低軌寬帶衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)發(fā)展及前景分析

劉佳

【摘要】? ? 隨著全球低軌寬帶衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)的加速發(fā)展，低軌星座進(jìn)入了大規(guī)模部署階段，低軌寬帶衛(wèi)星通信在5G時代迎來重大戰(zhàn)略機遇。本文首先介紹了國外低軌寬帶星座部署規(guī)劃和建設(shè)現(xiàn)狀，其次從特定場景需求、應(yīng)用定位和實用性等方面探討了未來低軌寬帶衛(wèi)星通信的發(fā)展前景及應(yīng)關(guān)注的問題。最后從技術(shù)創(chuàng)新、系統(tǒng)適應(yīng)性等多個角度分析思考，給出利用星地多技術(shù)融合構(gòu)建天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)思路，以及長期發(fā)展可行性策略。

【關(guān)鍵詞】? ? 低軌寬帶衛(wèi)星? ? 衛(wèi)星通信? ? Starlink? ? 5G

Abstract：With the accelerated development of the global low-orbit broadband satellite industry， the low-orbit constellation has entered a stage of large-scale deployment. The low-orbit broadband satellite Communication has ushered in a major strategic opportunity in the 5G era. First， in terms of specific scenario requirements， application positioning， and practicality， this article discusses the development prospects of low-orbit constellations and issues that should be paid attention to. Second， according to the deployment planning and construction status of foreign low-orbit broadband satellite communication. Finally， from the perspectives of operating mode， technological innovation， and system adaptability， this article puts forward the construction ideas for building a space-ground information network by combining multiple technologies， as well as a long-term feasible strategy.

Keywords： LEO broadband satellite，Satellite communication，Starlink，5G

引言

低軌寬帶衛(wèi)星通信是利用低地球軌道（LEO）部署的向地面和空中用戶提供寬帶通信服務(wù)的新型星座網(wǎng)絡(luò)，具有廣覆蓋、低延時、寬帶化、低成本等特點。隨著衛(wèi)星制造和火箭發(fā)射成本的下降，采用低軌寬帶衛(wèi)星提供寬帶接入服務(wù)已具備一定競爭力，低軌星座建設(shè)迎來了猛烈的發(fā)展熱潮。在當(dāng)前這新一輪的航天產(chǎn)業(yè)浪潮中，越來越多國家意識到低軌寬帶衛(wèi)星通信的特殊性和重大戰(zhàn)略意義，爭相提出各自的低軌星座計劃，積極戰(zhàn)略布局。

近年來，美國加強以商業(yè)航天為主導(dǎo)的發(fā)展模式，推進(jìn)航天技術(shù)商業(yè)化。目前不僅“銥星”（Iridium）、“全球星”（Globalstar）、“軌道通信”（Orbcomm）三大傳統(tǒng)低軌通信系統(tǒng)已完成升級換代，并向多功能綜合和物聯(lián)網(wǎng)（IOT）方向發(fā)展;“一網(wǎng)”（OneWeb）和“星鏈”（Starlink）這樣新興的低軌寬帶通信也進(jìn)入快速建設(shè)期。因此，中國要加速低軌衛(wèi)星頻譜和軌道戰(zhàn)略資源的申請和儲備，盡快完善軍民融合的發(fā)展機制，構(gòu)建空天地一體的航天產(chǎn)業(yè)生態(tài)。

一、低軌衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

低軌衛(wèi)星一般位于距離地球表面500～2000公里的范圍，高度較同步軌道低，這使得低軌衛(wèi)星傳輸?shù)难訒r更短，路徑損耗更小。低軌衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)是基于多類型的低軌星座組成的骨干通信網(wǎng)，以星間鏈路和星地鏈路為物理傳輸介質(zhì)，與高軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和地面網(wǎng)絡(luò)（移動通信網(wǎng)、IOT和Internet等）實現(xiàn)互聯(lián)互通，共同構(gòu)建成一個能夠?qū)崟r接收、傳輸和處理信息的星地網(wǎng)絡(luò)體系[2]。低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)主要架構(gòu)如圖1所示。

