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新興低軌衛(wèi)星通信星座發(fā)展
摘 要：SpaceX、OneWeb等公司計(jì)劃建造大型低軌衛(wèi)星通信星座，以提供全球?qū)拵Ы尤?。與90年代的低軌星座浪潮相比，新興星座主要具備以下優(yōu)勢(shì)：批量化、模塊化生產(chǎn)降低了衛(wèi)星制造成本，火箭重復(fù)利用和“一箭多星”技術(shù)降低了發(fā)射成本。然而，低軌星座面臨快速發(fā)展的地面網(wǎng)絡(luò)以及地球靜止軌道高通量衛(wèi)星的激烈競(jìng)爭(zhēng)。文中從建設(shè)費(fèi)用、容量密度、地面終端等方面對(duì)這三類(lèi)系統(tǒng)進(jìn)行比較，分析各自的優(yōu)劣，并分別從民用市場(chǎng)和軍事應(yīng)用兩個(gè)方面，分析新興低軌星座的發(fā)展前景。
關(guān)鍵詞: 低軌星座；高通量衛(wèi)星；星鏈；一網(wǎng)
引 言
以O(shè)neWeb、StarLink為代表的新興低軌（LEO）衛(wèi)星通信星座迅猛發(fā)展，旨在通過(guò)覆蓋全球的寬帶連接能力，與地面網(wǎng)絡(luò)爭(zhēng)奪互聯(lián)網(wǎng)入口。與1990年代的銥星等低軌星座相比，新興低軌星座擁有多種發(fā)展優(yōu)勢(shì)：火箭重復(fù)利用和“一箭多星”技術(shù)極大降低了衛(wèi)星發(fā)射成本；集成電路技術(shù)的進(jìn)步促成了衛(wèi)星的模塊化、組件化和小型化，顯著降低了衛(wèi)星的尺寸、質(zhì)量、功耗和研制成本；批量化、模塊化衛(wèi)星制造技術(shù)顯著降低了衛(wèi)星的制造成本。然而，來(lái)自地面網(wǎng)絡(luò)的競(jìng)爭(zhēng)也日趨激烈，尤其是千兆級(jí)光纖網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)開(kāi)啟大規(guī)模商用，3G、4G無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)分別覆蓋全球93%、82%的人口，5G無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)也已經(jīng)開(kāi)始大規(guī)模部署。因此，新興低軌衛(wèi)星通信星座發(fā)展前景仍然存在不確定性。
本文將從建設(shè)費(fèi)用、容量密度等方面分析低軌星座與地面網(wǎng)絡(luò)的競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)，從單位容量成本、地面終端配置、傳輸時(shí)延、落地監(jiān)管等方面對(duì)比低軌星座與地球靜止軌道高通量衛(wèi)星（GEO-HTS）的優(yōu)劣，并結(jié)合民用市場(chǎng)以及軍事應(yīng)用的特點(diǎn)和趨勢(shì)，研究新興低軌衛(wèi)星通信星座的發(fā)展前景。
1 與地面網(wǎng)絡(luò)的競(jìng)爭(zhēng)
光纖、蜂窩無(wú)線(xiàn)通信等地面通信技術(shù)，是低軌星座無(wú)法回避的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。1990—2000年，“銥星”、“全球星”、“軌道通信”等多個(gè)低軌星座計(jì)劃被提出，旨在提供全球無(wú)縫覆蓋的便攜式衛(wèi)星電話(huà)服務(wù)。三大星座的設(shè)計(jì)指標(biāo)達(dá)到了同時(shí)期地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)的水平，并具有全球無(wú)縫覆蓋的優(yōu)勢(shì)，因此吸引了廣泛關(guān)注。