衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)：太空新型基礎(chǔ)設(shè)施

文/ 黃志澄

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)是繼有線互聯(lián)、無(wú)線互聯(lián)之后的第三代互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施。衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)包括地球靜止軌道（GEO）高通量衛(wèi)星、地球中軌道（MEO）互聯(lián)網(wǎng)星座和地球低軌道（LEO）互聯(lián)網(wǎng)星座。由于前兩者已經(jīng)應(yīng)用，當(dāng)前關(guān)注的熱點(diǎn)則是低軌互聯(lián)網(wǎng)星座。2020 年04 月20 日國(guó)家發(fā)改委首次明確，將衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)列入我國(guó)新型基礎(chǔ)設(shè)施的范圍，這項(xiàng)重大的戰(zhàn)略決策，大大鼓舞了我國(guó)商業(yè)航天行業(yè)的信心。另一方面，2020 年3 月27 日,在發(fā)展低軌互聯(lián)網(wǎng)星座方面著名的一網(wǎng)公司申請(qǐng)破產(chǎn)保護(hù)，揭示了發(fā)展低軌互聯(lián)網(wǎng)星座仍然面臨諸多風(fēng)險(xiǎn)。為此，我們必須認(rèn)真總結(jié)國(guó)外發(fā)展低軌互聯(lián)網(wǎng)星座的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，制定一項(xiàng)適合國(guó)情的發(fā)展戰(zhàn)略。

▲ 衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的組成

▲ 一網(wǎng)公司提出的低軌互聯(lián)網(wǎng)星座

低軌互聯(lián)網(wǎng)星座的發(fā)展概況

低軌寬帶互聯(lián)網(wǎng)星座并不是新生事物。20 世紀(jì) 80 年代開(kāi)始發(fā)展的小衛(wèi)星技術(shù)，對(duì)星座的發(fā)展起了巨大的推動(dòng)作用。90 年代初期，低軌通信星座開(kāi)始盛行，伴隨銥星（Iridium）、全球星（Globalstar）等低軌語(yǔ)音通信星座的興起，業(yè)界相繼提出了多個(gè)中低軌道互聯(lián)網(wǎng)星座的概念，其中包括微軟創(chuàng)始人比爾·蓋茨提出的 “泰利迪斯”（Teledesic）星座、法國(guó)阿爾卡特公司提出的“天空之橋”（Skybridge）星座。

由于銥星系統(tǒng)早期運(yùn)營(yíng)失敗，加之互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)遭遇第一次低谷，這些互聯(lián)網(wǎng)星座設(shè)想，全都停留在紙面上。實(shí)際上，衛(wèi)星通信從誕生的第一天起，就與地面通信在相互競(jìng)爭(zhēng)、相互補(bǔ)充與合作中發(fā)展。衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座的發(fā)展可以分為3 個(gè)歷史階段：

第一階段（20 世紀(jì)80 年代末至2000 年）以銥星系統(tǒng)為代表，力圖重建一個(gè)天基網(wǎng)絡(luò)，銷(xiāo)售獨(dú)立的衛(wèi)星電話(huà)與地面電信運(yùn)營(yíng)商競(jìng)爭(zhēng)用戶(hù)。第二階段（2000—2014 年）以新銥星系統(tǒng)為代表，主要是作為地面通信手段的“填隙”，規(guī)模有限。第三階段（2014 年至今）以格里格·維勒創(chuàng)立的“另外30 億人”（O3b）MEO 星座，為全球用戶(hù)提供干線傳輸和蜂窩回程業(yè)務(wù)，將地面電信運(yùn)營(yíng)商作為其客戶(hù)和合作伙伴，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)成為地面網(wǎng)絡(luò)的補(bǔ)充。O3b 和已經(jīng)成熟的GEO 高通量衛(wèi)星，其數(shù)據(jù)傳輸速率大大超過(guò)了銥星和全球星系統(tǒng)，雖然其系統(tǒng)容量無(wú)法與地面通信手段相比，但對(duì)于地面設(shè)施無(wú)法覆蓋的地區(qū)，已經(jīng)能夠滿(mǎn)足基本的寬帶需求。