低軌衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)包括空間段、地面段和用戶段三個部分。其中，空間段由眾多低軌衛(wèi)星（含星間鏈路）組成，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)信息的接收和轉(zhuǎn)發(fā)，部分衛(wèi)星具備星上處理能力;地面段包括各類關(guān)口站（Gateway）、測控單元、網(wǎng)絡(luò)控制中心;用戶段由各類用戶終端構(gòu)成，包括手持終端、IOT終端，以及固定/移動甚小口徑終端（VSAT）等。

按照天基組網(wǎng)、天地互聯(lián)的思路，以低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，覆蓋太空、空中、陸地、海洋等自然空間，為天基、陸基、?；雀黝愑脩籼峁拵Ы尤牒托畔⒈Ｕ希瑢⑷祟惖木W(wǎng)絡(luò)空間提升到一個新的維度[3]。

二、低軌寬帶衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)發(fā)展概況

2.1國外低軌星座發(fā)展布局

低軌寬帶衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)以其日益凸顯的國家戰(zhàn)略地位、潛在的市場經(jīng)濟(jì)價值，國外航天公司相繼公布了發(fā)展計劃或已開展星座的建設(shè)計劃，并快速推進(jìn)星座的戰(zhàn)略部署。

SpaceX公司“星鏈計劃”擬于2019～2024年間發(fā)射約4.2萬顆低軌衛(wèi)星構(gòu)建一個多層覆蓋的巨大星座，以提供實時、高速、廉價的寬帶網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。截至2020年8月18日，SpaceX通過其可回收運載火箭“獵鷹9”陸續(xù)將11批共600多顆Starlink衛(wèi)星送入地球軌道，預(yù)計在2021年3月前實現(xiàn)第一階段的550千米軌道高度部署，開始提供全球服務(wù)。在這個過程中，Starlink的建設(shè)速度和技術(shù)版本不斷提升，基于毫米波和激光的下一代通信鏈路和相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)也正在搭建[2]。加拿大衛(wèi)星Telesat通信公司計劃到2022年建立一個由300顆衛(wèi)星組成的星座，為加拿大農(nóng)村和偏遠(yuǎn)地區(qū)提供寬帶接入服務(wù)。

美國越來越重視低軌星座的建設(shè)和利用，以契合太空信息化作戰(zhàn)的新需求，具備多域作戰(zhàn)、分布式作戰(zhàn)等軍事應(yīng)用的潛力。

2.2我國低軌寬帶衛(wèi)星通信發(fā)展

為應(yīng)對當(dāng)前激烈的國際競爭，穩(wěn)固航天強國地位，我國應(yīng)提前布局低軌頻段資源、發(fā)展低成本航天技術(shù)、優(yōu)化航天發(fā)展模式。依照美國的成功經(jīng)驗，我國航天企業(yè)可以少走彎路，實現(xiàn)彎道超車。抓住低軌寬帶衛(wèi)星通信發(fā)展契機，推動航天全產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)創(chuàng)新，快速搶占低空軌道，布局中國低軌星座網(wǎng)絡(luò)，提升我軍全球范圍作戰(zhàn)能力。未來社會將是天地融合、萬物互聯(lián)的數(shù)字經(jīng)濟(jì)時代，而5G已成為當(dāng)今全球經(jīng)濟(jì)與社會數(shù)字化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵。2020年10月，我國已成功開展低軌寬帶衛(wèi)星+5G海上融合組網(wǎng)試驗，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，表明我國具備加快發(fā)展基于5G的低軌寬帶通信的技術(shù)與產(chǎn)業(yè)。進(jìn)一步落實國家新基建戰(zhàn)略部署，發(fā)展低軌產(chǎn)業(yè)生態(tài)，推動低軌衛(wèi)星與5G協(xié)同發(fā)展，建設(shè)全球全網(wǎng)融合型通信網(wǎng)絡(luò)平臺，打造萬物匯聚、智聯(lián)生活、普惠大眾的智慧網(wǎng)絡(luò)。

