徐毅 侯光輝 苗曉峰 王思月

摘要：本文分析了衛(wèi)星移動通信產(chǎn)業(yè)相關(guān)概念、現(xiàn)狀、發(fā)展的歷程和趨勢以及互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星對行業(yè)的影響，以期為筆者所在公司制定戰(zhàn)略發(fā)展方向提供參考。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星移動通信；地面設(shè)備制造；終端系統(tǒng)；傳統(tǒng)GEO通信衛(wèi)星；GEO HTS；NGSO HTS；LEO HTS

一、行業(yè)相關(guān)概念和現(xiàn)狀

（一）相關(guān)概念

1.衛(wèi)星分類

衛(wèi)星按用途分類可分為導(dǎo)航類、遙感類、通信類、空間科學(xué)類、技術(shù)驗證類等等；按軌道分類可分為地球靜止軌道（GEO）衛(wèi)星和非靜止軌道衛(wèi)星（中、低軌、橢圓軌道衛(wèi)星等）。

2.通信衛(wèi)星分類市場

目前在軌運行的衛(wèi)星中，通信類衛(wèi)星數(shù)量最多且應(yīng)用最為廣泛，其通信應(yīng)用包括衛(wèi)星電視直播、衛(wèi)星固定通信、衛(wèi)星廣播、衛(wèi)星寬帶、衛(wèi)星移動通信等。

在國際民用市場方面，根據(jù)SIA前瞻產(chǎn)業(yè)研究院統(tǒng)計，2021年底，衛(wèi)星電視直播、衛(wèi)星固定通信和衛(wèi)星廣播是占據(jù)通信衛(wèi)星應(yīng)用的前三大市場，分別占據(jù)77%、13%和6%的市場份額。其中，衛(wèi)星移動通信占比較小，只有約2%的市場份額。

在國內(nèi)民用市場方面，根據(jù)《2023—2029年中國衛(wèi)星通信設(shè)備行業(yè)市場調(diào)查研究及投資潛力預(yù)測報告》，2022年衛(wèi)星通信市場規(guī)模為783.8億元，衛(wèi)星電視廣播等大眾消費類業(yè)務(wù)市場規(guī)模為634.5億元，占整體市場81%；衛(wèi)星固定通信服務(wù)市場規(guī)模為116.5億元，占整體市場的15%；衛(wèi)星移動通信市場規(guī)模為32.8億元，只占整體市場的4%。

通過比較國際和國內(nèi)民用市場數(shù)據(jù)可以看出，細分市場比例大致相當(dāng)，其中衛(wèi)星移動通信市場規(guī)模有限，僅占整體市場的2%—4%。

3.通信衛(wèi)星的“傳統(tǒng)”和“新浪潮”

近年來，互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星掀起全球衛(wèi)星通信“新浪潮”，成為向無地面網(wǎng)絡(luò)支撐的陸地用戶、民航客機等空中用戶以及遠洋船舶等海上用戶提供互聯(lián)網(wǎng)接入的有效途徑，同時也是通信衛(wèi)星新的發(fā)展方向?；ヂ?lián)網(wǎng)衛(wèi)星就是高通量衛(wèi)星[1]（HTS，High Throughput Satellite），其概念由美國北方天空研究所（NSR）率先提出，并將其定義為“采用多點波束和頻率復(fù)用技術(shù)、在同樣頻譜資源的條件下，整星通信容量是傳統(tǒng)通信衛(wèi)星數(shù)倍的衛(wèi)星”[2]。HTS采用多波束天線，向地球發(fā)射多個波束，相鄰波束頻率不同，不相鄰波束頻率相同，能夠?qū)崿F(xiàn)形成頻率復(fù)用，進而大幅提高衛(wèi)星的通信容量，其原理與蜂窩電話類似。根據(jù)軌道的不同，HTS分為地球靜止軌道高通量衛(wèi)星（GEO HTS）和中軌（MEO）、低軌（LEO）甚至超低軌（VLEO）等非靜止軌道高通量衛(wèi)星（NGSO HTS[3] 或稱NON GEO HTS）。而“傳統(tǒng)”通信衛(wèi)星[4]采用單饋源天線，形成覆蓋范圍廣的單波束，不能實現(xiàn)頻率復(fù)用，其轉(zhuǎn)發(fā)器的帶寬限定了通信容量，見圖1。目前，衛(wèi)星電視直播應(yīng)用、衛(wèi)星廣播、衛(wèi)星固定通信和衛(wèi)星移動通信等均采用傳統(tǒng)通信衛(wèi)星。