此外，國(guó)內(nèi)外多家企業(yè)提出低軌互聯(lián)網(wǎng)星座計(jì)劃，部分企業(yè)已進(jìn)入密集部署狀態(tài)。格里格·維勒早在2012 年就創(chuàng)立了一網(wǎng)公司。一網(wǎng)致力于構(gòu)建一個(gè)能夠覆蓋全球的高速寬帶網(wǎng)絡(luò)，為世界各地提供高速寬帶服務(wù)，以此消彌不同地區(qū)間的數(shù)字鴻溝，成為衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的引領(lǐng)者。此后，多個(gè)低軌互聯(lián)網(wǎng)星座計(jì)劃相繼提出，準(zhǔn)備在潛在的巨大市場(chǎng)中分一杯羹。其中包括太空探索技術(shù)公司公司提出的星鏈、LeoSat 公司提出的LeoSat、加拿大 TeleSat 公司的TeleSat LEO、亞馬遜的 Kuiper、中國(guó)航天科工集團(tuán)的虹云工程、中國(guó)航天科技集團(tuán)的鴻雁星座、中國(guó)電子科技集團(tuán)的天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)、銀河航天的銀河Galaxy 等。

一網(wǎng)的初始星座包括648 顆衛(wèi)星和234 顆備份星，總數(shù)量達(dá)到882 顆，后來(lái)再追加2000 顆，衛(wèi)星總數(shù)將達(dá)到約2882 顆。每顆衛(wèi)星重150 千克，采用Ku 和Ka 波段。2017 年6 月22 日，美國(guó)聯(lián)邦通訊委員會(huì)宣布正式批準(zhǔn)一網(wǎng)進(jìn)入美國(guó)寬帶服務(wù)市場(chǎng)。一網(wǎng)星座的特點(diǎn)是其基本上實(shí)現(xiàn)了全球覆蓋，與地面移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)相融合和大規(guī)模制造衛(wèi)星等。不過(guò)一網(wǎng)有點(diǎn)低估了制造和發(fā)射衛(wèi)星的難度，成本的大幅度上升為今天的破產(chǎn)埋下了伏筆。

星鏈計(jì)劃建設(shè)一個(gè)由近1.2 萬(wàn)顆衛(wèi)星組成的衛(wèi)星群。星座選擇了Ku/V 頻段，由分布在1150 公里高度(最近已調(diào)低到550 公里高度)的4425 顆衛(wèi)星的低軌星座，和分布在340 公里左右的7518 顆衛(wèi)星的甚低軌星座構(gòu)成，有利于更好地實(shí)現(xiàn)全球覆蓋。太空探索技術(shù)公司在華盛頓州雷德蒙市開(kāi)設(shè)了一個(gè)新的工廠來(lái)研制這些衛(wèi)星。目前已經(jīng)利用自己的火箭發(fā)射了422 顆衛(wèi)星，在2020 年計(jì)劃要發(fā)射上千顆衛(wèi)星，正在成為世界上最大的衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商。

▲ 低軌互聯(lián)網(wǎng)星座的手持終端

發(fā)展衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的戰(zhàn)略意義

發(fā)展衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)是一項(xiàng)重要的國(guó)家戰(zhàn)略。建立衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)是適應(yīng)未來(lái)萬(wàn)物互聯(lián)的需求，是維護(hù)國(guó)家安全的需要，將形成萬(wàn)億級(jí)規(guī)模的新產(chǎn)業(yè)。

首先，發(fā)展衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)將為太空經(jīng)濟(jì)的發(fā)展提供新動(dòng)力。發(fā)展低軌衛(wèi)星星座將實(shí)現(xiàn)全球互聯(lián)網(wǎng)無(wú)縫鏈接服務(wù)。它相對(duì)于地球同步軌道衛(wèi)星，傳輸延時(shí)更短，路徑損耗更小；相對(duì)于光纖，在低業(yè)務(wù)密度地區(qū)的部署便捷、成本低。目前全球還有30 億人口沒(méi)有接入互聯(lián)網(wǎng)，低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)成為經(jīng)濟(jì)、高效的解決方案，有著廣闊的市場(chǎng)前景，可促進(jìn)商業(yè)航天的產(chǎn)業(yè)化。

其次，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)將成為大國(guó)戰(zhàn)略博弈的焦點(diǎn)之一。目前世界大國(guó)正在爭(zhēng)奪未來(lái)地面網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，其核心技術(shù)是5G。由于我國(guó)目前在5G 處于領(lǐng)先地位，美國(guó)除了抓緊發(fā)展5G 和6G 技術(shù)外，正在鼓勵(lì)企業(yè)積極發(fā)展低軌互聯(lián)網(wǎng)星座。由此，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)將成為中美爭(zhēng)奪未來(lái)技術(shù)優(yōu)勢(shì)的一項(xiàng)前沿技術(shù)。另一方面，在衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展前景廣闊的背景下，軌道和頻率將成為稀缺資源，搶占資源也成為衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的重要推動(dòng)力。

