從“一網”（OneWeb）衛星探究衛星互聯網面臨的風險與挑戰

崔瀟瀟 王 琦 范青松/文

近幾年，以美國“一網”（OneWeb）為代表的新型企業計劃打造低軌衛星星座，引發衛星互聯網的發展熱潮。本文梳理了“一網”（OneWeb）公司基本情況，研究了“一網”（OneWeb）星座布局、工作方式及其特點和優勢，最后，對以“一網”星座為代表的衛星互聯網面臨的風險和挑戰進行了探究。

“一網”星座計劃概況

“一網”（OneWeb）公司基本情況

2017年，美國聯邦通信委員會（FCC）投票批準“一網”（OneWeb）星座進入美國市場。“一網”公司建立旨在為偏遠地區或互聯網基礎設施建設落后地區提供價格適宜的網絡連接。由于受疫情影響，“一網”公司于2020年3 月提出了破產保護申請。隨后，英國政府和印度巴帝全球公司(Bharti Global)最終與英國“一網”公司達成收購協議。外加其他投資者的注資，“一網”星座得到了強大的資金支持。

“一網”星座系統建設

“一網”星座采用開放式架構，可在原有系統基礎上通過增加新衛星提升星座整體容量。“一網”星座建設分3 個階段實施：

?第一階段發射648 顆Ku/Ka 頻段衛星，分布在高度1200km、傾角87.9°的18 個軌道面，每個軌道面部署約40 顆衛星，相鄰軌道面間隔9°,星座容量達7 Tbit/s,可為用戶提供峰值速率為500 Mbit/s 的寬帶服務，地-星地延遲約為50ms;

?第二階段增加720 顆V 頻段衛星，組成的與初期星座的軌道高度相同的“亞星座”，星座容量達到120 Tbit/s;

?第三階段增加1280 顆V 頻段衛星，運行在更高的中地球軌道，星座容量達到1000 Tbit/s。整個星座可根據覆蓋區域內的服務需求和數據流量情況，在低地軌道和中地球軌道星座之間進行“動態地分配流量”。

“一網”星座未來建設規劃重要節點如下：

?到2022年底前，部署648顆衛星，完成初期星座部署工作；

?2026年8 月之前至少需要部署一半數量的衛星；

?在2029年之前完成整個“一網”星座部署。

工作方式及衛星特點

“一網”衛星星座在全球布設共44 個關口站使衛星聯網，星座采用Ku 波段進行用戶通信，Ka波段進行關口站通信。

“一網”星座建設規劃

“一網”衛星在非赤道上空運行時，單顆衛星可產生16 個Ku頻段波束，實現多重覆蓋，保證每個用戶至少能在一個衛星的視線(Line of Sight)內。每個LEO 衛星覆蓋范圍1080km×1080km，交換帶寬為7.5Gbps，建成后的衛星星座能夠覆蓋全球，甚至包括高緯度的北冰洋地區。

“一網”衛星由空中客車防務及航天公司負責設計，由一網衛星公司負責生產。單個衛星重約147.5kg，星上載荷包括兩個TT&C(遙測)天線、兩個Ku 波段天線和兩個Ka 波段天線，采用“太陽能板+鋰離子電池”供儲能系統，推進系統為氙氣電推進，在軌工作壽命約為5年。

星座優勢及與“星鏈”異同

星座優勢

“一網”衛星星座星座完全部署后，將是覆蓋范圍最廣，衛星覆蓋密度最高的低軌商業通信衛星系統。

為保證經濟性，“一網”衛星公司實現了一體化的設計、生產、總裝與測試流程，生產中大量采用協作機器人、自導引運輸車等自動化措施，實現整星批產。

為有效降低開發成本，提高衛星效能及衛星入軌成功率，“一網”公司還與美國高通公司、美國休斯網絡系統公司、歐洲空中客車防務及航天公司等合作。

與“星鏈”異同

除“一網”星座外，美國“星鏈”星座也提出較早、發展較快，兩者具備以下異同：

?均已經進入星座初步建設階段

截至2022年5 月18 日，“星鏈”發射總數達到了2653 顆，其網絡目前已覆蓋25個國家和地區，為全球14.5 萬用戶提供服務。“一網”星座于2019年2 月發射首批6 顆試驗衛星，目前在軌衛星數量已達428 顆。