（二）國內(nèi)衛(wèi)星移動通信產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

現(xiàn)階段，國內(nèi)衛(wèi)星移動通信產(chǎn)業(yè)具有以下特點：

第一，行業(yè)涉及通信衛(wèi)星的制造和發(fā)射、地面設(shè)備制造和衛(wèi)星移動通信相關(guān)增值服務(wù)。地面設(shè)備制造包括：

①天線、調(diào)制解調(diào)器、功放等衛(wèi)星移動通信相關(guān)終端設(shè)備的研發(fā)和生產(chǎn)；

②動中通[5]、靜中通、便攜站等衛(wèi)星移動通信終端系統(tǒng)的集成；

③地面衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)集成及網(wǎng)絡(luò)管理。

第二，使用的中繼衛(wèi)星為傳統(tǒng)GEO通信衛(wèi)星，衛(wèi)星通信總?cè)萘吭?Gbps左右，單鏈路通信容量小于4Mbps；

第三，主要應(yīng)用模式為專網(wǎng)通信，應(yīng)用場景包括各種突發(fā)事件下的應(yīng)急通信[6]、公共通信網(wǎng)絡(luò)偏遠地區(qū)補盲、機要通信、軍事指揮通信等；

第四，主要應(yīng)用客戶為軍隊以及公安、應(yīng)急、消防電信運營商等具有部委—省—市（縣）或集團—各地分公司管理結(jié)構(gòu)以及具有專網(wǎng)通信需求的政府部門和大型國企。

二、行業(yè)發(fā)展趨勢

在2008年汶川地震中，衛(wèi)星移動通信在搶險救災(zāi)的應(yīng)急通信中起到了不可替代的作用，中國衛(wèi)星移動通信自此進入發(fā)展高潮期，在此后的數(shù)年內(nèi)，公安、消防、人防及電信運營商等多個部門各自建設(shè)了龐大的、覆蓋全國的專用網(wǎng)絡(luò)，在安全保衛(wèi)、反恐處突、應(yīng)急救援、電信補盲等各個方面起到了重大作用。

（一） 地面設(shè)備發(fā)展趨勢

1.關(guān)鍵技術(shù)自主化

由于相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)當(dāng)時還落后于國際水平，在2008年后國內(nèi)建設(shè)的專網(wǎng)中，動中通天線、調(diào)制解調(diào)器、衛(wèi)星功放等終端設(shè)備大量采用了Comtech、iDirect等進口品牌的產(chǎn)品。2010年，國家發(fā)改委將“衛(wèi)星及衛(wèi)星應(yīng)用產(chǎn)業(yè)”納入“戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)”的部署，使得衛(wèi)星移動通信地面設(shè)備相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)進入了快車道，并在各個方面取得重大突破。

在動中通天線衛(wèi)星跟蹤技術(shù)方面，完成了從基于衛(wèi)星信號處理技術(shù)向基于慣性導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展歷程，載體應(yīng)用也從車載發(fā)展到船載和機載；

在天線方面，由拋物面天線向相控陣天線發(fā)展，近幾年已經(jīng)出現(xiàn)擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)且具有國際先進水平的相控陣天線產(chǎn)品；

在調(diào)制解調(diào)技術(shù)方面，中國電科和航天科技等多個研究機構(gòu)和多個民企公司均取得關(guān)鍵技術(shù)突破，并形成擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品；

