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新(xīn)兴低轨卫(wèi)星通信(xìn)星座发展
来源:新闻中心
发布时(shí)间:2021年02月24日 编辑:中国电科(kē)发展战略研究中(zhōng)心(xīn)专家邹明,赵子(zǐ)骏(jun4),魏凡

新兴低轨卫星通信星座发展

  摘(zhāi) 要:SpaceX、OneWeb等公司(sī)计划(huá)建(jiàn)造大型低轨卫星通信星座,以提供全球宽(kuān)带接入(rù)。与(yǔ)90年代(dài)的低轨星座浪潮(cháo)相比,新兴星座主要具(jù)备以(yǐ)下优(yōu)势(shì):批量化、模块化(huà)生产降低(dī)了卫(wèi)星制造成本,火箭重复利(lì)用和“一箭多星”技术降低了发射成本。然(rán)而,低轨(guǐ)星座(zuò)面临快速发展(zhǎn)的(de)地面网络以及地球静止轨道高通量卫(wèi)星(xīng)的(de)激烈竞争。文中从建设费用、容量密度、地面终端(duān)等(děng)方面对这(zhè)三类系统进行比较,分析各自(zì)的优劣,并分(fèn)别从民用市(shì)场和军事应用两个方面,分(fèn)析新兴低轨(guǐ)星座(zuò)的发展前景。

  关键词: 低轨(guǐ)星座;高通量卫星;星链;一网

引 言(yán)

  以OneWeb、StarLink为代表的新兴低(dī)轨(guǐ)(LEO)卫(wèi)星通信星座迅猛发展(zhǎn),旨在通过覆盖全球的宽带(dài)连接能力,与地面网络争(zhēng)夺互联网入口。与1990年代(dài)的铱星等低轨(guǐ)星座相比,新兴低轨星座拥有多(duō)种发展(zhǎn)优势:火箭重(chóng)复利用和“一(yī)箭多(duō)星”技(jì)术极大降低了卫星发射成本(běn);集成电路技术的进步促成(chéng)了卫星的模块化、组件化和小型化,显著降低了卫星的尺寸(cùn)、质(zhì)量、功耗和研制(zhì)成本(běn);批量化、模块化卫(wèi)星制造技(jì)术显著降低(dī)了卫星的制造(zào)成本。然而,来(lái)自(zì)地面(miàn)网络的竞争(zhēng)也(yě)日趋激烈,尤其是千兆级光纤网络已经开启(qǐ)大(dà)规模商用,3G、4G无线网络已经分(fèn)别(bié)覆盖全球93%、82%的(de)人(rén)口,5G无线网络也已经开始大规模部署。因此,新兴低轨卫星(xīng)通信星座发展前景仍然存在不确定性(xìng)。

  本文将从建设费用、容量密度等(děng)方面分析低轨星座与(yǔ)地面(miàn)网络的(de)竞争态势,从单(dān)位容量成本、地面终(zhōng)端配置、传输(shū)时延(yán)、落地监管等方面对比低轨星座与地球静(jìng)止轨道(dào)高通量卫星(GEO-HTS)的优劣(liè),并结合民用市场以及军事(shì)应用的特点和(hé)趋势,研究新兴低轨卫星通信(xìn)星(xīng)座的(de)发展前景。

1 与地面网络的竞争

  光纤、蜂窝(wō)无线通信(xìn)等地面通信(xìn)技术,是低轨星座无法回避的竞争对手(shǒu)。1990—2000年,“铱星(xīng)”、“全球星”、“轨道(dào)通(tōng)信”等多个低轨星座计划(huá)被提出,旨(zhǐ)在(zài)提供全球无缝(féng)覆盖(gài)的便携式卫(wèi)星电话服务。三(sān)大星座的设计指(zhǐ)标达到了同时期地面蜂窝网(wǎng)络(luò)的水平(píng),并具有全球无缝覆盖的优势(shì),因此吸引(yǐn)了广泛关注。但(dàn)在三大星座投入(rù)建设的十年(nián)间(jiān),地(dì)面蜂窝网络(luò)逐渐从2G演(yǎn)化到3G,手机终(zhōng)端价格和流量资费不断降低,卫星(xīng)通(tōng)信除了覆盖范围广的优势之外,终端成本、通信速(sù)率等方面均处于劣势,导致三(sān)大卫(wèi)星通信公司先后(hòu)经历了破产(chǎn)重(chóng)组。虽然三个(gè)星座最终都起死回(huí)生(shēng),但占据的无线通信市场份额远小于蜂窝网(wǎng)络,2015年三大星座(zuò)的(de)用户总数才达到380万,而(ér)同时期全球蜂窝移(yí)动用(yòng)户(hù)数量为73亿。

