新（xīn）兴低（dī）轨卫（wèi）星通信星座发展

　　摘 要：SpaceX、OneWeb等公司计划建造大型低（dī）轨卫星通（tōng）信星座，以提供全球宽带接入。与90年（nián）代的低（dī）轨星座浪潮相比，新兴星座主要（yào）具备以下优（yōu）势：批量（liàng）化、模（mó）块化生（shēng）产降（jiàng）低了卫星制造成本，火箭（jiàn）重复利用和“一箭多星（xīng）”技术降低了（le）发射成本。然而，低轨星座面临快速发展的地（dì）面（miàn）网络以及地球静止（zhǐ）轨（guǐ）道高通量卫（wèi）星的（de）激烈竞争。文中从建设费用、容量（liàng）密度、地面终端（duān）等方面对这三（sān）类系（xì）统（tǒng）进（jìn）行比较，分析各（gè）自的优劣，并分别（bié）从民用市（shì）场和（hé）军事（shì）应用两个方面，分析新兴低轨星座（zuò）的发展前景（jǐng）。

　　关键（jiàn）词: 低轨星座；高通量卫星；星链；一网（wǎng）

引 言

　　以（yǐ）OneWeb、StarLink为代表的（de）新兴低轨（LEO）卫星通信（xìn）星座（zuò）迅猛发展，旨（zhǐ）在通过覆盖全球（qiú）的宽（kuān）带（dài）连接能力，与地（dì）面网络争夺互联网入口。与1990年代的铱（yī）星等（děng）低轨星座相比，新兴低轨（guǐ）星座拥有多种发展优（yōu）势：火箭重复利用（yòng）和“一（yī）箭（jiàn）多星”技术极大降（jiàng）低了卫星（xīng）发射（shè）成本；集（jí）成（chéng）电路技术的进步促（cù）成了（le）卫星的模块化、组（zǔ）件化和小型化，显著降低了卫星的尺寸、质量（liàng）、功耗和研制成本；批量化、模块化（huà）卫星制造技术显著降低（dī）了卫星的制造（zào）成本。然而，来自（zì）地面网络的竞争也（yě）日趋激烈，尤其是千兆级光纤网络已（yǐ）经开启大规模商用，3G、4G无线网络已经（jīng）分别覆盖全球93%、82%的人口，5G无线网络（luò）也已经开始大规模部署。因此，新兴低轨卫（wèi）星通信星座（zuò）发（fā）展前景仍然存在（zài）不确定性。

　　本文将从（cóng）建设费用（yòng）、容量（liàng）密度（dù）等方面分（fèn）析低轨星座（zuò）与（yǔ）地面网络的竞（jìng）争态（tài）势，从单（dān）位（wèi）容量成本、地面终（zhōng）端配置、传输时延、落地监管等方面对比低轨星座与地球（qiú）静（jìng）止（zhǐ）轨道高（gāo）通（tōng）量（liàng）卫星（GEO-HTS）的优劣，并结（jié）合民用市场以及军事应用的特点和趋势（shì），研究新兴低轨卫星通信星座的发展前景（jǐng）。

1 与地（dì）面网络（luò）的竞争（zhēng）

　　光（guāng）纤、蜂窝无线通信等（děng）地（dì）面（miàn）通信（xìn）技术，是（shì）低轨星座（zuò）无法回避的竞争对手。1990—2000年，“铱星”、“全球星（xīng）”、“轨道通信”等（děng）多个低轨（guǐ）星座计划被（bèi）提出，旨在提供全球无缝（féng）覆盖的便携（xié）式卫星电话服务。三大星座的设计（jì）指标达到（dào）了同时期地面（miàn）蜂窝网络（luò）的水平，并具有全（quán）球无缝覆盖的优势，因此（cǐ）吸引（yǐn）了广泛关（guān）注。但（dàn）在三大星座投入建设的十年间，地面蜂窝网（wǎng）络逐渐从2G演化到（dào）3G，手机终端价格和流量资费（fèi）不断降低（dī），卫星通信（xìn）除了覆盖范围（wéi）广的优势之外，终端成（chéng）本、通信（xìn）速率等方（fāng）面均处于劣势，导致三大卫星通（tōng）信（xìn）公司先后经历了破（pò）产（chǎn）重组。虽然三个（gè）星座最终都起死回生，但（dàn）占（zhàn）据的无线通信（xìn）市场（chǎng）份额（é）远小（xiǎo）于蜂窝网络，2015年三大（dà）星座的用户（hù）总数才达到380万，而（ér）同时期全球蜂窝（wō）移动（dòng）用（yòng）户数量（liàng）为73亿。

