架起“太空之橋”！衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)如何成為太空“新基建”？

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)是繼有線互聯(lián)、無線互聯(lián)之后的第三代互聯(lián)網(wǎng)基礎設施。衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)包括地球靜止軌道（GEO）高通量衛(wèi)星、地球中軌道（MEO）互聯(lián)網(wǎng)星座和地球低軌道（LEO）互聯(lián)網(wǎng)星座。

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的組成

低軌互聯(lián)網(wǎng)星座的發(fā)展概況

低軌寬帶互聯(lián)網(wǎng)星座并不是新生事物。20世紀80年代開始發(fā)展的小衛(wèi)星技術，對星座的發(fā)展起了巨大的推動作用。90年代初期，低軌通信星座開始盛行，伴隨銥星（Iridium）、全球星（Globalstar）等低軌語音通信星座的興起，業(yè)界相繼提出了多個中低軌道互聯(lián)網(wǎng)星座的概念，其中包括微軟創(chuàng)始人比爾·蓋茨提出的“泰利迪斯”（Teledesic）星座、法國阿爾卡特公司提出的“天空之橋”（Skybridge）星座。

由于銥星系統(tǒng)早期運營失敗，加之互聯(lián)網(wǎng)產業(yè)遭遇第一次低谷，這些互聯(lián)網(wǎng)星座設想，全都停留在紙面上。實際上，衛(wèi)星通信從誕生的第一天起，就與地面通信在相互競爭、相互補充與合作中發(fā)展。衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座的發(fā)展可以分為3個歷史階段：

第一階段（20世紀80年代末至2000年）以銥星系統(tǒng)為代表，力圖重建一個天基網(wǎng)絡，銷售獨立的衛(wèi)星電話與地面電信運營商競爭用戶。第二階段（2000—2014年）以新銥星系統(tǒng)為代表，主要是作為地面通信手段的“填隙”，規(guī)模有限。第三階段（2014年至今）以格里格·維勒創(chuàng)立的“另外30億人”（O3b）MEO星座，為全球用戶提供干線傳輸和蜂窩回程業(yè)務，將地面電信運營商作為其客戶和合作伙伴，衛(wèi)星網(wǎng)絡成為地面網(wǎng)絡的補充。O3b和已經成熟的GEO高通量衛(wèi)星，其數(shù)據(jù)傳輸速率大大超過了銥星和全球星系統(tǒng)，雖然其系統(tǒng)容量無法與地面通信手段相比，但對于地面設施無法覆蓋的地區(qū)，已經能夠滿足基本的寬帶需求。

此外，國內外多家企業(yè)提出低軌互聯(lián)網(wǎng)星座計劃，部分企業(yè)已進入密集部署狀態(tài)。格里格·維勒早在2012年就創(chuàng)立了一網(wǎng)公司。一網(wǎng)致力于構建一個能夠覆蓋全球的高速寬帶網(wǎng)絡，為世界各地提供高速寬帶服務，以此消彌不同地區(qū)間的數(shù)字鴻溝，成為衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的引領者。此后，多個低軌互聯(lián)網(wǎng)星座計劃相繼提出，準備在潛在的巨大市場中分一杯羹。其中包括太空探索技術公司公司提出的星鏈、LeoSat公司提出的LeoSat、加拿大TeleSat公司的TeleSatLEO、亞馬遜的Kuiper、中國航天科工集團的虹云工程、中國航天科技集團的鴻雁星座、中國電子科技集團的天地一體化信息網(wǎng)絡、銀河航天的銀河Galaxy等。

一網(wǎng)公司提出的低軌互聯(lián)網(wǎng)星座

一網(wǎng)的初始星座包括648顆衛(wèi)星和234顆備份星，總數(shù)量達到882顆，后來再追加2000顆，衛(wèi)星總數(shù)將達到約2882顆。每顆衛(wèi)星重150千克，采用Ku和Ka波段。2017年6月22日，美國聯(lián)邦通訊委員會宣布正式批準一網(wǎng)進入美國寬帶服務市場。一網(wǎng)星座的特點是其基本上實現(xiàn)了全球覆蓋，與地面移動互聯(lián)網(wǎng)相融合和大規(guī)模制造衛(wèi)星等。不過一網(wǎng)有點低估了制造和發(fā)射衛(wèi)星的難度，成本的大幅度上升為今天的破產埋下了伏筆。

