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      新(xīn)兴低轨卫星通(tōng)信星座发展
      来(lái)源(yuán):新闻中心
      发布时(shí)间:2021年02月24日 编辑:中国电(diàn)科(kē)发展(zhǎn)战略研究(jiū)中心专家邹(zōu)明(míng),赵子骏,魏凡

      新兴低轨卫星通信星座(zuò)发展

        摘(zhāi) 要:SpaceX、OneWeb等公司计划建造大型低轨卫星通信星座,以提供(gòng)全球宽(kuān)带接入。与90年代的(de)低轨星座浪潮相比,新兴星(xīng)座主要具备以下优势(shì):批量化、模块化生产降低了(le)卫星制(zhì)造成本,火箭(jiàn)重复利用和“一箭(jiàn)多星”技术降低了发射成本。然而,低(dī)轨星座面临快(kuài)速(sù)发展的地面(miàn)网络以及地球静(jìng)止轨道高通量卫星的激(jī)烈竞争。文中(zhōng)从(cóng)建设(shè)费用、容量密(mì)度、地(dì)面终端等方面对这三(sān)类系统进行比较,分析各自的优劣,并(bìng)分别从民用市场和军事应(yīng)用(yòng)两个方面,分析新(xīn)兴低轨星座的(de)发展前景。

        关键词: 低轨星座;高通量(liàng)卫星;星链(liàn);一(yī)网

      引 言

        以OneWeb、StarLink为(wéi)代表的新兴低(dī)轨(LEO)卫星通信星座迅猛发展,旨在通过覆盖全球的宽带连接能力,与地面网络争夺互联网入口。与1990年代的铱星等低(dī)轨星座相比,新(xīn)兴低轨星座(zuò)拥(yōng)有多种发(fā)展(zhǎn)优势:火箭重(chóng)复利(lì)用和“一箭(jiàn)多星”技(jì)术极大降(jiàng)低了(le)卫星发(fā)射成本;集成(chéng)电路技(jì)术的进步促(cù)成(chéng)了卫(wèi)星的模块化、组件化和小型化,显著降低了卫星的(de)尺寸、质量、功耗和研制成本;批量化、模块化卫(wèi)星制造技(jì)术(shù)显著降低了卫星的制造成本。然而,来(lái)自地(dì)面网络的竞争也日趋激烈,尤(yóu)其是千兆级光纤网络已经开(kāi)启大(dà)规模商用,3G、4G无线网络已经分别覆(fù)盖全(quán)球(qiú)93%、82%的人口,5G无线网络也已经开始大(dà)规模(mó)部署。因(yīn)此,新(xīn)兴低轨(guǐ)卫星通信星座发(fā)展(zhǎn)前景(jǐng)仍然存在不确定(dìng)性。

        本文将从建设(shè)费用、容量密度等方面分析(xī)低轨(guǐ)星座与地面网(wǎng)络的竞争态(tài)势,从(cóng)单位容量成本(běn)、地面(miàn)终端配(pèi)置、传输时延(yán)、落地监管等方面对比低轨星座与地球静(jìng)止轨道高通量卫星(xīng)(GEO-HTS)的优劣,并(bìng)结合民用(yòng)市(shì)场以及军事应用的特点和趋势,研究新兴低轨卫星通信星座的发展(zhǎn)前景。

      1 与地面网络的(de)竞争

        光纤、蜂窝无线(xiàn)通信等地面通信技术,是低轨星(xīng)座无法回避的竞争对(duì)手。1990—2000年,“铱星(xīng)”、“全球星”、“轨道通信”等(děng)多个低轨星座计(jì)划被提出(chū),旨在提供全球无缝覆(fù)盖的便携(xié)式卫星(xīng)电(diàn)话服务。三(sān)大星座的设(shè)计指标达到了(le)同时期地面(miàn)蜂窝网络的水平,并具有全球无缝覆盖的优(yōu)势,因此吸引了广泛关注。但在三大(dà)星座投(tóu)入建设的十年间,地面(miàn)蜂(fēng)窝网(wǎng)络逐渐从2G演化到3G,手机终(zhōng)端价格和流量资费不(bú)断降低,卫星(xīng)通信除了(le)覆盖范(fàn)围广的(de)优势之外,终端成本、通信速(sù)率等(děng)方面均处于(yú)劣势,导致三大卫星通(tōng)信(xìn)公(gōng)司先后(hòu)经历(lì)了破(pò)产重组。虽然三个星座最(zuì)终(zhōng)都起死(sǐ)回生,但占据的无线(xiàn)通(tōng)信市场份额远(yuǎn)小于蜂窝网络(luò),2015年三大星(xīng)座(zuò)的(de)用户总数才达到380万,而(ér)同时期全球蜂窝移(yí)动用户数量为73亿(yì)。