但在三大星座投入建設(shè)的十年間，地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)逐漸從2G演化到3G，手機(jī)終端價(jià)格和流量資費(fèi)不斷降低，衛(wèi)星通信除了覆蓋范圍廣的優(yōu)勢(shì)之外，終端成本、通信速率等方面均處于劣勢(shì)，導(dǎo)致三大衛(wèi)星通信公司先后經(jīng)歷了破產(chǎn)重組。雖然三個(gè)星座最終都起死回生，但占據(jù)的無(wú)線(xiàn)通信市場(chǎng)份額遠(yuǎn)小于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，2015年三大星座的用戶(hù)總數(shù)才達(dá)到380萬(wàn)，而同時(shí)期全球蜂窩移動(dòng)用戶(hù)數(shù)量為73億。
與第一代低軌星座以話(huà)音服務(wù)為主不同，OneWeb、StarLink等新興低軌星座主要提供衛(wèi)星寬帶服務(wù)，但其瞄準(zhǔn)的消費(fèi)者寬帶市場(chǎng)面臨光纖到戶(hù)（FTTH）、蜂窩寬帶等地面網(wǎng)絡(luò)的競(jìng)爭(zhēng)（如圖1）。其中，光纖到戶(hù)的優(yōu)勢(shì)是通信容量大，劣勢(shì)是在偏遠(yuǎn)地區(qū)鋪設(shè)成本較高；蜂窩寬帶通過(guò)基站的無(wú)線(xiàn)信號(hào)實(shí)現(xiàn)寬帶接入，通信容量一般低于光纖，優(yōu)點(diǎn)是最后一公里無(wú)需鋪設(shè)線(xiàn)纜。低軌星座天然具備全球覆蓋的優(yōu)勢(shì)，且接入成本與地域是否偏遠(yuǎn)無(wú)關(guān)，但其能否贏得與地面網(wǎng)絡(luò)的競(jìng)爭(zhēng)仍屬未知，下面從建設(shè)費(fèi)用、容量密度兩方面展開(kāi)分析。
圖 1 衛(wèi)星寬帶、光纖到戶(hù)與蜂窩寬帶示意圖1.1 建設(shè)費(fèi)用比較
寬帶網(wǎng)絡(luò)每條用戶(hù)線(xiàn)路的建設(shè)費(fèi)用等于戶(hù)均覆蓋費(fèi)用與戶(hù)均連接費(fèi)用之和。戶(hù)均覆蓋費(fèi)用等于網(wǎng)絡(luò)建設(shè)費(fèi)用除以用戶(hù)數(shù)，因此在用戶(hù)密度越高的地區(qū)其值越低。戶(hù)均連接費(fèi)用等于用戶(hù)終端費(fèi)用與安裝費(fèi)用之和，在用戶(hù)首次開(kāi)通服務(wù)時(shí)產(chǎn)生。
根據(jù)美國(guó)光纖寬帶協(xié)會(huì)的研究，2019年美國(guó)光纖到戶(hù)的戶(hù)均建設(shè)費(fèi)用在密集城區(qū)、一般城區(qū)、郊區(qū)、農(nóng)村分別為1218、1863、2737、4206美元（如圖2）。StarLink星座單星制造發(fā)射成本約153萬(wàn)美元，單星容量約21Gbps。低軌星座天然具有全球覆蓋特性，然而地球表面70%以上為海洋和荒野，根據(jù)地表人口分布估算其容量利用效率約25.1%，單星有效容量約5.36 Gbps。如果給每個(gè)寬帶用戶(hù)分配10Mbps容量，那么StarLink單星可服務(wù)約536個(gè)用戶(hù)，戶(hù)均覆蓋費(fèi)用為2854美元。假設(shè)低軌星座用戶(hù)終端費(fèi)用加安裝費(fèi)用為550美元，則StarLink衛(wèi)星寬帶戶(hù)均總費(fèi)用為3404美元。類(lèi)似可測(cè)算出OneWeb和蜂窩寬帶的戶(hù)均費(fèi)用（如表1），其中蜂窩寬帶采用了華為公司的測(cè)算結(jié)果。
表 1 OneWeb、StarLink與蜂窩寬帶戶(hù)均建設(shè)費(fèi)用測(cè)算
圖 2 蜂窩寬帶、光纖到戶(hù)與StarLink寬帶戶(hù)均建設(shè)費(fèi)用對(duì)比