  与第一代低轨星座以话音服务为主不同,OneWeb、StarLink等新兴低轨星座主要提供卫星宽带服务,但其瞄(miáo)准的消费者宽(kuān)带(dài)市场(chǎng)面临光纤到户(FTTH)、蜂窝(wō)宽(kuān)带等地面(miàn)网络的竞争(如图(tú)1)。其中,光纤到户的优势是通信容量大,劣势是在偏远地区铺设成本较高(gāo);蜂窝宽带(dài)通过基(jī)站(zhàn)的无线信号实现宽带接(jiē)入(rù),通信容(róng)量一(yī)般低于光纤(xiān),优点是最后(hòu)一公里无需铺(pù)设线(xiàn)缆。低轨星座天然具(jù)备全球覆盖的优势,且接入成本与地(dì)域是否偏远无关(guān),但其能(néng)否赢(yíng)得与(yǔ)地面网络的竞争仍(réng)属未(wèi)知,下(xià)面(miàn)从(cóng)建设费用、容量密(mì)度两方面展开分析。

  

图 1 卫(wèi)星宽带、光纤到(dào)户与蜂窝宽带示意图(tú)1.1 建设费用比较

  宽带网(wǎng)络每条用户线路的建设(shè)费用等于户均覆盖费用与户均连接费用之和。户(hù)均覆盖费用等于网络建设费用除以用户(hù)数,因此在用户密度越高(gāo)的地区其值越低。户均连接(jiē)费(fèi)用等于用户终端费(fèi)用与(yǔ)安装费用之和,在用户首次开通服务时产生。

  根据美(měi)国(guó)光纤(xiān)宽带协会的研究,2019年美国光纤到户的(de)户均建设费用在(zài)密集(jí)城区、一般城区、郊区(qū)、农村分(fèn)别(bié)为1218、1863、2737、4206美元(如图2)。StarLink星座单星制造发射成本约153万美元,单(dān)星容(róng)量约21Gbps。低轨星座(zuò)天然(rán)具有全球覆(fù)盖特性,然(rán)而地球表(biǎo)面70%以(yǐ)上为海洋(yáng)和荒野,根据地表人口分布(bù)估算其(qí)容(róng)量利用效(xiào)率约(yuē)25.1%,单星有效容(róng)量约(yuē)5.36 Gbps。如果(guǒ)给每个宽带用户(hù)分配10Mbps容量,那么(me)StarLink单星(xīng)可服务约536个用户,户均覆盖(gài)费用为2854美元(yuán)。假设低轨星座用户终端(duān)费用(yòng)加安(ān)装(zhuāng)费用为550美元,则StarLink卫星宽带(dài)户均总费用为3404美元。类似可测算(suàn)出OneWeb和蜂窝宽带的户均(jun1)费用(如表1),其中蜂窝宽带采(cǎi)用了华为公司的测算结(jié)果。

表 1 OneWeb、StarLink与蜂窝宽带户(hù)均建设费用测算

图 2 蜂窝宽带、光纤到(dào)户(hù)与StarLink宽带户(hù)均建设(shè)费用对比(bǐ)

