新兴低轨（guǐ）卫星通信星座发展（zhǎn）

　　摘（zhāi） 要：SpaceX、OneWeb等（děng）公司计划（huá）建造大型低（dī）轨卫星通信星座（zuò），以提供（gòng）全球宽（kuān）带接（jiē）入。与90年代的低（dī）轨（guǐ）星座（zuò）浪潮相比，新兴星座（zuò）主要具备（bèi）以下优（yōu）势：批量化、模块（kuài）化生产降低了卫（wèi）星（xīng）制造成本，火箭重（chóng）复利用和“一箭多星（xīng）”技（jì）术（shù）降低了发射（shè）成（chéng）本。然而，低（dī）轨星座面临快速发展的地（dì）面网络以及地球（qiú）静止轨道高通量（liàng）卫星的激烈竞争。文中从建设费用、容量密度、地面终（zhōng）端（duān）等方面对这三类系统进行比（bǐ）较，分析（xī）各（gè）自的优（yōu）劣，并分别从民用市场和军事应用（yòng）两个方面，分析新兴低轨星座的（de）发展前景。

　　关键词: 低轨星座（zuò）；高通（tōng）量卫（wèi）星；星链；一网

引 言

　　以OneWeb、StarLink为代表（biǎo）的新（xīn）兴低轨（LEO）卫星通（tōng）信星（xīng）座迅猛发展，旨在通过覆（fù）盖（gài）全（quán）球的宽带连（lián）接（jiē）能力，与（yǔ）地面网（wǎng）络争夺（duó）互联网入口（kǒu）。与1990年代的铱星（xīng）等低轨（guǐ）星座（zuò）相比，新兴低轨星座（zuò）拥（yōng）有多（duō）种发展优势：火箭重复利用和（hé）“一（yī）箭多星”技术极大降低（dī）了（le）卫（wèi）星发（fā）射成本；集成电路技术的进步促（cù）成了卫星的模块化、组件化（huà）和小型化，显著降低了卫星的尺寸、质量（liàng）、功耗和研制成本；批量化、模块化（huà）卫星制造技术（shù）显著降低（dī）了卫（wèi）星的制造成本。然而，来自地面网络的竞争也日趋激（jī）烈，尤其是（shì）千兆级光纤网络已经开（kāi）启大规模商用，3G、4G无（wú）线网（wǎng）络已经分（fèn）别覆盖全（quán）球（qiú）93%、82%的人口（kǒu），5G无线网络也已经开始大规模部署（shǔ）。因此，新兴低轨（guǐ）卫（wèi）星通信星座发展（zhǎn）前景仍然存在不确定性。

　　本文将（jiāng）从（cóng）建设费用、容量密度（dù）等方面分（fèn）析（xī）低轨星座与地面网络的（de）竞争态势，从单位容量成本、地面终端配置、传输时延、落（luò）地监（jiān）管等方面对比低轨星座与地球（qiú）静止轨道高通量卫星（GEO-HTS）的优劣，并结合民用市场以及军（jun1）事应用的特点和趋（qū）势，研究新兴（xìng）低（dī）轨（guǐ）卫星通信星座的发展前景。

1 与地（dì）面网（wǎng）络（luò）的（de）竞争

　　光（guāng）纤、蜂窝（wō）无线通信等地面通信技（jì）术，是低轨星座（zuò）无法回避的竞争对手。1990—2000年，“铱（yī）星”、“全（quán）球星”、“轨道通信”等多个低（dī）轨星（xīng）座计（jì）划被提出，旨在提供全球无缝覆盖的便携（xié）式卫星电话服务。三大星座的设计（jì）指（zhǐ）标达到了同（tóng）时期地面（miàn）蜂窝网络（luò）的水平，并具（jù）有（yǒu）全球无缝（féng）覆盖的优势，因此吸引了广泛关注。但在三大星座投入建设的十（shí）年间（jiān），地面蜂窝网络逐渐从2G演化到3G，手机终端价格和流量（liàng）资费不断（duàn）降低，卫星通信除了覆盖范围广的优势之（zhī）外，终端成本、通信（xìn）速率（lǜ）等方面均（jun1）处（chù）于劣（liè）势，导致三（sān）大（dà）卫星通信公（gōng）司先后经历了破产重组。虽然三个（gè）星座最终（zhōng）都起（qǐ）死回生，但占据的（de）无线通信市场份额远小于蜂窝网（wǎng）络，2015年三大星座的用户总数才达到380万，而同时期全球（qiú）蜂窝移动用（yòng）户数（shù）量为（wéi）73亿。

