陳東 裴勝偉 黃華 韓紹歡 （中國空間技術(shù)研究院通信衛(wèi)星事業(yè)部）

低軌寬帶通信衛(wèi)星星座的大容量、高速率、全球覆蓋特點，要求其星座規(guī)模相比低軌移動通信衛(wèi)星星座的衛(wèi)星數(shù)量呈數(shù)量級增長，衛(wèi)星星座巨型化特征顯著。而近年來，以巨型低軌道通信衛(wèi)星星座為基礎(chǔ)的空間寬帶通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展進(jìn)入新的高潮。本文從國際主流巨型低軌星座通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展入手，闡述了巨型空間互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)展的特征及系統(tǒng)建設(shè)面臨的挑戰(zhàn)，并就我國同類系統(tǒng)未來的方向進(jìn)行思考。

1 前言

近年來，以美國工業(yè)基礎(chǔ)為依托的一網(wǎng)公司（OneWeb）、太空探索技術(shù)公司（SpaceX）等航天創(chuàng)新企業(yè)再一次點燃全球低軌衛(wèi)星星座系統(tǒng)建設(shè)的熱情，相繼提出建設(shè)由巨型低軌道通信衛(wèi)星星座為基礎(chǔ)的空間寬帶通信網(wǎng)絡(luò)。

20 世紀(jì)90年代，涌現(xiàn)了以“銥星”（Iridium）、“全球星”（Globalstar）系統(tǒng)為代表的多個低軌衛(wèi)星移動通信星座項目。雖然這些系統(tǒng)的實施首次實現(xiàn)了衛(wèi)星移動通信服務(wù)的全球覆蓋，但2000年前后的破產(chǎn)潮，卻帶來了長達(dá)十余年的低軌通信星座系統(tǒng)建設(shè)低潮，更讓人不禁思考，新一代系統(tǒng)的建設(shè)是商業(yè)市場的噱頭還是技術(shù)發(fā)展的必然？然而不可否認(rèn)的是這一次低軌星座的建設(shè)熱潮所催生的以衛(wèi)星通信系統(tǒng)為主體的“空間互聯(lián)網(wǎng)”概念，就像Iridium 初現(xiàn)時一樣，帶著讓人難以抗拒的吸引力。

巨型低軌道空間互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)擁有以“兩極覆蓋”實現(xiàn)全球無縫連接，以“低時延”實現(xiàn)與5G 應(yīng)用場景融合，以“批量化建設(shè)”實現(xiàn)成本可控等獨特優(yōu)勢。在該背景下，我國“天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)”納入科技創(chuàng)新2030 重點項目，中國航天科技集團(tuán)有限公司的“鴻雁”星座、中國航天科工集團(tuán)有限公司的“虹云”星座均在2018年底完成首發(fā)試驗星在軌運行，國內(nèi)商業(yè)航天初創(chuàng)企業(yè)也表現(xiàn)出極大的參與熱情。

2 巨型低軌空間互聯(lián)網(wǎng)從夢想到現(xiàn)實

20 世紀(jì)90年代，在家庭寬帶網(wǎng)絡(luò)尚停留在綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)絡(luò)（ISDN）、非對稱數(shù)字用戶線路（ADSL）的時候，歐美等國家的航天巨頭就已經(jīng)在暢想建立巨型的以空間為基礎(chǔ)的寬帶通信網(wǎng)絡(luò)，包括“空中因特網(wǎng)”（Teledesic）、“天空之橋”（Skybridge）等項目。伴隨“一網(wǎng)”（OneWeb）、“星鏈”（Starlink）等巨型低軌空間互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的實施，20年前的夢想漸成現(xiàn)實。

“一網(wǎng)”拉開巨型空間互聯(lián)網(wǎng)序幕

一網(wǎng)公司的前身是世界唯優(yōu)衛(wèi)星有限公司（WorldVu），該公司提出采用648 顆衛(wèi)星構(gòu)成星座用于向全世界個人用戶提供互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)。衛(wèi)星采用1200km、傾角87.9°的低地球軌道，接收并轉(zhuǎn)發(fā)Ku 頻段信號，容量達(dá)8Gbit/s。2017年6年底，美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）正式授權(quán)一網(wǎng)公司，批準(zhǔn)其在美國使用“一網(wǎng)”星座提供互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。2019年，一網(wǎng)公司將星座衛(wèi)星數(shù)量降為588 顆。[1]