  对(duì)比(bǐ)可知,在密集城区、一般(bān)城(chéng)区和郊(jiāo)区,StarLink卫星宽带(dài)的户均建设费(fèi)用高(gāo)于光纤(xiān),但在农村地区比光纤(xiān)便(biàn)宜,因此非常适合北美、澳洲等(děng)地的农村地区。而OneWeb的户均(jun1)建(jiàn)设(shè)费用约16000美元,与StarLink相比不具竞争力。此(cǐ)外,蜂窝宽带的(de)户均建(jiàn)设费用仅为358美元,远远低于卫星宽带,但是蜂(fēng)窝宽带(dài)依(yī)赖光纤(xiān)进(jìn)行回传,因此(cǐ)适合作为连接最后一公(gōng)里的辅助手段。根据建设(shè)费用进行分析,低轨星座(zuò)的(de)宽带服务主要适合北美、澳(ào)洲等地的农村地(dì)区。

  1.2 容量密(mì)度比较 

  对于蜂(fēng)窝宽带、卫星(xīng)宽带等无(wú)线通信系统而言,容量密度是衡量(liàng)系统性能的重要维度之一。容量密度等于区域传输容量除以区域面积,决定了无线系统在单位面积内能够实现的(de)并发传输容量。与(yǔ)蜂窝基站的多波束空分(fèn)复用(yòng)技术相类(lèi)似(sì),StarLink等(děng)低轨星(xīng)座(zuò)也采用多(duō)点波束对地球表面进行覆盖(如图3),两者(zhě)的容量密度可用单波(bō)束容量除(chú)以单波束面积进行估算(如表2)。

  

  图 3 卫星波束与蜂窝基站覆盖方式对比

  表 2 卫星宽带与5G容(róng)量密度比较(jiào)

  

  从表2估算(suàn)结(jié)果可知,StarLink的(de)容量密度为(wéi)2 Mbps/km2,比5G系统所能实现的540 Gbps/km2低5个数量级。两者(zhě)的(de)差距主(zhǔ)要由两方面原因造(zào)成:

  1)低轨星座的频(pín)谱效(xiào)率低(dī)于5G系统。地面蜂窝基站高(gāo)度约30 m,而StarLink等低轨星座轨(guǐ)道高(gāo)度在550 km~1200 km,这导致低轨星座的路(lù)径损耗比蜂窝基站高50 dB以上。蜂窝基站(zhàn)在用户(hù)采用手机尺寸的接收机时(shí),一般(bān)能获得6 bps/Hz以上的频(pín)谱效率(lǜ);而(ér)StarLink等低轨(guǐ)星座由于更高的路径损耗,即使采用孔径约75 cm的(de)接收天(tiān)线,频谱效率也只(zhī)有(yǒu)2.5 bps/Hz左右。

  2)低轨星(xīng)座的单波束面积远大于5G系统。StarLink卫星(xīng)在1 200 km的高度向地面投射的单波束直径约60 km,面积约2800 km2;OneWeb卫(wèi)星采用固定的狭长椭圆(yuán)波束,其(qí)波束面积约为75000 km2。蜂窝基站由于高(gāo)度很低,其波束覆盖(gài)范围较小,例如在城市地区(qū)1km2内安(ān)装三个5G基站(zhàn),每个基站(zhàn)通过天线阵列产生15个波束,则每个波束(shù)的覆(fù)盖范围约1/45km2。低(dī)轨星座的(de)容(róng)量密度(dù)较低,导致(zhì)其难以(yǐ)满足城镇地(dì)区的传(chuán)输需求,而更(gèng)适合农村地区。世界主(zhǔ)要城市的人口密度普(pǔ)遍在1000人/km2以上,假设平均每(měi)个(gè)用户需要10 Mbps容量,那么需要的容量密度在(zài)10Gbps/km2上。国际标准规(guī)定4G、5G的流(liú)量密度峰值(zhí)分别为(wéi)100 Gbps/km2、10 Tbps/km2,能够满足城市地区容量密度需(xū)求(qiú),而低轨(guǐ)星座宽带则存在巨大差距。因此,低轨星座宽带主要适用于(yú)人口密度较低的农村地区。 

  2 与(yǔ)地球静止轨道卫星的竞争

  Starlink等新(xīn)兴低(dī)轨星座属于(yú)非地球静止(zhǐ)轨道高通量(liàng)卫(wèi)星(Non-GEO HTS)的范畴,还(hái)面临GEO-HTS的竞争。低轨星(xīng)座和GEO-HTS都采用了高通量卫星(HTS)技术,该技术通过多点波束和(hé)频率复用,单星容(róng)量比传统宽波(bō)束卫星(xīng)提升(shēng)数十(shí)甚至数百倍(bèi)(如图4)。

