美國(guó)OneWeb空間互聯(lián)網(wǎng)星座的發(fā)展分析

● 文 |.中國(guó)空間技術(shù)研究院 .北京空間科技信息研究所 李倬 周一鳴

一網(wǎng)公司（OneWeb）是一家創(chuàng)辦于2012年的美國(guó)初創(chuàng)公司，創(chuàng)始人格雷格·維勒（Greg Wyler）提出了OneWeb計(jì)劃構(gòu)想，致力于打造由數(shù)百顆至數(shù)千顆衛(wèi)星組成的星座，提供高速網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)。短短數(shù)年間，OneWeb計(jì)劃受到了產(chǎn)業(yè)內(nèi)外大型企業(yè)與資本的關(guān)注與追捧，系統(tǒng)建設(shè)穩(wěn)步推進(jìn)，目前已成為全球融資額度最高（已超過(guò)17億美元）、工程進(jìn)度最快、也是最早獲得美國(guó)頻率管理機(jī)構(gòu)——聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）市場(chǎng)準(zhǔn)入許可的星座項(xiàng)目，計(jì)劃于2018年下半年發(fā)射星座的首批10顆衛(wèi)星。一網(wǎng)公司在系統(tǒng)發(fā)展、研制生產(chǎn)模式、發(fā)射方式等方面都具有特色，值得我們關(guān)注研究。

一、系統(tǒng)發(fā)展情況

系統(tǒng)空間段方面，一網(wǎng)公司致力于將單星研制成本壓至60萬(wàn)美元，盡可能采用成熟技術(shù)和簡(jiǎn)單的通信體制，以推動(dòng)批量化生產(chǎn)。一方面，整個(gè)系統(tǒng)將采用透明轉(zhuǎn)發(fā)工作方式，星上無(wú)需實(shí)現(xiàn)路由、交換等復(fù)雜處理功能，同時(shí)不設(shè)星間鏈路，減少載荷設(shè)備的質(zhì)量、空間與功率等資源消耗，降低技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度。在這種理念影響下，衛(wèi)星設(shè)計(jì)質(zhì)量150kg，僅為“下一代銥星”（Iridium NEXT）的1/6。另一方面，星座旨在面向終端用戶(hù)提供高速寬帶通信服務(wù)，單星需具備多波束覆蓋能力，以支持頻率復(fù)用，使單星容量達(dá)到10Gbit/s的目標(biāo)，其性能要求又遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出傳統(tǒng)百公斤量級(jí)小衛(wèi)星的能力水平。按此規(guī)劃研制的“一網(wǎng)”衛(wèi)星將成為性?xún)r(jià)比最高的低軌通信衛(wèi)星[1]。“一網(wǎng)”衛(wèi)星設(shè)想圖如圖1所示。

圖1 “一網(wǎng)”衛(wèi)星設(shè)想圖

系統(tǒng)地面段方面，由于“一網(wǎng)”衛(wèi)星不配備星間鏈路，所以根據(jù)業(yè)務(wù)需求合理部署全球關(guān)口站是系統(tǒng)提供連續(xù)服務(wù)的關(guān)鍵。根據(jù)目前公布的計(jì)劃，“一網(wǎng)”第一代星座將在全球配建部署55～75個(gè)衛(wèi)星關(guān)口站，每個(gè)關(guān)口站配置10副以上的天線，每副天線的口徑超過(guò)3.4m。關(guān)口站將由美國(guó)休斯網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)公司研制，借助其在地面段的成熟經(jīng)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星與地面網(wǎng)絡(luò)的高效互聯(lián)。但值得一提的是，由于大洋區(qū)域的關(guān)口站部署困難，即使從目前“一網(wǎng)”系統(tǒng)的規(guī)劃布局來(lái)看，其在該區(qū)域分布也極為稀疏，如何實(shí)現(xiàn)連續(xù)覆蓋、避免過(guò)頂衛(wèi)星閑置，是其必須考慮和解決的技術(shù)問(wèn)題。“一網(wǎng)”系統(tǒng)地面站全球部署規(guī)劃情況如圖2所示。

