新兴低（dī）轨卫星通信星座（zuò）发展

　　摘（zhāi） 要：SpaceX、OneWeb等公司（sī）计划建造大型低（dī）轨卫星通信星座，以提供全球宽带接入（rù）。与90年代的低轨（guǐ）星（xīng）座浪（làng）潮相比，新兴星座主要（yào）具备（bèi）以下优势：批量化、模（mó）块化生产降低（dī）了卫星制造（zào）成（chéng）本，火箭重复利用和“一（yī）箭多星（xīng）”技（jì）术（shù）降低（dī）了发射成本。然而，低轨星座面临快速发展的（de）地面网（wǎng）络以及（jí）地球静止轨道高通（tōng）量卫星（xīng）的激烈竞争。文中（zhōng）从（cóng）建设（shè）费用、容量密度、地面终端等方面对这三类系统进行（háng）比（bǐ）较，分析各自的优劣，并（bìng）分别从民用市（shì）场和军事应用（yòng）两个（gè）方面，分（fèn）析新兴（xìng）低轨星座的发展前景。

　　关键词: 低轨（guǐ）星座；高通量（liàng）卫星；星链；一网

引 言

　　以（yǐ）OneWeb、StarLink为代（dài）表的新兴（xìng）低轨（LEO）卫星通（tōng）信星座迅猛发展，旨在通过覆盖全球的（de）宽带连接能力，与（yǔ）地面（miàn）网络争夺互联（lián）网入口。与1990年代的（de）铱星等低轨星座相（xiàng）比，新兴低轨（guǐ）星座拥（yōng）有多种发展优势：火箭重复利用和“一箭（jiàn）多星”技术极大降低了卫星发射成本；集成电路技术的进步促成了卫星的模（mó）块化、组（zǔ）件化（huà）和小（xiǎo）型（xíng）化，显著（zhe）降低了卫星的（de）尺寸、质量、功耗和（hé）研制成本；批量化（huà）、模（mó）块化卫星制造技（jì）术显著降低了卫星的制造成本。然而，来自（zì）地面网络的竞争（zhēng）也（yě）日趋激烈（liè），尤其（qí）是千兆级光（guāng）纤网络已经开启大规（guī）模商用，3G、4G无线网络已经分别（bié）覆盖全球（qiú）93%、82%的人口，5G无线网络也已（yǐ）经（jīng）开（kāi）始大（dà）规模部署。因此（cǐ），新兴（xìng）低轨卫星通信星座发（fā）展前景仍（réng）然存在不确（què）定（dìng）性。

　　本（běn）文将从建设费用（yòng）、容量（liàng）密度等方面分析低轨（guǐ）星座（zuò）与地面（miàn）网络（luò）的竞争态（tài）势，从单位容量（liàng）成本、地面终（zhōng）端配置、传输时（shí）延、落地监管等（děng）方（fāng）面对比（bǐ）低（dī）轨星座与地（dì）球静止轨道高通（tōng）量卫（wèi）星（GEO-HTS）的优劣，并结（jié）合民用（yòng）市场以及（jí）军事（shì）应用的特点和趋势，研究新兴低轨卫星通信星座的发展前景。

1 与地面网络的竞争

　　光纤、蜂窝无线通信（xìn）等地面通信技术，是低轨（guǐ）星（xīng）座无法回避的竞争对手。1990—2000年，“铱（yī）星”、“全球星（xīng）”、“轨道通信”等多个低轨星（xīng）座计划被提出，旨在提供全（quán）球（qiú）无缝覆盖（gài）的便（biàn）携（xié）式卫星电话服务。三大（dà）星座的设计指标（biāo）达到了同时期（qī）地面蜂窝网络的水平，并具有全球（qiú）无缝覆盖的优势，因此吸（xī）引（yǐn）了广泛（fàn）关（guān）注。但在三大星座投入建设的（de）十年间，地面蜂窝网络逐渐（jiàn）从2G演化到3G，手机（jī）终端价格和流量资费不断降低，卫星通信除了覆盖（gài）范（fàn）围广的（de）优势之外，终端成本、通信速率等方面均（jun1）处于劣势，导致三大（dà）卫（wèi）星通信公司（sī）先后（hòu）经（jīng）历了破产重组。虽然三个星（xīng）座最（zuì）终（zhōng）都起死回生，但占据的无线（xiàn）通（tōng）信（xìn）市场份额远（yuǎn）小于蜂窝网（wǎng）络，2015年三大（dà）星座的（de）用户总数才达到（dào）380万（wàn），而同时期全（quán）球蜂窝移动用户数（shù）量为73亿。

