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盘点2021年低轨卫星:全球竞赛正式开启 未来谁主沉浮?

C114中国通信网    2021-12-27 16:14

12月27日消息(章葭)自美国摩托罗拉公司1987年设计的“铱星”(Iridium)卫星通信系统破产以来,很长一段时间,低轨卫星的发展似乎陷入了缓滞期。直到突然间人们发现,马斯克的Starlink星链已然占据世界上一半的活跃卫星,卫星互联网也成为了科技新闻上众人瞩目的风口,未来通信的一片新蓝海。

与传统高轨同步轨道卫星相比,低轨卫星建设成本更低,且有低损耗,低时延和高带宽的优势。与地面通信5G相比,低轨卫星通信系统覆盖更广,可应用于高速/远距离移动终端。

Speedtest公布的2021 年第三季度卫星互联网的网速数据结果显示,使用低轨卫星的星链延时中值为 44 毫秒,是与固定宽带延时(15 毫秒)最为接近的卫星互联网服务提供商。利用地球同步轨道卫星的ViaSat 和 HughesNet的平均延时分别为 629 毫秒和 744 毫秒。在澳大利亚、比利时、法国、新西兰、英国等地,星链的下载速度也均优于固定宽带平均水平,在英国,其速度甚至是固定宽带的两倍。

我们看到,星链的来势汹汹掀起了一场无法避免的竞争,中国如何在竞赛中占据一席之地,是摆在眼前的一个待解之题。

盘点2021年低轨卫星:全球竞赛正式开启 未来谁主沉浮?

全球低轨卫星发展持续火热

当前,全球低轨卫星发展持续火热,多方参与卫星组网浪潮中。不仅包括马斯克的SpaceX星链计划,英国通信公司Oneweb、亚马逊Kuiper、加拿大Telesat、波音等选手相继规划了宏大的卫星发射计划。

美国东部时间2021年12月18日,随着今年SpaceX第33批52颗星链卫星上天,SpaceX专项组网总计已经发射了1944颗“星链”卫星,已远远超出其最初设计的1440颗,而其完整版星链计划的卫星总数将达到1.2万颗、远期规划达4.2万颗,其进展速度简直让对手难以望其项背。马斯克表示,预计“星链计划”的总投资成本在200-300亿美元间。今年6月,马斯克公布星链互联网活跃用户已达到近7万人,仅一个月后,其用户增至9万人。

英国通信公司OneWeb则目标2021年底前在北半球提供服务。去年其还一度面临破产危机,不过,在收到软银等多国财团的追加投资后,今年10月,OneWeb顺利进行了第11批34颗卫星的部署。目前其在轨卫星总数达358颗,预计2022年底前OneWeb将完成第一阶段所有648颗近地轨道卫星的发射部署。

亚马逊的Kuiper此前计划发射3236颗近地轨道卫星,投资超100亿美元,但其目前一颗卫星都还未发射。亚马逊表示计划2022年第4季发射2颗“原型”(prototype)卫星到近地轨道。10月,亚马逊还宣布和美国运营商Verizon合作,为该国农村及偏远地区提供宽带互联网服务。Kuiper将提供行动回传网络(cellular backhaul)服务,以延伸Verizon的4G/5G网络。

加拿大老牌卫星通信公司Telesat的首次发射计划将于2023年初进行,与SpaceX和亚马逊等专注于消费市场不同,该公司专注于商业市场,凭借其几十年卫星服务行业的经验,该公司对于参与这项竞争也是野心勃勃。加拿大政府还承诺向Telesat投资12亿美元支持其卫星网络计划。

今年6月,韩国经济副总理、财政部长洪南基表示韩国将在10年内建设100颗微小卫星组成的卫星星座。更早之前,韩国三星公司也抛出了由4600颗微小卫星组成的互联网星座蓝图。

此外,波音卫星互联网项目也于11月初刚刚获得FCC批准部署147颗卫星。

这些参赛选手们不甘落后,纷纷喊出部署成千上万卫星的计划。根据媒体统计,在最新一轮申请中,多家公司都大幅增加了卫星部署的计划规模。例如亚马逊申请增加部署4538颗卫星,使得Kuiper计划规模达到7774颗;连美国火箭初创企业阿斯特拉(Astra)也提出13620颗的卫星计划;OneWeb和波音分别提出计划部署6372颗和5789颗;还有多家初创公司也提交了部署数百至上千颗卫星的申请。