2020年2年7日，阿里安空間公司（Arianespace）發(fā)射了一網(wǎng)公司的34 顆組網(wǎng)衛(wèi)星，此次發(fā)射標(biāo)志著一網(wǎng)公司巨型低軌空間互聯(lián)網(wǎng)星座全面組網(wǎng)部署工作的啟動，在軌衛(wèi)星數(shù)量達(dá)到了40 顆。這些衛(wèi)星由一網(wǎng)公司同空客防務(wù)與航天公司（ADS）合資的一網(wǎng)衛(wèi)星公司（OneWeb Satellite）建造，采用氙離子推力器，配備Ku 頻段高通量有效載荷，每顆衛(wèi)星的發(fā)射質(zhì)量為147.5kg。衛(wèi)星進(jìn)入軌道高度450km、傾角87.4°的軌道，隨后采用自身攜帶的推進(jìn)系統(tǒng)開始軌道提升，最終進(jìn)入長期工作軌道。

“一網(wǎng)”衛(wèi)星

2020年3年21日，一網(wǎng)公司完成第三批34 顆組網(wǎng)衛(wèi)星的發(fā)射。至此，該公司在軌運行衛(wèi)星已有74 顆。而在第三批組網(wǎng)衛(wèi)星發(fā)射前，融資規(guī)模達(dá)到33 億美元以上的一網(wǎng)公司就傳出了因資金籌措問題而申請破產(chǎn)保護(hù)的消息，并已于3年27日向美國破產(chǎn)法院申請了第11 章破產(chǎn)保護(hù)。在申請破產(chǎn)之前，一網(wǎng)公司解雇了531 名員工中約85%的員工，而根據(jù)提交的破產(chǎn)申請書，一網(wǎng)公司已經(jīng)積累了超過17億美元的債務(wù)。盡管公司的所有權(quán)結(jié)構(gòu)會有變化，但第11 章破產(chǎn)保護(hù)申請可使公司有機(jī)會擺脫破產(chǎn)債務(wù)而繼續(xù)經(jīng)營。[2]

“星鏈”的驚人之舉

“星鏈”是SpaceX 公司正在研發(fā)的衛(wèi)星星座工程，旨在利用大規(guī)模低軌衛(wèi)星提供全球高速寬帶接入服務(wù)?！靶擎湣毙l(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座由低地球軌道（LEO）星座與甚低地球軌道（VLEO）星座組成，采用Ka、Ku 頻段，計劃2020年投入運營。衛(wèi)星提供的通信容量17 ～23Gbit/s，系統(tǒng)可提供最高容量達(dá)每用戶1Gbit/s 的寬帶服務(wù)。SpaceX 公司注重衛(wèi)星星座低成本建設(shè)與運營，采取火箭回收技術(shù)，降低衛(wèi)星發(fā)射和衛(wèi)星補位費用。[3]

2020年3年18日，SpaceX 公司成功地利用獵鷹－9（Falcon－9）運載火箭發(fā)射了第五批60 顆衛(wèi)星，展現(xiàn)了該公司強大的制造能力和快速推進(jìn)的決心。每顆“星鏈”衛(wèi)星質(zhì)量約260kg，發(fā)射約1h 后，衛(wèi)星到達(dá)約290km 的軌道，并開展相關(guān)測試。完成測試后，這批衛(wèi)星將上升至550km 的工作軌道。

為搭建全球衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)，SpaceX 公司2020年尚有1000 余顆衛(wèi)星正排隊上天。未來計劃每隔2 ～3個星期就發(fā)射60 顆衛(wèi)星，到2020年底完成24 次衛(wèi)星發(fā)射任務(wù)。

美國空軍向SpaceX 公司贊助了2870 萬美元，扶持該公司把“星鏈”計劃的應(yīng)用場景拓展到軍用。“星鏈”計劃的首次軍事通信試驗，選取了美國空軍的一架飛行C-12 螺旋槳發(fā)動機(jī)軍用偵察機(jī)，其網(wǎng)速實測數(shù)據(jù)高達(dá)610Mbit/s，具備進(jìn)一步拓展應(yīng)用的潛力。

即將進(jìn)入整流罩的60 顆“星鏈”衛(wèi)星

潛在競爭對手“柯伊伯”項目

亞馬遜公司（Amazon）也參與到互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星市場如火如荼的競爭中來，是繼SpaceX 公司之后又一個計劃研制開發(fā)巨型低軌空間互聯(lián)網(wǎng)的企業(yè)。作為美國本土研制開發(fā)返回式運載火箭的制造服務(wù)商，亞馬遜公司無疑成為了SpaceX 公司在航天領(lǐng)域的強勁對手。

