从梦想照进现实，天基互联网建设全面启动

2020-02-13

宽带互联网是人类文明进步和社会发展的最有力平台。建设天基宽带互联网，与地面宽带网络等互联融合，进一步满足人们对全球无缝覆盖的宽带网络需求，是互联网技术未来发展的一个重要设想。建立天基信息网络的概念由来已久，美国早在19世纪90年代就提出了天基综合信息网的基本概念，欧洲也提出了构建“面向全球通信的综合空间基础设施（ISICOM）”的设想，但此前多年由于技术和成本的限制并未付诸实施。

近年来，随着卫星制造和航天发射技术的进步，天基互联网的发展正在从梦想照进现实。以美国SpaceX公司为代表的技术先驱已全面启动天基互联网建设。

卫星按照用途大致可分为：通信卫星、遥感卫星（狭义指民用地球观测卫星，广义还包含军事侦查卫星）、导航卫星（提供位置服务）、技术试验卫星等。根据SIA（美国卫星产业协会）数据显示，截至2018年底，全球共有在轨卫星2092颗，其中通信卫星、遥感卫星、导航卫星的占比分别为40%、26%、6%。2019年，全球共发射505颗卫星，其中通信卫星、遥感卫星、导航卫星的占比分别为33%、22%、3%。

行行查，行业研究数据库www.hanghangcha.com

根据SIA数据，2013-2018年全球在轨卫星中，通信卫星占比最高，基本保持在50%左右（除2017年因遥感卫星占比大幅增加外），遥感卫星占比小幅增加。从全球卫星发射情况来看，遥感卫星2014年起成为发射数量占比最高的卫星类别，通信卫星发射数量占比受遥感卫星发射数量大幅增加的影响，2014年起发射数量占比在18%-26%之间波动。

卫星产业链可大致分为卫星制造业、发射服务业、地面设备制造业、卫星服务业。

上游的卫星制造和发射服务是卫星产业的基石，但市场规模相对较小，2018年全球卫星制造和发射收入为257亿美元，同比增长27.86%，占卫星产业收入的9.26%。

全球卫星地面设备制造业2018年收入达到1252亿美元，同比增长5%，占卫星产业收入的45.13%。

卫星服务是全球卫星产业的支柱，2018年全球收入达1265亿美元，同比减少1.7%，占卫星产业收入的45.6%，主要包括卫星宽带通信、地球观测、位置信息、科学研究等服务。

低轨宽带道通信卫星系统由大量（通常为数百或数千颗）低轨道小型通信卫星组成卫星系统/星座，通常使用Ku、Ka、Q/V等高频频段进行宽带通信。部分低轨宽带道通信卫星系统中包含少量中高轨卫星，其多作为节点/中转星，大部分通信数据链仍在低轨卫星和地面之间完成。

由于地球曲率的影响，高轨道卫星能够以更少的数量实现全球覆盖，而低轨道卫星则需要成百甚至上千颗卫星组成星座才能实现全球覆盖，即“站得高，看得远”。在卫星制造成本和发射成本高居不下的时代，低轨道卫星系统由于组网复杂、所需发射量大，并不具备经济可行性。近年来，伴随技术的进步，卫星的体积、质量、成本逐步下降、可靠性、集成度不断提升，同时伴随火箭发射成本的显著下降，低轨道小型卫星系统的大规模部署已逐渐具备条件。

按照通信卫星运行的轨道不同，卫星通信（系统）可分为：

低轨道（LEO）卫星通信：LEO卫星较小，运行于距地面500-2000km的轨道上，具有传输时延（Starlink双向通信时延为50-70ms）、覆盖范围、链路损耗、功耗较小等特征。典型系统为美国铱星通讯公司(IRDM)的第二代铱星系统。

中轨道（MEO）卫星通信：MEO卫星运行于距地面2000-20000km的轨道上，其传输时延（MEO卫星系统O3b双向通信时延约为300ms）、覆盖范围、链路损耗、功耗大于LEO但小于GEO。典型系统为英国Inmarsat公司的国际海事卫星系统。

