衛星互聯網星座的新機遇

□ 黃志澄

衛星互聯網星座的新機遇

□ 黃志澄

銥星星座(左)及銥星的覆蓋區（右）

全球星星座(左)及全球星的覆蓋區（右）

地球靜止軌道衛星的軌道位于赤道平面內，軌道的日周期和與地球的旋轉周期相一致，三個衛星就可以實現接近全球覆蓋，從而成功地廣泛用于通信和電視轉播領域。但這種衛星的軌道高度高，路徑損失大，信號有較大的時間延遲，也難于實現完全的全球覆蓋。

衛星星座是按一定規律布置在地球中、低軌道上的一群衛星。從上世紀90年代開始，由于移動通信和互聯網的發展，非地球靜止軌道的通信和互聯網衛星星座發展迅速，掀起了第一個高潮。但在地面移動通信系統迅猛發展的沖擊下，衛星星座通信由于成本太高，并未得到廣泛應用。

2010以來，由于智能手機技術日益成熟、成本不斷降低、各類應用蓬勃發展，建設融合語音、數據、視頻為一體，覆蓋廣泛、經濟實用的互聯網，成為世界各國為推動經濟增長而大力構建的重要基礎設施。在這種背景下，出現了互聯網衛星星座的新機遇。

銥星手機終端

三大星座升級換代

在2010年后，三大低軌通信星座都開始升級換代?！叭蛐恰庇捎谝淮荢頻段發射機的故障影響了雙向應用，率先啟動了二代星計劃，并在2010－2013年完成了24顆第二代星的發射，每顆重700千克。第二代全球星除了和地面的固定網和移動網兼容外，還增加了基于衛星的WiFi服務，用戶使用智能手機就可直接上網。

軌道通信公司在經歷2008年的6顆補星失利后，2014－2015年完成了6顆第二代星（OG2）的發射工作，兩代軌道通信衛星共同在軌提供服務。OG2衛星安裝了“自動識別系統”（AIS），可為船舶提供循跡追蹤，在基于衛星的機器對機器（M2M）的物聯網應用方面，處于領先地位。

系統最復雜和成本最高的“下一代銥星”（Iridium-NEXT）星座，在2017年1月15日，由太空探索技術公司（SpaceX）的“獵鷹9”火箭，成功發射了首批的10顆衛星。衛星每顆重860千克。由于銥星系統的復雜性和SpaceX一再推遲發射，預計要到2018年才能夠完成全部部署?！跋乱淮炐恰背司哂袀鹘y的功能外，增加了許多新的用途。每顆衛星目前留有50千克的有效載荷余量，計劃安裝Airecon公司的“廣播式自動相關監視”(ADS-B)接收機，以提供全球覆蓋的近實時、高精度的飛機位置監視。今后，銥星系統還將進一步增加有效載荷余量，讓那些想要具備全球覆蓋和星間鏈路的服務商，能夠以搭載銥星的方式完成全球星座的建設，而不是自己去研制一個衛星星座。

至此，三大低軌通信系統在經歷了“繁榮”和破產保護之后，都已絕地重生。由于它們都在較大程度上，降低了衛星的研制費用和發射費用，并增強了衛星星座的功能，擴展了用戶，從而增加了收益。根據美國聯邦航空管理局（FAA）給出的三家公司在2006－2014年的收入情況匯總，可得到2015年的收入情況：全球星公司最低，為9049萬美元；軌道通信次之，為1.78億美元；銥星公司最高，達到4.11億美元。不難發現，銥星公司和全球星公司都進入了平穩期，而軌道通信公司在近幾年則出現了快速的增長，特別是2014－2015年，其收入增長了幾乎70%。

從上面三家的第二代星座不難看出，它們在基于各自現有用戶的細分領域，發揮了各自現有系統的優勢，從與地面通信網競爭而轉向與地面網的合作和補充。以銥星公司為例，在市場定位方面，不再與地面通信正面競爭，而將用戶定位為除了軍事用戶外，主要是偏遠地區的專業用戶，如海上石油鉆井平臺、采礦、建筑、救災搶險、野外旅游的組織或個人；在投入成本方面，大幅度降低系統成本，實現通話和數據使用費用的降低，以達到與地面通信接近的價格水平；在系統能力方面，升級衛星系統，接近地面系統的能力，減少衛星終端的尺寸和降低重量，提高數據服務的速率，使之在特定應用場景下具備一定的競爭力。

