国外新兴商业低轨卫星通信星座发展述评

随着互联网应用的快速发展，互联网接入服务需求急剧增加。目前全球的互联网数据主要通过地下或水下光缆传输，光缆铺设高昂的成本和覆盖范围是其主要的限制因素，而通信卫星则具有覆盖范围广的优点，因此近年来一系列商业低轨通信卫星星座应运而生，包括 OneWeb、Telesat、SpaceX 和波音等公司纷纷提出低轨通信卫星星座计划，试图与地面有线和移动通信网络争夺互联网接入入口。然而，卫星通信系统由于制造、发射、运营和维护成本高，直接向消费者、家庭和企业销售服务的竞争力不强。20 世纪 90 年代的“铱星”和“全球星”都经历了破产和整组，新兴的商业低轨通信卫星星座再次将目标市场瞄准这一市场领域，虽然面临极大的挑战，但若成功则将开辟卫星通信应用的新时代。

本文在回顾国外低轨卫星通信星座发展的经验教训的基础上，提出了发展思考，以供相关人员参考。

低轨卫星通信星座计划并非是近几年的新生事物，早在 20 世纪 90 年代就有多个星座计划提出，比如 Teledesic 星座、“铱星”和“全球星”等，其中“铱星”和“全球星”星座目前仍在运营，只是离最初设想的目标相去甚远。

“铱星”计划的概念形成于 1985 年，即构建一个全球覆盖的卫星通信系统，使人们在任何地方都能通过便携式卫星电话进行通信。1995 年“铱星”系统的详细设计方案终于成形: 星座由 66 颗卫星（外加 6 颗备份星）组成且每颗卫星都具有星间链路，轨道高度778 km，包含 6 个极地轨道面，每个轨道面 11 颗卫星。

“铱星”系统于 1998 年 11 月 1 日正式开始运营，是世界首个实用的大型低轨通信卫星系统，尽管其在技术实现上是一次重大突破，但是在实际运营时却很快就遇到了麻烦。“铱星”公司最初估算，需要大约 50 万个用户就能维持公司正常运转，但“铱星”系统运行一年之后只有 2 万左右的用户，市场需求的下降以及初期市场估算时过于乐观，导致“铱星”公司的经营很快就难以为继。1999 年 8 月 13 日，“铱星”公司申请破产。

2000 年以后，“铱星”系统转向满足快速发展的蜂窝网络和全球通信（包括话音和数据）需求，而且在 2011 年的“911”事件之后，跟踪跨海洋航班以及机上数据服务的需求猛增，为此“铱星”系统对卫星进行了升级以引入新功能———海上和极地飞机导航、飞机黑匣子数据收集和存储、偏远位置服务、军事通信和应急响应能力等，并将美国航空管理局（Federal Aviation Administration，FAA）和美国防部等机构发展成了用户。而后“铱星”公司获得重生，到 2011 年 3 月其商业用户达到了 45 万，同时还获得了国防部等机构的服务合同。

目前铱星公司正在进行再一次的转型，2017 年开始发射下一代卫星构建新的卫星星座，以便增加功能，提升数据传输速度并增加新的服务如企业数据和话音服务、设备跟踪以及其他机器到机器的应用。

20 世纪 90 年代初微软公司创始人比尔·盖茨等资助成立的 Teledesic 公司提出构建低轨卫星星座，其目标是耗资 90 亿美元构建天基互联网，成为可提供在全球任何地方收发信息的天基互联网供应商。

Teledesic 最初计划发射 840 颗低轨卫星，轨道高度700 km，共 21 个轨道面，每个轨道面 40 颗卫星，并计划设计复杂的星间链路以及地面网关链路、移动通信链路和终端通信链路。

1997 年，Teledesic 将其庞大的星座计划缩减至 288 颗卫星，轨道高度则升高至1 400 km，包含 12 个轨道面，每个轨道面 24 颗卫星。而后，由于市场需求下降，该星座计划进一步缩减至 30 颗卫星。最终，Teledesic 也只是在 1998 年制造并发射了一颗测试卫星就于 2003 年放弃了其申请的频率并终止了计划。

