“一網(wǎng)”星座的發(fā)展與啟示

李小龍 鄧恒 （中國空間技術(shù)研究院通信衛(wèi)星事業(yè)部）

眾多低軌小衛(wèi)星星座的興起引發(fā)業(yè)界廣泛關(guān)注，給國際衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)造成了巨大影響，在這其中，“一網(wǎng)”（OneWeb）星座計(jì)劃具有很強(qiáng)的代表性。文章深入研究了該系統(tǒng)的構(gòu)成、關(guān)鍵技術(shù)和商業(yè)模式，并在此基礎(chǔ)上提出我國低軌通信小衛(wèi)星星座發(fā)展的相關(guān)建議。

1 一網(wǎng)公司的創(chuàng)立及發(fā)展

一網(wǎng)公司（OneWeb）的前身是成立于2012年的世界唯優(yōu)衛(wèi)星有限公司（WorldVu），該公司位于英屬海峽群島的圣赫利爾。2014年，公司曾提出一個(gè)耗資30億美元打造648顆小衛(wèi)星的星座計(jì)劃，隨后從一家瀕臨破產(chǎn)的天空之橋公司（Sky Bridge）那里獲得了所需的空間網(wǎng)絡(luò)資料，并以“L5”的名字向國際電信聯(lián)盟（ITU）注冊(cè)了星座的網(wǎng)絡(luò)資料。

2014年，在谷歌公司（Google）收購另外三十億人公司（O3b）之后，格雷格·威勒（Greg Wyler）、布萊恩·霍爾茲（Brian Holz）和大衛(wèi)·貝丁格（David Bettinger）作為O3b的創(chuàng)始人也隨之并入谷歌公司，短暫駐留后，三人離開谷歌公司并加入世界唯優(yōu)衛(wèi)星有限公司。此時(shí)，太空探索技術(shù)公司（SpaceX）CEO伊隆·馬斯克（Elon Musk）正在與世界唯優(yōu)衛(wèi)星有限公司深度接洽，并共謀在美國佛羅里達(dá)州或科羅拉多州建立一個(gè)具備大規(guī)模生產(chǎn)力的衛(wèi)星制造工廠。

2015年1月，世界唯優(yōu)衛(wèi)星有限公司提交了一份名為“一網(wǎng)”的美國聯(lián)邦商標(biāo)注冊(cè)公司申請(qǐng)，獲得通過后該公司正式以“一網(wǎng)”的名義在美國進(jìn)行商業(yè)運(yùn)作。

2015年6月，一網(wǎng)公司選擇法國空客防務(wù)與航天公司為其制造900顆150kg的互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星，且二者成立了名為“一網(wǎng)星座”的合資公司，專門負(fù)責(zé)“一網(wǎng)”星座的研制，兩家公司在其中各占50%的股份，合資公司將負(fù)責(zé)衛(wèi)星發(fā)射后所有衛(wèi)星的運(yùn)營業(yè)務(wù)。前10顆衛(wèi)星將會(huì)在法國空客防務(wù)與航天公司位于法國圖盧茲的工廠設(shè)計(jì)并作為樣機(jī)建造，為大批量在美國佛羅里達(dá)州的航天基地生產(chǎn)作準(zhǔn)備。因此，法國工廠的定位是整星設(shè)計(jì)及裝配工藝試驗(yàn)，而美國佛羅里達(dá)基地的定位是批量化生產(chǎn)。

2 系統(tǒng)的發(fā)展路線與規(guī)劃

一網(wǎng)公司有著非常清晰的發(fā)展路線規(guī)劃，2015年進(jìn)入實(shí)質(zhì)項(xiàng)目運(yùn)作后，其發(fā)展路線由衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和市場(chǎng)開發(fā)兩部分工作并行開展，直至2019年開始進(jìn)入運(yùn)營階段。

衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)建設(shè)