国家队剑指天地一体化建设

我国多个国家队也早已制定了类似的“星链”计划,就在马斯克推出星链计划的2015年,中国航天科技和中国航天科工两大集团也相继抛出了自己的低轨通信项目“鸿雁”星座系统和“虹云工程”。

“鸿雁星座”是由中国航天科技集团计划建设的全球低轨卫星移动通信与空间互联网系统,系统计划由300颗低轨小卫星及全球数据业务处理中心组成。根据官方消息称,“鸿雁星座”具备全球复杂条件下实时双向通信能力,除了可以为用户提供实时数据通信,还具备数据采集、海洋监测、渔政管理、多媒体数据广播、防灾减灾、北斗导航系统增强等综合服务能力。“虹云工程”是由中国航天科工集团牵头研制的低轨宽带通信卫星系统,计划发射156颗卫星,致力于构建一个星载宽带全球移动互联网络。按计划,到“十四五”末,“虹云工程”将实现全部156颗卫星组网运行,完成业务星座构建。

此外,中国还于2018年起部署首个低轨卫星物联网星座 “天启星座”,共38颗低轨卫星组成,目前已发射15颗低轨卫星在轨组网运营,计划2022年全部部署完成,全面解决70%以上陆地、全部的海洋及空中物联网数据通信覆盖盲区问题。中国航天科工牵头的低轨窄带通信卫星星座 “行云工程”也即将进入批量化组网建设阶段,计划在2022年完成第二阶段共12颗卫星的发射任务,并在2023年前后建成由80颗低轨通信卫星组成的覆盖全球的天基物联网星座。

由于 “星链计划”带来的竞争压力,近年来,我国也正在有序推进卫星互联网建设,频频出台众多针对性政策和指导意见。2020年4月,我国首次明确“新基建”范围,并将卫星互联网纳入通信网络基础设施范畴。今年3月,我国 “十四五规划和2035远景目标”再次明确提出了要建设高速泛在、天地一体、集成互联、安全高效的信息基础设施。

据国际电信联盟(ITU)披露,2020年9月,中国以“GW”为代号申报了两个低轨卫星星座,共计12992颗卫星,分布在距地面590公里至1145公里的低轨轨道,频段为37.5GHz—42.5 GHz及47.2GHz—51.4GHz。

今年4月底,中国卫星网络集团有限公司(简称“星网”)应运而生,开启我国卫星互联网发展的新征程。据悉,星网筹备前期就从三大运营商抽调了很多骨干员工前往支援建设,星网成立后,原中国联通副总经理范云军还辞任前往担任副总经理。按计划,星网将聚焦低轨通信卫星星座,调动航天、电信两大产业资源,推进一个中国版的星链计划。星网可以充分整合各方资源与优势来攻克设计、材料、工艺、制造等产业基础难题,促进卫星互联网产业驶入高效建造的轨道。以星网为支柱,未来,有望形成中国卫星互联网产业发展的新型举国体制,提升中国卫星互联网产业发展的国际核心竞争力。

太空“圈地运动”谁主沉浮 国际监管机构亟待建立

卫星工业协会(Satellite Industry Association)估计,到2029年,在轨的商业航天器数量将超100000个。

可重复回收利用的火箭解决了卫星发射费用高昂的问题,支撑了“星链们”成千上万的卫星发射计划。由于我国目前仍然缺乏可回收火箭技术,我国的卫星发射进度却难以提升。

华安证券分析称,SpaceX商业化进程正在倒逼全球卫星产业提速,主要国家的卫星互联网建设必将加速卡位,而社会资本的加入也会促使产业链快速成熟,卫星制造发射成本不断降低。

星链卫星的迅速扩张,也引来行业内的担忧,连欧洲太空局局长约瑟夫·阿施巴赫(Josef Aschbacher)都曾为此喊话。俄国家航天集团总裁罗戈津警告称,星链不仅能够提供互联网服务,还可以成为实现控制巡航导弹等任务的工具。国内也有专家指出,看似民用定位的美国“星链”计划的确存在被用于军事领域的可能性,而美国军方甚至已经为该计划投入大量资金。马斯克是否会建立一个太空中的主权?目前还亟待一个权威的国际机构来监管这一问题。