“全球星”与“铱星”类似，也是一个提供全球卫星通信服务的系统，其业务涵盖了话音、数据、传真、传呼和定位。“全球星”星座系统由 48 颗工作星和 4 颗备份星组成，其轨道高度为1 414 km，共有 8 个极轨道面，每个轨道面 6 颗卫星。但与铱星不同的是，全球星为了简化在轨卫星的设计，没有为卫星设计星间链路，卫星只是简单地转发信号，因而需要通过地面网关与电信网络连通; 其信息处理在地面进行，这也使其造价更低。

到 2000 年全球星开始商业运营时，整个卫星系统的构建和维护共花费 38 亿美元，其服务成本为手机终端1 000美元以及通话费用每分钟 1 ～ 3 美元。“全球星”与“铱星”一样，预计的潜在用户都没能实现，最终在 2002 年申请破产保护，并与铱星一样进行了重组，调整业务重点，并且在破产重组之后继续运营。

总的来说，“铱星”、Teledesic 和“全球星”卫星星座遇到的问题主要是经营上的问题，而非是技术上的问题，通信卫星系统高昂的部署成本、市场定位不佳以及预期评估不足是导致其商业运营失败的主要原因。这些卫星系统能够从技术上实现全球覆盖，但提供的通信服务在与地面固定和移动网络的竞争中完全没有优势。

随着移动通信和物联网等技术的快速发展，商业数据通信市场需求激增，而目前新兴的商业低轨卫星星座正是瞄准这一市场机会，试图以高通量、低时延的优势抢占市场。

目前新兴低轨卫星通信星座的主要特点之一是大多采用低轨道，而不是目前主流通信卫星采用的同步轨道。

（1）轨道和时延

通信卫星根据运行轨道高度的不同大致可分为低轨道（Low Earth Orbit，LEO）（2 000 km以下）卫星、中轨道（Medium Earth Orbit，MEO）卫星和地球同步轨道（Geostationary Earth Orbit，GEO ）（35 700 km） 卫星，其轨道示意如图 1 所示。基于不同轨道构建的卫星通信系统，在系统设计复杂度、在轨维护成本、发射成本、卫星寿命、星地通信时延等方面具有不同的特点。

目前提供卫星通信服务的卫星主要采用同步轨道，该轨道的轨位和频率资源由国际电信联盟（International Telecommunication Union，ITU） 负责管理。现在同步轨道的轨位和频率资源越来越紧缺，而ITU 的原则是先到、先服务者优先。对于新兴星座来说，获得合适的轨位和频率资源有一定难度，而低轨道目前则不存在这一问题，只需避免干扰或妨碍已在运行的卫星系统即可。

同步轨道卫星的主要缺点之一是其传输时延大，一般为500 ms左右，而低轨卫星高度大大降低带来的主要优势之一是时延大大缩短，新兴低轨通信星座大都能够实现50 ms以内的时延，与地面光纤网络相当，这也使其可以支持在线游戏或视频聊天等基于实时或近实时数据传输的应用。

同步轨道卫星的波束覆盖宽，覆盖区域固定，星座设计相对简单，但是同步轨道卫星的宽波束会导致波束边缘的地区覆盖性不佳，特别是极地区域无法覆盖到，而低轨星座由于轨道低，必须使用大量卫星才能实现全球覆盖，每颗卫星使用相对较窄的可控波束，通过多颗卫星无缝切换覆盖区域实现真正的全球无缝覆盖，而且控制波束覆盖区集中为带宽需求高的地区提供覆盖。

就成本而言，低轨卫星星座为了实现低时延全球覆盖，大多采用数量众多的小卫星构建卫星星座，因而单颗卫星的制造和发射成本大大降低，但低轨星座卫星数量远多于同步轨道，地面测控和运营管理难度更大。

（2）选用高频段提供高通量

高通量通信卫星是近年来卫星通信领域发展的热点，目前披露的商业低轨通信星座计划大多采用高频段频率，都具备高通量卫通能力。卫星通信一般使用 L、S、C、X、Ku 和 Ka 频段，而高通量卫星一般选用 C、Ku 和 Ka 频段，但 C 频段和 Ku 频段资源紧张，因此目前高通卫星越来越多地向 Ka 频段发展，Ka 频段的频率资源更丰富。