正由于這三家公司的星座的升級換代取得成功，策動了更多的公司投入到衛星互聯網星座這個市場，迎來了衛星互聯網星座的新高潮。

衛星互聯網星座的新高潮

而今，智能手機和電子商務的快速發展，已經改變了用戶的消費習慣和市場環境；商業航天的迅速發展，大幅度降低了衛星的研制和發射費用，為建設新一代衛星互聯星座提供了條件。在這新一輪星座風暴中，一位美國的衛星從業者格雷格·維勒起了重要的作用。

維勒曾長期在非洲農村地區發展電信和互聯網事業，積累了豐富的經驗。2007年，他創建了“另外30億人”（O3b）公司，投資方為歐洲衛星公司（SES）、互聯網巨頭谷歌、有線電視運營商Liberty Global和匯豐銀行等。這家公司的宗旨是“要為地球上另外30億人提供網絡服務”。O3b星座，是衛星互聯網星座發展至今，唯一的一家在運營之初就取得成功的星座。

O3b星座系統的成功，剌激了許多投資商一擁而上。首先，由原O3b創始人格雷格·維勒于2014年成立了一網公司（OneWeb）。維勒曾是谷歌公司衛星互聯網項目的負責人，后離開谷歌創立了一網公司。

在一網之后， SpaceX公司宣布了4425顆衛星的低軌寬帶衛星星座計劃，波音公司宣布了采用V頻段2956顆衛星星座計劃；原天線設備供應商Kymeta公司創始人提出的“低軌衛星”（Leosat）有108顆衛星等。接著，包括衛訊公司（Viasat），加拿大衛星電信公司（Telesat）在內的高軌通信衛星運營商，也紛紛宣布了中低軌寬帶衛星星座方案。眾多方案中最具代表性的主要有3家，即一網、SpaceX和 Leosat。這三個衛星互聯網計劃的共同點是：選擇的均是質量在300 千克以下的小衛星；主要提供寬帶互聯網服務。其不同點是：一網主要面向個人消費者和社區，而“低軌衛星”公司主要還是為機構用戶服務；一網和太空探索公司衛星數量較多，“低軌衛星”使用了高功率衛星平臺，單星容量較大，衛星數量大致在80～140顆左右。

一網衛星

機遇與風險并存

目前地面移動互聯網已經深入到每個行業和每個人，但地面互聯網也有很多場合，如戶外、野外、飛機、海上等，仍然不能提供很好的覆蓋和應用。目前，基于衛星星座的天基互聯網在技術上已經成熟，造價正在逐步下降。未來，天基互聯網將和快速到來的5G地基互聯網充分協同融合。

首先，智能手機和電子商務的快速發展，催生了衛星互聯網星座新的盈利模式。過去的衛星互聯網星座，用戶規模非常有限，單純通過收取通信和網絡使用費用，難于滿足投資者的回報期望。而今，消費者開始習慣為內容服務付費，通信和網絡服務不再是運營商獲利的唯一手段。未來，一旦衛星互聯網成功建立，就相當于有了龐大的數據入口，可以提供各種各樣的內容服務，從而形成一個巨大的市場。

其次，航空業正在不斷開拓新的應用。2014年3月8日凌晨馬來西亞航空公司 MH370失蹤的嚴峻事實告訴我們，在互聯網時代，汽車、手機、家電，甚至幾乎任何物品都可以接入互聯網，但商用飛機的數據系統，卻幾乎未和任何網絡相連，充分說明民航信息系統已大大落后于時代。由此，發展基于衛星的空中管理系統，以代替目前基于地面雷達的系統已迫在眉睫。

在空中的航班上提供互聯網接入服務，更是廣大旅客的迫切要求，同時也是衛星互聯網的重要市場?！翱罩蠾iFi” 、“機上互聯網（IFEC）”是近年來航空公司積極布局的熱點項目。面對激烈的市場競爭，航空公司將IFEC服務視為新的盈利增長點，希望借此增加用戶，拓展新的商業模式。目前機上互聯網需求已經演進到每架飛機50Mbit/s以上帶寬，否則難以保證機上乘客享受到接近地面移動互聯網的體驗。對于飛越偏遠地區的國際航班，利用現有的通信衛星，也難于保證全程不間斷服務，這就為衛星互聯網星座的發展創造了條件。