▲ 民航飛機(jī)接入互聯(lián)網(wǎng)

再次，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)具有巨大的軍用潛力。在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，安全高效的網(wǎng)絡(luò)，能夠?yàn)楂@取戰(zhàn)爭(zhēng)主動(dòng)權(quán)提供重要的保障，而衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)將是最重要的軍事指揮、控制和通信手段。近年來(lái)，低軌寬帶通信衛(wèi)星技術(shù)逐漸發(fā)展成熟，從而促使美軍日益重視低軌星座的建設(shè)和運(yùn)用，以替代和備份以往使用的單顆昂貴GEO 衛(wèi)星。美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）在“太空增強(qiáng)作戰(zhàn)效能（SeeMe）”項(xiàng)目的基礎(chǔ)上，在2019財(cái)年重點(diǎn)發(fā)展“黑杰克（Blackjack）”項(xiàng)目，該項(xiàng)目旨在充分利用商業(yè)公司研發(fā)的小體積、小重量、低功率、低成本的低軌衛(wèi)星星座。最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)軍方衛(wèi)星有效載荷的高度網(wǎng)絡(luò)化，并兼具彈性和持久性，能夠持續(xù)在全球范圍內(nèi)為軍方提供最大的超視距遙感、信號(hào)和通信功能。2019 年7 月1 日，美國(guó)航天發(fā)展局（SDA）發(fā)布了下一代太空架構(gòu)信息征詢(xún)書(shū)。根據(jù)該文件，它將由幾層基于小型通信衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)組成。計(jì)劃在2022 年前設(shè)計(jì)、建造和試驗(yàn)一個(gè)由最多20 顆低軌衛(wèi)星組成的網(wǎng)絡(luò)。

▲ DARPA 的黑杰克項(xiàng)目

最后，發(fā)展衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)將推動(dòng)航天技術(shù)的變革與創(chuàng)新。低軌互聯(lián)網(wǎng)星座是近年來(lái)航天領(lǐng)域最具創(chuàng)新性的系統(tǒng)。在這過(guò)程中涌現(xiàn)出來(lái)的新的小型通信衛(wèi)星技術(shù)和地面終端技術(shù)，將對(duì)未來(lái)衛(wèi)星技術(shù)和衛(wèi)星應(yīng)用的發(fā)展，產(chǎn)生深刻的影響。衛(wèi)星制造增加了商用工業(yè)級(jí)器件比例，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化實(shí)現(xiàn)小衛(wèi)星的批量生產(chǎn)，以降低衛(wèi)星研制成本。大量衛(wèi)星的發(fā)射需求，又促進(jìn)了低成本重復(fù)使用火箭技術(shù)的發(fā)展。這些技術(shù)創(chuàng)新將向傳統(tǒng)航天領(lǐng)域流動(dòng)，成為推動(dòng)航天產(chǎn)業(yè)發(fā)展變革的引擎。

太空經(jīng)濟(jì)的新動(dòng)力

無(wú)疑，由于衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)存在多方面的市場(chǎng)需求，從而它將成為太空經(jīng)濟(jì)的新動(dòng)力。這些需求主要有：

1.地面網(wǎng)絡(luò)未通地區(qū)的需求。這不僅是這些地區(qū)居民的需求，更是因工作和旅游而流動(dòng)進(jìn)入這些地區(qū)，已經(jīng)習(xí)慣使用互聯(lián)網(wǎng)的人員，包括油氣管道、交通建設(shè)、森林作業(yè)、采礦作業(yè)、鉆井平臺(tái)等野外作業(yè)人員的迫切要求。據(jù)國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）估計(jì)，全球仍然有近一半的人未聯(lián)網(wǎng)，特別是大部分非洲人口依然沒(méi)有接入互聯(lián)網(wǎng)。國(guó)內(nèi)互聯(lián)網(wǎng)普及率為59.6%，仍有2%的行政村未通光纖和4G。