對(duì)比可知，在密集城區(qū)、一般城區(qū)和郊區(qū)，StarLink衛(wèi)星寬帶的戶(hù)均建設(shè)費(fèi)用高于光纖，但在農(nóng)村地區(qū)比光纖便宜，因此非常適合北美、澳洲等地的農(nóng)村地區(qū)。而OneWeb的戶(hù)均建設(shè)費(fèi)用約16000美元，與StarLink相比不具競(jìng)爭(zhēng)力。此外，蜂窩寬帶的戶(hù)均建設(shè)費(fèi)用僅為358美元，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于衛(wèi)星寬帶，但是蜂窩寬帶依賴(lài)光纖進(jìn)行回傳，因此適合作為連接最后一公里的輔助手段。根據(jù)建設(shè)費(fèi)用進(jìn)行分析，低軌星座的寬帶服務(wù)主要適合北美、澳洲等地的農(nóng)村地區(qū)。
1.2 容量密度比較
對(duì)于蜂窩寬帶、衛(wèi)星寬帶等無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)而言，容量密度是衡量系統(tǒng)性能的重要維度之一。容量密度等于區(qū)域傳輸容量除以區(qū)域面積，決定了無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)在單位面積內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)的并發(fā)傳輸容量。與蜂窩基站的多波束空分復(fù)用技術(shù)相類(lèi)似，StarLink等低軌星座也采用多點(diǎn)波束對(duì)地球表面進(jìn)行覆蓋（如圖3），兩者的容量密度可用單波束容量除以單波束面積進(jìn)行估算（如表2）。
圖 3 衛(wèi)星波束與蜂窩基站覆蓋方式對(duì)比
表 2 衛(wèi)星寬帶與5G容量密度比較
從表2估算結(jié)果可知，StarLink的容量密度為2 Mbps/km2，比5G系統(tǒng)所能實(shí)現(xiàn)的540 Gbps/km2低5個(gè)數(shù)量級(jí)。兩者的差距主要由兩方面原因造成：
1）低軌星座的頻譜效率低于5G系統(tǒng)。地面蜂窩基站高度約30 m，而StarLink等低軌星座軌道高度在550 km～1200 km，這導(dǎo)致低軌星座的路徑損耗比蜂窩基站高50 dB以上。蜂窩基站在用戶(hù)采用手機(jī)尺寸的接收機(jī)時(shí)，一般能獲得6 bps/Hz以上的頻譜效率；而StarLink等低軌星座由于更高的路徑損耗，即使采用孔徑約75 cm的接收天線(xiàn)，頻譜效率也只有2.5 bps/Hz左右。
2）低軌星座的單波束面積遠(yuǎn)大于5G系統(tǒng)。StarLink衛(wèi)星在1 200 km的高度向地面投射的單波束直徑約60 km，面積約2800 km2；OneWeb衛(wèi)星采用固定的狹長(zhǎng)橢圓波束，其波束面積約為75000 km2。蜂窩基站由于高度很低，其波束覆蓋范圍較小，例如在城市地區(qū)1km2內(nèi)安裝三個(gè)5G基站，每個(gè)基站通過(guò)天線(xiàn)陣列產(chǎn)生15個(gè)波束，則每個(gè)波束的覆蓋范圍約1/45km2。低軌星座的容量密度較低，導(dǎo)致其難以滿(mǎn)足城鎮(zhèn)地區(qū)的傳輸需求，而更適合農(nóng)村地區(qū)。世界主要城市的人口密度普遍在1000人/km2以上，假設(shè)平均每個(gè)用戶(hù)需要10 Mbps容量，那么需要的容量密度在10Gbps/km2上。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定4G、5G的流量密度峰值分別為100 Gbps/km2、10 Tbps/km2，能夠滿(mǎn)足城市地區(qū)容量密度需求，而低軌星座寬帶則存在巨大差距。因此，低軌星座寬帶主要適用于人口密度較低的農(nóng)村地區(qū)。
