衛(wèi)星移動(dòng)通信行業(yè)發(fā)展淺析

徐毅 侯光輝 苗曉峰 王思月

摘要：本文分析了衛(wèi)星移動(dòng)通信產(chǎn)業(yè)相關(guān)概念、現(xiàn)狀、發(fā)展的歷程和趨勢(shì)以及互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星對(duì)行業(yè)的影響，以期為筆者所在公司制定戰(zhàn)略發(fā)展方向提供參考。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星移動(dòng)通信；地面設(shè)備制造；終端系統(tǒng)；傳統(tǒng)GEO通信衛(wèi)星；GEO HTS；NGSO HTS；LEO HTS

一、行業(yè)相關(guān)概念和現(xiàn)狀

（一）相關(guān)概念

1.衛(wèi)星分類(lèi)

衛(wèi)星按用途分類(lèi)可分為導(dǎo)航類(lèi)、遙感類(lèi)、通信類(lèi)、空間科學(xué)類(lèi)、技術(shù)驗(yàn)證類(lèi)等等；按軌道分類(lèi)可分為地球靜止軌道（GEO）衛(wèi)星和非靜止軌道衛(wèi)星（中、低軌、橢圓軌道衛(wèi)星等）。

2.通信衛(wèi)星分類(lèi)市場(chǎng)

目前在軌運(yùn)行的衛(wèi)星中，通信類(lèi)衛(wèi)星數(shù)量最多且應(yīng)用最為廣泛，其通信應(yīng)用包括衛(wèi)星電視直播、衛(wèi)星固定通信、衛(wèi)星廣播、衛(wèi)星寬帶、衛(wèi)星移動(dòng)通信等。

在國(guó)際民用市場(chǎng)方面，根據(jù)SIA前瞻產(chǎn)業(yè)研究院統(tǒng)計(jì)，2021年底，衛(wèi)星電視直播、衛(wèi)星固定通信和衛(wèi)星廣播是占據(jù)通信衛(wèi)星應(yīng)用的前三大市場(chǎng)，分別占據(jù)77%、13%和6%的市場(chǎng)份額。其中，衛(wèi)星移動(dòng)通信占比較小，只有約2%的市場(chǎng)份額。

在國(guó)內(nèi)民用市場(chǎng)方面，根據(jù)《2023—2029年中國(guó)衛(wèi)星通信設(shè)備行業(yè)市場(chǎng)調(diào)查研究及投資潛力預(yù)測(cè)報(bào)告》，2022年衛(wèi)星通信市場(chǎng)規(guī)模為783.8億元，衛(wèi)星電視廣播等大眾消費(fèi)類(lèi)業(yè)務(wù)市場(chǎng)規(guī)模為634.5億元，占整體市場(chǎng)81%；衛(wèi)星固定通信服務(wù)市場(chǎng)規(guī)模為116.5億元，占整體市場(chǎng)的15%；衛(wèi)星移動(dòng)通信市場(chǎng)規(guī)模為32.8億元，只占整體市場(chǎng)的4%。

通過(guò)比較國(guó)際和國(guó)內(nèi)民用市場(chǎng)數(shù)據(jù)可以看出，細(xì)分市場(chǎng)比例大致相當(dāng)，其中衛(wèi)星移動(dòng)通信市場(chǎng)規(guī)模有限，僅占整體市場(chǎng)的2%—4%。

3.通信衛(wèi)星的“傳統(tǒng)”和“新浪潮”