目前低轨通信星座为了实现全球服务大多选用Ka 频段甚至更高的 V 频段（40 ～ 75 GHz） ，这些频率便于协调和申请，还可避免与同步轨道卫通产生干扰，而且更高频段也有利于提供高通量服务，结合先进的可控波束天线，低轨卫星星座可以实现全球覆盖的同时有效地为所有覆盖区域内的用户提供高通量服务。根据美国联邦通信委员会（Federal Communications Commission，FCC） 的规定，所有宽带下行速率至少要达到25 Mbit /s，而目前提出的商业低轨通信卫星星座都将提供50 Mbit /s 以上的传输速率。

（3）采用小卫星便于先进技术插入

目前提出的商业低轨星座主要采用 1 000 kg 以下的小卫星，单颗卫星制造和发射成本相对更低，其寿命周期也相对较短，卫星更新周期更快。这便于引入新技术，如多点波束、频率复用、高波束增益、数字波束形成以及波束控制等关键技术，通过分批次替换卫星，进而逐步实现整个卫星星座性能的升级和改造。

根据美国 FCC 发布的频率资源申请信息，目前申请进入美国市场的低轨卫星通信星座计划就有十多个，全球更是有多达几十个类似计划，其中比较典型的是 OneWeb 公司、Telesat 公司和 SpaceX 公司的低轨卫星星座。

（1）OneWeb 卫星系统

美国 FCC 2017 年 6 月 22 日表决批准了 OneWeb 公司提出的非地球同步轨道（Non－geostationaryOrbit，NGSO） 卫星星座计划，使其成为美国首个获批的新一代 NGSO 星座计划。

OneWeb 卫星星座包含 720 颗低轨（1 200 km）卫星和在轨备份星，这些卫星分布在 18 个轨道面上，每个轨道面上 40 颗卫星，其星座卫星覆盖示意如图 2 所示。星座总容量高达 5．4 Tbit /s，每颗卫星的容量为7．5 Gbit /s，可为用户提供下行 200 Mbit /s 和上行 50 Mbit /s 速率的互联网接入服务，时延约为30 ms，与光纤网络相当。

OneWeb 系统中，卫星与用户终端之间采用 Ku 频段射频链路，而卫星与网关地面站之间则采用 Ka 频段射频链路。OneWeb Ku 频段用户终端包括小型、廉价天线（大小一般在 30 ～ 75 cm之间），天线既有机械抛物面反射器天线，也有低成本相控阵天线，并引入了先进的波束控制技术。

OneWeb 公司在向 FCC 提出频率申请时提供的方案是发射 720 颗卫星，不过最新公布的信息透露，卫星数量将增加到大约 900 颗，星座总容量达到 7 Tbit /s，并且还有进一步的提升计划。OneWeb 计划于 2019 年初开始为美国阿拉斯加地区提供高速互联网接入服务，为此，OneWeb 公司计划 2018 年启动卫星发射，并在 2019 年全速推进这项工作，到2020 年完成初始部署。

（2）Telesat 星座

美国 FCC 在批准了 OneWeb 低轨卫星星座频率申请之后，又于 2017 年 11 月 3 日批准了 Telesat 公司部署 LEO 卫星星座进入美国提供卫星通信服务的申请。目前 Telesat 公司的低轨卫星星座已获准在全球范围内使用 V 频段约4 GHz的频谱。

Telesat 的低轨星座网络可提供全球覆盖，能为美国以及世界其他地方提供多种卫星服务，星座总容量达几 Tbit /s，单条链路超过1 Gbit /s，链路时延30～50 ms。Telesat 低轨星座将包含至少 117 颗卫星以及备份星，采用两种轨道: 第一种轨道为圆形极地轨道，该轨道倾角为 99．5°，离地1 000 km，至少包括 6 个轨道面，每个轨道面至少 12 颗工作星; 第二种轨道为倾斜轨道，其倾角为 37．4°，离地1 248 km，包含至少 5 个轨道面，每个轨道面至少 9 颗工作星。每颗卫星都具有星上处理和 IP 数据包自适应路由交换能力，并且每颗卫星都具有光学星间链路，每颗卫星有最多 4 个星间链路终端，在网关不可用或数据需要发给特定网关时，可以通过星间链路路由数据。该卫星星座网络体系架构如图 3 所示。该卫星系统支持多种用户终端，既有电控也有机械跟踪天线，并且同时支持固定终端和移动终端。