2015年，一網(wǎng)公司開始進(jìn)行大系統(tǒng)設(shè)計(jì)，同時(shí)開展衛(wèi)星、信關(guān)站和用戶終端的建設(shè)工作，所有工作約在2019年中期完成，星座不是一次性投放。2018年初先期將發(fā)射10顆試驗(yàn)衛(wèi)星，實(shí)行在軌技術(shù)驗(yàn)證，6個(gè)月后開始星座大規(guī)模發(fā)射任務(wù)，系統(tǒng)最早將于2019年初投入初期運(yùn)營，從設(shè)計(jì)到初步運(yùn)營耗費(fèi)4年時(shí)間。業(yè)務(wù)接入的渠道獲取和建設(shè)則貫穿項(xiàng)目始終，是整個(gè)項(xiàng)目的關(guān)鍵，縱深發(fā)展“永遠(yuǎn)在路上”。

市場(chǎng)開發(fā)

作為衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的并列動(dòng)作，市場(chǎng)開發(fā)與系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本同步，且走在了系統(tǒng)建設(shè)的前面，市場(chǎng)準(zhǔn)入及落地許可是其中的重中之重。一網(wǎng)公司的策略為先開發(fā)發(fā)達(dá)國家的偏遠(yuǎn)地區(qū)，最后發(fā)力發(fā)展中國家（如中國和印度），所以當(dāng)前它的這種策略給其他國家發(fā)展這類衛(wèi)星系統(tǒng)提供了大約3年的緩沖期。一網(wǎng)公司盈利的關(guān)鍵手段是通過分銷商將容量分配下去，同時(shí)回籠項(xiàng)目資金。決不能小看海外公司的公關(guān)能力，國際移動(dòng)衛(wèi)星公司（INMARSAT）通過中國交通通信信息中心進(jìn)入我國衛(wèi)星移動(dòng)通信領(lǐng)域就是很好的例子。

3 星座系統(tǒng)的技術(shù)方案

空間段

空間段由900顆小衛(wèi)星組成，每顆衛(wèi)星質(zhì)量150kg左右，單星價(jià)格50萬美元，對(duì)地天線呈“倒八字形”向下，推進(jìn)系統(tǒng)有3～4個(gè)電推力器，發(fā)射后采用自帶的電推進(jìn)系統(tǒng)抵達(dá)軌道位置，壽命末期可根據(jù)程序自動(dòng)離軌，避免在低軌形成垃圾層。

星座運(yùn)行在高度為1200km的（近）極地圓軌道，分為18個(gè)軌道面，地-星-地延遲約為50ms。單星服務(wù)區(qū)域?yàn)?080km×1080km，容量7.5Gbit/s，每個(gè)衛(wèi)星有16個(gè)相同的Ku頻段用戶波束，每個(gè)波束均為不可移動(dòng)的橢圓點(diǎn)波束；2個(gè)可移動(dòng)信關(guān)波束天線，工作于Ka頻段。

分段多項(xiàng)式軌跡形狀受速度分配方式的影響，其豎直方向的運(yùn)動(dòng)和水平方向相對(duì)獨(dú)立，且各自遵守預(yù)定的速度分配方式。在軌跡周期為T的條件下，參考文獻(xiàn)[18]中的方法，求取運(yùn)動(dòng)過程中時(shí)間點(diǎn)t對(duì)應(yīng)軌跡點(diǎn)P的三維坐標(biāo)(x,y,z)。

1）前向載荷設(shè)計(jì)。1個(gè)信關(guān)接收波束所含的16個(gè)Ka頻段上行通道信號(hào)，經(jīng)變頻后形成16個(gè)Ku頻段下行通道并直接通過16個(gè)用戶波束下行，每個(gè)通道對(duì)應(yīng)1個(gè)Ku頻段固態(tài)功率放大器。

2）返向載荷設(shè)計(jì)。信關(guān)下行通道對(duì)應(yīng)4個(gè)Ka頻段固態(tài)功率放大器，每2個(gè)固態(tài)功率放大器對(duì)應(yīng)1個(gè)信關(guān)下行波束（總計(jì)2個(gè)下行信關(guān)波束），1個(gè)固態(tài)功率放大器對(duì)應(yīng)8個(gè)通道，這16個(gè)通道都只對(duì)應(yīng)1個(gè)下行信關(guān)波束，另外1個(gè)信關(guān)波束作衛(wèi)星軌道運(yùn)動(dòng)時(shí)掃描下1個(gè)信關(guān)站所用，起到信關(guān)站與信關(guān)站的交接作用，即只有1個(gè)信關(guān)波束能發(fā)揮真正的通信用途。

