徐冰玉 李俠宇

(中國信息通信研究院技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究所，北京100191)

0 引言

根據(jù)We Are Social與Hootsuite發(fā)布的“2021全球數(shù)字報告”，截止到2021年1月底，全球互聯(lián)網(wǎng)用戶規(guī)模為45.4億，人口普及率達(dá)59%[1]。然而，受制于鋪設(shè)成本和鋪設(shè)難度等因素，全球互聯(lián)網(wǎng)的土地覆蓋率僅為20%左右。尤其是針對廣大的海洋、沙漠、深林等地區(qū)，現(xiàn)有地面網(wǎng)絡(luò)無法實現(xiàn)有效覆蓋。相比之下，衛(wèi)星通信的廣覆蓋、不受空間限制、受自然災(zāi)害影響小等特征，使其可以作為地面通信的有效補充，為陸地、海洋和天空等各類用戶提供互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。

20世紀(jì)末，美國摩托摩拉公司提出了全球首個衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座“銥星星座”，由于技術(shù)難度大、成本過高、市場定位錯誤等原因后來被迫停滯。2010年之后，隨著衛(wèi)星通信技術(shù)的發(fā)展、衛(wèi)星建造和發(fā)射成本的降低、規(guī)?；a(chǎn)水平的提升，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)再次走入大眾的視野中。根據(jù)美國SIA的數(shù)據(jù)，現(xiàn)有商業(yè)衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)總值約2800億美元，預(yù)計到2040年，全球太空經(jīng)濟(jì)的價值將達(dá)到1萬億美元。其中，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)預(yù)計將占市場增長的50%～70%。

目前，全球范圍內(nèi)已經(jīng)提出多個衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)計劃，包括美國的Starlink星座、Kuiper衛(wèi)星通信星座、英國的OneWeb衛(wèi)星通信星座和加拿大的Lightspeed衛(wèi)星通信星座。其中，發(fā)展最為迅速的是美國SpaceX公司提出的Starlink衛(wèi)星通信星座。Starlink衛(wèi)星通信星座的發(fā)展，采用了多種新型關(guān)鍵技術(shù)和商業(yè)模式，對我國的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)極具借鑒價值。

1 Starlink衛(wèi)星通信星座發(fā)展歷程

1.1 Starlink衛(wèi)星通信星座的背景

2015年1月，美國SpaceX公司宣布了其衛(wèi)星通信星座Starlink的建設(shè)計劃，旨在為全球用戶，特別是農(nóng)村和偏遠(yuǎn)地區(qū)的用戶，提供高速互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)。根據(jù)SpaceX提交給美國聯(lián)邦通信委員會(Federal Communications Commission，F(xiàn)CC)的信息，Starlink衛(wèi)星通信星座分兩個階段建設(shè)：第一階段計劃部署1.2萬顆低軌衛(wèi)星，第二階段計劃部署3萬顆低軌衛(wèi)星。

截止到2021年6月，Starlink衛(wèi)星通信星座已經(jīng)完成首批1740顆衛(wèi)星的發(fā)射任務(wù)，軌道高度為550 km，分布在72個軌道面上。這些衛(wèi)星通信采用Ku和Ka頻段，傾角53°[2]，單顆衛(wèi)星重約260 kg，天線覆蓋范圍為64萬平方公里，服務(wù)緯度為44°～52°，在軌壽命為1～5年，預(yù)計2022年星座將配備星間鏈路，可有效覆蓋極地地區(qū)。

美國北方天空研究公司(NSR)根據(jù)FCC提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真分析得出，Starlink衛(wèi)星通信星座的衛(wèi)星單星過頂時間為4.1 min，飛行速度為7.5 km/s，單星覆蓋面積為277萬平方公里，單波束覆蓋半徑為8 km。位于華盛頓州的信關(guān)站能同時觀測到5～7顆衛(wèi)星。

1.2 發(fā)射情況

2021年5月27日，SpaceX公司在佛羅里達(dá)州卡納維拉爾角空軍基地發(fā)射第29批60顆衛(wèi)星，此次發(fā)射是當(dāng)月的第四次發(fā)射，也是2021年以來發(fā)射的第13批星鏈衛(wèi)星。目前，SpaceX公司的Starlink衛(wèi)星通信星座累計發(fā)射1737顆衛(wèi)星，其中在軌1638顆，在軌運行951顆。

2 Starlink衛(wèi)星通信星座測試情況

Starlink衛(wèi)星通信星座自2020年8月起開展公開測試服務(wù)，且已經(jīng)在美國、加拿大、英國、德國、法國、新西蘭和澳大利亞等超過12個國家建設(shè)信關(guān)站并開展寬帶測試。目前全球有近百個信關(guān)站，亞洲還沒有正式使用的信關(guān)站，但是SpaceX已經(jīng)開始與日本、老撾、菲律賓等亞洲國家洽談信關(guān)站落地事宜。