“柯伊伯”（Kuiper）項目是亞馬遜正在建設(shè)的高速衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)項目，通過部署數(shù)千顆低地球軌道的衛(wèi)星，能夠在全球范圍內(nèi)提供寬帶互聯(lián)。2019年7月4日，美國亞馬遜公司向FCC 提交了一組審查文件，申請巨型低軌通信星座Kuiper 在美國境內(nèi)的商業(yè)運營權(quán)。該星座預(yù)計由3236 顆低軌寬帶小型通信衛(wèi)星構(gòu)成，在軌設(shè)計壽命7年，計劃分為五個階段發(fā)射入軌。但此項目還沒有關(guān)于部署和正式向消費者提供服務(wù)的時間表。

Kuiper 系統(tǒng)將在軌道高度分別為590km、610km 和630km 的Ka 頻段衛(wèi)星上提供高速、低延遲的衛(wèi)星寬帶服務(wù)。Kuiper 系統(tǒng)的軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計是為了最大限度地滿足客戶在全星座部署時的容量和覆蓋范圍。通過使用不同傾角的重疊高度軌道面，星座設(shè)計最大限度地減少了在地理緯度上均勻分布覆蓋所需的衛(wèi)星總數(shù)，并在一顆衛(wèi)星與其他系統(tǒng)發(fā)生內(nèi)聯(lián)干擾事件時提供鏈路多樣性。

Kuiper 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通過一個軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）控制器進(jìn)行管理，負(fù)責(zé)為整個系統(tǒng)的客戶和網(wǎng)關(guān)優(yōu)化配置波束，并根據(jù)客戶需求和服務(wù)類型進(jìn)行長期資源配置。該系統(tǒng)為消費者和企業(yè)提供低成本的寬帶服務(wù)、IP 傳輸、載波級以太網(wǎng)和無線回程通信，旨在最大限度地提高頻譜利用率和效率，并能靈活地引導(dǎo)容量以滿足區(qū)域客戶的需求。此外，Kuiper 系統(tǒng)利用亞馬遜公司的地面網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施為客戶提供安全、高速、低延遲的寬帶服務(wù)。

3 巨型低軌空間互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展特征

綜合國際發(fā)展態(tài)勢，巨型低軌空間互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展呈現(xiàn)四個特征：

規(guī)模巨大，通過市場融資推進(jìn)商業(yè)系統(tǒng)建設(shè)

新一代低軌空間互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星數(shù)量規(guī)模空前，動輒數(shù)百顆，最大達(dá)萬顆?！耙痪W(wǎng)”系統(tǒng)第一階段衛(wèi)星數(shù)量達(dá)650 顆，“星鏈”系統(tǒng)規(guī)劃衛(wèi)星數(shù)量達(dá)42000 顆。廣闊的應(yīng)用前景和優(yōu)勢獲得商業(yè)資本市場高度關(guān)注。截至2019年，一網(wǎng)公司已累計獲得融資33 ～34 億美元，“星鏈”計劃已獲得13.3 億美元資金支持。主要投資方包括傳統(tǒng)衛(wèi)星制造運營企業(yè)空中客車公司（Airbus）、國際通信衛(wèi)星公司（INTELSAT）、休斯通信公司（Hughes），科技巨頭高通公司（Qualcomm），投資巨頭軟銀（SoftBank），互聯(lián)網(wǎng)巨頭亞馬遜、谷歌（Google）、臉譜（Facebook）等。

寬帶接入，實現(xiàn)搶占空間互聯(lián)網(wǎng)入口戰(zhàn)略布局

低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)可實現(xiàn)百Mbit/s 至Gbit/s 的通信速率，傳輸性能媲美地面光纖網(wǎng)絡(luò)。其低時延、高速率、海量接入的特點，被認(rèn)為是5G/6G 發(fā)展中的重要環(huán)節(jié)。國際電信聯(lián)盟（ITU）、第三代合作伙伴計劃（3GPP）等標(biāo)準(zhǔn)化組織正在制定5G 與衛(wèi)星通信融合發(fā)展的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。2019年4年，加拿大電信衛(wèi)星公司（TeleSat）與歐洲最大的移動運營商沃達(dá)豐（Vodafone）在英國完成了低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)5G通信試驗。對低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的投入將進(jìn)一步增強歐美企業(yè)的互聯(lián)網(wǎng)全球服務(wù)能力，實現(xiàn)對互聯(lián)網(wǎng)寬帶新入口的搶占和全球用戶數(shù)據(jù)資源的掌控。