  

  图 4 HTS系统与传(chuán)统卫星系统对(duì)比

  低轨星座(zuò)与GEO-HTS代表实现高容量卫星宽带的两种(zhǒng)思路:低轨星座通过成(chéng)百(bǎi)数千颗小卫(wèi)星实现整个星座的高容量,GEO-HTS通过(guò)单颗大(dà)卫(wèi)星构造成百数千个点波束(shù)实现高容量。受惠于(yú)比(bǐ)高轨卫星(xīng)更低(dī)的路径(jìng)损耗,低(dī)轨卫星能够获得更高的(de)频(pín)谱效率,例如(rú)低轨卫星StarLink频谱效率约2.7 bps/Hz,GEO-HTS卫星ViaSat-3约1.1 bps/Hz。但低轨(guǐ)星(xīng)座通常采用轻(qīng)量级卫星,其波束数目和单星容量远比(bǐ)GEO-HTS低(如表3)。

  表(biǎo) 3 不同卫星波束参数对比(bǐ)

  

  低轨星座(zuò)与GEO-HTS都能实现全球覆盖,但是在(zài)传输时延、路径损耗、入轨(guǐ)成本、卫星寿命等方面各有优劣(如表 4),下(xià)面从单位容量成本、地面终端(duān)配置(zhì)、传输(shū)时延、落地监管等方(fāng)面进行重点分析。

  表(biǎo) 4 GEO-HTS和低轨星座(zuò)优(yōu)劣(liè)势比较

  

  2.1 单位容量(liàng)成本

  卫(wèi)星通(tōng)信系统(tǒng)的单位容(róng)量成本,等于卫星星座制造发射总(zǒng)成本(běn)除(chú)以系统有效容量。制造发射成本方面,低轨星座采用模块(kuài)化、批量化生产降低制造(zào)成本,并采用“一箭多星”发射技术大幅(fú)降低发射成本。根据公(gōng)开(kāi)数据(jù)对制造发射总(zǒng)成本(běn)进行估算(suàn),预计(jì)OneWeb第(dì)一期(qī)720颗卫星耗费24.2亿美元,StarLink第一期4425颗卫星耗费(fèi)68亿(yì)美元;GEO-HTS卫(wèi)星ViaSat-3三颗卫星(xīng)制(zhì)造发射总(zǒng)成本约(yuē)15亿美元。  

  系统有效容量取决于系(xì)统总容(róng)量和利用效(xiào)率。低轨星座OneWeb和StarLink的系统总容量分别约(yuē)为(wéi)7.2 Tbps和(hé)94 Tbps,但低轨星座所有卫星都围绕(rào)地(dì)球旋转,而地球表面70%以(yǐ)上的面积是(shì)海洋和荒(huāng)野,因此(cǐ),低轨星座的(de)容量利用效率较低。根据地表人口分布(bù)模型估算(suàn),OneWeb和StarLink的容量利用效率分别约为21.7%和25.1%,因此,其(qí)星座有效容量分别约为(wéi)1.56 Tbps和(hé)23.7 Tbps。GEO卫星(xīng)相对于(yú)地表静止,可以将容量投送到地面指定区(qū)域(yù),卫星容量利用(yòng)效率可达60%,因此预计ViaSat-3三颗卫星(xīng)总的有效容量(liàng)为(wéi)1.8 Tbps。

  根(gēn)据星座制造发射总成(chéng)本和有效容量,可得(dé)OneWeb、StarLink和ViaSat-3的单(dān)位(wèi)容量成本分(fèn)别约为1 550 $/Mbps、287 $/Mbps和(hé)833 $/Mbps;考虑卫星寿命之后,三者的单位容(róng)量月(yuè)度成本(běn)分(fèn)别约(yuē)为25.9 $/Mbps、4.8 $/Mbps和4.6 $/Mbps/Mon(如表 5)。可见低轨(guǐ)星座StarLink的单位(wèi)容量成本比GEO-HTS卫(wèi)星ViaSat-3更低,但考虑到卫星寿命的(de)区别后两者(zhě)的单位容量(liàng)月度成(chéng)本(běn)基(jī)本相当。