　　与第（dì）一（yī）代低（dī）轨（guǐ）星座以话音服务为主不同（tóng），OneWeb、StarLink等新兴（xìng）低轨星（xīng）座主要提供卫星宽带（dài）服务，但其瞄（miáo）准（zhǔn）的消（xiāo）费者（zhě）宽带市场面（miàn）临光纤到户（FTTH）、蜂窝宽带（dài）等地面网络的竞争（如图1）。其中，光纤到户的优势是通信容量大，劣势是在偏（piān）远地（dì）区铺设成本（běn）较高（gāo）；蜂窝宽带通过基站的无线信（xìn）号实现宽带（dài）接入（rù），通信容量一般低于光纤，优点是最后一（yī）公（gōng）里（lǐ）无需铺设（shè）线（xiàn）缆。低轨星座天（tiān）然具备（bèi）全球覆盖的优势，且接入成（chéng）本（běn）与地域是否偏远无（wú）关，但其能否赢（yíng）得与地（dì）面网（wǎng）络的竞争仍属未知，下面（miàn）从建设费（fèi）用、容量密度两方面展开分析（xī）。

图 1 卫星宽（kuān）带、光纤到户与（yǔ）蜂窝（wō）宽带示意图1.1 建设费用比较

　　宽（kuān）带网络每条用户（hù）线路的建设费用等于户均覆盖费用（yòng）与户均连接费（fèi）用之和。户均覆盖费用等（děng）于网络建设费用除（chú）以用（yòng）户数，因此在用户（hù）密（mì）度越（yuè）高的地区（qū）其（qí）值越低（dī）。户（hù）均连接费用等于用户终端（duān）费用（yòng）与（yǔ）安装费用之（zhī）和，在用户首次开（kāi）通服务时产生。

　　根据美国光纤宽带协（xié）会的研究，2019年美国光纤到户的户均建设费用（yòng）在（zài）密集城区（qū）、一般城区、郊区、农村分别（bié）为1218、1863、2737、4206美元（如图2）。StarLink星座单星（xīng）制造（zào）发射成本约153万美元，单星（xīng）容量约（yuē）21Gbps。低（dī）轨星座天然具有全球覆盖特性，然而地球表面70%以上为海（hǎi）洋和（hé）荒野，根（gēn）据地表人口分（fèn）布估（gū）算其容量利用效（xiào）率约25.1%，单星有效容量约5.36 Gbps。如果给每个宽带用户（hù）分配（pèi）10Mbps容（róng）量，那么StarLink单（dān）星可服务约（yuē）536个用户（hù），户均覆盖费用为2854美元。假设（shè）低轨星座用户（hù）终端费用加安装费（fèi）用（yòng）为550美元，则StarLink卫（wèi）星宽带（dài）户均总费用为（wéi）3404美元。类似可测（cè）算出OneWeb和蜂（fēng）窝宽带的户均费用（如表（biǎo）1），其中蜂（fēng）窝宽（kuān）带（dài）采用（yòng）了华为公（gōng）司的测算结果。

表 1 OneWeb、StarLink与蜂窝宽带户均建设费用（yòng）测算

图 2 蜂窝宽带（dài）、光（guāng）纤到户与（yǔ）StarLink宽带户（hù）均建设（shè）费用对比

　　对（duì）比可（kě）知，在密集城区、一般城区和郊区，StarLink卫星宽（kuān）带（dài）的户均建设（shè）费用高于（yú）光（guāng）纤（xiān），但（dàn）在农村地区比光纤便宜，因此非常适合北美、澳洲等地的农村地区。而OneWeb的户（hù）均建设费（fèi）用约16000美（měi）元，与StarLink相比不具竞争（zhēng）力。此外，蜂窝（wō）宽带的（de）户均建设费用仅为358美元，远远低于卫星宽（kuān）带，但是蜂窝宽带（dài）依赖光纤进行回传，因（yīn）此适合作为（wéi）连接（jiē）最后（hòu）一（yī）公里的（de）辅助（zhù）手段。根据建设费（fèi）用进行分（fèn）析，低轨星座的宽带服务主要适合北美、澳洲（zhōu）等地的农村地（dì）区。

　　1.2 容量密度比（bǐ）较（jiào）　

　　对于蜂窝宽带、卫星宽带等无线通信（xìn）系统而言，容量密度是衡量系（xì）统性能的重要维（wéi）度之一。容量密度等（děng）于区域（yù）传输（shū）容量除（chú）以区域面积（jī），决定了无线系统在（zài）单（dān）位面积内能够实现的并发传输容量。与蜂窝（wō）基站（zhàn）的多波（bō）束空分复用技（jì）术相类似，StarLink等（děng）低轨星座也采用多点波束对地球（qiú）表面进（jìn）行覆盖（如（rú）图（tú）3），两者的容量密度可用单波束（shù）容（róng）量除以单波束面积进行估算（如表2）。

