“柯伊柏”星座介绍及与其他星座对比分析

纪凡策（北京空间科技信息研究所）

“柯伊柏”（Kuiper）星座是美国互联网巨头亚马逊公司（Amazon）提出的低轨宽带星座计划，旨在为全球范围内无服务或欠服务的地区提供低时延高速卫星宽带连接。2020 年7 月，美国联邦通信委员会（FCC）同意Kuiper 星座的美国市场准入许可，引发业内外广泛关注。

1 引言

近年来，卫星小型化、低成本化成为重要趋势，同时“一箭多星”运载技术日趋成熟，航天领域准入门槛不断降低，吸引大量资本投入，大批新兴创企抓住机遇，抢占蓝海。其中，以一网公司（ONEWEB）为代表的卫星互联网创企旨在建设低轨通信星座，为全球用户提供宽带服务，掀起继“铱星”（Iridium）、“全球星”（Globalstar）之后的又一次低轨星座建设浪潮。相比“铱星”等上一代低轨星座与地面通信运营商竞争的定位，新一代低轨星座从提出伊始就聚焦于“填补数字鸿沟”，将自身定位为地面通信的补充，再加上当前互联网服务的日渐常态化，网络连接需求不断增加，卫星制造的低成本、小型化趋势不断深化等原因，卫星互联网这一概念又有了新的语境与内涵。在此背景下，旨在为偏远地区提供宽带接入服务的卫星互联网运营商均提出数千甚至数万颗卫星组成的低轨宽带星座计划。其中，“星链”（Starlink）、“一网”（OneWeb）、“电信星”（Telesat）、Kuiper等星座计划数量均超过1000 颗，成为该领域最受关注的四大星座。

相 比 于Starlink、OneWeb、Telesat 星 座，Kuiper 星座提出时间最晚，建设进度最慢，但由于其背后的亚马逊公司而受到业内外广泛关注。事实上，亚马逊公司在2018 年就已经启动与低轨道卫星连接的地面站业务—亚马逊网络服务地面站（AWS Earth Station），并在2019 年6 月创建了专门的航空航天及卫星解决方案部门，凭借卫星云服务业务全面进军航天产业市场。2019 年7 月，亚马逊公司下属Kuiper 公司向FCC 提交Kuiper 星座美国市场准入申请，公布其星座设计方案，2020 年8 月，FCC批准其准入申请。

2 系统技术状态

Kuiper 星座设计方案的大部分相关情况出自其向FCC 提交的市场准入文件，该申请于2020 年7 月被FCC 批准。2020 年5 月，包括太空探索技术公司（SpaceX）等多家公司再次向FCC 提出申请或修改星座计划，涉及卫星总数超过8 万颗，Kuiper 计划面临的外部环境实际上已经发生较大变化，其星座方案也有可能在项目推进过程中发生变化，本文仅就目前掌握的情况予以梳理分析。

空间段

1）星座构成。Kuiper 星座空间段由3236 颗卫星组成，卫星计划运行在590 ～630km 不等的3 个轨道高度，不同轨道高度对应33°～51.9°等3 个倾角，共分布于98 个轨道面上。

2）部署进度。根据国际电信联盟（ITU）2019年出台的星座监控方案，Kuiper 星座须在2026 年7 月30 日前发射至少半数（1618 颗）的卫星，并在2029 年7 月30 日前全面完成组网发射。按照亚马逊公司设置的部署里程碑，卫星计划分为5 个批次部署，首批578 颗卫星发射后将启动服务。

3）有效载荷。Kuiper 卫星用户波束将使用星载多波束相控阵天线，该天线通过对相位和幅度的调整来实现对波束形状的改变、波束扫描及波束功率分配，配合星上软件定义功能，可基于既定区域的业务需求，按需灵活分配频率和容量，实现上下行所有业务的全星上再生、星上交换、星上重封装等功能。具体来看，通过可调向、高增益的相控阵天线，Kuiper 系统可实现单个点波束覆盖300 ～500km2，点波束覆盖范围可根据不同区域容量需求进行调整。另外，Kuiper卫星还配备高增益抛物面天线，用于与地面站连接。根据亚马逊公司2019 年发布的“光学测试工程师”职位描述来看，该公司计划开发卫星间激光通信技术，因此Kuiper 星座可能会采用激光星间链路组网，星间链路传输速率可达10Gbit/s。

