“柯伊柏”星座介紹及與其他星座對比分析

紀(jì)凡策（北京空間科技信息研究所）

“柯伊柏”（Kuiper）星座是美國互聯(lián)網(wǎng)巨頭亞馬遜公司（Amazon）提出的低軌寬帶星座計(jì)劃，旨在為全球范圍內(nèi)無服務(wù)或欠服務(wù)的地區(qū)提供低時(shí)延高速衛(wèi)星寬帶連接。2020 年7 月，美國聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）同意Kuiper 星座的美國市場準(zhǔn)入許可，引發(fā)業(yè)內(nèi)外廣泛關(guān)注。

1 引言

近年來，衛(wèi)星小型化、低成本化成為重要趨勢，同時(shí)“一箭多星”運(yùn)載技術(shù)日趨成熟，航天領(lǐng)域準(zhǔn)入門檻不斷降低，吸引大量資本投入，大批新興創(chuàng)企抓住機(jī)遇，搶占藍(lán)海。其中，以一網(wǎng)公司（ONEWEB）為代表的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)企旨在建設(shè)低軌通信星座，為全球用戶提供寬帶服務(wù)，掀起繼“銥星”（Iridium）、“全球星”（Globalstar）之后的又一次低軌星座建設(shè)浪潮。相比“銥星”等上一代低軌星座與地面通信運(yùn)營商競爭的定位，新一代低軌星座從提出伊始就聚焦于“填補(bǔ)數(shù)字鴻溝”，將自身定位為地面通信的補(bǔ)充，再加上當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的日漸常態(tài)化，網(wǎng)絡(luò)連接需求不斷增加，衛(wèi)星制造的低成本、小型化趨勢不斷深化等原因，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)這一概念又有了新的語境與內(nèi)涵。在此背景下，旨在為偏遠(yuǎn)地區(qū)提供寬帶接入服務(wù)的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)營商均提出數(shù)千甚至數(shù)萬顆衛(wèi)星組成的低軌寬帶星座計(jì)劃。其中，“星鏈”（Starlink）、“一網(wǎng)”（OneWeb）、“電信星”（Telesat）、Kuiper等星座計(jì)劃數(shù)量均超過1000 顆，成為該領(lǐng)域最受關(guān)注的四大星座。

相 比 于Starlink、OneWeb、Telesat 星 座，Kuiper 星座提出時(shí)間最晚，建設(shè)進(jìn)度最慢，但由于其背后的亞馬遜公司而受到業(yè)內(nèi)外廣泛關(guān)注。事實(shí)上，亞馬遜公司在2018 年就已經(jīng)啟動(dòng)與低軌道衛(wèi)星連接的地面站業(yè)務(wù)—亞馬遜網(wǎng)絡(luò)服務(wù)地面站（AWS Earth Station），并在2019 年6 月創(chuàng)建了專門的航空航天及衛(wèi)星解決方案部門，憑借衛(wèi)星云服務(wù)業(yè)務(wù)全面進(jìn)軍航天產(chǎn)業(yè)市場。2019 年7 月，亞馬遜公司下屬Kuiper 公司向FCC 提交Kuiper 星座美國市場準(zhǔn)入申請，公布其星座設(shè)計(jì)方案，2020 年8 月，F(xiàn)CC批準(zhǔn)其準(zhǔn)入申請。

2 系統(tǒng)技術(shù)狀態(tài)

Kuiper 星座設(shè)計(jì)方案的大部分相關(guān)情況出自其向FCC 提交的市場準(zhǔn)入文件，該申請于2020 年7 月被FCC 批準(zhǔn)。2020 年5 月，包括太空探索技術(shù)公司（SpaceX）等多家公司再次向FCC 提出申請或修改星座計(jì)劃，涉及衛(wèi)星總數(shù)超過8 萬顆，Kuiper 計(jì)劃面臨的外部環(huán)境實(shí)際上已經(jīng)發(fā)生較大變化，其星座方案也有可能在項(xiàng)目推進(jìn)過程中發(fā)生變化，本文僅就目前掌握的情況予以梳理分析。

空間段

1）星座構(gòu)成。Kuiper 星座空間段由3236 顆衛(wèi)星組成，衛(wèi)星計(jì)劃運(yùn)行在590 ～630km 不等的3 個(gè)軌道高度，不同軌道高度對應(yīng)33°～51.9°等3 個(gè)傾角，共分布于98 個(gè)軌道面上。

