全球巨型低轨星座通信网络发展、特征与思考

陈东 裴胜伟 黄华 韩绍欢 （中国空间技术研究院通信卫星事业部）

低轨宽带通信卫星星座的大容量、高速率、全球覆盖特点，要求其星座规模相比低轨移动通信卫星星座的卫星数量呈数量级增长，卫星星座巨型化特征显著。而近年来，以巨型低轨道通信卫星星座为基础的空间宽带通信网络发展进入新的高潮。本文从国际主流巨型低轨星座通信网络的发展入手，阐述了巨型空间互联网系统发展的特征及系统建设面临的挑战，并就我国同类系统未来的方向进行思考。

1 前言

近年来，以美国工业基础为依托的一网公司（OneWeb）、太空探索技术公司（SpaceX）等航天创新企业再一次点燃全球低轨卫星星座系统建设的热情，相继提出建设由巨型低轨道通信卫星星座为基础的空间宽带通信网络。

20 世纪90年代，涌现了以“铱星”（Iridium）、“全球星”（Globalstar）系统为代表的多个低轨卫星移动通信星座项目。虽然这些系统的实施首次实现了卫星移动通信服务的全球覆盖，但2000年前后的破产潮，却带来了长达十余年的低轨通信星座系统建设低潮，更让人不禁思考，新一代系统的建设是商业市场的噱头还是技术发展的必然？然而不可否认的是这一次低轨星座的建设热潮所催生的以卫星通信系统为主体的“空间互联网”概念，就像Iridium 初现时一样，带着让人难以抗拒的吸引力。

巨型低轨道空间互联网系统拥有以“两极覆盖”实现全球无缝连接，以“低时延”实现与5G 应用场景融合，以“批量化建设”实现成本可控等独特优势。在该背景下，我国“天地一体化信息网络”纳入科技创新2030 重点项目，中国航天科技集团有限公司的“鸿雁”星座、中国航天科工集团有限公司的“虹云”星座均在2018年底完成首发试验星在轨运行，国内商业航天初创企业也表现出极大的参与热情。

2 巨型低轨空间互联网从梦想到现实

20 世纪90年代，在家庭宽带网络尚停留在综合业务数字网络（ISDN）、非对称数字用户线路（ADSL）的时候，欧美等国家的航天巨头就已经在畅想建立巨型的以空间为基础的宽带通信网络，包括“空中因特网”（Teledesic）、“天空之桥”（Skybridge）等项目。伴随“一网”（OneWeb）、“星链”（Starlink）等巨型低轨空间互联网系统的实施，20年前的梦想渐成现实。

“一网”拉开巨型空间互联网序幕

一网公司的前身是世界唯优卫星有限公司（WorldVu），该公司提出采用648 颗卫星构成星座用于向全世界个人用户提供互联网接入服务。卫星采用1200km、倾角87.9°的低地球轨道，接收并转发Ku 频段信号，容量达8Gbit/s。2017年6年底，美国联邦通信委员会（FCC）正式授权一网公司，批准其在美国使用“一网”星座提供互联网服务。2019年，一网公司将星座卫星数量降为588 颗。[1]

2020年2年7日，阿里安空间公司（Arianespace）发射了一网公司的34 颗组网卫星，此次发射标志着一网公司巨型低轨空间互联网星座全面组网部署工作的启动，在轨卫星数量达到了40 颗。这些卫星由一网公司同空客防务与航天公司（ADS）合资的一网卫星公司（OneWeb Satellite）建造，采用氙离子推力器，配备Ku 频段高通量有效载荷，每颗卫星的发射质量为147.5kg。卫星进入轨道高度450km、倾角87.4°的轨道，随后采用自身携带的推进系统开始轨道提升，最终进入长期工作轨道。