圖2 “一網(wǎng)”系統(tǒng)地面站全球部署規(guī)劃情況

終端方面，一網(wǎng)公司將用戶(hù)終端芯片視為整個(gè)系統(tǒng)中最難實(shí)現(xiàn)的部分，目前的主要策略是與芯片巨頭高通無(wú)線技術(shù)公司（Qualcomm）一起開(kāi)發(fā)專(zhuān)用的14nm低成本芯片，降低功耗的同時(shí)，保持高速數(shù)據(jù)傳輸和波束快速準(zhǔn)確切換的能力，實(shí)現(xiàn)用戶(hù)終端性能、功耗、體積、質(zhì)量及可靠性的優(yōu)化和提升。其用戶(hù)段根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域和場(chǎng)景的不同，提供固定、艦載、車(chē)載和機(jī)載等多種類(lèi)型終端，終端天線尺寸為45cm～1m，既有機(jī)械式雙拋物面天線，也有相控陣天線。用戶(hù)通過(guò)“一網(wǎng)”系統(tǒng)終端連接的熱點(diǎn)接入互聯(lián)網(wǎng)。

二、研制生產(chǎn)模式

在衛(wèi)星生產(chǎn)制造方面，由于一網(wǎng)星座規(guī)模達(dá)到千顆量級(jí)，交付周期也比普通地球同步軌道衛(wèi)星（GEO）更嚴(yán)苛，以傳統(tǒng)制造商的現(xiàn)有AIT設(shè)施、延續(xù)現(xiàn)有的研制模式，根本無(wú)法滿(mǎn)足這種需求。在此之前，泰雷茲-阿萊尼亞航天公司保持著每周生產(chǎn)1顆“下一代銥星”衛(wèi)星的記錄，而一網(wǎng)公司則提出1天至少3顆衛(wèi)星的出廠速度，將達(dá)到衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)界前所未有的交付水平。為了應(yīng)對(duì)大規(guī)模星座交付和部署的壓力，一網(wǎng)公司開(kāi)辟了極具創(chuàng)新特點(diǎn)的自動(dòng)化生產(chǎn)線模式，其與空客防務(wù)與航天公司合作，積極利用后者在飛機(jī)制造領(lǐng)域“未來(lái)工廠”理念，推進(jìn)衛(wèi)星研制流程創(chuàng)新。

根據(jù)官方最新披露的信息，該生產(chǎn)線將包括載荷、星載電子設(shè)備、推進(jìn)系統(tǒng)以及太陽(yáng)能電池板等四條獨(dú)立裝配、獨(dú)立測(cè)試的并行模塊組裝線，部件完成組裝測(cè)試之后，進(jìn)入整星總裝生產(chǎn)線（FAL），按序進(jìn)行集成，再對(duì)整星測(cè)試后出廠。1條生產(chǎn)線共包括30個(gè)組裝或測(cè)試工位，每個(gè)工位分配2名工人，可實(shí)現(xiàn)最快1天1星的出廠能力[2]。

整個(gè)生產(chǎn)線將分利用智能裝配工具、大數(shù)據(jù)控制、機(jī)器人、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)工具以及自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)等數(shù)字化手段，加速AIT流程。此外，該生產(chǎn)線具備的自動(dòng)化技術(shù)、測(cè)試設(shè)備和數(shù)據(jù)采集能力，能夠?yàn)楣S性能和程序改進(jìn)提供分析方法，同時(shí)還能夠?qū)ιa(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)的異常情況進(jìn)行接近實(shí)時(shí)的檢測(cè)并進(jìn)行修正，確保可靠性。

在OneWeb星座建設(shè)的需求牽引下，其供應(yīng)商也紛紛投資建立全新的生產(chǎn)線，或?qū)ΜF(xiàn)有設(shè)施進(jìn)行改造，以滿(mǎn)足緊湊的進(jìn)度和龐大的生產(chǎn)量。其星敏感器供應(yīng)商法國(guó)Sodern公司主要負(fù)責(zé)為900顆衛(wèi)星提供1800副星敏感器，該公司正在開(kāi)發(fā)一條新的生產(chǎn)線，未來(lái)用于OneWeb星座上的星敏感器，將是傳統(tǒng)設(shè)備質(zhì)量和體積的1/10，而價(jià)格則只有1/100到1/50的水平。其太陽(yáng)能電池板供應(yīng)商美國(guó)SolAero公司為了保證滿(mǎn)足衛(wèi)星生產(chǎn)要求，也正在實(shí)施一個(gè)1000萬(wàn)美元的項(xiàng)目，擴(kuò)展其新墨西哥洲的工廠，投資標(biāo)準(zhǔn)化、自動(dòng)化設(shè)備，以提升產(chǎn)量、降低成本并提高質(zhì)量。在某種意義上，新興星座的發(fā)展與行業(yè)的新變革之間存在著相互促進(jìn)、相互影響的密切關(guān)系。