　　图 3 卫星波束与（yǔ）蜂窝（wō）基站覆盖方式对（duì）比

　　表 2 卫（wèi）星宽带与（yǔ）5G容（róng）量（liàng）密（mì）度（dù）比较

　　从表（biǎo）2估算（suàn）结（jié）果（guǒ）可（kě）知，StarLink的容量密度为2 Mbps/km2，比5G系（xì）统（tǒng）所能实现的540 Gbps/km2低5个数量级。两（liǎng）者的差（chà）距主要由两方面原因造成：

　　1）低轨星座的频谱效率低于5G系统。地面蜂（fēng）窝基（jī）站高度约（yuē）30 m，而StarLink等低轨星座（zuò）轨道高度（dù）在550 km～1200 km，这导致低轨星座的路径损耗比蜂（fēng）窝基站（zhàn）高50 dB以（yǐ）上。蜂窝基站（zhàn）在用户（hù）采用手（shǒu）机尺寸的接收机时，一般能（néng）获得6 bps/Hz以（yǐ）上的（de）频谱效率；而（ér）StarLink等低轨星座由于更高的路径损耗，即使采用孔径约75 cm的接收天线，频谱效率（lǜ）也只（zhī）有（yǒu）2.5 bps/Hz左右。

　　2）低轨星（xīng）座的单（dān）波（bō）束面积远大于5G系统（tǒng）。StarLink卫星在1 200 km的高度向地面投射的单波束直径约（yuē）60 km，面（miàn）积约2800 km2；OneWeb卫（wèi）星采（cǎi）用（yòng）固定（dìng）的狭（xiá）长椭圆波束，其波（bō）束面积约为75000 km2。蜂窝基（jī）站由于高度很低，其波束覆盖范围较小，例如在城市地区1km2内安装（zhuāng）三个5G基站，每个基站通过天线阵列产生15个波束，则（zé）每个波束的覆盖范围（wéi）约1/45km2。低轨星座的容量密度较（jiào）低，导（dǎo）致其（qí）难（nán）以满足城镇地（dì）区的（de）传输需（xū）求，而更适合（hé）农村地（dì）区。世界主要城市的人（rén）口密度普遍在1000人（rén）/km2以上，假（jiǎ）设（shè）平均每（měi）个用户需要（yào）10 Mbps容量，那么需要的容量密度在10Gbps/km2上。国际标准规定（dìng）4G、5G的（de）流量密度（dù）峰值分别为100 Gbps/km2、10 Tbps/km2，能够满足城市（shì）地区容量密度（dù）需（xū）求，而低轨星（xīng）座宽带则（zé）存在巨大差（chà）距。因此，低轨星座宽带（dài）主要适用于（yú）人口密度较低的（de）农村地区。 

　　2 与（yǔ）地球静（jìng）止轨道卫星的竞争

　　Starlink等（děng）新（xīn）兴低轨星座属于非地球静止轨道（dào）高通量卫星（xīng）（Non-GEO HTS）的范畴，还面临GEO-HTS的竞争。低轨星座和GEO-HTS都采用了高通（tōng）量卫（wèi）星（HTS）技术，该技（jì）术通过多（duō）点（diǎn）波（bō）束和频率复（fù）用，单星容量比传统宽波束卫星提升数十甚至（zhì）数百倍（bèi）（如图4）。

　　图 4 HTS系（xì）统与传统卫星（xīng）系统对比

　　低轨星座与GEO-HTS代表实现高容量（liàng）卫星宽带的两种思路：低轨（guǐ）星座通过（guò）成百数千颗小卫星（xīng）实现（xiàn）整（zhěng）个（gè）星（xīng）座（zuò）的（de）高容（róng）量，GEO-HTS通过单颗大卫星构（gòu）造成（chéng）百数千（qiān）个点波束实（shí）现高容量。受惠于比高轨卫星（xīng）更（gèng）低的路径损耗，低轨（guǐ）卫（wèi）星能够获得更高的频（pín）谱（pǔ）效率，例如（rú）低轨卫星StarLink频（pín）谱（pǔ）效率（lǜ）约2.7 bps/Hz，GEO-HTS卫（wèi）星（xīng）ViaSat-3约（yuē）1.1 bps/Hz。但低（dī）轨星座通常采用（yòng）轻量（liàng）级卫星（xīng），其（qí）波束数（shù）目和单星（xīng）容（róng）量远比GEO-HTS低（dī）（如（rú）表3）。