2 與地球靜止軌道衛(wèi)星的競(jìng)爭(zhēng)
Starlink等新興低軌星座屬于非地球靜止軌道高通量衛(wèi)星（Non-GEO HTS）的范疇，還面臨GEO-HTS的競(jìng)爭(zhēng)。低軌星座和GEO-HTS都采用了高通量衛(wèi)星（HTS）技術(shù)，該技術(shù)通過(guò)多點(diǎn)波束和頻率復(fù)用，單星容量比傳統(tǒng)寬波束衛(wèi)星提升數(shù)十甚至數(shù)百倍（如圖4）。
圖 4 HTS系統(tǒng)與傳統(tǒng)衛(wèi)星系統(tǒng)對(duì)比
低軌星座與GEO-HTS代表實(shí)現(xiàn)高容量衛(wèi)星寬帶的兩種思路：低軌星座通過(guò)成百數(shù)千顆小衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)整個(gè)星座的高容量，GEO-HTS通過(guò)單顆大衛(wèi)星構(gòu)造成百數(shù)千個(gè)點(diǎn)波束實(shí)現(xiàn)高容量。受惠于比高軌衛(wèi)星更低的路徑損耗，低軌衛(wèi)星能夠獲得更高的頻譜效率，例如低軌衛(wèi)星StarLink頻譜效率約2.7 bps/Hz，GEO-HTS衛(wèi)星ViaSat-3約1.1 bps/Hz。但低軌星座通常采用輕量級(jí)衛(wèi)星，其波束數(shù)目和單星容量遠(yuǎn)比GEO-HTS低（如表3）。
表 3 不同衛(wèi)星波束參數(shù)對(duì)比
低軌星座與GEO-HTS都能實(shí)現(xiàn)全球覆蓋，但是在傳輸時(shí)延、路徑損耗、入軌成本、衛(wèi)星壽命等方面各有優(yōu)劣（如表 4），下面從單位容量成本、地面終端配置、傳輸時(shí)延、落地監(jiān)管等方面進(jìn)行重點(diǎn)分析。
表 4 GEO-HTS和低軌星座優(yōu)劣勢(shì)比較
2.1 單位容量成本
衛(wèi)星通信系統(tǒng)的單位容量成本，等于衛(wèi)星星座制造發(fā)射總成本除以系統(tǒng)有效容量。制造發(fā)射成本方面，低軌星座采用模塊化、批量化生產(chǎn)降低制造成本，并采用“一箭多星”發(fā)射技術(shù)大幅降低發(fā)射成本。根據(jù)公開(kāi)數(shù)據(jù)對(duì)制造發(fā)射總成本進(jìn)行估算，預(yù)計(jì)OneWeb第一期720顆衛(wèi)星耗費(fèi)24.2億美元，StarLink第一期4425顆衛(wèi)星耗費(fèi)68億美元；GEO-HTS衛(wèi)星ViaSat-3三顆衛(wèi)星制造發(fā)射總成本約15億美元。
系統(tǒng)有效容量取決于系統(tǒng)總?cè)萘亢屠眯?。低軌星座OneWeb和StarLink的系統(tǒng)總?cè)萘糠謩e約為7.2 Tbps和94 Tbps，但低軌星座所有衛(wèi)星都圍繞地球旋轉(zhuǎn)，而地球表面70%以上的面積是海洋和荒野，因此，低軌星座的容量利用效率較低。根據(jù)地表人口分布模型估算，OneWeb和StarLink的容量利用效率分別約為21.7%和25.1%，因此，其星座有效容量分別約為1.56 Tbps和23.7 Tbps。GEO衛(wèi)星相對(duì)于地表靜止，可以將容量投送到地面指定區(qū)域，衛(wèi)星容量利用效率可達(dá)60%，因此預(yù)計(jì)ViaSat-3三顆衛(wèi)星總的有效容量為1.8 Tbps。
根據(jù)星座制造發(fā)射總成本和有效容量，可得OneWeb、StarLink和ViaSat-3的單位容量成本分別約為1 550 $/Mbps、287 $/Mbps和833 $/Mbps；考慮衛(wèi)星壽命之后，三者的單位容量月度成本分別約為25.9 $/Mbps、4.8 $/Mbps和4.6 $/Mbps/Mon（如表 5）?？梢?jiàn)低軌星座StarLink的單位容量成本比GEO-HTS衛(wèi)星ViaSat-3更低，但考慮到衛(wèi)星壽命的區(qū)別后兩者的單位容量月度成本基本相當(dāng)。
