國外低軌衛星互聯網發展最新態勢研判

王韻涵 李博 劉詠

（1北京空間科技信息研究所 2航天東方紅衛星有限公司）

近年來，全球衛星領域正在經歷一場軌道革命，以低軌衛星互聯網為代表的低軌空間活動，正在成為全球航天領域以及非航天領域的關注焦點。

1 國外低軌衛星總體態勢

衛星軌道革命加速演進，低軌空間成為全球航天發展焦點

在商業資本、國家戰略和技術演進的共同推動下，低軌星座領域取得了跨越式發展。近20年來，低地球軌道（LEO）衛星在年度發射航天器數量占比從57%迅速攀升至97%，年均部署數量提升了2個數量級，地球靜止軌道（GEO）衛星占比則從30.5%下跌至1.7%。截至2021年12月，全球在軌衛星已突破5000顆，其中，LEO軌道衛星占比超過83%。LEO在軌衛星中，通信衛星、遙感衛星合計占比超過83%，且這兩個比例仍在持續快速增長。

低軌通信衛星數量爆發式增長，高低軌通信衛星質量分布差異化

巨型星座刺激下，相比2001-2005年、2016-2020年，LEO軌道通信衛星數量激增了近40倍。與此同時，GEO軌道通信衛星則陷入低迷，近年來，實際部署與新簽訂單均不理想，傳統運營商收入增長乏力，行業整體處于格局與模式重塑階段。通信衛星總體入軌質量穩步增長，但GEO軌道通信衛星質量下滑嚴重，LEO軌道通信衛星制造商多為新進入者，傳統制造商市場承壓增大；單星質量差異化分布凸顯，相比21世紀初期5年，近5年，高軌單星質量增長27.5%，低軌單星質量則下滑59.12%。

全球通信衛星發射統計（2001——2020年）

全球LEO在軌衛星用途分類（截至2021年12月）

全球在軌衛星軌道分布（截至2021年12月）

行業競爭激烈、格局復雜，“星鏈”不斷刷新業界紀錄

2019年以來，低軌商業通信星座邁入高峰期，在外部融資、工程建設、頻率申請、應用布局等多個維度工作不斷加快，以“星鏈”（Starlink）、一網（OneWeb）兩大星座為引領、“群雄逐鹿”搶占市場先發位置的態勢凸顯，行業已經邁入競爭淘汰的實質性階段。“星鏈”星座建設步伐領先全球，截至2021年12月，太空探索技術公司（SpaceX）已通過37次發射部署了1944顆衛星（含兩顆試驗衛星），發射頻次從2019年的1年2發，快速增長至2020年的1年14發，2021年上半年實現峰值20天4發，2021年全年19發。按此推算，衛星工廠交付速度已突破每月150顆。

主流低軌通信衛星星座第一期規劃建設情況（截至2021年12月）

資本市場助推初創探索，重大節點與融資步伐同頻共振

低軌商業遙感與通信星座發展的主力是初創企業，對從資本市場獲取經營前期資金支持模式具有極大依賴性，過去10年，衛星制造、數據分銷、衛星應用方向融資額度不斷增長。SpaceX公司自2015年正式提出“星鏈”計劃后，在資本市場的融資力度實現空前增長。“星鏈”計劃提出之時即獲得10億美元投資，而此前融資總額不足2億美元。SpaceX公司發展模式與業務前景得到投資界充分認可，“星鏈”星座每個重大建設應用節點均獲融資支持，至2021年融資已突破60億美元。2020年，摩根斯坦利公司的一份估值報告顯示，在SpaceX公司目前各業務版塊中的價值結構中，“星鏈”星座業務高達808.58億美元，占比80%，已成為SpaceX公司的核心業務。

2 低軌衛星互聯網發展的特征和趨勢

低軌衛星互聯網建設呈現“兩極化”特征

當前，低軌衛星寬帶網絡建設“兩極化”特征明顯，行業發展格局逐步向“衛星”與“互聯網”兩個方向分化。一方面，SpaceX和亞馬遜（Amazon）等衛星網絡建設者聚焦個人消費者，以“極致體驗”、“流量為王”為核心策略，采取“商家對顧客”（B2C）為主的發展模式，旨在奪取以“億”為預期規模的消費者市場，采取數千甚至數萬顆超大規模設計，前期放開試錯空間，以部分質量損失換效率，“多、快、夠”地建設星座，第一時間搶市場。摩根斯坦利分析，預計2040年，“星鏈”星座全球注冊用戶有望達到2.92億人，市場占有率將達80%，單用戶月均收入21美元，年度營收將超700億美元。