尽管如此,业内专家表示,搭建低轨宽带系统最困难的并不是造卫星或者发射卫星,而是获取频谱。受多重因素影响,卫星通信必须采用微波频段以上频率的信号,才能实现星地通信。C 频段(4GHz~8GHz)、Ku 频段 (12GHz~18GHz)和 Ka 频段(26.5GHz~40GHz)是目前卫星通信系统中使用最广泛的频段,C 频段和 Ku 频段主要用于卫星广播业务和卫星固定通信业务,带宽有限且利用较早,目前频谱的使用已趋于饱和;Ka 频段主要用于高通量卫星。因此,Q/V 频段将是未来卫星通信领域争夺的重点,目前 国际电信联盟(ITU)也正在制定使用 Q/V 频段的频谱共享规则。

还有一个显而易见的问题是,低轨的轨道位置是有限的。每个竞争者都明白:必须要比对手行动得更快,才能占领最理想的轨道平面。依照“先占先得”原则,中国更需要即刻行动研究卫星互联网。

疯狂“圈地运动”的背后还存在一个隐患:当卫星部署数量激增,卫星残骸将指数级上升,潜在的碰撞风险也难以避免。因此这就又回到前述提到的,需要一家国际监管机构来确保每一颗卫星都以负责任的方式放置在轨道上。

随着卫星竞赛日益火热,世界对卫星频率和轨道资源需求的增长使得二者成为世界各国必争的一种宝贵的战略资源。以此前地球静止轨道经验看,由于C频段通信卫星已近饱和,各国卫星之间出现“撞车”和需要协调的情况时有发生。抢占卫星频率/轨道资源,争夺太空优势,已成为当今世界卫星发展领域的热点之一。因此,抢占低轨卫星轨道和频率的先机就显得异常重要。

盘点2021年低轨卫星:全球竞赛正式开启 未来谁主沉浮?

与5G融合发展成未来趋势

卫星互联网对于极地海洋等特殊场景有着覆盖和成本的优势,有人据此认为星链可能将替代5G。不过,卫星通信也存在明显劣势,在uRLLC低时延高可靠方面,5G的空口时延是1毫秒,而卫星的空口时延为数十毫秒,这项缺陷使得其无法满足车联网、工业互联网等应用场景。随着用户数量的增加和接入速率的提升,系统容量也会成为卫星互联网最大的瓶颈。

中国信科集团副总经理陈山枝博士曾在接受C114采访中指出:从通信能力看,一颗卫星与一个地面基站的通信能力大体相当,未来全球5G基站数将超过1000万,而低轨卫星的数量在万级,两者相差千倍。这就注定了卫星的通信容量、用户规模、产业规模等方面只能是5G的补充。对于通信技术而言,天空与地面的技术最大复用与兼容才是5G时代的正确走向。

低轨卫星与5G的相互融合可以取长补短,共同构建全球无缝覆盖的海、陆、空一体化综合通信网,满足用户无处不在的多种业务需求。

据悉,2020年12月,中国联通和航天科工就携手合作实现首个“5G低轨卫星”融合网络业务演示,在星地网络融合的技术研究和业务探索上迈出了突破的一步。今年5月,银河航天与中国信通院开展了一系列低轨卫星星座体制技术试验,实现了低轨卫星网络与地面5G网络深度融合,迈出了中国天地网络通用技术攻关的关键一步。7月25日,我国首次低轨宽带卫星与5G专网融合试验在北京和济南完成,该试验利用低轨宽带卫星,构建起北京、济南两地5G专网间的骨干网络,测试时延约20-30毫秒。

需要指出的是,卫星和地面移动通信都是资源受限系统,频率资源的稀缺极大地影响了低轨卫星网络与5G网络的融合,为应对困境,现阶段大多采用低轨卫星网络和5G网络频率复用技术,通过合理的频谱协同规划,实现二者之间的频谱共享进而提升融合网络的系统容量。

相关研究表明,低轨卫星网络与5G的融合涉及到诸多技术方面内容,当前处于融合技术研究的初期阶段,实现了低轨卫星网络与5G网络之间的架构融合,可满足二者之间的数据互通、波束切换、频率复用、业务兼容。下一阶段的研究方向将是实现技术体制的融合,研究低轨卫星网络与5G网络融合技术体制,采用统一的空口技术体制,进行统一的资源管理和动态资源共享,实现统一的业务调度与编排,最终打造高效的空天地一天化网络,为用户提供无感知、无缝、极简接入的优质服务。

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责任编辑: 4162SKX

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