從“一網(wǎng)”（OneWeb）衛(wèi)星探究衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)面臨的風(fēng)險與挑戰(zhàn)

崔瀟瀟 王 琦 范青松/文

近幾年，以美國“一網(wǎng)”（OneWeb）為代表的新型企業(yè)計劃打造低軌衛(wèi)星星座，引發(fā)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展熱潮。本文梳理了“一網(wǎng)”（OneWeb）公司基本情況，研究了“一網(wǎng)”（OneWeb）星座布局、工作方式及其特點和優(yōu)勢，最后，對以“一網(wǎng)”星座為代表的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)面臨的風(fēng)險和挑戰(zhàn)進(jìn)行了探究。

“一網(wǎng)”星座計劃概況

“一網(wǎng)”（OneWeb）公司基本情況

2017年，美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）投票批準(zhǔn)“一網(wǎng)”（OneWeb）星座進(jìn)入美國市場。“一網(wǎng)”公司建立旨在為偏遠(yuǎn)地區(qū)或互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)落后地區(qū)提供價格適宜的網(wǎng)絡(luò)連接。由于受疫情影響，“一網(wǎng)”公司于2020年3 月提出了破產(chǎn)保護(hù)申請。隨后，英國政府和印度巴帝全球公司(Bharti Global)最終與英國“一網(wǎng)”公司達(dá)成收購協(xié)議。外加其他投資者的注資，“一網(wǎng)”星座得到了強大的資金支持。

“一網(wǎng)”星座系統(tǒng)建設(shè)

“一網(wǎng)”星座采用開放式架構(gòu)，可在原有系統(tǒng)基礎(chǔ)上通過增加新衛(wèi)星提升星座整體容量。“一網(wǎng)”星座建設(shè)分3 個階段實施：

?第一階段發(fā)射648 顆Ku/Ka 頻段衛(wèi)星，分布在高度1200km、傾角87.9°的18 個軌道面，每個軌道面部署約40 顆衛(wèi)星，相鄰軌道面間隔9°,星座容量達(dá)7 Tbit/s,可為用戶提供峰值速率為500 Mbit/s 的寬帶服務(wù)，地-星地延遲約為50ms;

?第二階段增加720 顆V 頻段衛(wèi)星，組成的與初期星座的軌道高度相同的“亞星座”，星座容量達(dá)到120 Tbit/s;

?第三階段增加1280 顆V 頻段衛(wèi)星，運行在更高的中地球軌道，星座容量達(dá)到1000 Tbit/s。整個星座可根據(jù)覆蓋區(qū)域內(nèi)的服務(wù)需求和數(shù)據(jù)流量情況，在低地軌道和中地球軌道星座之間進(jìn)行“動態(tài)地分配流量”。

“一網(wǎng)”星座未來建設(shè)規(guī)劃重要節(jié)點如下：

?到2022年底前，部署648顆衛(wèi)星，完成初期星座部署工作；

?2026年8 月之前至少需要部署一半數(shù)量的衛(wèi)星；

?在2029年之前完成整個“一網(wǎng)”星座部署。

工作方式及衛(wèi)星特點

“一網(wǎng)”衛(wèi)星星座在全球布設(shè)共44 個關(guān)口站使衛(wèi)星聯(lián)網(wǎng)，星座采用Ku 波段進(jìn)行用戶通信，Ka波段進(jìn)行關(guān)口站通信。

“一網(wǎng)”星座建設(shè)規(guī)劃

“一網(wǎng)”衛(wèi)星在非赤道上空運行時，單顆衛(wèi)星可產(chǎn)生16 個Ku頻段波束，實現(xiàn)多重覆蓋，保證每個用戶至少能在一個衛(wèi)星的視線(Line of Sight)內(nèi)。每個LEO 衛(wèi)星覆蓋范圍1080km×1080km，交換帶寬為7.5Gbps，建成后的衛(wèi)星星座能夠覆蓋全球，甚至包括高緯度的北冰洋地區(qū)。

“一網(wǎng)”衛(wèi)星由空中客車防務(wù)及航天公司負(fù)責(zé)設(shè)計，由一網(wǎng)衛(wèi)星公司負(fù)責(zé)生產(chǎn)。單個衛(wèi)星重約147.5kg，星上載荷包括兩個TT&C(遙測)天線、兩個Ku 波段天線和兩個Ka 波段天線，采用“太陽能板+鋰離子電池”供儲能系統(tǒng)，推進(jìn)系統(tǒng)為氙氣電推進(jìn)，在軌工作壽命約為5年。

星座優(yōu)勢及與“星鏈”異同

星座優(yōu)勢

“一網(wǎng)”衛(wèi)星星座星座完全部署后，將是覆蓋范圍最廣，衛(wèi)星覆蓋密度最高的低軌商業(yè)通信衛(wèi)星系統(tǒng)。

為保證經(jīng)濟性，“一網(wǎng)”衛(wèi)星公司實現(xiàn)了一體化的設(shè)計、生產(chǎn)、總裝與測試流程，生產(chǎn)中大量采用協(xié)作機器人、自導(dǎo)引運輸車等自動化措施，實現(xiàn)整星批產(chǎn)。

為有效降低開發(fā)成本，提高衛(wèi)星效能及衛(wèi)星入軌成功率，“一網(wǎng)”公司還與美國高通公司、美國休斯網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)公司、歐洲空中客車防務(wù)及航天公司等合作。