　　与（yǔ）第一（yī）代低轨（guǐ）星座以话音服务为主不同，OneWeb、StarLink等新兴低（dī）轨星座主要（yào）提（tí）供卫星宽带服（fú）务（wù），但其瞄准的消费者宽带市（shì）场面临光纤到户（FTTH）、蜂窝宽带等地面网络（luò）的竞争（如图1）。其中，光纤到户的（de）优势是通信容量（liàng）大，劣势是在（zài）偏远（yuǎn）地（dì）区铺设成本较高；蜂窝宽带通过基站（zhàn）的（de）无线（xiàn）信号实现（xiàn）宽带接入，通信容量（liàng）一般（bān）低于光纤，优点是最后一公里无需铺设（shè）线缆（lǎn）。低轨星座天然（rán）具备（bèi）全球覆盖的优（yōu）势，且（qiě）接入成本与地域是否偏远无关，但（dàn）其能（néng）否赢得与地面（miàn）网络的竞争仍属未知，下面从建设费用、容量密度两方面展开分（fèn）析（xī）。

图 1 卫星宽带、光纤到户与蜂窝宽带示意图1.1 建设（shè）费用比较

　　宽带网络（luò）每条用户线路的建设费（fèi）用（yòng）等于（yú）户（hù）均覆盖费用与户均（jun1）连（lián）接费用之（zhī）和（hé）。户均覆盖费（fèi）用等于网络建设费（fèi）用除以用户数，因（yīn）此在用户密（mì）度越高的地区其值越低。户均连接（jiē）费用等（děng）于用户终端费用与安装（zhuāng）费用之（zhī）和，在用（yòng）户首（shǒu）次（cì）开通服务时产生（shēng）。

　　根据美国（guó）光纤宽带协会的研究，2019年美国光纤到户的户均建设费用在密集城区、一般城（chéng）区、郊区、农村分别（bié）为1218、1863、2737、4206美元（如图（tú）2）。StarLink星（xīng）座单星制造发射成本（běn）约153万美元，单星容量约21Gbps。低轨星座天然具有全球覆盖（gài）特（tè）性，然而地球表面70%以（yǐ）上为海洋和荒野，根据地表人（rén）口分布估算（suàn）其容（róng）量利用效率（lǜ）约25.1%，单星有效容量约（yuē）5.36 Gbps。如果给每个宽带用（yòng）户分（fèn）配（pèi）10Mbps容量（liàng），那么StarLink单星可服（fú）务约536个用户，户均覆盖费用为（wéi）2854美（měi）元。假（jiǎ）设低轨星（xīng）座用户终端费用加安（ān）装费用为550美元，则StarLink卫星（xīng）宽带户均总费（fèi）用为3404美元。类似（sì）可测算（suàn）出OneWeb和蜂窝宽带（dài）的（de）户均费用（yòng）（如表1），其中蜂窝宽带（dài）采用（yòng）了（le）华为公（gōng）司的测算结果。

表 1 OneWeb、StarLink与蜂窝（wō）宽带（dài）户均建设费（fèi）用测算

图 2 蜂窝宽（kuān）带、光纤（xiān）到户与StarLink宽带户均（jun1）建（jiàn）设费用对比

　　对比可知（zhī），在密集城区、一般城区和（hé）郊区，StarLink卫星宽带（dài）的户均（jun1）建（jiàn）设费（fèi）用高于光纤，但在农村地区（qū）比光纤便宜，因（yīn）此（cǐ）非常适（shì）合北（běi）美、澳洲等（děng）地的农村地区。而OneWeb的户均建设费用（yòng）约16000美元，与StarLink相比不具（jù）竞争力。此（cǐ）外（wài），蜂窝宽（kuān）带的户均建设费（fèi）用（yòng）仅为358美元，远远低于卫星宽带，但是蜂窝宽带依赖光（guāng）纤进行回传，因（yīn）此适合（hé）作为连接最后（hòu）一公（gōng）里的辅（fǔ）助手段。根据建（jiàn）设费用进行分析，低轨星座的宽带服务主要适（shì）合北美（měi）、澳洲等（děng）地（dì）的农村地区（qū）。