  表(biǎo) 5 低轨星座和GEO-HTS单(dān)位(wèi)容量成(chéng)本测算

  

  2.2 地面终端配置(zhì)

  低(dī)轨卫星(xīng)至地面用户的传输距离远小于GEO-HTS,在(zài)路径损耗(hào)方面具备(bèi)约30 dB的优势(如表6)。但GEO-HTS采用的(de)大卫(wèi)星平(píng)台支持更大的发(fā)射功率,可以(yǐ)部分弥补其路径损耗(hào)。例如(rú),ViaSat-1卫星的等效全(quán)向辐射(shè)功率(EIRP)比StarLink卫星(xīng)高24 dB,在采用(yòng)增(zēng)益与系统噪声温度(dù)比(G/T)值同为(wéi)12 dB/K左右的(de)用户终(zhōng)端(duān)时,ViaSat-1用户接收机(jī)的载波噪声(shēng)比(C/N)比StarLink低7 dB,因此,其频谱效率更低。换言之,低(dī)轨卫星在地表(biǎo)的信号(hào)强度比GEO-HTS约高(gāo)7 dB,若要实现相同(tóng)的频(pín)谱效率,其用户(hù)终端天(tiān)线孔径约为GEO-HTS的一半(bàn)。表(biǎo) 6 低轨星座和GEO-HTS用户(hù)下行链路预算注:未查到ViaSat-3卫星的链路预算资料,用ViaSat-1卫星的(de)进行估计。 

  表(biǎo) 6 低轨星座和GEO-HTS用户下行链路预算

  

  虽然低轨星座支(zhī)持更小孔径的用(yòng)户(hù)终端,但(dàn)由于低轨卫星相对于地球(qiú)表面高速运动,对用户终端的波(bō)束跟踪性能(néng)要求(qiú)更(gèng)高。GEO-HTS相对地(dì)面静(jìng)止,地面固定终端可以使用静态抛物面天线(xiàn),船载低速移动终(zhōng)端(duān)可(kě)以使用机械调(diào)向抛(pāo)物面天线,机载高速移动终端(duān)需要使用相控阵平板天(tiān)线;低轨(guǐ)卫星(xīng)相对地(dì)面(miàn)高速运动,卫(wèi)星过顶时间在20 min以内,因此(cǐ),其地面固定终(zhōng)端也必(bì)须使用平板(bǎn)天线。但是目前平(píng)板天线价格普(pǔ)遍在1 000美元以上,远高(gāo)于50美(měi)元左右(yòu)的抛物面天线,因此,在卫(wèi)星互联网接入需求最(zuì)大的消费者宽带领域,低轨星座的竞争(zhēng)力极大(dà)依赖于低成本平板天线的研发进度。公开资(zī)料显示(shì),StarLink用户终(zhōng)端采用了(le)机械调向的平板天线(xiàn),直径约48 cm,但其(qí)价格和性能能否与GEO-HTS的抛物面天线(xiàn)竞争仍有待(dài)观察。2.3 传输时(shí)延(yán)  

  卫星(xīng)宽带传输链路由(yóu)“数据中(zhōng)心→卫星(xīng)→用户(hù)”的前向链路和“用户→卫星(xīng)→数据中心”的反向链路构成。GEO-HTS传(chuán)输往返时延的理(lǐ)论最低值(zhí)为477 ms,加上数(shù)据(jù)处理(lǐ)时延等因素之后,实(shí)际往(wǎng)返时延约(yuē)600 ms。OneWeb、StarLink等低轨(guǐ)卫星轨(guǐ)道(dào)高度约为GEO-HTS的(de)1/30,因此,其(qí)往返时延有望控制在30 ms以内,接近地面光纤网络(luò)的(de)水平。

  然而,低轨星座的低(dī)时延优势(shì)在消费(fèi)者宽带市场的价值有限:

  1)目前大部分(fèn)宽带应用对时延并不敏感,GEO-HTS系统(tǒng)采用TCP应答削减、报头压缩、应用层加速等技术手段之后,同样能够(gòu)满足网页浏览、视(shì)频直播、音视频通(tōng)话(huà)等宽带应用(yòng)的需求;

  2)对于网络游戏、金(jīn)融交易、虚拟现实等时延敏感业务,低轨星座确实优于GEO-HTS,但这些业务也是地面光(guāng)纤(xiān)和5G的优势(shì)领(lǐng)域;

  3)低(dī)时延主(zhǔ)要是发达地区(qū)的需求,而卫星宽带主(zhǔ)要面(miàn)向缺乏地面网络覆(fù)盖的偏远地区,偏远地区为低(dī)时(shí)延支付额外费(fèi)用的意(yì)愿有限。

  2.4 落地监管

  GEO-HTS的波束覆盖范围可以预(yù)先设定(dìng),但是低(dī)轨星座(zuò)天然具有全球无缝覆盖的特点,如(rú)果只限于服务(wù)少数国家或地(dì)区将造成巨大的容量浪费。前文在假设(shè)可(kě)以获准(zhǔn)进入全(quán)球市场的(de)情(qíng)况(kuàng)下,分析得(dé)出StarLink星座的有效容量为23.7 Tbps,单(dān)位容量月(yuè)度成本为4.8 $/Mbps。假设StarLink获准(zhǔn)进入的全(quán)球市场比(bǐ)例为α,那么其有效容量将(jiāng)变为23.7αTbps,单位容(róng)量月度成本将(jiāng)变为4.8/α $/Mbps(如图(tú) 5)。由此可见,全球市场准入比例对于低轨星座的单(dān)位容量(liàng)成本影(yǐng)响(xiǎng)巨大,如果准入比例(lì)过低将显著推高其单(dān)位容量成本。

  实际上,世界各国(guó)的基(jī)础电信运营均受一定程度的监管,在目前(qián)贸(mào)易保护主义盛(shèng)行的国际形势(shì)下,外国卫星宽带在他国落地面临更大困难。例如,2019年8月OneWeb向俄罗斯(sī)申请无线电频率,但(dàn)未(wèi)获批准。因此(cǐ),全(quán)球落地监(jiān)管是低(dī)轨星座面临的另(lìng)一个(gè)严峻挑战。

  

  图 5 StarLink在不同(tóng)全球市场(chǎng)准入比例下的(de)单位容量月度成本

  3 发展前景分析

  低(dī)轨(guǐ)星座面临光纤宽带、蜂窝宽带等地面网络,以及GEO-HTS的多重竞(jìng)争,在(zài)建(jiàn)设费用、容量(liàng)密度、地面终端配置、传输(shū)时延等方面各(gè)有优劣(liè),这决定它们具有不同的(de)适用领域,同时也决定了低(dī)轨星(xīng)座的潜(qián)在市场容(róng)量和发展前景。

  3.1 卫星宽带的市场容量上限

  与(yǔ)蜂窝宽带相(xiàng)比,卫星宽(kuān)带的户均覆盖(gài)费(fèi)用、用户(hù)终端费用、频(pín)谱效(xiào)率、容量密度(dù)等方面均有劣势,因此卫星(xīng)宽带(dài)的潜在市场是缺(quē)乏蜂窝覆盖的(de)地区。Greg Wyler在创立O3b和OneWeb的过程(chéng)中(zhōng),始(shǐ)终以通(tōng)过(guò)卫(wèi)星“连接未连接者”为使命。然(rán)而,过去十年中(zhōng)3G/4G蜂窝网络在提供宽带连接(jiē)方面更有成效(如图6)。在OneWeb成立(lì)的2012年,未被(bèi)3G信(xìn)号(hào)覆盖的人口约34亿,意味着全球至少(shǎo)有34亿人缺乏接入(rù)宽带(dài)的机会,这也正是Greg Wyler创立O3b公司时试图连接的“另外30亿人”。到OneWeb、StarLink等(děng)低轨星座开始发射卫星的2019年,虽(suī)然只有53%的人口使用互联网,但93%的人口已被3G以上信号覆盖、82%的(de)人口已(yǐ)被(bèi)4G信(xìn)号覆盖。换言之,真正由于无法(fǎ)连接(jiē)而不能使用互联网的(de)人口占比不足7%,总数约5亿。此外,根据咨询公司NSR的估计,2019年全(quán)球卫星(xīng)宽带的潜在用户数为4.33亿,目前(qián)卫(wèi)星宽带在这部分(fèn)人群中渗透(tòu)率(lǜ)约0.63%。因此,目前全(quán)球卫星宽带市场容量上限约4亿(yì)用户。