表 5 低軌星座和GEO-HTS單位容量成本測(cè)算
2.2 地面終端配置
低軌衛(wèi)星至地面用戶(hù)的傳輸距離遠(yuǎn)小于GEO-HTS，在路徑損耗方面具備約30 dB的優(yōu)勢(shì)（如表6）。但GEO-HTS采用的大衛(wèi)星平臺(tái)支持更大的發(fā)射功率，可以部分彌補(bǔ)其路徑損耗。例如，ViaSat-1衛(wèi)星的等效全向輻射功率（EIRP）比StarLink衛(wèi)星高24 dB，在采用增益與系統(tǒng)噪聲溫度比（G/T）值同為12 dB/K左右的用戶(hù)終端時(shí)，ViaSat-1用戶(hù)接收機(jī)的載波噪聲比（C/N）比StarLink低7 dB，因此，其頻譜效率更低。換言之，低軌衛(wèi)星在地表的信號(hào)強(qiáng)度比GEO-HTS約高7 dB，若要實(shí)現(xiàn)相同的頻譜效率，其用戶(hù)終端天線(xiàn)孔徑約為GEO-HTS的一半。表 6 低軌星座和GEO-HTS用戶(hù)下行鏈路預(yù)算注：未查到ViaSat-3衛(wèi)星的鏈路預(yù)算資料，用ViaSat-1衛(wèi)星的進(jìn)行估計(jì)?！?/p>
表 6 低軌星座和GEO-HTS用戶(hù)下行鏈路預(yù)算
雖然低軌星座支持更小孔徑的用戶(hù)終端，但由于低軌衛(wèi)星相對(duì)于地球表面高速運(yùn)動(dòng)，對(duì)用戶(hù)終端的波束跟蹤性能要求更高。GEO-HTS相對(duì)地面靜止，地面固定終端可以使用靜態(tài)拋物面天線(xiàn)，船載低速移動(dòng)終端可以使用機(jī)械調(diào)向拋物面天線(xiàn)，機(jī)載高速移動(dòng)終端需要使用相控陣平板天線(xiàn)；低軌衛(wèi)星相對(duì)地面高速運(yùn)動(dòng)，衛(wèi)星過(guò)頂時(shí)間在20 min以?xún)?nèi)，因此，其地面固定終端也必須使用平板天線(xiàn)。但是目前平板天線(xiàn)價(jià)格普遍在1 000美元以上，遠(yuǎn)高于50美元左右的拋物面天線(xiàn)，因此，在衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)接入需求最大的消費(fèi)者寬帶領(lǐng)域，低軌星座的競(jìng)爭(zhēng)力極大依賴(lài)于低成本平板天線(xiàn)的研發(fā)進(jìn)度。公開(kāi)資料顯示，StarLink用戶(hù)終端采用了機(jī)械調(diào)向的平板天線(xiàn)，直徑約48 cm，但其價(jià)格和性能能否與GEO-HTS的拋物面天線(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)仍有待觀察。2.3 傳輸時(shí)延
衛(wèi)星寬帶傳輸鏈路由“數(shù)據(jù)中心→衛(wèi)星→用戶(hù)”的前向鏈路和“用戶(hù)→衛(wèi)星→數(shù)據(jù)中心”的反向鏈路構(gòu)成。GEO-HTS傳輸往返時(shí)延的理論最低值為477 ms，加上數(shù)據(jù)處理時(shí)延等因素之后，實(shí)際往返時(shí)延約600 ms。OneWeb、StarLink等低軌衛(wèi)星軌道高度約為GEO-HTS的1/30，因此，其往返時(shí)延有望控制在30 ms以?xún)?nèi)，接近地面光纖網(wǎng)絡(luò)的水平。
然而，低軌星座的低時(shí)延優(yōu)勢(shì)在消費(fèi)者寬帶市場(chǎng)的價(jià)值有限：
1）目前大部分寬帶應(yīng)用對(duì)時(shí)延并不敏感，GEO-HTS系統(tǒng)采用TCP應(yīng)答削減、報(bào)頭壓縮、應(yīng)用層加速等技術(shù)手段之后，同樣能夠滿(mǎn)足網(wǎng)頁(yè)瀏覽、視頻直播、音視頻通話(huà)等寬帶應(yīng)用的需求；