　　与第一代低轨星座以（yǐ）话音（yīn）服务（wù）为主不同，OneWeb、StarLink等（děng）新兴低轨星座主要提供卫星（xīng）宽带服务，但其瞄准的消（xiāo）费者宽带市（shì）场面临光纤到（dào）户（FTTH）、蜂窝宽带等（děng）地面网络（luò）的竞争（如图1）。其中，光纤到户的优势是通信容量大，劣势是在偏远地区（qū）铺设成本较高；蜂窝宽带通（tōng）过基（jī）站的无线信号实现（xiàn）宽带（dài）接入，通（tōng）信（xìn）容量一般低于光（guāng）纤，优点是最（zuì）后一公里无需铺设线缆。低轨星座天然具备全球覆盖的优势（shì），且接（jiē）入成（chéng）本与地域是否（fǒu）偏远无（wú）关，但其能否赢得与地面网络的竞（jìng）争仍属未知（zhī），下面从建设费用、容量（liàng）密度两方面展开（kāi）分析（xī）。

图 1 卫星宽（kuān）带（dài）、光纤到户与蜂窝（wō）宽带示意图1.1 建设费用比（bǐ）较

　　宽带（dài）网络每条（tiáo）用户线（xiàn）路的（de）建设（shè）费（fèi）用（yòng）等于户均（jun1）覆（fù）盖费用与户均连接费（fèi）用之和。户均覆盖费用（yòng）等于网络建设费用（yòng）除以用户数（shù），因此（cǐ）在用（yòng）户密度越高（gāo）的地区其（qí）值（zhí）越低。户均（jun1）连接费用等于用户终端费用（yòng）与安（ān）装费（fèi）用之和，在用户首次开（kāi）通服务时产生（shēng）。

　　根据（jù）美国光（guāng）纤宽带协会（huì）的研究，2019年美国光纤到户的户均建设费用在密集城区、一（yī）般（bān）城区、郊区（qū）、农村分别为1218、1863、2737、4206美元（yuán）（如图（tú）2）。StarLink星座单星（xīng）制造发射成本（běn）约（yuē）153万美元，单（dān）星（xīng）容量约21Gbps。低轨（guǐ）星座天然具有全（quán）球覆盖特性，然而地球表面（miàn）70%以上为海洋（yáng）和荒野，根据地表人（rén）口分（fèn）布估算其容量利用效率约25.1%，单星有效容（róng）量约5.36 Gbps。如果给（gěi）每个宽带用（yòng）户分配10Mbps容量，那（nà）么StarLink单星可服务（wù）约（yuē）536个（gè）用户，户均（jun1）覆盖费（fèi）用为2854美（měi）元。假设低轨星座用（yòng）户终（zhōng）端费（fèi）用（yòng）加安装费用（yòng）为550美元，则StarLink卫星（xīng）宽带户均总费用为3404美元。类（lèi）似可测算出OneWeb和蜂（fēng）窝宽带（dài）的户均费用（yòng）（如表（biǎo）1），其中蜂窝宽带采用（yòng）了（le）华为公（gōng）司的测算结果。

表 1 OneWeb、StarLink与蜂窝宽（kuān）带户均建设（shè）费用测算

图（tú） 2 蜂（fēng）窝宽带、光纤到（dào）户与StarLink宽（kuān）带户均建（jiàn）设费用对比（bǐ）

　　对比可（kě）知，在密集城区、一般城（chéng）区和郊区，StarLink卫星（xīng）宽带的户（hù）均建设费用高（gāo）于光纤，但（dàn）在农村地区比光（guāng）纤便宜，因（yīn）此非常（cháng）适合北（běi）美、澳洲等地（dì）的农（nóng）村地（dì）区。而OneWeb的（de）户均建（jiàn）设（shè）费用约16000美元（yuán），与（yǔ）StarLink相比不具（jù）竞争力。此外，蜂窝宽带的户（hù）均（jun1）建（jiàn）设费用仅为358美（měi）元（yuán），远远低（dī）于卫（wèi）星（xīng）宽带，但是（shì）蜂（fēng）窝宽（kuān）带（dài）依赖（lài）光纤进行回传，因此（cǐ）适合作为连接（jiē）最（zuì）后（hòu）一（yī）公里的辅（fǔ）助手（shǒu）段。根据建设费用进（jìn）行（háng）分（fèn）析（xī），低轨（guǐ）星（xīng）座的（de）宽带服（fú）务（wù）主（zhǔ）要适合北美（měi）、澳（ào）洲等地的农村地区。