另一方面，一網公司（ONEWEB）和加拿大電信衛星公司（Telesat）等衛星網絡建設者由傳統運營商參與或主導，核心定位均以移動載體網絡為主，面對政府與企業用戶，采取“企業對企業”（B2B）為主的發展模式，星座規模相對較小（數百顆），網絡服務質量高且穩定。建設策略上，選擇與傳統研制商合作，強調在軌高可靠性。以Telesat公司的“光速”（Lightspeed）星座為例，“光速”衛星設計壽命10年，單星造價1600萬美元，星座現階段預計總建設成本50億美元。由于無需像“星鏈”星座一樣嚴重依賴小型化相控終端，企業用戶具有更好承受能力，可配置大口徑機械可動點波束天線，且絕大部分終端成本可由企業承擔。

低軌衛星互聯網關鍵技術快速發展

衛星通信系統容量性能快速攀升，高軌高通量衛星容量在2000年左右普遍小于5Gbit/s，2011年首次達100Gbit/s，2017年首次達300Gbit/s，2022年即將發射的衛訊-3（Viasat-3）衛星容量有望突破1Tbit/s。另一方面，從一顆衛星所代表的單位性能質量密度（即容量/質量）角度來看，2010年以前的早期寬帶衛星，如衛星寬帶系統（IPSTAR）普遍低于15（Mbit/s）/kg，第二代高吞吐量衛星（HTS）系統，如衛訊-2（Viasat-2）等可以實現20～50（Mbit/s）/kg，以“星鏈”為代表的低軌星座階段，已經突破80（Mbit/s）/kg，而且隨著后續衛星能力升級，有望進一步升高，甚至衍生出航天版“摩爾定律”，推動技術、應用全面進入“新時代”。

當前，低軌衛星互聯網關鍵技術聚焦在超大容量、組網優化、多網融合、高效運控方面，總結特點如下：

當前，多個主流低軌星座系統均提出發展星間鏈路能力。激光星間鏈路技術不斷成熟，促進傳輸延遲降低，傳輸效率和數據安全性提升，10Gbit/s星間傳輸能力成為標配，遠景目標將達到100Gbit/s。“星鏈”“一網”二代星座確定配置激光星間鏈路，“光速”星座提出通過激光實現空間組網，美軍力推星間激光鏈路（OISL）標準統一化、通用化，為未來多系統星間互聯奠定技術基礎。

隨著低軌星座快速發展和普及應用，高中低軌競爭、聯合并存的新業態正在逐步形成。隨著用戶市場需求不斷擴大，無縫覆蓋要求越來越高，高中低軌異構星座趨向融合，低軌星座面向更高頻段發展。一方面，部分公司選擇高低軌星座融合方案。Telesat公司未來將基于已有的高軌HTS寬帶系統和“光速”低軌寬帶星座，打造分布式、靈活、低延遲、高吞吐量、可負擔的全球寬帶架構，推動實現地面回程通信、航空、海事寬帶通信兼容和互操作。國際移動衛星公司（INMARSAT）提出“交響樂團”（Orchestra）通信網絡建設計劃，整合其高軌衛星、未來低軌衛星和地面5G設施，打造全球性、多維、動態的綜合網狀網絡，面向全球移動用戶提供超高容量窄帶通信服務。另一方面，部分公司選擇發展更高頻段星座實現系統容量擴充。“星鏈”“一網”等系統均有Q、V頻段星座規劃。波音公司（Boeing）147顆V頻段非地球同步軌道（NGSO）衛星取得美國聯邦通信委員會（FCC）許可，將面向個人、商業、事業機構、政府和企業客戶提供寬帶通信服務。

低軌衛星通信與地面5G的一體化融合成為業界討論的熱點話題。國際電信聯盟（ITU）、第三代合作伙伴計劃（3GPP）、歐盟5G系統中衛星與地面網絡融合聯盟（SaT5G）等標準化組織組建了專業團隊對衛星通信與5G融合組網相關問題進行深入研究，推動衛星互聯網在5G融合中的角色定義。ITU提出衛星與5G融合的4類應用場景，包括小區回傳、中繼到站、動中通和混合多播場景。6G研究熱潮興起，2020年2月，ITU正式啟動面向2030及6G的研究工作，2030網絡技術焦點組提出6G網絡三大目標，明確6G將包含衛星網絡。