從衛(wèi)星有效載荷配置看，“一網(wǎng)”衛(wèi)星的轉(zhuǎn)發(fā)器可能沒有備份，這與其堅(jiān)持的輕質(zhì)化、性價(jià)比理念有關(guān)。

為有效防止對(duì)地球靜止軌道（GEO）衛(wèi)星的干擾，一網(wǎng)公司提出了一種名為“漸進(jìn)俯仰”的規(guī)避干擾措施，其策略是當(dāng)“一網(wǎng)”衛(wèi)星經(jīng)過赤道附近上空時(shí)，衛(wèi)星通過俯仰姿態(tài)的變化（Ku下行波束不可動(dòng)，所以只能調(diào)整姿態(tài)），使得Ku下行波束及覆蓋區(qū)沿著緯度方向自星下點(diǎn)變化，輔以調(diào)整波束下行功率，從而避開與GEO衛(wèi)星的干擾。

地面段

地面段按照嚴(yán)格意義可劃分為3個(gè)部分。

1）測(cè)控站?！耙痪W(wǎng)”星座有兩個(gè)不同且互為熱備份的測(cè)控站，分別位于美國弗吉尼亞州和英國。

2）信關(guān)站。預(yù)計(jì)有50～70個(gè)分布在全世界的信關(guān)地球站，每個(gè)信關(guān)站將有10個(gè)信關(guān)站天線同時(shí)工作，Ka頻段的信關(guān)站一般采用2.4m或者更大的天線，具體則由信關(guān)站位置、特定的傳輸特性和服務(wù)要求所決定。10個(gè)信關(guān)站天線是為了使眾多衛(wèi)星經(jīng)過信關(guān)站時(shí)保持可見，目前據(jù)調(diào)研，在美國本土已有包括夏威夷和阿拉斯加州2個(gè)本土信關(guān)站。另外，為使通信信號(hào)全球可見，還特別在極區(qū)設(shè)置了相應(yīng)的信關(guān)站，它們也將作為測(cè)控站行使衛(wèi)星控制功能。

3）網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營。網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營中心預(yù)計(jì)建在英國和澳大利亞墨爾本兩地，測(cè)控站和信關(guān)站之間的網(wǎng)絡(luò)通信將通過地面虛擬私人網(wǎng)絡(luò)（VPN）連接實(shí)現(xiàn)。

用戶段

“一網(wǎng)”星座的用戶段設(shè)備并不是自己打造，而是采用合作者的既有成熟設(shè)備，目前與之合作的主要是羅克韋爾·柯林斯公司（Rockwell Collins）和高通公司（QUALCOMM），可用于蜂窩回程、公共路面通信、火車動(dòng)中通、海事通信、航空通信、車載動(dòng)中通等多個(gè)場(chǎng)景。

運(yùn)載火箭

“一網(wǎng)”星座計(jì)劃的運(yùn)載火箭分為兩個(gè)系列：一個(gè)是阿里安公司（Ariane）的歐化“聯(lián)盟”（Soyuz）火箭，另一個(gè)是美國維珍銀河公司（Virgin Galactic）的發(fā)射者－1（Launcher－1）火箭。

“一網(wǎng)”星座成形只需要720顆小衛(wèi)星就可以。一網(wǎng)公司的發(fā)射策略如下：①每個(gè)軌道面依次先發(fā)32顆衛(wèi)星，18個(gè)軌道面總計(jì)有576顆；②隨后向每個(gè)軌道面再補(bǔ)充發(fā)射8顆衛(wèi)星，18個(gè)軌道面總計(jì)有144顆。因此，它在選擇運(yùn)載工具的時(shí)候，偏重于使用“聯(lián)盟”火箭進(jìn)行批量化發(fā)射。衛(wèi)星將首先被發(fā)射至高度約500km的近極地軌道，然后再依靠自帶的電推進(jìn)系統(tǒng)提升至1200km的最終運(yùn)行軌道；發(fā)射者－1火箭則可以幫助衛(wèi)星直接入軌，維珍銀河公司每隔3～4h就可以發(fā)射一枚火箭，十分有助于衛(wèi)星星座的快速補(bǔ)充和精細(xì)調(diào)整。

