我国低轨卫星互联网发展的问题与对策建议*

李 锋 韩燕妮 马晓玲 王 婷

近两年，美国太空探索技术公司(SpaceX)的卫星制造技术持续进步，火箭发射成本不断下降，其低轨卫星互联网计划——星链(Starlink)系统加速实施，现已在北美地区实现部分商用，计划发射共4.2万颗卫星为全球提供互联网接入服务，(1)余南平、严佳杰：《国际和国家安全视角下的美国“星链”计划及其影响》，《国际安全研究》，2021年第5期，第71页。欲形成“一网通天下”的优势地位。低轨卫星互联网尽管短期内无法与第五代移动通信技术(5G)网络竞争，但能满足航海、航空、军事等特殊场景需求，具有重要的战略价值，还能与地面移动通信网络形成互补，构建天地一体的新型互联网。本文在研究低轨卫星互联网未来发展前景，以及与5G网络相互演进关系的基础上，分析制约我国低轨卫星互联网发展的主要问题，提出我国低轨卫星互联网发展的对策建议。

一、低轨卫星互联网的基本内涵、发展前景及态势

(一)低轨卫星互联网的基本内涵

低轨卫星一般指高度在500公里至1500公里，重量在100公斤至1000公斤的现代卫星，具备通信、导航、遥感等多种功能，具有造价低、研制周期短、生产可批量化的优势，通过组网的方式能够实现甚至超越传统大卫星的功能。低轨卫星互联网是指利用低轨卫星实现局部或全球互联网链接服务的无线通信网络。随着国际贸易投资的快速发展，网络接入需求越来越多。现有卫星通信主要通过地球静止轨道卫星(GEO)进行传输，频率轨道资源非常有限，且卫星造价昂贵。低轨卫星离地表近，信号强度、可使用频率、数据带宽、应用领域等都远胜GEO。采用低轨卫星组成的星座进行通信，可实现真正的全球覆盖。总之，与中轨和高轨卫星互联网相比，低轨卫星传输时延更短、路径损耗更小；与地面移动通信网络相比，低轨卫星互联网建设成本更低、覆盖区域更广。

(二)低轨卫星互联网具有广阔发展前景

首先，航天技术的迭代升级使卫星制造和发射成本大幅降低。卫星研制引入工业化技术，可批量制造的标准模块化接口、3D打印技术、机器人生产线以及飞机批量制造经验被广泛应用于卫星制造，推动卫星实现批量化生产和商业化应用。英国一网(OneWeb)公司将卫星制造速度从每颗12～18个月，提升到了每天2颗；SpaceX更是借助成熟的汽车工业体系将卫星制造能力提升到每月产出120颗，平均每天4颗。(2)吕栋：《SpaceX平均日产卫星4颗，中国企业加速追赶》，观察者网，2022年3月25日， https：//www.guancha.cn/economy/2022_03_25_631826.shtml。商业化的一箭多星发射和可重复利用技术，也大幅降低了低轨卫星的发射成本。这些因素都赋予了低轨卫星大规模部署的可能性，也增强了其商业竞争优势。其次，互联网应用的快速发展催生卫星通信服务的新商机。智能手机与移动互联网的普及，催生了一大批基于移动互联网的创新应用，当互联网场景向飞机、游轮、汽车、野外等特殊环境拓展时，亟需提高数据服务的广度与深度，创造新的商业模式。最后，科技巨头的跨界加盟推动卫星产业链加速成熟。当前，在众多科技巨头的推动下，低轨卫星互联网探索出更多商业模式，直接带动了卫星互联网产业的快速发展。互联网行业跨界到商业航天领域最具有典型性，亚马逊、脸书、谷歌等互联网巨头现都在研究低轨卫星互联网。

(三)低轨卫星互联网呈现加速发展态势

近20年以来，“星链”“一网”“鸿雁”“虹云”等为代表的数十个星座计划掀起了发展低轨卫星互联网的高潮。SpaceX的Starlink系统不断拓展近地轨道空间，截至2022年8月，已发射卫星3108颗，并将低轨卫星广泛应用于北美等全球多个地区的通信网络接入。(3)佚名：《SpaceX再发射53颗“星链”卫星，目前总计3108颗》，新浪财经，2022年8月20日，https：//cj.sina.com.cn/articles/view/1698823241/6541fc49020016jpp?sudaref=www.baidu.com&display=0&retcode=0。2021年4月22日，中国卫星网络集团正式成立，整合相关资源，大力发展低轨卫星互联网。