2）部署進(jìn)度。根據(jù)國際電信聯(lián)盟（ITU）2019年出臺(tái)的星座監(jiān)控方案，Kuiper 星座須在2026 年7 月30 日前發(fā)射至少半數(shù)（1618 顆）的衛(wèi)星，并在2029 年7 月30 日前全面完成組網(wǎng)發(fā)射。按照亞馬遜公司設(shè)置的部署里程碑，衛(wèi)星計(jì)劃分為5 個(gè)批次部署，首批578 顆衛(wèi)星發(fā)射后將啟動(dòng)服務(wù)。

3）有效載荷。Kuiper 衛(wèi)星用戶波束將使用星載多波束相控陣天線，該天線通過對相位和幅度的調(diào)整來實(shí)現(xiàn)對波束形狀的改變、波束掃描及波束功率分配，配合星上軟件定義功能，可基于既定區(qū)域的業(yè)務(wù)需求，按需靈活分配頻率和容量，實(shí)現(xiàn)上下行所有業(yè)務(wù)的全星上再生、星上交換、星上重封裝等功能。具體來看，通過可調(diào)向、高增益的相控陣天線，Kuiper 系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)單個(gè)點(diǎn)波束覆蓋300 ～500km2，點(diǎn)波束覆蓋范圍可根據(jù)不同區(qū)域容量需求進(jìn)行調(diào)整。另外，Kuiper衛(wèi)星還配備高增益拋物面天線，用于與地面站連接。根據(jù)亞馬遜公司2019 年發(fā)布的“光學(xué)測試工程師”職位描述來看，該公司計(jì)劃開發(fā)衛(wèi)星間激光通信技術(shù)，因此Kuiper 星座可能會(huì)采用激光星間鏈路組網(wǎng)，星間鏈路傳輸速率可達(dá)10Gbit/s。

Kuiper 星座構(gòu)型配置

Kuiper 星座部署計(jì)劃

4）頻率。Kuiper 星座的用戶和饋電鏈路均工作在Ka 頻段。

地面段

根據(jù)Kuiper 衛(wèi)星的頻率計(jì)劃，其關(guān)口站將配有4 副主動(dòng)天線，每副天線都可以充分利用關(guān)口站所有的頻率和右旋圓極化/左旋圓極化（RHCP/LHCP）兩種極化方式。

Kuiper 星座頻率計(jì)劃

在衛(wèi)星地面站領(lǐng)域，亞馬遜公司利用AWS 地面站已廣泛開展“地面站即服務(wù)”業(yè)務(wù)，該業(yè)務(wù)主要針對遙感衛(wèi)星產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，并與黑色天空公司（BlackSky）等多個(gè)遙感衛(wèi)星創(chuàng)企展開合作。而微軟公司2020 年10 月正式推出其面向航天產(chǎn)業(yè)的云計(jì)算服務(wù)—Azure Space，并宣布與SpaceX 和歐洲衛(wèi)星公司（SES）開展相關(guān)業(yè)務(wù)合作，與亞馬遜公司的AWS 地面站業(yè)務(wù)形成直接競爭。因此，Kuiper星座地面站一方面用于連接Kuiper 衛(wèi)星提供寬帶接入服務(wù)，另一方面未來可與AWS 地面站聯(lián)合組成亞馬遜公司的全球云服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)一步提升亞馬遜公司在該領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。

用戶段方案

Kuiper 用戶終端將允許住宅、企業(yè)和移動(dòng)（交通）等用戶通過電調(diào)相控陣天線，或機(jī)械轉(zhuǎn)向拋物面天線，實(shí)現(xiàn)與Kuiper 衛(wèi)星的接入。用戶終端調(diào)制解調(diào)器具備點(diǎn)波束內(nèi)高數(shù)據(jù)速率、鏈路優(yōu)化、用戶終端波束指向，以及確保用戶通信安全等特點(diǎn)。

3 Kuiper 與其他星座對比分析

總體來看，Kuiper 星座啟動(dòng)較晚，在部署進(jìn)度上全面落后于另外3 個(gè)星座，但由于ONEWEB剛剛經(jīng)歷破產(chǎn)重組，Telesat 尚未選擇衛(wèi)星制造商，Kuiper 的主要對手仍然是Starlink。相比而言，Kuiper 星座的建設(shè)思路與Starlink 較為相似，且背靠亞馬遜公司，在資金和后期應(yīng)用落地方面具備獨(dú)特優(yōu)勢，但Starlink目前在部署進(jìn)度和系統(tǒng)應(yīng)用方面均已與其他星座拉開差距，并已率先打開軍方市場，Kuiper 星座想要逆流而上仍有很大難度。