軍民結(jié)合，提升軍事通信能力彈性化水平

2018年3年，美國政府發(fā)布《國家航天戰(zhàn)略》，強調(diào)加強軍事航天、商業(yè)航天和民用航天之間的合作，更好地發(fā)揮企業(yè)作用。布局低軌商業(yè)系統(tǒng)、實現(xiàn)能力分散化和快速集成是“彈性”的重要途徑。美國國防部是“銥星”系統(tǒng)的最大客戶，大量采購銥星服務(wù)滿足全球范圍移動通信需求。美軍已經(jīng)與SpaceX 公司簽署了開展“星鏈”軍事應(yīng)用試驗評估的合同。2019年9年18日，銥星公司與一網(wǎng)公司宣布展開合作，實現(xiàn)軍事戰(zhàn)術(shù)通信與寬帶通信的能力互補與提升。低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星數(shù)量多、對抗難度大，可以預(yù)見將成為美軍未來衛(wèi)星通信體系的重要組成。

流水線智能化生產(chǎn)，顛覆衛(wèi)星研制模式

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的規(guī)?；l(fā)展對衛(wèi)星研制能力提出了新的挑戰(zhàn)。2019年9年，一網(wǎng)公司位于佛羅里達(dá)州的生產(chǎn)線正式投入生產(chǎn)，面積約104m2，擁有兩條自動化生產(chǎn)線，智能機(jī)器人協(xié)助工程師生產(chǎn)，產(chǎn)能達(dá)到每天生產(chǎn)2 顆衛(wèi)星。而SpaceX 的產(chǎn)能更是達(dá)到驚人的每天7 顆。[4]相關(guān)衛(wèi)星制造商面向巨型衛(wèi)星星座，正在整合上下游產(chǎn)業(yè)鏈，貫穿從衛(wèi)星制造、衛(wèi)星發(fā)射、空間互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)全過程，采用批產(chǎn)模式，實現(xiàn)星座衛(wèi)星的快速制造與低成本研制，實現(xiàn)元器件體系、產(chǎn)品保證、衛(wèi)星制造手段全面升級。

4 巨型低軌空間互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的挑戰(zhàn)

成本控制的需求

從20 世紀(jì)90年代衛(wèi)星星座的失敗教訓(xùn)看，星座投入成本越高、用戶負(fù)擔(dān)越大、研制周期過長，越有可能錯過發(fā)展時機(jī)。一網(wǎng)公司曾希望把單顆衛(wèi)星造價控制在50 萬美元，把項目總耗資控制在35 億美元。雖然后來業(yè)內(nèi)人士猜測其衛(wèi)星造價和項目總體成本有明顯上漲，但單價仍預(yù)計在100 萬美元以下。而據(jù)外部分析師估計，“一網(wǎng)”衛(wèi)星系統(tǒng)建設(shè)需要75 億美元，而已融資34 億美元的一網(wǎng)公司最終也因為資金籌措困難不得不申請破產(chǎn)保護(hù)。在2019年第一批“星鏈”衛(wèi)星入軌后，馬斯克稱衛(wèi)星成本低于運載成本，預(yù)計單星成本低于100 萬美元。顯然，巨型星座動輒千顆量級的規(guī)模對衛(wèi)星研制成本控制表現(xiàn)了強烈的要求。

頻率競爭背后的博弈

通信衛(wèi)星建設(shè)的背后從來不缺空間頻率軌位資源的博弈。2019年10－11年召開的世界無線電大會（WRC19）中，低軌寬帶衛(wèi)星星座的相關(guān)頻率規(guī)則制定是會議的熱點之一。

衛(wèi)星通信的Ku 和Ka 頻段資源是正在建設(shè)系統(tǒng)的焦點。與傳統(tǒng)高軌通信衛(wèi)星不同，低軌星座在該系列頻率的使用上具有更高的排他性。有相關(guān)觀點認(rèn)為，全球只可能有2 ～3 個星座成功運行。一網(wǎng)公司于2016年率先向FCC 提出Ku 和Ka 頻段衛(wèi)星頻率申請，之后包括SpaceX 公司、歐洲衛(wèi)星公司（SES）和開普勒通信公司在內(nèi)的各方陸續(xù)提出了另外11 項申請。然而，即便同是歐美公司，F(xiàn)CC 在處理頻率申報上也表現(xiàn)出差異化的態(tài)度。2019年12年，一網(wǎng)公司認(rèn)為FCC 對其修改申請的審核時間長得令人驚訝，未獲得公平的考慮，其提交的修改申請已有18個月，仍未見回應(yīng)，而其他公司的修改申請已被快速接受。