　　1.2 容量密度比较　

　　对于蜂（fēng）窝宽带、卫星宽带等无线通信系统而言，容量密（mì）度是衡量系统性能的重要维度之（zhī）一（yī）。容量密度等于区域传（chuán）输容量（liàng）除以区域面积，决（jué）定了无线系统在（zài）单位面积（jī）内能够实现的（de）并发传输容量（liàng）。与蜂（fēng）窝基站的多波束空分复用技术相类似（sì），StarLink等低（dī）轨星（xīng）座（zuò）也（yě）采用多点波束对地球（qiú）表面进行（háng）覆盖（如图3），两者的容量密度可用单波束容量除（chú）以单波（bō）束面积进行估算（suàn）（如表2）。

　　图（tú） 3 卫星波束与蜂窝（wō）基站覆盖方式对比

　　表 2 卫星（xīng）宽带与5G容量密度比较

　　从表（biǎo）2估算（suàn）结果（guǒ）可知（zhī），StarLink的容量密度为2 Mbps/km2，比5G系统所能实现的540 Gbps/km2低5个数（shù）量（liàng）级（jí）。两（liǎng）者的（de）差距（jù）主要由两方面原因造（zào）成：

　　1）低轨星座的频谱（pǔ）效率低于5G系统（tǒng）。地面蜂窝（wō）基站高度约30 m，而StarLink等（děng）低轨星座轨道高度在550 km～1200 km，这导致（zhì）低轨星座的路径损耗比蜂窝（wō）基站高（gāo）50 dB以上。蜂窝基站（zhàn）在用户采（cǎi）用手（shǒu）机尺寸的接收机时，一般能获得6 bps/Hz以上（shàng）的频谱效（xiào）率；而（ér）StarLink等低轨星座由于更高的路径损耗，即使（shǐ）采用孔径约75 cm的接（jiē）收天线，频谱效率也只有（yǒu）2.5 bps/Hz左右。

　　2）低轨星座的单波（bō）束面积远大于（yú）5G系（xì）统（tǒng）。StarLink卫（wèi）星在（zài）1 200 km的高度向地面（miàn）投射的单波束直径约60 km，面积约2800 km2；OneWeb卫星采用固定的狭长椭圆波束，其波束面（miàn）积约为75000 km2。蜂窝基站由（yóu）于高度很低，其（qí）波束覆盖（gài）范围较小，例如在城市（shì）地区1km2内安（ān）装三个5G基站，每个基站（zhàn）通过（guò）天线阵列产生15个波束，则每个（gè）波束的覆盖范围约1/45km2。低轨（guǐ）星（xīng）座的容量密度（dù）较低，导致其难（nán）以满足（zú）城镇地（dì）区（qū）的传输需求，而（ér）更适合农村（cūn）地区（qū）。世界主（zhǔ）要城市的人口密度普遍在1000人/km2以（yǐ）上，假设平均每个用户需要10 Mbps容（róng）量，那么需要的（de）容量密度在10Gbps/km2上（shàng）。国际标（biāo）准规定（dìng）4G、5G的流量密度（dù）峰值分别为100 Gbps/km2、10 Tbps/km2，能（néng）够满足（zú）城市地区容量密度需求（qiú），而低轨星座宽带则存在巨大差（chà）距。因此，低轨星座宽带（dài）主要适（shì）用于人口密度（dù）较低的农村地区（qū）。 

　　2 与地（dì）球静止轨（guǐ）道卫星的竞争

　　Starlink等新兴低轨星（xīng）座属于非地球静止轨道高通量卫星（xīng）（Non-GEO HTS）的范（fàn）畴，还（hái）面临GEO-HTS的竞争（zhēng）。低轨星（xīng）座（zuò）和（hé）GEO-HTS都采用了高通（tōng）量卫星（HTS）技术，该（gāi）技术通过多点（diǎn）波束和频（pín）率复用，单（dān）星容量比传统宽波（bō）束卫星提（tí）升数十甚至数百倍（如图4）。