近年來(lái)，互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星掀起全球衛(wèi)星通信“新浪潮”，成為向無(wú)地面網(wǎng)絡(luò)支撐的陸地用戶(hù)、民航客機(jī)等空中用戶(hù)以及遠(yuǎn)洋船舶等海上用戶(hù)提供互聯(lián)網(wǎng)接入的有效途徑，同時(shí)也是通信衛(wèi)星新的發(fā)展方向?；ヂ?lián)網(wǎng)衛(wèi)星就是高通量衛(wèi)星[1]（HTS，High Throughput Satellite），其概念由美國(guó)北方天空研究所（NSR）率先提出，并將其定義為“采用多點(diǎn)波束和頻率復(fù)用技術(shù)、在同樣頻譜資源的條件下，整星通信容量是傳統(tǒng)通信衛(wèi)星數(shù)倍的衛(wèi)星”[2]。HTS采用多波束天線，向地球發(fā)射多個(gè)波束，相鄰波束頻率不同，不相鄰波束頻率相同，能夠?qū)崿F(xiàn)形成頻率復(fù)用，進(jìn)而大幅提高衛(wèi)星的通信容量，其原理與蜂窩電話類(lèi)似。根據(jù)軌道的不同，HTS分為地球靜止軌道高通量衛(wèi)星（GEO HTS）和中軌（MEO）、低軌（LEO）甚至超低軌（VLEO）等非靜止軌道高通量衛(wèi)星（NGSO HTS[3] 或稱(chēng)NON GEO HTS）。而“傳統(tǒng)”通信衛(wèi)星[4]采用單饋源天線，形成覆蓋范圍廣的單波束，不能實(shí)現(xiàn)頻率復(fù)用，其轉(zhuǎn)發(fā)器的帶寬限定了通信容量，見(jiàn)圖1。目前，衛(wèi)星電視直播應(yīng)用、衛(wèi)星廣播、衛(wèi)星固定通信和衛(wèi)星移動(dòng)通信等均采用傳統(tǒng)通信衛(wèi)星。

（二）國(guó)內(nèi)衛(wèi)星移動(dòng)通信產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)衛(wèi)星移動(dòng)通信產(chǎn)業(yè)具有以下特點(diǎn)：

第一，行業(yè)涉及通信衛(wèi)星的制造和發(fā)射、地面設(shè)備制造和衛(wèi)星移動(dòng)通信相關(guān)增值服務(wù)。地面設(shè)備制造包括：

①天線、調(diào)制解調(diào)器、功放等衛(wèi)星移動(dòng)通信相關(guān)終端設(shè)備的研發(fā)和生產(chǎn)；

②動(dòng)中通[5]、靜中通、便攜站等衛(wèi)星移動(dòng)通信終端系統(tǒng)的集成；

③地面衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)集成及網(wǎng)絡(luò)管理。

第二，使用的中繼衛(wèi)星為傳統(tǒng)GEO通信衛(wèi)星，衛(wèi)星通信總?cè)萘吭?Gbps左右，單鏈路通信容量小于4Mbps；

第三，主要應(yīng)用模式為專(zhuān)網(wǎng)通信，應(yīng)用場(chǎng)景包括各種突發(fā)事件下的應(yīng)急通信[6]、公共通信網(wǎng)絡(luò)偏遠(yuǎn)地區(qū)補(bǔ)盲、機(jī)要通信、軍事指揮通信等；

第四，主要應(yīng)用客戶(hù)為軍隊(duì)以及公安、應(yīng)急、消防電信運(yùn)營(yíng)商等具有部委—省—市（縣）或集團(tuán)—各地分公司管理結(jié)構(gòu)以及具有專(zhuān)網(wǎng)通信需求的政府部門(mén)和大型國(guó)企。

二、行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)

在2008年汶川地震中，衛(wèi)星移動(dòng)通信在搶險(xiǎn)救災(zāi)的應(yīng)急通信中起到了不可替代的作用，中國(guó)衛(wèi)星移動(dòng)通信自此進(jìn)入發(fā)展高潮期，在此后的數(shù)年內(nèi)，公安、消防、人防及電信運(yùn)營(yíng)商等多個(gè)部門(mén)各自建設(shè)了龐大的、覆蓋全國(guó)的專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)，在安全保衛(wèi)、反恐處突、應(yīng)急救援、電信補(bǔ)盲等各個(gè)方面起到了重大作用。

