我國低軌衛星互聯網發展的問題與對策建議*

李 鋒 韓燕妮 馬曉玲 王 婷

近兩年，美國太空探索技術公司(SpaceX)的衛星制造技術持續進步，火箭發射成本不斷下降，其低軌衛星互聯網計劃——星鏈(Starlink)系統加速實施，現已在北美地區實現部分商用，計劃發射共4.2萬顆衛星為全球提供互聯網接入服務，(1)余南平、嚴佳杰：《國際和國家安全視角下的美國“星鏈”計劃及其影響》，《國際安全研究》，2021年第5期，第71頁。欲形成“一網通天下”的優勢地位。低軌衛星互聯網盡管短期內無法與第五代移動通信技術(5G)網絡競爭，但能滿足航海、航空、軍事等特殊場景需求，具有重要的戰略價值，還能與地面移動通信網絡形成互補，構建天地一體的新型互聯網。本文在研究低軌衛星互聯網未來發展前景，以及與5G網絡相互演進關系的基礎上，分析制約我國低軌衛星互聯網發展的主要問題，提出我國低軌衛星互聯網發展的對策建議。

一、低軌衛星互聯網的基本內涵、發展前景及態勢

(一)低軌衛星互聯網的基本內涵

低軌衛星一般指高度在500公里至1500公里，重量在100公斤至1000公斤的現代衛星，具備通信、導航、遙感等多種功能，具有造價低、研制周期短、生產可批量化的優勢，通過組網的方式能夠實現甚至超越傳統大衛星的功能。低軌衛星互聯網是指利用低軌衛星實現局部或全球互聯網鏈接服務的無線通信網絡。隨著國際貿易投資的快速發展，網絡接入需求越來越多。現有衛星通信主要通過地球靜止軌道衛星(GEO)進行傳輸，頻率軌道資源非常有限，且衛星造價昂貴。低軌衛星離地表近，信號強度、可使用頻率、數據帶寬、應用領域等都遠勝GEO。采用低軌衛星組成的星座進行通信，可實現真正的全球覆蓋。總之，與中軌和高軌衛星互聯網相比，低軌衛星傳輸時延更短、路徑損耗更小；與地面移動通信網絡相比，低軌衛星互聯網建設成本更低、覆蓋區域更廣。

(二)低軌衛星互聯網具有廣闊發展前景

首先，航天技術的迭代升級使衛星制造和發射成本大幅降低。衛星研制引入工業化技術，可批量制造的標準模塊化接口、3D打印技術、機器人生產線以及飛機批量制造經驗被廣泛應用于衛星制造，推動衛星實現批量化生產和商業化應用。英國一網(OneWeb)公司將衛星制造速度從每顆12～18個月，提升到了每天2顆；SpaceX更是借助成熟的汽車工業體系將衛星制造能力提升到每月產出120顆，平均每天4顆。(2)呂棟：《SpaceX平均日產衛星4顆，中國企業加速追趕》，觀察者網，2022年3月25日， https：//www.guancha.cn/economy/2022_03_25_631826.shtml。商業化的一箭多星發射和可重復利用技術，也大幅降低了低軌衛星的發射成本。這些因素都賦予了低軌衛星大規模部署的可能性，也增強了其商業競爭優勢。其次，互聯網應用的快速發展催生衛星通信服務的新商機。智能手機與移動互聯網的普及，催生了一大批基于移動互聯網的創新應用，當互聯網場景向飛機、游輪、汽車、野外等特殊環境拓展時，亟需提高數據服務的廣度與深度，創造新的商業模式。最后，科技巨頭的跨界加盟推動衛星產業鏈加速成熟。當前，在眾多科技巨頭的推動下，低軌衛星互聯網探索出更多商業模式，直接帶動了衛星互聯網產業的快速發展。互聯網行業跨界到商業航天領域最具有典型性，亞馬遜、臉書、谷歌等互聯網巨頭現都在研究低軌衛星互聯網。

(三)低軌衛星互聯網呈現加速發展態勢

近20年以來，“星鏈”“一網”“鴻雁”“虹云”等為代表的數十個星座計劃掀起了發展低軌衛星互聯網的高潮。SpaceX的Starlink系統不斷拓展近地軌道空間，截至2022年8月，已發射衛星3108顆，并將低軌衛星廣泛應用于北美等全球多個地區的通信網絡接入。(3)佚名：《SpaceX再發射53顆“星鏈”衛星，目前總計3108顆》，新浪財經，2022年8月20日，https：//cj.sina.com.cn/articles/view/1698823241/6541fc49020016jpp?sudaref=www.baidu.com&display=0&retcode=0。2021年4月22日，中國衛星網絡集團正式成立，整合相關資源，大力發展低軌衛星互聯網。