　　图 4 HTS系（xì）统（tǒng）与传统卫星系统（tǒng）对比

　　低（dī）轨星座与GEO-HTS代表（biǎo）实（shí）现高（gāo）容量卫（wèi）星宽带的两种思路：低轨星座（zuò）通过成百（bǎi）数（shù）千颗小卫（wèi）星（xīng）实现整（zhěng）个星座（zuò）的（de）高容量，GEO-HTS通（tōng）过单颗（kē）大卫星构（gòu）造（zào）成（chéng）百数（shù）千个点波（bō）束实现高容量。受惠于比高轨卫（wèi）星更低的路径损耗，低轨卫（wèi）星能够获得更高的频谱效率，例如低轨卫星StarLink频谱（pǔ）效率约（yuē）2.7 bps/Hz，GEO-HTS卫星ViaSat-3约1.1 bps/Hz。但低轨（guǐ）星（xīng）座通常采用轻量级卫星，其（qí）波束数目和单（dān）星容量远比GEO-HTS低（如表3）。

　　表（biǎo） 3 不同（tóng）卫星（xīng）波束参（cān）数对（duì）比

　　低轨星座与GEO-HTS都能实现全球覆盖（gài），但是（shì）在（zài）传输时（shí）延、路径损耗、入（rù）轨成本、卫星寿命（mìng）等方（fāng）面各有优（yōu）劣（liè）（如（rú）表 4），下面从单位（wèi）容量（liàng）成本、地面终（zhōng）端配置（zhì）、传输时（shí）延、落地监管等方面进行重点分（fèn）析。

　　表 4 GEO-HTS和低轨星座优（yōu）劣势比较

　　2.1 单位容量成本

　　卫星通（tōng）信系（xì）统的单位容量（liàng）成本，等（děng）于（yú）卫星星座制（zhì）造发射总成本除以系（xì）统有效（xiào）容量。制造发射成本方面，低轨（guǐ）星座采用模块化、批量化生（shēng）产降低制造成本，并采用“一箭多星（xīng）”发射（shè）技（jì）术大（dà）幅降低发射（shè）成（chéng）本。根据（jù）公（gōng）开数据（jù）对制造发射（shè）总成本进行估（gū）算，预计（jì）OneWeb第一期720颗卫星耗费24.2亿美（měi）元，StarLink第一期4425颗（kē）卫星耗费68亿美元；GEO-HTS卫星ViaSat-3三颗卫星制（zhì）造（zào）发射总成本约15亿美元（yuán）。　　

　　系统（tǒng）有效容量（liàng）取决于系统总（zǒng）容（róng）量和（hé）利用效率。低轨星座OneWeb和StarLink的系统（tǒng）总容（róng）量（liàng）分别（bié）约为7.2 Tbps和94 Tbps，但低轨星座所有卫星都围绕地球旋转，而（ér）地球表面70%以上的面（miàn）积是海洋和荒野，因（yīn）此，低轨星座的容量利用效（xiào）率较低。根据地表人口分（fèn）布模型估算，OneWeb和（hé）StarLink的容量（liàng）利用（yòng）效（xiào）率分别约为21.7%和25.1%，因此（cǐ），其星（xīng）座有效（xiào）容量分别约为（wéi）1.56 Tbps和23.7 Tbps。GEO卫（wèi）星相对（duì）于地表静止，可以将容量投送到地（dì）面指（zhǐ）定区（qū）域，卫星容量利用（yòng）效率可（kě）达（dá）60%，因此预计ViaSat-3三颗（kē）卫星总的有效容量（liàng）为1.8 Tbps。

