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(wèi)星有限公司）

近年來，全球衛(wèi)星領(lǐng)域正在經(jīng)歷一場軌道革命，以低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)為代表的低軌空間活動，正在成為全球航天領(lǐng)域以及非航天領(lǐng)域的關(guān)注焦點(diǎn)。

1 國外低軌衛(wèi)星總體態(tài)勢

衛(wèi)星軌道革命加速演進(jìn)，低軌空間成為全球航天發(fā)展焦點(diǎn)

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

低軌通信衛(wèi)星數(shù)量爆發(fā)式增長，高低軌通信衛(wèi)星質(zhì)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(wèi)星數(shù)量激增了近40倍。與此同時，GEO軌道通信衛(wèi)星則陷入低迷，近年來，實(shí)際部署與新簽訂單均不理想，傳統(tǒng)運(yùn)營商收入增長乏力，行業(yè)整體處于格局與模式重塑階段。通信衛(wèi)星總體入軌質(zhì)量穩(wěn)步增長，但GEO軌道通信衛(wèi)星質(zhì)量下滑嚴(yán)重，LEO軌道通信衛(wèi)星制造商多為新進(jìn)入者，傳統(tǒng)制造商市場承壓增大；單星質(zhì)量差異化分布凸顯，相比21世紀(jì)初期5年，近5年，高軌單星質(zhì)量增長27.5%，低軌單星質(zhì)量則下滑59.12%。

全球通信衛(wèi)星發(fā)射統(tǒng)計（2001——2020年）

全球LEO在軌衛(wèi)星用途分類（截至2021年12月）

全球在軌衛(wèi)星軌道分布（截至2021年12月）

行業(yè)競爭激烈、格局復(fù)雜，“星鏈”不斷刷新業(yè)界紀(jì)錄

2019年以來，低軌商業(yè)通信星座邁入高峰期，在外部融資、工程建設(shè)、頻率申請、應(yīng)用布局等多個維度工作不斷加快，以“星鏈”（Starlink）、一網(wǎng)（OneWeb）兩大星座為引領(lǐng)、“群雄逐鹿”搶占市場先發(fā)位置的態(tài)勢凸顯，行業(yè)已經(jīng)邁入競爭淘汰的實(shí)質(zhì)性階段?！靶擎湣毙亲ㄔO(shè)步伐領(lǐng)先全球，截至2021年12月，太空探索技術(shù)公司（SpaceX）已通過37次發(fā)射部署了1944顆衛(wèi)星（含兩顆試驗(yàn)衛(wèi)星），發(fā)射頻次從2019年的1年2發(fā)，快速增長至2020年的1年14發(fā)，2021年上半年實(shí)現(xiàn)峰值20天4發(fā)，2021年全年19發(fā)。按此推算，衛(wèi)星工廠交付速度已突破每月150顆。

主流低軌通信衛(wèi)星星座第一期規(guī)劃建設(shè)情況（截至2021年12月）

資本市場助推初創(chuàng)探索，重大節(jié)點(diǎn)與融資步伐同頻共振

低軌商業(yè)遙感與通信星座發(fā)展的主力是初創(chuàng)企業(yè)，對從資本市場獲取經(jīng)營前期資金支持模式具有極大依賴性，過去10年，衛(wèi)星制造、數(shù)據(jù)分銷、衛(wèi)星應(yīng)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(shí)現(xiàn)空前增長?！靶擎湣庇媱澨岢鲋畷r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(fā)展模式與業(yè)務(wù)前景得到投資界充分認(rèn)可，“星鏈”星座每個重大建設(shè)應(yīng)用節(jié)點(diǎn)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(yè)務(wù)版塊中的價值結(jié)構(gòu)中，“星鏈”星座業(yè)務(wù)高達(dá)808.58億美元，占比80%，已成為SpaceX公司的核心業(yè)務(wù)。

2 低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的特征和趨勢

低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)呈現(xiàn)“兩極化”特征

當(dāng)前，低軌衛(wèi)星寬帶網(wǎng)絡(luò)建設(shè)“兩極化”特征明顯，行業(yè)發(fā)展格局逐步向“衛(wèi)星”與“互聯(lián)網(wǎng)”兩個方向分化。一方面，SpaceX和亞馬遜（Amazon）等衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)建設(shè)者聚焦個人消費(fèi)者，以“極致體驗(yàn)”、“流量為王”為核心策略，采取“商家對顧客”（B2C）為主的發(fā)展模式，旨在奪取以“億”為預(yù)期規(guī)模的消費(fèi)者市場，采取數(shù)千甚至數(shù)萬顆超大規(guī)模設(shè)計，前期放開試錯空間，以部分質(zhì)量損失換效率，“多、快、夠”地建設(shè)星座，第一時間搶市場。摩根斯坦利分析，預(yù)計2040年，“星鏈”星座全球注冊用戶有望達(dá)到2.92億人，市場占有率將達(dá)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(wǎng)公司（ONEWEB）和加拿大電信衛(wèi)星公司（Telesat）等衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)建設(shè)者由傳統(tǒng)運(yùn)營商參與或主導(dǎo)，核心定位均以移動載體網(wǎng)絡(luò)為主，面對政府與企業(yè)用戶，采取“企業(yè)對企業(yè)”（B2B）為主的發(fā)展模式，星座規(guī)模相對較?。〝?shù)百顆），網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量高且穩(wěn)定。建設(shè)策略上，選擇與傳統(tǒng)研制商合作，強(qiáng)調(diào)在軌高可靠性。以Telesat公司的“光速”（Lightspeed）星座為例，“光速”衛(wèi)星設(shè)計壽命10年，單星造價1600萬美元，星座現(xiàn)階段預(yù)計總建設(shè)成本50億美元。由于無需像“星鏈”星座一樣嚴(yán)重依賴小型化相控終端，企業(yè)用戶具有更好承受能力，可配置大口徑機(jī)械可動點(diǎn)波束天線，且絕大部分終端成本可由企業(yè)承擔(dān)。