　　1.2 容量密度比较　

　　对于蜂窝宽带、卫星宽带等无线通信系统（tǒng）而言，容（róng）量密度是衡量（liàng）系统性能的重（chóng）要维（wéi）度之（zhī）一。容量密度等于（yú）区（qū）域（yù）传输（shū）容量（liàng）除以区域面积（jī），决（jué）定了无线（xiàn）系统（tǒng）在单位面积内能够实现的并发传输容量。与（yǔ）蜂窝基站的多波束空分复用（yòng）技术相类（lèi）似，StarLink等低（dī）轨星（xīng）座也采（cǎi）用多点波束对（duì）地球（qiú）表（biǎo）面进行覆盖（如图3），两者的容（róng）量密度可用单波束容量除以（yǐ）单（dān）波（bō）束面积进行估算（如表2）。

　　图 3 卫（wèi）星波（bō）束与蜂窝基站覆盖方式对比（bǐ）

　　表 2 卫（wèi）星宽带与5G容量密度比较

　　从表（biǎo）2估算结果可知，StarLink的（de）容量密度为（wéi）2 Mbps/km2，比5G系统所能实现的540 Gbps/km2低5个（gè）数量（liàng）级。两者的差距主要由两方面原因造成：

　　1）低轨（guǐ）星座的频谱效率（lǜ）低（dī）于5G系统（tǒng）。地面蜂（fēng）窝基站高度约30 m，而StarLink等低（dī）轨（guǐ）星座轨道（dào）高度在550 km～1200 km，这导致（zhì）低轨星座（zuò）的路径损耗比蜂窝（wō）基站高50 dB以上。蜂窝基站在用户采用手机尺寸的接收机时，一（yī）般能获得6 bps/Hz以上的（de）频谱效率；而StarLink等低轨（guǐ）星座由于更高的（de）路径损耗，即使采用孔径约75 cm的接收（shōu）天线，频谱效率也只有2.5 bps/Hz左右。

　　2）低（dī）轨星座的单波束面积远（yuǎn）大于5G系统。StarLink卫（wèi）星在1 200 km的高度（dù）向地面投射的单波束直径（jìng）约60 km，面（miàn）积约2800 km2；OneWeb卫星（xīng）采用固定的狭长椭圆波束，其波（bō）束面（miàn）积（jī）约为75000 km2。蜂（fēng）窝基站由于（yú）高（gāo）度很低，其波束覆盖范（fàn）围（wéi）较小，例如在城市地区1km2内（nèi）安装三个5G基站，每个基（jī）站通过天线阵列产生（shēng）15个波（bō）束（shù），则每个波束（shù）的覆盖范围约1/45km2。低轨（guǐ）星座的容量密度较低（dī），导致（zhì）其难（nán）以满足城镇地区（qū）的传输需（xū）求，而更（gèng）适合农村（cūn）地区。世（shì）界主要城市的人（rén）口密度普（pǔ）遍在1000人/km2以上，假设平（píng）均每（měi）个用户需要10 Mbps容（róng）量，那么（me）需要的容量密度在10Gbps/km2上。国（guó）际（jì）标（biāo）准（zhǔn）规（guī）定4G、5G的流（liú）量密度峰值分别为100 Gbps/km2、10 Tbps/km2，能够满足城市地区容量密度需求，而（ér）低轨星座宽带则存在（zài）巨（jù）大差距（jù）。因此，低轨星（xīng）座宽带主要适用（yòng）于人口（kǒu）密度较低的农（nóng）村（cūn）地（dì）区。 

　　2 与地球静止轨道（dào）卫星的竞争

　　Starlink等新兴低轨星（xīng）座属于非地球静止轨道高通量卫星（Non-GEO HTS）的范畴，还面（miàn）临GEO-HTS的（de）竞争（zhēng）。低轨星座和GEO-HTS都（dōu）采用了高通量卫星（xīng）（HTS）技术，该技术（shù）通过多点波束（shù）和频（pín）率复用，单星容（róng）量比传统宽（kuān）波束（shù）卫星提升数十甚至数（shù）百倍（如（rú）图4）。

　　图 4 HTS系（xì）统与传（chuán）统卫星系统（tǒng）对比

　　低轨星座（zuò）与GEO-HTS代表实现高（gāo）容量卫星宽（kuān）带的两种（zhǒng）思路：低轨（guǐ）星座通（tōng）过成百数千（qiān）颗（kē）小（xiǎo）卫星实现整个星座（zuò）的高容量，GEO-HTS通过（guò）单颗大（dà）卫星（xīng）构造成百数千个（gè）点波束实现高（gāo）容量。受惠（huì）于比高轨卫星更（gèng）低的路径损耗，低轨卫星能够获得更高的（de）频谱效（xiào）率，例如低轨卫星StarLink频谱（pǔ）效率（lǜ）约（yuē）2.7 bps/Hz，GEO-HTS卫（wèi）星ViaSat-3约1.1 bps/Hz。但低轨星座（zuò）通常采用轻量级卫星，其（qí）波束数目和（hé）单星容量远比GEO-HTS低（如表3）。