　　根据星座（zuò）制（zhì）造发（fā）射总成本和有（yǒu）效容量，可（kě）得OneWeb、StarLink和ViaSat-3的单位容量成本分别约为1 550 $/Mbps、287 $/Mbps和833 $/Mbps；考虑卫星（xīng）寿（shòu）命之后（hòu），三者的（de）单位容量月度（dù）成本分别约为25.9 $/Mbps、4.8 $/Mbps和4.6 $/Mbps/Mon（如（rú）表 5）。可见低轨（guǐ）星座StarLink的单位容量（liàng）成本比GEO-HTS卫星（xīng）ViaSat-3更低，但考虑到卫星寿命的区别后两者的（de）单位容量月度（dù）成本基本相当（dāng）。

　　表 5 低轨星座和GEO-HTS单位容量成本测算

　　2.2 地（dì）面终端配置

　　低（dī）轨卫星至地面用户（hù）的传输距离（lí）远小于（yú）GEO-HTS，在（zài）路径损耗方面（miàn）具备约30 dB的优势（如（rú）表6）。但GEO-HTS采用的大卫（wèi）星平台支（zhī）持更大的（de）发射功率，可以部分弥补其路径损耗。例（lì）如（rú），ViaSat-1卫星的（de）等效全向辐射（shè）功率（EIRP）比StarLink卫星高24 dB，在采用增益与系统噪声温度比（G/T）值同为12 dB/K左右的用户（hù）终端时，ViaSat-1用户（hù）接收（shōu）机的载波噪声比（C/N）比StarLink低7 dB，因（yīn）此，其频谱效率（lǜ）更低。换言之（zhī），低（dī）轨卫星在地表（biǎo）的信（xìn）号强度比GEO-HTS约高7 dB，若要实现相（xiàng）同（tóng）的频谱效率，其用户终端天线孔径约为GEO-HTS的一半。表 6 低（dī）轨星座和GEO-HTS用户下行链路预算注：未查到ViaSat-3卫星的链（liàn）路预算资料，用ViaSat-1卫星的进行估计。　

　　表 6 低（dī）轨（guǐ）星（xīng）座（zuò）和GEO-HTS用户下行（háng）链（liàn）路预算

　　虽（suī）然低轨星座支持更小孔径的用户终端（duān），但由于（yú）低轨卫星相（xiàng）对（duì）于（yú）地球表面高速运动，对用户终端的（de）波（bō）束跟踪（zōng）性（xìng）能要求更高（gāo）。GEO-HTS相对地面静止，地面固（gù）定终端可以（yǐ）使用静态抛物面（miàn）天线（xiàn），船载低速移动终端可以使用（yòng）机械调向抛（pāo）物面天线，机（jī）载高速移动（dòng）终（zhōng）端需要使用相控阵平（píng）板（bǎn）天线（xiàn）；低轨卫星（xīng）相对地面高速（sù）运（yùn）动（dòng），卫星过（guò）顶时（shí）间在（zài）20 min以内，因此，其地面固定终端（duān）也必须使用平板天线。但是（shì）目（mù）前平板天（tiān）线（xiàn）价（jià）格普遍在1 000美元以上，远高于（yú）50美元左右的抛物面天（tiān）线，因（yīn）此，在卫星互联网（wǎng）接入需求最大的消费者宽（kuān）带领域（yù），低（dī）轨星座的竞争力极大依（yī）赖于低（dī）成本平板天线的研发（fā）进（jìn）度。公开资（zī）料显示，StarLink用（yòng）户终端（duān）采用了机（jī）械调向（xiàng）的平板（bǎn）天线，直（zhí）径约48 cm，但（dàn）其（qí）价格（gé）和性能能（néng）否与（yǔ）GEO-HTS的抛（pāo）物面天线竞争仍有待观察。2.3 传（chuán）输（shū）时延　　

　　卫星宽带传输链路由“数据中心→卫（wèi）星→用（yòng）户”的前向链路和“用户→卫（wèi）星→数（shù）据中心”的反（fǎn）向链路构成（chéng）。GEO-HTS传（chuán）输往（wǎng）返时延（yán）的（de）理论最（zuì）低值为477 ms，加上（shàng）数（shù）据处理时延（yán）等因素（sù）之后，实（shí）际往返时延约（yuē）600 ms。OneWeb、StarLink等低轨（guǐ）卫星轨道高度约为GEO-HTS的（de）1/30，因此（cǐ），其往返（fǎn）时延有望控制在30 ms以（yǐ）内，接近地面（miàn）光（guāng）纤（xiān）网（wǎng）络的水（shuǐ）平。