與“星鏈”異同

除“一網(wǎng)”星座外，美國“星鏈”星座也提出較早、發(fā)展較快，兩者具備以下異同：

?均已經(jīng)進(jìn)入星座初步建設(shè)階段

截至2022年5 月18 日，“星鏈”發(fā)射總數(shù)達(dá)到了2653 顆，其網(wǎng)絡(luò)目前已覆蓋25個國家和地區(qū)，為全球14.5 萬用戶提供服務(wù)。“一網(wǎng)”星座于2019年2 月發(fā)射首批6 顆試驗衛(wèi)星，目前在軌衛(wèi)星數(shù)量已達(dá)428 顆。

?采用不同的系統(tǒng)架構(gòu)

“星鏈”星座采用“天星天網(wǎng)”架構(gòu)，將衛(wèi)星作為網(wǎng)絡(luò)傳輸節(jié)點，通過星間鏈路建立高速寬帶通信網(wǎng)絡(luò)，用戶可直接接入衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，不需經(jīng)過地面系統(tǒng)。“一網(wǎng)”星座采用“天星地網(wǎng)”架構(gòu)，將衛(wèi)星作為連通用戶終端和網(wǎng)關(guān)站的通道，衛(wèi)星間沒有星間鏈路，從網(wǎng)關(guān)站接入地面通信網(wǎng)絡(luò)，通過全球分布的地面站實現(xiàn)整個系統(tǒng)的全球服務(wù)能力。

?星座建設(shè)與運營模式不同

“星鏈”星座的衛(wèi)星研制與生產(chǎn)、衛(wèi)星發(fā)射、星座運營等均由SpaceX 公司一力承當(dāng)。由于SpaceX 公司擁有自己的火箭及可重復(fù)使用發(fā)射技術(shù)，因此將降低“星鏈”星座的發(fā)射成本。

“一網(wǎng)”星座卻實現(xiàn)了全產(chǎn)業(yè)鏈條要素的垂直整合，在衛(wèi)星制造、發(fā)射、運行和營銷等各個環(huán)節(jié)強力聯(lián)合了一網(wǎng)公司、軟銀集團、空客防務(wù)與航天公司、休斯網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)公司等龍頭企業(yè)，形成利益集團。

衛(wèi)星互聯(lián)其面臨的風(fēng)險和挑戰(zhàn)

“一網(wǎng)”衛(wèi)星為代表的地軌衛(wèi)星星座，具有傳輸時延小、鏈路損耗低、發(fā)射靈活、應(yīng)用場景豐富、整體制造成本低等優(yōu)勢，非常適合衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)至少具有三方面的優(yōu)勢，即場景應(yīng)用優(yōu)勢、經(jīng)濟性優(yōu)勢和穩(wěn)定性優(yōu)勢。但其未來發(fā)展也面臨著一定程度的風(fēng)險和挑戰(zhàn)：一方面衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)傳輸速率和時延難以滿足多場景需求；另一方面衛(wèi)星壽命較短，需要對衛(wèi)星發(fā)射和后續(xù)運維工作做好長期規(guī)劃和準(zhǔn)備。

帶寬較高，實用性有待驗證

地面通信基站可以根據(jù)人口密集程度進(jìn)行有針對性的配置和布局，靈活性較高。而衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)無法解決在人口稀少地區(qū)資源被浪費的問題：主要是因為衛(wèi)星的飛行軌道基本固定，對人口稠密和稀少地區(qū)提供的服務(wù)資源和能力相當(dāng)，如何既能保證人口密集區(qū)域的通信覆蓋，又能降低偏遠(yuǎn)地區(qū)或海洋等區(qū)域通信資源可能出現(xiàn)的浪費現(xiàn)象，需要進(jìn)一步論證分析。同時，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)難以直接面向終端用戶，需要通過碟形天線進(jìn)行中轉(zhuǎn)，用戶體驗仍需提升。

太空碎片與化學(xué)物質(zhì)影響地球生態(tài)體系

太空垃圾若與運作中的人造衛(wèi)星、載人飛船或國際空間站相撞，會危及到設(shè)備甚至宇航員的生命。據(jù)計算，一塊直徑為10 厘米的太空垃圾就可以將航天器完全摧毀，數(shù)毫米大小的太空垃圾就有可能使它們無法繼續(xù)工作。目前的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)，衛(wèi)星體積小壽命短且數(shù)量龐大，對光學(xué)、射電天文臺會造成潛在觀測干擾。同時大量衛(wèi)星部署在近地軌道會產(chǎn)生太空碎片帶來安全風(fēng)險。雖然衛(wèi)星在大氣層中會燒毀絕大部分部件，但所產(chǎn)生的化學(xué)物質(zhì)可能會破壞地球臭氧層。例如衛(wèi)星的主要成分是鋁，在燃燒后會產(chǎn)生氧化鋁，如果大氣中含有大量氧化鋁將會造成散射，最終改變地球的反照率。

結(jié)束語

低軌小衛(wèi)星技術(shù)的不斷成熟，大大降低了利用衛(wèi)星提供商業(yè)服務(wù)的門檻，也將有助于商業(yè)航天的發(fā)展。以“一網(wǎng)”星座為代表的低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座將促使全球衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)進(jìn)入一個新的黃金發(fā)展時期，為全球用戶提供更廉價、優(yōu)質(zhì)的衛(wèi)星通信服務(wù)。“一網(wǎng)”星座將帶來衛(wèi)星技術(shù)、衛(wèi)星生產(chǎn)、衛(wèi)星應(yīng)用和商業(yè)模式的全面創(chuàng)新，其運行模式能否最終取得成功，還有待時間的檢驗。