志澄观察：卫星互联网——太空经济新动力
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卫星互联网——太空经济新动力
2020年04月20日国家发改委首次明确，将卫星互联网列入我国新型基础设施的范围，这项重大的战略决策，大大鼓舞了我国商业航天行业的信心。另一方面，2020年3月27日,在发展低轨互联网星座方面著名的OneWeb公司申请破产保护，揭示了发展低轨互联网星座仍然面临诸多风险。为此，我们必须认真总结国外发展低轨互联网星座的经验教训，制定一项适合国情的发展战略。
图1 卫星互联网的组成
卫星互联网是继有线互联、无线互联之后的第三代互联网基础设施。它包括地球静止轨道（GEO）高通量卫星、地球中轨道（MEO）互联网星座和地球低轨道（LEO）互联网星座。由于前两者已经应用，当前关注的热点则是低轨互联网星座。
低轨宽带互联网星座并不是新生事物。20 世纪 80 年代开始发展的小卫星技术，对星座的发展起了巨大的推动作用。90 年代初期，低轨通信星座开始盛行，伴随铱星（Iridium）、全球星（Globalstar）等低轨语音通信星座的兴起，业界相继提出了多个中低轨道互联网星座的概念，其中包括微软创始人比尔∙盖茨提出的 “泰利迪斯”（Teledesic）星座、法国阿尔卡特公司提出的“天空之桥”（Skybridge）星座。
由于铱星系统早期运营失败，加之互联网产业遭遇第一次低谷，这些互联网星座设想，全都停留在纸面上。实际上，卫星通信从诞生的第一天起，就与地面通信在相互竞争、相互补充与合作中发展前进。由此，卫星互联网星座的发展可以分为3个历史阶段：
第一阶段（20世纪80年代末至2000年）以铱星系统为代表，力图重建一个天基网络，销售独立的卫星电话与地面电信运营商竞争用户。
第二阶段（2000—2014年）以新铱星系统为代表，主要是作为地面通信手段的“填隙”，规模有限。
第三阶段（2014年至今）以格里格·维勒（Greg Wyler） 创立的“另外30亿人”（O3b）MEO星座，为全球用户提供干线传输和蜂窝回程业务，将地面电信运营商作为其客户和合作伙伴，卫星网络成为地面网络的补充。O3b和已经成熟的GEO高通量卫星，其数据传输速率大大超过了铱星和全球星系统，虽然其系统容量无法与地面通信手段相比，但对于地面设施无法覆盖的地区，已经能够满足基本的宽带需求。
此外，国内外多家企业提出低轨互联网星座计划，部分企业已进入密集部署状态。格里格·维勒早在2012年就创立了 OneWeb 公司。OneWeb 致力于构建一个能够覆盖全球的高速宽带网络，成为卫星互联网的引领者。此后，多个低轨互联网星座计划相继提出，准备在潜在的巨大市场中分一杯羹。其中包括SpaceX 提出的 Starlink、LeoSat公司提出的LeoSat、加拿大 TeleSat 公司的 TeleSat LEO、亚马逊的 Kuiper、航天科工集团的虹云工程、航天科技集团的鸿雁星座、电子科技集团的天地一体化信息网络、银河航天的银河 Galaxy 等。
图2 OneWeb公司提出的低轨互联网星座
OneWeb的初始星座包括648颗卫星和234颗备份星，总数量达到882颗，后来再追加2000颗，卫星总数将达到约2882颗。每颗卫星重150kg，采用Ku和Ka波段。OneWeb 2017年6月22日，美国联邦通讯委员会宣布正式批准OneWeb进入美国宽带服务市场。OneWeb星座的特点是其基本上实现了全球覆盖，与地面移动互联网相融合和大规模制造卫星等。不过OneWeb有点低估了制造和发射卫星的难度，成本的大幅度上升为今天的破产埋下了伏笔。
Starlink计划建设一个由近1.2万颗卫星组成的卫星群。星座选择了Ku/V频段，由分布在1150km高度(最近已调低到550km高度)的4425颗卫星的低轨星座，和分布在340km左右的7518颗卫星的甚低轨星座构成，有利于更好地实现全球覆盖。SpaceX 在华盛顿州雷德蒙市开设了一个新的工厂来研制这些卫星。SpaceX已经利用自己的火箭发射了422颗卫星，在2020 年计划要发射上千颗卫星，正在成为世界上最大的卫星运营商。
发展卫星互联网是一项重要的国家战略。建立卫星互联网是适应未来万物互联的需求，是维护国家安全的需要，将形成万亿级规模的新产业。
1.发展卫星互联网将为太空经济的发展提供新动力。
发展卫星互联网将实现全球互联网无缝链接服务。它相对于地球同步轨道卫星，传输延时更短，路径损耗更小；相对于光纤，在低业务密度地区的部署便捷、成本低。目前全球还有30亿人口没有接入互联网，卫星互联网成为经济、高效解决方案，有着广阔的市场前景，可促进商业航天的产业化。无疑，卫星互联网存在多方面的市场需求，主要有：
（1）地面网络未通地区的需求。这不仅是这些地区居民的需求，更是因工作和旅游而流动进入这些地区，已经习惯使用互联网的人员，包括油气管道、交通建设、森林作业、采矿作业、钻井平台等野外作业人员的迫切要求。据国际电信联盟（ITU）估计，全球仍然有近一半的人未联网，特别是大部分非洲人口依然没有接入互联网。国内互联网普及率为 59.6%，仍有 2%的行政村未通光纤和 4G。