　　表 3 不同（tóng）卫星波束参数对比

　　低（dī）轨星座与GEO-HTS都能实现全球覆盖，但是在传输时延、路径损耗、入轨成本、卫星寿命等方面各有优（yōu）劣（如表（biǎo） 4），下面从单位容量成本、地面终端配（pèi）置、传（chuán）输时延（yán）、落地（dì）监管等（děng）方面进行重点分析。

　　表（biǎo） 4 GEO-HTS和低轨星座优劣势比较

　　2.1 单位容量（liàng）成本

　　卫星通信（xìn）系统的单（dān）位（wèi）容量成本，等于（yú）卫星（xīng）星座（zuò）制造发射总成本除以系统有（yǒu）效（xiào）容量。制造发（fā）射成本方面，低轨星座采用模块化、批量化生（shēng）产降（jiàng）低制造成本，并采用“一箭（jiàn）多（duō）星”发（fā）射技术大（dà）幅降低发射成本。根据公（gōng）开数（shù）据（jù）对制造（zào）发射（shè）总成本进行估（gū）算，预计OneWeb第一期720颗卫星耗费24.2亿美元，StarLink第一期4425颗卫（wèi）星耗费（fèi）68亿美元；GEO-HTS卫星ViaSat-3三颗卫星制（zhì）造发射总成本约15亿美元。　　

　　系统有效容量取决于系统总容量（liàng）和（hé）利用效率。低轨星座（zuò）OneWeb和StarLink的系统总容量分（fèn）别（bié）约为7.2 Tbps和（hé）94 Tbps，但低轨星座所有卫星（xīng）都（dōu）围绕（rào）地球旋转，而地（dì）球表面70%以上的面积是海洋和荒野，因此，低轨星座的容量利用效率较低（dī）。根（gēn）据地表人口（kǒu）分布模型估算，OneWeb和StarLink的容量利用（yòng）效率分（fèn）别约（yuē）为21.7%和25.1%，因此（cǐ），其星座有效（xiào）容量（liàng）分别约为1.56 Tbps和23.7 Tbps。GEO卫星（xīng）相（xiàng）对于地表静止，可以将（jiāng）容量投（tóu）送到（dào）地面指定区域，卫星容量利用效率可达60%，因（yīn）此预计ViaSat-3三颗卫星总的有效容量为1.8 Tbps。

　　根据星座制造发射总成（chéng）本和有效容量，可得（dé）OneWeb、StarLink和ViaSat-3的单位容量成本分别（bié）约为1 550 $/Mbps、287 $/Mbps和833 $/Mbps；考虑卫星寿命之后（hòu），三者的单位容量（liàng）月度成本分别（bié）约为25.9 $/Mbps、4.8 $/Mbps和（hé）4.6 $/Mbps/Mon（如表 5）。可见低轨星座StarLink的单位容量成本比GEO-HTS卫星ViaSat-3更低，但考虑（lǜ）到（dào）卫星寿命的区别后（hòu）两者的单位容量月度成本（běn）基（jī）本相当。

　　表 5 低轨星座（zuò）和（hé）GEO-HTS单位容（róng）量成本（běn）测算

　　2.2 地面（miàn）终端（duān）配置

　　低轨（guǐ）卫星至（zhì）地面用户的（de）传输距离（lí）远小于GEO-HTS，在路（lù）径损（sǔn）耗（hào）方（fāng）面（miàn）具备约30 dB的（de）优势（如（rú）表6）。但GEO-HTS采（cǎi）用的（de）大卫星（xīng）平台支持更大的发射功率，可（kě）以部分（fèn）弥补其路径损耗。例如，ViaSat-1卫星的等效全向辐射功（gōng）率（lǜ）（EIRP）比StarLink卫星（xīng）高24 dB，在采用增（zēng）益与系（xì）统噪声温（wēn）度比（G/T）值同为12 dB/K左右的用（yòng）户终端（duān）时，ViaSat-1用户接收（shōu）机的载（zǎi）波噪声比（C/N）比StarLink低7 dB，因此（cǐ），其频谱效率更低。换言之，低轨卫星在地（dì）表的信号（hào）强（qiáng）度比（bǐ）GEO-HTS约高7 dB，若（ruò）要实（shí）现相同的（de）频谱效率，其用（yòng）户终端天线孔径约（yuē）为（wéi）GEO-HTS的一半。表 6 低轨星座（zuò）和GEO-HTS用户下行链（liàn）路预算（suàn）注：未查到ViaSat-3卫星的链路预（yù）算资料，用ViaSat-1卫星（xīng）的进行估（gū）计。　

