新（xīn）兴低轨卫星（xīng）通信星座发（fā）展

　　摘 要：SpaceX、OneWeb等（děng）公（gōng）司计（jì）划（huá）建造（zào）大型低轨（guǐ）卫星（xīng）通信星座，以（yǐ）提（tí）供全球宽带接入（rù）。与（yǔ）90年代（dài）的（de）低（dī）轨星（xīng）座浪潮相比，新兴星座主要具备以（yǐ）下优势：批量化、模块化生（shēng）产降（jiàng）低了卫星制造（zào）成本，火箭重复利用（yòng）和“一箭多（duō）星”技术降（jiàng）低了发射成本。然而，低轨星（xīng）座面临（lín）快速（sù）发展的地面网络以及地球（qiú）静止轨道（dào）高通量卫星的激烈竞争。文中从（cóng）建设费用、容量（liàng）密（mì）度、地面终端等方面对这三类系统进行比较，分析各自（zì）的优劣（liè），并分别（bié）从民用市（shì）场和军事应用两个方面（miàn），分析新兴低轨星（xīng）座的发展前景。

　　关（guān）键词（cí）: 低轨星座；高通量卫星；星（xīng）链；一（yī）网

引 言

　　以OneWeb、StarLink为（wéi）代表的（de）新兴低（dī）轨（LEO）卫（wèi）星（xīng）通信（xìn）星座迅猛发展，旨在通过覆盖（gài）全（quán）球的（de）宽带（dài）连接能力，与地面网络争夺互（hù）联网入（rù）口（kǒu）。与1990年代的铱星等低轨星（xīng）座相比，新兴低（dī）轨（guǐ）星（xīng）座拥有多种发展优势：火箭重复利用和“一（yī）箭多星”技术极大降低了（le）卫星发射成本；集成电路技术的进步促（cù）成了卫星的模块化、组件化和小（xiǎo）型化，显（xiǎn）著降低（dī）了卫星的（de）尺寸、质量、功耗和（hé）研制成（chéng）本；批量（liàng）化、模块化（huà）卫（wèi）星制造技术显著降低了卫星的制（zhì）造成本。然而（ér），来自地面网（wǎng）络的竞（jìng）争也日趋激烈，尤其是千（qiān）兆级（jí）光纤网络已经开启大（dà）规模商用，3G、4G无线网络已经分别覆盖全球93%、82%的人口，5G无（wú）线网（wǎng）络也已经开始大规模部署。因（yīn）此，新（xīn）兴低轨卫星通信星座发展前景仍然存在不确定性。

　　本文将（jiāng）从建设费（fèi）用、容量密度等方面（miàn）分析低轨星（xīng）座与地面（miàn）网络的竞争态势，从单位容量成本（běn）、地面终端配置、传输时延、落地（dì）监管等方（fāng）面对（duì）比低轨星座与地球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）事应用的特点和趋势，研究新兴低轨卫星（xīng）通信星（xīng）座的发展前景。

1 与地面（miàn）网络的竞（jìng）争

　　光纤、蜂（fēng）窝无线（xiàn）通信（xìn）等（děng）地面通信（xìn）技（jì）术，是低轨星座无法回（huí）避的竞争（zhēng）对手（shǒu）。1990—2000年，“铱星”、“全球（qiú）星”、“轨道（dào）通（tōng）信”等多个低轨星座计划被提出，旨在提供全球无缝覆（fù）盖的便携（xié）式卫星（xīng）电话服务。三大（dà）星座的设计指标达到了同时期地面蜂窝网络（luò）的水（shuǐ）平（píng），并具有全球无缝覆盖的优势，因此吸引了广泛（fàn）关注。但在三大星座投入建设的十（shí）年间，地（dì）面蜂窝（wō）网络逐渐从2G演化到3G，手机终端价格和（hé）流量（liàng）资（zī）费不断降（jiàng）低，卫（wèi）星通信除了覆盖范围广的优势之外，终端成本、通（tōng）信速率等方面（miàn）均处于劣势，导致三（sān）大（dà）卫星（xīng）通信公司先后经历了破产重组。虽然（rán）三个星座最终（zhōng）都起死回生，但占据的无（wú）线通信市场份额远小于蜂窝网络，2015年三大星座（zuò）的用户总数（shù）才（cái）达到380万，而同时期（qī）全球蜂（fēng）窝移动用户数量为（wéi）73亿。

