国外低轨卫星互联网发展最新态势研判

王韵涵 李博 刘咏

（1北京空间科技信息研究所 2航天东方红卫星有限公司）

近年来，全球卫星领域正在经历一场轨道革命，以低轨卫星互联网为代表的低轨空间活动，正在成为全球航天领域以及非航天领域的关注焦点。

1 国外低轨卫星总体态势

卫星轨道革命加速演进，低轨空间成为全球航天发展焦点

在商业资本、国家战略和技术演进的共同推动下，低轨星座领域取得了跨越式发展。近20年来，低地球轨道（LEO）卫星在年度发射航天器数量占比从57%迅速攀升至97%，年均部署数量提升了2个数量级，地球静止轨道（GEO）卫星占比则从30.5%下跌至1.7%。截至2021年12月，全球在轨卫星已突破5000颗，其中，LEO轨道卫星占比超过83%。LEO在轨卫星中，通信卫星、遥感卫星合计占比超过83%，且这两个比例仍在持续快速增长。

低轨通信卫星数量爆发式增长，高低轨通信卫星质量分布差异化

巨型星座刺激下，相比2001-2005年、2016-2020年，LEO轨道通信卫星数量激增了近40倍。与此同时，GEO轨道通信卫星则陷入低迷，近年来，实际部署与新签订单均不理想，传统运营商收入增长乏力，行业整体处于格局与模式重塑阶段。通信卫星总体入轨质量稳步增长，但GEO轨道通信卫星质量下滑严重，LEO轨道通信卫星制造商多为新进入者，传统制造商市场承压增大；单星质量差异化分布凸显，相比21世纪初期5年，近5年，高轨单星质量增长27.5%，低轨单星质量则下滑59.12%。

全球通信卫星发射统计（2001——2020年）

全球LEO在轨卫星用途分类（截至2021年12月）

全球在轨卫星轨道分布（截至2021年12月）

行业竞争激烈、格局复杂，“星链”不断刷新业界纪录

2019年以来，低轨商业通信星座迈入高峰期，在外部融资、工程建设、频率申请、应用布局等多个维度工作不断加快，以“星链”（Starlink）、一网（OneWeb）两大星座为引领、“群雄逐鹿”抢占市场先发位置的态势凸显，行业已经迈入竞争淘汰的实质性阶段。“星链”星座建设步伐领先全球，截至2021年12月，太空探索技术公司（SpaceX）已通过37次发射部署了1944颗卫星（含两颗试验卫星），发射频次从2019年的1年2发，快速增长至2020年的1年14发，2021年上半年实现峰值20天4发，2021年全年19发。按此推算，卫星工厂交付速度已突破每月150颗。

主流低轨通信卫星星座第一期规划建设情况（截至2021年12月）

资本市场助推初创探索，重大节点与融资步伐同频共振

低轨商业遥感与通信星座发展的主力是初创企业，对从资本市场获取经营前期资金支持模式具有极大依赖性，过去10年，卫星制造、数据分销、卫星应用方向融资额度不断增长。SpaceX公司自2015年正式提出“星链”计划后，在资本市场的融资力度实现空前增长。“星链”计划提出之时即获得10亿美元投资，而此前融资总额不足2亿美元。SpaceX公司发展模式与业务前景得到投资界充分认可，“星链”星座每个重大建设应用节点均获融资支持，至2021年融资已突破60亿美元。2020年，摩根斯坦利公司的一份估值报告显示，在SpaceX公司目前各业务版块中的价值结构中，“星链”星座业务高达808.58亿美元，占比80%，已成为SpaceX公司的核心业务。

2 低轨卫星互联网发展的特征和趋势

低轨卫星互联网建设呈现“两极化”特征

当前，低轨卫星宽带网络建设“两极化”特征明显，行业发展格局逐步向“卫星”与“互联网”两个方向分化。一方面，SpaceX和亚马逊（Amazon）等卫星网络建设者聚焦个人消费者，以“极致体验”、“流量为王”为核心策略，采取“商家对顾客”（B2C）为主的发展模式，旨在夺取以“亿”为预期规模的消费者市场，采取数千甚至数万颗超大规模设计，前期放开试错空间，以部分质量损失换效率，“多、快、够”地建设星座，第一时间抢市场。摩根斯坦利分析，预计2040年，“星链”星座全球注册用户有望达到2.92亿人，市场占有率将达80%，单用户月均收入21美元，年度营收将超700亿美元。

