低轨宽带卫星通信产业发展及前景分析

刘佳

【摘要】    随着全球低轨宽带卫星产业的加速发展，低轨星座进入了大规模部署阶段，低轨宽带卫星通信在5G时代迎来重大战略机遇。本文首先介绍了国外低轨宽带星座部署规划和建设现状，其次从特定场景需求、应用定位和实用性等方面探讨了未来低轨宽带卫星通信的发展前景及应关注的问题。最后从技术创新、系统适应性等多个角度分析思考，给出利用星地多技术融合构建天地一体化信息网络的建设思路，以及长期发展可行性策略。

【关键词】    低轨宽带卫星    卫星通信    Starlink    5G

Abstract：With the accelerated development of the global low-orbit broadband satellite industry， the low-orbit constellation has entered a stage of large-scale deployment. The low-orbit broadband satellite Communication has ushered in a major strategic opportunity in the 5G era. First， in terms of specific scenario requirements， application positioning， and practicality， this article discusses the development prospects of low-orbit constellations and issues that should be paid attention to. Second， according to the deployment planning and construction status of foreign low-orbit broadband satellite communication. Finally， from the perspectives of operating mode， technological innovation， and system adaptability， this article puts forward the construction ideas for building a space-ground information network by combining multiple technologies， as well as a long-term feasible strategy.

Keywords： LEO broadband satellite，Satellite communication，Starlink，5G

引言

低轨宽带卫星通信是利用低地球轨道（LEO）部署的向地面和空中用户提供宽带通信服务的新型星座网络，具有广覆盖、低延时、宽带化、低成本等特点。随着卫星制造和火箭发射成本的下降，采用低轨宽带卫星提供宽带接入服务已具备一定竞争力，低轨星座建设迎来了猛烈的发展热潮。在当前这新一轮的航天产业浪潮中，越来越多国家意识到低轨宽带卫星通信的特殊性和重大战略意义，争相提出各自的低轨星座计划，积极战略布局。

近年来，美国加强以商业航天为主导的发展模式，推进航天技术商业化。目前不仅“铱星”（Iridium）、“全球星”（Globalstar）、“轨道通信”（Orbcomm）三大传统低轨通信系统已完成升级换代，并向多功能综合和物联网（IOT）方向发展;“一网”（OneWeb）和“星链”（Starlink）这样新兴的低轨宽带通信也进入快速建设期。因此，中国要加速低轨卫星频谱和轨道战略资源的申请和储备，尽快完善军民融合的发展机制，构建空天地一体的航天产业生态。

一、低轨卫星通信网络架构

低轨卫星一般位于距离地球表面500～2000公里的范围，高度较同步轨道低，这使得低轨卫星传输的延时更短，路径损耗更小。低轨卫星通信网络是基于多类型的低轨星座组成的骨干通信网，以星间链路和星地链路为物理传输介质，与高轨卫星网络和地面网络（移动通信网、IOT和Internet等）实现互联互通，共同构建成一个能够实时接收、传输和处理信息的星地网络体系[2]。低轨卫星网络主要架构如图1所示。

低轨卫星通信网络包括空间段、地面段和用户段三个部分。其中，空间段由众多低轨卫星（含星间链路）组成，负责数据信息的接收和转发，部分卫星具备星上处理能力;地面段包括各类关口站（Gateway）、测控单元、网络控制中心;用户段由各类用户终端构成，包括手持终端、IOT终端，以及固定/移动甚小口径终端（VSAT）等。

按照天基组网、天地互联的思路，以低轨卫星网络为基础，覆盖太空、空中、陆地、海洋等自然空间，为天基、陆基、海基等各类用户提供宽带接入和信息保障，将人类的网络空间提升到一个新的维度[3]。

二、低轨宽带卫星通信产业发展概况

2.1国外低轨星座发展布局

低轨宽带卫星产业以其日益凸显的国家战略地位、潜在的市场经济价值，国外航天公司相继公布了发展计划或已开展星座的建设计划，并快速推进星座的战略部署。

SpaceX公司“星链计划”拟于2019～2024年间发射约4.2万颗低轨卫星构建一个多层覆盖的巨大星座，以提供实时、高速、廉价的宽带网络服务。截至2020年8月18日，SpaceX通过其可回收运载火箭“猎鹰9”陆续将11批共600多颗Starlink卫星送入地球轨道，预计在2021年3月前实现第一阶段的550千米轨道高度部署，开始提供全球服务。在这个过程中，Starlink的建设速度和技术版本不断提升，基于毫米波和激光的下一代通信链路和相应标准也正在搭建[2]。加拿大卫星Telesat通信公司计划到2022年建立一个由300颗卫星组成的星座，为加拿大农村和偏远地区提供寬带接入服务。