　　与第一代（dài）低轨星座以话音服务为主不同（tóng），OneWeb、StarLink等（děng）新兴低轨星座主要提（tí）供（gòng）卫星宽（kuān）带（dài）服务（wù），但其瞄准的（de）消（xiāo）费者宽带市（shì）场面临光纤到（dào）户（FTTH）、蜂窝宽带等地面网（wǎng）络的竞争（如图（tú）1）。其（qí）中，光纤（xiān）到户（hù）的（de）优势是通信容量（liàng）大，劣势是（shì）在偏远地区铺设成本较高；蜂窝宽带通过基站的无（wú）线信（xìn）号实现宽带接入，通信容量一般低于光纤，优（yōu）点是（shì）最后一公（gōng）里无（wú）需铺设线缆。低轨星座天（tiān）然（rán）具备全（quán）球覆盖的（de）优势，且接入成（chéng）本与地域是（shì）否偏远无关，但（dàn）其能否赢得与地面网络的竞争仍属未知，下面从建（jiàn）设费用（yòng）、容量密度两方面（miàn）展开（kāi）分析。

图 1 卫（wèi）星宽带（dài）、光纤到户与蜂（fēng）窝宽带（dài）示意图（tú）1.1 建设费用比较

　　宽带网（wǎng）络每（měi）条用（yòng）户（hù）线（xiàn）路（lù）的建（jiàn）设费用等于（yú）户均覆盖费用与（yǔ）户均连接费用之和。户均覆盖费（fèi）用等于网络建（jiàn）设费用除以（yǐ）用户数，因此（cǐ）在用户密度越高的地区其值越低。户均连（lián）接费用等于用（yòng）户终端费用与安装（zhuāng）费用之和，在用（yòng）户首次开通服务（wù）时（shí）产生（shēng）。

　　根据美国光纤（xiān）宽带协会的（de）研究，2019年美国光纤到（dào）户的户均（jun1）建（jiàn）设费（fèi）用在密（mì）集（jí）城区、一般城区、郊区、农村分（fèn）别为1218、1863、2737、4206美（měi）元（如（rú）图2）。StarLink星座单星制造发（fā）射（shè）成本（běn）约153万美元，单星（xīng）容量约21Gbps。低轨（guǐ）星座天然具有（yǒu）全（quán）球（qiú）覆盖特性，然而地（dì）球表面（miàn）70%以上为（wéi）海（hǎi）洋和荒野（yě），根据地（dì）表人口分布（bù）估算其容（róng）量利用效率约25.1%，单星有（yǒu）效容（róng）量（liàng）约5.36 Gbps。如果给每个宽带用户分配10Mbps容量，那么StarLink单（dān）星可服务约536个用户，户均覆（fù）盖费（fèi）用为2854美元。假设（shè）低轨星（xīng）座用户终端费用加安装费（fèi）用为（wéi）550美（měi）元，则（zé）StarLink卫（wèi）星宽带（dài）户均总费用为（wéi）3404美元（yuán）。类（lèi）似（sì）可测算出OneWeb和蜂窝宽带的（de）户（hù）均费用（如表1），其（qí）中蜂窝（wō）宽带采（cǎi）用了华为公司的测算结果（guǒ）。