Kuiper 星座构型配置

Kuiper 星座部署计划

4）频率。Kuiper 星座的用户和馈电链路均工作在Ka 频段。

地面段

根据Kuiper 卫星的频率计划，其关口站将配有4 副主动天线，每副天线都可以充分利用关口站所有的频率和右旋圆极化/左旋圆极化（RHCP/LHCP）两种极化方式。

Kuiper 星座频率计划

在卫星地面站领域，亚马逊公司利用AWS 地面站已广泛开展“地面站即服务”业务，该业务主要针对遥感卫星产生的数据，并与黑色天空公司（BlackSky）等多个遥感卫星创企展开合作。而微软公司2020 年10 月正式推出其面向航天产业的云计算服务—Azure Space，并宣布与SpaceX 和欧洲卫星公司（SES）开展相关业务合作，与亚马逊公司的AWS 地面站业务形成直接竞争。因此，Kuiper星座地面站一方面用于连接Kuiper 卫星提供宽带接入服务，另一方面未来可与AWS 地面站联合组成亚马逊公司的全球云服务网络，进一步提升亚马逊公司在该领域的领先地位。

用户段方案

Kuiper 用户终端将允许住宅、企业和移动（交通）等用户通过电调相控阵天线，或机械转向抛物面天线，实现与Kuiper 卫星的接入。用户终端调制解调器具备点波束内高数据速率、链路优化、用户终端波束指向，以及确保用户通信安全等特点。

3 Kuiper 与其他星座对比分析

总体来看，Kuiper 星座启动较晚，在部署进度上全面落后于另外3 个星座，但由于ONEWEB刚刚经历破产重组，Telesat 尚未选择卫星制造商，Kuiper 的主要对手仍然是Starlink。相比而言，Kuiper 星座的建设思路与Starlink 较为相似，且背靠亚马逊公司，在资金和后期应用落地方面具备独特优势，但Starlink目前在部署进度和系统应用方面均已与其他星座拉开差距，并已率先打开军方市场，Kuiper 星座想要逆流而上仍有很大难度。

Kuiper 星座优势

（1）采取纵向一体化发展模式，资金来源充足，系统建设自主化程度高

低轨宽带星座的建设方式大致可分为以下几类：一是纵向一体化发展模式，即自主掌握卫星研制、火箭搭载发射、卫星运营等全链条的核心要素，典型如Starlink。该模式的优势在于自主性强，项目弹性大。二是“互联网”式发展模式，即卫星制造、发射、运营等要素均由外部合作完成，典型如OneWeb。该模式的优势在于研发成本低，项目进度快。三是政府站台式发展模式，即政府大力支持本国星座建设，从资金和资源调配上予以倾斜，典型如Telesat（加拿大政府投资4.62 亿美元）和俄罗斯“球体”（Sfera）项目（俄罗斯联邦拟投资1.5 万亿卢布，约合198 亿美元）。该模式的优势在于资金压力小，政策倾斜利于后期系统应用。

上述发展模式各有优势，目前来看，Kuiper 星座具备纵向一体化发展模式所需的基本要素。首先，亚马逊公司2019 年在华盛顿雷德蒙德建立Kuiper 研发总部，并配备实验室、样机制造设施、办公及设计厂所，具备卫星制造的条件。其次，亚马逊公司下属蓝色起源公司（Blue Origin）发展势头良好，可以成为Kuiper 星座的发射服务提供商。再次，亚马逊公司成立了航空航天及卫星解决方案部门，从2020 年招聘岗位来看，Kuiper 星座可能由亚马逊公司运营。最后，亚马逊公司在申请文件中称将投资100 亿美元建设Kuiper 星座，这一数额与SpaceX 公司透露的Starlink 前期投入接近，依照Starlink 目前的部署状态来看，Kuiper 星座前期建设过程基本不会有资金压力。

