“一网”星座的发展与启示

李小龙 邓恒 （中国空间技术研究院通信卫星事业部）

众多低轨小卫星星座的兴起引发业界广泛关注，给国际卫星通信业务造成了巨大影响，在这其中，“一网”（OneWeb）星座计划具有很强的代表性。文章深入研究了该系统的构成、关键技术和商业模式，并在此基础上提出我国低轨通信小卫星星座发展的相关建议。

1 一网公司的创立及发展

一网公司（OneWeb）的前身是成立于2012年的世界唯优卫星有限公司（WorldVu），该公司位于英属海峡群岛的圣赫利尔。2014年，公司曾提出一个耗资30亿美元打造648颗小卫星的星座计划，随后从一家濒临破产的天空之桥公司（Sky Bridge）那里获得了所需的空间网络资料，并以“L5”的名字向国际电信联盟（ITU）注册了星座的网络资料。

2014年，在谷歌公司（Google）收购另外三十亿人公司（O3b）之后，格雷格·威勒（Greg Wyler）、布莱恩·霍尔兹（Brian Holz）和大卫·贝丁格（David Bettinger）作为O3b的创始人也随之并入谷歌公司，短暂驻留后，三人离开谷歌公司并加入世界唯优卫星有限公司。此时，太空探索技术公司（SpaceX）CEO伊隆·马斯克（Elon Musk）正在与世界唯优卫星有限公司深度接洽，并共谋在美国佛罗里达州或科罗拉多州建立一个具备大规模生产力的卫星制造工厂。

2015年1月，世界唯优卫星有限公司提交了一份名为“一网”的美国联邦商标注册公司申请，获得通过后该公司正式以“一网”的名义在美国进行商业运作。

2015年6月，一网公司选择法国空客防务与航天公司为其制造900颗150kg的互联网卫星，且二者成立了名为“一网星座”的合资公司，专门负责“一网”星座的研制，两家公司在其中各占50%的股份，合资公司将负责卫星发射后所有卫星的运营业务。前10颗卫星将会在法国空客防务与航天公司位于法国图卢兹的工厂设计并作为样机建造，为大批量在美国佛罗里达州的航天基地生产作准备。因此，法国工厂的定位是整星设计及装配工艺试验，而美国佛罗里达基地的定位是批量化生产。

2 系统的发展路线与规划

一网公司有着非常清晰的发展路线规划，2015年进入实质项目运作后，其发展路线由卫星网络建设和市场开发两部分工作并行开展，直至2019年开始进入运营阶段。

卫星网络建设

2015年，一网公司开始进行大系统设计，同时开展卫星、信关站和用户终端的建设工作，所有工作约在2019年中期完成，星座不是一次性投放。2018年初先期将发射10颗试验卫星，实行在轨技术验证，6个月后开始星座大规模发射任务，系统最早将于2019年初投入初期运营，从设计到初步运营耗费4年时间。业务接入的渠道获取和建设则贯穿项目始终，是整个项目的关键，纵深发展“永远在路上”。

市场开发

作为卫星网络建设的并列动作，市场开发与系统设计基本同步，且走在了系统建设的前面，市场准入及落地许可是其中的重中之重。一网公司的策略为先开发发达国家的偏远地区，最后发力发展中国家（如中国和印度），所以当前它的这种策略给其他国家发展这类卫星系统提供了大约3年的缓冲期。一网公司盈利的关键手段是通过分销商将容量分配下去，同时回笼项目资金。决不能小看海外公司的公关能力，国际移动卫星公司（INMARSAT）通过中国交通通信信息中心进入我国卫星移动通信领域就是很好的例子。

3 星座系统的技术方案

空间段

空间段由900颗小卫星组成，每颗卫星质量150kg左右，单星价格50万美元，对地天线呈“倒八字形”向下，推进系统有3～4个电推力器，发射后采用自带的电推进系统抵达轨道位置，寿命末期可根据程序自动离轨，避免在低轨形成垃圾层。

星座运行在高度为1200km的（近）极地圆轨道，分为18个轨道面，地-星-地延迟约为50ms。单星服务区域为1080km×1080km，容量7.5Gbit/s，每个卫星有16个相同的Ku频段用户波束，每个波束均为不可移动的椭圆点波束；2个可移动信关波束天线，工作于Ka频段。

分段多项式轨迹形状受速度分配方式的影响，其竖直方向的运动和水平方向相对独立，且各自遵守预定的速度分配方式。在轨迹周期为T的条件下，参考文献[18]中的方法，求取运动过程中时间点t对应轨迹点P的三维坐标(x,y,z)。

1）前向载荷设计。1个信关接收波束所含的16个Ka频段上行通道信号，经变频后形成16个Ku频段下行通道并直接通过16个用户波束下行，每个通道对应1个Ku频段固态功率放大器。

2）返向载荷设计。信关下行通道对应4个Ka频段固态功率放大器，每2个固态功率放大器对应1个信关下行波束（总计2个下行信关波束），1个固态功率放大器对应8个通道，这16个通道都只对应1个下行信关波束，另外1个信关波束作卫星轨道运动时扫描下1个信关站所用，起到信关站与信关站的交接作用，即只有1个信关波束能发挥真正的通信用途。