2）對(duì)于網(wǎng)絡(luò)游戲、金融交易、虛擬現(xiàn)實(shí)等時(shí)延敏感業(yè)務(wù)，低軌星座確實(shí)優(yōu)于GEO-HTS，但這些業(yè)務(wù)也是地面光纖和5G的優(yōu)勢(shì)領(lǐng)域；
3）低時(shí)延主要是發(fā)達(dá)地區(qū)的需求，而衛(wèi)星寬帶主要面向缺乏地面網(wǎng)絡(luò)覆蓋的偏遠(yuǎn)地區(qū)，偏遠(yuǎn)地區(qū)為低時(shí)延支付額外費(fèi)用的意愿有限。
2.4 落地監(jiān)管
GEO-HTS的波束覆蓋范圍可以預(yù)先設(shè)定，但是低軌星座天然具有全球無(wú)縫覆蓋的特點(diǎn)，如果只限于服務(wù)少數(shù)國(guó)家或地區(qū)將造成巨大的容量浪費(fèi)。前文在假設(shè)可以獲準(zhǔn)進(jìn)入全球市場(chǎng)的情況下，分析得出StarLink星座的有效容量為23.7 Tbps，單位容量月度成本為4.8 $/Mbps。假設(shè)StarLink獲準(zhǔn)進(jìn)入的全球市場(chǎng)比例為α，那么其有效容量將變?yōu)?3.7αTbps，單位容量月度成本將變?yōu)?.8/α $/Mbps（如圖 5）。由此可見(jiàn)，全球市場(chǎng)準(zhǔn)入比例對(duì)于低軌星座的單位容量成本影響巨大，如果準(zhǔn)入比例過(guò)低將顯著推高其單位容量成本。
實(shí)際上，世界各國(guó)的基礎(chǔ)電信運(yùn)營(yíng)均受一定程度的監(jiān)管，在目前貿(mào)易保護(hù)主義盛行的國(guó)際形勢(shì)下，外國(guó)衛(wèi)星寬帶在他國(guó)落地面臨更大困難。例如，2019年8月OneWeb向俄羅斯申請(qǐng)無(wú)線(xiàn)電頻率，但未獲批準(zhǔn)。因此，全球落地監(jiān)管是低軌星座面臨的另一個(gè)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。
圖 5 StarLink在不同全球市場(chǎng)準(zhǔn)入比例下的單位容量月度成本
3 發(fā)展前景分析
低軌星座面臨光纖寬帶、蜂窩寬帶等地面網(wǎng)絡(luò)，以及GEO-HTS的多重競(jìng)爭(zhēng)，在建設(shè)費(fèi)用、容量密度、地面終端配置、傳輸時(shí)延等方面各有優(yōu)劣，這決定它們具有不同的適用領(lǐng)域，同時(shí)也決定了低軌星座的潛在市場(chǎng)容量和發(fā)展前景。
3.1 衛(wèi)星寬帶的市場(chǎng)容量上限
與蜂窩寬帶相比，衛(wèi)星寬帶的戶(hù)均覆蓋費(fèi)用、用戶(hù)終端費(fèi)用、頻譜效率、容量密度等方面均有劣勢(shì)，因此衛(wèi)星寬帶的潛在市場(chǎng)是缺乏蜂窩覆蓋的地區(qū)。Greg Wyler在創(chuàng)立O3b和OneWeb的過(guò)程中，始終以通過(guò)衛(wèi)星“連接未連接者”為使命。然而，過(guò)去十年中3G/4G蜂窩網(wǎng)絡(luò)在提供寬帶連接方面更有成效（如圖6）。在OneWeb成立的2012年，未被3G信號(hào)覆蓋的人口約34億，意味著全球至少有34億人缺乏接入寬帶的機(jī)會(huì)，這也正是Greg Wyler創(chuàng)立O3b公司時(shí)試圖連接的“另外30億人”。到OneWeb、StarLink等低軌星座開(kāi)始發(fā)射衛(wèi)星的2019年，雖然只有53%的人口使用互聯(lián)網(wǎng)，但93%的人口已被3G以上信號(hào)覆蓋、82%的人口已被4G信號(hào)覆蓋。換言之，真正由于無(wú)法連接而不能使用互聯(lián)網(wǎng)的人口占比不足7%，總數(shù)約5億。此外，根據(jù)咨詢(xún)公司NSR的估計(jì)，2019年全球衛(wèi)星寬帶的潛在用戶(hù)數(shù)為4.33億，目前衛(wèi)星寬帶在這部分人群中滲透率約0.63%。因此，目前全球衛(wèi)星寬帶市場(chǎng)容量上限約4億用戶(hù)。