高轨道（GEO）同步卫星通信：GEO卫星运行于距地面35800km的地球同步静止轨道上。传统的GEO通信系统的技术最为成熟，但由于存在较长的传播时延（双向通信时延500ms以上）和较大的链路损耗，在实时通信中存在显著的延迟。

低轨小卫星一般指运行于距地面500-2000km的轨道上，重量在1000kg以下的现代卫星，具有通信、导航、遥感等一种或多种功能。虽然小卫星在工作功率、有效载荷、在轨功能等方面弱于大型卫星，但在低轨通信卫星系统中，小卫星较低的功率反而更加节能（低轨道离地面距离较近，信号传输所需功率相对较小），且其有限的功能可以通过庞大的卫星数量来弥补。加之小卫星较大卫星具有成本低、研制周期短、发射灵活等特点，因而低轨通信系统中往往以小卫星为主。

低轨宽带通信卫星系统的优势：

1）轻小型化：与传统通信卫星系统中重达几吨的卫星相比，低轨通信卫星系统中使用的小卫星重量通常在1吨以下。轻型复合材料技术以及集成化应用是小卫星轻型化发展的重要前提。卫星的重量下降使得单次发射所能搭载的卫星数量进一步提升，从而降低了平均发射成本。

2）制造成本低：传统大卫星的研制周期一般需要5年左右，且项目投资大、发射费用高、项目风险大。小卫星的研制周期一般为2年左右，研制成本大大降低。此外，低轨通信卫星系统所需卫星数量庞大，有望极大地降低卫星制造边际成本。

3）灵活发射：小卫星可以作为大卫星的附属物一起发射，也可以是几十甚至上百个微小卫星搭载同一个火箭一齐发射。运载和发射工具包括火箭、导弹、空间飞行器等，发射地点可以为地面、大气层或太空平台。

4）冗余组网：小卫星网络的快速部署能力和抗毁能力强。利用大量小卫星组成冗余备份，当某颗卫星失效或摧毁时，附近卫星可以快速补位。虽然单颗小卫星功能有限，但通过多颗微小卫星组成卫星系统或编队进行网络部署，呈现出空间拓展优势。

5）信号接收方便：地球同步轨道（高轨道）卫星对用户终端接收机性能要求较高，其需要采用12米以上的星载天线(L波段)对准卫星进行通信以保证通信速率，而手持机难以直接通过卫星进行高速通信。低轨通信卫星对用户终端的要求低，可以采用微型/小型手持用户终端，如Starlink系统可通过大小为6-9寸便携式地面设备（带有支撑杆的圆盘结构，装有可自动追踪卫星的相控阵天线，插入插座并保持露天即可工作）实现高速通信，较高轨道卫星接收信号更加方便。

6）低时延：传统卫星通信系统多采用中轨或高轨卫星，以减少卫星部署数量。然而中轨、高轨卫星离地面较远，导致其双向通信时延分别为300ms和500ms量级；而低轨卫星双向通信时延为50ms左右，具有天然的时延优势。

低轨通信卫星系统与传统通信卫星系统工作原理较为相似：以个人通信为例，卫星通信系统通过在地球表面形成蜂窝状服务小区，服务区内用户至少被一颗卫星覆盖，对应的卫星在处理语音与数据等多种信息的同时，与陆地无线移动通信网相互协调配合，使用户通过所持的便携式移动终端将信号直接发向最近的卫星，再经卫星之间的转发，把信号传送到地面电话网中的接收用户，从而完成在全球范围内的个人通信。尽管每颗低轨道卫星所能覆盖的地域比同步卫星小得多，但由于离地表近，其信号强度、可使用频率、数据带宽等都远强于同步卫星。