　　表 3 不同卫星（xīng）波束参数对（duì）比

　　低轨星座与GEO-HTS都能实（shí）现（xiàn）全球覆（fù）盖，但是在传输（shū）时延（yán）、路径损耗、入轨成（chéng）本、卫星寿命等方面各有优劣（如表 4），下面从单位容量成本、地面终端（duān）配置、传输时延、落地监（jiān）管（guǎn）等方面进行重点分析。

　　表（biǎo） 4 GEO-HTS和低（dī）轨星座优劣势比较（jiào）

　　2.1 单位容量成本

　　卫星通信系（xì）统的单位容量成本，等于（yú）卫星星座（zuò）制造发射总成本除（chú）以系统（tǒng）有效容量。制造发射成本方面，低轨星座采用模块化、批量（liàng）化生产降（jiàng）低制造成（chéng）本，并（bìng）采用“一箭多星”发射技术大幅降低发射成（chéng）本。根据公开数据对制（zhì）造发（fā）射总成本进行估算，预计OneWeb第一期720颗卫星耗费24.2亿美元，StarLink第一期4425颗卫星耗（hào）费68亿美元；GEO-HTS卫星ViaSat-3三颗（kē）卫（wèi）星制造发（fā）射总成本约15亿（yì）美（měi）元。　　

　　系统（tǒng）有效（xiào）容量取决于（yú）系（xì）统总容（róng）量和利用效率。低轨星座（zuò）OneWeb和StarLink的系统总容量分别约为7.2 Tbps和94 Tbps，但低（dī）轨星座所（suǒ）有卫星都围绕（rào）地球（qiú）旋转，而地球表面（miàn）70%以上（shàng）的面积是海洋和荒野，因此（cǐ），低轨星座的容量利（lì）用（yòng）效率（lǜ）较低。根据地表人口分布模型估算（suàn），OneWeb和（hé）StarLink的（de）容量（liàng）利用效率分别约为21.7%和25.1%，因此，其星座（zuò）有效容（róng）量分（fèn）别约（yuē）为（wéi）1.56 Tbps和23.7 Tbps。GEO卫星相对于（yú）地表静止，可以将（jiāng）容量投送（sòng）到地面指定区域，卫星容量利用（yòng）效率可达60%，因此预计ViaSat-3三颗（kē）卫星总的有（yǒu）效容量为1.8 Tbps。

　　根据星座制造发射总（zǒng）成本和有效容量，可得OneWeb、StarLink和ViaSat-3的（de）单（dān）位容（róng）量成本分别约为（wéi）1 550 $/Mbps、287 $/Mbps和833 $/Mbps；考虑（lǜ）卫星（xīng）寿命（mìng）之后，三者（zhě）的单位容（róng）量月度成本分别约为25.9 $/Mbps、4.8 $/Mbps和（hé）4.6 $/Mbps/Mon（如（rú）表 5）。可见低（dī）轨星座StarLink的（de）单位（wèi）容量成本比GEO-HTS卫星ViaSat-3更低（dī），但考虑到卫（wèi）星寿命的区别后两者的单位容量月度成本（běn）基本相当。

　　表 5 低轨星（xīng）座和（hé）GEO-HTS单位容量成本（běn）测算

　　2.2 地面（miàn）终端配置

　　低轨卫星至地面用户（hù）的传输（shū）距离远小于（yú）GEO-HTS，在路径损耗方面具备约30 dB的优（yōu）势（shì）（如表6）。但GEO-HTS采用的（de）大卫星（xīng）平台（tái）支持更（gèng）大的发射功率，可以部分（fèn）弥补其（qí）路径损耗。例如，ViaSat-1卫（wèi）星（xīng）的等效全向辐射功率（EIRP）比StarLink卫星高24 dB，在采用增益与系统噪声温（wēn）度比（G/T）值同为12 dB/K左右的（de）用户终端时，ViaSat-1用户（hù）接收机的载波噪（zào）声比（C/N）比StarLink低7 dB，因（yīn）此，其频谱（pǔ）效率（lǜ）更低（dī）。换（huàn）言之，低（dī）轨（guǐ）卫（wèi）星在地表的信号强度比GEO-HTS约高7 dB，若要（yào）实现相同的频谱效率，其用（yòng）户终（zhōng）端天线孔径（jìng）约为GEO-HTS的一（yī）半。表 6 低轨星座和（hé）GEO-HTS用户下行链路预算（suàn）注：未查到（dào）ViaSat-3卫星的链（liàn）路预算资（zī）料，用ViaSat-1卫星的（de）进行估计。　

