衛星互聯網：太空新型基礎設施

文/ 黃志澄

衛星互聯網是繼有線互聯、無線互聯之后的第三代互聯網基礎設施。衛星互聯網包括地球靜止軌道（GEO）高通量衛星、地球中軌道（MEO）互聯網星座和地球低軌道（LEO）互聯網星座。由于前兩者已經應用，當前關注的熱點則是低軌互聯網星座。2020 年04 月20 日國家發改委首次明確，將衛星互聯網列入我國新型基礎設施的范圍，這項重大的戰略決策，大大鼓舞了我國商業航天行業的信心。另一方面，2020 年3 月27 日,在發展低軌互聯網星座方面著名的一網公司申請破產保護，揭示了發展低軌互聯網星座仍然面臨諸多風險。為此，我們必須認真總結國外發展低軌互聯網星座的經驗教訓，制定一項適合國情的發展戰略。

▲ 衛星互聯網的組成

▲ 一網公司提出的低軌互聯網星座

低軌互聯網星座的發展概況

低軌寬帶互聯網星座并不是新生事物。20 世紀 80 年代開始發展的小衛星技術，對星座的發展起了巨大的推動作用。90 年代初期，低軌通信星座開始盛行，伴隨銥星（Iridium）、全球星（Globalstar）等低軌語音通信星座的興起，業界相繼提出了多個中低軌道互聯網星座的概念，其中包括微軟創始人比爾·蓋茨提出的 “泰利迪斯”（Teledesic）星座、法國阿爾卡特公司提出的“天空之橋”（Skybridge）星座。

由于銥星系統早期運營失敗，加之互聯網產業遭遇第一次低谷，這些互聯網星座設想，全都停留在紙面上。實際上，衛星通信從誕生的第一天起，就與地面通信在相互競爭、相互補充與合作中發展。衛星互聯網星座的發展可以分為3 個歷史階段：

第一階段（20 世紀80 年代末至2000 年）以銥星系統為代表，力圖重建一個天基網絡，銷售獨立的衛星電話與地面電信運營商競爭用戶。第二階段（2000—2014 年）以新銥星系統為代表，主要是作為地面通信手段的“填隙”，規模有限。第三階段（2014 年至今）以格里格·維勒創立的“另外30 億人”（O3b）MEO 星座，為全球用戶提供干線傳輸和蜂窩回程業務，將地面電信運營商作為其客戶和合作伙伴，衛星網絡成為地面網絡的補充。O3b 和已經成熟的GEO 高通量衛星，其數據傳輸速率大大超過了銥星和全球星系統，雖然其系統容量無法與地面通信手段相比，但對于地面設施無法覆蓋的地區，已經能夠滿足基本的寬帶需求。

此外，國內外多家企業提出低軌互聯網星座計劃，部分企業已進入密集部署狀態。格里格·維勒早在2012 年就創立了一網公司。一網致力于構建一個能夠覆蓋全球的高速寬帶網絡，為世界各地提供高速寬帶服務，以此消彌不同地區間的數字鴻溝，成為衛星互聯網的引領者。此后，多個低軌互聯網星座計劃相繼提出，準備在潛在的巨大市場中分一杯羹。其中包括太空探索技術公司公司提出的星鏈、LeoSat 公司提出的LeoSat、加拿大 TeleSat 公司的TeleSat LEO、亞馬遜的 Kuiper、中國航天科工集團的虹云工程、中國航天科技集團的鴻雁星座、中國電子科技集團的天地一體化信息網絡、銀河航天的銀河Galaxy 等。

一網的初始星座包括648 顆衛星和234 顆備份星，總數量達到882 顆，后來再追加2000 顆，衛星總數將達到約2882 顆。每顆衛星重150 千克，采用Ku 和Ka 波段。2017 年6 月22 日，美國聯邦通訊委員會宣布正式批準一網進入美國寬帶服務市場。一網星座的特點是其基本上實現了全球覆蓋，與地面移動互聯網相融合和大規模制造衛星等。不過一網有點低估了制造和發射衛星的難度，成本的大幅度上升為今天的破產埋下了伏筆。

星鏈計劃建設一個由近1.2 萬顆衛星組成的衛星群。星座選擇了Ku/V 頻段，由分布在1150 公里高度(最近已調低到550 公里高度)的4425 顆衛星的低軌星座，和分布在340 公里左右的7518 顆衛星的甚低軌星座構成，有利于更好地實現全球覆蓋。太空探索技術公司在華盛頓州雷德蒙市開設了一個新的工廠來研制這些衛星。目前已經利用自己的火箭發射了422 顆衛星，在2020 年計劃要發射上千顆衛星，正在成為世界上最大的衛星運營商。