二、低轨卫星互联网可与5G网络实现优势互补

受信号传输距离长、链路损耗大、信号易被干扰以及轨道和频率资源有限等因素影响，低轨卫星互联网目前还无法达到5G网络的通信质量。同时，地面移动蜂窝网络技术更迭速度更快、应用范围更广，低轨卫星互联网很难在短时间内替代5G网络，两者将形成优势互补、相互支撑的发展格局。

(一)具有广覆盖优势，但通信质量远低于5G网络

低轨卫星互联网能够低成本覆盖沙漠、海洋等地广人稀地区，但网络传输链路损耗较大，频谱效率较低，容量较小，与5G网络有较大差距，不能有效满足人口密集地区用户的高速率、低时延网络需求。调查数据显示，美国SpaceX的Starlink时延最快为20毫秒(ms)，峰值速率最快可达每秒600兆比特(600Mbps)；5G时延最快为1ms，是Starlink的1/20，峰值速率可达每秒10～20千兆比特(10～20Gbps)，是Starlink的15～30倍。Starlink单星容量约为9Gbps，全球总容量预计为每秒370百万兆字节(370Tbps)；5G每平方公里就能达到10Tbps。(4)ITU.Setting the Scene for 5G：Opportunities & Challenges， 2018， p.5.此外，在每平方公里连接数、频谱效率等方面，低轨卫星互联网也明显落后于5G网络。

(二)具有特殊场景应用价值，可弥补5G网络的短板

面向不同应用场景，低轨卫星通信和5G各有优势。一方面，低轨卫星互联网以其广覆盖和低功耗特性，可以服务未接入宽带的飞机、邮轮以及野外科考、环境监测等特殊应用场景，还能对远郊农村、高山峻岭、沙漠和森林等局部热点地区提供互联网服务，扩大地面移动通信服务的地理范围。另一方面，由于覆盖能力广、安全和私密性较强以及不受地面障碍物和灾害等影响，低轨卫星互联网经常用于政府和军队的特需服务，在应用场景上能与5G实现互补。低轨卫星互联网性能虽比中高轨卫星网络有所提升，但仍无法充分满足高密度人群、行业和区域的高流量需求。而5G网络可以实现用户高速率网络接入，满足超高清视频、车联网、工业互联网、智慧物流、智慧城市等复杂场景的需求。

(三)具有低成本优势，但短期内不可能对5G网络构成重大挑战

美国低轨卫星互联网建设及运维成本较5G网络低，资费水平与4G持平。如Starlink的卫星制造成本和发射费用约为300亿美元，后期卫星置换费用每年约为50亿美元。我国5G网络建设费用约为2000多亿美元，虽然明显高于美国的低轨卫星互联网，但5G单位流量成本较低，在满足用户高流量需求方面，拥有明显竞争优势。Starlink目前推出的流量资费为每月99美元，相当于美国主流运营商的4G资费标准，但需额外支付499美元购买地面信号接收设备。Starlink最新推出的高级套餐包括终端机每套售价2500美元，预定押金500美元，每月资费500美元，但其下载网速仅为150～500Mbps，延迟20～40ms，网络性能和整体费用远不及我国5G具有竞争优势。

(四)拥有广阔发展前景，可与地面移动通信网络协同发展

国际电信联盟(ITU)、第三代合作伙伴计划(3GPP)等机构均提出了多种星地融合的应用场景。我国“十四五”规划纲要提出，建设高速泛在、天地一体、集成互联、安全高效的信息基础设施，打造全球覆盖、高效运行的通信、导航、遥感空间基础设施体系。一方面，低轨卫星互联网与5G移动网络融合能够将先进的蜂窝网络技术引入卫星通信，有效解决卫星通信面临的容量、工程部署和移动性等问题。另一方面，低轨卫星互联网能够利用卫星链路，大力拓展5G基站的部署空间范围，在地面网络建设成本高的区域快速推进5G基站部署，助力5G基站按需布站，节约建站成本和空间。低轨卫星互联网还能够与5G共同承载相关网络业务，结合网络切片等技术，提高总体网络效能和安全性。同时，低轨卫星互联网与5G网络的融合，也是发展6G天地一体化信息网络的必然发展趋势。低轨卫星互联网与陆地无线移动通信网络、中高轨卫星互联网融合，可以建立空、天、地、海泛在覆盖的网络连接，助力6G实现全球无缝覆盖的空天地一体化网络。