        与第(dì)一代低轨星座以话音服务为(wéi)主不同,OneWeb、StarLink等新兴(xìng)低轨星座主要提供(gòng)卫星宽带服务,但其瞄准的消(xiāo)费者宽带市场面(miàn)临光纤到户(FTTH)、蜂窝宽带等地面网络(luò)的竞争(如图1)。其中,光纤到(dào)户(hù)的(de)优势是通信容量大,劣势是在偏远地区铺设成本较高(gāo);蜂(fēng)窝宽带通过基站的(de)无线信(xìn)号实现宽带接(jiē)入,通信容量一般低于(yú)光纤,优点是最后一公(gōng)里无需铺设线缆(lǎn)。低轨星座天然具备全球覆盖的优势,且接入成本与地域是否偏远无关,但其能否赢得与(yǔ)地面(miàn)网络的竞争仍属未知(zhī),下(xià)面从建设费用、容量(liàng)密度两(liǎng)方面展开分析。

        

      图 1 卫星宽带、光纤到户与蜂窝宽带示意图1.1 建设费用比较

        宽(kuān)带网络每条用(yòng)户(hù)线路的建设费用等于户均覆盖费用与户均(jun1)连接费用之和。户均覆盖(gài)费(fèi)用等于网络建设费用除(chú)以用户数,因此(cǐ)在用户密度越高的地区其值越低。户均连接费用等于(yú)用户终端费用与安装费用(yòng)之(zhī)和,在用户首次开通服务时(shí)产生。

        根(gēn)据美国光纤宽带协会的研究(jiū),2019年美国光纤到户的户均建设费用在(zài)密集城(chéng)区(qū)、一般城(chéng)区、郊区、农村(cūn)分别为1218、1863、2737、4206美(měi)元(如图2)。StarLink星(xīng)座单星制造发(fā)射成本约153万美元,单星容量约(yuē)21Gbps。低轨星座天然具(jù)有全(quán)球覆盖特性,然(rán)而地球表面70%以上为海洋和(hé)荒野,根据地(dì)表(biǎo)人(rén)口分(fèn)布估算其容量利用效(xiào)率(lǜ)约25.1%,单星有效容量约5.36 Gbps。如果给每个(gè)宽带用户分配(pèi)10Mbps容(róng)量,那么StarLink单(dān)星可服务(wù)约536个(gè)用(yòng)户,户均覆盖费(fèi)用为(wéi)2854美元(yuán)。假(jiǎ)设低轨星(xīng)座用(yòng)户终端费用加安装费用为550美元,则StarLink卫星宽带户均总(zǒng)费用为(wéi)3404美元。类似(sì)可测算出OneWeb和蜂窝宽带的户均费用(如(rú)表1),其中蜂窝宽带采用了华为公司的测算(suàn)结果。

      表 1 OneWeb、StarLink与(yǔ)蜂窝宽带户均建设(shè)费用测算

      图 2 蜂(fēng)窝宽带、光纤到户(hù)与StarLink宽带户均建设(shè)费用(yòng)对(duì)比

        对比可知,在密集城区、一(yī)般城(chéng)区和郊区,StarLink卫星宽带的户(hù)均建(jiàn)设费用高于光纤,但在农村地区比光(guāng)纤(xiān)便宜,因此非常适合北美、澳洲等地的农村(cūn)地区。而OneWeb的户(hù)均建(jiàn)设费用约16000美元(yuán),与StarLink相比不具(jù)竞争(zhēng)力。此外,蜂窝宽(kuān)带(dài)的户(hù)均建设费用(yòng)仅(jǐn)为358美元(yuán),远远低于卫星宽带(dài),但是蜂窝宽带(dài)依(yī)赖光(guāng)纤进行回传,因此适(shì)合作为连接最后一公里的辅助手(shǒu)段。根(gēn)据建设费(fèi)用进(jìn)行分(fèn)析,低轨星座的(de)宽(kuān)带(dài)服务主(zhǔ)要适合北美、澳洲等地的农村地区。