900顆衛(wèi)星中剩余的180顆衛(wèi)星則將陸續(xù)根據(jù)使用情況，利用上述兩種火箭，甚至計(jì)劃用2020年首飛的阿里安－6火箭執(zhí)行剩余的發(fā)射任務(wù)。

4 運(yùn)營服務(wù)的商業(yè)模式

與GEO運(yùn)營商深度共建，高低軌資源統(tǒng)籌銜接

國際通信衛(wèi)星公司（Intelsat）以入股投資的方式正在參與一網(wǎng)公司的運(yùn)營，小衛(wèi)星運(yùn)營商與大型衛(wèi)星運(yùn)營商相比，衛(wèi)星更加輕便，在軌波束覆蓋調(diào)整靈活度大，部署靈活，能夠彌補(bǔ)大型衛(wèi)星的不足。另外，小衛(wèi)星組網(wǎng)必然會(huì)對(duì)大型運(yùn)營商造成頻率干擾，合作能夠有效增加二者的溝通和協(xié)調(diào)，避免雙方波束干擾造成不必要的損失。大型運(yùn)營商現(xiàn)金流充足，能夠給予初創(chuàng)型小衛(wèi)星運(yùn)營商一定的融資支持，加上多年的專業(yè)積累必然會(huì)為小衛(wèi)星運(yùn)營商市場(chǎng)發(fā)展提供很好的渠道分銷經(jīng)驗(yàn)。國際通信衛(wèi)星公司“史詩”（Epic）系列Ku頻段高通量衛(wèi)星數(shù)量較少，而覆蓋全球的需求使之不得不通過低軌資源完成信號(hào)的銜接。

融合傳統(tǒng)制造商，打造衛(wèi)星“智造工廠”

法國空客防務(wù)與航天公司在美國硅谷成立了一家基金公司，以參股的方式參與一網(wǎng)公司的運(yùn)營，二者合資成立一網(wǎng)星座公司（OneWeb Satellites）。一網(wǎng)星座公司的總部設(shè)在英屬海峽群島（Channel Islands），按照慣例會(huì)向美國進(jìn)出口銀行和法國進(jìn)出口銀行尋求融資幫助。但這兩家進(jìn)出口機(jī)構(gòu)如果要為一網(wǎng)公司提供融資幫助，則需要在本國做大量的工作。對(duì)法國來說，只有10顆衛(wèi)星在法國制造，因此除非“一網(wǎng)”衛(wèi)星采用“阿里安”火箭發(fā)射，否則法國進(jìn)出口銀行很難為其提供融資支持。對(duì)美國來說，美國進(jìn)出口銀行也需要說服美國國會(huì)為其提供支持。因此，最后的發(fā)射商都來自法國和美國，規(guī)?；慨a(chǎn)工廠設(shè)在了美國佛羅里達(dá)州航天基地。星座建設(shè)完成后，該工廠將繼續(xù)作為二者的永久性投資，建造其他的星座。

產(chǎn)業(yè)鏈思維組“共享朋友圈”，提前布局服務(wù)分銷渠道

一網(wǎng)公司從多種渠道籌集到5億美元的資金支持，來源包括空客防務(wù)與航天公司、印度移動(dòng)通信運(yùn)營商巴哈蒂公司（Bharti）、休斯網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)公司、國際通信衛(wèi)星公司、高通公司等多家公司。融資的成功推動(dòng)了一網(wǎng)公司進(jìn)一步開展關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)，為艦船、飛機(jī)、火車以及海上油田等多類平臺(tái)提供高速、低延遲衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)接入，并將與國際通信衛(wèi)星公司的Ku頻段衛(wèi)星協(xié)同合作保持無縫的互操作性。

