0.35μm抗辐照SOI CMOS 关键工艺模块，通过各工艺步骤的协同优化，贯通了抗辐照SOI完整工艺流程。
可配置SOI技术。传统SOI器件受到隔离氧化物电荷俘获和寄生双极放大等效应影响，其抗总剂量、单粒子和瞬时剂量率水平难以进一步提高，无法满足深空探测等型号任务更加严苛的芯片抗辐射能力需求。2022年，中科院微电子所基于自主开发的可配置SOI（CSOI）成套工艺，成功研制出无抗辐射短板的SRAM存储器芯片，实现抗总剂量9 Mrad(Si)、单粒子闩锁免疫、单粒子翻转阈值99.8 MeV*cm2/mg等核心抗辐射指标，其综合抗辐射能力高于国内外工业和学术界SRAM存储器水平，已在相关型号中开展应用和搭载验证。
5.3.4.抗辐照设计加固方法
对于宇航电子器件，还可以采用各类纠错检错方法进行“软加固”，以提高器件的可靠性。
编码纠错检错方法（Error Detection And Correction，EDAC）是一种用于检测和纠正数据传输中错误的编码技术，在数据存储或传输过程中，由于各种原因（如噪声、干扰等），数据可能会发生错误，导致传输的数据不完整或者不准确，为了避免这种情况发生，通常会使用EDAC技术来对数据进行编码和检测。
EDAC技术通过在数据中添加冗余位来是实现错误检测和纠正。例如，向存储器中写入数据时，EDAC模块会自动计算写入数据的EDAC结果，然后写入到相应EDAC储存单元中，在读取存储器数据时，EDAC模块将该EDAC储存单元的用户数据读出，进行相同的EDAC计算得到存储数据的EDAC结果，并与写入时产生的EDAC结果进行对比，从而发现数据是否存在错误。常见的EDAC编码方式有海明码、BCH码、RS码等。
EDAC技术广泛应用于存储器、通信、计算机网络等领域，尤其是汽车ECU、雷达、通信设备等领域，电磁环境复杂，为了保证其存储器中数据和程序代码的完整性和可靠性，EDAC技术被广泛应用，从而提高数据传输的可靠性和稳定性。但是EDAC技术也会增加数据传输的延迟和复杂度，在实际使用中需要进行权衡和选择。
编码纠错检错方法常见的编码方法如下表所示：
5.4.采用商用货架器件并结合系统冗余技术有望降低卫星成本
5.4.1.采用商用货架器件（COTS）降低装备成本
商业货架器件 (Commercial-off-the-shelf，COTS)，是指在市场上销售的产品，并在制造商的产品目录中以确定的价格出现，而且可直接从制造商或通过制造商的销售网供应给任何公司或个人使用。COTS器件有标准的件号和描述其机械、电气和环境性质与极限的技术规范。COTS产品可分成消费品/工业用、军用和航天用等类。
自上世纪70年代以来，由于计算机、电信设备和电子消费品的兴起，集成电路以及电子器件的销售量大幅增涨。在同一时期，集成电路在军用设备中的应用保持平稳，使得军用电子器件在电子器件行业中的占比进一步降低，无法影响电子器件行业的发展。摩托罗拉、英特尔和飞利浦等公司关闭了它们的军用电子元件生产线，显著减少了密封封装的军用规范部件的供应量，特别是最新的和技术上最先进的集成电路紧缺。
以航天领域为例，空间飞行器普遍使用专用的抗辐照加固处理器，虽然经过多年研发，但通常比商用处理器性能仍落后一至两代，且差距越来越大。截止到2021年，美国最先进的计算单机模块是BAE 系统公司开发的RAD 5545 模块，其核心采用了先进的 45 nm 抗辐照加固SOI工艺，但是总体性能远远落后于商用处理器。
在军工、航天等领域专用芯片落后的局面，迫使防务工业考虑采用商业技术的电子部件。美国国防部于1994年制订政策，鼓励采用最好的商业部件，以便在军用设备中早日使用经济上负担得起的前沿电子技术产品。商用货架器件在采购价格、性能、资源等方面更具有优势。
近年来，由于商业需求在航天领域的不断发展，商业载荷需求呈现爆发式增加。传统的以科技载荷为需求的3~5年的载荷研制周期不能满足商业航天的业务需求，而且航天级器件一般因为供货周期长，价格昂贵而且性能往往落后于地面上的同级别器件的原因，所以采用高性能商业级现货器件代替传统航天级器件作为商业航天公司在成本控制领域发展的一个方向。