▲ 低軌互聯網星座的手持終端

發展衛星互聯網的戰略意義

發展衛星互聯網是一項重要的國家戰略。建立衛星互聯網是適應未來萬物互聯的需求，是維護國家安全的需要，將形成萬億級規模的新產業。

首先，發展衛星互聯網將為太空經濟的發展提供新動力。發展低軌衛星星座將實現全球互聯網無縫鏈接服務。它相對于地球同步軌道衛星，傳輸延時更短，路徑損耗更?。幌鄬τ诠饫w，在低業務密度地區的部署便捷、成本低。目前全球還有30 億人口沒有接入互聯網，低軌衛星互聯網成為經濟、高效的解決方案，有著廣闊的市場前景，可促進商業航天的產業化。

其次，衛星互聯網將成為大國戰略博弈的焦點之一。目前世界大國正在爭奪未來地面網絡技術的優勢，其核心技術是5G。由于我國目前在5G 處于領先地位，美國除了抓緊發展5G 和6G 技術外，正在鼓勵企業積極發展低軌互聯網星座。由此，衛星互聯網將成為中美爭奪未來技術優勢的一項前沿技術。另一方面，在衛星互聯網發展前景廣闊的背景下，軌道和頻率將成為稀缺資源，搶占資源也成為衛星互聯網發展的重要推動力。

▲ 民航飛機接入互聯網

再次，衛星互聯網具有巨大的軍用潛力。在現代戰爭中，安全高效的網絡，能夠為獲取戰爭主動權提供重要的保障，而衛星互聯網將是最重要的軍事指揮、控制和通信手段。近年來，低軌寬帶通信衛星技術逐漸發展成熟，從而促使美軍日益重視低軌星座的建設和運用，以替代和備份以往使用的單顆昂貴GEO 衛星。美國國防部高級研究計劃局（DARPA）在“太空增強作戰效能（SeeMe）”項目的基礎上，在2019財年重點發展“黑杰克（Blackjack）”項目，該項目旨在充分利用商業公司研發的小體積、小重量、低功率、低成本的低軌衛星星座。最終目標是實現軍方衛星有效載荷的高度網絡化，并兼具彈性和持久性，能夠持續在全球范圍內為軍方提供最大的超視距遙感、信號和通信功能。2019 年7 月1 日，美國航天發展局（SDA）發布了下一代太空架構信息征詢書。根據該文件，它將由幾層基于小型通信衛星網絡的結構組成。計劃在2022 年前設計、建造和試驗一個由最多20 顆低軌衛星組成的網絡。

▲ DARPA 的黑杰克項目

最后，發展衛星互聯網將推動航天技術的變革與創新。低軌互聯網星座是近年來航天領域最具創新性的系統。在這過程中涌現出來的新的小型通信衛星技術和地面終端技術，將對未來衛星技術和衛星應用的發展，產生深刻的影響。衛星制造增加了商用工業級器件比例，通過標準化、模塊化實現小衛星的批量生產，以降低衛星研制成本。大量衛星的發射需求，又促進了低成本重復使用火箭技術的發展。這些技術創新將向傳統航天領域流動，成為推動航天產業發展變革的引擎。

太空經濟的新動力

無疑，由于衛星互聯網存在多方面的市場需求，從而它將成為太空經濟的新動力。這些需求主要有：

1.地面網絡未通地區的需求。這不僅是這些地區居民的需求，更是因工作和旅游而流動進入這些地區，已經習慣使用互聯網的人員，包括油氣管道、交通建設、森林作業、采礦作業、鉆井平臺等野外作業人員的迫切要求。據國際電信聯盟（ITU）估計，全球仍然有近一半的人未聯網，特別是大部分非洲人口依然沒有接入互聯網。國內互聯網普及率為59.6%，仍有2%的行政村未通光纖和4G。

▲ 太空探索技術公司提出的星鏈星座

▲ 一網一次發射34 顆衛星

2.航空與航海的需求。全球每年有超過50 億人次的飛機乘客，其聯網需求強，消費水平高；輪船乘客離岸時間長，而且消費水平也比較高，聯網幾乎是剛需。因此，他們有望成為低軌互聯網星座最早的一批用戶。航空WiFi 系統經過這幾年的發展，其安裝和運營成本已降至世界上幾乎任何航空公司都可以提供的水平，但當前許多飛機的WiFi 存在速度慢和流量限制等問題。2019 年年初全球總共有95400 多條航運船,航運船上的海員上網主要通過海事衛星，費用很貴而普及率較低。2019 年全球272 艘郵輪乘客人數達到3000 萬，郵輪乘客對網絡需求十分旺盛。世界海洋捕撈船總數大約為460 萬艘，是航海領域低軌互聯網星座最大的潛在客戶群體。