　　表 6 低（dī）轨星座（zuò）和GEO-HTS用户下行链路预算

　　虽然低（dī）轨星座支（zhī）持更小孔径的用户（hù）终端，但由于低轨卫星相对于地球表面高（gāo）速运动，对（duì）用户终端的（de）波束跟踪性能要求（qiú）更高。GEO-HTS相对地（dì）面静止，地（dì）面（miàn）固定终端可以（yǐ）使用（yòng）静态抛物面天线，船载低速移（yí）动终端可以使用机械调向抛物面天（tiān）线，机（jī）载高速移（yí）动终端需（xū）要使（shǐ）用（yòng）相控（kòng）阵平板天线；低（dī）轨卫星相对地面高速运（yùn）动，卫星（xīng）过顶时（shí）间在20 min以（yǐ）内，因此，其地面固定终端也必须使（shǐ）用平（píng）板天线。但是目前平板（bǎn）天线价格普遍在1 000美元（yuán）以（yǐ）上，远（yuǎn）高于50美元左右的抛物（wù）面天线，因此，在卫星互联网接入需求最（zuì）大的消费者宽（kuān）带领（lǐng）域，低轨星（xīng）座的竞争力极大依赖于低（dī）成本平板天线（xiàn）的研发进度。公开资（zī）料显示，StarLink用户终端采用（yòng）了机械调（diào）向的平板天线，直径约（yuē）48 cm，但（dàn）其价格（gé）和性能能否与（yǔ）GEO-HTS的抛物面天线竞争仍有待观察。2.3 传输时延　　

　　卫（wèi）星宽带传（chuán）输链路由“数据中心→卫星→用（yòng）户（hù）”的前向链路和“用户→卫星→数（shù）据中心”的反向链路构成（chéng）。GEO-HTS传输往返（fǎn）时延的理论最（zuì）低值为477 ms，加（jiā）上数据处理（lǐ）时（shí）延（yán）等因素（sù）之后，实际往返时延约600 ms。OneWeb、StarLink等低轨卫星（xīng）轨道高度约为GEO-HTS的1/30，因此，其往返时延有望（wàng）控制在30 ms以内，接近地面光纤网络的水平。

　　然而，低轨星座的低时延优势在消费者宽带市场的价值有限：

　　1）目（mù）前大部分（fèn）宽带应用对时延并不敏感，GEO-HTS系统采用TCP应答削减、报头压缩、应用层（céng）加速等技术手段之后（hòu），同样能够满足网页（yè）浏览、视（shì）频直播、音（yīn）视频通话等宽带应（yīng）用的（de）需求；

　　2）对于网络游（yóu）戏、金融交易、虚拟现实等时延敏感业务，低轨星座确实（shí）优于GEO-HTS，但这些业务也是地面光纤和（hé）5G的优势领（lǐng）域；

　　3）低时延主要是（shì）发达地区（qū）的需（xū）求，而卫星宽带主（zhǔ）要面向缺乏地（dì）面（miàn）网络覆盖的（de）偏远地区，偏远（yuǎn）地区为低时延支付额外费（fèi）用（yòng）的意愿有限。

　　2.4 落地（dì）监管（guǎn）

　　GEO-HTS的波束覆盖范（fàn）围可以预先设定，但是低（dī）轨星座（zuò）天然具有全（quán）球无缝覆盖（gài）的（de）特（tè）点，如（rú）果（guǒ）只限于服务少数国家或地区将造成（chéng）巨大的容量浪费（fèi）。前文（wén）在假设可（kě）以（yǐ）获准（zhǔn）进（jìn）入全球市（shì）场（chǎng）的情况下，分（fèn）析得（dé）出StarLink星座（zuò）的有效容量为（wéi）23.7 Tbps，单位容量月度成本为4.8 $/Mbps。假设StarLink获准进入的全球市场比例（lì）为α，那（nà）么其有效容量（liàng）将变为23.7αTbps，单位容（róng）量月度成（chéng）本将（jiāng）变（biàn）为4.8/α $/Mbps（如（rú）图 5）。由此可见，全球（qiú）市场（chǎng）准入比例对于低轨（guǐ）星（xīng）座的（de）单位容量成本（běn）影响（xiǎng）巨大，如果（guǒ）准入比（bǐ）例过低将显著推高其（qí）单位容（róng）量成本。