圖 6 2007-2019全球蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋情況
3.2 低軌星座民用市場(chǎng)前景
雖然全球衛(wèi)星寬帶的潛在用戶(hù)數(shù)只有4億左右，但對(duì)于衛(wèi)星寬帶而言已經(jīng)足夠。例如，OneWeb、StarLink和ViaSat-3三個(gè)星座有效容量分別為1.56 Tbps、23.7 Tbps、1.8 Tbps左右，按照人均10 Mbps的標(biāo)準(zhǔn)，支持的用戶(hù)數(shù)上限分別為15.6萬(wàn)、237萬(wàn)、18萬(wàn)。因此，雖然面臨光纖到戶(hù)、蜂窩寬帶等地面網(wǎng)絡(luò)的擠壓，衛(wèi)星寬帶仍然具有可觀的市場(chǎng)空間，關(guān)鍵在于其性能和價(jià)格是否符合市場(chǎng)需求。
在綜合成本方面，低軌星座相比于GEO-HTS處于劣勢(shì)。首先，單位容量月度成本方面（見(jiàn)表5），StarLink等低軌星座處于價(jià)格劣勢(shì)，進(jìn)一步考慮落地監(jiān)管的因素（見(jiàn)圖5），StarLink等低軌星座的價(jià)格劣勢(shì)可能會(huì)更嚴(yán)重；其次，在消費(fèi)者寬帶市場(chǎng)，低軌星座地面終端所依賴(lài)的相控陣平板天線(xiàn)的價(jià)格，目前遠(yuǎn)高于GEO-HTS所依賴(lài)的拋物面天線(xiàn)，因此，低軌星座在綜合成本方面處于劣勢(shì)，導(dǎo)致其市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力低于GEO-HTS。例如，根據(jù)咨詢(xún)公司NSR對(duì)全球HTS容量和服務(wù)總營(yíng)收的預(yù)測(cè)（如圖7），2018—2028年全球Non-GEO HTS的累計(jì)營(yíng)收不足GEO-HTS的四分之一。
圖 7 NSR對(duì)全球高通量衛(wèi)星營(yíng)收的預(yù)測(cè)
另一方面，政府補(bǔ)貼可能會(huì)扭轉(zhuǎn)低軌星座的成本劣勢(shì)。美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)成立了總額204億美元的“農(nóng)村數(shù)字機(jī)遇基金”，將在2020—2030年資助美國(guó)農(nóng)村地區(qū)的寬帶建設(shè)，有可能將時(shí)延低于100 ms的低軌衛(wèi)星寬帶納入補(bǔ)貼范圍，而將GEO-HTS排除在外。政府補(bǔ)貼有可能扭轉(zhuǎn)低軌星座的成本劣勢(shì)。例如，計(jì)劃發(fā)射Jupiter-3的休斯公司和ViaSat-3的衛(wèi)訊公司，曾經(jīng)一致認(rèn)為GEO-HTS比低軌星座更具競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，但也承認(rèn)政府補(bǔ)貼將使低軌星座同樣有利可圖。為了爭(zhēng)取政府補(bǔ)貼，休斯公司已經(jīng)向OneWeb注資5 000萬(wàn)美元，衛(wèi)訊公司則申請(qǐng)建設(shè)一個(gè)288顆衛(wèi)星的低軌星座。
3.3 低軌星座軍事應(yīng)用前景
在民用領(lǐng)域，低軌星座只是地面網(wǎng)絡(luò)的補(bǔ)充；在軍事領(lǐng)域，低軌星座憑借其優(yōu)良的全球覆蓋特性、低傳輸時(shí)延、高抗毀性、支持小孔徑接收天線(xiàn)等優(yōu)勢(shì)，具有廣闊的應(yīng)用前景。美國(guó)一直將商業(yè)通信衛(wèi)星作為其軍用衛(wèi)星能力的重要補(bǔ)充：截止2018年底，美國(guó)國(guó)防信息系統(tǒng)局管轄的商業(yè)衛(wèi)星通信服務(wù)采購(gòu)總額高達(dá)45億美元；2019年美國(guó)軍隊(duì)采購(gòu)的商業(yè)衛(wèi)星容量為40 Gbps，相當(dāng)于其軍用衛(wèi)星容量的70%。
