“柯伊柏”星座介紹及與其他星座對比分析

紀凡策（北京空間科技信息研究所）

“柯伊柏”（Kuiper）星座是美國互聯網巨頭亞馬遜公司（Amazon）提出的低軌寬帶星座計劃，旨在為全球范圍內無服務或欠服務的地區提供低時延高速衛星寬帶連接。2020 年7 月，美國聯邦通信委員會（FCC）同意Kuiper 星座的美國市場準入許可，引發業內外廣泛關注。

1 引言

近年來，衛星小型化、低成本化成為重要趨勢，同時“一箭多星”運載技術日趨成熟，航天領域準入門檻不斷降低，吸引大量資本投入，大批新興創企抓住機遇，搶占藍海。其中，以一網公司（ONEWEB）為代表的衛星互聯網創企旨在建設低軌通信星座，為全球用戶提供寬帶服務，掀起繼“銥星”（Iridium）、“全球星”（Globalstar）之后的又一次低軌星座建設浪潮。相比“銥星”等上一代低軌星座與地面通信運營商競爭的定位，新一代低軌星座從提出伊始就聚焦于“填補數字鴻溝”，將自身定位為地面通信的補充，再加上當前互聯網服務的日漸常態化，網絡連接需求不斷增加，衛星制造的低成本、小型化趨勢不斷深化等原因，衛星互聯網這一概念又有了新的語境與內涵。在此背景下，旨在為偏遠地區提供寬帶接入服務的衛星互聯網運營商均提出數千甚至數萬顆衛星組成的低軌寬帶星座計劃。其中，“星鏈”（Starlink）、“一網”（OneWeb）、“電信星”（Telesat）、Kuiper等星座計劃數量均超過1000 顆，成為該領域最受關注的四大星座。

相 比 于Starlink、OneWeb、Telesat 星 座，Kuiper 星座提出時間最晚，建設進度最慢，但由于其背后的亞馬遜公司而受到業內外廣泛關注。事實上，亞馬遜公司在2018 年就已經啟動與低軌道衛星連接的地面站業務—亞馬遜網絡服務地面站（AWS Earth Station），并在2019 年6 月創建了專門的航空航天及衛星解決方案部門，憑借衛星云服務業務全面進軍航天產業市場。2019 年7 月，亞馬遜公司下屬Kuiper 公司向FCC 提交Kuiper 星座美國市場準入申請，公布其星座設計方案，2020 年8 月，FCC批準其準入申請。

2 系統技術狀態

Kuiper 星座設計方案的大部分相關情況出自其向FCC 提交的市場準入文件，該申請于2020 年7 月被FCC 批準。2020 年5 月，包括太空探索技術公司（SpaceX）等多家公司再次向FCC 提出申請或修改星座計劃，涉及衛星總數超過8 萬顆，Kuiper 計劃面臨的外部環境實際上已經發生較大變化，其星座方案也有可能在項目推進過程中發生變化，本文僅就目前掌握的情況予以梳理分析。

空間段

1）星座構成。Kuiper 星座空間段由3236 顆衛星組成，衛星計劃運行在590 ～630km 不等的3 個軌道高度，不同軌道高度對應33°～51.9°等3 個傾角，共分布于98 個軌道面上。

2）部署進度。根據國際電信聯盟（ITU）2019年出臺的星座監控方案，Kuiper 星座須在2026 年7 月30 日前發射至少半數（1618 顆）的衛星，并在2029 年7 月30 日前全面完成組網發射。按照亞馬遜公司設置的部署里程碑，衛星計劃分為5 個批次部署，首批578 顆衛星發射后將啟動服務。

3）有效載荷。Kuiper 衛星用戶波束將使用星載多波束相控陣天線，該天線通過對相位和幅度的調整來實現對波束形狀的改變、波束掃描及波束功率分配，配合星上軟件定義功能，可基于既定區域的業務需求，按需靈活分配頻率和容量，實現上下行所有業務的全星上再生、星上交換、星上重封裝等功能。具體來看，通過可調向、高增益的相控陣天線，Kuiper 系統可實現單個點波束覆蓋300 ～500km2，點波束覆蓋范圍可根據不同區域容量需求進行調整。另外，Kuiper衛星還配備高增益拋物面天線，用于與地面站連接。根據亞馬遜公司2019 年發布的“光學測試工程師”職位描述來看，該公司計劃開發衛星間激光通信技術，因此Kuiper 星座可能會采用激光星間鏈路組網，星間鏈路傳輸速率可達10Gbit/s。

