□ 黃志澄

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座的新機遇

□ 黃志澄

銥星星座(左)及銥星的覆蓋區(qū)（右）

全球星星座(左)及全球星的覆蓋區(qū)（右）

地球靜止軌道衛(wèi)星的軌道位于赤道平面內(nèi)，軌道的日周期和與地球的旋轉周期相一致，三個衛(wèi)星就可以實現(xiàn)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(wèi)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(xiàn)完全的全球覆蓋。

衛(wèi)星星座是按一定規(guī)律布置在地球中、低軌道上的一群衛(wèi)星。從上世紀90年代開始，由于移動通信和互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，非地球靜止軌道的通信和互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星星座發(fā)展迅速，掀起了第一個高潮。但在地面移動通信系統(tǒng)迅猛發(fā)展的沖擊下，衛(wèi)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(fā)展，建設融合語音、數(shù)據(jù)、視頻為一體，覆蓋廣泛、經(jīng)濟實用的互聯(lián)網(wǎng)，成為世界各國為推動經(jīng)濟增長而大力構建的重要基礎設施。在這種背景下，出現(xiàn)了互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)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(fā)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(fā)射，每顆重700千克。第二代全球星除了和地面的固定網(wǎng)和移動網(wǎng)兼容外，還增加了基于衛(wèi)星的WiFi服務，用戶使用智能手機就可直接上網(wǎng)。

軌道通信公司在經(jīng)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(fā)射工作，兩代軌道通信衛(wèi)星共同在軌提供服務。OG2衛(wèi)星安裝了“自動識別系統(tǒng)”（AIS），可為船舶提供循跡追蹤，在基于衛(wèi)星的機器對機器（M2M）的物聯(lián)網(wǎng)應用方面，處于領先地位。

系統(tǒng)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(fā)射了首批的10顆衛(wèi)星。衛(wèi)星每顆重860千克。由于銥星系統(tǒng)的復雜性和SpaceX一再推遲發(fā)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(tǒng)的功能外，增加了許多新的用途。每顆衛(wèi)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(jiān)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(jiān)視。今后，銥星系統(tǒng)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(wèi)星星座。

至此，三大低軌通信系統(tǒng)在經(jīng)歷了“繁榮”和破產(chǎn)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(wèi)星的研制費用和發(fā)射費用，并增強了衛(wèi)星星座的功能，擴展了用戶，從而增加了收益。根據(jù)美國聯(lián)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(fā)現(xiàn)，銥星公司和全球星公司都進入了平穩(wěn)期，而軌道通信公司在近幾年則出現(xiàn)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(xiàn)有用戶的細分領域，發(fā)揮了各自現(xiàn)有系統(tǒng)的優(yōu)勢，從與地面通信網(wǎng)競爭而轉向與地面網(wǎng)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(qū)的專業(yè)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(tǒng)成本，實現(xiàn)通話和數(shù)據(jù)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(tǒng)能力方面，升級衛(wèi)星系統(tǒng)，接近地面系統(tǒng)的能力，減少衛(wèi)星終端的尺寸和降低重量，提高數(shù)據(jù)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(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座這個市場，迎來了衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座的新高潮。

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座的新高潮

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

維勒曾長期在非洲農(nóng)村地區(qū)發(fā)展電信和互聯(lián)網(wǎng)事業(yè)，積累了豐富的經(jīng)驗。2007年，他創(chuàng)建了“另外30億人”（O3b）公司，投資方為歐洲衛(wèi)星公司（SES）、互聯(lián)網(wǎng)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(wǎng)絡服務”。O3b星座，是衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座發(fā)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(tǒng)的成功，剌激了許多投資商一擁而上。首先，由原O3b創(chuàng)始人格雷格·維勒于2014年成立了一網(wǎng)公司（OneWeb）。維勒曾是谷歌公司衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)項目的負責人，后離開谷歌創(chuàng)立了一網(wǎng)公司。

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

一網(wǎng)衛(wèi)星

機遇與風險并存

目前地面移動互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)深入到每個行業(yè)和每個人，但地面互聯(lián)網(wǎng)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(wèi)星星座的天基互聯(lián)網(wǎng)在技術上已經(jīng)成熟，造價正在逐步下降。未來，天基互聯(lián)網(wǎng)將和快速到來的5G地基互聯(lián)網(wǎng)充分協(xié)同融合。

