卫星互联网星座的新机遇/ 黄志澄

New Opportunities of Satellite Internet Constellation

Space Exploration - - CONTENTS - □黄志澄

地球静止轨道卫星的轨道位于赤道平面内,轨道的日周期和与地球的旋转周期相一致,三个卫星就可以实现接近全球覆盖,从而成功地广泛用于通信和电视转播领域。但这种卫星的轨道高度高,路径损失大,信号有较大的时间延迟,也难于实现完全的全球覆盖。

卫星星座是按一定规律布置在地球中、低轨道上的一群卫星。从上世纪90年代开始,由于移动通信和互联网的发展,非地球静止轨道的通信和互联网卫星星座发展迅速,掀起了第一个高潮。但在地面移动通信系统迅猛发展的冲击下,卫星星座通信由于成本太高,并未得到广泛应用。

2010以来,由于智能手机技术日益成熟、成本不断降低、各类应用蓬勃发展,建设融合语音、数据、视频为一体,覆盖广泛、经济实用的互联网,成为世界各国为推动经济增长而大力构建的重要基础设施。在这种背景下,出现了互联网卫星星座的新机遇。

三大星座升级换代

在 2010年后,三大低轨通信星座都开始升级换代。“全球星”由于一代星S频段发射机的故障影响了双向应用,率先启动了二代星计划,并在 2010 - 2013 年完成了24颗第二代星的发射,每颗重700千克。第二代全球星除了和地面的固定网和移动网兼容外,还增加了基于卫星的Wifi服务,用户使用智能手机就可直接上网。

轨道通信公司在经历2008 年的6 颗补星失利后,2014 - 2015 年完成了6颗第二代星(OG2)的发射工作,两代轨道通信卫星共同在轨提供服务。OG2卫星安装了“自动识别系统”(AIS),可为船舶提供循迹追踪,在基于卫星的机器对机器(M2M)的物联网应用方面,处于领先地位。

系统最复杂和成本最高的“下一代铱星”(Iridium-next)星座,在2017 年 1 月 15日,由太空探索技术公司(Spacex)的“猎鹰9”火箭,成功发射了首批的 10 颗卫星。卫星 每颗重 860千克。由于铱星系统的复杂性和 Spacex一再推迟发射,预计要到2018年才能够完成全部部署。“下一代铱星”除了具有传统的功能外,增加了许多新的用途。每颗卫星目前留有 50千克的有效载荷余量,计划安装 Airecon 公司的“广播式自动相关监视”(ADS-B)接收机,以提供全球覆盖的近实时、高精度的飞机位置监视。今后,铱星系统还将进一步增加有效载荷余量,让那些想要具备全球覆盖和星间链路的服务商,能够以搭载铱星的方式完成全球星座的建设,而不是自己去研制一个卫星星座。

至此,三大低轨通信系统在经历了“繁荣”和破产保护之后,都已绝地重生。由于它们都在较大程度上,降低了卫星的研制费用和发射费用,并增强了卫星星座的功能,扩展了用户,从而增加了收益。根据美国联邦航空管理局(FAA)给出的三家公司在 2006 - 2014年的收入情况汇总,可得到 2015年的收入情况:全球星公司最低,为 9049 万美元;轨道通信次之,为 1.78亿美元;铱星公司最 高,达到 4.11亿美元。不难发现,铱星公司和全球星公司都进入了平稳期,而轨道通信公司在近几年则出现了快速的增长,特别是2014 - 2015 年,其收入增长了几乎70%。

从上面三家的第二代星座不难看出,它们在基于各自现有用户的细分领域,发挥了各自现有系统的优势,从与地面通信网竞争而转向与地面网的合作和补充。以铱星公司为例,在市场定位方面,不再与地面通信正面竞争,而将用户定位为除了军事用户外,主要是偏远地区的专业用户,如海上石油钻井平台、采矿、建筑、救灾抢险、野外旅游的组织或个人;在投入成本方面,大幅度降低系统成本,实现通话和数据使用费用的降低,以达到与地面通信接近的价格水平;在系统能力方面,升级卫星系统,接近地面系统的能力,减少卫星终端的尺寸和降低重量,提高数据服务的速率,使之在特定应用场景下具备一定的竞争力。