　　然而，低轨星座的低时延优势在消费者宽带市场的价值有限：

　　1）目前大部分宽带应用对时延（yán）并不敏感，GEO-HTS系统（tǒng）采（cǎi）用TCP应答削减、报头压缩（suō）、应用层（céng）加速等（děng）技术手段之后，同样（yàng）能够满足网页浏览、视频直播、音视频通话等（děng）宽带应用的需（xū）求；

　　2）对（duì）于网络（luò）游戏、金融交（jiāo）易、虚拟现实等时延敏感业务，低轨星座（zuò）确实优于GEO-HTS，但这些业务（wù）也（yě）是地面光纤和5G的优（yōu）势（shì）领（lǐng）域；

　　3）低（dī）时延主（zhǔ）要是发达地区的需求，而（ér）卫星宽带（dài）主要（yào）面（miàn）向缺（quē）乏地面网络覆（fù）盖的偏远（yuǎn）地区（qū），偏远地（dì）区为（wéi）低时延支付额外费用的意愿有（yǒu）限。

　　2.4 落地监管

　　GEO-HTS的（de）波（bō）束覆盖范围可以预先设定，但是低轨（guǐ）星（xīng）座天然具有全球（qiú）无缝覆（fù）盖的特点，如（rú）果只限于服务少数（shù）国家或地区将造（zào）成巨大的容量浪费。前文（wén）在假（jiǎ）设可（kě）以获准进入全球市（shì）场的情况下，分析得出（chū）StarLink星座的有效容量（liàng）为23.7 Tbps，单位容量月度成本为（wéi）4.8 $/Mbps。假设StarLink获准进（jìn）入的（de）全球市场比例（lì）为α，那么其有效容量将变为23.7αTbps，单位容量（liàng）月（yuè）度成（chéng）本（běn）将变为（wéi）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本（běn）影响（xiǎng）巨大，如果准入（rù）比例过（guò）低将显著推高（gāo）其单（dān）位容量（liàng）成本。

　　实际上，世界各国（guó）的基础（chǔ）电信运营均（jun1）受一定（dìng）程度的（de）监管，在目前贸（mào）易保（bǎo）护主义盛行（háng）的国际形势（shì）下，外国卫星宽（kuān）带在（zài）他国落（luò）地面临更大困难。例如（rú），2019年8月OneWeb向俄罗斯（sī）申（shēn）请无线（xiàn）电频率，但未获批准。因（yīn）此（cǐ），全球落地监管是（shì）低轨星座面临的（de）另一个严峻挑战。

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

　　3 发展前景分析

　　低轨星（xīng）座面临光纤宽带、蜂窝宽带等地面网络，以及GEO-HTS的多重竞争（zhēng），在建设费（fèi）用、容量密度、地面终端（duān）配置、传输时延等（děng）方面各有优劣，这决（jué）定它们具有不（bú）同的适（shì）用领域，同（tóng）时也决定了低轨星座的潜在市（shì）场（chǎng）容量和（hé）发展前景。

　　3.1 卫星宽带的市场容量上限

　　与蜂窝宽带（dài）相比（bǐ），卫星宽（kuān）带的户（hù）均覆（fù）盖（gài）费用、用户终端费用（yòng）、频谱效率（lǜ）、容量密度等方面均（jun1）有劣势，因此卫星宽（kuān）带的潜在市场（chǎng）是缺乏蜂窝覆（fù）盖的地区。Greg Wyler在创立O3b和OneWeb的过程中，始终以通过卫星“连接未连接者”为使命。然而，过去十年（nián）中3G/4G蜂（fēng）窝（wō）网络在提供（gòng）宽带连接方面更有成效（如图6）。在OneWeb成（chéng）立的2012年，未被3G信号（hào）覆（fù）盖的人（rén）口约34亿，意（yì）味着（zhe）全球至少有34亿人（rén）缺乏接入宽带的机会，这也正（zhèng）是Greg Wyler创立O3b公（gōng）司时试图连接的（de）“另外30亿人”。到（dào）OneWeb、StarLink等低轨星座开始发（fā）射卫星的2019年，虽然只有53%的人（rén）口使用互联网（wǎng），但93%的人口（kǒu）已被（bèi）3G以上信号覆盖、82%的人口已被4G信号覆盖。换言之，真正（zhèng）由于无法连接而（ér）不能使用互联网的人口占比（bǐ）不足7%，总数约5亿。此外，根据咨询公司NSR的（de）估计，2019年全球卫星宽带的潜在用户数为4.33亿（yì），目前卫星宽（kuān）带在（zài）这部分人群（qún）中渗透率（lǜ）约0.63%。因（yīn）此（cǐ），目前全球卫星宽带市场（chǎng）容量上限约4亿（yì）用户。