首先，智能手機和電子商務的快速發(fā)展，催生了衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座新的盈利模式。過去的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座，用戶規(guī)模非常有限，單純通過收取通信和網(wǎng)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(nèi)容服務付費，通信和網(wǎng)絡服務不再是運營商獲利的唯一手段。未來，一旦衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)成功建立，就相當于有了龐大的數(shù)據(jù)入口，可以提供各種各樣的內(nèi)容服務，從而形成一個巨大的市場。

其次，航空業(yè)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(lián)網(wǎng)時代，汽車、手機、家電，甚至幾乎任何物品都可以接入互聯(lián)網(wǎng)，但商用飛機的數(shù)據(jù)系統(tǒng)，卻幾乎未和任何網(wǎng)絡相連，充分說明民航信息系統(tǒng)已大大落后于時代。由此，發(fā)展基于衛(wèi)星的空中管理系統(tǒng)，以代替目前基于地面雷達的系統(tǒng)已迫在眉睫。

在空中的航班上提供互聯(lián)網(wǎng)接入服務，更是廣大旅客的迫切要求，同時也是衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的重要市場。“空中WiFi” 、“機上互聯(lián)網(wǎng)（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(yè)模式。目前機上互聯(lián)網(wǎng)需求已經(jīng)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(lián)網(wǎng)的體驗。對于飛越偏遠地區(qū)的國際航班，利用現(xiàn)有的通信衛(wèi)星，也難于保證全程不間斷服務，這就為衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座的發(fā)展創(chuàng)造了條件。

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

隨著小衛(wèi)星的發(fā)展，越來越多的衛(wèi)星項目開始使用非航天級別的商業(yè)現(xiàn)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(fā)射； 3D打印技術的應用可以直接形成小衛(wèi)星或衛(wèi)星部件，從而縮減了衛(wèi)星的研制成本和研制周期。

另一方面，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座發(fā)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(wèi)星系統(tǒng)的競爭。當前，低軌星座的時延已經(jīng)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(yōu)于地球同步軌道寬帶衛(wèi)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(wèi)星接近，但與地面通信手段仍有差距；對比系統(tǒng)容量，雖然低軌星座大大超過了地球同步軌道寬帶衛(wèi)星，但低軌衛(wèi)星在點波束中提供的集中式容量仍然具有優(yōu)勢；在全球覆蓋范圍方面，低軌星座則有明顯優(yōu)勢。

當前地面通信正在大力推動5G的發(fā)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(jīng)濟指標，對互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星企業(yè)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(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座的企業(yè)至少需要獲得1000萬的用戶量級，才能獲得盈利，實現(xiàn)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(shù)是在低收入國家，在那里開拓市場仍有很大不確定性。

一網(wǎng)創(chuàng)始人維勒（左）和藍色起源創(chuàng)始人貝索斯

其次，頻率與落地權的協(xié)調(diào)難度很大。一網(wǎng)是最早從ITU獲得Ku頻段使用權的企業(yè)，但一網(wǎng)并非擁有Ku頻段的所有權，其他競爭企業(yè)依然可以申請。為此，其它公司首先要與一網(wǎng)進行協(xié)調(diào)，同時還需與申請頻段的靜止軌道衛(wèi)星運營商進行協(xié)調(diào)，由于相互之間是競爭關系，這樣的頻率協(xié)調(diào)難度非常大。除頻率協(xié)調(diào)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(xié)調(diào)。

最后，將承受低軌惡劣空間環(huán)境的考驗。衛(wèi)星變軌的過程中，需要頻繁穿越高能質子輻射帶，會對衛(wèi)星的電子系統(tǒng)的正常工作造成很大影響，因此對衛(wèi)星抗輻射能力提出了很高的要求。低軌衛(wèi)星不僅會受到空間輻射的影響，還存在衛(wèi)星和衛(wèi)星，微流星和軌道碎片碰撞的風險。2009年俄羅斯宇宙-2251衛(wèi)星與銥-33衛(wèi)星在790千米的軌道高度發(fā)生碰撞，2顆衛(wèi)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(wèi)星的概率很大。太空碎片的數(shù)量與日俱增，現(xiàn)在十厘米以上的碎片已經(jīng)有兩萬多個，大于一厘米的碎片已經(jīng)超過了五十萬。在衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)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(wèi)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(wèi)星的工作。

為了減少衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座的衛(wèi)星發(fā)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(wèi)星要提高定位精度，并可進行在軌推進以執(zhí)行防碰撞操作；要求退役的衛(wèi)星在一定時間內(nèi)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(xié)調(diào)解決。

從30年來衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座經(jīng)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(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座的發(fā)展，不是歷史的簡單重復，而是市場和技術綜合發(fā)展的結果。展望未來，新興衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座發(fā)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>