        1.2 容量密(mì)度比较(jiào) 

        对于蜂(fēng)窝宽带、卫(wèi)星(xīng)宽带(dài)等无(wú)线(xiàn)通信系统而言,容量密度是衡量系统性能的重要(yào)维度之一。容量密(mì)度(dù)等于区域传输(shū)容(róng)量除以区域(yù)面积,决定了无线系统(tǒng)在(zài)单位面积内(nèi)能够实现的并发传输容量。与(yǔ)蜂窝基站的多(duō)波束空分复用技术(shù)相类似,StarLink等(děng)低(dī)轨星座也采用多点波(bō)束对(duì)地(dì)球(qiú)表面进(jìn)行覆盖(如图3),两者的容量密度可用单波束(shù)容量除以单波束面积进行估(gū)算(如表2)。

        

        图 3 卫星(xīng)波(bō)束(shù)与(yǔ)蜂窝基站覆盖(gài)方(fāng)式对比

        表 2 卫星宽(kuān)带与(yǔ)5G容量密度比较

        

        从表(biǎo)2估算结果可知,StarLink的容量(liàng)密度为2 Mbps/km2,比5G系统所能实现(xiàn)的(de)540 Gbps/km2低5个数(shù)量级。两者的(de)差距主(zhǔ)要由两方面(miàn)原因(yīn)造成:

        1)低轨星座(zuò)的频谱效率低于5G系统。地面蜂(fēng)窝基站高度约30 m,而StarLink等(děng)低轨(guǐ)星座轨道高(gāo)度(dù)在550 km~1200 km,这导致低轨星座的路(lù)径损耗(hào)比(bǐ)蜂窝(wō)基站高50 dB以上。蜂(fēng)窝(wō)基站在用(yòng)户(hù)采用手(shǒu)机尺寸的(de)接收机时,一般能获得6 bps/Hz以上(shàng)的频谱(pǔ)效率;而StarLink等(děng)低轨星(xīng)座由于更高的路径损耗,即使采用(yòng)孔径约75 cm的接收天线,频谱效率也只有2.5 bps/Hz左(zuǒ)右。

        2)低轨星座的单(dān)波(bō)束面积远大于(yú)5G系统。StarLink卫星在1 200 km的高度向地面投射的单波束直径约60 km,面(miàn)积约2800 km2;OneWeb卫星采用固定的(de)狭长椭圆波束,其波(bō)束(shù)面积(jī)约为75000 km2。蜂窝(wō)基站由于高度很低,其波束覆盖范围较小,例如在城市地(dì)区1km2内安装三个5G基站,每个(gè)基站通过天线(xiàn)阵列产生15个波(bō)束(shù),则(zé)每(měi)个(gè)波束的覆盖范(fàn)围约1/45km2。低轨星座(zuò)的容量(liàng)密度(dù)较低,导致(zhì)其(qí)难以满足城镇地区的传(chuán)输需(xū)求(qiú),而更适合农村地区。世界主要城市的人口(kǒu)密(mì)度普遍在1000人/km2以上,假设平均每个(gè)用户需要10 Mbps容(róng)量(liàng),那么需要(yào)的(de)容量密度(dù)在(zài)10Gbps/km2上。国际(jì)标准(zhǔn)规定4G、5G的流量密度峰值分别为100 Gbps/km2、10 Tbps/km2,能够(gòu)满足城市地区容量密度需求,而低(dī)轨星座宽带则存在(zài)巨大差距。因此,低轨星(xīng)座宽带主要(yào)适用(yòng)于人口密度较低(dī)的农村地区(qū)。 