表1 低轨卫星互联网与5G网络性能比较

三、我国发展低轨卫星互联网面临的主要问题

我国低轨卫星互联网存在卫星发射缓慢，商业模式不清晰，以及与地面移动通信网络优势互补不够等问题。

(一)美国加速抢占轨道和频率资源，我国发展面临严峻挑战

美国利用ITU频轨同时申请、先申先得、先发先得的规则，加速抢占总量有限的低轨卫星频率和轨道资源。据中国信通院2021年6月发布的《6G总体愿景与潜在关键技术白皮书》估算，地球近地轨道共可容纳约10万颗卫星。截至2022年4月10日，美国已申请低轨卫星50626颗，是我国申请数量(14220颗)的3.6倍。同时，美国借助SpaceX等民营航天公司决策快、成本低的优势，加速发射低轨卫星。SpaceX以每天6颗的速度量产Starlink卫星，猎鹰系列运载火箭实现了“一箭60星”并可回收重复利用，单星制造和发射成本仅为153万美元。SpaceX 2021年上半年已发射14次共840颗低轨卫星，相当于2020年全年的发射量。截至2022年4月10日，SpaceX已经累计发射2335颗，在轨2110颗，发射数量远超其他国家之和。美国已占用低轨卫星通信的黄金频段(Ku频段)，我国申请的频段分布在Ka和V频段上，虽频率更高、可用频段更大，但雨衰更大，对信号接收器要求更高。总的来看，我国低轨卫星星座申报时间较晚，缺少具有拦截性、高优先级和使用便利的频轨资源，在国际规则制定和合作上处于不利地位。同时，ITU正在针对卫星互联网弥补规则和措施的不足。依据ITU“新规则和措施不追及以往”的原则，我国申请网络资料会更为困难。此外，美国千方百计拉拢盟友使用其低轨卫星互联网，企图“一网通全球”。

表2 世界各国低轨卫星星座申请情况

(二)卫星发射缓慢，按时完成申请计划难度非常大

按照ITU规定的频谱权利以及部署卫星的时间要求，中国卫星网络集团有限公司需在2027年11月前发射已申请的12922颗卫星，否则需对申请的卫星数量进行相应调减。截至2022年4月10日，我国航天科技(鸿雁)、航天科工(虹云)、银河航天、中国电科(天象)合计发射11颗低轨卫星。我国航天工业以保障国防安全为宗旨，不计成本确保卫星发射百分之百成功，而商业应用则需要在高可靠和低成本之间选择平衡点。SpaceX容忍失败，降低对成功率的要求，显著降低了单颗卫星制造和发射成本，大幅提升了卫星发射速度。在发射能力、发射成本和重复使用等方面，我国低轨卫星主力运载火箭与SpaceX公司的“猎鹰9号”还有较大差距。“猎鹰9号”具有超出长征7号级别的运载力，然而其发射周期与成本甚至小于长征3号乙。“猎鹰9号”的商业报价比我国最便宜的“长征3号”运载火箭还要低60%。同时，我国卫星生产能力明显不足，卫星制造以传统的单星研制和小批量生产为主，以目前的生产速度完成上万颗的发射任务几乎不可能。(5)笔者2021年6月在中国空间技术研究院的调研。

(三)供应链配套体系亟待优化，难以形成整体竞争优势

我国航天产业供应链配套体系是围绕国家重大工程而构建的，成本巨大，不适应低轨卫星互联网建设的要求，供应效率有待提升，供应成本有待降低。美国SpaceX首席执行官马斯克在公开采访中表示，设计火箭并不难，困难在于建立一条生产线，而这种生产线的建设需要上下游数量众多的配套企业来支撑。(6)Eric Lofgren. Production can be 1，000% harder than design， says Elon Musk， March 16， 2020，https：//acquisitiontalk.com/2020/03/production-can-be-1000-harder-than-design-says-elon-musk/.在阿波罗计划中，参与“猎户座”飞船和“航天发射系统”重型火箭项目的主要承包商就超过1400家。这些承包商通过参与政府大型项目，积累了丰富的经验，为新兴航天公司的起步和发展提供了良好配套基础。我国商业航天产业链和产业生态的构建尚在起步阶段，整体处于技术积累的初始阶段，存在技术创新薄弱、开发应用能力不足等问题。大多数民营企业集中在系统总体集成方面，产业链配套企业较少，现代航天产业供应链配套体系亟待转型升级。