5.4.2.采用系统冗余设计提高系统可靠性
采用工艺加固的芯片可以提高其抗辐照能力，但是成本高昂。采用设计加固可以一定程度提高器件可靠性，但对于提高系统硬件可靠性能力有限。商用货架器件价格低廉，但是抗辐照、环境适应性不及抗辐照器件，可靠性较低。
为此，可以使用商用器件降低直接成本，再采用系统冗余技术，通过增加器件数量并采用一些系统容错设计方法，从而提高系统可靠性。常用的系统冗余设计方法主要有双机冷备份、双机热备份、三模冗余重组、两热一冷冗余设计等。
1）双机冷备份结构
双机冷备份结构设计原理如图66所示，正常状态下采用的主节点上电，备份节点不上电。双机冷备份结构在仲裁切换模块正常，没有发生故障时，主节点正常工作进行运算处理，计算单元内的备节点不会发生故障；当主节点发生故障时，激活备份节点，对主节点进行替换；当备份节点也发生故障时，系统失效。
2）双机热备份结构
双机热备份重构设计原理如图67所示，采用的双机热备份，热备份与冷备份不同在于正常情况下，计算单元内的备节点也有可能发生故障。双机热备份在仲裁切换模块正常，主节点正常工作时，计算单元工作正常；当备份节点也发生故障时，系统失效。
3）三模冗余重组结构
三模冗余重组结构设计一般应用在大容量可重构 FPGA上，其结构如图68所示，采用的三模表决的仲裁策略，正常状态下3个节点均正常工作，系统正常输出；当其中1个节点发生故障，另2个节点正常工作时，仲裁切换节点屏蔽故障节点的影响，系统通过内嵌的故障诊断、识别，然后进行故障清理等手段让故障节点恢复正常，在不影响计算单元工作的情况下，将其接入系统，恢复到三模表决的工作状态；当出现2个节点及以上节点发生故障时，系统失效。当仲裁切换节点出现故障时，由于无法进行仲裁或者仲裁出错，系统失效。
4）两热一冷冗余结构
两热一冷冗余结构设计原理如图69所示，采用１个双节点热备份加一个节点冷备份的架构，正常状态下两个热节点均正常工作，系统正常输出；当其中１个热节点发生故障，仲裁切换节点激活冷节点，与正常节点重新构成双节点热备。考虑仲裁切换节点出现故障的时间，其工作状态分为：首先仲裁切换节点出现故障，当其中１个热节点发生故障，系统只能以单节点状态工作；其中１个热节点首先发生故障，之后仲裁切换节点出现故障，系统以双节点热备份状态工作。
5）不同类型器件的容错技术总结
利用上述航天器的星载器件冗余涉及方法，可以对不同类型COTS器件开展容错设计，以提高系统可靠性。表13总结了以往低轨卫星 COTS 器件的容错技术。根据常用的 COTS 器件类型，容错技术大致可以分为存储器容错技术、SRAM型FPGA容错技术和DSP、CPU容错技术。
5.4.3.航天领域商用器件应用案例
随着商业卫星领域的飞速发展，在前期COTS器件容错技术试验的基础上，COTS器件得到了更为广泛的应用。因为商业卫星一般发射数量较多，且以小卫星为主，因此商业卫星公司对卫星成本问题更加敏感，纷纷采用COTS器件降低成本。低轨卫星受到的辐照相对高轨卫星较少，因此更加有利于COTS器件在卫星互联网中的广泛使用。
从上世纪90年代起，美国开始大力推进COTS器件在空间工程中的应用，美国国家航天局（NASA）提出新千年研究计划，将商用器件的卫星应用作为一个重点课题，此外还推出一系列研究计划，对市面上多种商业器件进行抗辐照验证研究工作，同时美国也发射了多颗卫星对COTS器件的技术研究进行了较多的试验验证工作，如ARGOS卫星、TACSAT-2卫星、以及CFESat卫星等。
美国 CFESat 卫星是2007年发射的低轨试验卫星(轨道高度为560 km) 。通过此卫星，基于SRAM型FPGA的可重构计算机能够运行于低轨卫星得到了验证。每个可重构计算机的原理图如下图所示，FPGA采用 Xilinx XQVR1000，通过外延层工艺增强SEL，SEL的LET为 125 MeV /mg /cm2，TID约为100 K Rad( Si) ，因此FPGA主要受单粒子效应的影响，其容错技术同时采用了硬件三模冗余技术和校验码技术。