正由于这三家公司的星座的升级换代取得成功,策动了更多的公司投入到卫星互联网星座这个市场,迎来

了卫星互联网星座的新高潮。

卫星互联网星座的新高潮

而今,智能手机和电子商务的快速发展,已经改变了用户的消费习惯和市场环境;商业航天的迅速发展,大幅度降低了卫星的研制和发射费用,为建设新一代卫星互联星座提供了条件。在这新一轮星座风暴中,一位美国的卫星从业者格雷格·维勒起了重要的作用。

维勒曾长期在非洲农村地区发展电信和互联网事业,积累了丰富的经验。2007年,他创建了“另外30 亿人”(O3b)公司,投资方为欧洲卫星公司(SES)、互联网巨头谷歌、有线电视运营商 Liberty Global 和汇丰银行等。这家公司的宗旨是“要为地球上另外30亿人提供网络服务”。O3b星座,是卫星互联网星座发展至今,唯一的一家在运营之初就取得成功的星座。

O3b星座系统的成功,剌激了许多投资商一拥而上。首先,由原O3b创始人格雷格·维勒于2014 年成立了一网公司(Oneweb)。维勒曾是谷歌公司卫星互联网项目的负责人,后离开谷歌创立了一网公司。

在一网之后,Spacex公司宣布了 4425颗卫星的低轨宽带卫星星座计划,波音公司宣布了采用V频段2956颗卫星星座计划;原天线设备供应商 Kymeta公司创始人提出的“低轨卫星”(Leosat)有108颗卫星等。接着,包括卫讯公司(Viasat),加拿大卫星电信公司(Telesat)在内的高轨通信卫星运营商,也纷纷宣布了中低轨宽带卫星星座方案。众多方案中最具代表性的主要有3家,即一网、Spacex 和 Leosat。这三个卫星互联网计划的共同点是:选择的均是质量在 300 千克以下的小卫星;主要提供宽带互联网服务。其不同点是:一网 主要面向个人消费者和社区,而“低轨卫星”公司主要还是为机构用户服务;一网和太空探索公司卫星数量较多,“低轨卫星”使用了高功率卫星平台,单星容量较大,卫星数量大致在 80 ~ 140 颗左右。

机遇与风险并存

目前地面移动互联网已经深入到每个行业和每个人,但地面互联网也有很多场合,如户外、野外、飞机、海上等,仍然不能提供很好的覆盖和应用。目前,基于卫星星座的天基互联网在技术上已经成熟,造价正在逐步下降。未来,天基互联网将和快速到来的5G地基互联网充分协同融合。

首先,智能手机和电子商务的快速发展,催生了卫星互联网星座新的盈利模式。过去的卫星互联网星座,用户规模非常有限,单纯通过收取通信和网络使用费用,难于满足投资者的回报期望。而今,消费者开始习惯为内容服务付费,通信和网络服务不再是运营商获利的唯一手段。未来,一旦卫星互联网 成功建立,就相当于有了庞大的数据入口,可以提供各种各样的内容服务,从而形成一个巨大的市场。

其次,航空业正在不断开拓新的应用。2014年3月8日凌晨马来西亚航空公司 MH370失踪的严峻事实告诉我们,在互联网时代,汽车、手机、家电,甚至几乎任何物品都可以接入互联网,但商用飞机的数据系统,却几乎未和任何网络相连,充分说明民航信息系统已大大落后于时代。由此,发展基于卫星的空中管理系统,以代替目前基于地面雷达的系统已迫在眉睫。

在空中的航班上提供互联网接入服务,更是广大旅客的迫切要求,同时也是卫星互联网的重要市场。“空中 Wifi”、“机上互联网(IFEC)”是近年来航空公司积极布局的热点项目。面对激烈的市场竞争,航空公司将 IFEC服务视为新的盈利增长点,希望借此增加用户,拓展新的商业模式。目前机上互联网需求已经演进到每架飞机 50Mbit/s 以上带宽,否则难以保证机上乘客享受到接近地面移动互联网的体验。对于飞越偏远地区的

国际航班,利用现有的通信卫星,也难于保证全程不间断服务,这就为卫星互联网星座的发展创造了条件。

最后,商业航天的发展导致成本大幅度降低。20世纪 90年代卫星互联网的失败,主要是星座投入成本过高,其中主要是发射费用和卫星的生产成本过高。目前,以太空探索公司为代表的新兴航天发射公司,已经将发射费用降低了50%,而火箭重复使用技术的发展,则有望降到过去发射费用的 20% ~ 30%。一网公司和太空探索公司,将航空飞机和导弹的批量制造经验融合到卫星研制中,并希望以此将卫星的研制成本降至单星50万美元以下。