Telesat 的 V 频段 LEO 星座卫星网络预计将在2021 年实现初始部署，Telesat 公司将在初始部署的基础上对系统性能进行评估，以确定是否进一步扩展系统。Telesat 公司已在 2018 年 1 月 12 日成功发射了第一阶段的首颗 LEO 卫星。

（3）SpaceX 公司 StarLink 星座

以航天发射业务闻名于世的 SpaceX 公司也试图通过构建低轨小卫星星座继续拓展其航天业务产业链，该公司 2016 年 11 月向美国 FCC 申请 Ku 和Ka 频段频率以部署其非同步卫星星座，计划耗资10 亿美元构建由 4 425 颗卫星组成的低轨通信卫星星座，采用1 110～1 325 km之间的 5 个轨道高度，共有 83 个轨道面。星座完全部署之后，总容量将达到 8～10 Tbit /s; 单个用户链路的传输速率最高达1 Gbit /s，每颗卫星可提供 17 ～ 23 Gbit /s的下行容量，链路时延 25 ～ 35 ms，将能为美国以及全球的消费者和企业提供高速、低时延宽带接入服务。

此外，SpaceX 公司又在 2017 年 3 月向 FCC 申请部署一个由超过7 518颗 V 频段卫星组成的低轨卫星 星 座。根 据 SpaceX 公司目前披露的信息，4 425颗卫星组成小星座将部署在1 200 km的轨道上，而7 518颗卫星组成大星座则将部署在340 km高度的轨道上。

总的来说，新兴低轨星座与“铱星”等上一代星座在整体星座架构设计上并没有实质性的差别，只是在技术性能上更强，已能达到接近地面网络的性能，详见表 1。然而，新兴低轨星座的卫星数量普遍更多，导致卫星制造和测控运营的成本大大增加，对商业化运营取得成功是个挑战。

从技术上说，对比早期的“铱星”、Teledesic 和“全球星”等星座，新兴低轨卫星通信星座并没有革命性的创新，它们如何才能避免重蹈覆辙? 而目前国内不断涌现的低轨星座发展计划又能从中获得哪些启示? 下面给出几点思考。

早期的“铱星”和“全球星”都主要提供话音通信服务，伴有少量数据服务，在服务成本远高于地面移动通信运营商的情况下，只能占领移动运营商覆盖范围之外的市场，用户数量与预期相差甚远。而在经历破产重组后，它们纷纷将业务转向了数据服务，并且类似自动识别系统（Automatic IdentificationSystem，AIS） 、物联网等的数据传输服务已经成为“铱星”等转型发展的主要对象，而以物联网数据服务为主业的 Orbcomm 公司能够运营至今也表明低轨通信卫星星座在现阶段还是只能以数据传输服务为主业。

当下互联网接入需求发生了很大的变化，抢占互联网接入入口已经成为互联网内容和服务提供商的首选。地面光纤网络覆盖大幅增加，互联网网关部署需求激增，面对远程数据传输需求，低轨卫星通信已经具备与远程海底和地面光缆竞争的能力，其传输时延和速率都已经能达到与地面光纤网络相当的性能，商业低轨卫星通信的发展正引来巨大的发展机遇，但仍需聚焦于数据服务，如天基互联网接入（远程互联网交换和家庭互联网连接） 以及物联网等。当然，目前还没有提供这类服务的系统实现成功运营，最终能否实现商业运营商的成功仍是未知数。

任何卫星通信系统要实现成功的商业运营都必须考虑成本问题。面对地面光纤网络以及移动通信运营商等成熟运营的竞争对手，低轨卫星星座必须从各个方面降低费用，而且 O3b、OneWeb、SpaceX 等公司的低轨星座瞄准的目标市场都是发展中国家以及光纤网络覆盖不足的人群，而非是让有钱人在度假时可以随时上网查看邮件，这就意味着必须严格控制成本，且提供服务以及相关的设备都必须价格低廉。

与此同时，作为其竞争对手的光纤互联网连接和无线移动通信还在全球快速扩展，价格是保持竞争优势的关键。此外，在发展中国家开展互联网接入业务还必须考虑政治风险带来的相关成本。

