卫星互联网星座的新机遇
远望智库高级研究员 黄志澄
发表于《太空探索》2017年第7期
维勒和贝佐斯
地球静止轨道卫星的轨道位于赤道平面内，轨道的日周期和与地球的旋转周期相一致，三个卫星就可以实现接近全球覆盖，从而成功地广泛用于通信和电视转播领域。但这种卫星的轨道高度高，路径损失大，信号有较大的时间延迟，也难于实现完全的全球覆盖。
卫星星座是按一定规律布置在地球中、低轨道上的一群卫星。上世纪90年代开始，由于移动通信和互联网的发展，非地球静止轨道的通信和互联网卫星星座发展迅速，掀起了第一个高潮。但在地面移动通信系统迅猛发展的冲击下，卫星星座通信由于成本太高，并未得到广泛应用。
2010以来，由于智能手机技术日益成熟、成本不断降低、各类应用蓬勃发展，建设融合语音、数据、视频为一体，覆盖广泛、经济实用的互联网，成为世界各国为推动经济增长而大力构建的重要基础设施。在这背景下，出现了互联网卫星星座的新机遇。
三大星座升级换代
在2010年后，三大低轨通信星座都开始升级换代。“全球星”由于一代星S频段发射机的故障影响了双向应用，率先启动了二代星计划，并在2010－2013年完成了24颗第二代星的发射。每颗重700公斤。第二代全球星除了和地面的固定网和移动网兼容外，还增加了基于卫星的WiFi服务，用户使用智能手机就可直接上网。
轨道通信公司在经历2008年的6颗补星失利后，2014－2015年完成了6颗第二代星（OG2）的发射工作，两代轨道通信卫星共同在轨提供服务。OG2卫星安装了“自动识别系统”（AIS），可为船舶提供循迹追踪，在基于卫星的机器对机器（M2M）的物联网应用方面，处于领先地位。
下一代铱星
系统最复杂和成本最高的“下一代铱星”（Iridium-NEXT）星座，在2017年1月15日，由太空探索技术公司（SpaceX）的“猎鹰9”火箭，成功发射了首批的10颗卫星。卫星每颗重860公斤。由于铱星系统的复杂性和SpaceX一再推迟发射，预计要到2018年才能够完成全部部署。“下一代铱星”除了具有传统的功能外，增加了许多新的用途。每颗卫星目前留有50公斤的有效载荷余量，计划安装Airecon公司的“广播式自动相关监视”(ADS-B)接收机，以提供全球覆盖的近实时、高精度的飞机位置监视。今后，铱星系统还将进一步增加有效载荷余量，让那些想要具备全球覆盖和星间链路的服务商，能够以搭载铱星的方式完成全球星座的建设，而不是自己去研制一个卫星星座。
至此，三大低轨通信系统在经历了那次“繁荣”和破产保护之后，都已绝地重生。由于它们都在较大程度上，降低了卫星的研制费用和发射费用，并增强了卫星星座的功能，扩展了用户，从而增加了收益。根据美国联邦航空管理局（FAA）给出的三家公司在2006－2014年的收入情况汇总，可得到2015年的收入情况：全球星公司最低，为9049万美元，轨道通信次之，为1.78亿美元，铱星公司最高，达到4.11亿美元。不难发现，铱星公司和全球星公司都进入了平稳期，而轨道通信公司在近几年则出现了快速的增长，特别是2014－2015年，其收入增长了几乎70%。
从上面三家的第二代星座不难看出，它们在基于各自现有用户的细分领域，发挥了各自现有系统的优势，从与地面通信网竞争而转向与地面网的合作和补充。以铱星公司为例，在市场定位方面，不再与地面通信正面竞争，而将用户定位为除了军事用户外，主要是偏远地区的专业用户，如海上石油钻井平台、采矿、建筑、救灾抢险、野外旅游的组织或个人；在投入成本方面，大幅度降低系统成本，实现通话和数据使用费用的降低，以达到与地面通信接近的价格水平；在系统能力方面，升级卫星系统，接近地面系统的能力，减少卫星终端的尺寸和降低重量，提高数据服务的速率，使之在特定应用场景下具备一定的竞争力。
正由于这三家公司的星座的升级换代取得成功，策动了更多的公司投入到卫星互联网星座这个市场，迎来了卫星互联网星座的新高潮。