根据应用方向和支持的业务，低轨通信卫星系统可以划分为移动和宽带两类。其中低轨移动通信卫星系统采用L、S低频段工作，以中低带宽业务为主，支持面向手持移动通信和低功耗小型化物联网服务，如Iridrum（铱星系统）、Globalstar（全球星系统）；低轨宽带通信卫星系统又称为低轨高通量卫星系统，采用Ku、Ka、Q/V等高频段工作，卫星数量多，以中高速业务为主（几十兆比特每秒到吉比特每秒量级），支持互联网接入、网络节点互联以及基站回程等服务，如OneWeb计划、Starlink（星链）计划等。此外，低带宽的移动通信星座接收器较为简单，可为手持机、船载/车载站、一体化终端等；而低轨宽带通信卫星一般无法直接与用户终端通信，需要地面设备中转信号，如Starlink计划使用大小为6-9寸地面设备中转信号，但仍较高轨通信卫星系统接收信号更方便。

自20世纪90年代以来，低轨宽带通信卫星系统开始受到各国广泛关注，但由于发射成本、建设成本高，推进缓慢。近年来，随着卫星小型化、轻量化、低轨道发射成本的大幅下降，以及物联网、移动互联网的发展，低轨通信星座迎来了新的发展高潮。以L、S、VHF等低频段为主的Iridrum、“全球星”（Globalstar）、“轨道通信”（Orbcomm）系统等传统低轨移动通信星座已经完成升级换代，并向高频高速、多功能综合、物联网方向发展；以Ku、Ka频段甚至Q/V等更高频段的宽带互联网星座计划呈现爆发式增长，如OneWeb公司、SpaceX公司、低轨卫星公司（LEOSat）、加拿大电信卫星公司（TeleSat）相关计划。高频高速已成为低轨道通信卫星未来主流发展方向。

我国建设低轨宽带通信卫星系统的必要性

（一）国外天基互联网生态系统可能对我国通信与互联网安全产生较大威胁

随着物联网业态的蓬勃发展，未来覆盖广泛的天基卫星互联网大概率将成为社会经济生活“万物互联”赖以依托的空间基础设施。通信基础设施对任何一个国家都既是经济命脉又是是战略安全命脉，自主可控的必要性毋庸赘言，受制于人危害之大不可想象；在网络安全领域，天基卫星互联网可以向各个国家的手持终端用户跨境提供直接访问境外互联网的服务，规避现有的网络管控措施，带来新的监管空白区域，从而威胁我国网络主权。根据国际电联《无线电规则》，除卫星广播业务外，我国并不能向其他国家提出该国卫星网络不可覆盖我国领土的要求。若我国境内的低轨卫星通信业务被国外公司垄断，一旦天基互联网与地面应用形成生态系统，则可能给我国互联网带来更大的监管风险和安全隐患。

此外，若我国境内的低轨宽带通信卫星产业被外国公司垄断，则可能威胁我国卫星产业关键技术的自主可控性。从产业链角度来看，抓住卫星互联网的发展契机，突破低成本卫星发射技术、一箭多星技术、星间链路技术、高低轨网络协同组网核心技术，有利于加快推动全产业链的技术创新发展，保障我国卫星产业安全。

（二）抢占有限的地球近空领域轨道和频段资源

卫星通信业界常将特高频以上频段大致划分为L（1-2GHz）、S（2-4GHz）、C（4-7GHz）、X（7-12GHz）、Ku（12-18GHz）、Ka（20-40GHz）等频段，其中低于2.5GHz的L和S频段主要用于卫星移动通信、卫星无线电测定、卫星测控链路等应用；C和Ku频段主要用于卫星固定业务通信且已近饱和，Ka频段正在被大量投入使用。虽然目前各国已着手开发Q（36-46GHz）、V（46-56GHz）等更高频段资源，但轨道和频段作为“不可再生资源”，仍是各国争夺的重点。

据搜狐网，截至2019年，国际电联已收到200余个大型卫星系统计划申请，而其中大部分申请人都不具备部署完整星座的能力，提交申请的主要目的是抢占频段资源。为此，国际电联于2019年就修改申请条件达成初步共识，即让申请人（运营商）在1年或者3年内完成第一个里程碑阶段，并且需要发射更多的卫星来保住所申请的频段。因此，各国抢占轨道和频段资源的关键或将从“写申报”变为“发卫星”。