Kuiper 星座優(yōu)勢

（1）采取縱向一體化發(fā)展模式，資金來源充足，系統(tǒng)建設(shè)自主化程度高

低軌寬帶星座的建設(shè)方式大致可分為以下幾類：一是縱向一體化發(fā)展模式，即自主掌握衛(wèi)星研制、火箭搭載發(fā)射、衛(wèi)星運(yùn)營等全鏈條的核心要素，典型如Starlink。該模式的優(yōu)勢在于自主性強(qiáng)，項(xiàng)目彈性大。二是“互聯(lián)網(wǎng)”式發(fā)展模式，即衛(wèi)星制造、發(fā)射、運(yùn)營等要素均由外部合作完成，典型如OneWeb。該模式的優(yōu)勢在于研發(fā)成本低，項(xiàng)目進(jìn)度快。三是政府站臺(tái)式發(fā)展模式，即政府大力支持本國星座建設(shè)，從資金和資源調(diào)配上予以傾斜，典型如Telesat（加拿大政府投資4.62 億美元）和俄羅斯“球體”（Sfera）項(xiàng)目（俄羅斯聯(lián)邦擬投資1.5 萬億盧布，約合198 億美元）。該模式的優(yōu)勢在于資金壓力小，政策傾斜利于后期系統(tǒng)應(yīng)用。

上述發(fā)展模式各有優(yōu)勢，目前來看，Kuiper 星座具備縱向一體化發(fā)展模式所需的基本要素。首先，亞馬遜公司2019 年在華盛頓雷德蒙德建立Kuiper 研發(fā)總部，并配備實(shí)驗(yàn)室、樣機(jī)制造設(shè)施、辦公及設(shè)計(jì)廠所，具備衛(wèi)星制造的條件。其次，亞馬遜公司下屬藍(lán)色起源公司（Blue Origin）發(fā)展勢頭良好，可以成為Kuiper 星座的發(fā)射服務(wù)提供商。再次，亞馬遜公司成立了航空航天及衛(wèi)星解決方案部門，從2020 年招聘崗位來看，Kuiper 星座可能由亞馬遜公司運(yùn)營。最后，亞馬遜公司在申請文件中稱將投資100 億美元建設(shè)Kuiper 星座，這一數(shù)額與SpaceX 公司透露的Starlink 前期投入接近，依照Starlink 目前的部署狀態(tài)來看，Kuiper 星座前期建設(shè)過程基本不會(huì)有資金壓力。

（2）可形成捆綁式服務(wù)的商業(yè)模式，為系統(tǒng)業(yè)務(wù)推廣提供極大便利

亞馬遜公司以“AWS 全球地面網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施，包括洲際光纖鏈路、數(shù)據(jù)中心、計(jì)算/邊緣計(jì)算功能” 推動(dòng)系統(tǒng)研發(fā)、部署以及與地面網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)，有望將Kuiper 星座服務(wù)與亞馬遜公司其他業(yè)務(wù)線，如在線銷售服務(wù)、云計(jì)算服務(wù)和視頻服務(wù)等形成捆綁，相互聯(lián)合打造新型的綜合信息服務(wù)云平臺(tái)，為用戶提供更加智能、高效的網(wǎng)絡(luò)連接服務(wù)。

Kuiper 星座與其他星座基本情況

根據(jù)Kuiper 星座申請資料，Kuiper 除地面站服務(wù)外，還將在美國5G 業(yè)務(wù)部署中提供回程傳輸服務(wù)。在“衛(wèi)星+5G”的背景下，憑借亞馬遜公司在全球范圍內(nèi)的業(yè)務(wù)布局，Kuiper 將進(jìn)一步拓展其全球業(yè)務(wù)市場，并持續(xù)深化其捆綁式服務(wù)商業(yè)模式。