（2）航空与航海的需求。全球每年有超过50亿人次的飞机乘客，其联网需求强，消费水平高；轮船乘客离岸时间长，联网几乎是刚需，而且消费水平也比高。因此，他们有望成为低轨互联网星座最早的一批用户。航空 Wi-Fi 系统经过这几年的发展，其安装和运营成本已降至世界上几乎任何航空公司都可以提供的水平。当前许多飞机的 Wi-Fi 存在速度慢和流量限制等问题。2019 年初全球总共有 95402 条航运船， 航运船上的海员上网主要通过海事卫星，费用很贵而普及率较低。2019 年全球272 艘邮轮乘客人数达到 3000 万，邮轮乘客对网络需求十分旺盛。世界海洋捕捞船总数大约为 460 万艘，是航海领域低轨互联网星座最大的潜在客户群体。
图3 民航飞机接入互联网
（3）要求低延时和无间断的高端用户需求。低轨互联网星座可提供长距离的较短的延时。在部分远距离传输的场合，通过低轨卫星通信可能比地面网络的延时还要短。因为光在光纤中的传播速度是真空中的 2/3，在远距离传输应用上，虽然信号通过卫星多走了数百公里，但其延时依然比通过地面光纤要短。因此，对于要求低延时和无间断的的国际金融和车联网等业务，卫星互联网会更加适用。
图4 SpaceX公司提出的Starlink星座
（4）政府与国防的需求。低轨互联网星座可提供全球性不间断连续通信服务，可作为政府应急、外交和国防的重要通信手段。政府和国防订单将是星座运营的重要基石。
2.卫星互联网将成为大国战略博弈的焦点之一。
目前世界大国正在争夺未来地面网络技术的优势，其核心技术是5G。由于我国目前在5G处于领先地位，美国除了抓紧发展5G和6G技术外，正在鼓励企业积极发展低轨互联网星座。由此，卫星互联网将成为中美争夺未来技术优势的一项前沿技术。另一方面，在卫星互联网发展前景广阔的背景下，轨道和频率将成为稀缺资源，抢占资源也成为卫星互联网发展重要推动力。
3.卫星互联网具有巨大的军用潜力。
在现代战争中，安全高效的网络，能够为获取战争主动权提供重要的保障，而卫星卫星互联网将是最重要的军事指挥、控制和通信手段。DARPA在在2019财年重点发展“黑杰克（Blackjack）”项目，该项目旨在充分利用商业公司研发的小体积、小重量、低功率、低成本的低轨卫星星座。最终目标是实现军方卫星有效载荷的高度网络化，并兼具弹性和持久性，能够持续在全球范围内为军方提供最大的超视距遥感、信号和通信功能。2019年7月1日，美国航天发展局（SDA）发布了下一代太空架构信息征询书。根据该文件，它将由几层基于小型通信卫星网络的结构组成。计划在2022年前设计、建造和试验一个由最多20颗低轨卫星组成的网络。
图5 DARPA 的黑杰克项目
4.发展卫星互联网将推动航天技术的变革与创新。
低轨互联网星座是近年来航天领域最具创新性的系统。在这过程中涌现出来的新的小型通信卫星技术和地面终端技术，将对未来卫星技术和卫星应用的发展，产生深刻的影响。卫星制造增加了商用工业级器件比例，通过标准化、模块化实现小卫星的批量生产，以降低卫星研制成本。大量卫星的发射需求，又促进了低成本重复使用火箭技术的发展。这些技术创新将向传统航天领域流动，成为推动太空经济的新动力。
图6 OneWeb公司的卫星制造工厂
任何创业都有风险。“猜猜有多少低轨卫星星座没有破产？”今年3月，马斯克曾在美国华盛顿举行的2020年卫星会议上如此发问。他的答案是“零”，还开玩笑说SpaceX正致力于“不破产”。
图7 OneWeb一次发射34颗卫星
无论如何同，OneWeb的破产申请，已经为低轨互联网星座的风险，吹响了哨子。主要的风险是：
1.高投入的风险。
OneWeb目前通过成批生产虽然可以降低卫星的成本，但其使用的火箭的发射的成本仍然很高，而且进度的拖延又大大增加成本。相比之下，SpaceX采用本公司的猎鹰9号火箭一次发射60颗卫星，进度快成本低，则有明显的优势。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。若按照每户每月费用为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高。
2.频率协调与落地权难度很大。
卫星频率轨道资源是国家发展的战略性稀缺资源，是太空基础设施建设的基础。除频率协调外，落地权问题或更难协调。
3.面临地面通信系统的竞争。
地面通信正在大力推动5G的发展，目前很难预测到低轨互联网星座系统全部建成之后，是否会再次落后于地面通信。
4.低轨恶劣空间环境的考验。
低轨互联网星座的卫星对卫星抗辐射能力提出了很高的要求。此外，卫星还存在与微流星和轨道碎片碰撞的风险。此外，卫星数量众多，退役后一旦成为新的太空垃圾，将会对后续布署卫星产生很大影响。
卫星通信是太空经济的主力和核心。中国幅员辽阔，海洋领土超过300万km2，一个全球性的卫星互联网系统是填补边远地区的数字鸿沟和境内外应急救援的重要解决方案，并保障我国的远洋经济利益和军事存在。因此，尽快建设一个具有中国特色的，由国家财政保障、政府组织协调、企业分工合作的大型卫星互联网系统，具有重要的战略价值。
2020年04月20日国家发改委首次明确将卫星互联网列入新型基础设施的范围，大大鼓舞了商业航天行业的信心。在工程的实施上，可以采用我国发展“大飞机”的模式或采用“北斗”模式，但还要充分发挥民营企业的作用。我们相信，在新型举国体制的引领下，汇聚各方面的资金和人才，做好工程的顶层设计和方案优化，大力创新，尽快建成天地一体化的卫星互联网，必将促进我国的航天技术和太空经济，迈上一个新的台阶。
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