　　图 6 2007-2019全球蜂窝网络覆盖情（qíng）况

　　3.2 低轨星座民用市场（chǎng）前景

　　虽然全球卫星（xīng）宽（kuān）带（dài）的（de）潜在用户数只（zhī）有4亿左右，但对于卫星宽带而言已（yǐ）经足够。例如（rú），OneWeb、StarLink和ViaSat-3三个星座有效容量分别为1.56 Tbps、23.7 Tbps、1.8 Tbps左右，按照人（rén）均10 Mbps的标准（zhǔn），支持的用户数上限分别为15.6万、237万（wàn）、18万。因此，虽然（rán）面（miàn）临（lín）光纤到户、蜂窝宽带等地面网络的挤压，卫星宽带仍然具有可（kě）观（guān）的市（shì）场空间，关键在于其（qí）性能和价（jià）格是否符合市场需求。

　　在综合成（chéng）本方（fāng）面，低（dī）轨星座相比于GEO-HTS处于（yú）劣势。首先，单位容量月度成（chéng）本方面（见表5），StarLink等（děng）低轨星（xīng）座（zuò）处于价（jià）格劣势，进一步考虑落地监管的因素（见（jiàn）图（tú）5），StarLink等低轨星座的价格（gé）劣（liè）势可能会（huì）更严（yán）重；其次（cì），在（zài）消费者宽带市场，低轨星座地（dì）面终端（duān）所（suǒ）依（yī）赖（lài）的相控阵平板天线（xiàn）的价（jià）格（gé），目前远高于（yú）GEO-HTS所依赖的抛物面天线（xiàn），因此，低（dī）轨（guǐ）星座在（zài）综合（hé）成本方面处（chù）于（yú）劣势，导致其市场（chǎng）竞（jìng）争力低于GEO-HTS。例如，根据咨询（xún）公司NSR对全球（qiú）HTS容（róng）量和服（fú）务总营收的预测（如（rú）图7），2018—2028年全球Non-GEO HTS的累（lèi）计营收（shōu）不（bú）足GEO-HTS的四分之一。

　　图 7 NSR对全球高（gāo）通量（liàng）卫星（xīng）营（yíng）收的预测

　　另一方面，政府补贴可（kě）能会扭转低轨（guǐ）星座的成本劣势（shì）。美国联邦通信委（wěi）员（yuán）会（huì）成立了总（zǒng）额204亿美元的“农村（cūn）数字机遇基金”，将在2020—2030年资助美国农村地区的宽带（dài）建设（shè），有可能将时延（yán）低于100 ms的低轨（guǐ）卫星宽（kuān）带纳入补贴范围，而将GEO-HTS排除在外。政（zhèng）府补（bǔ）贴有可能扭转低轨星座的成本劣势。例（lì）如，计划发射Jupiter-3的休斯公司和ViaSat-3的卫讯（xùn）公（gōng）司，曾经一致认为GEO-HTS比低轨星（xīng）座更具竞争优势，但（dàn）也承认政府补贴将使低轨星座同样（yàng）有利可图。为了争取政府补贴（tiē），休斯公司已经向OneWeb注（zhù）资5 000万美元（yuán），卫讯公司则申请建设（shè）一个288颗卫星的低轨星座。