1.無縫覆蓋全球服務(wù)

目前地面寬帶數(shù)據(jù)傳輸主要依靠傳統(tǒng)的地下或水下光纜接入，長距離鋪設(shè)光纜需要高昂的成本，而且覆蓋范圍有限。針對特定的寬帶接入場景（航空、航海、邊防），地面網(wǎng)絡(luò)由于技術(shù)或經(jīng)濟(jì)因素很難實現(xiàn)，利用衛(wèi)星覆蓋廣、容量大、不受地域影響等獨特優(yōu)勢，為空中、海上、邊遠(yuǎn)地區(qū)用戶提供低成本的寬帶接入服務(wù)[4]。構(gòu)筑全球無縫覆蓋的一體化信息網(wǎng)絡(luò)，以滿足全方位的移動寬帶覆蓋和規(guī)模化接入需求，既節(jié)省資源又降低了成本。

2.構(gòu)建多技術(shù)融合的智慧網(wǎng)絡(luò)

從實際業(yè)務(wù)需求出發(fā)，低軌衛(wèi)星需要通過多種業(yè)務(wù)、多個技術(shù)的相互融合，構(gòu)建空、天、地一體化的智慧專業(yè)網(wǎng)絡(luò)[5]。隨著我國5G的商用部署的逐步推進(jìn)，低軌網(wǎng)絡(luò)與地面5G網(wǎng)絡(luò)合作互補，通過5G網(wǎng)絡(luò)可提升衛(wèi)星通信的傳輸速率和用戶體驗，建成衛(wèi)星通信+5G的融合網(wǎng)絡(luò)。同時通過與物聯(lián)網(wǎng)、云數(shù)據(jù)、智慧城市建設(shè)等領(lǐng)域的深度融合，將全面帶動商業(yè)航天上下游產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，撬動更大的經(jīng)濟(jì)增長點。

3.提升軍事信息化戰(zhàn)略能力

在軍事領(lǐng)域，加速推進(jìn)低軌寬帶衛(wèi)星在軍事領(lǐng)域的融合應(yīng)用。太空網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)作為支援陸?？兆鲬?zhàn)的關(guān)鍵一環(huán)，擺脫陸基通信系統(tǒng)的限制，掌握太空就能掌握未來戰(zhàn)爭的主導(dǎo)權(quán)。為滿足未來作戰(zhàn)需求，構(gòu)建多樣化的軍用通信網(wǎng)絡(luò)，提高戰(zhàn)場情報信息的傳輸與處理速度，具備實時感知和規(guī)?；渴鹉芰?，提升指揮作戰(zhàn)效能，完善信息化戰(zhàn)場上的作戰(zhàn)模式。低軌寬帶衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)的大規(guī)模部署應(yīng)用，將進(jìn)一步提升軍用導(dǎo)航定位精度和抗干擾能力，強化多域聯(lián)合作戰(zhàn)、全域機動和跨域協(xié)同作戰(zhàn)能力。

三、低軌寬帶衛(wèi)星通信發(fā)展前景分析

3.1商機與挑戰(zhàn)并存

在商業(yè)航天領(lǐng)域，國外巨頭技術(shù)領(lǐng)先、資金儲備充足、產(chǎn)業(yè)鏈部署完善。美國早已通過制定國家戰(zhàn)略和相應(yīng)法律，為低軌星座的發(fā)展提供長期的政策和資金支持。以Space X公司為代表，一直致力于火箭的研發(fā)，通過增加火箭有效載荷和復(fù)用次數(shù)，充分節(jié)約商業(yè)成本，火箭發(fā)射服務(wù)帶來的龐大利潤有效支撐了星鏈計劃的后續(xù)發(fā)射。同時還建立了完整的商業(yè)航天產(chǎn)業(yè)鏈，StarLink創(chuàng)新商業(yè)閉環(huán)模式，集衛(wèi)星、火箭、地面站制造、火箭發(fā)射和回收、衛(wèi)星運營和服務(wù)于一身，形成商業(yè)閉環(huán)[7]。隨著在軌衛(wèi)星的增多，未來Space X的重心會向地面站建設(shè)與衛(wèi)星運營服務(wù)開拓。