羅克韋爾·柯林斯公司計(jì)劃研制用于民用飛機(jī)的低成本電掃描陣列天線，成為“一網(wǎng)”衛(wèi)星全球?qū)拵Х?wù)機(jī)載衛(wèi)星通信終端的獨(dú)家開發(fā)商和提供商。高通公司負(fù)責(zé)終端的芯片研制。

一網(wǎng)公司的投資者包括維珍銀河公司以及航空服務(wù)提供商戈高公司（Gogo）。戈高公司將通過“一網(wǎng)”星座為飛越極地上空的飛機(jī)提供航空通信服務(wù)。維珍銀河公司同時(shí)擁有航空和移動(dòng)運(yùn)營商業(yè)務(wù)，是重要的業(yè)務(wù)落地分銷商，也是一網(wǎng)公司的運(yùn)載提供商。

一網(wǎng)公司向軟銀集團(tuán)提出12億美元的投資申請(qǐng)，用以建設(shè)其衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)星座。加上2015年6月的5億美元投資，一網(wǎng)公司已獲得17億美元融資。2012年軟銀公司以超過200多億美元的價(jià)格收購了美國通信運(yùn)營商斯普林特公司（Sprint），除了支付天價(jià)的收購費(fèi)用外，償還了斯普林特公司的債務(wù)，并投入大量資金與其他運(yùn)營商競(jìng)爭(zhēng)。這次投資一網(wǎng)公司，很可能是為了增強(qiáng)斯普林特公司的競(jìng)爭(zhēng)力。在基站的覆蓋方面，斯普林特公司遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于前三大運(yùn)營商[美國電話電報(bào)公司（AT&T）、威瑞森公司（Verizon）、德國電信公司（T-Mobile）]?；镜匿佋O(shè)耗時(shí)耗資，一網(wǎng)公司則是一個(gè)很好的補(bǔ)充。

5 啟示

近年來，隨著低軌衛(wèi)星星座概念的不斷熱炒，諸如谷歌、一網(wǎng)、臉譜（Facebook）、太空探索技術(shù)等公司紛紛盯上了這一領(lǐng)域，有數(shù)家公司已經(jīng)步入實(shí)施階段，發(fā)射了若干顆衛(wèi)星。小衛(wèi)星對(duì)傳統(tǒng)運(yùn)營商的“蛋糕”開始產(chǎn)生了影響，一些老牌運(yùn)營商對(duì)此表示了極大的關(guān)切。

隨著非地球靜止軌道衛(wèi)星引領(lǐng)衛(wèi)星制造與發(fā)射市場(chǎng)的增長，在其應(yīng)用與GEO衛(wèi)星有可能構(gòu)成重合的基礎(chǔ)上，勢(shì)必會(huì)對(duì)GEO衛(wèi)星市場(chǎng)形成擠壓，盡管短期來看還無法撼動(dòng)GEO衛(wèi)星市場(chǎng)的地位，但在不遠(yuǎn)的將來不排除通信衛(wèi)星運(yùn)營商將其GEO衛(wèi)星訂單縮減轉(zhuǎn)而利用非GEO衛(wèi)星合作伙伴的資源。此外，隨著另外三十億人公司、一網(wǎng)公司等運(yùn)營商在全球范圍內(nèi)的市場(chǎng)拓展不斷深入，原先有意購買衛(wèi)星的政府也可能會(huì)選擇直接購買服務(wù)，從而滿足所需的通信資源。

這是未來擺在我國航天工業(yè)科技工作者面前需要思考和研究的一項(xiàng)重大課題。針對(duì)低軌小衛(wèi)星星座的建設(shè)已刻不容緩，是我國通信衛(wèi)星制造業(yè)實(shí)現(xiàn)“彎道超車”的重大方向之一，對(duì)此提出以下建議希望能引發(fā)思考和共鳴。