二、低軌衛星互聯網可與5G網絡實現優勢互補

受信號傳輸距離長、鏈路損耗大、信號易被干擾以及軌道和頻率資源有限等因素影響，低軌衛星互聯網目前還無法達到5G網絡的通信質量。同時，地面移動蜂窩網絡技術更迭速度更快、應用范圍更廣，低軌衛星互聯網很難在短時間內替代5G網絡，兩者將形成優勢互補、相互支撐的發展格局。

(一)具有廣覆蓋優勢，但通信質量遠低于5G網絡

低軌衛星互聯網能夠低成本覆蓋沙漠、海洋等地廣人稀地區，但網絡傳輸鏈路損耗較大，頻譜效率較低，容量較小，與5G網絡有較大差距，不能有效滿足人口密集地區用戶的高速率、低時延網絡需求。調查數據顯示，美國SpaceX的Starlink時延最快為20毫秒(ms)，峰值速率最快可達每秒600兆比特(600Mbps)；5G時延最快為1ms，是Starlink的1/20，峰值速率可達每秒10～20千兆比特(10～20Gbps)，是Starlink的15～30倍。Starlink單星容量約為9Gbps，全球總容量預計為每秒370百萬兆字節(370Tbps)；5G每平方公里就能達到10Tbps。(4)ITU.Setting the Scene for 5G：Opportunities & Challenges， 2018， p.5.此外，在每平方公里連接數、頻譜效率等方面，低軌衛星互聯網也明顯落后于5G網絡。

(二)具有特殊場景應用價值，可彌補5G網絡的短板

面向不同應用場景，低軌衛星通信和5G各有優勢。一方面，低軌衛星互聯網以其廣覆蓋和低功耗特性，可以服務未接入寬帶的飛機、郵輪以及野外科考、環境監測等特殊應用場景，還能對遠郊農村、高山峻嶺、沙漠和森林等局部熱點地區提供互聯網服務，擴大地面移動通信服務的地理范圍。另一方面，由于覆蓋能力廣、安全和私密性較強以及不受地面障礙物和災害等影響，低軌衛星互聯網經常用于政府和軍隊的特需服務，在應用場景上能與5G實現互補。低軌衛星互聯網性能雖比中高軌衛星網絡有所提升，但仍無法充分滿足高密度人群、行業和區域的高流量需求。而5G網絡可以實現用戶高速率網絡接入，滿足超高清視頻、車聯網、工業互聯網、智慧物流、智慧城市等復雜場景的需求。

(三)具有低成本優勢，但短期內不可能對5G網絡構成重大挑戰

美國低軌衛星互聯網建設及運維成本較5G網絡低，資費水平與4G持平。如Starlink的衛星制造成本和發射費用約為300億美元，后期衛星置換費用每年約為50億美元。我國5G網絡建設費用約為2000多億美元，雖然明顯高于美國的低軌衛星互聯網，但5G單位流量成本較低，在滿足用戶高流量需求方面，擁有明顯競爭優勢。Starlink目前推出的流量資費為每月99美元，相當于美國主流運營商的4G資費標準，但需額外支付499美元購買地面信號接收設備。Starlink最新推出的高級套餐包括終端機每套售價2500美元，預定押金500美元，每月資費500美元，但其下載網速僅為150～500Mbps，延遲20～40ms，網絡性能和整體費用遠不及我國5G具有競爭優勢。

(四)擁有廣闊發展前景，可與地面移動通信網絡協同發展

國際電信聯盟(ITU)、第三代合作伙伴計劃(3GPP)等機構均提出了多種星地融合的應用場景。我國“十四五”規劃綱要提出，建設高速泛在、天地一體、集成互聯、安全高效的信息基礎設施，打造全球覆蓋、高效運行的通信、導航、遙感空間基礎設施體系。一方面，低軌衛星互聯網與5G移動網絡融合能夠將先進的蜂窩網絡技術引入衛星通信，有效解決衛星通信面臨的容量、工程部署和移動性等問題。另一方面，低軌衛星互聯網能夠利用衛星鏈路，大力拓展5G基站的部署空間范圍，在地面網絡建設成本高的區域快速推進5G基站部署，助力5G基站按需布站，節約建站成本和空間。低軌衛星互聯網還能夠與5G共同承載相關網絡業務，結合網絡切片等技術，提高總體網絡效能和安全性。同時，低軌衛星互聯網與5G網絡的融合，也是發展6G天地一體化信息網絡的必然發展趨勢。低軌衛星互聯網與陸地無線移動通信網絡、中高軌衛星互聯網融合，可以建立空、天、地、海泛在覆蓋的網絡連接，助力6G實現全球無縫覆蓋的空天地一體化網絡。