航天行業(yè)屬于技術(shù)密集、資金密集型行業(yè)，需要資本、技術(shù)、政策的多方面支持。近幾年國家已啟動了系統(tǒng)性發(fā)展計劃，政府在航天領(lǐng)域的投資逐年提升，技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)推進(jìn)正在積極展開。目前國家正加快建設(shè)低軌寬帶網(wǎng)絡(luò)，逐步開始建設(shè)地面設(shè)備和開放應(yīng)用服務(wù)，為“一帶一路”沿線國家及區(qū)域提供空間信息服務(wù)能力，助力實現(xiàn)信息互聯(lián)互通。

低軌寬帶通信商機巨大，同時也有短板。首先是建設(shè)和運維成本，盡管衛(wèi)星發(fā)射成本和門檻降低了，但經(jīng)濟(jì)成本和資費肯定高于5G網(wǎng)絡(luò);其次低軌便攜終端功耗大，而且對雨、雪、霧霾等天氣十分敏感，能否提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)是重要因素;最后是系統(tǒng)適應(yīng)性問題，對不同地區(qū)、不同需求提供不同的服務(wù)模式，就需要足夠多的衛(wèi)星和足夠大的帶寬，這對系統(tǒng)設(shè)計是較大的考驗。從更好用、更便宜的角度考慮，面向普通消費者不具有競爭力。

3.2未來前景與發(fā)展策略

低軌寬帶衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)建設(shè)開支巨大，而且還需考慮星座運營后能否提供穩(wěn)定的服務(wù)以及如何大規(guī)模應(yīng)用問題。面對地面光纖連接網(wǎng)絡(luò)以及電信運營商移動通信的成熟運營，低軌寬帶衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)必須嚴(yán)控成本，提升市場競爭力。

在我國高速發(fā)展科技強國空間戰(zhàn)略的大背景下，從科研制造、運營服務(wù)、投融資等多方面推動航天產(chǎn)業(yè)鏈各個環(huán)節(jié)協(xié)同發(fā)展，構(gòu)建完善的衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)。這里從應(yīng)用需求、運營模式、技術(shù)創(chuàng)新等多個角度分析，商業(yè)模式如何創(chuàng)新破局，快速構(gòu)建一個全球覆蓋的天地一體網(wǎng)絡(luò)。

1.寬窄結(jié)合、階段提升

應(yīng)用戰(zhàn)略方面，低軌寬帶衛(wèi)星部署有利于加快傳統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施產(chǎn)業(yè)信息化改造進(jìn)程，目前我國衛(wèi)星移動通信以L頻段為主、寬帶通信以Ka頻段為主?；贚頻段多波束設(shè)計，移動通信可以實現(xiàn)全球無縫覆蓋;按照地面終端業(yè)務(wù)需求，為用戶提供按需的Ka頻段寬帶數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。

2.天地協(xié)同、互補發(fā)展

目前我國5G產(chǎn)業(yè)已經(jīng)具備較大的國際影響力，應(yīng)積極參與5G衛(wèi)星的標(biāo)準(zhǔn)制定工作，推動異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合互通，取長補短[8]。充分發(fā)揮我國在商業(yè)航天、5G 移動通信和集成電路產(chǎn)業(yè)的綜合優(yōu)勢，在空口波形設(shè)計上可借鑒5G波形設(shè)計，如正交頻分復(fù)用（OFDM）、Polar 碼等，針對低軌星座多普勒頻移大、傳輸時延長等特點進(jìn)行算法適應(yīng)性改進(jìn)，提升用戶體驗，降低研發(fā)成本。正在實現(xiàn)5G時代的天地網(wǎng)絡(luò)一體融合、全球互聯(lián)。