　　表 6 低轨星座（zuò）和（hé）GEO-HTS用户下行链路预算

　　虽然低轨星座支持更小（xiǎo）孔径（jìng）的用（yòng）户终端，但由于低轨卫（wèi）星（xīng）相对（duì）于地球（qiú）表面高速运动（dòng），对用（yòng）户终端（duān）的波束跟踪性能要求更高。GEO-HTS相对地面静止，地面固定终端可以使用静态抛（pāo）物面天线，船载（zǎi）低速移动终端（duān）可以（yǐ）使用机械调向抛物面天（tiān）线（xiàn），机载高速移动终端需要使用（yòng）相控阵平板天线；低轨卫星相对地面高速运动，卫星过顶（dǐng）时间在20 min以（yǐ）内（nèi），因（yīn）此，其地面固定终端（duān）也必须（xū）使用平板天线。但是目前平（píng）板（bǎn）天线价格普遍在1 000美（měi）元以上，远高于50美元左右的抛（pāo）物面天线，因此，在（zài）卫星（xīng）互联网接（jiē）入需求最大（dà）的消费者（zhě）宽带领域，低轨星座的竞争力极大依赖于低（dī）成本平板天（tiān）线（xiàn）的研（yán）发进度。公开资料显（xiǎn）示（shì），StarLink用户终端采用了（le）机械调向的平板天线，直径约48 cm，但其（qí）价格和性能（néng）能否与GEO-HTS的抛物面天线竞争仍有待观察。2.3 传输时延　　

　　卫（wèi）星（xīng）宽带传输链路由“数据中心→卫星（xīng）→用户（hù）”的前向链路和“用户→卫星（xīng）→数据中心”的反向（xiàng）链路构成。GEO-HTS传输往（wǎng）返时延（yán）的（de）理论最低（dī）值（zhí）为（wéi）477 ms，加上数据处理时（shí）延等（děng）因素之后，实际往返时延（yán）约600 ms。OneWeb、StarLink等低轨卫星轨（guǐ）道高度约为GEO-HTS的1/30，因此（cǐ），其往返时延有望控制在30 ms以内，接近地面光纤网络（luò）的水平（píng）。

　　然而，低轨星座的低时延优势在消费者宽带市场的（de）价值有限：

　　1）目前大（dà）部分宽带应用对时延并不（bú）敏感，GEO-HTS系统采用TCP应答削减、报头压缩、应用层加速等技术手段之后（hòu），同样能够满足网页浏览（lǎn）、视频直（zhí）播、音视频通话（huà）等（děng）宽带应（yīng）用的需求；

　　2）对（duì）于网络游戏、金（jīn）融交易、虚拟（nǐ）现实（shí）等时延敏感业务，低轨星座确实优于GEO-HTS，但这些（xiē）业务也是地面光纤和5G的优（yōu）势领域；

　　3）低时（shí）延主要是发达地区（qū）的需求，而卫星（xīng）宽带主要面向（xiàng）缺（quē）乏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意愿（yuàn）有限。

　　2.4 落地监管

　　GEO-HTS的波束（shù）覆盖范围可（kě）以（yǐ）预先设定，但是低轨星（xīng）座天然具有全球无缝覆盖的（de）特（tè）点，如果只限于服务少数国（guó）家（jiā）或地（dì）区将造成巨大的容量浪费。前文（wén）在假设可以（yǐ）获准进入全球市场的情况下，分析得出StarLink星（xīng）座（zuò）的有效容量为23.7 Tbps，单位容（róng）量（liàng）月度成本为4.8 $/Mbps。假设（shè）StarLink获准（zhǔn）进入的全球市场比（bǐ）例（lì）为α，那么其有效容（róng）量将变为23.7αTbps，单（dān）位容量月度成本将变为4.8/α $/Mbps（如图 5）。由此可（kě）见，全球市场（chǎng）准入比例对（duì）于低轨星座的单位容（róng）量成本影响（xiǎng）巨大，如果准入（rù）比例过低将（jiāng）显著推高其单位容量（liàng）成（chéng）本。

　　实际上，世界（jiè）各国（guó）的基（jī）础电信运营均受一定程度的监管，在目前贸易保护主义盛行的（de）国际形势下，外国卫星宽带在他国落（luò）地面临更大困难。例如，2019年8月OneWeb向俄罗（luó）斯申请无线电频率，但（dàn）未获批准。因此，全球落地监管是（shì）低轨星座面临的另一（yī）个严峻挑战。