在功放、LNB相關(guān)微波器件方面，多個研究機構(gòu)和企業(yè)的產(chǎn)品已經(jīng)達到國際先進水平。

隨著以上關(guān)鍵技術(shù)的突破，國內(nèi)各個廠家之間的全面技術(shù)競爭也越發(fā)激烈，原先的國外品牌也逐步退出中國市場。

2.全面國產(chǎn)化替代的市場需求

近幾年，諸多關(guān)鍵技術(shù)的突破為行業(yè)實現(xiàn)全面國產(chǎn)化替代提供了技術(shù)支撐。隨著中美經(jīng)濟脫鉤的加劇，“十四五”期間，行業(yè)民用市場國產(chǎn)化替代的趨勢不可逆轉(zhuǎn)。

（二）衛(wèi)星的發(fā)展趨勢

高通量衛(wèi)星（HTS）的出現(xiàn)大幅改善了傳統(tǒng)通信衛(wèi)星在通信容量、帶寬以及成本方面的劣勢，“再次點燃了人類對于寬帶衛(wèi)星的熱情和希望[7]”。

1.國外HTS現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

在GEO-HTS方面，2005年IPSTAR-1——全球第一顆GEO-HTS發(fā)射成功，通信容量45Gbps，通信速率4Mbps。此后，ViaSat、Hughes等全球26個衛(wèi)星運營商陸續(xù)運營了數(shù)十顆GEO HTS。2010年后，GEO HTS的通信容量和速率得到快速提升，容量提升至300Gbps，速率達到50Mbps。2023年5月1日，發(fā)射的ViaSat-3 通信容量達到1Tbps，通信速率達到100Mbps。

在NGSO HTS方面，Starlink星座成為全球熱點，星座包括約1.2萬顆衛(wèi)星，分為低軌（LEO）和超低軌（VLEO）兩類。LEO衛(wèi)星工作于Ku和Ka 頻段，247個接收、275 個發(fā)射信道，信道帶寬50MHz；VLEO衛(wèi)星工作于V頻段，140個接收、240個發(fā)射信道，服務(wù)信道帶寬1000MHz，測控信道帶寬10MHz。截至2023年3月18日，Starlink衛(wèi)星總計升空4105顆，在軌3803顆，互聯(lián)網(wǎng)接入用戶超過100萬。除了Starlink星座之外，國際上還有O3b、OneWed等近十種NGSO HTS星座正在部署或計劃部署中。

由于國外土地私有化嚴重，地面光纜的鋪設(shè)和通信基站的選址受到不小的阻礙，沒有地面網(wǎng)絡(luò)覆蓋的陸地區(qū)域較多，其中部分區(qū)域通過傳統(tǒng)GEO通信衛(wèi)星來實現(xiàn)骨干網(wǎng)通信和互聯(lián)網(wǎng)接入，但是其通信容量、速率和成本與光纖網(wǎng)絡(luò)相差甚遠，而HTS的出現(xiàn)正好有效彌補了這些差距。因此，國外HTS的應(yīng)用具有巨大陸地應(yīng)用市場，其海上船舶和空中客機的應(yīng)用需求也十分可觀。

2.國內(nèi)HTS現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

在GEO HTS方面，我國已經(jīng)發(fā)射亞太6D、中星16、19和26號四顆GEO HTS，后續(xù)還將發(fā)射中星27號等GEO HTS，計劃總通信容量將超過400Gbps。2020年7月，中星16號實現(xiàn)了在民航客機上150Mbps速率的互聯(lián)網(wǎng)接入應(yīng)用，為乘客提供了4G效果的空中上網(wǎng)體驗。自首飛以來，累計服務(wù)航班1784架次，為近2萬名旅客提供了上網(wǎng)服務(wù)。

在NGSO HTS方面，2021年4月，我國成立中國衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)集團有限公司，向ITU提交了GW-A59和GW-2兩個低軌星座的頻譜申請，衛(wèi)星總數(shù)為12992顆。

與國外相比，國內(nèi)地面網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)相當(dāng)發(fā)達。根據(jù)《工業(yè)和信息化部2022年通信業(yè)經(jīng)濟運行情況》等報告表明，截至2022年底“中國光纜線路總長度達到5958萬公里（世界第一），光纖入戶端口達到10.71億個；行政村、脫貧村通寬帶率達100%，行政村通光纖、通4G比例均超過99%?！苯橛谌绱税l(fā)達的地面網(wǎng)絡(luò)，留給國內(nèi)HTS的陸地互聯(lián)網(wǎng)接入市場十分有限，而海上和空中市場還將面臨激烈的國際競爭。因此，國內(nèi)HTS互聯(lián)網(wǎng)接入應(yīng)用的市場前景并不是十分明朗。