3.優(yōu)化商業(yè)航天模式

低軌寬帶衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)部署初期投入巨大，建設(shè)周期長，吸收國外產(chǎn)業(yè)發(fā)展的經(jīng)驗教訓(xùn)，避免盲目跟隨。在產(chǎn)業(yè)鏈布局方面，以航天產(chǎn)業(yè)引領(lǐng)，推動航天產(chǎn)業(yè)與移動通信產(chǎn)業(yè)、集成電路產(chǎn)業(yè)的深入合作，建設(shè)開放、融合、共贏的航天經(jīng)濟(jì)生態(tài)圈，加速實現(xiàn)低軌寬帶衛(wèi)星通信商用價值變現(xiàn)。

我國商業(yè)航天的發(fā)展，單純依靠國家投入是不夠的，需要民營航天企業(yè)的成長。通過軍民融合的運營模式，與“國家隊”攜手共同發(fā)展，既可以合理配置和有效利用各種資源，避免軍民重復(fù)建設(shè)、分散建設(shè)，又可相互促進(jìn)激發(fā)產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新活力。

4.形成市場聯(lián)動效應(yīng)

商業(yè)航天的應(yīng)用發(fā)展，成本效益與市場是主要制約因素。目前我國商業(yè)航天產(chǎn)業(yè)公司大多處于初創(chuàng)階段，低軌寬帶衛(wèi)星的建設(shè)部署，需要融入互聯(lián)網(wǎng)思維和模式，采用資本合作的方式完成。互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)的加入必然帶來資本的引入，有利于快速迭代、快速形成有利益保障的市場化聯(lián)動[7]。同時借鑒國外先進(jìn)的融資理念等，以良好的經(jīng)濟(jì)效益和市場需求契合度為驅(qū)動，一方面降低成本，一方面進(jìn)一步拓展應(yīng)用潛力，加快低軌寬帶通信的全球部署及應(yīng)用。

四、結(jié)束語

當(dāng)前全球低軌寬帶星座建設(shè)已進(jìn)入快速發(fā)展期和密集部署狀態(tài)，國內(nèi)航天企業(yè)應(yīng)把握住這一發(fā)展機遇，基于航天工業(yè)和5G產(chǎn)業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)，構(gòu)建起新一代星地融合體系架構(gòu)。充分發(fā)揮我國成熟的5G產(chǎn)業(yè)鏈優(yōu)勢，發(fā)展基于5G的低軌寬帶衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)，創(chuàng)新星地融合新航天商業(yè)模式，加快星座部署建設(shè)，構(gòu)建海、陸、空、天一體化新型信息網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)面向全球的寬帶通信服務(wù)。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1]吳奇龍， 龍坤， 朱啟超. 低軌衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域國際競爭：態(tài)勢、動因及參與策略[J]. 世界科技研究與發(fā)展.2020.

[2]李賀武， 劉李鑫， 劉君， 吳茜. 基于位置的天地一體化網(wǎng)絡(luò)路由尋址機制研究[J]. 通信學(xué)報， 2020，41（08）：120-129.

[3]陳山枝. 關(guān)于低軌衛(wèi)星通信的分析及我國的發(fā)展建議[J]. 電信科學(xué)， 2020， v.36（06）：5-17.

[4] PORTILLO I D， CAMERON B， CRAWLEY E F. A technical comparison of three low earth orbit satellite constellation systems to provide global broadband[J]. Acta Astronautica， 2019， 6（159）： 123-135.

[5] Evans B， Onireti O， Spathopoulos T， et al. The Role of Satellites in 5G[C]//2015 23rd European Signal Processing Conference. Nice， France： IEEE， 2015：15681624.

[6]李喆， 孫冀偉， 尚煒，等. 國外主要低軌互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星星座進(jìn)展及啟示[J]. 中國航天， 2020（7）.

[7]汪春霆， 盧寧寧， 翟立君，等. 衛(wèi)星通信與地面5G融合技術(shù)初探（三）[J]. 衛(wèi)星與網(wǎng)絡(luò)， 2019， 191（03）：30-35.