低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)快速發(fā)展

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

當(dāng)前，低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)聚焦在超大容量、組網(wǎng)優(yōu)化、多網(wǎng)融合、高效運(yùn)控方面，總結(jié)特點(diǎn)如下：

當(dāng)前，多個主流低軌星座系統(tǒng)均提出發(fā)展星間鏈路能力。激光星間鏈路技術(shù)不斷成熟，促進(jìn)傳輸延遲降低，傳輸效率和數(shù)據(jù)安全性提升，10Gbit/s星間傳輸能力成為標(biāo)配，遠(yuǎn)景目標(biāo)將達(dá)到100Gbit/s?！靶擎湣薄耙痪W(wǎng)”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(shí)現(xiàn)空間組網(wǎng)，美軍力推星間激光鏈路（OISL）標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一化、通用化，為未來多系統(tǒng)星間互聯(lián)奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

隨著低軌星座快速發(fā)展和普及應(yīng)用，高中低軌競爭、聯(lián)合并存的新業(yè)態(tài)正在逐步形成。隨著用戶市場需求不斷擴(kuò)大，無縫覆蓋要求越來越高，高中低軌異構(gòu)星座趨向融合，低軌星座面向更高頻段發(fā)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(tǒng)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(fù)擔(dān)的全球?qū)拵Ъ軜?gòu)，推動實(shí)現(xiàn)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(wèi)星公司（INMARSAT）提出“交響樂團(tuán)”（Orchestra）通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)計劃，整合其高軌衛(wèi)星、未來低軌衛(wèi)星和地面5G設(shè)施，打造全球性、多維、動態(tài)的綜合網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，面向全球移動用戶提供超高容量窄帶通信服務(wù)。另一方面，部分公司選擇發(fā)展更高頻段星座實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)容量擴(kuò)充?！靶擎湣薄耙痪W(wǎng)”等系統(tǒng)均有Q、V頻段星座規(guī)劃。波音公司（Boeing）147顆V頻段非地球同步軌道（NGSO）衛(wèi)星取得美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）許可，將面向個人、商業(yè)、事業(yè)機(jī)構(gòu)、政府和企業(yè)客戶提供寬帶通信服務(wù)。

低軌衛(wèi)星通信與地面5G的一體化融合成為業(yè)界討論的熱點(diǎn)話題。國際電信聯(lián)盟（ITU）、第三代合作伙伴計劃（3GPP）、歐盟5G系統(tǒng)中衛(wèi)星與地面網(wǎng)絡(luò)融合聯(lián)盟（SaT5G）等標(biāo)準(zhǔn)化組織組建了專業(yè)團(tuán)隊對衛(wèi)星通信與5G融合組網(wǎng)相關(guān)問題進(jìn)行深入研究，推動衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)在5G融合中的角色定義。ITU提出衛(wèi)星與5G融合的4類應(yīng)用場景，包括小區(qū)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(wǎng)絡(luò)技術(shù)焦點(diǎn)組提出6G網(wǎng)絡(luò)三大目標(biāo)，明確6G將包含衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。

衛(wèi)星虛擬化地面站體系框架

面對大規(guī)模星座監(jiān)控與網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行管理帶來的技術(shù)復(fù)雜度與成本難題。云網(wǎng)管控技術(shù)熱點(diǎn)聚焦在基于云計算的虛擬化地面站技術(shù)以及基于星間組網(wǎng)、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(fā)布《衛(wèi)星地面網(wǎng)絡(luò)虛擬化》白皮書指出，地面段的虛擬化是衛(wèi)星通信行業(yè)面臨的最重要的變革之一。隨著超高通量衛(wèi)星、軟件定義衛(wèi)星和低軌大規(guī)模星座的快速發(fā)展與創(chuàng)新，為了更好地適應(yīng)多屬性、多軌道、多頻段復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，地面段的創(chuàng)新將成為關(guān)鍵要素。虛擬化地面系統(tǒng)采用云計算技術(shù)，支持運(yùn)營商通過軟件手段從傳統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)施升級到虛擬系統(tǒng)，可降低運(yùn)營成本，節(jié)省資源并縮短部署時間，具有可靠、可擴(kuò)展和統(tǒng)一管理的優(yōu)點(diǎn)。