由于與軍事需求高度匹配，StarLink等新興商業(yè)低軌星座已經(jīng)引起美國(guó)軍方的高度重視。美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室2017年啟動(dòng)了“商業(yè)天基互聯(lián)網(wǎng)軍用實(shí)驗(yàn)”項(xiàng)目，旨在利用新興商業(yè)低軌星座為空軍構(gòu)建全球覆蓋的高可用性、高彈性、大帶寬、低時(shí)延的通信基礎(chǔ)設(shè)施，并于2019年3月向SpaceX公司授予價(jià)值2800萬(wàn)美元的合同，開(kāi)展StarLink星座軍用演示驗(yàn)證。此外，美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局2018年發(fā)起了“黑杰克”項(xiàng)目，旨在利用商業(yè)低軌星座的技術(shù)積累和成果，發(fā)展搭載導(dǎo)彈探測(cè)、導(dǎo)航授時(shí)、軍事通信等多種任務(wù)載荷的軍用低軌星座；軍用星座將部署在商業(yè)低軌星座附近，并與其建立星間鏈路以利用其全球?qū)拵鬏斈芰?。因此，StarLink等低軌星座有可能成為美國(guó)的關(guān)鍵軍事基礎(chǔ)設(shè)施，來(lái)自軍事應(yīng)用的收入將為其提供重要支撐。
結(jié) 語(yǔ)
受益于火箭重復(fù)利用、一箭多星發(fā)射、規(guī)模化衛(wèi)星制造、高通量衛(wèi)星等技術(shù)的巨大進(jìn)步，低軌衛(wèi)星通信星座迎來(lái)了新一輪發(fā)展浪潮。雖然低軌衛(wèi)星的制造發(fā)射成本已經(jīng)顯著降低，但是在城鎮(zhèn)地區(qū)衛(wèi)星寬帶戶(hù)均建設(shè)費(fèi)用仍然高于光纖到戶(hù)，僅在農(nóng)村地區(qū)才有可能比光纖便宜。與地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)相比，衛(wèi)星寬帶的頻譜效率較低、波束面積極大，導(dǎo)致其容量密度極低，無(wú)法滿(mǎn)足城鎮(zhèn)地區(qū)的容量需求。地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)不斷拓展，目前全球93%人口已被3G以上網(wǎng)絡(luò)覆蓋，因此全球衛(wèi)星寬帶市場(chǎng)容量上限約4億用戶(hù)。在有限的衛(wèi)星寬帶市場(chǎng)內(nèi)，低軌星座面臨GEO-HTS的競(jìng)爭(zhēng)，二者在單位容量成本、地面終端配置、傳輸時(shí)延、落地監(jiān)管等方面各有優(yōu)劣。在消費(fèi)者寬帶市場(chǎng)，缺乏低成本平板天線(xiàn)使得低軌星座處于劣勢(shì)，但低時(shí)延優(yōu)勢(shì)使得低軌星座有可能獲取美國(guó)政府的寬帶補(bǔ)貼，將有可能扭轉(zhuǎn)其成本劣勢(shì)。在軍事應(yīng)用市場(chǎng)，StarLink等低軌星座憑借其全球覆蓋、傳輸時(shí)延低、抗毀性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，有可能成為美國(guó)軍事領(lǐng)域的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，具備廣闊的發(fā)展空間。
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