国外在多颗低轨卫星上开展了COTS器件的容错技术试验，积累了宝贵的经验，为后续其他低轨卫星的COTS器件应用奠定了基础。相关试验情况如下图所示。
在国内，根据《基于COTS的高性价比微小卫星研制管理模式研究》的介绍，在2015年和2016年，深圳航天东方红海特卫星公司分别发射开拓一号和脉冲星试验卫星，对基于COTS器件的微小卫星技术进行了探索和实验，形成了一套关于COTS器件应用的产品保障方法，这两颗卫星均采用大量的COTS器件，比如工业级PC104计算机、电池、太阳阵列以及多个星上单机产品，而且这两颗卫星成功发射后稳定运行，成功对COTS器件进行了空间试验验证。卫星所选择的部分COTS器件如下图所示。
据Euroconsult公司的报告显示，2022年，各国政府航天领域预算呈加速增长趋势，达到1030亿美元，比2021年增长9%，创下政府航天投资的历史新高。尽管疫情对公共财政产生了影响，但其影响并未对2020-2021年政府太空预算产生负面影响。在各国政府航天预算中，民用设施预算总额为550亿美元（占总支出的54%），而2022年航天领域国防支出增加到480亿美元（占总支出的46%）。民用航天项目支出主要受太空探索、空间通信等项目推动，另一方面，各国对国防相关航天计划的投资创下了新高，原因是地缘政治紧张局势日益加剧，需要发展新的航天能力。民用航天项目和国防项目开支的差距继续减少，根据Euroconsult的预测，由于各国国防航天项目预算持续增长，预计到2031年国防航天项目开支有望与民用航天项目开支持平。
iiMedia Research（艾媒咨询）数据显示，在政策和资本等多方加持下，2015-2021年中国商业航天产业保持着22.3%的年均复合增长率。2020年中国商业航天市场规模已经突破1万亿元；预计未来3年，产业将继续以超20%的增长率进行扩张，预计2022年将突破1.5万亿元，2024年有望达到2.3万亿元。
从上世纪90年代开始，随着移动卫星通信的发展，关于卫星与地面移动通信相互融合的讨论与尝试就从未停止。近年来快速发展的通信卫星采用基于统一的IP交换技术，实现与地面互联网的融合互通。在市场策略上，通信卫星星座摒弃了铱星系统建设运营初期独立建网、与地面移动通信相竞争的策略，转而与电信运营商开展合作，但当前的铱星二代等低轨卫星通信系统在数据传输方面远远落后于地面移动网络，无法满足用户日新月异的数据传输需求。随着5G时代的即将到来，国际通信组织以及业内人士已经开始对6G时代进行展望，当前得到的共识是，5G/6G时代将是卫星通信与地面通信网络相融合从而真正实现全球通信，包括3GPP、ITU在内的国际标准化组织成立了专门工作组，我国科技部也开始着手开展卫星通信与5G/6G相融合的问题，卫星移动通信的时代即将开启。
6.2.1.“6G=5G+卫星网络”概念已经提出2017年11月，英国电信集团（BT）首席网络架构师Neil McRae对6G通信进行了展望，他认为5G将是基于异构多层的高速因特网，早期是“基本5G”（将在2020年左右进入商用），中期是“云计算+5G”，末期是“边缘计算+5G”；6G将是“5G+卫星网络（通信、遥测、导航）”，有望在2025年得到商用，利用“无线光纤”等技术实现超快宽带，并在5G的基础上集成卫星网络来实现全球覆盖，可以为6G用户提供网络定位标识、多媒体与互联网接入、天气信息等服务。2018年11月，国际电信联盟（ITU）正式成立Network 2030研究组（ITU-T FG on Network 2030），该机构旨在探索面向2030年及以后的网络技术发展，包括保持向后兼容的网络新概念、新构架、新协议、新解决方案，以及支持现有的和新的应用。Network 2030研究组主席6G融合的卫星通信技术开展研究2018年11月，科技部发布《国家重点研发计划“宽带通信和新型网络”重点专项2019年度项目申报指南建议》征求意见，提出的“专项总体目标”之一是“开展新型网络与高效传输全技术链研发，使我国成为B5G/6G无线移动通信技术和标准研发的全球引领者，在未来无线移动通信方面取得一批突破性成果”，其中“与5G/6G融合的卫星通信技术研究与原理验证”是重点项目之一，提及的卫星类型主要是GEO和LEO，GEO主要用于电视信号等广播类信号传输，LEO则应该主要是用于卫星移动通信，说明我国已经认识到卫星通信在5G/6G时代的重要性，并着手开始研究，以引领国际通信未来发展。