建設(shè)背后的國家安全考慮

作為全球信息基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成，低軌空間互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)對國家安全具有重大影響。各低軌空間互聯(lián)網(wǎng)正在加快全球落地步伐，目前，一網(wǎng)公司已經(jīng)與美、英、沙特、印度、印尼等國家落實運營的具體操作。另一方面，部分國家對低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)在國內(nèi)運營表現(xiàn)出審慎態(tài)度，2019年俄羅斯聯(lián)邦電信監(jiān)管機(jī)構(gòu)正式拒絕了“一網(wǎng)”系統(tǒng)在俄羅斯的運營申請，并表示：在俄羅斯境內(nèi)，頻率將優(yōu)先用于本國自己的系統(tǒng)。

與此同時，衛(wèi)星宇航制造的量變終究要帶來衛(wèi)星應(yīng)用領(lǐng)域的質(zhì)變。通過功能擴(kuò)展，空間互聯(lián)網(wǎng)變成了整個空間體系的重要基礎(chǔ)平臺。美軍對低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)也表現(xiàn)出極大的興趣，先后推出以“黑杰克”（Blackjack）為代表的多項基于低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的軍事試驗項目，開展低軌商業(yè)系統(tǒng)軍事搭載應(yīng)用探索，并相繼資助“一網(wǎng)”、“星鏈”等多個系統(tǒng)開展研究。SpaceX 公司對其“星鏈”星座項目的目標(biāo)用戶進(jìn)行了詳細(xì)的闡述說明，其星座的主要應(yīng)用包括衛(wèi)星通信和傳輸服務(wù)、高速無線寬帶服務(wù)、衛(wèi)星對地成像服務(wù)和遙感服務(wù)等。這些項目的實施，為低軌空間的開發(fā)與利用模式留下了無限的想象空間。

5 我國同類系統(tǒng)建設(shè)的思考

縱觀國際空間互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展，呈現(xiàn)出高軌道獨立發(fā)展向高、低軌道聯(lián)合發(fā)展，窄帶電信服務(wù)為主向?qū)捳瓗ЫY(jié)合、區(qū)域覆蓋向全球覆蓋拓展的發(fā)展規(guī)律。我國在高軌道通信衛(wèi)星方面從“十五”開始雖然加快了“追趕”的步伐，基本解決了我國國土及近海的常態(tài)通信覆蓋，但低軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)由于當(dāng)時應(yīng)用需求、經(jīng)濟(jì)和技術(shù)可行性等限制條件，一直并未啟動建設(shè)。

現(xiàn)已進(jìn)入21 世紀(jì)20年代，雖然國內(nèi)目前已在開展同類系統(tǒng)建設(shè)，考慮到低軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)的地位，特別是受頻率、軌道、國際競爭、投入產(chǎn)出以及我國商業(yè)航天發(fā)展處于啟蒙階段等諸多限制，如何發(fā)展適合我國國情的巨型空間互聯(lián)網(wǎng)值得深入思考。

1）突出應(yīng)用導(dǎo)向性和經(jīng)濟(jì)可行性。從需求出發(fā)，按照高效、集約、適用、好用的原則，最大限度地發(fā)揮其應(yīng)用效益，必須走寬窄結(jié)合的應(yīng)用模式?？紤]到衛(wèi)星在軌壽命是衛(wèi)星運營盈虧的重要限制因素，對比國外“銥星”、“一網(wǎng)”等衛(wèi)星壽命設(shè)計要求，單星壽命設(shè)定在8 ～12年較為合適。

2）制定全球服務(wù)、標(biāo)準(zhǔn)化和批量化生產(chǎn)等解決方案。為更好地服務(wù)全球市場，我國同類系統(tǒng)建設(shè)一方面要充分利用好商業(yè)合作模式，另一方面考慮到衛(wèi)星系統(tǒng)建設(shè)的特點，要先于天基系統(tǒng)設(shè)計，布局地面終端、芯片的研制開發(fā)。就目前看，面對如此數(shù)量龐大的衛(wèi)星系統(tǒng)建設(shè)，也是對中國工業(yè)基礎(chǔ)能力的考驗。統(tǒng)一的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品研制流程和互通的接口，批量化衛(wèi)星生產(chǎn)模式的實現(xiàn)，是系統(tǒng)建設(shè)不可避免的工作。

3）考慮戰(zhàn)略引領(lǐng)性和技術(shù)先導(dǎo)性。信息網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)走向天地融合的趨勢日漸清晰，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)作為新一代信息基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，是普遍信息服務(wù)的重要保障，是引領(lǐng)我國科技進(jìn)步、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要手段。天、地通信手段的深度融合，體系架構(gòu)的完全統(tǒng)一，技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)的完全一體化，用戶體驗的高度一致，是信息通信的發(fā)展趨勢，也是業(yè)界對繼第五代移動通信（5G）之后6G 發(fā)展方向的重要共識。