（三）提升我军全球宽带通信能力

现代战争对于军事通信卫星的依赖程度越来越高，低轨宽带卫星系统可以为军机、舰船、导弹、战车等移动作战平台及各种军用车辆、单兵提供全天时全天候全球覆盖的卫星通信系统，极大的提升全球范围内的作战能力。铱星通讯公司的第一代铱星系统已被美军用于野战通信。

（四）解决偏远地区的网络通信

虽然通信信号已经覆盖大部分人类常住区域，但在发展较为落后地区，以及海洋、荒漠及山区等偏远地区，依靠“光纤+基站”的通信服务由于经济性不足仍难以抵达。而低轨通信卫星系统可作为现有光纤和基站为物理基础的移动通信网络的补充，用于海洋、偏远地区、民用航空和应急领域。

（五）有效解决高轨卫星系统时延和损耗的问题

与高轨卫星通信系统相比，低轨卫星具有路径衰耗小、传输时延短、研制周期短、发射成本低等优点。高轨卫星通信系统分布在地球上空两万公里以上，向偏远地区提供互联网接入时经常出现时延。而低轨卫星系统可在距地球2000公里以内的轨道高度上，用连续接力的星间链路方式（通过大量低轨卫星组成星链或星座的方式解决无法达到高轨卫星的覆盖面积的问题），实现低时延、低损耗的全球覆盖。

近年来，卫星通信的新技术加速发展，卫星系统实际部署效率进一步提高。然而，低轨带宽通信卫星系统是否能实现商业盈利，仍有赖于一系列关键技术的发展。

（一）卫星低成本制造技术

小卫星的轻型化、微型化、多功能化将减少卫星的制造和发射成本。例如卫星部件模块化将进一步提供卫星制造速度和成本，并使得不同供应商的卫星部件之间能够互联互通。3D打印技术、轻型复合材料技术、微电子技术、微型计算机、微型机械及高精尖加工等高新技术的发展为卫星的轻小型化提供了技术基础。此外，传统通信卫星数量稀少，而低轨小卫星系统所需卫星数量庞大，有望极大地降低卫星制造边际成本。

（二）卫星低成本发射技术

一箭多星技术指通过一次火箭发射多颗卫星，如长征十一号商用火箭以一箭多星的方式完成多次发射，大幅提高了卫星商业发射的效率。异轨多星技术在火箭快速灵活进入空间、空间机动和空间利用等方面具有广阔应用前景，如搭载着远征三号的长征二号丁运载火箭，经过4次精确变轨，将两组7颗卫星分别送入高度相差数百公里的预定轨道上。

重型火箭技术则通过利用大推力高性能液氧煤油发动机获得更大有效载荷，降低单位发射成本。如美国SpaceX公司的猎鹰重型火箭成功打破现役火箭运载能力纪录，其近地轨道运载能力达到63.8吨（地球同步轨道运载能力为26.7吨）。火箭回收技术大幅提高了火箭的重复利用率。如中型可回收火箭——猎鹰9号，利用火箭垂直回收制导控制技术，以及可重复使用垂直起降平台，使一级火箭由一次性使用向重复使用，从而降低发射成本。

目前，随着一箭多星、重型火箭和火箭回收技术的革新，卫星发射成本有望不断下降。如新一代小型火箭发射成本已降至百万美元级，猎鹰9号的单次发射费用为6200万美元，而传统中型火箭发射费用接近1亿美元。此外，新型运载火箭型谱也聚焦于模块化、组合化、系列化发展，将逐步满足各类市场的个性化发射需求。

（三）星座与编队技术

小卫星系统主要通过蜂窝IP技术与编队几何组网实现多颗卫星协同工作，以提升通信效率。例如小卫星系统通过优化卫星与地面的几何关系，可实现卫星系统的连续覆盖或多重覆盖，提高对目标观测的访问频度和时间分辨率。