        2 与(yǔ)地球静止轨道卫星的竞争

        Starlink等(děng)新兴低(dī)轨星座(zuò)属(shǔ)于(yú)非地球静止轨道(dào)高通量卫星(Non-GEO HTS)的范畴,还面临GEO-HTS的竞争(zhēng)。低轨星座和GEO-HTS都采用了高通量卫星(HTS)技术,该技术通过多点(diǎn)波束和频率复用,单星容(róng)量比传统宽波束(shù)卫星提升数十甚至数百(bǎi)倍(bèi)(如图4)。

        

        图(tú) 4 HTS系统与传(chuán)统卫星(xīng)系统对比(bǐ)

        低轨星座与(yǔ)GEO-HTS代表实现高容量卫星宽带的(de)两种(zhǒng)思路:低轨星(xīng)座通(tōng)过成百数千颗小卫星实现整个星座的高(gāo)容(róng)量,GEO-HTS通过单颗大卫星构(gòu)造成(chéng)百数千个点波(bō)束实(shí)现高(gāo)容量。受惠于比高轨卫(wèi)星更低(dī)的路径损耗,低(dī)轨卫星能够(gòu)获得更高的频谱效率,例(lì)如低(dī)轨卫星StarLink频谱效率(lǜ)约2.7 bps/Hz,GEO-HTS卫星ViaSat-3约1.1 bps/Hz。但低轨星(xīng)座通(tōng)常采用轻(qīng)量级卫(wèi)星,其波束数目和单星容量远比GEO-HTS低(dī)(如表3)。

        表 3 不同卫星波束参数对比

        

        低轨(guǐ)星座(zuò)与GEO-HTS都能(néng)实现(xiàn)全球覆盖(gài),但是在(zài)传输时(shí)延、路径损耗、入轨成本、卫星寿命等方面各有优(yōu)劣(liè)(如表 4),下(xià)面(miàn)从单位容(róng)量成本、地面终(zhōng)端(duān)配(pèi)置、传(chuán)输时(shí)延(yán)、落地监(jiān)管等方面进行重点分析。

        表 4 GEO-HTS和低轨星座优劣势比较

        

        2.1 单位容量(liàng)成本

        卫星通信系统的单位容量成本,等于卫星(xīng)星座制造发射总成本除以系统有效容量。制造(zào)发射成本方面,低轨星座(zuò)采用模块化、批量化生(shēng)产降低制造成(chéng)本,并采用“一(yī)箭多星”发射技(jì)术大幅降低发(fā)射成本(běn)。根(gēn)据(jù)公开数据对制造发射(shè)总成本(běn)进(jìn)行估(gū)算(suàn),预计(jì)OneWeb第一期720颗卫(wèi)星耗费24.2亿美元,StarLink第一期4425颗卫星耗(hào)费(fèi)68亿美元;GEO-HTS卫星(xīng)ViaSat-3三(sān)颗卫星制造发射总成本约(yuē)15亿美元。  

        系统有效容量(liàng)取决于(yú)系统总容(róng)量和利用效率。低轨星(xīng)座OneWeb和StarLink的系统总容(róng)量(liàng)分(fèn)别(bié)约为7.2 Tbps和94 Tbps,但低轨星座所有卫星都围绕(rào)地球旋转,而地球表面70%以上的面(miàn)积是(shì)海洋和荒野,因此,低(dī)轨星座的容量利(lì)用效率较低(dī)。根据地表人口(kǒu)分布模型估算,OneWeb和StarLink的容量利用(yòng)效率(lǜ)分别约(yuē)为(wéi)21.7%和25.1%,因此,其(qí)星(xīng)座有效容量分别约为1.56 Tbps和(hé)23.7 Tbps。GEO卫星相对于地表静止(zhǐ),可(kě)以(yǐ)将容量投送到地(dì)面指(zhǐ)定区域,卫(wèi)星容(róng)量利用(yòng)效率(lǜ)可(kě)达60%,因此预计(jì)ViaSat-3三颗(kē)卫星总的有效(xiào)容量为1.8 Tbps。

