卫星应用服务发展推动磁性材料器件应用

翁兴园

1 卫星应用服务发展现状

目前，中国已先后发射了400多颗卫星，超过200颗在轨运行。目前，小卫星代替大卫星、远轨卫星向中轨卫星和低轨卫星方向发展，已经成为航天领域的未来趋势。

按照质量大小来分，卫星分为：大卫星、中型卫星、小卫星。其中，小卫星包括：小型卫星、微小卫星、纳卫星、皮卫星、飞卫星。

2018年底中国鸿雁星座首发星的成功发射，标志着中国低轨宽带星座建设大幕的揭开了。民营企业银河航天2020年1月也完成了首星的发射，首次在国内开展了Q/V/Ka频段通信的相关验证工作。

2020年商业航天产业界持续发力，加快推动中国低轨宽带星座的建设工作。2020年6月23日，中国在西昌卫星发射中心于成功发射了北斗三号最后一颗全球组网卫星——北斗系统第55颗导航卫星，比原计划提前了半年，全面完成了北斗三号全球卫星导航系统星座的部署。

卫星制造是卫星产业链行业的最上游，通常首先由具有卫星物权的企业向卫星整星的设计制造厂商提出具体要求，由其向卫星零部件厂商采购配件，然后进行生产组装，最后交付完整的卫星产品。最后，完整的卫星产品通过火箭搭载，由发射服务商将卫星运送至预定的轨道运行。

卫星运营和地面设备制造环节是卫星产业链的中游，地面设备，主要包括对卫星跟踪、遥测及对指令的地面测控和监测系统，以及各用户终端。卫星运营商需要对在轨卫星进行全天候实时监测，并对地面空间段设备进行日常维护，以满足下游用户需要，为下游行业客户提供各类型的卫星服务。

卫星下游应用服务主要分为3大类：通信、导航和遥感。具体应用服务含盖卫星电视的直播、卫星的音频广播、卫星的宽带、卫星的固定通信业务、卫星的移动通信业务及对地观测业务。其中，卫星通信是重要的应用场景，主要涉及卫星电话、卫星广播电视、卫星互联网应用等。

根据统计，近10年来，全球卫星产业总收入呈现增长态势。卫星运营服务占据卫星产业链的绝大多数产值。

根据统计，卫星产业的市场规模从2007年1 229亿美元到2018年2 774亿美元，复合增速达7.68%。2018年整个全球商业航天市场规模达到3 600亿美元，其中卫星产业链占比约77%，高达2 774亿美元，其他非卫星的航天产业占比 23%。2018年，在卫星产业中，卫星运营服务业规模达到1 265亿美元，占全产业35.14%，而其中，卫星通信收入占卫星服务业收入比例高达98.34%。由此可见，卫星服务业发展之快和市场规模之大。

和国外相比，中国的卫星产业在卫星研制和发射领域竞争力比较强，企业实力较为突出；但在卫星用电子元器件、卫星终端产品、卫星应用系统和卫星运营服务等方面，中国的企业规模总体偏小，整体实力还较弱。

1.1 卫星通讯服务

卫星的通信系统分为空间段和地面段，由以下部分组成：空间卫星、卫星网络控制中心站、卫星地面关口站和移动终端站。

卫星空间段：是整个通信系統的核心组成部分，主要功能包括对空间轨道中运行的通信卫星和对卫星进行跟踪、遥测及指令的地面测控和监测系统。

卫星地面段：以用户主站为主体，分别包括用户终端及其与用户主站连接的“陆地链路”以及用户主站与“陆地链路”相匹配的接口。

随着通信技术发展和未来应用需要，卫星移动通信系统将融合导航增强、多样化遥感，实现通、导、遥的信息一体化，可同时支持卫星移动通信、物联网、热点信息广播、导航增强、航空监视等服务，而低轨卫星网络为实现5G真正的泛在连接提供了机会。

卫星电视是利用地球同步卫星将数字编码压缩的电视信号，进行远距离传输的一种广播电视形式。目前，卫星广播电视应用成熟，高清节目上星持续驱动卫星应用行业增长，卫星广播电视远距离传输包括主要的2种方式：①将数字电视信号传送到有线电视前端，然后再由有线电视台转换成模拟电视传送到用户家中；②利用卫星天线（锅）直接接受数字电视信号。