美国越来越重视低轨星座的建设和利用，以契合太空信息化作战的新需求，具备多域作战、分布式作战等军事应用的潜力。

2.2我国低轨宽带卫星通信发展

为应对当前激烈的国际竞争，稳固航天强国地位，我国应提前布局低轨频段资源、发展低成本航天技术、优化航天发展模式。依照美国的成功经验，我国航天企业可以少走弯路，实现弯道超车。抓住低轨宽带卫星通信发展契机，推动航天全产业链技术创新，快速抢占低空轨道，布局中国低轨星座网络，提升我军全球范围作战能力。未来社会将是天地融合、万物互联的数字经济时代，而5G已成为当今全球经济与社会数字化转型的关键。2020年10月，我国已成功开展低轨宽带卫星+5G海上融合组网试验，达到预期目标，表明我国具备加快发展基于5G的低轨宽带通信的技术与产业。进一步落实国家新基建战略部署，发展低轨产业生态，推动低轨卫星与5G协同发展，建设全球全网融合型通信网络平台，打造万物汇聚、智联生活、普惠大众的智慧网络。

1.无缝覆盖全球服务

目前地面宽带数据传输主要依靠传统的地下或水下光缆接入，长距离铺设光缆需要高昂的成本，而且覆盖范围有限。针对特定的宽带接入场景（航空、航海、边防），地面网络由于技术或经济因素很难实现，利用卫星覆盖广、容量大、不受地域影响等独特优势，为空中、海上、边远地区用户提供低成本的宽带接入服务[4]。构筑全球无缝覆盖的一体化信息网络，以满足全方位的移动宽带覆盖和规模化接入需求，既节省资源又降低了成本。

2.构建多技术融合的智慧网络

从实际业务需求出发，低轨卫星需要通过多种业务、多个技术的相互融合，构建空、天、地一体化的智慧专业网络[5]。随着我国5G的商用部署的逐步推进，低轨网络与地面5G网络合作互补，通过5G网络可提升卫星通信的传输速率和用户体验，建成卫星通信+5G的融合网络。同时通过与物联网、云数据、智慧城市建设等领域的深度融合，将全面带动商业航天上下游产业链的发展，撬动更大的经济增长点。

3.提升军事信息化战略能力

在军事领域，加速推进低轨宽带卫星在军事领域的融合应用。太空网络已经作为支援陆海空作战的关键一环，摆脱陆基通信系统的限制，掌握太空就能掌握未来战争的主导权。为满足未来作战需求，构建多样化的军用通信网络，提高战场情报信息的传输与处理速度，具备实时感知和规模化部署能力，提升指挥作战效能，完善信息化战场上的作战模式。低轨宽带卫星产业的大规模部署应用，将进一步提升军用导航定位精度和抗干扰能力，强化多域联合作战、全域机动和跨域协同作战能力。

三、低轨宽带卫星通信发展前景分析

3.1商机与挑战并存

在商业航天领域，国外巨头技术领先、资金储备充足、产业链部署完善。美国早已通过制定国家战略和相应法律，为低轨星座的发展提供长期的政策和资金支持。以Space X公司为代表，一直致力于火箭的研发，通过增加火箭有效载荷和复用次数，充分节约商业成本，火箭发射服务带来的庞大利润有效支撑了星链计划的后续发射。同时还建立了完整的商业航天产业链，StarLink创新商业闭环模式，集卫星、火箭、地面站制造、火箭发射和回收、卫星运营和服务于一身，形成商业闭环[7]。随着在轨卫星的增多，未来Space X的重心会向地面站建设与卫星运营服务开拓。

航天行业属于技术密集、资金密集型行业，需要资本、技术、政策的多方面支持。近几年国家已启动了系统性发展计划，政府在航天领域的投资逐年提升，技术研发和产业推进正在积极展开。目前国家正加快建设低轨宽带网络，逐步开始建设地面设备和开放应用服务，为“一带一路”沿线国家及区域提供空间信息服务能力，助力实现信息互联互通。