截至2021年8月，Starlink衛(wèi)星通信星座在全球范圍內(nèi)用戶數(shù)已經(jīng)近9萬，遍布12個國家或地區(qū)。預(yù)計在未來的12個月內(nèi)，全球Starlink衛(wèi)星通信用戶數(shù)將超過50萬。目前，Starlink在美國的資費標(biāo)準(zhǔn)為終端機費用499美元+網(wǎng)費99美元/月，在英國的資費標(biāo)準(zhǔn)為終端機費用439英鎊+網(wǎng)費89英鎊/月。傳統(tǒng)寬帶衛(wèi)星系統(tǒng)Viasat和HughesNet的資費標(biāo)準(zhǔn)分別為200美元/月和150美元/月[3]，可見，Starlink與傳統(tǒng)高軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)相比具有很大價格優(yōu)勢。Starlink用于公開測試的終端套件包括一個Starlink碟形天線，一個W-Fi路由器，一個電源和系統(tǒng)支架。測速網(wǎng)站Ookla的報告顯示，2021年第二季度Starlink衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)下行平均下載速率可達(dá)108 Mbit/s，平均時延為37 ms。預(yù)計Starlink衛(wèi)星通信星座將于2021年年底開始全球商用服務(wù)。

3 Starlink衛(wèi)星通信星座商業(yè)運營情況

3.1 Starlink衛(wèi)星通信星座建造情況

Starlink衛(wèi)星通信星座集衛(wèi)星、火箭、地面站制造、火箭發(fā)射、衛(wèi)星運營和服務(wù)于一身，采用創(chuàng)新商業(yè)閉環(huán)模式，具備自主完整的商業(yè)航天產(chǎn)業(yè)鏈。這種商業(yè)模式的優(yōu)勢在于技術(shù)更加可控，更利于降低整體成本和優(yōu)化整個系統(tǒng)。

2020年，馬斯克旗下的隧道挖掘公司TBC和特斯拉公司在德克薩斯州建立了辦公場所和工廠，其中工廠用于生產(chǎn)衛(wèi)星。2021年3月3日，SpaceX公司表示，將在德克薩斯州奧斯汀市建造一座新工廠，用來大批量生產(chǎn)面向消費者的地面信號接收終端和天線等設(shè)備，預(yù)計產(chǎn)能可達(dá)到每周5000臺終端。

3.2 Starlink衛(wèi)星通信星座生產(chǎn)成本

為建設(shè)Starlink衛(wèi)星通信星座，預(yù)計SpaceX公司的總投資額將達(dá)到200億～300億美元，其中需50億～100億美元才能全面投入運營。星座建成后，預(yù)估收益約300億美元。

目前，Starlink衛(wèi)星通信星座的單顆衛(wèi)星制造成本為50萬美元，采用獵鷹9號火箭發(fā)射，官方報價6200萬美元，按照一箭60星的方案來估算，其單顆星發(fā)射成本為100萬美元左右。考慮到獵鷹9號可以多次重復(fù)使用，實際發(fā)射費用應(yīng)遠(yuǎn)低于這個報價。并且，根據(jù)SpaceX于2021年8月提供給FCC的信息，2022年Starlink衛(wèi)星通信星座將采用SpaceX公司研制的星際飛船來發(fā)射衛(wèi)星，能夠一次發(fā)射400顆衛(wèi)星，在大幅提升網(wǎng)絡(luò)部署速度的同時，有效降低成本。

在終端方面，目前Starlink衛(wèi)星通信星座終端在美國的報價為設(shè)備費用499美元，在英國的報價為設(shè)備費用439英鎊，價格與美國基本一致。據(jù)2021年4月SpaceX公布的消息，Starlink衛(wèi)星通信星座終端成本為1500美元左右，遠(yuǎn)高于目前售價，這意味著SpaceX承擔(dān)了將近1000美元的損失，或者說補貼。

4 Starlink衛(wèi)星通信星座發(fā)展情況分析

4.1 Starlink衛(wèi)星通信星座的網(wǎng)絡(luò)能力分析

根據(jù)目前SpaceX的官方說法和Starlink衛(wèi)星通信星座的實際能力，Starlink衛(wèi)星通信星座主要是作為地面移動通信網(wǎng)絡(luò)尤其是5G的補充和延伸，雖然也不完全排除在城市地區(qū)提供服務(wù)的可能，但是仍旨在覆蓋農(nóng)村、海洋、沙漠、極地等互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)水平低的地區(qū)。