Kuiper 星座構型配置

Kuiper 星座部署計劃

4）頻率。Kuiper 星座的用戶和饋電鏈路均工作在Ka 頻段。

地面段

根據Kuiper 衛星的頻率計劃，其關口站將配有4 副主動天線，每副天線都可以充分利用關口站所有的頻率和右旋圓極化/左旋圓極化（RHCP/LHCP）兩種極化方式。

Kuiper 星座頻率計劃

在衛星地面站領域，亞馬遜公司利用AWS 地面站已廣泛開展“地面站即服務”業務，該業務主要針對遙感衛星產生的數據，并與黑色天空公司（BlackSky）等多個遙感衛星創企展開合作。而微軟公司2020 年10 月正式推出其面向航天產業的云計算服務—Azure Space，并宣布與SpaceX 和歐洲衛星公司（SES）開展相關業務合作，與亞馬遜公司的AWS 地面站業務形成直接競爭。因此，Kuiper星座地面站一方面用于連接Kuiper 衛星提供寬帶接入服務，另一方面未來可與AWS 地面站聯合組成亞馬遜公司的全球云服務網絡，進一步提升亞馬遜公司在該領域的領先地位。

用戶段方案

Kuiper 用戶終端將允許住宅、企業和移動（交通）等用戶通過電調相控陣天線，或機械轉向拋物面天線，實現與Kuiper 衛星的接入。用戶終端調制解調器具備點波束內高數據速率、鏈路優化、用戶終端波束指向，以及確保用戶通信安全等特點。

3 Kuiper 與其他星座對比分析

總體來看，Kuiper 星座啟動較晚，在部署進度上全面落后于另外3 個星座，但由于ONEWEB剛剛經歷破產重組，Telesat 尚未選擇衛星制造商，Kuiper 的主要對手仍然是Starlink。相比而言，Kuiper 星座的建設思路與Starlink 較為相似，且背靠亞馬遜公司，在資金和后期應用落地方面具備獨特優勢，但Starlink目前在部署進度和系統應用方面均已與其他星座拉開差距，并已率先打開軍方市場，Kuiper 星座想要逆流而上仍有很大難度。

Kuiper 星座優勢

（1）采取縱向一體化發展模式，資金來源充足，系統建設自主化程度高

低軌寬帶星座的建設方式大致可分為以下幾類：一是縱向一體化發展模式，即自主掌握衛星研制、火箭搭載發射、衛星運營等全鏈條的核心要素，典型如Starlink。該模式的優勢在于自主性強，項目彈性大。二是“互聯網”式發展模式，即衛星制造、發射、運營等要素均由外部合作完成，典型如OneWeb。該模式的優勢在于研發成本低，項目進度快。三是政府站臺式發展模式，即政府大力支持本國星座建設，從資金和資源調配上予以傾斜，典型如Telesat（加拿大政府投資4.62 億美元）和俄羅斯“球體”（Sfera）項目（俄羅斯聯邦擬投資1.5 萬億盧布，約合198 億美元）。該模式的優勢在于資金壓力小，政策傾斜利于后期系統應用。

上述發展模式各有優勢，目前來看，Kuiper 星座具備縱向一體化發展模式所需的基本要素。首先，亞馬遜公司2019 年在華盛頓雷德蒙德建立Kuiper 研發總部，并配備實驗室、樣機制造設施、辦公及設計廠所，具備衛星制造的條件。其次，亞馬遜公司下屬藍色起源公司（Blue Origin）發展勢頭良好，可以成為Kuiper 星座的發射服務提供商。再次，亞馬遜公司成立了航空航天及衛星解決方案部門，從2020 年招聘崗位來看，Kuiper 星座可能由亞馬遜公司運營。最后，亞馬遜公司在申請文件中稱將投資100 億美元建設Kuiper 星座，這一數額與SpaceX 公司透露的Starlink 前期投入接近，依照Starlink 目前的部署狀態來看，Kuiper 星座前期建設過程基本不會有資金壓力。