“一网”卫星

2020年3年21日，一网公司完成第三批34 颗组网卫星的发射。至此，该公司在轨运行卫星已有74 颗。而在第三批组网卫星发射前，融资规模达到33 亿美元以上的一网公司就传出了因资金筹措问题而申请破产保护的消息，并已于3年27日向美国破产法院申请了第11 章破产保护。在申请破产之前，一网公司解雇了531 名员工中约85%的员工，而根据提交的破产申请书，一网公司已经积累了超过17亿美元的债务。尽管公司的所有权结构会有变化，但第11 章破产保护申请可使公司有机会摆脱破产债务而继续经营。[2]

“星链”的惊人之举

“星链”是SpaceX 公司正在研发的卫星星座工程，旨在利用大规模低轨卫星提供全球高速宽带接入服务。“星链”卫星互联网星座由低地球轨道（LEO）星座与甚低地球轨道（VLEO）星座组成，采用Ka、Ku 频段，计划2020年投入运营。卫星提供的通信容量17 ～23Gbit/s，系统可提供最高容量达每用户1Gbit/s 的宽带服务。SpaceX 公司注重卫星星座低成本建设与运营，采取火箭回收技术，降低卫星发射和卫星补位费用。[3]

2020年3年18日，SpaceX 公司成功地利用猎鹰－9（Falcon－9）运载火箭发射了第五批60 颗卫星，展现了该公司强大的制造能力和快速推进的决心。每颗“星链”卫星质量约260kg，发射约1h 后，卫星到达约290km 的轨道，并开展相关测试。完成测试后，这批卫星将上升至550km 的工作轨道。

为搭建全球卫星互联网，SpaceX 公司2020年尚有1000 余颗卫星正排队上天。未来计划每隔2 ～3个星期就发射60 颗卫星，到2020年底完成24 次卫星发射任务。

美国空军向SpaceX 公司赞助了2870 万美元，扶持该公司把“星链”计划的应用场景拓展到军用。“星链”计划的首次军事通信试验，选取了美国空军的一架飞行C-12 螺旋桨发动机军用侦察机，其网速实测数据高达610Mbit/s，具备进一步拓展应用的潜力。

即将进入整流罩的60 颗“星链”卫星

潜在竞争对手“柯伊伯”项目

亚马逊公司（Amazon）也参与到互联网卫星市场如火如荼的竞争中来，是继SpaceX 公司之后又一个计划研制开发巨型低轨空间互联网的企业。作为美国本土研制开发返回式运载火箭的制造服务商，亚马逊公司无疑成为了SpaceX 公司在航天领域的强劲对手。

“柯伊伯”（Kuiper）项目是亚马逊正在建设的高速卫星互联网项目，通过部署数千颗低地球轨道的卫星，能够在全球范围内提供宽带互联。2019年7月4日，美国亚马逊公司向FCC 提交了一组审查文件，申请巨型低轨通信星座Kuiper 在美国境内的商业运营权。该星座预计由3236 颗低轨宽带小型通信卫星构成，在轨设计寿命7年，计划分为五个阶段发射入轨。但此项目还没有关于部署和正式向消费者提供服务的时间表。

Kuiper 系统将在轨道高度分别为590km、610km 和630km 的Ka 频段卫星上提供高速、低延迟的卫星宽带服务。Kuiper 系统的轨道结构设计是为了最大限度地满足客户在全星座部署时的容量和覆盖范围。通过使用不同倾角的重叠高度轨道面，星座设计最大限度地减少了在地理纬度上均匀分布覆盖所需的卫星总数，并在一颗卫星与其他系统发生内联干扰事件时提供链路多样性。

Kuiper 系统网络通过一个软件定义网络（SDN）控制器进行管理，负责为整个系统的客户和网关优化配置波束，并根据客户需求和服务类型进行长期资源配置。该系统为消费者和企业提供低成本的宽带服务、IP 传输、载波级以太网和无线回程通信，旨在最大限度地提高频谱利用率和效率，并能灵活地引导容量以满足区域客户的需求。此外，Kuiper 系统利用亚马逊公司的地面网络基础设施为客户提供安全、高速、低延迟的宽带服务。