低轨宽带通信商机巨大，同时也有短板。首先是建设和运维成本，尽管卫星发射成本和门槛降低了，但经济成本和资费肯定高于5G网络;其次低轨便携终端功耗大，而且对雨、雪、雾霾等天气十分敏感，能否提供优质服务是重要因素;最后是系统适应性问题，对不同地区、不同需求提供不同的服务模式，就需要足够多的卫星和足够大的带宽，这对系统设计是较大的考验。从更好用、更便宜的角度考虑，面向普通消费者不具有竞争力。

3.2未来前景与发展策略

低轨宽带卫星产业建设开支巨大，而且还需考虑星座运营后能否提供稳定的服务以及如何大规模应用问题。面对地面光纤连接网络以及电信运营商移动通信的成熟运营，低轨宽带卫星产业必须严控成本，提升市场竞争力。

在我国高速发展科技强国空间战略的大背景下，从科研制造、运营服务、投融资等多方面推动航天产业链各个环节协同发展，构建完善的卫星产业生态系统。这里从应用需求、运营模式、技术创新等多个角度分析，商业模式如何创新破局，快速构建一个全球覆盖的天地一体网络。

1.宽窄结合、阶段提升

应用战略方面，低轨宽带卫星部署有利于加快传统基础设施产业信息化改造进程，目前我国卫星移动通信以L频段为主、宽带通信以Ka频段为主。基于L频段多波束設计，移动通信可以实现全球无缝覆盖;按照地面终端业务需求，为用户提供按需的Ka频段宽带数据传输服务。

2.天地协同、互补发展

目前我国5G产业已经具备较大的国际影响力，应积极参与5G卫星的标准制定工作，推动异构网络融合互通，取长补短[8]。充分发挥我国在商业航天、5G 移动通信和集成电路产业的综合优势，在空口波形设计上可借鉴5G波形设计，如正交频分复用（OFDM）、Polar 码等，针对低轨星座多普勒频移大、传输时延长等特点进行算法适应性改进，提升用户体验，降低研发成本。正在实现5G时代的天地网络一体融合、全球互联。

3.优化商业航天模式

低轨宽带卫星产业部署初期投入巨大，建设周期长，吸收国外产业发展的经验教训，避免盲目跟随。在产业链布局方面，以航天产业引领，推动航天产业与移动通信产业、集成电路产业的深入合作，建设开放、融合、共赢的航天经济生态圈，加速实现低轨宽带卫星通信商用价值变现。

我国商业航天的发展，单纯依靠国家投入是不够的，需要民营航天企业的成长。通过军民融合的运营模式，与“国家队”携手共同发展，既可以合理配置和有效利用各种资源，避免军民重复建设、分散建设，又可相互促进激发产业的创新活力。

4.形成市场联动效应

商业航天的应用发展，成本效益与市场是主要制约因素。目前我国商业航天产业公司大多处于初创阶段，低轨宽带卫星的建设部署，需要融入互联网思维和模式，采用资本合作的方式完成。互联网企业的加入必然带来资本的引入，有利于快速迭代、快速形成有利益保障的市場化联动[7]。同时借鉴国外先进的融资理念等，以良好的经济效益和市场需求契合度为驱动，一方面降低成本，一方面进一步拓展应用潜力，加快低轨宽带通信的全球部署及应用。

四、结束语

当前全球低轨宽带星座建设已进入快速发展期和密集部署状态，国内航天企业应把握住这一发展机遇，基于航天工业和5G产业的技术基础，构建起新一代星地融合体系架构。充分发挥我国成熟的5G产业链优势，发展基于5G的低轨宽带卫星产业，创新星地融合新航天商业模式，加快星座部署建设，构建海、陆、空、天一体化新型信息网络，实现面向全球的宽带通信服务。

参  考  文  献

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[3]陈山枝. 关于低轨卫星通信的分析及我国的发展建议[J]. 电信科学， 2020， v.36（06）：5-17.

[4] PORTILLO I D， CAMERON B， CRAWLEY E F. A technical comparison of three low earth orbit satellite constellation systems to provide global broadband[J]. Acta Astronautica， 2019， 6（159）： 123-135.

[5] Evans B， Onireti O， Spathopoulos T， et al. The Role of Satellites in 5G[C]//2015 23rd European Signal Processing Conference. Nice， France： IEEE， 2015：15681624.

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[7]汪春霆， 卢宁宁， 翟立君，等. 卫星通信与地面5G融合技术初探（三）[J]. 卫星与网络， 2019， 191（03）：30-35.