1）設(shè)立專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)支持計(jì)劃。低軌衛(wèi)星星座是下一個(gè)歷史發(fā)展機(jī)遇，建議設(shè)立專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)支持計(jì)劃，緊緊抓住國際一流技術(shù)不掉隊(duì)的同時(shí)全力做大市場(chǎng)，另外，在某些特定的偏遠(yuǎn)地區(qū)采用衛(wèi)星通信具備一定的經(jīng)濟(jì)性，這為我國在小衛(wèi)星星座發(fā)展中的彎道超車創(chuàng)造了新的歷史條件。

2）運(yùn)用產(chǎn)業(yè)鏈思維吸引合作伙伴，全方位組織資源主導(dǎo)系統(tǒng)建設(shè)。建設(shè)我國的低軌通信星座，一定要站在產(chǎn)業(yè)鏈的高度去設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)工程構(gòu)架。要提前布局市場(chǎng)分銷，融合國內(nèi)航空、海運(yùn)、用戶終端和基礎(chǔ)電信資質(zhì)企業(yè)，加大宣傳力度吸引共同投資，探索成立合營的業(yè)務(wù)銷售公司。針對(duì)龐大的低軌通信衛(wèi)星系統(tǒng)建設(shè)，要全方位選取一家集衛(wèi)星制造、運(yùn)載火箭、地面配套等為一體的綜合單位組織資源配套，總體統(tǒng)籌推進(jìn)系統(tǒng)建設(shè)。

3）儲(chǔ)備頻率資源，為大規(guī)模組網(wǎng)需求做好保障。低軌星座的頻率資源需求也相當(dāng)突出，從目前國際動(dòng)態(tài)來看，“占頻保軌”已經(jīng)成為運(yùn)營商爭(zhēng)奪稀缺頻率軌道資源的手段之一。

4）探索自動(dòng)化工程應(yīng)用，掀起智能制造革命浪潮。更短的衛(wèi)星交付期迫使衛(wèi)星制造商不斷改進(jìn)衛(wèi)星的生產(chǎn)、制造流程。增材制造等技術(shù)的拓展使得頂尖制造商開始醞釀下一輪制造革命。建議在更高層次組織專門的技術(shù)委員會(huì)對(duì)此開展研究和規(guī)劃，應(yīng)對(duì)衛(wèi)星領(lǐng)域的數(shù)字化研制、批量化生產(chǎn)、智能工廠等先進(jìn)理念進(jìn)行摸索和試驗(yàn)。

5）技術(shù)驗(yàn)證先行，保證技術(shù)儲(chǔ)備實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)。成立中低軌通信衛(wèi)星平臺(tái)攻關(guān)機(jī)構(gòu)，瞄準(zhǔn)市場(chǎng)需求和應(yīng)用，對(duì)衛(wèi)星、地面設(shè)備、用戶終端等開展論證研究與建設(shè)。對(duì)標(biāo)國際一流，盡快利用自有資源使技術(shù)驗(yàn)證先行，利用未來的試驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行搭載發(fā)射，待在軌驗(yàn)證后迅速投入市場(chǎng)。

6）呼吁運(yùn)載配套，提前進(jìn)行型譜規(guī)劃和技術(shù)驗(yàn)證。發(fā)展低軌小衛(wèi)星星座，必然需要國內(nèi)運(yùn)載火箭的配套支持，運(yùn)載火箭研制部門要不斷技術(shù)創(chuàng)新，推出具備定制化、成本控制優(yōu)、能夠短時(shí)間多次快速響應(yīng)的新型火箭型譜。

7）牽引市場(chǎng)投入，搶占亞洲市場(chǎng)并做大做強(qiáng)。

全球排在前五名的通信衛(wèi)星運(yùn)營商中，電信衛(wèi)星公司（Telesat）、國際通信衛(wèi)星公司、歐洲衛(wèi)星公司都有低軌小衛(wèi)星星座的運(yùn)營計(jì)劃。亞洲地區(qū)市場(chǎng)目前還缺乏低軌業(yè)務(wù)的落地，我國應(yīng)當(dāng)著眼當(dāng)下、找準(zhǔn)定位、提前謀劃，確保在亞洲地區(qū)的低軌衛(wèi)星領(lǐng)域有所作為。