最后，商業航天的發展導致成本大幅度降低。20世紀90年代衛星互聯網的失敗，主要是星座投入成本過高，其中主要是發射費用和衛星的生產成本過高。目前，以太空探索公司為代表的新興航天發射公司，已經將發射費用降低了50%，而火箭重復使用技術的發展，則有望降到過去發射費用的20%～30%。一網公司和太空探索公司，將航空飛機和導彈的批量制造經驗融合到衛星研制中，并希望以此將衛星的研制成本降至單星50萬美元以下。

隨著小衛星的發展，越來越多的衛星項目開始使用非航天級別的商業現貨部組件；形成了得到廣泛認可的官方或非官方的標準，模塊化的接口設計便于批量制造和快速發射； 3D打印技術的應用可以直接形成小衛星或衛星部件，從而縮減了衛星的研制成本和研制周期。

另一方面，衛星互聯網星座發展的機遇與風險并存，未來能否成功的關鍵在于是否能夠降低服務費用，從而贏得市場和用戶。

首先，面臨地面和其它衛星系統的競爭。當前，低軌星座的時延已經能夠接近地面光纖和蜂窩通信，滿足VOIP、視頻會議、在線游戲等交互式通信應用的要求，大大優于地球同步軌道寬帶衛星和中軌星座；低軌星座的使用成本與地球同步軌道寬帶衛星接近，但與地面通信手段仍有差距；對比系統容量，雖然低軌星座大大超過了地球同步軌道寬帶衛星，但低軌衛星在點波束中提供的集中式容量仍然具有優勢；在全球覆蓋范圍方面，低軌星座則有明顯優勢。

當前地面通信正在大力推動5G的發展，很難預測在這些星座全部建成之后，是否會再次落后于地面通信。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，對互聯網衛星企業的未來收入做了大致估算。NSR按照每戶每月50美元計算，未來打造衛星互聯網星座的企業至少需要獲得1000萬的用戶量級，才能獲得盈利，實現這樣的目標難度很大。雖然，全球未連接和待連接的家庭市場仍然十分龐大（估計有4.71億），但這些家庭大多數是在低收入國家，在那里開拓市場仍有很大不確定性。

一網創始人維勒（左）和藍色起源創始人貝索斯

其次，頻率與落地權的協調難度很大。一網是最早從ITU獲得Ku頻段使用權的企業，但一網并非擁有Ku頻段的所有權，其他競爭企業依然可以申請。為此，其它公司首先要與一網進行協調，同時還需與申請頻段的靜止軌道衛星運營商進行協調，由于相互之間是競爭關系，這樣的頻率協調難度非常大。除頻率協調外，還有落地權問題。如果要在全球提供服務，還需要與各國政府進行頻率協調。

最后，將承受低軌惡劣空間環境的考驗。衛星變軌的過程中，需要頻繁穿越高能質子輻射帶，會對衛星的電子系統的正常工作造成很大影響，因此對衛星抗輻射能力提出了很高的要求。低軌衛星不僅會受到空間輻射的影響，還存在衛星和衛星，微流星和軌道碎片碰撞的風險。2009年俄羅斯宇宙-2251衛星與銥-33衛星在790千米的軌道高度發生碰撞，2顆衛星相撞造成成百上千的太空碎片。在低軌上，碎片碰撞低軌衛星的概率很大。太空碎片的數量與日俱增，現在十厘米以上的碎片已經有兩萬多個，大于一厘米的碎片已經超過了五十萬。在衛星互聯網星座常用的軌道上，太空碎片非常密集。大的空間碎片對航天器的撞擊是致命的，很小的碎片打上去可能也會導致衛星損壞，就是毫米級以下的碎片撞擊的累計效應也可能會影響衛星的工作。

為了減少衛星互聯網星座的衛星發生相撞的概率，要求每個星座的軌道中心相隔一定距離；要求每顆衛星要提高定位精度，并可進行在軌推進以執行防碰撞操作；要求退役的衛星在一定時間內必須離軌等。無疑，這些要求必然會增加建設和運營星座的成本，急需有關國際機構協調解決。

從30年來衛星互聯網星座經歷失敗、復活到重生的過程可見，如何處理好星座與地面通信的關系是星座能否取得成功的關鍵。當前新興衛星互聯網星座的發展，不是歷史的簡單重復，而是市場和技術綜合發展的結果。展望未來，新興衛星互聯網星座發展，機遇與風險并存，影響未來能否成功的核心，仍然在于市場和用戶?！?/p>