低軌衛(wèi)星互聯(lián)網發(fā)展趨勢及市場展望

章羅娜 馬忠成 饒建兵 李心蕊 高利春 高銘陽

（1 中國航天科工集團有限公司空間工程總體部 2 北京電子工程總體研究所）

衛(wèi)星互聯(lián)網是一種以天基手段提供互聯(lián)網接入服務的新型網絡，通過衛(wèi)星組網實現(xiàn)互聯(lián)網內容的全球廣泛傳播。衛(wèi)星互聯(lián)網能夠為飛機、船舶、島礁、海上浮臺等地面網絡難以覆蓋的區(qū)域提供連接手段。與地球靜止軌道（GEO）衛(wèi)星相比，采用低軌衛(wèi)星星座進行通信的方式延時較小、速率更高、可實現(xiàn)真正的全球覆蓋。

2013 年，“另外十三億人”（O3b）星座部署實施，正式拉開了全球衛(wèi)星互聯(lián)網的發(fā)展序幕。幾年間，全球范圍內提出了以“一網”（OneWeb）、“星鏈”（Starlink）、“鴻雁”、“虹云工程”為代表的數十個星座計劃，進一步掀起了衛(wèi)星互聯(lián)網的建設高潮，引發(fā)全世界廣泛關注。Starlink 的“萬星計劃”，創(chuàng)新的“平板式衛(wèi)星”設計理念，“一箭60 星”組批發(fā)射方式，成為近10 年航天產業(yè)科技進步的縮影。

1 低軌衛(wèi)星星座發(fā)展趨勢

隨著國際化、全球化商業(yè)貿易的快速發(fā)展，無處不在的網絡接入需求越來越迫切。現(xiàn)有衛(wèi)星通信主要通過GEO 軌道衛(wèi)星進行傳輸，頻率軌道資源非常有限，衛(wèi)星造價昂貴。采用低軌星座，相同容量的衛(wèi)星造價更低，且整體頻率利用率極大提高，每比特價格將遠低于地球同步軌道（GSO）衛(wèi)星系統(tǒng)，每赫茲頻率創(chuàng)造的價值遠高于GSO 軌道衛(wèi)星系統(tǒng)。未來星座系統(tǒng)將在以下5 個方面進一步發(fā)展。

衛(wèi)星數量繼續(xù)增長，擴充服務能力

低軌衛(wèi)星星座規(guī)模不斷擴大，在滿足系統(tǒng)內兼容的情況下進一步提升頻率利用率和系統(tǒng)容量，同時可增強星座系統(tǒng)健壯性。單顆衛(wèi)星能力相同的前提下，衛(wèi)星數量的增加進一步擴充系統(tǒng)容量，用戶可使用的通信資源總量增加，進一步提升同時服務的用戶數量。地面用戶可以同時與更多顆衛(wèi)星連接，不同軌道衛(wèi)星的協(xié)同工作，有利于用戶在復雜地理環(huán)境下更可靠的通信。

發(fā)展星間鏈路技術，強化服務靈活性

無論是國內還是國外企業(yè)，面臨高昂的地面站建設和維護成本，全球布站難度都很大。星間鏈路可以靈活規(guī)避雨衰大、偏遠地區(qū)建站難等缺點，通過星間鏈路助力星座構建獨立運行的“天網”，將成為發(fā)展的重點方向。

采用激光或微波星間鏈路技術，可有效減少星座中某一顆衛(wèi)星饋電鏈路失效或受到大氣、降雨帶來的負面影響，保證用戶通信不中斷，形成相對獨立、穩(wěn)定的通信星座系統(tǒng)，從而更好地滿足各類用戶需求。

提高工作頻段，增強抗干擾能力及系統(tǒng)容量

目前所提出的寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)，主要采用包括Ku、Ka 及V 的3 個頻段，低頻段很難滿足寬帶衛(wèi)星需要的高速寬帶通信需求。隨著星座衛(wèi)星數量增多，多顆衛(wèi)星之間、星地之間相互干擾風險增加，更高頻率的通信載荷一方面可使衛(wèi)星波束更窄，進而提高衛(wèi)星與衛(wèi)星之間、衛(wèi)星與地面之間的抗干擾能力；另一方面，隨著頻率升高，絕對帶寬提高，在保證波束輻射能力和信號信噪比的前提下，可以進一步增加系統(tǒng)的容量。未來，高頻段資源將成為各國搶奪的熱點。