星鏈計劃建設一個由近1.2萬顆衛(wèi)星組成的衛(wèi)星群。星座選擇了Ku/V頻段，由分布在1150公里高度(最近已調低到550公里高度)的4425顆衛(wèi)星的低軌星座，和分布在340公里左右的7518顆衛(wèi)星的甚低軌星座構成，有利于更好地實現(xiàn)全球覆蓋。

太空探索技術公司提出的星鏈星座

發(fā)展衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的戰(zhàn)略意義

發(fā)展衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)是一項重要的國家戰(zhàn)略。建立衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)是適應未來萬物互聯(lián)的需求，是維護國家安全的需要，將形成萬億級規(guī)模的新產業(yè)。

首先，發(fā)展衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)將為太空經濟的發(fā)展提供新動力。發(fā)展低軌衛(wèi)星星座將實現(xiàn)全球互聯(lián)網(wǎng)無縫鏈接服務。它相對于地球同步軌道衛(wèi)星，傳輸延時更短，路徑損耗更小；相對于光纖，在低業(yè)務密度地區(qū)的部署便捷、成本低。目前全球還有30億人口沒有接入互聯(lián)網(wǎng)，低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)成為經濟、高效的解決方案，有著廣闊的市場前景，可促進商業(yè)航天的產業(yè)化。

其次，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)將成為大國戰(zhàn)略博弈的焦點之一。目前世界大國正在爭奪未來地面網(wǎng)絡技術的優(yōu)勢，其核心技術是5G。由于我國目前在5G處于領先地位，美國除了抓緊發(fā)展5G和6G技術外，正在鼓勵企業(yè)積極發(fā)展低軌互聯(lián)網(wǎng)星座。由此，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)將成為中美爭奪未來技術優(yōu)勢的一項前沿技術。另一方面，在衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展前景廣闊的背景下，軌道和頻率將成為稀缺資源，搶占資源也成為衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的重要推動力。

再次，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)具有巨大的軍用潛力。在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，安全高效的網(wǎng)絡，能夠為獲取戰(zhàn)爭主動權提供重要的保障，而衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)將是最重要的軍事指揮、控制和通信手段。近年來，低軌寬帶通信衛(wèi)星技術逐漸發(fā)展成熟，從而促使美軍日益重視低軌星座的建設和運用，以替代和備份以往使用的單顆昂貴GEO衛(wèi)星。美國國防部高級研究計劃局（DARPA）在“太空增強作戰(zhàn)效能（SeeMe）”項目的基礎上，在2019財年重點發(fā)展“黑杰克（Blackjack）”項目，該項目旨在充分利用商業(yè)公司研發(fā)的小體積、小重量、低功率、低成本的低軌衛(wèi)星星座。最終目標是實現(xiàn)軍方衛(wèi)星有效載荷的高度網(wǎng)絡化，并兼具彈性和持久性，能夠持續(xù)在全球范圍內為軍方提供最大的超視距遙感、信號和通信功能。2019年7月1日，美國航天發(fā)展局（SDA）發(fā)布了下一代太空架構信息征詢書。根據(jù)該文件，它將由幾層基于小型通信衛(wèi)星網(wǎng)絡的結構組成。

DARPA 的黑杰克項目

最后，發(fā)展衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)將推動航天技術的變革與創(chuàng)新。低軌互聯(lián)網(wǎng)星座是近年來航天領域最具創(chuàng)新性的系統(tǒng)。在這過程中涌現(xiàn)出來的新的小型通信衛(wèi)星技術和地面終端技術，將對未來衛(wèi)星技術和衛(wèi)星應用的發(fā)展，產生深刻的影響。衛(wèi)星制造增加了商用工業(yè)級器件比例，通過標準化、模塊化實現(xiàn)小衛(wèi)星的批量生產，以降低衛(wèi)星研制成本。大量衛(wèi)星的發(fā)射需求，又促進了低成本重復使用火箭技術的發(fā)展。這些技術創(chuàng)新將向傳統(tǒng)航天領域流動，成為推動航天產業(yè)發(fā)展變革的引擎。