        根据星座制造发射总成本和(hé)有(yǒu)效容量,可得OneWeb、StarLink和ViaSat-3的(de)单位(wèi)容(róng)量成本分别(bié)约为1 550 $/Mbps、287 $/Mbps和833 $/Mbps;考虑卫星寿(shòu)命之后,三者的(de)单位容量月度成本分别约为25.9 $/Mbps、4.8 $/Mbps和(hé)4.6 $/Mbps/Mon(如表(biǎo) 5)。可见低轨(guǐ)星座StarLink的单位容量成(chéng)本比GEO-HTS卫(wèi)星ViaSat-3更低,但考虑到卫星寿命的区别后两者(zhě)的单(dān)位容(róng)量月度成本基本相当(dāng)。

        表 5 低轨星座和GEO-HTS单位(wèi)容(róng)量成本(běn)测(cè)算

        

        2.2 地面终端配置

        低轨卫星至(zhì)地面(miàn)用户的传(chuán)输距离(lí)远小于GEO-HTS,在(zài)路径损耗方(fāng)面(miàn)具备约30 dB的优势(shì)(如(rú)表6)。但(dàn)GEO-HTS采用(yòng)的大卫星平台支(zhī)持更大的(de)发射(shè)功率(lǜ),可(kě)以部分弥补其路径损耗。例(lì)如,ViaSat-1卫星(xīng)的等效全向辐射功率(EIRP)比StarLink卫星高(gāo)24 dB,在采用增益与(yǔ)系统噪声温度比(G/T)值(zhí)同为12 dB/K左右(yòu)的用户终(zhōng)端(duān)时,ViaSat-1用户接收机的载波噪(zào)声比(C/N)比StarLink低7 dB,因此(cǐ),其频(pín)谱效率更低。换言之,低(dī)轨(guǐ)卫星在地表(biǎo)的信号强度(dù)比GEO-HTS约高7 dB,若(ruò)要实现相同的频谱效率,其用户终端天线孔径(jìng)约为GEO-HTS的一半。表 6 低轨星座和GEO-HTS用户(hù)下行链路预(yù)算注:未查到ViaSat-3卫(wèi)星的链路(lù)预算资料,用(yòng)ViaSat-1卫星的进行估计(jì)。 

        表 6 低轨星(xīng)座和GEO-HTS用户下(xià)行链(liàn)路预(yù)算

        

        虽然(rán)低轨星(xīng)座支持更小孔径的用户终端,但(dàn)由(yóu)于低轨卫星相对于(yú)地球表面高速运动,对(duì)用户终端的(de)波束跟踪性能要(yào)求(qiú)更高。GEO-HTS相(xiàng)对地面静止,地面(miàn)固定终端可以使(shǐ)用静(jìng)态抛物面天(tiān)线,船(chuán)载低速移动终(zhōng)端可以使用(yòng)机械调向抛物面天线,机载高速移动终端需要使用相(xiàng)控阵平板天线;低轨卫星(xīng)相(xiàng)对地面(miàn)高速运动,卫星过顶时间在20 min以内,因此(cǐ),其(qí)地(dì)面固定(dìng)终端(duān)也必须使用平板天线。但是目(mù)前平板天线价格(gé)普遍在1 000美元以上,远高于50美元左右(yòu)的抛物面天(tiān)线,因此(cǐ),在卫星互联网接入需求最大(dà)的消费者宽带领域,低轨(guǐ)星座的竞争力(lì)极大依(yī)赖于低成本平板(bǎn)天线的研发进(jìn)度。公开资料显(xiǎn)示,StarLink用户终端(duān)采用(yòng)了机械调向的平板天线(xiàn),直径约48 cm,但其价格和性能能否与GEO-HTS的抛物面天(tiān)线竞争仍有待观(guān)察。2.3 传输时延  

        卫星(xīng)宽带传输(shū)链(liàn)路由(yóu)“数据中心→卫(wèi)星→用户”的前向链路和“用户→卫星→数据中心”的反(fǎn)向链路(lù)构成。GEO-HTS传(chuán)输往(wǎng)返时延的理论最低(dī)值为477 ms,加上数据处理(lǐ)时延等(děng)因素之后,实际(jì)往返时延约600 ms。OneWeb、StarLink等(děng)低(dī)轨(guǐ)卫(wèi)星轨道高度(dù)约为GEO-HTS的1/30,因(yīn)此(cǐ),其往返时延有望控(kòng)制在(zài)30 ms以内,接近地面光(guāng)纤网络的水平(píng)。