加強巨型星座管理，降低空間安全風險

眾多衛(wèi)星互聯(lián)網星座部署，大量的小衛(wèi)星進入近地軌道，可能會帶來一系列嚴重的空間安全問題，包括空間碎片問題、小衛(wèi)星星座監(jiān)管問題等。為降低各星座衛(wèi)星之間的在軌碰撞機率及空間安全隱患，衛(wèi)星操作者需向監(jiān)管部門提交衛(wèi)星離軌策略相關內容，包括軌道高度、傾角設計、離軌等方案與措施。監(jiān)管部門以增加衛(wèi)星在軌安全性、減少衛(wèi)星對空間環(huán)境影響為目標，進一步增強對各巨型星座衛(wèi)星的監(jiān)管，為空間環(huán)境良性發(fā)展提供保障。

規(guī)范頻率申請內容，確保高低軌衛(wèi)星兼容

低軌衛(wèi)星進一步推動了國際規(guī)則的修訂。為規(guī)范衛(wèi)星系統(tǒng)頻率使用，監(jiān)管部門對高低軌衛(wèi)星操作者提出了新的要求，以確保星座系統(tǒng)間及星座與其他無線電業(yè)務的兼容。衛(wèi)星操作者向監(jiān)管部門提交的寬帶通信星座用頻申請中，高低軌衛(wèi)星兼容性分析是獲得批準的關鍵評判標準之一。規(guī)范頻率申請內容將幫助監(jiān)管部門更好地監(jiān)管頻率使用，確保GSO 軌道、非地球同步軌道（NGSO）和地面各系統(tǒng)協(xié)調運轉。

2 低軌衛(wèi)星星座商業(yè)模式設想

服務應用方向

（1）全球泛在接入市場

受地區(qū)經濟、技術水平的限制，全球49%的人口未實現(xiàn)互聯(lián)網覆蓋[1]，特別是大部分非洲人口依然沒有接入互聯(lián)網。我國國內互聯(lián)網普及率為59.6%，有2%的行政村未通光纖和4G。低軌衛(wèi)星距離地球300 ～1200km，信號強度大、延遲低、靈活性強，作為地面移動通信的補充，可以解決海洋、森林、沙漠等偏遠地區(qū)，以及船舶、飛機的寬帶通信問題，具有極強的優(yōu)勢。據統(tǒng)計[2]，全球每年有超過50 億人次的飛機和輪船乘客對互聯(lián)網有強烈的需求。對于地面網絡覆蓋不到的區(qū)域，衛(wèi)星互聯(lián)網潛在應用場景多，商用價值大，存在巨大的市場機遇。衛(wèi)星互聯(lián)網可有效彌補地面網絡“數字鴻溝”，為全球眾多場景、領域提供互聯(lián)網接入服務，進一步牽引民生領域，實現(xiàn)萬億產業(yè)發(fā)展。

（2）全球骨干流量市場

低軌衛(wèi)星星座采用星間鏈路體制進一步縮小通信時延，通信時延相對地面骨干光纖網絡優(yōu)勢明顯。受地緣政治限制以及地形地貌影響，光纖無法采用直線距離鋪設。再者，光在玻璃中傳播速度相比真空降低47%，據統(tǒng)計[3]，相比海底光纜，通過衛(wèi)星連接地面兩點平均速度可以提高40%左右，如“倫敦-紐約”線路快了33ms（43ms VS 76ms），“倫敦-約翰斯堡”線路快了100ms（90ms VS 190ms）。0.1s對于用戶上網體驗稍有優(yōu)化，在大部分場景中不會非常明顯，但對于金融服務、網絡游戲、遠程遙控等對時間極其敏感的應用來說，意義較大。例如，紐約證券交易所、香港交易所及倫敦證券交易所物理距離較遠，對于1s 內成交上百筆的高頻交易，在各交易所打時間差，獲利極大。