低軌互聯(lián)網(wǎng)星座的手持終端

太空經濟的新動力

無疑，由于衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)存在多方面的市場需求，從而它將成為太空經濟的新動力。這些需求主要有：

1.地面網(wǎng)絡未通地區(qū)的需求。這不僅是這些地區(qū)居民的需求，更是因工作和旅游而流動進入這些地區(qū)，已經習慣使用互聯(lián)網(wǎng)的人員，包括油氣管道、交通建設、森林作業(yè)、采礦作業(yè)、鉆井平臺等野外作業(yè)人員的迫切要求。據(jù)國際電信聯(lián)盟（ITU）估計，全球仍然有近一半的人未聯(lián)網(wǎng)，特別是大部分非洲人口依然沒有接入互聯(lián)網(wǎng)。國內互聯(lián)網(wǎng)普及率為59.6%，仍有2%的行政村未通光纖和4G。

2.航空與航海的需求。全球每年有超過50億人次的飛機乘客，其聯(lián)網(wǎng)需求強，消費水平高；輪船乘客離岸時間長，而且消費水平也比較高，聯(lián)網(wǎng)幾乎是剛需。因此，他們有望成為低軌互聯(lián)網(wǎng)星座最早的一批用戶。航空WiFi系統(tǒng)經過這幾年的發(fā)展，其安裝和運營成本已降至世界上幾乎任何航空公司都可以提供的水平，但當前許多飛機的WiFi存在速度慢和流量限制等問題。2019年年初全球總共有95400多條航運船,航運船上的海員上網(wǎng)主要通過海事衛(wèi)星，費用很貴而普及率較低。2019年全球272艘郵輪乘客人數(shù)達到3000萬，郵輪乘客對網(wǎng)絡需求十分旺盛。世界海洋捕撈船總數(shù)大約為460萬艘，是航海領域低軌互聯(lián)網(wǎng)星座最大的潛在客戶群體。

民航飛機接入互聯(lián)網(wǎng)

3.要求低延時和無間斷的高端用戶需求。低軌互聯(lián)網(wǎng)星座可提供長距離的較短的延時。在部分遠距離傳輸?shù)膱龊?，通過低軌衛(wèi)星通信可能比地面網(wǎng)絡的延時還要短。因為光在光纖中的傳播速度是真空中的2/3，在遠距離傳輸應用上，雖然信號通過衛(wèi)星多走了數(shù)百公里，但其延時依然比通過地面光纖要短。因此，對于要求低延時和無間斷的國際金融和車聯(lián)網(wǎng)等業(yè)務，低軌互聯(lián)網(wǎng)星座會更加適用。

4.政府與國防的需求。低軌互聯(lián)網(wǎng)星座可提供全球性不間斷連續(xù)通信服務，可作為政府應急、外交和國防的重要通信手段。政府和國防訂單將是星座運營的重要基石。

發(fā)展低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座的風險

任何創(chuàng)業(yè)都有風險?！安虏掠卸嗌俚蛙壭l(wèi)星星座沒有破產？”2020年3月，馬斯克曾在美國華盛頓舉行的2020年衛(wèi)星會議上如此發(fā)問。他的答案是“零”，還開玩笑說太空探索技術公司正致力于“不破產”。

