低轨卫星互联网发展趋势及市场展望

章罗娜 马忠成 饶建兵 李心蕊 高利春 高铭阳

（1 中国航天科工集团有限公司空间工程总体部 2 北京电子工程总体研究所）

卫星互联网是一种以天基手段提供互联网接入服务的新型网络，通过卫星组网实现互联网内容的全球广泛传播。卫星互联网能够为飞机、船舶、岛礁、海上浮台等地面网络难以覆盖的区域提供连接手段。与地球静止轨道（GEO）卫星相比，采用低轨卫星星座进行通信的方式延时较小、速率更高、可实现真正的全球覆盖。

2013 年，“另外十三亿人”（O3b）星座部署实施，正式拉开了全球卫星互联网的发展序幕。几年间，全球范围内提出了以“一网”（OneWeb）、“星链”（Starlink）、“鸿雁”、“虹云工程”为代表的数十个星座计划，进一步掀起了卫星互联网的建设高潮，引发全世界广泛关注。Starlink 的“万星计划”，创新的“平板式卫星”设计理念，“一箭60 星”组批发射方式，成为近10 年航天产业科技进步的缩影。

1 低轨卫星星座发展趋势

随着国际化、全球化商业贸易的快速发展，无处不在的网络接入需求越来越迫切。现有卫星通信主要通过GEO 轨道卫星进行传输，频率轨道资源非常有限，卫星造价昂贵。采用低轨星座，相同容量的卫星造价更低，且整体频率利用率极大提高，每比特价格将远低于地球同步轨道（GSO）卫星系统，每赫兹频率创造的价值远高于GSO 轨道卫星系统。未来星座系统将在以下5 个方面进一步发展。

卫星数量继续增长，扩充服务能力

低轨卫星星座规模不断扩大，在满足系统内兼容的情况下进一步提升频率利用率和系统容量，同时可增强星座系统健壮性。单颗卫星能力相同的前提下，卫星数量的增加进一步扩充系统容量，用户可使用的通信资源总量增加，进一步提升同时服务的用户数量。地面用户可以同时与更多颗卫星连接，不同轨道卫星的协同工作，有利于用户在复杂地理环境下更可靠的通信。

发展星间链路技术，强化服务灵活性

无论是国内还是国外企业，面临高昂的地面站建设和维护成本，全球布站难度都很大。星间链路可以灵活规避雨衰大、偏远地区建站难等缺点，通过星间链路助力星座构建独立运行的“天网”，将成为发展的重点方向。

采用激光或微波星间链路技术，可有效减少星座中某一颗卫星馈电链路失效或受到大气、降雨带来的负面影响，保证用户通信不中断，形成相对独立、稳定的通信星座系统，从而更好地满足各类用户需求。

提高工作频段，增强抗干扰能力及系统容量

目前所提出的宽带卫星通信系统，主要采用包括Ku、Ka 及V 的3 个频段，低频段很难满足宽带卫星需要的高速宽带通信需求。随着星座卫星数量增多，多颗卫星之间、星地之间相互干扰风险增加，更高频率的通信载荷一方面可使卫星波束更窄，进而提高卫星与卫星之间、卫星与地面之间的抗干扰能力；另一方面，随着频率升高，绝对带宽提高，在保证波束辐射能力和信号信噪比的前提下，可以进一步增加系统的容量。未来，高频段资源将成为各国抢夺的热点。

加强巨型星座管理，降低空间安全风险

众多卫星互联网星座部署，大量的小卫星进入近地轨道，可能会带来一系列严重的空间安全问题，包括空间碎片问题、小卫星星座监管问题等。为降低各星座卫星之间的在轨碰撞机率及空间安全隐患，卫星操作者需向监管部门提交卫星离轨策略相关内容，包括轨道高度、倾角设计、离轨等方案与措施。监管部门以增加卫星在轨安全性、减少卫星对空间环境影响为目标，进一步增强对各巨型星座卫星的监管，为空间环境良性发展提供保障。

规范频率申请内容，确保高低轨卫星兼容

低轨卫星进一步推动了国际规则的修订。为规范卫星系统频率使用，监管部门对高低轨卫星操作者提出了新的要求，以确保星座系统间及星座与其他无线电业务的兼容。卫星操作者向监管部门提交的宽带通信星座用频申请中，高低轨卫星兼容性分析是获得批准的关键评判标准之一。规范频率申请内容将帮助监管部门更好地监管频率使用，确保GSO 轨道、非地球同步轨道（NGSO）和地面各系统协调运转。