　　3.3 低（dī）轨星（xīng）座军（jun1）事应用（yòng）前景

　　在民（mín）用（yòng）领域，低轨星（xīng）座只是地面网络（luò）的补充；在军事领域（yù），低（dī）轨星座凭借其优良的全球覆盖特（tè）性（xìng）、低传输时（shí）延、高抗毁性、支持小孔径（jìng）接收天线等优势，具有广阔的应用前景。美国一直（zhí）将商业（yè）通信卫星作为其（qí）军用（yòng）卫（wèi）星（xīng）能力的重要补充：截止2018年底，美国（guó）国防信息系（xì）统局管辖（xiá）的（de）商业（yè）卫星通信服（fú）务（wù）采购总额高达（dá）45亿（yì）美元；2019年美国（guó）军队采购的商（shāng）业卫星容量（liàng）为40 Gbps，相当于其军（jun1）用卫星容量的70%。

　　由于与军事需求高（gāo）度匹配（pèi），StarLink等新兴商业低轨星座已经引起美（měi）国（guó）军方的（de）高度重视。美国（guó）空（kōng）军研究实验（yàn）室2017年（nián）启动（dòng）了“商业天（tiān）基互联网军用实验”项（xiàng）目，旨在利用新兴（xìng）商业（yè）低（dī）轨星座为空（kōng）军构建全球（qiú）覆盖的高可用性、高弹（dàn）性、大带宽（kuān）、低时延的（de）通信基础设施（shī），并（bìng）于2019年3月向SpaceX公司授予（yǔ）价值（zhí）2800万美元的合同，开（kāi）展StarLink星座军用演示验证。此外，美国（guó）国防高级研究（jiū）计划局2018年发起了“黑杰克”项目，旨（zhǐ）在利用商业低轨（guǐ）星座（zuò）的技术积累和成（chéng）果，发展搭载导弹探测、导航（háng）授时、军事通信等多种任务载荷的（de）军（jun1）用低轨星座；军用星座将部署（shǔ）在商业低轨星座附近，并与其建立星间（jiān）链路以利用其全球（qiú）宽带传输能力。因此，StarLink等低轨星座有可能成为美国（guó）的（de）关键（jiàn）军事基础（chǔ）设施，来自军事应用的收入将为其提供（gòng）重要支撑。

　　结 语

　　受益于火箭重复利（lì）用、一箭多星发射、规（guī）模化（huà）卫（wèi）星制（zhì）造、高通量卫星等技术的巨大进步，低轨卫（wèi）星通信星座迎来了新一轮发展浪潮。虽然低（dī）轨卫星的（de）制造发射成本已（yǐ）经显著降低，但（dàn）是在城（chéng）镇地区卫星宽带户均建设费用（yòng）仍（réng）然高于光纤到户，仅在（zài）农村地区才有可能比光（guāng）纤便宜。与地面蜂窝网络相比，卫星宽（kuān）带（dài）的（de）频谱（pǔ）效率（lǜ）较低、波束面积极大，导致其容（róng）量密（mì）度极（jí）低，无法满足城镇地区的（de）容（róng）量需求（qiú）。地面蜂窝网（wǎng）络不断拓展，目前全（quán）球93%人口已被3G以上（shàng）网络覆盖，因此全球（qiú）卫（wèi）星（xīng）宽带（dài）市场容量上限约4亿用户（hù）。在（zài）有限的卫星宽带市场内，低轨星座面临GEO-HTS的竞（jìng）争，二者在单位（wèi）容量成（chéng）本、地（dì）面终（zhōng）端（duān）配置、传输时（shí）延（yán）、落地监管等方面各有优（yōu）劣。在消（xiāo）费者宽带（dài）市（shì）场，缺乏低成本平板天线使得低轨星座处于劣势，但低时（shí）延（yán）优势使得低轨星座有可能获取美国政府（fǔ）的宽带补贴，将有（yǒu）可能（néng）扭转其（qí）成本劣势。在军事应用（yòng）市场，StarLink等低（dī）轨星座凭借其全（quán）球覆（fù）盖、传输时（shí）延低、抗毁性（xìng）强等优势，有可能成（chéng）为美国军事领域（yù）的关键基础设施，具备广阔的发展（zhǎn）空间。

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