國 志，劉 暢

（國家無線電監(jiān)測中心，北京 100037）

1 低軌星座系統(tǒng)

自世界上第一顆人造衛(wèi)星由蘇聯(lián)于1957年10月4日發(fā)射成功，并首次收到從人造衛(wèi)星發(fā)來的無線電波開始，人類便開始嘗試通過衛(wèi)星進行通信。20世紀90年代起，第一批以銥星、全球星為代表的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)公司開始將衛(wèi)星通信商業(yè)化，并嘗試與地面移動網(wǎng)絡(luò)爭奪市場。但中高軌的衛(wèi)星通信由于時延長、帶寬窄、費用高，未能實現(xiàn)廣泛商用。而近些年以SpaceX 為代表的一批低軌星座系統(tǒng)，既有覆蓋范圍廣泛的優(yōu)勢，又有足夠的帶寬和相對低的時延，以與地面網(wǎng)絡(luò)互為補充共同發(fā)展的運營策略，成為極有潛力的商業(yè)模式，并被資本市場看好。

低軌衛(wèi)星星座主要使用質(zhì)量在1，000 kg 以下的微小衛(wèi)星。相比中高軌衛(wèi)星，微小衛(wèi)星具備研制周期短、研制發(fā)射成本低、發(fā)射方式靈活等突出優(yōu)點。尤其是近年來，得益于微電子技術(shù)的進步，輕型材料的研制以及高功率太陽能電池的出現(xiàn)，小衛(wèi)星得以迅速發(fā)展，被廣泛應(yīng)用于全球民用通信、遙感氣象、地球科學、空間科學、行星探測、技術(shù)驗證等領(lǐng)域。

2 國外低軌衛(wèi)星星座系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

美國SpaceX 公司的星鏈計劃在2018年3月獲得審批，計劃于2025年前完成部署。星鏈使用Ku，Ka，Q/V 頻段，計劃在335 km–1325 km 軌道高度部署1.2萬顆衛(wèi)星。首批4，425顆星單星容量20 Gb/s，系統(tǒng)吞吐量88 Tb/s，理論時延為25 ms。單星質(zhì)量227 kg，設(shè)計壽命5年。星鏈計劃旨在為公眾提供廉價、快速的寬帶互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，是迄今為止提出的規(guī)模最大的星座項目。先后在2015–2019 年完成了5 輪融資，共計近30 億美元。SpaceX 通過火箭回收技術(shù)、自行研發(fā)各種部件等方式，大幅降低發(fā)射成本。其獵鷹重型火箭在最大有效載荷的情況下，每顆衛(wèi)星的生產(chǎn)和發(fā)射成本低于50萬美元，遠低于其他競爭對手。

美國OneWeb 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)于2017年6月獲得審批，是美國首個獲批的星座計劃。使用Ku，Ka 頻段，計劃在1，200 km 軌道高度的18個軌道面部署1，920顆衛(wèi)星。首批648顆星單星容量7.5 Gb/s，系統(tǒng)吞吐量5 Tb/s，單星質(zhì)量150 kg，可提供400 Mb/s 的寬帶接入能力和32 ms 的延時，單星造價約100萬美元。或受2020年全球疫情的影響，3月28日，OneWeb 公司宣布申請破產(chǎn)保護，此前它已獲得34億美元投資。而僅僅幾天之前的3月21日，OneWeb 剛剛發(fā)射了34顆衛(wèi)星。

加拿大Telesat 系統(tǒng)在2017年11月獲得審批，使用Ka 和V 頻段，計劃在1，000 km 和1，248 m 軌道高度的11個軌道面部署117顆衛(wèi)星，單星容量22 Gb/s，系統(tǒng)吞吐量2.66 Tb/s，計劃2022年開始提供包括加拿大在內(nèi)的區(qū)域性服務(wù)，2023年開通全球服務(wù)。

Leosat 公司成立于2013年，與其他星座不同是，其面向的客戶群體是垂直市場，包括企業(yè)、金融和政府，不面向個人用戶。Leosat 星座系統(tǒng)使用Ka 頻段，計劃在1，400 km 軌道高度的6個軌道面上部署108顆衛(wèi)星。該星座采用星間鏈路技術(shù)，無需建立龐大的地面站網(wǎng)絡(luò)。2019年11月13日，Leosat 因缺乏投資而停止運作。