從覆蓋范圍看，地面移動網(wǎng)絡(luò)主要以實現(xiàn)人口覆蓋為主，而Starlink、OneWeb等衛(wèi)星通信星座的互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)未來能夠?qū)崿F(xiàn)領(lǐng)土覆蓋，甚至全球覆蓋。目前，Starlink衛(wèi)星通信星座并未配置星間鏈路，因此只能覆蓋到陸地能夠建設(shè)信關(guān)站的區(qū)域，并且受到現(xiàn)在衛(wèi)星的數(shù)量和密度的限制，單個信關(guān)站只能同時看到5～7顆衛(wèi)星，星座的能力有限。但根據(jù)SpaceX的信息，其司2022年發(fā)射的Starlink衛(wèi)星將配備星間鏈路。這將帶來兩個好處：一是能夠有效實現(xiàn)全球覆蓋，尤其是惠及極地、海洋等地區(qū)；二是可以將熱點區(qū)域的部分用戶通過星間鏈路分配到較空閑的衛(wèi)星，由它們提供通信服務(wù)，實現(xiàn)負(fù)載均衡。然而，星間鏈路帶來的問題是會浪費大量的星間鏈路資源來傳輸重復(fù)的信息，造成衛(wèi)星功耗和鏈路能力的浪費，并且可能會增加額外的時延，降低用戶的服務(wù)質(zhì)量。配置星間鏈路后的星座容量和性能，還需要根據(jù)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)型和實際開展的業(yè)務(wù)數(shù)量來作具體分析。

從用戶速率看，4G系統(tǒng)要求的下行速度平均為100 Mbit/s左右。而根據(jù)我國“5G之花”[4]中的定義，5G要求的下行體驗速率要達(dá)到1 Gbit/s，大概是4G的10倍，峰值速率最高要達(dá)到20 Gbit/s。目前，根據(jù)Starlink衛(wèi)星通信星座全球測試的結(jié)果，德國的用戶是目前最大速率的保持者，峰值速率能夠達(dá)到649 Mbit/s。然而，SpaceX提出的平均速率目標(biāo)為50～150 Mbit/s?？梢?，目前Starlink衛(wèi)星通信星座能達(dá)到的速率與4G的水平基本持平，但是還達(dá)不到5G的水平。未來，當(dāng)衛(wèi)星的數(shù)量和密度加大后，該速率有可能得到有效提升。

從系統(tǒng)容量看，目前華為的5G BBU上行+下行吞吐量為50 Gbit/s，Starlink衛(wèi)星通信星座里的衛(wèi)星容量平均為20 Gbit/s，與地面5G基站在同一量級。然而，目前僅在我國的5G基站數(shù)量已有近150萬個，Starlink衛(wèi)星通信星座的整個計劃里僅有4.2萬顆衛(wèi)星，系統(tǒng)的容量完全不是一個量級。這還不考慮衛(wèi)星在太空中沿固定軌道運轉(zhuǎn)，有大量衛(wèi)星覆蓋在沙漠、海洋等地區(qū)，其通信容量并不能被充分利用。

從時延看，Starlink衛(wèi)星通信星座的衛(wèi)星軌道高度為550 km左右，星下點即最短往返距離為1100 km，傳輸時延為3.7 ms左右，衛(wèi)星覆蓋范圍的邊緣點的傳輸時延將更大。目前，5G的空口時延要求為1～2 ms。所以，從時延的角度來看，Starlink衛(wèi)星通信星座也達(dá)不到5G要求的水平。

4.2 Starlink衛(wèi)星通信星座的成本與收入分析

SpaceX的官方消息稱，Starlink衛(wèi)星通信星座的總投資額約為200億～300億美元，合人民幣1300億～2000億元，初期需要50億～100億美元才能全面投入運營，待星座建成后預(yù)計收益300億美元。根據(jù)目前Starlink衛(wèi)星通信星座的規(guī)模，在不考慮火箭重復(fù)發(fā)射的影響下，一箭60星，第一階段1.2萬顆衛(wèi)星的發(fā)射成本約為124億美元。按照每顆衛(wèi)星50萬美金測算，4.2萬顆衛(wèi)星的制造成本約為60億美元。再考慮到這其中還未包含地面測運控中心建設(shè)、系統(tǒng)的維護(hù)和運營等多方面的費用，星座的建設(shè)成本與SpaceX的估計數(shù)值是吻合的。

關(guān)于地面5G的部署成本，據(jù)麥肯錫預(yù)測，第一輪全球5G部署將投入7000億～9000億美元[5]，且2030年能夠享受5G網(wǎng)絡(luò)的只有生活在美國、中國、歐洲富裕發(fā)達(dá)地區(qū)的民眾。根據(jù)我國2020年地面移動通信運營商的年度業(yè)績報告，2021年中國移動5G相關(guān)資本開支預(yù)計1100億元，中國電信和中國聯(lián)通5G相關(guān)資本開支分別預(yù)計為397億元和350億元，3家運營商2021年5G資本投入預(yù)計超1800億元，同比增長2.44%。