▲ 太空探索技術(shù)公司提出的星鏈星座

▲ 一網(wǎng)一次發(fā)射34 顆衛(wèi)星

2.航空與航海的需求。全球每年有超過(guò)50 億人次的飛機(jī)乘客，其聯(lián)網(wǎng)需求強(qiáng)，消費(fèi)水平高；輪船乘客離岸時(shí)間長(zhǎng)，而且消費(fèi)水平也比較高，聯(lián)網(wǎng)幾乎是剛需。因此，他們有望成為低軌互聯(lián)網(wǎng)星座最早的一批用戶(hù)。航空WiFi 系統(tǒng)經(jīng)過(guò)這幾年的發(fā)展，其安裝和運(yùn)營(yíng)成本已降至世界上幾乎任何航空公司都可以提供的水平，但當(dāng)前許多飛機(jī)的WiFi 存在速度慢和流量限制等問(wèn)題。2019 年年初全球總共有95400 多條航運(yùn)船,航運(yùn)船上的海員上網(wǎng)主要通過(guò)海事衛(wèi)星，費(fèi)用很貴而普及率較低。2019 年全球272 艘郵輪乘客人數(shù)達(dá)到3000 萬(wàn)，郵輪乘客對(duì)網(wǎng)絡(luò)需求十分旺盛。世界海洋捕撈船總數(shù)大約為460 萬(wàn)艘，是航海領(lǐng)域低軌互聯(lián)網(wǎng)星座最大的潛在客戶(hù)群體。

3.要求低延時(shí)和無(wú)間斷的高端用戶(hù)需求。低軌互聯(lián)網(wǎng)星座可提供長(zhǎng)距離的較短的延時(shí)。在部分遠(yuǎn)距離傳輸?shù)膱?chǎng)合，通過(guò)低軌衛(wèi)星通信可能比地面網(wǎng)絡(luò)的延時(shí)還要短。因?yàn)楣庠诠饫w中的傳播速度是真空中的2/3，在遠(yuǎn)距離傳輸應(yīng)用上，雖然信號(hào)通過(guò)衛(wèi)星多走了數(shù)百公里，但其延時(shí)依然比通過(guò)地面光纖要短。因此，對(duì)于要求低延時(shí)和無(wú)間斷的國(guó)際金融和車(chē)聯(lián)網(wǎng)等業(yè)務(wù)，低軌互聯(lián)網(wǎng)星座會(huì)更加適用。

4.政府與國(guó)防的需求。低軌互聯(lián)網(wǎng)星座可提供全球性不間斷連續(xù)通信服務(wù)，可作為政府應(yīng)急、外交和國(guó)防的重要通信手段。政府和國(guó)防訂單將是星座運(yùn)營(yíng)的重要基石。

發(fā)展低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座的風(fēng)險(xiǎn)

任何創(chuàng)業(yè)都有風(fēng)險(xiǎn)。“猜猜有多少低軌衛(wèi)星星座沒(méi)有破產(chǎn)？”今年3月，馬斯克曾在美國(guó)華盛頓舉行的2020 年衛(wèi)星會(huì)議上如此發(fā)問(wèn)。他的答案是“零”，還開(kāi)玩笑說(shuō)太空探索技術(shù)公司正致力于“不破產(chǎn)”。

2020 年3 月27 日, 一網(wǎng)公司向美國(guó)破產(chǎn)法院申請(qǐng)破產(chǎn)保護(hù)。一網(wǎng)表示，因受COVID-19 疫情蔓延及市場(chǎng)動(dòng)蕩的影響，公司未能與大股東軟銀達(dá)成一致，以至于公司失去了爭(zhēng)取新投資者的窗口期，被迫進(jìn)入破產(chǎn)程序。一網(wǎng)也和其前輩銥星等一樣，沒(méi)能避免中途折戟的命運(yùn)。這則一網(wǎng)申請(qǐng)破產(chǎn)保護(hù)的消息，讓人有些出乎意料，因?yàn)閮H僅6 天前，一網(wǎng)的34 顆衛(wèi)星還搭載聯(lián)盟號(hào)火箭升空，使其衛(wèi)星總數(shù)達(dá)到74 顆。一網(wǎng)方面表示，在紐約申請(qǐng)破產(chǎn)保護(hù)后，公司將尋求出售。提出破產(chǎn)申請(qǐng)，可讓公司有機(jī)會(huì)在不必身背債務(wù)的條件下，走出破產(chǎn)并繼續(xù)經(jīng)營(yíng)。

無(wú)論如何，一網(wǎng)的破產(chǎn)申請(qǐng)，已經(jīng)為低軌互聯(lián)網(wǎng)星座的風(fēng)險(xiǎn)，吹響了哨子。主要的風(fēng)險(xiǎn)是：