亞馬遜的Kuiper 星座于2019 年7 月向ITU 和FCC提交了頻率申請，該星座使用Ka 頻段，計劃于98個軌道面部署3，236顆衛(wèi)星，分布在590 km、610 km 和630 km 的三個軌道面上。Kuiper 星座的設(shè)計力求使用較少的衛(wèi)星數(shù)量、較低的有效載荷功率和高性能COTS 器件達到高頻譜利用率。

3 低軌衛(wèi)星星座系統(tǒng)前景現(xiàn)狀和趨勢

幾年以內(nèi)，隨著萬物互聯(lián)逐步落地，云計算、大數(shù)據(jù)、傳感器等產(chǎn)業(yè)將迎來爆發(fā)需求，進而帶動軟件、人工智能等更多產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。5G 雖然可以解決傳輸速率問題，但是在覆蓋面上仍然有很大缺陷，即使是4G 現(xiàn)在也無法實現(xiàn)無死角全覆蓋。但是結(jié)合衛(wèi)星星座網(wǎng)絡(luò)，萬物互聯(lián)、無人駕駛等應(yīng)用將很快變成現(xiàn)實。

衛(wèi)星星座系統(tǒng)的發(fā)展不僅在商業(yè)上有巨大的價值，在軍事戰(zhàn)略方面更是意義重大。根據(jù)國際電聯(lián)的規(guī)定，頻譜與軌道歸屬采用“先到先得”原則，美國已先行布局眾多天基系統(tǒng)。目前，各國的軍事衛(wèi)星主要基于少量的大型高價值衛(wèi)星，若這些衛(wèi)星遭受攻擊，將對軍事通信造成致命打擊。而低軌衛(wèi)星的快速研制和發(fā)射，及時投入使用，可有效避免這一威脅。我國在衛(wèi)星星座系統(tǒng)領(lǐng)域相對落后，僅SpaceX 一家公司近2年發(fā)射6次共約360顆衛(wèi)星，已經(jīng)超過了中國當前所有在軌衛(wèi)星總數(shù)。

近年來，我國也在國家戰(zhàn)略以及民間商業(yè)活動中啟動了諸多衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的項目。2020年1月銀河航天已完成首次發(fā)射，鴻雁星座計劃于2020年進行試驗系統(tǒng)建設(shè)，九天微星計劃三年內(nèi)發(fā)射72顆衛(wèi)星，連尚網(wǎng)絡(luò)等公司也有相關(guān)計劃。目前，我國的項目計劃發(fā)射衛(wèi)星都在千顆以下。

3GPP、ITU 兩大通信標準組織有報告顯示，天地融合通信和大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用或?qū)⒊蔀槲磥硇l(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的方向。未來的發(fā)展將更加注重提高頻譜使用效率，增強系統(tǒng)的兼容性和可靠性。衛(wèi)星頻率和軌位資源將成為衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)公司的主要爭奪點。2019年11月，國際電聯(lián)更新“非靜止軌道衛(wèi)星星座頻譜的申請和使用規(guī)則”，要求運營商申請一個低軌星座和通信頻段后，必須在7年內(nèi)發(fā)射第一顆衛(wèi)星，然后在接下來的7年內(nèi)按照兩年10%、5年50%、7年100%的節(jié)奏全部發(fā)射完畢。此方案將使已申請得到的頻譜資源變得更加寶貴。

4 結(jié)束語

全球衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)2020年的建設(shè)已經(jīng)開始，以SpaceX公司為代表的低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)已經(jīng)進入了大批量部署階段，計劃今年入軌1，000多顆衛(wèi)星，其衛(wèi)星星座規(guī)模龐大，將占據(jù)寶貴的空間頻率和軌道資源。

低軌衛(wèi)星星座系統(tǒng)初期投入巨大，建設(shè)周期較長，星座運營企業(yè)在3–5年內(nèi)都屬于投入期，難以盈利。低軌衛(wèi)星星座系統(tǒng)運營必將面向全世界，開展國際化競爭，其產(chǎn)品和服務(wù)需要具備較強的技術(shù)優(yōu)勢和成本優(yōu)勢才能脫穎而出。星座運營在較為激烈的市場競爭中，長期盈利的前景仍然具有一定不確定性。從小型衛(wèi)星革命到地球觀測星座、超高通量衛(wèi)星、軟件定義衛(wèi)星、NGSO 星座，衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新步伐已加速到前所未有的水平。