三、發(fā)射方式

2017年3月8日，一網(wǎng)公司與藍(lán)色起源公司共同宣布，雙方簽署新格倫（New Glenn）可重復(fù)使用火箭發(fā)射合同，一網(wǎng)公司也成為藍(lán)色起源公司New Glenn可重復(fù)使用火箭的第二家客戶(hù)。New Glenn可重復(fù)使用火箭概念圖如圖3所示。

圖3 New Glenn可重復(fù)使用火箭概念圖

藍(lán)色起源公司創(chuàng)始人杰夫·貝佐斯（Jeff Bezos）表示，一網(wǎng)公司預(yù)定了5次火箭發(fā)射。可重復(fù)式兩級(jí)火箭能夠載有13t有效載荷發(fā)射至轉(zhuǎn)移軌道，或45t有效載荷至低地球軌道。預(yù)計(jì)首次發(fā)射時(shí)間在2020年左右。一網(wǎng)公司表示，目前尚未確定一枚New Glenn火箭要發(fā)多少顆衛(wèi)星，取決于該火箭是用于發(fā)射一代星座還是二代星座。按照之前信息，一網(wǎng)星座一代衛(wèi)星的質(zhì)量約為150kg，但二代星座的質(zhì)量尚未確定。按照目前的計(jì)劃，一網(wǎng)公司已經(jīng)與阿里安公司簽署了21發(fā)聯(lián)盟號(hào)火箭發(fā)射，以及5次聯(lián)盟號(hào)火箭和3枚阿里安－6火箭的補(bǔ)充發(fā)射訂單。一網(wǎng)公司還與維珍銀河公司的發(fā)射者一號(hào)火箭（LauncherOne）簽署了39發(fā)火箭訂單。一網(wǎng)公司與空客防務(wù)與航天公司成立的合資公司預(yù)計(jì)將研制900顆衛(wèi)星[3]。

四、未來(lái)發(fā)展分析

當(dāng)前，一網(wǎng)公司采取“率先突破B2B衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)，然后開(kāi)拓發(fā)展中國(guó)家市場(chǎng)”的發(fā)展策略。盡管一網(wǎng)公司的最終目標(biāo)是建成全球無(wú)縫覆蓋的寬帶衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)接入系統(tǒng)，但在星座建設(shè)初期將率先對(duì)發(fā)達(dá)國(guó)家的地面網(wǎng)絡(luò)尚未覆蓋地區(qū)的中小型企業(yè)開(kāi)展B2B衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)，待地面用戶(hù)終端設(shè)備的生產(chǎn)規(guī)模、營(yíng)業(yè)額、現(xiàn)金流、成本控制等各方面達(dá)到一定程度后，再全面開(kāi)拓發(fā)展中國(guó)家和邊遠(yuǎn)地區(qū)的衛(wèi)星寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)[4]。

在搶占發(fā)達(dá)國(guó)家B2B 業(yè)務(wù)的同時(shí)，一網(wǎng)公司還將積極開(kāi)拓航空和其他衛(wèi)星寬帶市場(chǎng)，并借助其合作伙伴獲得重點(diǎn)國(guó)家（如印度、中國(guó)）的運(yùn)營(yíng)執(zhí)照或落地許可，為將來(lái)開(kāi)展更大規(guī)模、更深度的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)寬帶接入業(yè)務(wù)打好基礎(chǔ)[5]。

根據(jù)以往低軌衛(wèi)星星座的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，用戶(hù)終端設(shè)計(jì)和成本問(wèn)題是星座成敗的關(guān)鍵。OneWeb 星座的遠(yuǎn)期目標(biāo)市場(chǎng)是中國(guó)和印度等發(fā)展中國(guó)家，因此用戶(hù)終端價(jià)格低廉、使用方便、容易維護(hù)是進(jìn)入這一市場(chǎng)的關(guān)鍵因素。