        然而,低轨星座的低时(shí)延优(yōu)势在(zài)消费者宽带市场的价值有限:

        1)目前大部分宽(kuān)带(dài)应用对时延并(bìng)不敏(mǐn)感,GEO-HTS系统采用TCP应(yīng)答削(xuē)减、报头压缩、应用层加速等技术手段之后,同样能(néng)够满足网页浏览、视(shì)频(pín)直播、音视频通话等宽带应用的需求;

        2)对于(yú)网络游戏、金融交易、虚(xū)拟现实等时延(yán)敏(mǐn)感业务(wù),低(dī)轨星座确实优于GEO-HTS,但(dàn)这些业务(wù)也是地面光(guāng)纤和5G的优势领(lǐng)域;

        3)低时延(yán)主要是发达地(dì)区的需求,而卫星(xīng)宽(kuān)带主要面(miàn)向缺乏(fá)地面网络覆盖的偏远地区,偏远地区为低时延支付额外费用的(de)意愿有(yǒu)限。

        2.4 落地监管

        GEO-HTS的波(bō)束覆盖范围可以预先设定,但是(shì)低轨星(xīng)座天然具有全球无缝覆盖的特点,如(rú)果(guǒ)只限(xiàn)于服务少数国家或地区(qū)将(jiāng)造成(chéng)巨大的容(róng)量浪(làng)费。前文在假(jiǎ)设可(kě)以获准进入全球市场的情况下(xià),分析得(dé)出StarLink星座的(de)有(yǒu)效容(róng)量为(wéi)23.7 Tbps,单位容量月度(dù)成本为4.8 $/Mbps。假设(shè)StarLink获准进入的全球(qiú)市场(chǎng)比(bǐ)例为(wéi)α,那么其有效(xiào)容量将(jiāng)变为23.7αTbps,单位容(róng)量月度成本将变为4.8/α $/Mbps(如图 5)。由此可见,全球市场准入比例对于低轨星座的单位容量成(chéng)本(běn)影响(xiǎng)巨大,如果准入比例过低将(jiāng)显著推高其单位容量成本。

        实际上,世界(jiè)各国的(de)基础电信运营均受一定程度的监管(guǎn),在目前贸易保护主义盛行的国际形势下,外(wài)国卫星宽带在他国落地面临更大(dà)困难。例如,2019年(nián)8月OneWeb向(xiàng)俄罗斯申请无线电频(pín)率,但未获批准。因此(cǐ),全球落地监管是低轨星座面临的另一个严(yán)峻挑战。

        

        图(tú) 5 StarLink在不同全球市场准入比例下的单位容量月(yuè)度成本

        3 发展前景分析

        低轨(guǐ)星座(zuò)面临光纤宽带、蜂窝(wō)宽带等地面网络,以及GEO-HTS的多重竞争,在建设费用、容(róng)量(liàng)密度、地面终(zhōng)端配置、传(chuán)输时延等方面各有优劣,这决定它们具有不同的(de)适用领域,同时也(yě)决定了低轨星座的潜(qián)在市场容量和发展前景。

        3.1 卫(wèi)星(xīng)宽(kuān)带的市场容(róng)量上限(xiàn)