1.高投入的風(fēng)險(xiǎn)。一網(wǎng)目前通過(guò)成批生產(chǎn)雖然可以降低衛(wèi)星的成本，但其使用的火箭的發(fā)射成本仍然很高，而且進(jìn)度的拖延又大大增加成本。相比之下，太空探索技術(shù)公司采用本公司的獵鷹9 號(hào)火箭一次發(fā)射60 顆衛(wèi)星，進(jìn)度快、成本低，則有明顯的優(yōu)勢(shì)。美國(guó)航天咨詢(xún)公司北方天空研究所（NSR）通過(guò)負(fù)債比這一經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，對(duì)互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星企業(yè)的未來(lái)收入做了大致估算。若按照每戶(hù)每月費(fèi)用為50 美元計(jì)算，未來(lái)打造衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座的企業(yè)，至少需要獲得1000 萬(wàn)的用戶(hù)量級(jí)才能獲得盈利，而實(shí)現(xiàn)這樣的目標(biāo)難度很高。

2.頻率協(xié)調(diào)與落地權(quán)難度很大。衛(wèi)星頻率軌道資源是國(guó)家發(fā)展的戰(zhàn)略性稀缺資源，是太空基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的基礎(chǔ)。除頻率協(xié)調(diào)外，落地權(quán)問(wèn)題或更難協(xié)調(diào)。

3.面臨地面通信系統(tǒng)的競(jìng)爭(zhēng)。地面通信正在大力推動(dòng)5G 的發(fā)展，目前很難預(yù)測(cè)到低軌互聯(lián)網(wǎng)星座系統(tǒng)全部建成之后，是否會(huì)再次落后于地面通信。對(duì)于4G 已經(jīng)覆蓋98%人口的我國(guó)來(lái)說(shuō)，這種風(fēng)險(xiǎn)更大。一旦國(guó)外衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座成功完成部署，中國(guó)市場(chǎng)無(wú)疑將會(huì)是競(jìng)爭(zhēng)的熱點(diǎn)，這種跨國(guó)界的全球互聯(lián)網(wǎng)接入業(yè)務(wù)，勢(shì)必會(huì)帶來(lái)激烈競(jìng)爭(zhēng)和信息安全問(wèn)題。

4.低軌惡劣空間環(huán)境的考驗(yàn)。低軌互聯(lián)網(wǎng)星座的衛(wèi)星在變軌的過(guò)程中，需要頻繁穿越高能質(zhì)子輻射帶，它會(huì)對(duì)衛(wèi)星的電子系統(tǒng)的正常工作造成很大影響，因此對(duì)衛(wèi)星抗輻射能力提出了很高的要求。此外，衛(wèi)星還存在與微流星和軌道碎片碰撞的風(fēng)險(xiǎn)。此外，衛(wèi)星數(shù)量眾多，退役后一旦成為新的太空垃圾，將會(huì)對(duì)后續(xù)部署衛(wèi)星產(chǎn)生很大影響。

▲ 太空探索技術(shù)公司一次發(fā)射60 顆衛(wèi)星

我國(guó)發(fā)展太空經(jīng)濟(jì)的新機(jī)遇

衛(wèi)星通信是太空經(jīng)濟(jì)的主力和核心。中國(guó)幅員遼闊，海洋領(lǐng)土超過(guò)300萬(wàn)平方公里，一個(gè)全球性的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)是填補(bǔ)邊遠(yuǎn)地區(qū)的數(shù)字鴻溝和解決境內(nèi)外應(yīng)急救援問(wèn)題的重要方案，并保障我國(guó)的遠(yuǎn)洋經(jīng)濟(jì)利益和軍事存在。因此，盡快建設(shè)一個(gè)具有中國(guó)特色的，由國(guó)家財(cái)政保障、政府組織協(xié)調(diào)、企業(yè)分工合作的大型衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，具有重要的戰(zhàn)略?xún)r(jià)值。

2020 年04 月20 日國(guó)家發(fā)改委首次明確將衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)列入新型基礎(chǔ)設(shè)施的范圍，大大鼓舞了商業(yè)航天行業(yè)的信心。在工程的實(shí)施上，可以采用我國(guó)發(fā)展“大飛機(jī)”的模式或采用“北斗”模式，但還要充分發(fā)揮民營(yíng)企業(yè)的作用。我們相信，在新型舉國(guó)體制的引領(lǐng)下，匯聚各方面的資金和人才，做好工程的頂層設(shè)計(jì)和方案優(yōu)化，大力創(chuàng)新，盡快建成天地一體化的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)，必將促進(jìn)我國(guó)的航天技術(shù)和太空經(jīng)濟(jì)，邁上一個(gè)新的臺(tái)階。