（3）空間網絡基礎設施市場

在近地軌道對通信實時性要求較高的航天器，主要依靠中繼衛(wèi)星系統(tǒng)保證其與地面的實時聯(lián)系，如，美國“跟蹤與數據中繼衛(wèi)星”（TDRS），中國“天鏈”等。利用這些系統(tǒng)，地面可以隨時與近地空間站取得聯(lián)系。低軌衛(wèi)星網絡具備服務能力后，可以逐步接替中繼衛(wèi)星系統(tǒng)，作為信息中轉通道，滿足近地軌道準實時通信需求。同時，低軌衛(wèi)星星座可以有效減少地面網絡建設。據統(tǒng)計[4]，美國為完成5G 網絡建設需要新增1500 億美元投資用于基站建設，通過低軌衛(wèi)星星座可以減少政府在該方面的投入，借助星座能力直接邁向6G 網絡建設。

（4）星座功能延伸市場

低軌衛(wèi)星星座部署在500 ～1200km 高的軌道上，該軌道是遙感衛(wèi)星、導航增強衛(wèi)星的主要任務軌道。單顆衛(wèi)星由于其時間分辨率、空間分辨率不足，在使用過程中無法切實、及時滿足用戶需求。低軌衛(wèi)星星座在完成通信業(yè)務的同時，可以在上萬顆衛(wèi)星上搭載遙感、導航增強等載荷，利用衛(wèi)星數量多、時空分辨率高的優(yōu)勢，實時、多渠道獲取地面信息。對于軍方用戶，星座可以滿足其通信、遙感、偵察、導航增強等一系列需求，戰(zhàn)略意義巨大；對于商業(yè)用戶，星座可以提供更為豐富的信息，用戶通話的同時，可以及時獲知身邊的遙感資源等信息。手機軟件開發(fā)商，可以在星座提供的信息基礎上，二次開發(fā)衍生業(yè)務，與網絡提供商共分收益。

TDRS 在軌飛行示意圖

客戶群體設想

衛(wèi)星互聯(lián)網可以為普通大眾、行業(yè)用戶、政府用戶、軍方用戶等提供差異化服務。

普通大眾用戶。衛(wèi)星互聯(lián)網要想推廣普及到普通消費者，低廉的地面終端、便利的使用體驗成為關注的焦點。據報道，Starlink 星座面向普通消費者的終端價格為200 美元[5]，易于安裝，約需100 ～300美元安裝費用，門檻較低。

行業(yè)用戶。隨著物聯(lián)網、車聯(lián)網概念興起，特斯拉汽車在現(xiàn)有設計過程中，已經安裝了藍牙無線功能模塊，未來可加裝對衛(wèi)星信號具有接收和轉發(fā)能力的軟件。衛(wèi)星互聯(lián)網也將逐步與物聯(lián)網、車聯(lián)網深度融合，形成新的增長點。

政府、軍隊用戶。低軌衛(wèi)星星座可以為軍隊、政府提供較好服務。如，美國軍機已經完成Starlink 網絡試用測試[6]。近期，美國太空探索技術公司（SpaceX）與美國陸軍簽署一份3 年期的“合作研發(fā)協(xié)議”，主要用于評估Starlink 星座為軍用系統(tǒng)提供連接時的性能，進而深入了解低軌星座的潛在應用、衛(wèi)星通信終端發(fā)展趨勢等商業(yè)衛(wèi)星通信領域的最新進展。

預期，隨著低軌衛(wèi)星星座服務能力的不斷增強，各大國軍方將進一步支持低軌衛(wèi)星星座的發(fā)展，以滿足海外利益擴張、區(qū)域軍事斗爭的需求。

推廣策略設想

從全球衛(wèi)星通信服務內容來看，主要包括衛(wèi)星電視、衛(wèi)星廣播、衛(wèi)星電話，以及衛(wèi)星寬帶、軍隊通信服務、行業(yè)通信服務等板塊。低軌衛(wèi)星星座主要涉及衛(wèi)星寬帶、軍隊通信、行業(yè)通信等領域，地區(qū)市場份額排序可以概括為北美（約32%）、亞太（約27%）、歐洲（約26%）、中東和非洲（約7%）、拉丁美洲（約6%）、俄羅斯和中亞（約2%）[7]。其中，北美、亞太、歐洲占據絕大部分份額。預計未來國外低軌衛(wèi)星星座的主要推廣路線之一為：由開發(fā)北美洲市場為起點，逐步延伸至歐洲、亞洲等盟國。