表1 低軌衛星互聯網與5G網絡性能比較

三、我國發展低軌衛星互聯網面臨的主要問題

我國低軌衛星互聯網存在衛星發射緩慢，商業模式不清晰，以及與地面移動通信網絡優勢互補不夠等問題。

(一)美國加速搶占軌道和頻率資源，我國發展面臨嚴峻挑戰

美國利用ITU頻軌同時申請、先申先得、先發先得的規則，加速搶占總量有限的低軌衛星頻率和軌道資源。據中國信通院2021年6月發布的《6G總體愿景與潛在關鍵技術白皮書》估算，地球近地軌道共可容納約10萬顆衛星。截至2022年4月10日，美國已申請低軌衛星50626顆，是我國申請數量(14220顆)的3.6倍。同時，美國借助SpaceX等民營航天公司決策快、成本低的優勢，加速發射低軌衛星。SpaceX以每天6顆的速度量產Starlink衛星，獵鷹系列運載火箭實現了“一箭60星”并可回收重復利用，單星制造和發射成本僅為153萬美元。SpaceX 2021年上半年已發射14次共840顆低軌衛星，相當于2020年全年的發射量。截至2022年4月10日，SpaceX已經累計發射2335顆，在軌2110顆，發射數量遠超其他國家之和。美國已占用低軌衛星通信的黃金頻段(Ku頻段)，我國申請的頻段分布在Ka和V頻段上，雖頻率更高、可用頻段更大，但雨衰更大，對信號接收器要求更高。總的來看，我國低軌衛星星座申報時間較晚，缺少具有攔截性、高優先級和使用便利的頻軌資源，在國際規則制定和合作上處于不利地位。同時，ITU正在針對衛星互聯網彌補規則和措施的不足。依據ITU“新規則和措施不追及以往”的原則，我國申請網絡資料會更為困難。此外，美國千方百計拉攏盟友使用其低軌衛星互聯網，企圖“一網通全球”。

表2 世界各國低軌衛星星座申請情況

(二)衛星發射緩慢，按時完成申請計劃難度非常大

按照ITU規定的頻譜權利以及部署衛星的時間要求，中國衛星網絡集團有限公司需在2027年11月前發射已申請的12922顆衛星，否則需對申請的衛星數量進行相應調減。截至2022年4月10日，我國航天科技(鴻雁)、航天科工(虹云)、銀河航天、中國電科(天象)合計發射11顆低軌衛星。我國航天工業以保障國防安全為宗旨，不計成本確保衛星發射百分之百成功，而商業應用則需要在高可靠和低成本之間選擇平衡點。SpaceX容忍失敗，降低對成功率的要求，顯著降低了單顆衛星制造和發射成本，大幅提升了衛星發射速度。在發射能力、發射成本和重復使用等方面，我國低軌衛星主力運載火箭與SpaceX公司的“獵鷹9號”還有較大差距。“獵鷹9號”具有超出長征7號級別的運載力，然而其發射周期與成本甚至小于長征3號乙。“獵鷹9號”的商業報價比我國最便宜的“長征3號”運載火箭還要低60%。同時，我國衛星生產能力明顯不足，衛星制造以傳統的單星研制和小批量生產為主，以目前的生產速度完成上萬顆的發射任務幾乎不可能。(5)筆者2021年6月在中國空間技術研究院的調研。

(三)供應鏈配套體系亟待優化，難以形成整體競爭優勢

我國航天產業供應鏈配套體系是圍繞國家重大工程而構建的，成本巨大，不適應低軌衛星互聯網建設的要求，供應效率有待提升，供應成本有待降低。美國SpaceX首席執行官馬斯克在公開采訪中表示，設計火箭并不難，困難在于建立一條生產線，而這種生產線的建設需要上下游數量眾多的配套企業來支撐。(6)Eric Lofgren. Production can be 1，000% harder than design， says Elon Musk， March 16， 2020，https：//acquisitiontalk.com/2020/03/production-can-be-1000-harder-than-design-says-elon-musk/.在阿波羅計劃中，參與“獵戶座”飛船和“航天發射系統”重型火箭項目的主要承包商就超過1400家。這些承包商通過參與政府大型項目，積累了豐富的經驗，為新興航天公司的起步和發展提供了良好配套基礎。我國商業航天產業鏈和產業生態的構建尚在起步階段，整體處于技術積累的初始階段，存在技術創新薄弱、開發應用能力不足等問題。大多數民營企業集中在系統總體集成方面，產業鏈配套企業較少，現代航天產業供應鏈配套體系亟待轉型升級。