3.HTS商業(yè)運營模式

衛(wèi)星的商業(yè)運營模式分開放模式和封閉模式兩種。

在開放模式下，衛(wèi)星運營商只出售或出租衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬，客戶配置終端設(shè)備、集成終端系統(tǒng)、建設(shè)獨立的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)（HTS應(yīng)用客戶需配置自己的信關(guān)站）；在封閉模式下，衛(wèi)星運營商或其分銷商運營衛(wèi)星、建設(shè)信關(guān)站，并向用戶出售統(tǒng)一通信體制和協(xié)議的終端設(shè)備及服務(wù)。

國內(nèi)已建的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)采用傳統(tǒng)GEO衛(wèi)星通信，因此無需關(guān)站，全部設(shè)為開放運營模式。在這種情況下，各個用戶可以采用不同體制和協(xié)議的終端設(shè)備，最終形成了目前國內(nèi)衛(wèi)星地面設(shè)備制造業(yè)“百家齊鳴”的景象。而HTS采用了多點波束和頻率復(fù)用技術(shù)，必須通過信關(guān)站才能進行通信，以上兩種模式均可采用。

國外的封閉運營HTS網(wǎng)絡(luò)大多采用非對稱設(shè)計（接收帶寬大于上傳帶寬），適用于互聯(lián)網(wǎng)接入，如ViaSat公司的ViaSat 1～3號衛(wèi)星、SpaceX的Starlink星座等；開放運營的HTS網(wǎng)絡(luò)多采用和傳統(tǒng)衛(wèi)星一樣的對稱設(shè)計（上下行帶寬一致），適用于衛(wèi)星移動通信，如Intelsat公司的Epic衛(wèi)星、SES公司的SES12～15號衛(wèi)星等。也就是說，采取何種商業(yè)運營模式取決于HTS的最終目標市場。國內(nèi)的衛(wèi)星運營商已經(jīng)在中星16和中星26應(yīng)用中試行封閉運營模式，由運營單位統(tǒng)一部署地面業(yè)務(wù)系統(tǒng)和應(yīng)用平臺。但是，筆者認為國內(nèi)衛(wèi)星運營商并不具備相關(guān)終端設(shè)備的研發(fā)和生產(chǎn)能力，還需要國內(nèi)諸多設(shè)備廠家提供支持；在封閉運營模式下，設(shè)備廠家的利潤率低，參與意愿低，不利于HTS衛(wèi)星應(yīng)用的市場推廣，也不利于市場競爭和技術(shù)發(fā)展。而開放運營模式適用于衛(wèi)星移動通信，國內(nèi)各個廠家的參與意愿高，更利于HTS衛(wèi)星應(yīng)用市場的推廣和技術(shù)進步。

三、結(jié)束語

國內(nèi)的衛(wèi)星移動通信行業(yè)正走向快速發(fā)展的道路，衛(wèi)星通信相關(guān)設(shè)備和器件全國產(chǎn)化趨勢日趨明顯。雖然目前高通量衛(wèi)星（包括GEO-HTS和NGSO HTS）的市場需求和運營模式還不十分明朗，但是高通量通信衛(wèi)星在未來逐漸替代傳統(tǒng)通信衛(wèi)星的趨勢無法逆轉(zhuǎn)，將大幅改變衛(wèi)星移動通信行業(yè)的產(chǎn)業(yè)格局。因此，國內(nèi)衛(wèi)星移動通信行業(yè)相關(guān)廠家和研究機構(gòu)將面臨較大的機遇和挑戰(zhàn)。

作者單位：徐毅 南京理工大學(xué)研究生院自動化學(xué)院

侯光輝 苗曉峰 王思月 北京航天控制儀器研究所

參考文獻

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