3.要求低延時和無間斷的高端用戶需求。低軌互聯網星座可提供長距離的較短的延時。在部分遠距離傳輸的場合，通過低軌衛星通信可能比地面網絡的延時還要短。因為光在光纖中的傳播速度是真空中的2/3，在遠距離傳輸應用上，雖然信號通過衛星多走了數百公里，但其延時依然比通過地面光纖要短。因此，對于要求低延時和無間斷的國際金融和車聯網等業務，低軌互聯網星座會更加適用。

4.政府與國防的需求。低軌互聯網星座可提供全球性不間斷連續通信服務，可作為政府應急、外交和國防的重要通信手段。政府和國防訂單將是星座運營的重要基石。

發展低軌衛星互聯網星座的風險

任何創業都有風險?！安虏掠卸嗌俚蛙壭l星星座沒有破產？”今年3月，馬斯克曾在美國華盛頓舉行的2020 年衛星會議上如此發問。他的答案是“零”，還開玩笑說太空探索技術公司正致力于“不破產”。

2020 年3 月27 日, 一網公司向美國破產法院申請破產保護。一網表示，因受COVID-19 疫情蔓延及市場動蕩的影響，公司未能與大股東軟銀達成一致，以至于公司失去了爭取新投資者的窗口期，被迫進入破產程序。一網也和其前輩銥星等一樣，沒能避免中途折戟的命運。這則一網申請破產保護的消息，讓人有些出乎意料，因為僅僅6 天前，一網的34 顆衛星還搭載聯盟號火箭升空，使其衛星總數達到74 顆。一網方面表示，在紐約申請破產保護后，公司將尋求出售。提出破產申請，可讓公司有機會在不必身背債務的條件下，走出破產并繼續經營。

無論如何，一網的破產申請，已經為低軌互聯網星座的風險，吹響了哨子。主要的風險是：

1.高投入的風險。一網目前通過成批生產雖然可以降低衛星的成本，但其使用的火箭的發射成本仍然很高，而且進度的拖延又大大增加成本。相比之下，太空探索技術公司采用本公司的獵鷹9 號火箭一次發射60 顆衛星，進度快、成本低，則有明顯的優勢。美國航天咨詢公司北方天空研究所（NSR）通過負債比這一經濟指標，對互聯網衛星企業的未來收入做了大致估算。若按照每戶每月費用為50 美元計算，未來打造衛星互聯網星座的企業，至少需要獲得1000 萬的用戶量級才能獲得盈利，而實現這樣的目標難度很高。

2.頻率協調與落地權難度很大。衛星頻率軌道資源是國家發展的戰略性稀缺資源，是太空基礎設施建設的基礎。除頻率協調外，落地權問題或更難協調。

3.面臨地面通信系統的競爭。地面通信正在大力推動5G 的發展，目前很難預測到低軌互聯網星座系統全部建成之后，是否會再次落后于地面通信。對于4G 已經覆蓋98%人口的我國來說，這種風險更大。一旦國外衛星互聯網星座成功完成部署，中國市場無疑將會是競爭的熱點，這種跨國界的全球互聯網接入業務，勢必會帶來激烈競爭和信息安全問題。

4.低軌惡劣空間環境的考驗。低軌互聯網星座的衛星在變軌的過程中，需要頻繁穿越高能質子輻射帶，它會對衛星的電子系統的正常工作造成很大影響，因此對衛星抗輻射能力提出了很高的要求。此外，衛星還存在與微流星和軌道碎片碰撞的風險。此外，衛星數量眾多，退役后一旦成為新的太空垃圾，將會對后續部署衛星產生很大影響。

▲ 太空探索技術公司一次發射60 顆衛星

我國發展太空經濟的新機遇

衛星通信是太空經濟的主力和核心。中國幅員遼闊，海洋領土超過300萬平方公里，一個全球性的衛星互聯網系統是填補邊遠地區的數字鴻溝和解決境內外應急救援問題的重要方案，并保障我國的遠洋經濟利益和軍事存在。因此，盡快建設一個具有中國特色的，由國家財政保障、政府組織協調、企業分工合作的大型衛星互聯網系統，具有重要的戰略價值。

2020 年04 月20 日國家發改委首次明確將衛星互聯網列入新型基礎設施的范圍，大大鼓舞了商業航天行業的信心。在工程的實施上，可以采用我國發展“大飛機”的模式或采用“北斗”模式，但還要充分發揮民營企業的作用。我們相信，在新型舉國體制的引領下，匯聚各方面的資金和人才，做好工程的頂層設計和方案優化，大力創新，盡快建成天地一體化的衛星互聯網，必將促進我國的航天技術和太空經濟，邁上一個新的臺階。