2020年3月27日,一網(wǎng)公司向美國破產法院申請破產保護。一網(wǎng)表示，因受COVID-19疫情蔓延及市場動蕩的影響，公司未能與大股東軟銀達成一致，以至于公司失去了爭取新投資者的窗口期，被迫進入破產程序。一網(wǎng)也和其前輩銥星等一樣，沒能避免中途折戟的命運。這則一網(wǎng)申請破產保護的消息，讓人有些出乎意料，因為僅僅6天前，一網(wǎng)的34顆衛(wèi)星還搭載聯(lián)盟號火箭升空，使其衛(wèi)星總數(shù)達到74顆。一網(wǎng)方面表示，在紐約申請破產保護后，公司將尋求出售。提出破產申請，可讓公司有機會在不必身背債務的條件下，走出破產并繼續(xù)經營。

一網(wǎng)一次發(fā)射34顆衛(wèi)星

無論如何，一網(wǎng)的破產申請，已經為低軌互聯(lián)網(wǎng)星座的風險，吹響了哨子。主要的風險是：

1.高投入的風險。一網(wǎng)目前通過成批生產雖然可以降低衛(wèi)星的成本，但其使用的火箭的發(fā)射成本仍然很高，而且進度的拖延又大大增加成本。相比之下，太空探索技術公司采用本公司的獵鷹9號火箭一次發(fā)射60顆衛(wèi)星，進度快、成本低，則有明顯的優(yōu)勢。美國航天咨詢公司北方天空研究所（NSR）通過負債比這一經濟指標，對互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星企業(yè)的未來收入做了大致估算。若按照每戶每月費用為50美元計算，未來打造衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座的企業(yè)，至少需要獲得1000萬的用戶量級才能獲得盈利，而實現(xiàn)這樣的目標難度很高。

太空探索技術公司一次發(fā)射60顆衛(wèi)星

2.頻率協(xié)調與落地權難度很大。衛(wèi)星頻率軌道資源是國家發(fā)展的戰(zhàn)略性稀缺資源，是太空基礎設施建設的基礎。除頻率協(xié)調外，落地權問題或更難協(xié)調。

3.面臨地面通信系統(tǒng)的競爭。地面通信正在大力推動5G的發(fā)展，目前很難預測到低軌互聯(lián)網(wǎng)星座系統(tǒng)全部建成之后，是否會再次落后于地面通信。對于4G已經覆蓋98%人口的我國來說，這種風險更大。一旦國外衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座成功完成部署，中國市場無疑將會是競爭的熱點，這種跨國界的全球互聯(lián)網(wǎng)接入業(yè)務，勢必會帶來激烈競爭和信息安全問題。

4.低軌惡劣空間環(huán)境的考驗。低軌互聯(lián)網(wǎng)星座的衛(wèi)星在變軌的過程中，需要頻繁穿越高能質子輻射帶，它會對衛(wèi)星的電子系統(tǒng)的正常工作造成很大影響，因此對衛(wèi)星抗輻射能力提出了很高的要求。此外，衛(wèi)星還存在與微流星和軌道碎片碰撞的風險。此外，衛(wèi)星數(shù)量眾多，退役后一旦成為新的太空垃圾，將會對后續(xù)部署衛(wèi)星產生很大影響。

我國發(fā)展太空經濟的新機遇

衛(wèi)星通信是太空經濟的主力和核心。中國幅員遼闊，海洋領土超過300萬平方公里，一個全球性的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)是填補邊遠地區(qū)的數(shù)字鴻溝和解決境內外應急救援問題的重要方案，并保障我國的遠洋經濟利益和軍事存在。因此，盡快建設一個具有中國特色的，由國家財政保障、政府組織協(xié)調、企業(yè)分工合作的大型衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，具有重要的戰(zhàn)略價值。

2020年04月20日國家發(fā)改委首次明確將衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)列入新型基礎設施的范圍，大大鼓舞了商業(yè)航天行業(yè)的信心。在工程的實施上，可以采用我國發(fā)展“大飛機”的模式或采用“北斗”模式，但還要充分發(fā)揮民營企業(yè)的作用。我們相信，在新型舉國體制的引領下，匯聚各方面的資金和人才，做好工程的頂層設計和方案優(yōu)化，大力創(chuàng)新，盡快建成天地一體化的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)，必將促進我國的航天技術和太空經濟，邁上一個新的臺階。