（2）可形成捆绑式服务的商业模式，为系统业务推广提供极大便利

亚马逊公司以“AWS 全球地面网络和计算基础设施，包括洲际光纤链路、数据中心、计算/边缘计算功能” 推动系统研发、部署以及与地面网络的互联，有望将Kuiper 星座服务与亚马逊公司其他业务线，如在线销售服务、云计算服务和视频服务等形成捆绑，相互联合打造新型的综合信息服务云平台，为用户提供更加智能、高效的网络连接服务。

Kuiper 星座与其他星座基本情况

根据Kuiper 星座申请资料，Kuiper 除地面站服务外，还将在美国5G 业务部署中提供回程传输服务。在“卫星+5G”的背景下，凭借亚马逊公司在全球范围内的业务布局，Kuiper 将进一步拓展其全球业务市场，并持续深化其捆绑式服务商业模式。

（3）以AWS 地面站进军航天服务市场，为后期频率落地提供极大便利

与SpaceX 公司、ONEWEB 公司的“频率先行”、“边建边用”的策略相比，亚马逊公司凭借其在云计算领域的天然优势，着眼于地面通信市场，通过发展“地面站即服务”业务，已在遥感卫星数据处理方面开展业务布局。2018 年，亚马逊公司发布基于云计算的AWS 地面站业务，拟在全球范围内开发地面站，旨在为公司、政府、航天部门提供卫星数据收发服务，凭借其云计算技术，大幅提升数据处理效率。目前，亚马逊公司已有多个AWS 地面站投入运营，并已和BlackSky 公司等卫星运营商开展对地观测卫星数据处理方面的合作。从长远来看，亚马逊公司AWS 地面站业务一方面可以成为该公司航天领域的长期盈利来源，分担后期Kuiper 星座大规模部署的资金压力，另一方面亚马逊公司通过AWS 地面站业务建立的合作伙伴关系，将为Kuiper 星座的频率落地、容量分销等环节提前打通渠道。

Kuiper 星座劣势

（1）启动太慢，部署进度远落后于Starlink 和OneWeb

Kuiper 星座的部署进度已远远落后于Starlink，破产重组后的ONEWEB 公司也迅速继续其星座部署，新一批卫星发射基础设施也已抵达俄罗斯。鉴于低轨宽带星座业务类型的高度重合，星座系统应用突出“先到先得”的排他性特点，卫星部署速度将直接影响抢占市场的时机。Kuiper 此时入局已非最佳时点，要想“弯道超车”，核心在于其卫星部署速度，以及能否在美国大规模铺设5G 基础设施过程中抢得先机。

（2）卫星功能强大但设计复杂，前期迭代优化过程预期较长

目前来看，Starlink 和OneWeb 卫星均采取相对简单的系统设计，尽可能采用成熟技术，缩短研制周期，实行“优先解决低层次需求”的建设策略。Kuiper 卫星计划采用软件定义无线电技术，卫星具备全星上再生、星上交换、星上重封装等能力，是已知低轨宽带星座计划中功能最为强大的。但由此也提升了Kuiper 卫星的系统复杂度和技术难度，因此其前期研发压力巨大，并会面临较长的迭代优化期，进一步拖后其部署进度。

（3）Starlink、Telesat 已先一步打开军方市场，Kuiper 后期介入难度较大

近年来，美国军方高度重视低轨宽带星座潜在的军事应用效能，积极利用Starlink 和Telesat 的在轨卫星开展性能测试。事实上，无论是上一轮低轨星座建设热潮中“铱星”的起死回生，还是当前军方机构主动开展研究所带来的牵引性作用，都可看出，政府和军事应用已成为未来低轨星座发展中不可忽视的细分市场。目前，美国空军已利用Starlink 卫星成功开展机载宽带传输试验；美国陆军与SpaceX 公司签署协议，计划未来3 年利用Starlink 星座进行宽带数据传输测试；Starlink卫星还可搭载光学载荷、具备高重访率，实现对高超声速武器探测预警，弥补美防御能力空白。而美军当前正在建设的下一代“国防空间架构”（NDSA）和“黑杰克”星座（BlackJack），Telesat 均以重要角色参与其中。Kuiper 虽在民商用市场推广方面有较大的优势，但想要后期介入政府和军事应用市场难度较大。