从卫星有效载荷配置看，“一网”卫星的转发器可能没有备份，这与其坚持的轻质化、性价比理念有关。

为有效防止对地球静止轨道（GEO）卫星的干扰，一网公司提出了一种名为“渐进俯仰”的规避干扰措施，其策略是当“一网”卫星经过赤道附近上空时，卫星通过俯仰姿态的变化（Ku下行波束不可动，所以只能调整姿态），使得Ku下行波束及覆盖区沿着纬度方向自星下点变化，辅以调整波束下行功率，从而避开与GEO卫星的干扰。

地面段

地面段按照严格意义可划分为3个部分。

1）测控站。“一网”星座有两个不同且互为热备份的测控站，分别位于美国弗吉尼亚州和英国。

2）信关站。预计有50～70个分布在全世界的信关地球站，每个信关站将有10个信关站天线同时工作，Ka频段的信关站一般采用2.4m或者更大的天线，具体则由信关站位置、特定的传输特性和服务要求所决定。10个信关站天线是为了使众多卫星经过信关站时保持可见，目前据调研，在美国本土已有包括夏威夷和阿拉斯加州2个本土信关站。另外，为使通信信号全球可见，还特别在极区设置了相应的信关站，它们也将作为测控站行使卫星控制功能。

3）网络运营。网络运营中心预计建在英国和澳大利亚墨尔本两地，测控站和信关站之间的网络通信将通过地面虚拟私人网络（VPN）连接实现。

用户段

“一网”星座的用户段设备并不是自己打造，而是采用合作者的既有成熟设备，目前与之合作的主要是罗克韦尔·柯林斯公司（Rockwell Collins）和高通公司（QUALCOMM），可用于蜂窝回程、公共路面通信、火车动中通、海事通信、航空通信、车载动中通等多个场景。

运载火箭

“一网”星座计划的运载火箭分为两个系列：一个是阿里安公司（Ariane）的欧化“联盟”（Soyuz）火箭，另一个是美国维珍银河公司（Virgin Galactic）的发射者－1（Launcher－1）火箭。

“一网”星座成形只需要720颗小卫星就可以。一网公司的发射策略如下：①每个轨道面依次先发32颗卫星，18个轨道面总计有576颗；②随后向每个轨道面再补充发射8颗卫星，18个轨道面总计有144颗。因此，它在选择运载工具的时候，偏重于使用“联盟”火箭进行批量化发射。卫星将首先被发射至高度约500km的近极地轨道，然后再依靠自带的电推进系统提升至1200km的最终运行轨道；发射者－1火箭则可以帮助卫星直接入轨，维珍银河公司每隔3～4h就可以发射一枚火箭，十分有助于卫星星座的快速补充和精细调整。

900颗卫星中剩余的180颗卫星则将陆续根据使用情况，利用上述两种火箭，甚至计划用2020年首飞的阿里安－6火箭执行剩余的发射任务。

4 运营服务的商业模式

与GEO运营商深度共建，高低轨资源统筹衔接

国际通信卫星公司（Intelsat）以入股投资的方式正在参与一网公司的运营，小卫星运营商与大型卫星运营商相比，卫星更加轻便，在轨波束覆盖调整灵活度大，部署灵活，能够弥补大型卫星的不足。另外，小卫星组网必然会对大型运营商造成频率干扰，合作能够有效增加二者的沟通和协调，避免双方波束干扰造成不必要的损失。大型运营商现金流充足，能够给予初创型小卫星运营商一定的融资支持，加上多年的专业积累必然会为小卫星运营商市场发展提供很好的渠道分销经验。国际通信卫星公司“史诗”（Epic）系列Ku频段高通量卫星数量较少，而覆盖全球的需求使之不得不通过低轨资源完成信号的衔接。

融合传统制造商，打造卫星“智造工厂”

法国空客防务与航天公司在美国硅谷成立了一家基金公司，以参股的方式参与一网公司的运营，二者合资成立一网星座公司（OneWeb Satellites）。一网星座公司的总部设在英属海峡群岛（Channel Islands），按照惯例会向美国进出口银行和法国进出口银行寻求融资帮助。但这两家进出口机构如果要为一网公司提供融资帮助，则需要在本国做大量的工作。对法国来说，只有10颗卫星在法国制造，因此除非“一网”卫星采用“阿里安”火箭发射，否则法国进出口银行很难为其提供融资支持。对美国来说，美国进出口银行也需要说服美国国会为其提供支持。因此，最后的发射商都来自法国和美国，规模化量产工厂设在了美国佛罗里达州航天基地。星座建设完成后，该工厂将继续作为二者的永久性投资，建造其他的星座。

产业链思维组“共享朋友圈”，提前布局服务分销渠道

一网公司从多种渠道筹集到5亿美元的资金支持，来源包括空客防务与航天公司、印度移动通信运营商巴哈蒂公司（Bharti）、休斯网络系统公司、国际通信卫星公司、高通公司等多家公司。融资的成功推动了一网公司进一步开展关键技术研发，为舰船、飞机、火车以及海上油田等多类平台提供高速、低延迟卫星互联网接入，并将与国际通信卫星公司的Ku频段卫星协同合作保持无缝的互操作性。