为了实现电视节目在全国甚至更大范围的播放，目前全球各大电视台租用同步轨道卫星的转发器成为主流。用户向运营商租用卫星转发器，实现广播电视内容的转发。各大广播电台也成为卫星通信产业的重要下游应用主体，今后，在很长一段时间，电视节目上星成为卫星通信行业增长的驱动因素。

随着广播电视数字化的发展和人们生活质量的提高，人们越来越关注电视图像质量，图像清晰度逐渐从标清向高清、超高清（4K），甚至8K发展。目前，高清节目基本成为行业主流。预计一两年内将完成全国的高清卫视覆盖，很快我国将迈入全国高清卫视时代。

卫星互联网使用高通量卫星，以实现高带宽、低时延和宽带覆盖。目前，我国低轨天基互联网项目已全面启动。中国航天科工集团、中国航天科技集团先后推出了“虹云工程”“行云工程”和“鸿雁星座”。其中“鸿雁”和“虹云”均已于2018年12月发射首颗试验星，相比国外进度基本位于同一起跑线上。

中圆地球轨道卫星是北斗三号全球系统星座的主力卫星，主要实现为全球用户提供导航、定位和授时服务，除此以外，还提供全球短报文通信、国际搜救等特色服务。

早在北斗三号全球系统核心星座部署完成之前一年，我国北斗三号就完成了35颗星组网，并正式向全球提供服务。相比于之前规划的2020年，时间上提前2年。随着北斗三号中圆地球轨道卫星全部发射完毕，无疑将进一步提升北斗卫星导航系统的服务性能和用户体验。

预计，到2022年，虹云星座、鸿雁星座、银河航天星座将完成阶段性部署或完成整个星座建设，届时，中国卫星通信市场将会迎来爆发式的增长。

未来，卫星通信朝宽带化、个体化、移动化、无缝覆盖方向发展，卫星通信发展轨迹基本上是从军用走向民用，从高轨走向低轨。

1.2 卫星导航服务

2014—2018年期间，中国卫星导航与位置服务产业总产值的年复合增长率约为17.56%。

2013年国务院办公厅发布的《国家卫星导航产业中长期发展规划》，我国将卫星导航产业规模年超过4 000亿元设定为2020年发展目标。

统计数据显示，2018年中国卫星导航与位置服务产业总体产值超过3 000亿元。随着中国卫星导航与位置服务产业进一步发展，年产值持续增长。根据中国卫星导航定位协会2019年发布的《中国卫星导航与位置服务产业发展白皮书》，全国2018年卫星导航与位置服务产业总产值达到3 016亿元。保守预计未来2年年复合增长率为15.16%。

根据有关统计数据，2019年，我国卫星导航产业产值规模已超3 600亿元，预计到2020年产值将超4 360亿元，与2013年国务院办公厅发布的目标基本吻合。

从全球今后导航与位置服务发展目标来看，全空间信息平台和系统成为重大需求。

1.3 卫星遥感服务

自20世纪60年代兴起的一种探测技术——卫星遥感技术，原理是利用电磁波的理论，利用由许多的遥感仪器（例如多光谱扫描仪、红外辐射计、红外探测器等），对远距离目标所辐射和反射的电磁波信息，进行信息的收集、处理，并最后处理成像，从而对地面各种场景事物进行探测和识别的一种综合感知技术。

卫星遥感技术卫星遥感企业的产品和服务包括提供遥感卫星图像和以遥感图像为基础的图像分析。

我国从20世纪70年代起开始从事空间遥感与应用研究，与发达国家相比落后20年以上。近年来，印度在遥感平台和微波遥感技术方面都比我国发展快，使我国面临严峻的挑战。

2 磁性材料与器件产业与卫星服务相关的重要市场机会

2.1 卫星通讯与服务领域涉及到的永磁材料器件应用

卫星通讯与服务领域除了地面部分设施用到永磁铁体，天上部分主要以稀土永磁为主，主要用在卫星通讯行波管、环行器中以及微型电机、微型录音机、航空仪器、电子手表、地震仪和其它一些电子仪器上，以及用于卫星的磁力轴承，磁力軸承有水平和垂直两种，卫星一般在真空环境下工作，在真空条件下，机械轴承面临严重的润滑、磨损和阻力能耗问题，它决定了人造卫星的寿命，而磁性轴承没有摩擦，不需要润滑，因而可长期使用。