        与(yǔ)蜂窝宽带(dài)相比,卫星宽带的户均覆盖费用、用(yòng)户终端费用(yòng)、频谱(pǔ)效率、容量密度等方面均有劣势(shì),因此卫星宽带的潜(qián)在市场(chǎng)是缺乏蜂窝(wō)覆盖的(de)地区。Greg Wyler在创(chuàng)立O3b和OneWeb的过程中,始终以通(tōng)过卫星“连(lián)接未连接者”为使命。然而,过去十(shí)年中3G/4G蜂(fēng)窝网络在提供宽(kuān)带连接方面更有成(chéng)效(如图6)。在OneWeb成(chéng)立(lì)的2012年,未被3G信号(hào)覆盖的人口约(yuē)34亿,意味着(zhe)全球至少有(yǒu)34亿人缺乏接入宽带的机会(huì),这也正是Greg Wyler创立O3b公司时试图连接的“另(lìng)外30亿人(rén)”。到OneWeb、StarLink等低轨星座(zuò)开始(shǐ)发射卫星的2019年,虽然只(zhī)有53%的人口使用互联(lián)网,但93%的人(rén)口(kǒu)已被3G以上信(xìn)号(hào)覆盖、82%的(de)人口已被4G信号覆盖。换言之,真正由于无法(fǎ)连(lián)接而不能使用互联网的(de)人口占比不足7%,总(zǒng)数约5亿。此外,根据咨(zī)询公司(sī)NSR的估计,2019年全(quán)球卫星宽带(dài)的(de)潜在用户数为4.33亿(yì),目前卫星(xīng)宽带在这部分人群中渗透率(lǜ)约0.63%。因此,目前全(quán)球卫星宽带市(shì)场容量上限约4亿(yì)用户。

        

        图 6 2007-2019全球蜂窝网络覆盖情况

        3.2 低轨星座民用市场前景

        虽(suī)然全球卫星宽带的潜在(zài)用户数只有4亿(yì)左右(yòu),但(dàn)对于卫(wèi)星宽带而言已(yǐ)经足够。例如,OneWeb、StarLink和ViaSat-3三个(gè)星座有效(xiào)容量分别为(wéi)1.56 Tbps、23.7 Tbps、1.8 Tbps左右(yòu),按照人(rén)均10 Mbps的(de)标准,支持的用(yòng)户数上限分别为(wéi)15.6万(wàn)、237万、18万(wàn)。因此,虽然面临光纤到户、蜂窝宽带等地面网络(luò)的(de)挤压,卫星宽带(dài)仍然具(jù)有可观的市场空间(jiān),关键在于其性能和(hé)价格是否符合市(shì)场需求。

        在综合成本方(fāng)面,低轨星座(zuò)相比于GEO-HTS处于劣势。首先,单(dān)位容(róng)量(liàng)月度成本(běn)方面(见(jiàn)表5),StarLink等低轨(guǐ)星座处于价格劣势,进一步(bù)考虑落地监(jiān)管的因素(见图(tú)5),StarLink等低轨星座的价格(gé)劣势可能会(huì)更(gèng)严重;其次,在消费者宽带市场(chǎng),低(dī)轨(guǐ)星座地面(miàn)终端所依(yī)赖的相控阵平板天线的价格,目前远高于GEO-HTS所依赖的抛物面天线(xiàn),因此,低(dī)轨星(xīng)座在综合(hé)成本方(fāng)面处于劣势(shì),导致其市(shì)场竞争力低于GEO-HTS。例(lì)如,根据咨询公(gōng)司NSR对全球HTS容量和(hé)服务总(zǒng)营(yíng)收的预测(如图(tú)7),2018—2028年(nián)全球(qiú)Non-GEO HTS的累计营收不足GEO-HTS的四分(fèn)之一。

        

        图(tú) 7 NSR对全球高(gāo)通量卫星营收的(de)预(yù)测

        另(lìng)一方面,政(zhèng)府补贴可能会扭转低轨星座(zuò)的成本劣势。美国联邦通信委员会成立了总额204亿美元的“农(nóng)村数字机遇基(jī)金”,将在2020—2030年资助美国农村(cūn)地区(qū)的宽带建设,有可能(néng)将时延低于100 ms的低轨卫(wèi)星宽带纳入补(bǔ)贴范围,而将GEO-HTS排除在外(wài)。政府(fǔ)补(bǔ)贴有可能扭转低轨星座的成本劣势。例如,计划发射Jupiter-3的(de)休斯公司和ViaSat-3的卫讯公司,曾(céng)经一致认为GEO-HTS比低轨星座更(gèng)具竞争优势,但(dàn)也承(chéng)认政府补贴将使(shǐ)低轨星座同样有利可图。为了争取政府补贴,休(xiū)斯公司已经向(xiàng)OneWeb注资(zī)5 000万(wàn)美元,卫(wèi)讯公司则申请建设(shè)一(yī)个288颗卫星的低(dī)轨(guǐ)星座。

        3.3 低(dī)轨(guǐ)星座军事应用(yòng)前景(jǐng)