（一） 地面設(shè)備發(fā)展趨勢(shì)

1.關(guān)鍵技術(shù)自主化

由于相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)當(dāng)時(shí)還落后于國(guó)際水平，在2008年后國(guó)內(nèi)建設(shè)的專(zhuān)網(wǎng)中，動(dòng)中通天線、調(diào)制解調(diào)器、衛(wèi)星功放等終端設(shè)備大量采用了Comtech、iDirect等進(jìn)口品牌的產(chǎn)品。2010年，國(guó)家發(fā)改委將“衛(wèi)星及衛(wèi)星應(yīng)用產(chǎn)業(yè)”納入“戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)”的部署，使得衛(wèi)星移動(dòng)通信地面設(shè)備相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)進(jìn)入了快車(chē)道，并在各個(gè)方面取得重大突破。

在動(dòng)中通天線衛(wèi)星跟蹤技術(shù)方面，完成了從基于衛(wèi)星信號(hào)處理技術(shù)向基于慣性導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展歷程，載體應(yīng)用也從車(chē)載發(fā)展到船載和機(jī)載；

在天線方面，由拋物面天線向相控陣天線發(fā)展，近幾年已經(jīng)出現(xiàn)擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)且具有國(guó)際先進(jìn)水平的相控陣天線產(chǎn)品；

在調(diào)制解調(diào)技術(shù)方面，中國(guó)電科和航天科技等多個(gè)研究機(jī)構(gòu)和多個(gè)民企公司均取得關(guān)鍵技術(shù)突破，并形成擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品；

在功放、LNB相關(guān)微波器件方面，多個(gè)研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)的產(chǎn)品已經(jīng)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

隨著以上關(guān)鍵技術(shù)的突破，國(guó)內(nèi)各個(gè)廠家之間的全面技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)也越發(fā)激烈，原先的國(guó)外品牌也逐步退出中國(guó)市場(chǎng)。

2.全面國(guó)產(chǎn)化替代的市場(chǎng)需求

近幾年，諸多關(guān)鍵技術(shù)的突破為行業(yè)實(shí)現(xiàn)全面國(guó)產(chǎn)化替代提供了技術(shù)支撐。隨著中美經(jīng)濟(jì)脫鉤的加劇，“十四五”期間，行業(yè)民用市場(chǎng)國(guó)產(chǎn)化替代的趨勢(shì)不可逆轉(zhuǎn)。

（二）衛(wèi)星的發(fā)展趨勢(shì)

高通量衛(wèi)星（HTS）的出現(xiàn)大幅改善了傳統(tǒng)通信衛(wèi)星在通信容量、帶寬以及成本方面的劣勢(shì)，“再次點(diǎn)燃了人類(lèi)對(duì)于寬帶衛(wèi)星的熱情和希望[7]”。

1.國(guó)外HTS現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)

在GEO-HTS方面，2005年IPSTAR-1——全球第一顆GEO-HTS發(fā)射成功，通信容量45Gbps，通信速率4Mbps。此后，ViaSat、Hughes等全球26個(gè)衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商陸續(xù)運(yùn)營(yíng)了數(shù)十顆GEO HTS。2010年后，GEO HTS的通信容量和速率得到快速提升，容量提升至300Gbps，速率達(dá)到50Mbps。2023年5月1日，發(fā)射的ViaSat-3 通信容量達(dá)到1Tbps，通信速率達(dá)到100Mbps。