(四)商業模式不清晰，難以形成持續發展能力

低軌衛星互聯網的商業化應用能夠增加其“造血”能力，長期依靠國家財政補貼的非市場化運營方式難以為繼。SpaceX Starlink的商業模式較為清晰，初期為美國、加拿大提供低軌衛星互聯網商用服務，中后期逐步實現全球商用，預計年盈利可達30億至500億美元。此外，Starlink的低延遲特性可以為世界金融中心的高頻交易提供網絡服務，預計收益可觀。我國光纖優勢明顯，低軌衛星互聯網很難與地面移動通信網絡競爭，亟需創新商業模式。我國低軌衛星互聯網實現國外運營也面臨較大挑戰，既有國外公司的激烈市場競爭，又有復雜的地緣政治風險。低軌衛星互聯網要實現國外運營，頻率“走出去”是重要環節。目前，各國對頻率落地使用的規則各不相同，我國低軌衛星互聯網“走出去”需尋求東道國的認可和支持。隨著頻軌資源競爭日益白熱化，各國對低軌衛星互聯網的立場不同，也對我國低軌衛星互聯網“走出去”構成挑戰。

表3 全球主要低軌衛星互聯網的商業模式

(五)統籌協調不夠，尚未與地面網絡形成互補發展格局

2016年，我國航天科技和航天科工集團分別提出了“鴻雁”和“虹云”低軌衛星通信星座計劃。由于缺乏長期發展規劃及行業標準，無法為國家相關重大項目實施提供決策依據，無法為行業參與者提供規劃參考。低軌衛星互聯網不僅能與5G網絡互補發展，還將與6G網絡實現融合發展，亟需出臺統籌低軌衛星互聯網與地面移動通信網絡、中高軌衛星網絡協同發展的戰略。此外，基于低軌衛星互聯網的比較優勢，我國偏遠地區地面網絡基礎設施建設計劃，以及我國與東盟之間的跨境海底光纜建設計劃需要重新評估建設方案。

四、加快我國低軌衛星互聯網發展的對策建議

在全球主要國家大規模發展低軌衛星互聯網的背景下，我國應加大投入力度，加快低軌衛星發射進程，盡快搶占近空領域衛星軌道和頻率資源，培育競爭和反制能力，防止形成美國“一家獨大”的壟斷地位。同時，應積極推動低軌衛星互聯網與地面移動通信網絡融合發展，形成空天地一體化網格發展的新優勢。

(一)加強協調，系統構建低軌衛星全國“一張網”

低軌衛星互聯網作為科技創新的前沿領域，與航天、智能制造等技術緊密聯系，直接影響國家安全，經濟高質量發展以及國際競爭力。一要加強多部門協作聯動，做好國家低軌衛星互聯網重大戰略規劃的銜接，形成統一的技術發展長期路線圖。統籌規劃“鴻雁”“虹云”“天象”等在內的低軌衛星星座建設計劃，做好“高低軌”“寬窄帶”“區域與全球”“軍用與民用”等方案的統一論證。二要研究構建低軌衛星互聯網新型舉國體制，匯集科研院所、國內一流宇航公司和信息通信企業等多方力量，攻克一批真正制約我國天地一體化信息網絡建設的關鍵技術，建設國際一流的低軌衛星互聯網，探索出具有國際影響力的中國方案。

(二)加緊布局，盡快搶占低軌衛星頻率和軌道資源

2025年前是空間互聯網部署的關鍵時期，也是各大空間互聯網星座系統搶占頻軌資源的關鍵時期。一是堅持“趕緊建、趕緊搶、趕緊用”原則，盡可能多地完成我國已向ITU申請的衛星發射數量，加速推進低軌衛星互聯網建設。二是積極申報與儲備低軌空間不同軌道高度的星座頻率資源，以滾動申報、擴展申報為主，備份申報為輔，實現對中低軌道和極低軌道的Ka、V、E、W頻段全覆蓋。三是優化空間頻率資源分配與管理機制，對軍用和民用衛星頻率資源分配與管理進行頂層規劃，加強國內國際軌道協調，確保我國衛星互聯網頻率軌道資源可用。四是堅持政府為引導、企業為主體、市場為主導的基本原則，鼓勵和引導民營企業參與國際頻率軌道資源競爭，全面推進我國非靜止軌道寬帶衛星星座系統在不同軌道的布局。隨著中國衛星不斷“走出去”，以及歐美國家衛星運營商向亞太地區擴張，國際頻率協調日益增多，我國要實現低軌星座互聯網建設計劃與國際規則的動態匹配，保障頻率軌道資料有效性，提升國際話語權，保障我國頻率協調利益。