2 低轨卫星星座商业模式设想

服务应用方向

（1）全球泛在接入市场

受地区经济、技术水平的限制，全球49%的人口未实现互联网覆盖[1]，特别是大部分非洲人口依然没有接入互联网。我国国内互联网普及率为59.6%，有2%的行政村未通光纤和4G。低轨卫星距离地球300 ～1200km，信号强度大、延迟低、灵活性强，作为地面移动通信的补充，可以解决海洋、森林、沙漠等偏远地区，以及船舶、飞机的宽带通信问题，具有极强的优势。据统计[2]，全球每年有超过50 亿人次的飞机和轮船乘客对互联网有强烈的需求。对于地面网络覆盖不到的区域，卫星互联网潜在应用场景多，商用价值大，存在巨大的市场机遇。卫星互联网可有效弥补地面网络“数字鸿沟”，为全球众多场景、领域提供互联网接入服务，进一步牵引民生领域，实现万亿产业发展。

（2）全球骨干流量市场

低轨卫星星座采用星间链路体制进一步缩小通信时延，通信时延相对地面骨干光纤网络优势明显。受地缘政治限制以及地形地貌影响，光纤无法采用直线距离铺设。再者，光在玻璃中传播速度相比真空降低47%，据统计[3]，相比海底光缆，通过卫星连接地面两点平均速度可以提高40%左右，如“伦敦-纽约”线路快了33ms（43ms VS 76ms），“伦敦-约翰斯堡”线路快了100ms（90ms VS 190ms）。0.1s对于用户上网体验稍有优化，在大部分场景中不会非常明显，但对于金融服务、网络游戏、远程遥控等对时间极其敏感的应用来说，意义较大。例如，纽约证券交易所、香港交易所及伦敦证券交易所物理距离较远，对于1s 内成交上百笔的高频交易，在各交易所打时间差，获利极大。

（3）空间网络基础设施市场

在近地轨道对通信实时性要求较高的航天器，主要依靠中继卫星系统保证其与地面的实时联系，如，美国“跟踪与数据中继卫星”（TDRS），中国“天链”等。利用这些系统，地面可以随时与近地空间站取得联系。低轨卫星网络具备服务能力后，可以逐步接替中继卫星系统，作为信息中转通道，满足近地轨道准实时通信需求。同时，低轨卫星星座可以有效减少地面网络建设。据统计[4]，美国为完成5G 网络建设需要新增1500 亿美元投资用于基站建设，通过低轨卫星星座可以减少政府在该方面的投入，借助星座能力直接迈向6G 网络建设。

（4）星座功能延伸市场

低轨卫星星座部署在500 ～1200km 高的轨道上，该轨道是遥感卫星、导航增强卫星的主要任务轨道。单颗卫星由于其时间分辨率、空间分辨率不足，在使用过程中无法切实、及时满足用户需求。低轨卫星星座在完成通信业务的同时，可以在上万颗卫星上搭载遥感、导航增强等载荷，利用卫星数量多、时空分辨率高的优势，实时、多渠道获取地面信息。对于军方用户，星座可以满足其通信、遥感、侦察、导航增强等一系列需求，战略意义巨大；对于商业用户，星座可以提供更为丰富的信息，用户通话的同时，可以及时获知身边的遥感资源等信息。手机软件开发商，可以在星座提供的信息基础上，二次开发衍生业务，与网络提供商共分收益。

TDRS 在轨飞行示意图

客户群体设想

卫星互联网可以为普通大众、行业用户、政府用户、军方用户等提供差异化服务。

普通大众用户。卫星互联网要想推广普及到普通消费者，低廉的地面终端、便利的使用体验成为关注的焦点。据报道，Starlink 星座面向普通消费者的终端价格为200 美元[5]，易于安装，约需100 ～300美元安装费用，门槛较低。

行业用户。随着物联网、车联网概念兴起，特斯拉汽车在现有设计过程中，已经安装了蓝牙无线功能模块，未来可加装对卫星信号具有接收和转发能力的软件。卫星互联网也将逐步与物联网、车联网深度融合，形成新的增长点。

政府、军队用户。低轨卫星星座可以为军队、政府提供较好服务。如，美国军机已经完成Starlink 网络试用测试[6]。近期，美国太空探索技术公司（SpaceX）与美国陆军签署一份3 年期的“合作研发协议”，主要用于评估Starlink 星座为军用系统提供连接时的性能，进而深入了解低轨星座的潜在应用、卫星通信终端发展趋势等商业卫星通信领域的最新进展。

预期，随着低轨卫星星座服务能力的不断增强，各大国军方将进一步支持低轨卫星星座的发展，以满足海外利益扩张、区域军事斗争的需求。

推广策略设想

从全球卫星通信服务内容来看，主要包括卫星电视、卫星广播、卫星电话，以及卫星宽带、军队通信服务、行业通信服务等板块。低轨卫星星座主要涉及卫星宽带、军队通信、行业通信等领域，地区市场份额排序可以概括为北美（约32%）、亚太（约27%）、欧洲（约26%）、中东和非洲（约7%）、拉丁美洲（约6%）、俄罗斯和中亚（约2%）[7]。其中，北美、亚太、欧洲占据绝大部分份额。预计未来国外低轨卫星星座的主要推广路线之一为：由开发北美洲市场为起点，逐步延伸至欧洲、亚洲等盟国。