?采用不同的系統架構

“星鏈”星座采用“天星天網”架構，將衛星作為網絡傳輸節點，通過星間鏈路建立高速寬帶通信網絡，用戶可直接接入衛星互聯網絡，不需經過地面系統。“一網”星座采用“天星地網”架構，將衛星作為連通用戶終端和網關站的通道，衛星間沒有星間鏈路，從網關站接入地面通信網絡，通過全球分布的地面站實現整個系統的全球服務能力。

?星座建設與運營模式不同

“星鏈”星座的衛星研制與生產、衛星發射、星座運營等均由SpaceX 公司一力承當。由于SpaceX 公司擁有自己的火箭及可重復使用發射技術，因此將降低“星鏈”星座的發射成本。

“一網”星座卻實現了全產業鏈條要素的垂直整合，在衛星制造、發射、運行和營銷等各個環節強力聯合了一網公司、軟銀集團、空客防務與航天公司、休斯網絡系統公司等龍頭企業，形成利益集團。

衛星互聯其面臨的風險和挑戰

“一網”衛星為代表的地軌衛星星座，具有傳輸時延小、鏈路損耗低、發射靈活、應用場景豐富、整體制造成本低等優勢，非常適合衛星互聯網的發展。衛星互聯網至少具有三方面的優勢，即場景應用優勢、經濟性優勢和穩定性優勢。但其未來發展也面臨著一定程度的風險和挑戰：一方面衛星互聯網傳輸速率和時延難以滿足多場景需求；另一方面衛星壽命較短，需要對衛星發射和后續運維工作做好長期規劃和準備。

帶寬較高，實用性有待驗證

地面通信基站可以根據人口密集程度進行有針對性的配置和布局，靈活性較高。而衛星互聯網無法解決在人口稀少地區資源被浪費的問題：主要是因為衛星的飛行軌道基本固定，對人口稠密和稀少地區提供的服務資源和能力相當，如何既能保證人口密集區域的通信覆蓋，又能降低偏遠地區或海洋等區域通信資源可能出現的浪費現象，需要進一步論證分析。同時，衛星互聯網服務難以直接面向終端用戶，需要通過碟形天線進行中轉，用戶體驗仍需提升。

太空碎片與化學物質影響地球生態體系

太空垃圾若與運作中的人造衛星、載人飛船或國際空間站相撞，會危及到設備甚至宇航員的生命。據計算，一塊直徑為10 厘米的太空垃圾就可以將航天器完全摧毀，數毫米大小的太空垃圾就有可能使它們無法繼續工作。目前的衛星互聯網，衛星體積小壽命短且數量龐大，對光學、射電天文臺會造成潛在觀測干擾。同時大量衛星部署在近地軌道會產生太空碎片帶來安全風險。雖然衛星在大氣層中會燒毀絕大部分部件，但所產生的化學物質可能會破壞地球臭氧層。例如衛星的主要成分是鋁，在燃燒后會產生氧化鋁，如果大氣中含有大量氧化鋁將會造成散射，最終改變地球的反照率。

結束語

低軌小衛星技術的不斷成熟，大大降低了利用衛星提供商業服務的門檻，也將有助于商業航天的發展。以“一網”星座為代表的低軌衛星互聯網星座將促使全球衛星通信產業進入一個新的黃金發展時期，為全球用戶提供更廉價、優質的衛星通信服務。“一網”星座將帶來衛星技術、衛星生產、衛星應用和商業模式的全面創新，其運行模式能否最終取得成功，還有待時間的檢驗。