  

  图 6 2007-2019全球(qiú)蜂窝网络覆盖情况

  3.2 低(dī)轨(guǐ)星座民(mín)用市场前景

  虽然全(quán)球卫(wèi)星宽带的潜(qián)在用(yòng)户(hù)数只有4亿左右,但对(duì)于卫(wèi)星宽带而言(yán)已经足够。例如,OneWeb、StarLink和ViaSat-3三(sān)个星座有效(xiào)容量(liàng)分别为1.56 Tbps、23.7 Tbps、1.8 Tbps左右,按照人均10 Mbps的标准,支持(chí)的用户数上限分别(bié)为15.6万、237万、18万。因此,虽(suī)然面临光纤到户、蜂窝宽(kuān)带等地面网络的(de)挤(jǐ)压,卫星宽带(dài)仍然(rán)具有可观的市场(chǎng)空(kōng)间,关键在于其性能和价格是(shì)否符合市场需求(qiú)。

  在综合成本方面,低轨星座(zuò)相比于GEO-HTS处于劣(liè)势。首先(xiān),单(dān)位容(róng)量月度成本方面(见表5),StarLink等低轨(guǐ)星座处于价格劣势,进一步考(kǎo)虑落地监(jiān)管的因素(见图5),StarLink等低(dī)轨星座的价格劣势可能会更(gèng)严重;其次,在消费者宽带市场,低轨星座地面终端所依赖的(de)相控阵平板(bǎn)天线的价格,目前(qián)远高(gāo)于(yú)GEO-HTS所依赖(lài)的抛物面天线(xiàn),因此,低轨星座(zuò)在综合成本(běn)方面处于劣势,导致其市(shì)场(chǎng)竞(jìng)争力低于GEO-HTS。例如,根据(jù)咨询公司NSR对(duì)全球HTS容量和(hé)服务(wù)总营收的预测(如图7),2018—2028年(nián)全球Non-GEO HTS的累计(jì)营收不(bú)足GEO-HTS的四分之一。

  

  图 7 NSR对全球高通量卫星营收(shōu)的预测

  另一方面,政府补贴可能会扭转低轨星座(zuò)的成本劣势(shì)。美(měi)国联(lián)邦通信委员会成立了(le)总额204亿美(měi)元(yuán)的“农村数字机遇基金(jīn)”,将在2020—2030年资助美国农村地区的宽(kuān)带(dài)建设,有可能将(jiāng)时延低于100 ms的(de)低轨卫(wèi)星(xīng)宽(kuān)带纳入补贴范围,而将GEO-HTS排(pái)除在外。政府(fǔ)补贴有可能(néng)扭转(zhuǎn)低轨星座的(de)成(chéng)本劣势。例如,计划发射Jupiter-3的(de)休斯公司和ViaSat-3的卫讯公司(sī),曾经一致认(rèn)为GEO-HTS比低轨星座更具(jù)竞争优(yōu)势,但也(yě)承(chéng)认政府补贴(tiē)将(jiāng)使低轨(guǐ)星座同样有利可图。为了(le)争取(qǔ)政府补(bǔ)贴,休斯公司已经向OneWeb注资(zī)5 000万美元(yuán),卫讯公司则申请建设一个288颗卫(wèi)星的低轨星座。