另一方面，一网公司（ONEWEB）和加拿大电信卫星公司（Telesat）等卫星网络建设者由传统运营商参与或主导，核心定位均以移动载体网络为主，面对政府与企业用户，采取“企业对企业”（B2B）为主的发展模式，星座规模相对较小（数百颗），网络服务质量高且稳定。建设策略上，选择与传统研制商合作，强调在轨高可靠性。以Telesat公司的“光速”（Lightspeed）星座为例，“光速”卫星设计寿命10年，单星造价1600万美元，星座现阶段预计总建设成本50亿美元。由于无需像“星链”星座一样严重依赖小型化相控终端，企业用户具有更好承受能力，可配置大口径机械可动点波束天线，且绝大部分终端成本可由企业承担。

低轨卫星互联网关键技术快速发展

卫星通信系统容量性能快速攀升，高轨高通量卫星容量在2000年左右普遍小于5Gbit/s，2011年首次达100Gbit/s，2017年首次达300Gbit/s，2022年即将发射的卫讯-3（Viasat-3）卫星容量有望突破1Tbit/s。另一方面，从一颗卫星所代表的单位性能质量密度（即容量/质量）角度来看，2010年以前的早期宽带卫星，如卫星宽带系统（IPSTAR）普遍低于15（Mbit/s）/kg，第二代高吞吐量卫星（HTS）系统，如卫讯-2（Viasat-2）等可以实现20～50（Mbit/s）/kg，以“星链”为代表的低轨星座阶段，已经突破80（Mbit/s）/kg，而且随着后续卫星能力升级，有望进一步升高，甚至衍生出航天版“摩尔定律”，推动技术、应用全面进入“新时代”。

当前，低轨卫星互联网关键技术聚焦在超大容量、组网优化、多网融合、高效运控方面，总结特点如下：

当前，多个主流低轨星座系统均提出发展星间链路能力。激光星间链路技术不断成熟，促进传输延迟降低，传输效率和数据安全性提升，10Gbit/s星间传输能力成为标配，远景目标将达到100Gbit/s。“星链”“一网”二代星座确定配置激光星间链路，“光速”星座提出通过激光实现空间组网，美军力推星间激光链路（OISL）标准统一化、通用化，为未来多系统星间互联奠定技术基础。

随着低轨星座快速发展和普及应用，高中低轨竞争、联合并存的新业态正在逐步形成。随着用户市场需求不断扩大，无缝覆盖要求越来越高，高中低轨异构星座趋向融合，低轨星座面向更高频段发展。一方面，部分公司选择高低轨星座融合方案。Telesat公司未来将基于已有的高轨HTS宽带系统和“光速”低轨宽带星座，打造分布式、灵活、低延迟、高吞吐量、可负担的全球宽带架构，推动实现地面回程通信、航空、海事宽带通信兼容和互操作。国际移动卫星公司（INMARSAT）提出“交响乐团”（Orchestra）通信网络建设计划，整合其高轨卫星、未来低轨卫星和地面5G设施，打造全球性、多维、动态的综合网状网络，面向全球移动用户提供超高容量窄带通信服务。另一方面，部分公司选择发展更高频段星座实现系统容量扩充。“星链”“一网”等系统均有Q、V频段星座规划。波音公司（Boeing）147颗V频段非地球同步轨道（NGSO）卫星取得美国联邦通信委员会（FCC）许可，将面向个人、商业、事业机构、政府和企业客户提供宽带通信服务。

低轨卫星通信与地面5G的一体化融合成为业界讨论的热点话题。国际电信联盟（ITU）、第三代合作伙伴计划（3GPP）、欧盟5G系统中卫星与地面网络融合联盟（SaT5G）等标准化组织组建了专业团队对卫星通信与5G融合组网相关问题进行深入研究，推动卫星互联网在5G融合中的角色定义。ITU提出卫星与5G融合的4类应用场景，包括小区回传、中继到站、动中通和混合多播场景。6G研究热潮兴起，2020年2月，ITU正式启动面向2030及6G的研究工作，2030网络技术焦点组提出6G网络三大目标，明确6G将包含卫星网络。