（四）波束成形、抗干扰、抗衰减等通信技术

波束成形、抗干扰、抗衰减等通信技术的进步将大幅提升卫星通信的稳定性；Ku/Ka等高频段的使用，极大地拓展了卫星通信下游应用场景。此外，低功耗宽带化的小型卫星地面接收终端也是卫星通信商用化的重要前提。

目前低轨宽带通信卫星系统正处在发展初期，参考2009-2018年全球通信卫星入轨情况，其下游应用主要分为民用/商用领域和政府/军用领域，其中民用/商用市场更为广阔。

卫星通信行业从20世纪80年代以来经历了三个发展阶段，其定位由“全面代替地面通信”转变为“与地面通信形成互补”。建立低轨宽带通信卫星系统，构建天地一体的国家信息基础设施，将对传统电信服务、物联网、抢险救灾等方面将产生显著的效益。

（一）传统电信领域

据观察者网（2020年1月15日），我国传统移动通信网目前仅能覆盖约30%的国土面积，其余偏远地区及领海很难采用传统通信方式覆盖。低轨宽带通信卫星系统可以作为传统地面通信的有效补充。

（二）物联网

1）在经济物流中的应用

物联网在零售、公共事业管理、水利等多个行业的现代经济物流方面有着广泛的应用前景。据中国信息通信研究院，2018年我国物联网总体产业规模达到1.2万亿元，完成了工信部2016年提出的十三五物联网产业规模1.5万亿元的80%，发展迅速。而实现物联网的前提之一是实现全地域、低成本的信息互联互通，低轨道卫星对终端发射功率要去较中高轨道卫星更低，且覆盖面积比地面基站更广，优势明显。

2）在交通运输中的应用

汽车、火车、飞机、远洋船、游艇、工程机械车等贵重资产的跟踪和通信还是物联网的重要形式之一。截至2018年底，全国机动车保有量约为3.27亿辆，随着未来汽车向智能化、自动化发展，车载传感器需要并网的比例也在提升。

（三）防灾减灾

我国自然环境监测正迈向立体监测时代，即通过将遍布于国土和领海的多种功能传感器感知的数据信息，及时、准确地搜集送达指定的地面控制台进行数据融合处理，并用于森林火灾、洪灾、泥石流、干旱、水质、大气质量、海洋环境、土地荒漠化及辐射环境等灾害预警预报。以陆地、海洋资源监测为例，我国河流总长度42万千米，平均每10km一个传感器，共需4.2万个；淡水湖泊3.6万平方千米，荒漠化土地264万平方千米，水土流失面积356万平方千米，森林总面积175万平方千米，平均每10平方千米一个传感器，共需80万个；海洋面积300万平方千米，平均每百平方千米一个传感器共需3万个；共需约90万个传感节点。这些数据节点数量众多、分布面积广泛，采用低轨卫星数据传输可以实现低成本的全地域覆盖。

除“Starlink”外，国外低轨通信卫星系统主要还有美国铱星通讯公司的第二代铱星系统、劳拉高通卫星服务公司的第二代全球星系统、美国轨道科学公司和加拿大全球通信公司（TeleSat）共同组建的Orbcomm系统、OneWeb公司的OneWeb星座、美国SES公司的O3b计划（中轨道星座）等。其中，第二代铱星系统、第二代全球星系统、Orbcomm系统是低轨移动通信卫星系统（带宽相对较低），且已组建完成；Starlink、OneWeb星座、O3b计划（第二代）为低轨宽带通信卫星系统，尚在组建中。