稀土永磁电机在卫星中应用较多，高温场合以钐钴永磁为主，主要有：导航系统、离子推进器（图1）、行波管、宇航陀螺、动量飞轮、卫星储能飞轮、卫星天线展开机构、卫星天线伺服跟踪系统、扫描及成像系统、卫星作动器及姿态控制系统、航天器交会对接机构、电磁阻尼器、致动器，以及卫星太阳电池阵展开机构、伺服机构等等。

具体应用案例如：

①在卫星和深空探测器上逐渐应用的电磁推进发动机，需要产生和形成磁场，使用了稀土永磁材料；

②风云二号气象卫星的太阳光源测试伺服系统，为了满足超强的控制精度，使用了稀土永磁电机，系统正常运行5年多，而误差仅为1s；

③风云三号气象卫星太阳电池阵展开机构，使用了钐钴稀土永磁有刷直流电动机；

④在北斗导航卫星的天线展开机构上，使用了钕铁硼稀土永磁有刷直流电机作动力；

⑤为了形成均匀磁场，卫星上用于探测宇宙中奇异物质的阿尔法磁谱仪上，其中的魔环结构，使用了钕铁硼稀土永磁材料；

⑥卫星上为了将机械能转换为电信号，用于监测工作状态的很多传感器也使用了稀土永磁材料来；

⑦为实现精密位移、精确定位和降噪减震等功能，某些卫星载荷上高响应速度、高控制精度的致动器或微型马达，使用了稀土超磁致伸缩材料，多数应用在卫星的光学观测设备上。

2.2 卫星通讯与服务领域涉及到的软磁材料器件应用

卫星通讯与服务领域涉只要是有电源，电流电压和电磁波信号转输、变换、吸收、隔离、滤波，抗电磁干扰的大大小小场所，都需要用到软磁材料与器件，以电感和电子变压器为最多。

此外，涉及地面网络信息平台、卫星电话、机顶盒、卫星高清电视、卫星地面网络设备、探测传感仪器、户外盒子、定位器、智能手表手环等相关产品中也用到大量软磁性材料器件。

通讯卫星和地面服务的信息处理单元对卫星通讯与服务有着非常重要的作用，包括信息采集、传递、储存、加工和处理等各个方面，需要各种各样的磁性传感器、具有旋磁特性的微波铁氧体器件、磁性存储器。

而在信息的加工和处理过程中，计算机、扫描仪、复印机等设备都离不开各类永磁马达或其他驱动装置；在信息加工和处理过程中离不开由软磁性材料制作的各种电感器，扼流圈和变压器。

2.3 卫星通讯与服务领域涉及到微波铁氧体材料与器件应用

卫星通讯与服务领域需要使用大量微波铁氧体器件，如中环行器、隔离器、开关、转发器、移相器、双工器、滤波器、藕合器等。

为了确保卫星通信业务范围及通信容量得到更好的扩大，就要在卫星通信系统设计建造过程中，加大与微波磁性器件的有效融合，如：隔离器、环行器、开关等微波铁氧体器件等。在选择时，可以根据卫星通信系统的大中小功率以及低损耗、高隔离、宽频带等要求合理进行选择，并按照波导、同轴、带线、微带和表面安装等形式进行应用。

卫星通讯相控阵技术中有源相控阵即在每个天线单元通道中设置TR组件，其典型的特征就是在每个天线单元发射通道中集成了功率放大器和在每个天线单元接收通道中集成了低噪声放大器，TR组件其一般包含接收和发射2个通道，集成了射频切换开关、功率放大器、低噪声放大器、移相器、衰减器、限幅器等功能部件。

3 结语

现代社会无论科技、军事，工业和消费，人们生活的方方面面都离不开卫星和卫星服务，随着全球卫星发射技术的发展和卫星发射数量的快速增长，与之相应的磁性材料器件应用将会持续增长。国内商业小卫星发射需求在未来5～10年内呈指数级增长，保守估计超过4 000颗，商业卫星制造的需求呈爆炸式增长。总体来看，无论永磁材料还是软磁材料及其他磁性材料与器件，卫星通讯与服务领域对高性能、高稳定、高可靠和高的环境适应性要求越来越高，部分磁性材料器件规格品种多，数量不大，但价格可观，器件小型化、片式化、集成化，产品定制化将是未来发展趋势。

10.19599/j.issn.1008-892x.2021.01.013