在NGSO HTS方面，Starlink星座成為全球熱點(diǎn)，星座包括約1.2萬(wàn)顆衛(wèi)星，分為低軌（LEO）和超低軌（VLEO）兩類(lèi)。LEO衛(wèi)星工作于Ku和Ka 頻段，247個(gè)接收、275 個(gè)發(fā)射信道，信道帶寬50MHz；VLEO衛(wèi)星工作于V頻段，140個(gè)接收、240個(gè)發(fā)射信道，服務(wù)信道帶寬1000MHz，測(cè)控信道帶寬10MHz。截至2023年3月18日，Starlink衛(wèi)星總計(jì)升空4105顆，在軌3803顆，互聯(lián)網(wǎng)接入用戶(hù)超過(guò)100萬(wàn)。除了Starlink星座之外，國(guó)際上還有O3b、OneWed等近十種NGSO HTS星座正在部署或計(jì)劃部署中。

由于國(guó)外土地私有化嚴(yán)重，地面光纜的鋪設(shè)和通信基站的選址受到不小的阻礙，沒(méi)有地面網(wǎng)絡(luò)覆蓋的陸地區(qū)域較多，其中部分區(qū)域通過(guò)傳統(tǒng)GEO通信衛(wèi)星來(lái)實(shí)現(xiàn)骨干網(wǎng)通信和互聯(lián)網(wǎng)接入，但是其通信容量、速率和成本與光纖網(wǎng)絡(luò)相差甚遠(yuǎn)，而HTS的出現(xiàn)正好有效彌補(bǔ)了這些差距。因此，國(guó)外HTS的應(yīng)用具有巨大陸地應(yīng)用市場(chǎng)，其海上船舶和空中客機(jī)的應(yīng)用需求也十分可觀。

2.國(guó)內(nèi)HTS現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)

在GEO HTS方面，我國(guó)已經(jīng)發(fā)射亞太6D、中星16、19和26號(hào)四顆GEO HTS，后續(xù)還將發(fā)射中星27號(hào)等GEO HTS，計(jì)劃總通信容量將超過(guò)400Gbps。2020年7月，中星16號(hào)實(shí)現(xiàn)了在民航客機(jī)上150Mbps速率的互聯(lián)網(wǎng)接入應(yīng)用，為乘客提供了4G效果的空中上網(wǎng)體驗(yàn)。自首飛以來(lái)，累計(jì)服務(wù)航班1784架次，為近2萬(wàn)名旅客提供了上網(wǎng)服務(wù)。

在NGSO HTS方面，2021年4月，我國(guó)成立中國(guó)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)集團(tuán)有限公司，向ITU提交了GW-A59和GW-2兩個(gè)低軌星座的頻譜申請(qǐng)，衛(wèi)星總數(shù)為12992顆。

與國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)地面網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)相當(dāng)發(fā)達(dá)。根據(jù)《工業(yè)和信息化部2022年通信業(yè)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行情況》等報(bào)告表明，截至2022年底“中國(guó)光纜線路總長(zhǎng)度達(dá)到5958萬(wàn)公里（世界第一），光纖入戶(hù)端口達(dá)到10.71億個(gè)；行政村、脫貧村通寬帶率達(dá)100%，行政村通光纖、通4G比例均超過(guò)99%?！苯橛谌绱税l(fā)達(dá)的地面網(wǎng)絡(luò)，留給國(guó)內(nèi)HTS的陸地互聯(lián)網(wǎng)接入市場(chǎng)十分有限，而海上和空中市場(chǎng)還將面臨激烈的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)。因此，國(guó)內(nèi)HTS互聯(lián)網(wǎng)接入應(yīng)用的市場(chǎng)前景并不是十分明朗。

3.HTS商業(yè)運(yùn)營(yíng)模式

衛(wèi)星的商業(yè)運(yùn)營(yíng)模式分開(kāi)放模式和封閉模式兩種。

在開(kāi)放模式下，衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商只出售或出租衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬，客戶(hù)配置終端設(shè)備、集成終端系統(tǒng)、建設(shè)獨(dú)立的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)（HTS應(yīng)用客戶(hù)需配置自己的信關(guān)站）；在封閉模式下，衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商或其分銷(xiāo)商運(yùn)營(yíng)衛(wèi)星、建設(shè)信關(guān)站，并向用戶(hù)出售統(tǒng)一通信體制和協(xié)議的終端設(shè)備及服務(wù)。