衛星虛擬化地面站體系框架

面對大規模星座監控與網絡運行管理帶來的技術復雜度與成本難題。云網管控技術熱點聚焦在基于云計算的虛擬化地面站技術以及基于星間組網、人工智能的自主控制管理等方面。美國北方天空研究所（NSR）發布《衛星地面網絡虛擬化》白皮書指出，地面段的虛擬化是衛星通信行業面臨的最重要的變革之一。隨著超高通量衛星、軟件定義衛星和低軌大規模星座的快速發展與創新，為了更好地適應多屬性、多軌道、多頻段復雜網絡架構，地面段的創新將成為關鍵要素。虛擬化地面系統采用云計算技術，支持運營商通過軟件手段從傳統的基礎設施升級到虛擬系統，可降低運營成本，節省資源并縮短部署時間，具有可靠、可擴展和統一管理的優點。

低軌衛星互聯網具有支持軍事應用的重要效能

商業衛星通信服務與國家戰略需求更加深度捆綁，沖擊軍民航天系統理念、形態與途徑。目前，國外政府和軍方機構利用商業衛星服務的模式主要有三種：一是直接采購服務，成為國家綜合設施的重要組成；二是提供搭載服務，推動快速構建多功能的衛星系統；三是共享研制資源與技術接口，實現體系深層次融合。

低軌衛星互聯網成為國家信息網絡基礎設施的重要組成部分，美國、加拿大等國家正在推動鄉村寬帶建設，消除數字鴻溝。美國政府推出鄉村數字寬帶基金計劃（RDOF），旨在為美國寬帶接入欠發達地區提供千兆網速寬帶接入服務，其中授予SpaceX公司8.86億美元補貼，以期通過“星鏈”星座為偏遠地區提供互聯網服務。加拿大國家與地方政府已向“光速”星座投資約12億美元，旨在利用其提供價格低廉的高速互聯網服務。

商業衛星通信服務采購也是外國軍方衛星通信能力建設的重要補充性方式。以美軍為代表，其近20年來耗資超過百億美元，持續利用短期合同、長期租約等渠道，采購多種形式的商業衛星通信服務（包括容量租用、網絡托管、一站式方案等），為其全球作戰部署提供了有力支持。2020年2月發布的《美國天軍衛星通信發展愿景》中，提出構建軍、商統一的天基通信網絡“資源池”、實現“終端和網絡的敏捷性”。地面段通過打造“資源池”、支持終端在不同網絡之間“無縫漫游”“靈活切換”，從而大幅改進其作戰通信保障效率。

通過低軌衛星搭載成熟軍民載荷的方式，軍方可充分利用未來5～10年低軌衛星的高頻部署期，革新能力生成方式與部署效率。以“銥星”（Iridium）為代表的先進商業星座已實現對低軌導航、導彈攔截效果評估等多類功能的承載，增強美地基中段防御系統殺傷評估能力。“下一代銥星”（Iridium NEXT）系統有22顆衛星搭載了美國導彈防御局（MDA）發展的“天基殺傷評估”（SKA）載荷，單個載荷質量約10kg，由高速光譜傳感器、高速偏振成像傳感器和高速偏振非成像傳感器組成，主要用于確定導彈攔截系統在執行任務過程中是否攔截目標、攔截目標的類型、是否正面撞擊、目標是否被摧毀等關鍵問題，對美軍現有地基中段防御系統的殺傷評估能力將形成良好的改進和補強。

美國軍方加速推進利用商業衛星支持國防應用，空間段通過標準的星間通信接口，實現不同商業通信衛星系統與軍事系統之間的“入網離網”“即插即用”，增加網絡體系的彈性、改善網絡服務的可用性、提升鏈路可靠性。美國國防高級研究計劃局（DARPA）發展“黑杰克”（BlackJack）項目，以通信衛星網狀網絡為基底層，將通信、導航、遙感等多類應用有機綜合，發揮網絡數據共享與在軌實時處理的協同效應。美國航天發展局（SDA）擬建設下一代國防太空體系，包含約658顆小衛星的傳輸層星座，將極大程度上利用“黑杰克”項目，以及商業低軌寬帶互聯網星座現有的載荷技術方案、先進商用現貨產品等成果，每顆衛星將配備星間鏈路功能和備份的星地鏈路，提供基礎的數據傳輸服務。

3 結束語

總體來看，全球衛星互聯網發展競爭態勢激烈，主要航天國家正在加速介入。美國軍方多項目并行推進低軌星座開發應用，加拿大政府斥巨資扶持本國低軌系統，俄羅斯利用航天國家集團統籌加快“球體”星座建設，歐盟啟動天基全球安全通信系統和空間交通管理項目，英國政府收購一網公司扶持星座建設。衛星互聯網巨大的潛在應用效能已經引發政府、軍方、商業等多方力量的強烈關注和重視。