　　实际上，世界各国（guó）的（de）基础电（diàn）信运（yùn）营均受（shòu）一定程度的监管，在目前（qián）贸易保（bǎo）护主义（yì）盛行的（de）国际形（xíng）势下，外国卫星（xīng）宽带在他国（guó）落地（dì）面临更大困难（nán）。例如，2019年（nián）8月OneWeb向俄罗斯申（shēn）请无线电频率，但未获批准（zhǔn）。因此，全球（qiú）落（luò）地（dì）监管是低轨星座面临的（de）另一个严（yán）峻挑战（zhàn）。

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

　　3 发展前景（jǐng）分析（xī）

　　低轨星座面临光纤宽带（dài）、蜂窝宽带等地面（miàn）网络（luò），以及GEO-HTS的多重竞争，在建设费（fèi）用、容（róng）量（liàng）密（mì）度、地面终端配置、传输（shū）时延等方面各有（yǒu）优劣，这决定它们具有不同的适（shì）用领域，同时也（yě）决定了低轨（guǐ）星座的潜在（zài）市场容量和发展前（qián）景（jǐng）。

　　3.1 卫星宽带的市场容量上限

　　与蜂窝宽带相比，卫星宽（kuān）带的户均覆盖费用、用户终端费用（yòng）、频谱效率（lǜ）、容量（liàng）密度等方面均有劣势，因此卫星宽带（dài）的潜在市（shì）场是缺乏蜂窝覆盖的地区。Greg Wyler在创立O3b和OneWeb的过程（chéng）中，始（shǐ）终以通过卫星“连接未连接者”为使命（mìng）。然而，过去十年中3G/4G蜂窝网络在（zài）提供宽带连接方面更（gèng）有成（chéng）效（如图6）。在（zài）OneWeb成立的2012年，未被3G信号覆盖的人（rén）口（kǒu）约34亿，意味着（zhe）全球至少有34亿人缺乏接入宽带的机会，这也正是（shì）Greg Wyler创立O3b公（gōng）司时（shí）试图连接的“另（lìng）外30亿人”。到OneWeb、StarLink等低轨星座开（kāi）始发射卫星（xīng）的（de）2019年，虽然只有53%的人口使（shǐ）用互联网，但93%的人口已被3G以上信号（hào）覆盖（gài）、82%的（de）人口已（yǐ）被（bèi）4G信号覆盖。换言之，真（zhēn）正由于无法连接而不能使用互联（lián）网的人口占（zhàn）比不足（zú）7%，总数约5亿（yì）。此外，根（gēn）据咨询公司NSR的估计，2019年全球（qiú）卫星宽带的潜在用户数为4.33亿，目（mù）前卫（wèi）星宽带在这部分人群（qún）中渗透率约0.63%。因（yīn）此，目（mù）前（qián）全（quán）球卫（wèi）星宽带（dài）市场容量上限约4亿用户。

　　图 6 2007-2019全球蜂窝网络覆（fù）盖（gài）情（qíng）况

　　3.2 低轨星座民用市场前景

　　虽然全（quán）球卫星宽带的潜在用户数只有4亿左右，但对于卫星宽带（dài）而（ér）言已经足够。例如，OneWeb、StarLink和ViaSat-3三个星座有效容量分（fèn）别为1.56 Tbps、23.7 Tbps、1.8 Tbps左右，按照人均（jun1）10 Mbps的（de）标准，支持的用户数上限分别为15.6万、237万、18万。因此，虽然面临（lín）光纤到（dào）户、蜂窝宽带等地面网络的挤压，卫星宽带仍然具（jù）有可观的市场空间，关键在于其（qí）性（xìng）能和价格是否符合市场需求。

　　在综合成本（běn）方面（miàn），低轨星座（zuò）相比于GEO-HTS处于劣势。首先（xiān），单（dān）位容量月（yuè）度成（chéng）本（běn）方面（见表5），StarLink等（děng）低轨星座处（chù）于价格劣势，进一步考虑落地监管的因素（见图5），StarLink等低（dī）轨星座的价格劣势（shì）可能会更严重；其次，在消（xiāo）费者（zhě）宽（kuān）带（dài）市场，低轨星座（zuò）地（dì）面终端所依（yī）赖的相控阵平（píng）板天线的价格，目前远（yuǎn）高（gāo）于GEO-HTS所依赖（lài）的抛（pāo）物（wù）面天线，因此，低轨星座在综合成本方面处于劣势，导致其市（shì）场竞争力低于GEO-HTS。例如，根据咨询公司（sī）NSR对（duì）全球HTS容（róng）量和服务总营收的预（yù）测（如（rú）图（tú）7），2018—2028年全球Non-GEO HTS的累计营收不足GEO-HTS的（de）四分之一。