低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)具有支持軍事應(yīng)用的重要效能

商業(yè)衛(wèi)星通信服務(wù)與國家戰(zhàn)略需求更加深度捆綁，沖擊軍民航天系統(tǒng)理念、形態(tài)與途徑。目前，國外政府和軍方機(jī)構(gòu)利用商業(yè)衛(wèi)星服務(wù)的模式主要有三種：一是直接采購服務(wù)，成為國家綜合設(shè)施的重要組成；二是提供搭載服務(wù)，推動快速構(gòu)建多功能的衛(wèi)星系統(tǒng)；三是共享研制資源與技術(shù)接口，實(shí)現(xiàn)體系深層次融合。

低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)成為國家信息網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，美國、加拿大等國家正在推動鄉(xiāng)村寬帶建設(shè)，消除數(shù)字鴻溝。美國政府推出鄉(xiāng)村數(shù)字寬帶基金計劃（RDOF），旨在為美國寬帶接入欠發(fā)達(dá)地區(qū)提供千兆網(wǎng)速寬帶接入服務(wù)，其中授予SpaceX公司8.86億美元補(bǔ)貼，以期通過“星鏈”星座為偏遠(yuǎn)地區(qū)提供互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。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(lián)網(wǎng)服務(wù)。

商業(yè)衛(wèi)星通信服務(wù)采購也是外國軍方衛(wèi)星通信能力建設(shè)的重要補(bǔ)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(xù)利用短期合同、長期租約等渠道，采購多種形式的商業(yè)衛(wèi)星通信服務(wù)（包括容量租用、網(wǎng)絡(luò)托管、一站式方案等），為其全球作戰(zhàn)部署提供了有力支持。2020年2月發(fā)布的《美國天軍衛(wèi)星通信發(fā)展愿景》中，提出構(gòu)建軍、商統(tǒng)一的天基通信網(wǎng)絡(luò)“資源池”、實(shí)現(xiàn)“終端和網(wǎng)絡(luò)的敏捷性”。地面段通過打造“資源池”、支持終端在不同網(wǎng)絡(luò)之間“無縫漫游”“靈活切換”，從而大幅改進(jìn)其作戰(zhàn)通信保障效率。

通過低軌衛(wèi)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(wèi)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(jìn)商業(yè)星座已實(shí)現(xiàn)對低軌導(dǎo)航、導(dǎo)彈攔截效果評估等多類功能的承載，增強(qiáng)美地基中段防御系統(tǒng)殺傷評估能力?！跋乱淮炐恰保↖ridium NEXT）系統(tǒng)有22顆衛(wèi)星搭載了美國導(dǎo)彈防御局（MDA）發(fā)展的“天基殺傷評估”（SKA）載荷，單個載荷質(zhì)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(dǎo)彈攔截系統(tǒng)在執(zhí)行任務(wù)過程中是否攔截目標(biāo)、攔截目標(biāo)的類型、是否正面撞擊、目標(biāo)是否被摧毀等關(guān)鍵問題，對美軍現(xiàn)有地基中段防御系統(tǒng)的殺傷評估能力將形成良好的改進(jìn)和補(bǔ)強(qiáng)。

美國軍方加速推進(jìn)利用商業(yè)衛(wèi)星支持國防應(yīng)用，空間段通過標(biāo)準(zhǔn)的星間通信接口，實(shí)現(xiàn)不同商業(yè)通信衛(wèi)星系統(tǒng)與軍事系統(tǒng)之間的“入網(wǎng)離網(wǎng)”“即插即用”，增加網(wǎng)絡(luò)體系的彈性、改善網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的可用性、提升鏈路可靠性。美國國防高級研究計劃局（DARPA）發(fā)展“黑杰克”（BlackJack）項目，以通信衛(wèi)星網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)為基底層，將通信、導(dǎo)航、遙感等多類應(yīng)用有機(jī)綜合，發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)共享與在軌實(shí)時處理的協(xié)同效應(yīng)。美國航天發(fā)展局（SDA）擬建設(shè)下一代國防太空體系，包含約658顆小衛(wèi)星的傳輸層星座，將極大程度上利用“黑杰克”項目，以及商業(yè)低軌寬帶互聯(lián)網(wǎng)星座現(xiàn)有的載荷技術(shù)方案、先進(jìn)商用現(xiàn)貨產(chǎn)品等成果，每顆衛(wèi)星將配備星間鏈路功能和備份的星地鏈路，提供基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。

3 結(jié)束語

總體來看，全球衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展競爭態(tài)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(jìn)低軌星座開發(fā)應(yīng)用，加拿大政府斥巨資扶持本國低軌系統(tǒng)，俄羅斯利用航天國家集團(tuán)統(tǒng)籌加快“球體”星座建設(shè)，歐盟啟動天基全球安全通信系統(tǒng)和空間交通管理項目，英國政府收購一網(wǎng)公司扶持星座建設(shè)。衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)巨大的潛在應(yīng)用效能已經(jīng)引發(fā)政府、軍方、商業(yè)等多方力量的強(qiáng)烈關(guān)注和重視。