从发射成本来说，将1 kg物体送到低轨道的成本仅为将1 kg物体送到同步轨道的成本的 1/5 ～ 1/10，而且相比同步轨道卫星，低轨卫星所需的功率和天线尺寸都要小很多，因而低轨道卫星在发射成本上将很有优势。目前已经出现了一些针对小卫星的发射方案，未来随着小卫星发射需求的增多，预计发射成本还将继续降低。

在制造成本方面，为了进一步降低小卫星的制造成本，目前一些卫星制造商已经在研究小卫星批量生产，包括引入三维打印和建设组装生产线等，这可使这些小卫星的单颗制造成本远远低于常规大卫星。新兴低轨卫星通信星座取得商业成功尚需积极发展专门用于小卫星发射和测控的系统，严控各方面的成本，进一步提升市场竞争力。

同步轨道卫星轨位和频率资源目前越来越稀缺，而 ITU 采取的规则是先申请、先使用者优先，这也使得越来越多国家和企业开始重视轨位和频率资源的争夺。目前 ITU 对非同步轨道卫星的轨位和频率还没有严格的限制，这也是促成低轨卫星近年来繁荣的原因之一。以 OneWeb 为代表的商业低轨星座已经开始向各国申请频率资源并开始部署，目前已披露的类似星座项目多达几十个，而且每个星座要部署的卫星少则几十颗，多则数千颗，很难不让人怀疑它们有抢占轨位和频率资源的意图。

以SpaceX 公司的低轨星座计划为例: 该公司计划部署两个星座，初期部署的星座由4 425颗卫星组成，之后会再部署一个7 500颗卫星组成的星座。按照目前的原则，卫星服务供应商必须注册其卫星发射机，并且如地面站要发射则应注册相应的频率; 地面站注册时必须标明其与哪颗卫星进行通信，如果地面站布设在不同的国家，则发射机就要在该国注册。美国 FCC 之前推延了 SpaceX 公司的频率申请就是因为其申请的频率涵盖了由 ITU 负责管理的部分国际频率资源，其必须与 ITU 进行协调。低轨卫星星座要为全球提供通信服务，就必须与其服务的目标国申请频率资源，若星座没有星间链路，就必须将地面站设置在全球多个地方，以确保卫星测控功能的实现。

根据 ITU 的原则，由于卫星在太空中不可避免地会与其他卫星排成一线和产生波束交叉，导致干扰风险，因此后来者必须与原来已有的卫星星座进行协调，避免干扰，这也意味着 SpaceX 必须与其竞争对手 OneWeb 和 Telesat 进行协调，抢先获得轨位和频率资源的星座将能占据优势。不过，为了避免恶意囤积频谱资源而不用其提供服务，以美国 FCC 为代表的管理机构要求申请企业必须在一定期限内完成星座部署。美国 FCC 之前规定星座的所有卫星必须在 6 年之内完成部署，考虑到低轨小卫星星座的卫星数量众多，FCC 在 2017 年 9 月 26 日放宽了卫星星座部署时间要求，允许申请企业 6 年部署一半的卫星，然后再用 3 年完成整个星座部署。事实上，即使按放宽后的时间期限要求，目前多达几千颗卫星的部署计划要按时完成部署仍然是个挑战。

低轨小卫星技术的不断成熟，大大降低了利用卫星提供商业服务的门槛，也将助力商业航天的发展。从技术上来说，小卫星巨大的应用潜力亟待挖掘，目前卫星应用越来越多地从战略级转向战术级，而小卫星无疑是这种转型的最大助推者。

随着卫星平台和载荷研制到卫星组装技术的不断成熟，相应的时间周期将大大缩短，根据任务需求快速响应地定制卫星并发射等一系列革命性的卫星应用概念将会由此而生。但从商业运营的角度来说，低轨小卫星星座的商业运营一直不算成功，著名的“铱星”和“全球星”星座都是依靠政府和军方的支持才得以为继，而今在商业资本的助推下，商业低轨星座发展火热，能否真正成为传统互联网接入方式的补充和颠覆者，仍存在极大的不确定性。

目前国内也在积极开小卫星及其应用技术研究，已涌现出多个小卫星星座计划，建议相关研究人员在进行必要技术储备的同时，吸收国外星座计划的经验教训，避免盲目跟随国外商业发展路线，而应重点关注频率和轨位资源的问题，及早谋划和争取，为未来潜在的发展应用需求奠定基础。