罗克韦尔·柯林斯公司计划研制用于民用飞机的低成本电扫描阵列天线，成为“一网”卫星全球宽带服务机载卫星通信终端的独家开发商和提供商。高通公司负责终端的芯片研制。

一网公司的投资者包括维珍银河公司以及航空服务提供商戈高公司（Gogo）。戈高公司将通过“一网”星座为飞越极地上空的飞机提供航空通信服务。维珍银河公司同时拥有航空和移动运营商业务，是重要的业务落地分销商，也是一网公司的运载提供商。

一网公司向软银集团提出12亿美元的投资申请，用以建设其卫星网络星座。加上2015年6月的5亿美元投资，一网公司已获得17亿美元融资。2012年软银公司以超过200多亿美元的价格收购了美国通信运营商斯普林特公司（Sprint），除了支付天价的收购费用外，偿还了斯普林特公司的债务，并投入大量资金与其他运营商竞争。这次投资一网公司，很可能是为了增强斯普林特公司的竞争力。在基站的覆盖方面，斯普林特公司远远低于前三大运营商[美国电话电报公司（AT&T）、威瑞森公司（Verizon）、德国电信公司（T-Mobile）]。基站的铺设耗时耗资，一网公司则是一个很好的补充。

5 启示

近年来，随着低轨卫星星座概念的不断热炒，诸如谷歌、一网、脸谱（Facebook）、太空探索技术等公司纷纷盯上了这一领域，有数家公司已经步入实施阶段，发射了若干颗卫星。小卫星对传统运营商的“蛋糕”开始产生了影响，一些老牌运营商对此表示了极大的关切。

随着非地球静止轨道卫星引领卫星制造与发射市场的增长，在其应用与GEO卫星有可能构成重合的基础上，势必会对GEO卫星市场形成挤压，尽管短期来看还无法撼动GEO卫星市场的地位，但在不远的将来不排除通信卫星运营商将其GEO卫星订单缩减转而利用非GEO卫星合作伙伴的资源。此外，随着另外三十亿人公司、一网公司等运营商在全球范围内的市场拓展不断深入，原先有意购买卫星的政府也可能会选择直接购买服务，从而满足所需的通信资源。

这是未来摆在我国航天工业科技工作者面前需要思考和研究的一项重大课题。针对低轨小卫星星座的建设已刻不容缓，是我国通信卫星制造业实现“弯道超车”的重大方向之一，对此提出以下建议希望能引发思考和共鸣。

1）设立专项经费支持计划。低轨卫星星座是下一个历史发展机遇，建议设立专项经费支持计划，紧紧抓住国际一流技术不掉队的同时全力做大市场，另外，在某些特定的偏远地区采用卫星通信具备一定的经济性，这为我国在小卫星星座发展中的弯道超车创造了新的历史条件。

2）运用产业链思维吸引合作伙伴，全方位组织资源主导系统建设。建设我国的低轨通信星座，一定要站在产业链的高度去设计整个系统工程构架。要提前布局市场分销，融合国内航空、海运、用户终端和基础电信资质企业，加大宣传力度吸引共同投资，探索成立合营的业务销售公司。针对庞大的低轨通信卫星系统建设，要全方位选取一家集卫星制造、运载火箭、地面配套等为一体的综合单位组织资源配套，总体统筹推进系统建设。

3）储备频率资源，为大规模组网需求做好保障。低轨星座的频率资源需求也相当突出，从目前国际动态来看，“占频保轨”已经成为运营商争夺稀缺频率轨道资源的手段之一。

4）探索自动化工程应用，掀起智能制造革命浪潮。更短的卫星交付期迫使卫星制造商不断改进卫星的生产、制造流程。增材制造等技术的拓展使得顶尖制造商开始酝酿下一轮制造革命。建议在更高层次组织专门的技术委员会对此开展研究和规划，应对卫星领域的数字化研制、批量化生产、智能工厂等先进理念进行摸索和试验。

5）技术验证先行，保证技术储备实现快速响应。成立中低轨通信卫星平台攻关机构，瞄准市场需求和应用，对卫星、地面设备、用户终端等开展论证研究与建设。对标国际一流，尽快利用自有资源使技术验证先行，利用未来的试验项目进行搭载发射，待在轨验证后迅速投入市场。

6）呼吁运载配套，提前进行型谱规划和技术验证。发展低轨小卫星星座，必然需要国内运载火箭的配套支持，运载火箭研制部门要不断技术创新，推出具备定制化、成本控制优、能够短时间多次快速响应的新型火箭型谱。

7）牵引市场投入，抢占亚洲市场并做大做强。

全球排在前五名的通信卫星运营商中，电信卫星公司（Telesat）、国际通信卫星公司、欧洲卫星公司都有低轨小卫星星座的运营计划。亚洲地区市场目前还缺乏低轨业务的落地，我国应当着眼当下、找准定位、提前谋划，确保在亚洲地区的低轨卫星领域有所作为。