3 巨型低轨空间互联网的发展特征

综合国际发展态势，巨型低轨空间互联网的发展呈现四个特征：

规模巨大，通过市场融资推进商业系统建设

新一代低轨空间互联网卫星数量规模空前，动辄数百颗，最大达万颗。“一网”系统第一阶段卫星数量达650 颗，“星链”系统规划卫星数量达42000 颗。广阔的应用前景和优势获得商业资本市场高度关注。截至2019年，一网公司已累计获得融资33 ～34 亿美元，“星链”计划已获得13.3 亿美元资金支持。主要投资方包括传统卫星制造运营企业空中客车公司（Airbus）、国际通信卫星公司（INTELSAT）、休斯通信公司（Hughes），科技巨头高通公司（Qualcomm），投资巨头软银（SoftBank），互联网巨头亚马逊、谷歌（Google）、脸谱（Facebook）等。

宽带接入，实现抢占空间互联网入口战略布局

低轨卫星互联网可实现百Mbit/s 至Gbit/s 的通信速率，传输性能媲美地面光纤网络。其低时延、高速率、海量接入的特点，被认为是5G/6G 发展中的重要环节。国际电信联盟（ITU）、第三代合作伙伴计划（3GPP）等标准化组织正在制定5G 与卫星通信融合发展的标准规范。2019年4年，加拿大电信卫星公司（TeleSat）与欧洲最大的移动运营商沃达丰（Vodafone）在英国完成了低轨卫星互联网5G通信试验。对低轨卫星互联网的投入将进一步增强欧美企业的互联网全球服务能力，实现对互联网宽带新入口的抢占和全球用户数据资源的掌控。

军民结合，提升军事通信能力弹性化水平

2018年3年，美国政府发布《国家航天战略》，强调加强军事航天、商业航天和民用航天之间的合作，更好地发挥企业作用。布局低轨商业系统、实现能力分散化和快速集成是“弹性”的重要途径。美国国防部是“铱星”系统的最大客户，大量采购铱星服务满足全球范围移动通信需求。美军已经与SpaceX 公司签署了开展“星链”军事应用试验评估的合同。2019年9年18日，铱星公司与一网公司宣布展开合作，实现军事战术通信与宽带通信的能力互补与提升。低轨卫星互联网卫星数量多、对抗难度大，可以预见将成为美军未来卫星通信体系的重要组成。

流水线智能化生产，颠覆卫星研制模式

卫星互联网的规模化发展对卫星研制能力提出了新的挑战。2019年9年，一网公司位于佛罗里达州的生产线正式投入生产，面积约104m2，拥有两条自动化生产线，智能机器人协助工程师生产，产能达到每天生产2 颗卫星。而SpaceX 的产能更是达到惊人的每天7 颗。[4]相关卫星制造商面向巨型卫星星座，正在整合上下游产业链，贯穿从卫星制造、卫星发射、空间互联网服务全过程，采用批产模式，实现星座卫星的快速制造与低成本研制，实现元器件体系、产品保证、卫星制造手段全面升级。

4 巨型低轨空间互联网建设的挑战

成本控制的需求

从20 世纪90年代卫星星座的失败教训看，星座投入成本越高、用户负担越大、研制周期过长，越有可能错过发展时机。一网公司曾希望把单颗卫星造价控制在50 万美元，把项目总耗资控制在35 亿美元。虽然后来业内人士猜测其卫星造价和项目总体成本有明显上涨，但单价仍预计在100 万美元以下。而据外部分析师估计，“一网”卫星系统建设需要75 亿美元，而已融资34 亿美元的一网公司最终也因为资金筹措困难不得不申请破产保护。在2019年第一批“星链”卫星入轨后，马斯克称卫星成本低于运载成本，预计单星成本低于100 万美元。显然，巨型星座动辄千颗量级的规模对卫星研制成本控制表现了强烈的要求。

频率竞争背后的博弈

通信卫星建设的背后从来不缺空间频率轨位资源的博弈。2019年10－11年召开的世界无线电大会（WRC19）中，低轨宽带卫星星座的相关频率规则制定是会议的热点之一。