國(guó)內(nèi)已建的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)采用傳統(tǒng)GEO衛(wèi)星通信，因此無(wú)需關(guān)站，全部設(shè)為開(kāi)放運(yùn)營(yíng)模式。在這種情況下，各個(gè)用戶(hù)可以采用不同體制和協(xié)議的終端設(shè)備，最終形成了目前國(guó)內(nèi)衛(wèi)星地面設(shè)備制造業(yè)“百家齊鳴”的景象。而HTS采用了多點(diǎn)波束和頻率復(fù)用技術(shù)，必須通過(guò)信關(guān)站才能進(jìn)行通信，以上兩種模式均可采用。

國(guó)外的封閉運(yùn)營(yíng)HTS網(wǎng)絡(luò)大多采用非對(duì)稱(chēng)設(shè)計(jì)（接收帶寬大于上傳帶寬），適用于互聯(lián)網(wǎng)接入，如ViaSat公司的ViaSat 1～3號(hào)衛(wèi)星、SpaceX的Starlink星座等；開(kāi)放運(yùn)營(yíng)的HTS網(wǎng)絡(luò)多采用和傳統(tǒng)衛(wèi)星一樣的對(duì)稱(chēng)設(shè)計(jì)（上下行帶寬一致），適用于衛(wèi)星移動(dòng)通信，如Intelsat公司的Epic衛(wèi)星、SES公司的SES12～15號(hào)衛(wèi)星等。也就是說(shuō)，采取何種商業(yè)運(yùn)營(yíng)模式取決于HTS的最終目標(biāo)市場(chǎng)。國(guó)內(nèi)的衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商已經(jīng)在中星16和中星26應(yīng)用中試行封閉運(yùn)營(yíng)模式，由運(yùn)營(yíng)單位統(tǒng)一部署地面業(yè)務(wù)系統(tǒng)和應(yīng)用平臺(tái)。但是，筆者認(rèn)為國(guó)內(nèi)衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商并不具備相關(guān)終端設(shè)備的研發(fā)和生產(chǎn)能力，還需要國(guó)內(nèi)諸多設(shè)備廠家提供支持；在封閉運(yùn)營(yíng)模式下，設(shè)備廠家的利潤(rùn)率低，參與意愿低，不利于HTS衛(wèi)星應(yīng)用的市場(chǎng)推廣，也不利于市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)和技術(shù)發(fā)展。而開(kāi)放運(yùn)營(yíng)模式適用于衛(wèi)星移動(dòng)通信，國(guó)內(nèi)各個(gè)廠家的參與意愿高，更利于HTS衛(wèi)星應(yīng)用市場(chǎng)的推廣和技術(shù)進(jìn)步。

三、結(jié)束語(yǔ)

國(guó)內(nèi)的衛(wèi)星移動(dòng)通信行業(yè)正走向快速發(fā)展的道路，衛(wèi)星通信相關(guān)設(shè)備和器件全國(guó)產(chǎn)化趨勢(shì)日趨明顯。雖然目前高通量衛(wèi)星（包括GEO-HTS和NGSO HTS）的市場(chǎng)需求和運(yùn)營(yíng)模式還不十分明朗，但是高通量通信衛(wèi)星在未來(lái)逐漸替代傳統(tǒng)通信衛(wèi)星的趨勢(shì)無(wú)法逆轉(zhuǎn)，將大幅改變衛(wèi)星移動(dòng)通信行業(yè)的產(chǎn)業(yè)格局。因此，國(guó)內(nèi)衛(wèi)星移動(dòng)通信行業(yè)相關(guān)廠家和研究機(jī)構(gòu)將面臨較大的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

作者單位：徐毅 南京理工大學(xué)研究生院自動(dòng)化學(xué)院

侯光輝 苗曉峰 王思月 北京航天控制儀器研究所

參考文獻(xiàn)

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