摩托罗拉公司于1987年发布第一代铱星（Iridium）计划，由66个低轨道通信卫星组成，于1998年11月1日开始服务，是世界上第一个全球卫星数字通信系统，可为手持机用户提供全球个人移动通信服务。但由于当时卫星技术和全球通信需求并不成熟，第一代铱星系统无法和同时兴起的低成本地面移动通信系统竞争，其可征服的市场过于狭小，从而导致其于2000年正式破产。2000年底，铱星通讯公司利用原铱星破产的时机，以2500万美元的象征性价格买下耗资50多亿美元建成的铱星系统，并将所有债权全部剥离。2001年6月，铱星通讯公司面向全球商业用户开始提供速度为2.4kbps的互联网连接服务，并向美军提供野战通信服务。

此后，铱星通讯公司开发了第二代铱星系统，命名为Iridium Next，同样由66颗卫星组成，此外还有9颗在轨备用卫星和6颗地面备用卫星，共81颗（75颗在轨）。第二代铱星系统保持了与第一代同样的星座构型，但卫星通信带宽得到大幅升级（将提供L频段1.5Mbit/s和Ka频段8Mbit/s的高速服务）。第二代铱星系统采用48个L频段相控阵天线，单颗星的地球表面覆盖半径达2300km，可提供蜂窝模式卫星通信。

据俄罗斯卫星通讯社2019年1月11日报道，搭载10颗第二代铱星系统卫星的“猎鹰9”号运载火箭已从美国加利福尼亚州范登堡空军基地发射升空。本次发射后，铱星通讯公司在轨卫星数量将达到75颗（均使用“猎鹰9”号运载火箭发射），第二代铱星系统组建完成。

第二代全球星系统（Globalstar-2）是由美国劳拉高通卫星服务公司LQSS（Loral Qualcomm Satellite Service）运营的低轨移动通信卫星系统。

Globalstar-2于2010年开始建设，2013年2月完成全部24颗低轨卫星系统的部署，并计划持续提供服务至2025年以后。Globalstar-2卫星系统除南北极以外在全球范围内可实现无缝覆盖，提供低价的卫星移动通信业务，包括话音、传真、数据、短信息、定位等。

Globalstar-2系统还推出了基于卫星的WiFi服务——Sat-Fi。Sat-Fi接收终端与卫星相连形成热点，并充当WiFi路由器，提供WiFi接入服务。

卫星通信产业链涵盖卫星制造、发射服务、地面设备制造、运营与服务等环节。

2018年，全球卫星产业总收入为2774亿美元，同比增长3%。其中卫星产业规模主要来源于地面设备和卫星服务收入，卫星制造和发射服务产业规模较小。卫星服务实现收入1265亿美元（其中卫星电视等卫星通信业务收入占比高达83.4%），同比减少1.7%，占卫星产业收入的45.6%。

据《国际太空》，2018年，全球共发射卫星438颗，其中通信卫星77颗，占比为17.6%。据SIA，2018年，全球在轨运行的卫星达到2092颗，其中，通信卫星数量约为837颗，占比为40%。2019年全球共发射卫星505颗，其中通信卫星169颗（SpaceX发射了120颗Starlink卫星），占比为33.47%。

由于通信小卫星多用于低轨，因此通信小卫星市场对低轨通信卫星市场有较大参考意义。据欧洲咨询公司（Euroconsult）发布的《小卫星市场前景》报告，2018-2027年，全球将发射超过7000颗卫星（2008-2017年共发射约1200颗），其中通信小卫星约4350颗（宽带通信卫星约3500颗），数量占比62.14%（SpaceX的Starlink卫星数量占比较高）。随着各大低轨通信小卫星系统的陆续组网，低轨通信小卫星市场有望迎来广阔的市场。

近年来，我国卫星产业蓬勃发展。2012-2018年，我国卫星产业收入从1209亿元增长至3746亿元，年均复合增速为20.74%，高于全球增速4.81%。2018年，我国卫星通信市场规模约为610亿元，占我国卫星产业市场规模的16.3%（全球卫星通信市场规模约占卫星产业总市场规模的40%）。据《中国卫星通信产业发展白皮书》，预计2020年我国卫星通信全产业链市场规模将超过800亿元，2018-2020年的年均复合增速为14.5%。