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

　　3 发展前景分析

　　低轨星座面临光纤宽带（dài）、蜂窝宽带等地（dì）面网络，以及GEO-HTS的多重（chóng）竞争（zhēng），在建设（shè）费用、容量密度（dù）、地（dì）面（miàn）终端配置、传输时延等方面各有优劣，这决定它们（men）具有不同的适用（yòng）领域，同时也决定了低轨星座的潜在市（shì）场容（róng）量和发展前景。

　　3.1 卫星宽带（dài）的（de）市（shì）场容量上限

　　与蜂窝宽带相比（bǐ），卫星宽带（dài）的户均覆盖费用、用（yòng）户（hù）终端（duān）费用、频谱效率、容（róng）量（liàng）密度等方面均有劣势，因此卫星宽带（dài）的潜在（zài）市（shì）场是缺乏（fá）蜂窝覆盖的地区。Greg Wyler在创立O3b和（hé）OneWeb的过程中，始终（zhōng）以通过卫星“连接未连接者（zhě）”为使（shǐ）命。然而，过去（qù）十年中3G/4G蜂窝网络在提供宽（kuān）带（dài）连接方面（miàn）更有成（chéng）效（xiào）（如图（tú）6）。在OneWeb成立的2012年，未被3G信号覆（fù）盖（gài）的人口约34亿（yì），意味着全球至少有34亿人缺乏接入宽带的机会，这也（yě）正是Greg Wyler创（chuàng）立（lì）O3b公司时试（shì）图（tú）连接的“另外30亿人（rén）”。到OneWeb、StarLink等低轨星座开始发射卫星的（de）2019年，虽然只有53%的（de）人口（kǒu）使用（yòng）互联网，但93%的人口已（yǐ）被（bèi）3G以上信（xìn）号覆盖、82%的（de）人（rén）口已被4G信号（hào）覆盖。换（huàn）言之，真正由于无法连接而（ér）不能使用互联网的人（rén）口占比（bǐ）不足7%，总数约（yuē）5亿（yì）。此外，根据（jù）咨询公司NSR的估计，2019年全球（qiú）卫星宽带的潜在（zài）用户数为4.33亿（yì），目（mù）前卫星宽（kuān）带在这部分人群（qún）中渗（shèn）透率（lǜ）约（yuē）0.63%。因（yīn）此（cǐ），目前全球卫星宽带市场容量上限约4亿（yì）用户。

　　图（tú） 6 2007-2019全（quán）球蜂（fēng）窝网络覆（fù）盖（gài）情况

　　3.2 低（dī）轨星（xīng）座民用市场前景

　　虽然全球卫星（xīng）宽带的潜在用户（hù）数只有（yǒu）4亿左（zuǒ）右，但对（duì）于卫星宽带而言已（yǐ）经足够。例如，OneWeb、StarLink和ViaSat-3三个星座有效容量（liàng）分别为（wéi）1.56 Tbps、23.7 Tbps、1.8 Tbps左（zuǒ）右，按照人均10 Mbps的标准（zhǔn），支持的用户（hù）数上限（xiàn）分别为（wéi）15.6万（wàn）、237万（wàn）、18万。因此（cǐ），虽然面临光（guāng）纤到户、蜂窝宽带等地面网络的挤（jǐ）压，卫星宽带仍（réng）然具有可观的市场（chǎng）空间，关键（jiàn）在于其（qí）性（xìng）能和（hé）价格是否符合市场需求。

　　在综合（hé）成（chéng）本方面（miàn），低轨（guǐ）星座（zuò）相比于GEO-HTS处于劣势。首先，单位容量月度成本方面（见表5），StarLink等低轨星（xīng）座处于价格劣势，进一步考（kǎo）虑落地监管的因素（sù）（见图（tú）5），StarLink等（děng）低轨星（xīng）座的价格劣势可能会更严重；其次（cì），在消费者宽带市场，低轨星座地面终（zhōng）端（duān）所依赖的相控（kòng）阵平板天（tiān）线的价格，目前远高于GEO-HTS所依（yī）赖的抛物面（miàn）天线（xiàn），因此，低轨星座在（zài）综（zōng）合成本方面处于劣（liè）势，导致其市（shì）场竞争力低于GEO-HTS。例如，根据咨询公司NSR对全球HTS容量和服务总营收的预测（如图7），2018—2028年全球Non-GEO HTS的累（lèi）计营收不足GEO-HTS的（de）四（sì）分之一。