(四)商业模式不清晰，难以形成持续发展能力

低轨卫星互联网的商业化应用能够增加其“造血”能力，长期依靠国家财政补贴的非市场化运营方式难以为继。SpaceX Starlink的商业模式较为清晰，初期为美国、加拿大提供低轨卫星互联网商用服务，中后期逐步实现全球商用，预计年盈利可达30亿至500亿美元。此外，Starlink的低延迟特性可以为世界金融中心的高频交易提供网络服务，预计收益可观。我国光纤优势明显，低轨卫星互联网很难与地面移动通信网络竞争，亟需创新商业模式。我国低轨卫星互联网实现国外运营也面临较大挑战，既有国外公司的激烈市场竞争，又有复杂的地缘政治风险。低轨卫星互联网要实现国外运营，频率“走出去”是重要环节。目前，各国对频率落地使用的规则各不相同，我国低轨卫星互联网“走出去”需寻求东道国的认可和支持。随着频轨资源竞争日益白热化，各国对低轨卫星互联网的立场不同，也对我国低轨卫星互联网“走出去”构成挑战。

表3 全球主要低轨卫星互联网的商业模式

(五)统筹协调不够，尚未与地面网络形成互补发展格局

2016年，我国航天科技和航天科工集团分别提出了“鸿雁”和“虹云”低轨卫星通信星座计划。由于缺乏长期发展规划及行业标准，无法为国家相关重大项目实施提供决策依据，无法为行业参与者提供规划参考。低轨卫星互联网不仅能与5G网络互补发展，还将与6G网络实现融合发展，亟需出台统筹低轨卫星互联网与地面移动通信网络、中高轨卫星网络协同发展的战略。此外，基于低轨卫星互联网的比较优势，我国偏远地区地面网络基础设施建设计划，以及我国与东盟之间的跨境海底光缆建设计划需要重新评估建设方案。

四、加快我国低轨卫星互联网发展的对策建议

在全球主要国家大规模发展低轨卫星互联网的背景下，我国应加大投入力度，加快低轨卫星发射进程，尽快抢占近空领域卫星轨道和频率资源，培育竞争和反制能力，防止形成美国“一家独大”的垄断地位。同时，应积极推动低轨卫星互联网与地面移动通信网络融合发展，形成空天地一体化网格发展的新优势。

(一)加强协调，系统构建低轨卫星全国“一张网”

低轨卫星互联网作为科技创新的前沿领域，与航天、智能制造等技术紧密联系，直接影响国家安全，经济高质量发展以及国际竞争力。一要加强多部门协作联动，做好国家低轨卫星互联网重大战略规划的衔接，形成统一的技术发展长期路线图。统筹规划“鸿雁”“虹云”“天象”等在内的低轨卫星星座建设计划，做好“高低轨”“宽窄带”“区域与全球”“军用与民用”等方案的统一论证。二要研究构建低轨卫星互联网新型举国体制，汇集科研院所、国内一流宇航公司和信息通信企业等多方力量，攻克一批真正制约我国天地一体化信息网络建设的关键技术，建设国际一流的低轨卫星互联网，探索出具有国际影响力的中国方案。

(二)加紧布局，尽快抢占低轨卫星频率和轨道资源

2025年前是空间互联网部署的关键时期，也是各大空间互联网星座系统抢占频轨资源的关键时期。一是坚持“赶紧建、赶紧抢、赶紧用”原则，尽可能多地完成我国已向ITU申请的卫星发射数量，加速推进低轨卫星互联网建设。二是积极申报与储备低轨空间不同轨道高度的星座频率资源，以滚动申报、扩展申报为主，备份申报为辅，实现对中低轨道和极低轨道的Ka、V、E、W频段全覆盖。三是优化空间频率资源分配与管理机制，对军用和民用卫星频率资源分配与管理进行顶层规划，加强国内国际轨道协调，确保我国卫星互联网频率轨道资源可用。四是坚持政府为引导、企业为主体、市场为主导的基本原则，鼓励和引导民营企业参与国际频率轨道资源竞争，全面推进我国非静止轨道宽带卫星星座系统在不同轨道的布局。随着中国卫星不断“走出去”，以及欧美国家卫星运营商向亚太地区扩张，国际频率协调日益增多，我国要实现低轨星座互联网建设计划与国际规则的动态匹配，保障频率轨道资料有效性，提升国际话语权，保障我国频率协调利益。