（2）可形成捆綁式服務的商業模式，為系統業務推廣提供極大便利

亞馬遜公司以“AWS 全球地面網絡和計算基礎設施，包括洲際光纖鏈路、數據中心、計算/邊緣計算功能” 推動系統研發、部署以及與地面網絡的互聯，有望將Kuiper 星座服務與亞馬遜公司其他業務線，如在線銷售服務、云計算服務和視頻服務等形成捆綁，相互聯合打造新型的綜合信息服務云平臺，為用戶提供更加智能、高效的網絡連接服務。

Kuiper 星座與其他星座基本情況

根據Kuiper 星座申請資料，Kuiper 除地面站服務外，還將在美國5G 業務部署中提供回程傳輸服務。在“衛星+5G”的背景下，憑借亞馬遜公司在全球范圍內的業務布局，Kuiper 將進一步拓展其全球業務市場，并持續深化其捆綁式服務商業模式。

（3）以AWS 地面站進軍航天服務市場，為后期頻率落地提供極大便利

與SpaceX 公司、ONEWEB 公司的“頻率先行”、“邊建邊用”的策略相比，亞馬遜公司憑借其在云計算領域的天然優勢，著眼于地面通信市場，通過發展“地面站即服務”業務，已在遙感衛星數據處理方面開展業務布局。2018 年，亞馬遜公司發布基于云計算的AWS 地面站業務，擬在全球范圍內開發地面站，旨在為公司、政府、航天部門提供衛星數據收發服務，憑借其云計算技術，大幅提升數據處理效率。目前，亞馬遜公司已有多個AWS 地面站投入運營，并已和BlackSky 公司等衛星運營商開展對地觀測衛星數據處理方面的合作。從長遠來看，亞馬遜公司AWS 地面站業務一方面可以成為該公司航天領域的長期盈利來源，分擔后期Kuiper 星座大規模部署的資金壓力，另一方面亞馬遜公司通過AWS 地面站業務建立的合作伙伴關系，將為Kuiper 星座的頻率落地、容量分銷等環節提前打通渠道。

Kuiper 星座劣勢

（1）啟動太慢，部署進度遠落后于Starlink 和OneWeb

Kuiper 星座的部署進度已遠遠落后于Starlink，破產重組后的ONEWEB 公司也迅速繼續其星座部署，新一批衛星發射基礎設施也已抵達俄羅斯。鑒于低軌寬帶星座業務類型的高度重合，星座系統應用突出“先到先得”的排他性特點，衛星部署速度將直接影響搶占市場的時機。Kuiper 此時入局已非最佳時點，要想“彎道超車”，核心在于其衛星部署速度，以及能否在美國大規模鋪設5G 基礎設施過程中搶得先機。

（2）衛星功能強大但設計復雜，前期迭代優化過程預期較長

目前來看，Starlink 和OneWeb 衛星均采取相對簡單的系統設計，盡可能采用成熟技術，縮短研制周期，實行“優先解決低層次需求”的建設策略。Kuiper 衛星計劃采用軟件定義無線電技術，衛星具備全星上再生、星上交換、星上重封裝等能力，是已知低軌寬帶星座計劃中功能最為強大的。但由此也提升了Kuiper 衛星的系統復雜度和技術難度，因此其前期研發壓力巨大，并會面臨較長的迭代優化期，進一步拖后其部署進度。

（3）Starlink、Telesat 已先一步打開軍方市場，Kuiper 后期介入難度較大

近年來，美國軍方高度重視低軌寬帶星座潛在的軍事應用效能，積極利用Starlink 和Telesat 的在軌衛星開展性能測試。事實上，無論是上一輪低軌星座建設熱潮中“銥星”的起死回生，還是當前軍方機構主動開展研究所帶來的牽引性作用，都可看出，政府和軍事應用已成為未來低軌星座發展中不可忽視的細分市場。目前，美國空軍已利用Starlink 衛星成功開展機載寬帶傳輸試驗；美國陸軍與SpaceX 公司簽署協議，計劃未來3 年利用Starlink 星座進行寬帶數據傳輸測試；Starlink衛星還可搭載光學載荷、具備高重訪率，實現對高超聲速武器探測預警，彌補美防御能力空白。而美軍當前正在建設的下一代“國防空間架構”（NDSA）和“黑杰克”星座（BlackJack），Telesat 均以重要角色參與其中。Kuiper 雖在民商用市場推廣方面有較大的優勢，但想要后期介入政府和軍事應用市場難度較大。