　　图 7 NSR对全球高（gāo）通量（liàng）卫星营收的预测

　　另一方（fāng）面，政府补（bǔ）贴可能会扭转低轨（guǐ）星座的成本劣势。美国联邦通信委员会（huì）成立了总额204亿（yì）美元的“农村数字（zì）机遇（yù）基（jī）金”，将在2020—2030年资（zī）助（zhù）美国农村地区的（de）宽带（dài）建设，有（yǒu）可能将时延低于100 ms的低轨卫星宽带纳入（rù）补贴范围（wéi），而将GEO-HTS排除在外。政府补贴有可能扭转低（dī）轨星（xīng）座的（de）成本劣（liè）势（shì）。例如（rú），计划发射Jupiter-3的休（xiū）斯公司和ViaSat-3的（de）卫讯（xùn）公司，曾经（jīng）一致认（rèn）为GEO-HTS比低轨星座更具竞争优势，但也承认政府补贴将使低（dī）轨星座同（tóng）样有利可图。为了（le）争取政府补贴，休斯公司已（yǐ）经向OneWeb注资（zī）5 000万美元，卫讯（xùn）公司则（zé）申请（qǐng）建设一个288颗（kē）卫（wèi）星的低轨星座。

　　3.3 低轨星座军事应用前景

　　在（zài）民用（yòng）领域，低轨星座只是地面（miàn）网（wǎng）络的补充（chōng）；在军事领（lǐng）域，低轨星座凭借其优（yōu）良的全球覆盖特（tè）性、低传输时（shí）延（yán）、高抗毁性、支持小（xiǎo）孔径接收天（tiān）线等优势，具有广阔的应用前景。美国一直将商业（yè）通信卫星（xīng）作为其军用卫星能力（lì）的重（chóng）要补充：截止2018年底，美国（guó）国防信息系（xì）统局管辖的商业卫（wèi）星通信服务采购总额（é）高达45亿美元；2019年（nián）美国军队采购（gòu）的商业卫（wèi）星容量为40 Gbps，相当于其军用卫星容量的70%。

　　由于与（yǔ）军（jun1）事（shì）需求高度匹配，StarLink等新兴商（shāng）业低轨星座已经（jīng）引（yǐn）起美（měi）国军（jun1）方（fāng）的（de）高度重视。美国空军研究实验室2017年（nián）启动（dòng）了“商业天基互联网军用实验”项目，旨（zhǐ）在利（lì）用（yòng）新兴商业低（dī）轨（guǐ）星座（zuò）为空军（jun1）构建全球覆盖的高可用性、高弹性、大带宽、低时延（yán）的（de）通（tōng）信（xìn）基础设（shè）施（shī），并于2019年（nián）3月向SpaceX公司授予价值2800万美元的合同，开展（zhǎn）StarLink星座军用演（yǎn）示验证。此外（wài），美国国防高（gāo）级研究计划局2018年发起（qǐ）了“黑（hēi）杰克”项目，旨（zhǐ）在利（lì）用商业低（dī）轨（guǐ）星座的（de）技（jì）术积（jī）累和（hé）成果，发（fā）展搭载导弹（dàn）探测、导航授时、军事通（tōng）信等多种（zhǒng）任务载荷（hé）的军用低轨星座；军用星座将部署在商业低轨（guǐ）星座附近，并与（yǔ）其建立星间链路以利用其全球（qiú）宽带（dài）传（chuán）输（shū）能力（lì）。因（yīn）此，StarLink等低轨（guǐ）星座有可能成为（wéi）美（měi）国的关（guān）键（jiàn）军事（shì）基础设施，来自军事应用的收入将为（wéi）其提（tí）供重要支撑。