O3b星座
卫星互联网星座的新高潮
而今，智能手机和电子商务的快速发展，已经改变了用户的消费习惯和市场环境；商业航天的迅速发展，大幅度降低了卫星的研制和发射费用，为建设新一代卫星互联星座提供了条件。在这新一轮星座风暴中，一位美国的卫星从业者格雷格·维勒起了重要的作用。
维勒曾长期在非洲农村地区发展电信和互联网事业，积累了丰富的经验。2007年，他创建了“另外30亿人”（O3b）公司，投资方为欧洲卫星公司（SES）、互联网巨头Google、有线电视运营商Liberty Global和汇丰银行等。这家公司的宗旨是“要为地球上另外30亿人提供网络服务”。O3b星座，是卫星互联网星座发展至今，唯一的一家在运营之初就取得成功的星座。
O3b星座系统的成功，剌激了许多投资商一拥而上。首先，由原O3b创始人格雷格·维勒于2014年成立了一网公司（OneWeb）。维勒曾是谷歌公司卫星互联网项目的负责人，后离开谷歌创立了OneWeb公司。
在OneWeb之后， SpaceX公司宣布了4425颗卫星的低轨宽带卫星星座计划，波音公司宣布了采用V频段2956颗卫星星座计划；原天线设备供应商Kymeta公司创始人提出的“低轨卫星”（Leosat）有108颗卫星等。接着，包括卫讯公司（Viasat），加拿大卫星电信公司（Telesat）在内的高轨通信卫星运营商，也纷纷宣布了中低轨宽带卫星星座方案。众多方案中最具代表性的主要有3家，即OneWeb；SpaceX和 Leosat。这三个卫星互联网计划的共同点是：选择的均是质量在300 kg以下的小卫星；主要提供宽带互联网服务；其不同点是：OneWeb主要面向个人消费者和社区，而LeoSat公司主要还是为机构用户服务；OneWeb和SpaceX卫星数量较多，LeoSat使用了高功率卫星平台，单星容量较大，卫星数量大致在80-140颗左右。
OneWeb星座
机遇与风险并存
目前地面移动互联网已经深入到每个行业和每个人，但地面互联网也有很多场合，如户外、野外、飞机、海上等，仍然不能提供很好的覆盖和应用。据调查，超过73%的旅客在户外第一意愿是上网，而当在森林、 雪山、沙漠等场合，这一意愿接近100%。目前，基于卫星星座的天基互联网在技术上已经成熟，造价正在逐步下降。未来，天基互联网将和快速到来的5G地基互联网，将充分协同融合。
首先，智能手机和电子商务的快速发展，催生了卫星互联网星座新的盈利模式。过去的卫星互联网星座，用户规模非常有限，单纯通过收取通信和网络使用费用，难于满足投资者的回报期望。而今，消费者开始习惯为内容服务付费，通信和网络服务不再是运营商获利的唯一手段。未来，一旦卫星互联网成功建立，就相当于有了庞大的数据入口，可以提供各种各样的内容服务，从而形成一个巨大的市场。
其次，航空业正在不断开拓新的应用。2014年3月8日凌晨马来西亚航空公司 MH370失踪的严峻事实告诉我们，在互联网时代，汽车、手机、家电，甚至几乎任何物品都可以接入互联网，但商用飞机的数据系统，却几乎未和任何网络相连，充分说明民航信息系统，已大大落后于时代。由此，发展基于卫星的空中管理系统，以代替目前基于地面雷达的系统已迫在眉睫。
在空中的航班上提供互联网接入服务，更是广大旅客的迫切要求，同时也是卫星互联网的重要市场。“空中WiFi” 、“机上互联网（IFEC）”是近年来航空公司积极布局的热点项目。面对激烈的市场竞争，航空公司将IFEC服务视为新的盈利增长点，希望借此增加用户，拓展新的商业模式。目前机上互联网需求已经演进到每架飞机50Mbit/s以上带宽，否则难以保证机上乘客享受到接近地面移动互联网的体验。对于飞越偏远地区的国际航班，利用现有的通信卫星，也难于保证全程不间断服务，这就为卫星互联网星座的发展创造了条件。