  3.3 低(dī)轨星座军事应(yīng)用前景

  在(zài)民(mín)用领域,低轨星座只是(shì)地面网络的(de)补(bǔ)充;在(zài)军事领域,低轨星座凭借其(qí)优良的(de)全球覆盖特(tè)性(xìng)、低传输时延、高抗毁(huǐ)性(xìng)、支持小孔径接(jiē)收天线(xiàn)等优势,具有广(guǎng)阔(kuò)的应用前景。美(měi)国(guó)一直将商业通信卫(wèi)星作(zuò)为其军(jun1)用卫(wèi)星能(néng)力(lì)的重(chóng)要补充(chōng):截止(zhǐ)2018年底(dǐ),美国国防(fáng)信息系统局管辖的(de)商业卫(wèi)星通信服(fú)务(wù)采购总额高(gāo)达45亿(yì)美元;2019年美国军队采购(gòu)的商业卫星容量为40 Gbps,相当于其军用卫星容量的(de)70%。

  由于与军事需求高度匹(pǐ)配,StarLink等新兴商业低轨星座已经引起美国军方(fāng)的高度重视(shì)。美国空军研究实(shí)验室(shì)2017年启(qǐ)动了“商业天基互联网军用(yòng)实验”项目,旨在利用(yòng)新兴商业低轨(guǐ)星座为空(kōng)军构建(jiàn)全(quán)球覆盖(gài)的高可用性、高(gāo)弹性、大带宽(kuān)、低时延(yán)的通信(xìn)基(jī)础设施,并于2019年3月向SpaceX公司授(shòu)予价值2800万美(měi)元(yuán)的合(hé)同,开展StarLink星座军用演示验证。此外(wài),美国国防高(gāo)级研究(jiū)计(jì)划局2018年发(fā)起了“黑杰(jié)克”项(xiàng)目,旨在(zài)利用商(shāng)业低(dī)轨星座的技术积累(lèi)和(hé)成果,发展搭载导弹探测、导(dǎo)航授时、军事通信(xìn)等多种任(rèn)务载荷的(de)军用低轨星座;军用星座将部(bù)署在商业低轨星(xīng)座附近,并与其建立星间链路以(yǐ)利用其全球宽带传输能力。因此,StarLink等低轨星座(zuò)有可能成为美国的关键军事基础设(shè)施,来自(zì)军事应用(yòng)的收入(rù)将(jiāng)为其提供重要(yào)支撑。

  结 语(yǔ)

  受(shòu)益于火箭重复利用、一箭多星发射、规模化卫(wèi)星制造、高通量(liàng)卫星等(děng)技(jì)术的(de)巨大进步,低轨卫(wèi)星通信星座(zuò)迎来了新一轮发展浪(làng)潮。虽然低轨卫星的制造发射成本(běn)已经显著降低,但是在(zài)城(chéng)镇(zhèn)地区卫(wèi)星宽带户均建设费(fèi)用仍然高于光(guāng)纤到户,仅(jǐn)在(zài)农村(cūn)地(dì)区才有(yǒu)可能(néng)比光纤(xiān)便宜。与地面蜂窝网(wǎng)络相比,卫星(xīng)宽带的频谱效率较低(dī)、波(bō)束面积极大,导致其容量密度极低,无法满足城镇地区的容量需求。地面蜂窝网(wǎng)络不断(duàn)拓展,目前(qián)全(quán)球93%人(rén)口(kǒu)已被3G以(yǐ)上网络覆盖,因此(cǐ)全球卫星宽带市(shì)场容量上限约4亿用户。在有限的卫星宽带市场内,低轨星座面临GEO-HTS的竞争,二者在单位容(róng)量成本、地面终端配置、传输(shū)时延、落地监管等方面各有(yǒu)优劣。在消费(fèi)者宽带市场,缺乏低成本(běn)平板天线使得(dé)低轨(guǐ)星座处于(yú)劣势,但低时延优势使得(dé)低轨星座有可能获(huò)取美国政(zhèng)府的宽带补贴,将有(yǒu)可(kě)能扭转(zhuǎn)其成本劣势。在军事(shì)应用市场(chǎng),StarLink等低轨星座凭(píng)借其(qí)全球覆盖(gài)、传输时延低、抗毁性强等优势,有可能成为美国(guó)军事(shì)领域的关键基础设施,具备广阔的(de)发展空间。

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