随着小卫星的发展,越来越多的卫星项目开始使用非航天级别的商业现货部组件;形成了得到广泛认可的官方或非官方的标准,模块化的接口设计便于批量制造和快速发射; 3D打印技术的应用可以直接形成小卫星或卫星部件,从而缩减了卫星的研制成本和研制周期。

另一方面,卫星互联网星座发展的机遇与风险并存,未来能否成功的关键在于是否能够降低服务费用,从而赢得市场和用户。

首先,面临地面和其它卫星系统的竞争。当前,低轨星座的时延已经能够接近地面光纤和蜂窝通信,满足VOIP、视频会议、在线游戏等交互式通信应用的要求,大大优于地球同步轨道宽带卫星和中轨星座;低轨星座的使用成本与地球同步轨道宽带卫星接近,但与地面通信手段仍有差距;对比系统容量,虽然低轨星座大大超过了地球同步轨道宽带卫星,但低轨卫星在点波束中提供的集中式容量仍然具有优势;在全球覆盖范围方面,低轨星座则有明显优势。

当前地面通信正在大力推动5G的发展,很难预测在这些星座全部建成之后,是否会再次落后于地面通信。 美国航天咨询公司北方天空研究所(NSR)通过负债比这一经济指标,对互联网卫星企业的未来收入做了大致估算。NSR按照每户每月50 美元计算,未来打造卫星互联网星座的企业至少需要获得1000万的用户量级,才能获得盈利,实现这样的目标难度很大。虽然,全球未连接和待连接的家庭市场仍然十分庞大(估计有4.71亿),但这些家庭大多数是在低收入国家,在那里开拓市场仍有很大不确定性。

其次,频率与落地权的协调难度很大。一网是最早从ITU 获得 Ku 频段使用权的企业,但一网并非拥有Ku频段的所有权,其他竞争企业依然可以申请。为此,其它公司首先要与一网进行协调,同时还需与申请频段的静止轨道卫星运营商进行协调,由于相互之间是竞争关系,这样的频率协调难度非常大。除频率协调外,还有落地权问题。如果要在全球提供服务,还需要与各国政府进行频率协调。

最后,将承受低轨恶劣空间环境的考验。卫星变轨的过程中,需要频繁穿越高能质子辐射带,会对卫星的 电子系统的正常工作造成很大影响,因此对卫星抗辐射能力提出了很高的要求。低轨卫星不仅会受到空间辐射的影响,还存在卫星和卫星,微流星和轨道碎片碰撞的风险。2009年俄罗斯宇宙 -2251卫星与铱 -33 卫星在790千米的轨道高度发生碰撞, 2颗卫星相撞造成成百上千的太空碎片。在低轨上,碎片碰撞低轨卫星的概率很大。太空碎片的数量与日俱增,现在十厘米以上的碎片已经有两万多个,大于一厘米的碎片已经超过了五十万。在卫星互联网星座常用的轨道上,太空碎片非常密集。大的空间碎片对航天器的撞击是致命的,很小的碎片打上去可能也会导致卫星损坏,就是毫米级以下的碎片撞击的累计效应也可能会影响卫星的工作。

为了减少卫星互联网星座的卫星发生相撞的概率,要求每个星座的轨道中心相隔一定距离;要求每颗卫星要提高定位精度,并可进行在轨推进以执行防碰撞操作;要求退役的卫星在一定时间内必须离轨等。无疑,这些要求必然会增加建设和运营星座的成本,急需有关国际机构协调解决。

从 30年来卫星互联网星座经历失败、复活到重生的过程可见,如何处理好星座与地面通信的关系是星座能否取得成功的关键。当前新兴卫星互联网星座的发展,不是历史的简单重复,而是市场和技术综合发展的结果。展望未来,新兴卫星互联网星座发展,机遇与风险并存,影响未来能否成功的核心,仍然在于市场和用户。★

铱星星座(左)及铱星的覆盖区(右)

全球星星座(左)及全球星的覆盖区(右)

铱星手机终端

一网卫星

一网创始人维勒(左)和蓝色起源创始人贝索斯

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