　　图 7 NSR对（duì）全球高通量卫星营（yíng）收的（de）预（yù）测

　　另一方面（miàn），政（zhèng）府补贴可能会扭（niǔ）转（zhuǎn）低轨星（xīng）座（zuò）的成本劣势。美（měi）国联邦通信委员会成立了总额204亿美元的“农村数字（zì）机（jī）遇基（jī）金”，将（jiāng）在2020—2030年（nián）资助美国农村地区的宽带建（jiàn）设，有可能将时延低于100 ms的低轨（guǐ）卫星宽带纳（nà）入（rù）补贴（tiē）范围，而将GEO-HTS排除在（zài）外。政（zhèng）府补贴有（yǒu）可能扭转低轨星座的成（chéng）本劣势。例如，计（jì）划发射Jupiter-3的休斯公司和ViaSat-3的卫讯（xùn）公司，曾经一致认为GEO-HTS比低轨星座更具竞争优势，但也承认政（zhèng）府（fǔ）补贴将（jiāng）使低轨星座同样（yàng）有利（lì）可（kě）图（tú）。为（wéi）了争取（qǔ）政府补贴（tiē），休斯公（gōng）司已（yǐ）经向OneWeb注资5 000万（wàn）美元，卫讯公司则申请建（jiàn）设一个288颗（kē）卫星的低（dī）轨星座。

　　3.3 低（dī）轨星座军事应用（yòng）前景

　　在（zài）民用领（lǐng）域，低轨星座只是地面（miàn）网（wǎng）络的补充；在军事领域（yù），低（dī）轨星座（zuò）凭（píng）借其（qí）优良的全球覆盖特性、低传输时延、高抗毁性、支持小孔（kǒng）径接收天（tiān）线等优势，具有广（guǎng）阔的应用前景（jǐng）。美国一直将商业通（tōng）信卫星作（zuò）为（wéi）其军用卫（wèi）星能力的重要补（bǔ）充：截止（zhǐ）2018年（nián）底，美国（guó）国（guó）防信息系（xì）统局管辖的（de）商业卫星（xīng）通信服务采购总额高达45亿美元；2019年美（měi）国军队采购的（de）商业卫星容量为40 Gbps，相当（dāng）于（yú）其军用卫星容量的70%。

　　由于与军事需求（qiú）高（gāo）度匹配，StarLink等新兴（xìng）商（shāng）业低轨星座已经引起（qǐ）美国军方（fāng）的高（gāo）度重视。美国空军研究实验室2017年启动（dòng）了“商业天基互联网军用实验”项目，旨（zhǐ）在利用新兴（xìng）商业低轨（guǐ）星座为空军（jun1）构建全球覆盖的高可用（yòng）性、高弹性、大带宽、低时延的通（tōng）信基础（chǔ）设施，并于2019年3月向SpaceX公司授予价值2800万美元的合（hé）同，开展StarLink星座（zuò）军用演示验证（zhèng）。此（cǐ）外，美国国防高级（jí）研究计划局2018年（nián）发起了“黑杰克”项（xiàng）目，旨在利（lì）用商业低轨星座的技术积累和成果，发展搭载导弹（dàn）探（tàn）测、导航授（shòu）时、军事通信等多种任务载荷的军用低轨星（xīng）座；军用星座将部署在商业低轨星座附近（jìn），并与其建立星间链路以利（lì）用其（qí）全球宽带（dài）传输能（néng）力（lì）。因此，StarLink等低（dī）轨（guǐ）星座有可能成为美（měi）国（guó）的关键军（jun1）事基础设施（shī），来自军事应用的收入将为其（qí）提供重要支（zhī）撑（chēng）。