最后，商业航天的发展导致大幅度降低成本。20世纪90年代卫星互联网的失败，主要是星座投入成本过高，其中主要是发射费用和卫星的生产成本过高。目前，以SpaceX公司为代表的新兴航天发射公司，已经将发射费用降低了50%，而火箭重复使用技术的发展，则有望降到过去发射费用的20-30%。另一方面。OneWeb和SpaceX，得将航空飞机和导弹的批量制造经验融合到卫星研制中，并希望以此将卫星的研制成本降至单星50万美元以下。
随着小卫星的发展，越来越多的卫星项目开始使用非航天级别的商业现货部组件；形成了得到广泛认可的官方或非官方的标准，模块化的接口设计便于批量制造和快速发射； 3D打印技术的应用可以直接形成小卫星或卫星部件，从而缩减了卫星的研制成本和研制周期。
另一方面，卫星互联网星座发展的机遇与风险并存，未来能否成功的关键在于是否能够降低服务费用，从而赢得市场和用户。
首先，面临地面和其它卫星系统的竞争。当前，LEO星座的时延已经能够接近地面光纤和蜂窝通信，满足VOIP、视频会议、在线游戏等交互式通信应用的要求，大大优于GEO宽带卫星和MEO星座；LEO星座的使用成本与GEO宽带卫星接近，但与地面通信手段仍有差距；对比系统容量，虽然LEO星座大大超过了GEO宽带卫星，但GEO卫星在点波束中提供的集中式容量仍然具有优势；在全球覆盖范围方面， LEO星座则有明显优势。
另一方面，当前地面通信正在大力推动5G的发展，很难预测在这些星座全部建成之后，是否会再次落后于地面通信。美国航天咨询公司北方天空研究所（NSR）通过负债比这一经济指标，对互联网卫星企业的未来收入做了大致估算。NSR按照每户每月50美元计算，未来打造卫星互联网星座的企业至少需要获得1000万的用户量级，才能获得盈利，实现这样的目标难度很大。虽然，全球未连接和待连接的家庭市场仍然十分庞大（估计有4.71亿），但这些家庭中大多数是在低收入国家，在那里开拓市场仍有很大不确定性。
其次，频率与落地权的协调难度很大。OneWeb是最早从ITU获得Ku频段使用权的企业，但OneWeb并非拥有Ku频段的所有权，其他竞争企业依然可以申请。为此，其它公司首先要与OneWeb进行协调，同时还需与申请频段的静止轨道卫星运营商进行协调，由于相互之间是竞争关系，这样的频率协调难度非常大。除频率协调，还有落地权问题。如果要在全球提供服务，还需要与各国政府进行频率协调。。
最后，将承受低轨恶劣空间环境的考验。卫星变轨的过程中，需要频繁穿越高能质子辐射带，会对卫星的电子系统的正常工作造成很大影响，因此对卫星抗辐射能力提出了很高的要求。低轨卫星不仅会受到空间辐射的影响，还存在卫星和卫星，微流星和轨道碎片碰撞的风险。2009年俄罗斯宇宙-2251卫星与铱-33卫星在790 km的轨道高度发生碰撞，2颗卫星相撞造成成百上千的太空碎片。在低轨上，碎片碰撞低轨卫星的概率很大。太空碎片的数量与日俱增，现在十厘米以上的碎片已经有两万多个，大于一厘米的碎片已经超过了五十万。在卫星互联网星座常用的轨道上，太空碎片非常密集。大的空间碎片对航天器的撞击是致命的，很小的碎片打上去可能也会导致卫星损坏，就是毫米级以下的碎片撞击的累计效应也可能会影响卫星的工作。
为了减少卫星互联网星座的卫星发生相撞的概率，要求每个星座的轨道中心相隔一定距离；要求每颗卫星要提高定位精度，并可进行在轨推进以执行防碰撞操作；要求退役的卫星在一定时间内必须离轨等。无疑，这些要求必然会增加建设和运营星座的成本，急需有关国际机构协调解决。
从30年来卫星互联网星座经历失败、复活到重生的过程可见，如何处理好星座与地面通信的关系是星座能否取得成功的关键。当前新兴卫星互联网星座的发展，不是历史的简单重复，而是市场和技术综合发展的结果。展望未来，新兴卫星互联网星座发展，机遇与风险并存，影响未来能否成功的核心，仍然在于市场和用户。
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