(三)加大投入，努力降低衛星制造成本和發射費用

自動化大批量生產是降低衛星制造成本的關鍵，我國亟待集中力量進行衛星生產線建設，大幅提升衛星航天信息技術研制效率，適應星座大規模組網建設需求。因此，要加強衛星生產技術攻關，支持整星批量生產線建設，大幅提升生產效率和產品質量，填補適合低軌衛星的柔性生產線空白。在降低運載火箭發射費用方面，要加快航天運輸工業體系由研制型轉向批產型，建設基于5G的脈動式總裝測試生產線，盡快實現中型運載火箭產能大幅增長。加強星箭聯合設計，形成更科學的發射布局方案，實現運載能力、整流罩包絡的充分利用，更好發揮新一代助力中型運載火箭的組網優勢。同時，要按照“軍管民建”的思路，在文昌、寧波、海陽等地論證商業發射工位，通過軍民融合手段建設商業發射場，形成對現有發射場能力的有力補充。

(四)放寬準入，大力支持低軌衛星企業創新商業模式

適當放寬對民營企業在頻率分配、衛星軌位、空間分辨率等方面的限制，盡快制定低軌衛星互聯網商業化的實施細則和法規，簡化監管框架、政策和審批流程。推動電信運營資質試點，優先向領先民營企業頒發《基礎電信業務經營許可證》試點資質，支持低軌衛星企業有序開展衛星通信基礎電信業務，探索民營企業準入“負面清單制度”，充分調動和發揮民營企業的力量與優勢。結合下一代互聯網、移動通信網及工業制造、智能交通、智慧城市等領域的發展情況，探索衛星互聯網多元化、智能化應用。鼓勵國有和民營企業共同探索低軌衛星互聯網在航空、航海、環境監測、搶險救災等領域的應用，不斷催生新產業、新業態、新商業模式。

(五)統一標準，加快形成有國際競爭力的標準體系

借鑒我國地面4G、5G的成功經驗，統籌推進我國衛星互聯網標準體系建設，加速推進業務需求、網絡、測試、信息安全、應用等系列標準的制定，提高我國低軌衛星企業自身實力。建議相關部門組織行業內知名國企、民企及高校成立我國空間互聯網標準體系聯盟，下設頻率規范組、平臺及載荷規范組、協議體系規范組。由聯盟單位就關鍵技術提出草案，組織專家組進行研討，最終形成標準方案。成立相關認證和評測機構，負責對衛星平臺及載荷進行標準認證以及發放發射許可。此外，鼓勵和支持相關企業深入參與國際標準制定，加強自主標準體系在國際移動通信、民航、海事等重要領域的應用與推廣，提升我國標準的國際影響力。

(六)強化融合，推動與5G網絡互補發展、與6G網絡融合發展

當前，3GPP在Rel-16標準中已經對5G衛星接入進行了規范，下一步要積極推進以地面移動通信網絡為基礎的全球一體化連接的互聯網建設。構建一體化的架構、功能、接口、流程，全面促進低軌衛星與5G的終端融合、網絡融合、中臺融合、網管融合、業務融合，實現用戶全球無縫通信連接。支持運營商優先在大城市建設5G網絡，在偏遠地區及跨境區域應用低軌衛星互聯網，實現優勢互補、利益共享、風險共擔，達到整體效費比最優。積極探索低軌衛星互聯網與6G融合體系的構建，支持通信業務多樣性接入，滿足不同應用和服務需求，充分考慮低軌衛星互聯網和6G核心網體系架構、通信協議、終端形態和服務方式的融合，探索采用統一的技術架構、技術體制和標準規范綜合組網。

(七)倡導開放，推動低軌衛星互聯網國際協商與合作

一是遵循開放、協作、共享的原則，倡導各國加強低軌衛星互聯網國際合作，推動全球一體化發展，避免形成技術壁壘以及空間網絡資源浪費。二是推動低軌空間環境治理問題的協商與合作，提煉出低軌衛星在軌服務面臨的空間碎片減緩、污染監管、落區控制等關鍵法律問題，盡快將其納入全球治理的法治軌道。三是增強我國低軌衛星互聯網全球服務能力。加強對“一帶一路”沿線國家遙感、導航、通信衛星信息的應用需求和市場分析，優先考慮為“一帶一路”沿線國家間跨境物流、船舶通信、遠程教育、遠程醫療、應急通信等領域提供服務。協助發展中國家提升信息基礎設施水平，助力解決數字鴻溝問題。