（3）以AWS 地面站進(jìn)軍航天服務(wù)市場，為后期頻率落地提供極大便利

與SpaceX 公司、ONEWEB 公司的“頻率先行”、“邊建邊用”的策略相比，亞馬遜公司憑借其在云計(jì)算領(lǐng)域的天然優(yōu)勢，著眼于地面通信市場，通過發(fā)展“地面站即服務(wù)”業(yè)務(wù)，已在遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理方面開展業(yè)務(wù)布局。2018 年，亞馬遜公司發(fā)布基于云計(jì)算的AWS 地面站業(yè)務(wù)，擬在全球范圍內(nèi)開發(fā)地面站，旨在為公司、政府、航天部門提供衛(wèi)星數(shù)據(jù)收發(fā)服務(wù)，憑借其云計(jì)算技術(shù)，大幅提升數(shù)據(jù)處理效率。目前，亞馬遜公司已有多個(gè)AWS 地面站投入運(yùn)營，并已和BlackSky 公司等衛(wèi)星運(yùn)營商開展對地觀測衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理方面的合作。從長遠(yuǎn)來看，亞馬遜公司AWS 地面站業(yè)務(wù)一方面可以成為該公司航天領(lǐng)域的長期盈利來源，分擔(dān)后期Kuiper 星座大規(guī)模部署的資金壓力，另一方面亞馬遜公司通過AWS 地面站業(yè)務(wù)建立的合作伙伴關(guān)系，將為Kuiper 星座的頻率落地、容量分銷等環(huán)節(jié)提前打通渠道。

Kuiper 星座劣勢

（1）啟動(dòng)太慢，部署進(jìn)度遠(yuǎn)落后于Starlink 和OneWeb

Kuiper 星座的部署進(jìn)度已遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于Starlink，破產(chǎn)重組后的ONEWEB 公司也迅速繼續(xù)其星座部署，新一批衛(wèi)星發(fā)射基礎(chǔ)設(shè)施也已抵達(dá)俄羅斯。鑒于低軌寬帶星座業(yè)務(wù)類型的高度重合，星座系統(tǒng)應(yīng)用突出“先到先得”的排他性特點(diǎn)，衛(wèi)星部署速度將直接影響搶占市場的時(shí)機(jī)。Kuiper 此時(shí)入局已非最佳時(shí)點(diǎn)，要想“彎道超車”，核心在于其衛(wèi)星部署速度，以及能否在美國大規(guī)模鋪設(shè)5G 基礎(chǔ)設(shè)施過程中搶得先機(jī)。

（2）衛(wèi)星功能強(qiáng)大但設(shè)計(jì)復(fù)雜，前期迭代優(yōu)化過程預(yù)期較長

目前來看，Starlink 和OneWeb 衛(wèi)星均采取相對簡單的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，盡可能采用成熟技術(shù)，縮短研制周期，實(shí)行“優(yōu)先解決低層次需求”的建設(shè)策略。Kuiper 衛(wèi)星計(jì)劃采用軟件定義無線電技術(shù)，衛(wèi)星具備全星上再生、星上交換、星上重封裝等能力，是已知低軌寬帶星座計(jì)劃中功能最為強(qiáng)大的。但由此也提升了Kuiper 衛(wèi)星的系統(tǒng)復(fù)雜度和技術(shù)難度，因此其前期研發(fā)壓力巨大，并會(huì)面臨較長的迭代優(yōu)化期，進(jìn)一步拖后其部署進(jìn)度。

（3）Starlink、Telesat 已先一步打開軍方市場，Kuiper 后期介入難度較大

近年來，美國軍方高度重視低軌寬帶星座潛在的軍事應(yīng)用效能，積極利用Starlink 和Telesat 的在軌衛(wèi)星開展性能測試。事實(shí)上，無論是上一輪低軌星座建設(shè)熱潮中“銥星”的起死回生，還是當(dāng)前軍方機(jī)構(gòu)主動(dòng)開展研究所帶來的牽引性作用，都可看出，政府和軍事應(yīng)用已成為未來低軌星座發(fā)展中不可忽視的細(xì)分市場。目前，美國空軍已利用Starlink 衛(wèi)星成功開展機(jī)載寬帶傳輸試驗(yàn)；美國陸軍與SpaceX 公司簽署協(xié)議，計(jì)劃未來3 年利用Starlink 星座進(jìn)行寬帶數(shù)據(jù)傳輸測試；Starlink衛(wèi)星還可搭載光學(xué)載荷、具備高重訪率，實(shí)現(xiàn)對高超聲速武器探測預(yù)警，彌補(bǔ)美防御能力空白。而美軍當(dāng)前正在建設(shè)的下一代“國防空間架構(gòu)”（NDSA）和“黑杰克”星座（BlackJack），Telesat 均以重要角色參與其中。Kuiper 雖在民商用市場推廣方面有較大的優(yōu)勢，但想要后期介入政府和軍事應(yīng)用市場難度較大。