(三)加大投入，努力降低卫星制造成本和发射费用

自动化大批量生产是降低卫星制造成本的关键，我国亟待集中力量进行卫星生产线建设，大幅提升卫星航天信息技术研制效率，适应星座大规模组网建设需求。因此，要加强卫星生产技术攻关，支持整星批量生产线建设，大幅提升生产效率和产品质量，填补适合低轨卫星的柔性生产线空白。在降低运载火箭发射费用方面，要加快航天运输工业体系由研制型转向批产型，建设基于5G的脉动式总装测试生产线，尽快实现中型运载火箭产能大幅增长。加强星箭联合设计，形成更科学的发射布局方案，实现运载能力、整流罩包络的充分利用，更好发挥新一代助力中型运载火箭的组网优势。同时，要按照“军管民建”的思路，在文昌、宁波、海阳等地论证商业发射工位，通过军民融合手段建设商业发射场，形成对现有发射场能力的有力补充。

(四)放宽准入，大力支持低轨卫星企业创新商业模式

适当放宽对民营企业在频率分配、卫星轨位、空间分辨率等方面的限制，尽快制定低轨卫星互联网商业化的实施细则和法规，简化监管框架、政策和审批流程。推动电信运营资质试点，优先向领先民营企业颁发《基础电信业务经营许可证》试点资质，支持低轨卫星企业有序开展卫星通信基础电信业务，探索民营企业准入“负面清单制度”，充分调动和发挥民营企业的力量与优势。结合下一代互联网、移动通信网及工业制造、智能交通、智慧城市等领域的发展情况，探索卫星互联网多元化、智能化应用。鼓励国有和民营企业共同探索低轨卫星互联网在航空、航海、环境监测、抢险救灾等领域的应用，不断催生新产业、新业态、新商业模式。

(五)统一标准，加快形成有国际竞争力的标准体系

借鉴我国地面4G、5G的成功经验，统筹推进我国卫星互联网标准体系建设，加速推进业务需求、网络、测试、信息安全、应用等系列标准的制定，提高我国低轨卫星企业自身实力。建议相关部门组织行业内知名国企、民企及高校成立我国空间互联网标准体系联盟，下设频率规范组、平台及载荷规范组、协议体系规范组。由联盟单位就关键技术提出草案，组织专家组进行研讨，最终形成标准方案。成立相关认证和评测机构，负责对卫星平台及载荷进行标准认证以及发放发射许可。此外，鼓励和支持相关企业深入参与国际标准制定，加强自主标准体系在国际移动通信、民航、海事等重要领域的应用与推广，提升我国标准的国际影响力。

(六)强化融合，推动与5G网络互补发展、与6G网络融合发展

当前，3GPP在Rel-16标准中已经对5G卫星接入进行了规范，下一步要积极推进以地面移动通信网络为基础的全球一体化连接的互联网建设。构建一体化的架构、功能、接口、流程，全面促进低轨卫星与5G的终端融合、网络融合、中台融合、网管融合、业务融合，实现用户全球无缝通信连接。支持运营商优先在大城市建设5G网络，在偏远地区及跨境区域应用低轨卫星互联网，实现优势互补、利益共享、风险共担，达到整体效费比最优。积极探索低轨卫星互联网与6G融合体系的构建，支持通信业务多样性接入，满足不同应用和服务需求，充分考虑低轨卫星互联网和6G核心网体系架构、通信协议、终端形态和服务方式的融合，探索采用统一的技术架构、技术体制和标准规范综合组网。

(七)倡导开放，推动低轨卫星互联网国际协商与合作

一是遵循开放、协作、共享的原则，倡导各国加强低轨卫星互联网国际合作，推动全球一体化发展，避免形成技术壁垒以及空间网络资源浪费。二是推动低轨空间环境治理问题的协商与合作，提炼出低轨卫星在轨服务面临的空间碎片减缓、污染监管、落区控制等关键法律问题，尽快将其纳入全球治理的法治轨道。三是增强我国低轨卫星互联网全球服务能力。加强对“一带一路”沿线国家遥感、导航、通信卫星信息的应用需求和市场分析，优先考虑为“一带一路”沿线国家间跨境物流、船舶通信、远程教育、远程医疗、应急通信等领域提供服务。协助发展中国家提升信息基础设施水平，助力解决数字鸿沟问题。