        在民用领(lǐng)域(yù),低轨星座只是地面网(wǎng)络的(de)补充;在军事领域,低(dī)轨星座(zuò)凭(píng)借其(qí)优良的全球覆盖特性、低传输时延、高抗毁(huǐ)性、支持小孔(kǒng)径接收天线等优势,具有广阔的应(yīng)用前(qián)景(jǐng)。美国一直将商业通信卫星作为(wéi)其军用卫星能力的重(chóng)要(yào)补充:截止(zhǐ)2018年(nián)底,美国国防(fáng)信息系统局管辖(xiá)的商业卫星(xīng)通信服(fú)务采购(gòu)总额高(gāo)达(dá)45亿美元;2019年美国军队采购的(de)商业卫星容量(liàng)为40 Gbps,相当(dāng)于其军用卫星容量的70%。

        由(yóu)于(yú)与军事需求高度匹(pǐ)配(pèi),StarLink等新兴商业低(dī)轨星座已经引起美国军方的高度重视。美国空军(jun1)研(yán)究实验室(shì)2017年启动了“商业天基互(hù)联网军用实验”项(xiàng)目,旨(zhǐ)在利用新兴商业低轨星座为空军构建(jiàn)全(quán)球覆盖的高可用性、高弹性、大带(dài)宽、低时延的通信基(jī)础设施,并于2019年3月向SpaceX公司授(shòu)予价值2800万(wàn)美元的合同,开展StarLink星座军用演示(shì)验证。此外,美国国防高(gāo)级(jí)研究(jiū)计划局(jú)2018年发起了“黑杰克”项目,旨在利用商业低轨星(xīng)座的技术积累和成果,发展搭(dā)载导弹探测、导航授时、军事通信等多(duō)种(zhǒng)任务载荷的军(jun1)用低(dī)轨星座;军(jun1)用星(xīng)座将部署在商业低(dī)轨星座附近(jìn),并与其建立星间(jiān)链路以利用其全球宽带传输能力。因(yīn)此,StarLink等低轨(guǐ)星座有可能成为美国的关键军事基础设施,来自军事(shì)应用的收入将为其提(tí)供重(chóng)要支撑。

        结(jié) 语

        受益于火箭重复利用、一箭多星发射、规模化(huà)卫星(xīng)制造、高通(tōng)量(liàng)卫星等技术的巨大进步,低轨卫星通(tōng)信星座迎来了(le)新(xīn)一轮(lún)发(fā)展浪潮。虽然低轨卫(wèi)星的(de)制(zhì)造(zào)发射成本已经显著降低,但是在(zài)城镇地区卫星(xīng)宽带户均建设费用仍然(rán)高于光纤到户,仅在农村地区才有可(kě)能比光纤(xiān)便宜。与地(dì)面蜂(fēng)窝网络相(xiàng)比,卫星宽(kuān)带的(de)频谱效率较(jiào)低、波束面积极大,导致其容(róng)量(liàng)密度极低,无法满足城镇地区的容量(liàng)需(xū)求。地面(miàn)蜂窝网络不断拓展(zhǎn),目(mù)前全(quán)球93%人口(kǒu)已被3G以上网络覆盖,因此全球卫星(xīng)宽带市场容量上限约4亿用户。在有限的卫星(xīng)宽带市场内,低轨(guǐ)星座(zuò)面临(lín)GEO-HTS的竞争,二者在单位容(róng)量成本、地(dì)面终端配(pèi)置、传输时延(yán)、落地监(jiān)管(guǎn)等方面各有优(yōu)劣。在消费者宽带市场(chǎng),缺乏低(dī)成本平板(bǎn)天(tiān)线使得低轨星(xīng)座处于劣(liè)势,但低时延优势使得低轨星座有(yǒu)可能获取美国政府的(de)宽带(dài)补贴,将有可能扭转其(qí)成(chéng)本劣势。在军事应(yīng)用(yòng)市场,StarLink等(děng)低轨星座凭借其全球覆盖、传输时延低、抗毁性强等优势,有可能成为美国军(jun1)事(shì)领(lǐng)域的关键基础设施,具备广阔的发展空间。

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