　　结 语

　　受益于火箭（jiàn）重复利用、一（yī）箭（jiàn）多星（xīng）发射、规模化（huà）卫（wèi）星制（zhì）造、高通量卫星等技术的巨大进步（bù），低（dī）轨（guǐ）卫星通信星座迎来（lái）了新（xīn）一轮（lún）发展浪潮。虽然低轨（guǐ）卫星（xīng）的制造（zào）发射成本已经（jīng）显著降低，但（dàn）是在城镇地区卫星宽带户均建（jiàn）设（shè）费用仍（réng）然高于光（guāng）纤到户，仅在（zài）农村地区（qū）才有可（kě）能比（bǐ）光纤便宜。与地面蜂窝网络相（xiàng）比，卫（wèi）星宽（kuān）带（dài）的频谱效率较低、波束（shù）面积极（jí）大，导（dǎo）致其容（róng）量密度极低，无法满（mǎn）足（zú）城镇地（dì）区的容（róng）量需求。地面（miàn）蜂窝网络（luò）不断拓展，目（mù）前全球（qiú）93%人口已（yǐ）被3G以上网络覆盖，因此全球（qiú）卫星（xīng）宽带市场容量上（shàng）限约4亿用户。在有限的卫星宽带市场内，低轨星座面临GEO-HTS的竞争，二者在单（dān）位容（róng）量成（chéng）本、地面终端配置、传输时（shí）延、落地监（jiān）管等方（fāng）面各有优劣。在消费（fèi）者宽带市场，缺乏低成本平板天线（xiàn）使得低（dī）轨星座处（chù）于劣势，但（dàn）低时延优势使得低轨星座有可能获取（qǔ）美国（guó）政府的宽带补（bǔ）贴，将有可能扭转其（qí）成本劣势（shì）。在军事应用（yòng）市场（chǎng），StarLink等低轨星座凭（píng）借（jiè）其（qí）全（quán）球覆盖（gài）、传输（shū）时延低、抗（kàng）毁性强等优势，有可能成为美国军事领（lǐng）域的（de）关键基（jī）础设施，具备广（guǎng）阔的发展空间。

　　【参考文献】

　　[1] 陈山枝. 关（guān）于低轨卫星通信的分析（xī）及我国的（de）发展建议[J]. 电信科（kē）学（xué）, 2020,36(6):1-13.

　　[2] ITU. Measuring digital development: Facts and figures[R]. [s.n.]: IUT, 2019.

　　[3] 蓝天翼. 从两代非（fēi）地（dì）球同步轨道通（tōng）信卫星星座系（xì）统看商业航（háng）天发展[J]. 国际太空, 2017(3):7-15.

　　[4] Huawei. 4G/5G FWA broadband white paper[R]. Zurich: Huawei, 2019.

　　[5] FWA. All-Fiber deployment cost study 2019[R]. [s.n.]: FWA,2019.

　　[6] PORTILLO D I, CAMERON B G, CRAWLEY E F. A technical comparison of three low earth orbit satellite constellation systems to provide global broadband[J]. Acta Astronautica, 2019, 159: 123-135.

　　[7] THOMAS B. Major agglomerations of the World[R]. [s.n.]: City Population. 2017.

　　[8] 王安（ān）, 李文娟, 欧（ōu）阳轩宇. 5G全球发展经验对我（wǒ）国运营商的启（qǐ）示[J]. 通（tōng）信企业（yè）管（guǎn）理（lǐ）, 2017(7):13-18.

　　[9] 李峰, 邓恒, 田野，等. 我国（guó）宽带通信卫星系统发（fā）展建（jiàn）议[C]//第十四届卫星（xīng）通信学术年会. 北京: 中国通信学会（huì）卫星通信委员会，2018.

　　[10] 中金（jīn）公司（sī）. 星（xīng）链是泡沫还（hái）是革命[R]. 北京：中金公司，2020.

　　[11] PORTILLO D I, CAMERON B G, CRAWLEY E F. A technical comparison of three low earth orbit satellite constellation systems to provide global broadband[J]. Acta Astronautica, 2019, 159: 123-135.

　　[12] 孙晨华,章（zhāng）劲松,赵（zhào）伟松,等（děng）.高低轨宽带（dài）卫星通（tōng）信系统（tǒng）特点对比分（fèn）析[J].无线电通信技术,2020,46(5):505-510.

　　[13] BRODKIN J. Details on SpaceX Starlink beta emerge along with photos of user terminals[N]. Arstechnica, 2020-07-16.

　　[14] NSR. VSAT and Broadband Satellite Market, 18th Edition[R]. [s.n.]: NSR, 2019.

　　[15] NSR. Satellite constellations: A critical assessment, 2nd edition[R]. [s.n.]: NSR, 2019.

　　[16] HENRY C. Hughes views OneWeb stake as key to FCC broadband subsidies[N]. Space News, 2020-8-12.

　　[17] HENRY C. Viasat, lured by broadband subsidy opportunity, eyes 300-satellite LEO constellation[N]. Space News, 2020-5-28.

　　[18] 链星. 美军利（lì）用商业低轨通信星座的新动向分析[J]. 国际太空, 2019(5):8-14.

　　[19] NSR. Government & Military Satellite Communications, 16th Edition[R]. [s.n.]: NSR, 2019.

　　[20] ERWIN S. Air Force enthusiastic about commercial LEO broadband after successful tests[N]. Space News, 2019.11.5.

　　[21] DARPA. Blackjack[EB/OL]. [2020-07-18].https://www.darpa.mil/program/blackjack.