卫星通信的Ku 和Ka 频段资源是正在建设系统的焦点。与传统高轨通信卫星不同，低轨星座在该系列频率的使用上具有更高的排他性。有相关观点认为，全球只可能有2 ～3 个星座成功运行。一网公司于2016年率先向FCC 提出Ku 和Ka 频段卫星频率申请，之后包括SpaceX 公司、欧洲卫星公司（SES）和开普勒通信公司在内的各方陆续提出了另外11 项申请。然而，即便同是欧美公司，FCC 在处理频率申报上也表现出差异化的态度。2019年12年，一网公司认为FCC 对其修改申请的审核时间长得令人惊讶，未获得公平的考虑，其提交的修改申请已有18个月，仍未见回应，而其他公司的修改申请已被快速接受。

建设背后的国家安全考虑

作为全球信息基础设施的重要组成，低轨空间互联网系统对国家安全具有重大影响。各低轨空间互联网正在加快全球落地步伐，目前，一网公司已经与美、英、沙特、印度、印尼等国家落实运营的具体操作。另一方面，部分国家对低轨卫星互联网在国内运营表现出审慎态度，2019年俄罗斯联邦电信监管机构正式拒绝了“一网”系统在俄罗斯的运营申请，并表示：在俄罗斯境内，频率将优先用于本国自己的系统。

与此同时，卫星宇航制造的量变终究要带来卫星应用领域的质变。通过功能扩展，空间互联网变成了整个空间体系的重要基础平台。美军对低轨卫星互联网也表现出极大的兴趣，先后推出以“黑杰克”（Blackjack）为代表的多项基于低轨卫星互联网的军事试验项目，开展低轨商业系统军事搭载应用探索，并相继资助“一网”、“星链”等多个系统开展研究。SpaceX 公司对其“星链”星座项目的目标用户进行了详细的阐述说明，其星座的主要应用包括卫星通信和传输服务、高速无线宽带服务、卫星对地成像服务和遥感服务等。这些项目的实施，为低轨空间的开发与利用模式留下了无限的想象空间。

5 我国同类系统建设的思考

纵观国际空间互联网发展，呈现出高轨道独立发展向高、低轨道联合发展，窄带电信服务为主向宽窄带结合、区域覆盖向全球覆盖拓展的发展规律。我国在高轨道通信卫星方面从“十五”开始虽然加快了“追赶”的步伐，基本解决了我国国土及近海的常态通信覆盖，但低轨道卫星通信系统由于当时应用需求、经济和技术可行性等限制条件，一直并未启动建设。

现已进入21 世纪20年代，虽然国内目前已在开展同类系统建设，考虑到低轨道卫星通信系统的地位，特别是受频率、轨道、国际竞争、投入产出以及我国商业航天发展处于启蒙阶段等诸多限制，如何发展适合我国国情的巨型空间互联网值得深入思考。

1）突出应用导向性和经济可行性。从需求出发，按照高效、集约、适用、好用的原则，最大限度地发挥其应用效益，必须走宽窄结合的应用模式。考虑到卫星在轨寿命是卫星运营盈亏的重要限制因素，对比国外“铱星”、“一网”等卫星寿命设计要求，单星寿命设定在8 ～12年较为合适。

2）制定全球服务、标准化和批量化生产等解决方案。为更好地服务全球市场，我国同类系统建设一方面要充分利用好商业合作模式，另一方面考虑到卫星系统建设的特点，要先于天基系统设计，布局地面终端、芯片的研制开发。就目前看，面对如此数量庞大的卫星系统建设，也是对中国工业基础能力的考验。统一的设计标准、产品研制流程和互通的接口，批量化卫星生产模式的实现，是系统建设不可避免的工作。

3）考虑战略引领性和技术先导性。信息网络和服务走向天地融合的趋势日渐清晰，卫星互联网作为新一代信息基础设施的重要组成部分，是普遍信息服务的重要保障，是引领我国科技进步、促进经济发展的重要手段。天、地通信手段的深度融合，体系架构的完全统一，技术和标准的完全一体化，用户体验的高度一致，是信息通信的发展趋势，也是业界对继第五代移动通信（5G）之后6G 发展方向的重要共识。