卫星虚拟化地面站体系框架

面对大规模星座监控与网络运行管理带来的技术复杂度与成本难题。云网管控技术热点聚焦在基于云计算的虚拟化地面站技术以及基于星间组网、人工智能的自主控制管理等方面。美国北方天空研究所（NSR）发布《卫星地面网络虚拟化》白皮书指出，地面段的虚拟化是卫星通信行业面临的最重要的变革之一。随着超高通量卫星、软件定义卫星和低轨大规模星座的快速发展与创新，为了更好地适应多属性、多轨道、多频段复杂网络架构，地面段的创新将成为关键要素。虚拟化地面系统采用云计算技术，支持运营商通过软件手段从传统的基础设施升级到虚拟系统，可降低运营成本，节省资源并缩短部署时间，具有可靠、可扩展和统一管理的优点。

低轨卫星互联网具有支持军事应用的重要效能

商业卫星通信服务与国家战略需求更加深度捆绑，冲击军民航天系统理念、形态与途径。目前，国外政府和军方机构利用商业卫星服务的模式主要有三种：一是直接采购服务，成为国家综合设施的重要组成；二是提供搭载服务，推动快速构建多功能的卫星系统；三是共享研制资源与技术接口，实现体系深层次融合。

低轨卫星互联网成为国家信息网络基础设施的重要组成部分，美国、加拿大等国家正在推动乡村宽带建设，消除数字鸿沟。美国政府推出乡村数字宽带基金计划（RDOF），旨在为美国宽带接入欠发达地区提供千兆网速宽带接入服务，其中授予SpaceX公司8.86亿美元补贴，以期通过“星链”星座为偏远地区提供互联网服务。加拿大国家与地方政府已向“光速”星座投资约12亿美元，旨在利用其提供价格低廉的高速互联网服务。

商业卫星通信服务采购也是外国军方卫星通信能力建设的重要补充性方式。以美军为代表，其近20年来耗资超过百亿美元，持续利用短期合同、长期租约等渠道，采购多种形式的商业卫星通信服务（包括容量租用、网络托管、一站式方案等），为其全球作战部署提供了有力支持。2020年2月发布的《美国天军卫星通信发展愿景》中，提出构建军、商统一的天基通信网络“资源池”、实现“终端和网络的敏捷性”。地面段通过打造“资源池”、支持终端在不同网络之间“无缝漫游”“灵活切换”，从而大幅改进其作战通信保障效率。

通过低轨卫星搭载成熟军民载荷的方式，军方可充分利用未来5～10年低轨卫星的高频部署期，革新能力生成方式与部署效率。以“铱星”（Iridium）为代表的先进商业星座已实现对低轨导航、导弹拦截效果评估等多类功能的承载，增强美地基中段防御系统杀伤评估能力。“下一代铱星”（Iridium NEXT）系统有22颗卫星搭载了美国导弹防御局（MDA）发展的“天基杀伤评估”（SKA）载荷，单个载荷质量约10kg，由高速光谱传感器、高速偏振成像传感器和高速偏振非成像传感器组成，主要用于确定导弹拦截系统在执行任务过程中是否拦截目标、拦截目标的类型、是否正面撞击、目标是否被摧毁等关键问题，对美军现有地基中段防御系统的杀伤评估能力将形成良好的改进和补强。

美国军方加速推进利用商业卫星支持国防应用，空间段通过标准的星间通信接口，实现不同商业通信卫星系统与军事系统之间的“入网离网”“即插即用”，增加网络体系的弹性、改善网络服务的可用性、提升链路可靠性。美国国防高级研究计划局（DARPA）发展“黑杰克”（BlackJack）项目，以通信卫星网状网络为基底层，将通信、导航、遥感等多类应用有机综合，发挥网络数据共享与在轨实时处理的协同效应。美国航天发展局（SDA）拟建设下一代国防太空体系，包含约658颗小卫星的传输层星座，将极大程度上利用“黑杰克”项目，以及商业低轨宽带互联网星座现有的载荷技术方案、先进商用现货产品等成果，每颗卫星将配备星间链路功能和备份的星地链路，提供基础的数据传输服务。

3 结束语

总体来看，全球卫星互联网发展竞争态势激烈，主要航天国家正在加速介入。美国军方多项目并行推进低轨星座开发应用，加拿大政府斥巨资扶持本国低轨系统，俄罗斯利用航天国家集团统筹加快“球体”星座建设，欧盟启动天基全球安全通信系统和空间交通管理项目，英国政府收购一网公司扶持星座建设。卫星互联网巨大的潜在应用效能已经引发政府、军方、商业等多方力量的强烈关注和重视。