6.3.1.卫星互联网组网建设规模有望超百亿基于低轨通信卫星的卫星互联网，所需卫星数量庞大，建设成本高昂。例如，铱星系统由66颗卫星构成，耗资规模约50亿美元；星链系统如果按照原有计划至少投入约100亿美元；日本LeoSat星座共108颗卫星，耗资约36亿美元；我国“鸿雁”星座由300颗卫星构成，计划投资约200亿元人民币，“虹云”星座由156颗卫星构成，按此推断投资也将超过100亿人民币。因此，如果国内“鸿雁”、“虹云”以及G60等通信卫星计划能够如期开展建设，未来我国在卫星互联网组网建设上的投入有望超过300亿人民币。
7.1.卫星系统组成
卫星组网领域：在低轨卫星通信产业链中，卫星组网包括卫星制造与卫星发射两部分，将是全产业链最先受益的部分。卫星制造方面，主要涉及航天五院、航天八院、中科院微小卫星公司以及银河航天等卫星整机制造商，以及航天电子、康拓红外、铖昌科技、亚光科技等配套企业。火箭发射主要涉及航天一院、航天八院、航天科工火箭公司、星河动力等火箭制造企业。地面设备领域：地面设备包括卫星地面接收站、移动终端等。卫星互联网的终端类型将有固定式和移动式两种，一部分地面终端将是类似星链地面接收装置的固定式接收装置，再通过局域网、Wifi等形式连接用户终端，另一部分将是类似天通手机的移动直连终端，直接与卫星连接。在移动终端方面， 前期华力创通、中兴通讯、大唐电信都已开发了天通卫星手机，但是这类手机体积、功率较大，难以进入大众智能手机市场。2023年，华为公司成功推出了Mate 60 Pro具有天通卫星直连功能的大众智能手机，后期随着消费市场的逐步壮大，其他厂商有望也开发出具有手机直连功能的卫星通信手机，加入卫星直连手机的竞争阵营中。卫星与地面通讯服务领域：三大传统运营商仍是地面通信的主体，其中中国电信依托天通卫星支持卫星通信服务，走在了三大运营商卫星移动通信的前列。在卫星通信方面，中国卫通是国内目前最大的卫星通信运营商，具有先天优势，目前公司以广播通信服务为主，并逐步开拓卫星移动通信市场，公司未来发展值得期待。
在产业链受益方面，卫星制造和卫星发射相关的卫星组网领域将会首先受益，未来卫星组网完成后，终端设备、通信服务方面的公司将逐步受益。根据前面估算，“鸿雁”、“虹云”、G60等卫星通信系统组网费用有望超过300亿人民币，由此测算，未来带来的地面设备与卫星服务产值有望分别达到1908亿、1487亿元，行业总体规模有望达到3600亿元，产业链相关企业将充分受益于卫星互联网的蓬勃发展。卫星互联网将带动卫星制造与发射产业链长期发展。由于小型卫星寿命一般为5年左右，因此卫星互联网组网完成后，每年还需对卫星网络进行补星，按照卫星5年寿命计算，每年维持卫星网络的费用约为卫星组网费用的20%，因此大规模部署卫星互联网将带动卫星制造和卫星发射产业链的长期发展。
1）政策力度不及预期的风险：卫星互联网的使用，涉及到与原有地面移动通信的融合、通信信道管理等问题，需要政策制定部门给与相应支持，否则可能影响卫星互联网推广速度。 2）卫星成本居高不下影响大规模部署的风险：卫星成本直接影响未来卫星互联网的规模及商业模式。如果不能有效降低卫星成本，无法使未来卫星互联网的商业化运行处于盈利状态，那么将影响未来卫星互联网的大规模商业化部署。3）低轨通信卫星关键技术攻关不及预期的风险：低轨通信卫星由于卫星数量多、信道切换要求高，因此在卫星网络建设及使用过程中，将面临诸如星间通信、遥测遥控等多种技术问题，如果不能得以有效解决，将影响卫星互联网的建设进程。
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