　　结 语

　　受益于（yú）火箭重复利用、一箭多（duō）星发射、规模化（huà）卫星制造、高通量卫星等（děng）技术的巨大进（jìn）步，低（dī）轨卫（wèi）星（xīng）通（tōng）信星（xīng）座（zuò）迎来了（le）新一轮发展（zhǎn）浪潮。虽（suī）然低（dī）轨卫（wèi）星的制造发射成本已经显著降低，但是在城镇地区（qū）卫星宽带户均建设费用（yòng）仍然高于光纤到户，仅在农村地区才有可能比光纤便宜。与（yǔ）地面蜂窝网（wǎng）络相比，卫星宽（kuān）带（dài）的频（pín）谱效率较低、波（bō）束（shù）面（miàn）积极大，导致其容量（liàng）密度（dù）极低，无法满足城镇地区的（de）容量需求。地面蜂窝网络不断（duàn）拓展，目前全球（qiú）93%人口（kǒu）已被3G以上网络覆盖，因此全球卫星宽带（dài）市场容量上（shàng）限约（yuē）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，二者在单位容量成本、地面（miàn）终端配置、传（chuán）输（shū）时延、落地监管等方面（miàn）各有（yǒu）优劣。在消费者宽带市场（chǎng），缺乏低成本平板天（tiān）线使得低轨星座处于劣势（shì），但低时延优势使（shǐ）得（dé）低（dī）轨（guǐ）星座有可能获（huò）取美（měi）国政府的宽带补贴，将有（yǒu）可能扭转（zhuǎn）其成本劣势。在军事应用（yòng）市（shì）场，StarLink等低轨星座（zuò）凭借其全球覆盖、传输时延低、抗毁性强等优势（shì），有可能成为美国（guó）军事领域的关键基础设施（shī），具（jù）备（bèi）广阔的发展空间。

　　【参考文献】

　　[1] 陈（chén）山枝. 关于低轨卫星通信（xìn）的分析及我（wǒ）国（guó）的（de）发（fā）展建议（yì）[J]. 电信科学, 2020,36(6):1-13.

　　[2] ITU. Measuring digital development: Facts and figures[R]. [s.n.]: IUT, 2019.

　　[3] 蓝天翼. 从两代非地球同步轨道通（tōng）信卫星（xīng）星座系统看商业（yè）航天发展[J]. 国际太空, 2017(3):7-15.

　　[4] Huawei. 4G/5G FWA broadband white paper[R]. Zurich: Huawei, 2019.

　　[5] FWA. All-Fiber deployment cost study 2019[R]. [s.n.]: FWA,2019.

　　[6] PORTILLO D I, CAMERON B G, CRAWLEY E F. A technical comparison of three low earth orbit satellite constellation systems to provide global broadband[J]. Acta Astronautica, 2019, 159: 123-135.

　　[7] THOMAS B. Major agglomerations of the World[R]. [s.n.]: City Population. 2017.

　　[8] 王安, 李文娟, 欧阳（yáng）轩宇. 5G全球（qiú）发展经（jīng）验对我国运营商的启（qǐ）示[J]. 通信企业（yè）管理（lǐ）, 2017(7):13-18.

　　[9] 李峰, 邓（dèng）恒, 田野，等. 我（wǒ）国宽（kuān）带通（tōng）信（xìn）卫星系统发展建议[C]//第（dì）十四届卫星通信学术年会. 北京: 中国通信学（xué）会卫星通信委（wěi）员（yuán）会，2018.

　　[10] 中金公司（sī）. 星（xīng）链是泡沫还是革命[R]. 北京：中金公司，2020.

　　[11] PORTILLO D I, CAMERON B G, CRAWLEY E F. A technical comparison of three low earth orbit satellite constellation systems to provide global broadband[J]. Acta Astronautica, 2019, 159: 123-135.

　　[12] 孙晨（chén）华,章劲松（sōng）,赵伟松,等.高低轨宽带卫星通信系统特点（diǎn）对（duì）比分（fèn）析[J].无线（xiàn）电（diàn）通信（xìn）技术,2020,46(5):505-510.

　　[13] BRODKIN J. Details on SpaceX Starlink beta emerge along with photos of user terminals[N]. Arstechnica, 2020-07-16.

　　[14] NSR. VSAT and Broadband Satellite Market, 18th Edition[R]. [s.n.]: NSR, 2019.

　　[15] NSR. Satellite constellations: A critical assessment, 2nd edition[R]. [s.n.]: NSR, 2019.

　　[16] HENRY C. Hughes views OneWeb stake as key to FCC broadband subsidies[N]. Space News, 2020-8-12.

　　[17] HENRY C. Viasat, lured by broadband subsidy opportunity, eyes 300-satellite LEO constellation[N]. Space News, 2020-5-28.

　　[18] 链星. 美（měi）军利用商（shāng）业低轨通信星（xīng）座的新动向分析[J]. 国际太空（kōng）, 2019(5):8-14.

　　[19] NSR. Government & Military Satellite Communications, 16th Edition[R]. [s.n.]: NSR, 2019.

　　[20] ERWIN S. Air Force enthusiastic about commercial LEO broadband after successful tests[N]. Space News, 2019.11.5.

　　[21] DARPA. Blackjack[EB/OL]. [2020-07-18].https://www.darpa.mil/program/blackjack.