可見，Starlink衛(wèi)星通信星座建設(shè)成本看似非常巨大，但與地面移動通信系統(tǒng)尤其是5G相比，由于單星覆蓋面積大，所需基站數(shù)量少，成本仍然具有很大優(yōu)勢。然而，衛(wèi)星的設(shè)計壽命僅5～7年，最多7年后，Starlink衛(wèi)星通信星座需要重新發(fā)射替換星，而地面移動通信設(shè)備本身壽命很長，建成后的后期維護(hù)費用較低。

據(jù)數(shù)據(jù)分析與咨詢機構(gòu)萊希特曼研究小組(Leichtman Research Group)的統(tǒng)計[6]，截至2021年1月，美國仍有近14%的人口，約4200萬人無法接入互聯(lián)網(wǎng)。假設(shè)其中3000萬人使用Starlink衛(wèi)星通信系統(tǒng)，則Starlink衛(wèi)星通信用戶數(shù)量將達(dá)到3000萬。這個數(shù)量與SpaceX自己的測算基本一致，按照套餐費99美元/月/人計算，Starlink衛(wèi)星通信一年的收入大致為360億美元，基本能夠?qū)崿F(xiàn)收益。

4.3 Starlink衛(wèi)星通信星座的軍事價值分析

近5年來，美國陸續(xù)發(fā)布多個航天發(fā)展戰(zhàn)略和法案，從2015年的《商業(yè)航天發(fā)射競爭法案》，到2018年的《美國國家太空戰(zhàn)略》，再到2020年的《美國國防太空戰(zhàn)略概要》，逐步明確了美國要保持太空優(yōu)勢和確保太空穩(wěn)定的決心，并將為國家、聯(lián)合、聯(lián)盟三個層面上的作戰(zhàn)行動提供太空支持?？梢?，美國在商業(yè)航天發(fā)展的同時，也在不斷挖掘低軌衛(wèi)星星座的軍用價值。

作為一個商業(yè)航天公司，SpaceX一直面向普通用戶。然而，從其推出的Starlink衛(wèi)星通信星座自身的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以及配合美國軍方完成的一系列測試來看，Starlink衛(wèi)星通信星座未來可能具有很強的軍用發(fā)展空間。首先，Starlink衛(wèi)星通信星座完成一期發(fā)射后，具備了全球覆蓋的能力，尤其是當(dāng)新一代具備星間鏈路的衛(wèi)星完成部署后，其全球覆蓋的能力將大大增強，能夠?qū)崿F(xiàn)全天候不間斷的偵察和監(jiān)視。其次，Starlink衛(wèi)星通信星座中的衛(wèi)星具有運動速度快、密度高、難以追蹤的特點，為反偵察或反監(jiān)視帶來很大困難。同時，Starlink衛(wèi)星通信星座能夠提供更大的速率和更低的時延，在性能具有優(yōu)勢的同時，更有利于陸、海、空、天等多領(lǐng)域通信網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通，增強美軍跨域協(xié)同通信能力。

2019年，美國空軍與SpaceX簽署了一項近2800萬美元的協(xié)議，旨在進(jìn)行軍事服務(wù)演示驗證，以評估Starlink衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)用于空軍的性能。SpaceX的測試結(jié)果表明，Starlink衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)可為美軍C-12飛機提供高達(dá)610 Mbit/s的下載速率。定位方面，美國陸軍也提供了數(shù)百萬美元的資金，委托德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校無線電導(dǎo)航實驗室進(jìn)行研究，希望利用Starlink低軌道衛(wèi)星提供精度優(yōu)于GPS的定位服務(wù)。同時，SpaceX公司通過火箭發(fā)射業(yè)務(wù)以及載人飛船研制等相關(guān)任務(wù)，共計得到美國國家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration，NASA)超50億美元合同?？梢?，SpaceX與美國的官方合作非常緊密。

5 結(jié)束語

本文介紹了Starlink低軌衛(wèi)星通信星座的基本情況，并從Starlink的網(wǎng)絡(luò)能力、成本與收入、軍事價值分析三個方面進(jìn)行了重點分析。通過一系列測試可以發(fā)現(xiàn)，Starlink衛(wèi)星通信星座已經(jīng)初步具備提供服務(wù)的能力，并且在不斷地優(yōu)化設(shè)計、降低成本。我國應(yīng)充分借鑒Starlink衛(wèi)星通信星座的發(fā)展經(jīng)驗，采用創(chuàng)新的商業(yè)模式，突破關(guān)鍵技術(shù)，提升產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)能力，加快商業(yè)航天布局，建設(shè)太空網(wǎng)絡(luò)強國。