表 1 OneWeb、StarLink与蜂窝宽带户均建（jiàn）设费用（yòng）测算

图（tú） 2 蜂窝宽带（dài）、光纤到户与StarLink宽带户均建设费（fèi）用对比

　　对比可知，在密集（jí）城区（qū）、一般城区和郊区，StarLink卫星宽带的户均建设费用（yòng）高（gāo）于光纤，但在农村（cūn）地区（qū）比光纤便（biàn）宜，因此非（fēi）常适合北（běi）美、澳洲（zhōu）等地的农村地（dì）区（qū）。而OneWeb的户均建设费用约16000美元（yuán），与StarLink相比不具竞争力。此外，蜂（fēng）窝宽带的户均建设费用仅为358美元，远远低于（yú）卫（wèi）星宽带，但是蜂窝（wō）宽带依赖光纤进行回传，因（yīn）此适合作为连接最后一公（gōng）里的辅助手段。根据建设费用进行（háng）分析（xī），低轨星座（zuò）的宽带服务主要适合北美（měi）、澳（ào）洲等（děng）地的农村地区。

　　1.2 容量密（mì）度比较　

　　对于蜂窝（wō）宽带、卫星宽（kuān）带等无线通信系统而言（yán），容量密（mì）度是（shì）衡（héng）量系统性能的（de）重要维度之一。容（róng）量密（mì）度等于区域（yù）传（chuán）输容量除以区（qū）域面积，决（jué）定了无线（xiàn）系统在单位面积内能够（gòu）实（shí）现（xiàn）的并（bìng）发传输容量。与（yǔ）蜂窝基站的（de）多（duō）波束空（kōng）分复用技术相类似，StarLink等（děng）低轨（guǐ）星座也采用多点波束对地球表面进行覆盖（如图3），两者的（de）容量密度可用单波束容量除以单（dān）波束面积进（jìn）行估（gū）算（如表2）。

　　图 3 卫星波束与蜂窝基站覆盖方（fāng）式对比

　　表 2 卫星宽带与5G容量密度（dù）比（bǐ）较

　　从表2估算结果可知，StarLink的容量密（mì）度为2 Mbps/km2，比5G系统所（suǒ）能实现的540 Gbps/km2低5个数量级。两者的（de）差（chà）距主要由两（liǎng）方面（miàn）原因造成：

　　1）低轨星座的频谱（pǔ）效率（lǜ）低于5G系统。地面蜂窝（wō）基站高度约30 m，而StarLink等低轨星（xīng）座轨道高度（dù）在550 km～1200 km，这导（dǎo）致（zhì）低轨星座（zuò）的路（lù）径损耗比蜂窝基站（zhàn）高50 dB以上。蜂窝基站在用户采（cǎi）用手机尺（chǐ）寸的接收机时（shí），一般能获（huò）得6 bps/Hz以上（shàng）的频谱效（xiào）率；而（ér）StarLink等（děng）低（dī）轨（guǐ）星座由于（yú）更高的路径（jìng）损耗，即使采用孔径约75 cm的接（jiē）收天线，频（pín）谱效率也（yě）只有2.5 bps/Hz左右。

　　2）低轨（guǐ）星座的（de）单波束面积远大于5G系（xì）统（tǒng）。StarLink卫星在（zài）1 200 km的高（gāo）度向地面（miàn）投射的单波（bō）束直径约（yuē）60 km，面积（jī）约（yuē）2800 km2；OneWeb卫星采用固定的狭（xiá）长椭圆波束，其波束面积约为75000 km2。蜂窝（wō）基站（zhàn）由（yóu）于高度（dù）很低，其波束覆（fù）盖范围较小，例如在城（chéng）市地区1km2内（nèi）安装三个5G基站，每（měi）个基（jī）站（zhàn）通过（guò）天线阵列（liè）产（chǎn）生15个波（bō）束，则每个波束的覆盖范围约（yuē）1/45km2。低（dī）轨星（xīng）座的容量密度较低，导致其难以满足城（chéng）镇地区的传输需求，而更适合（hé）农村地区。世界主要城市（shì）的人口（kǒu）密度普遍在（zài）1000人/km2以上，假设平（píng）均每（měi）个用（yòng）户需要（yào）10 Mbps容量（liàng），那（nà）么需要的容（róng）量密度在10Gbps/km2上。国际标准规定4G、5G的流量密度峰值分别为100 Gbps/km2、10 Tbps/km2，能够满（mǎn）足城市地区容量密度需求，而低轨星座（zuò）宽带则（zé）存（cún）在（zài）巨大差距。因此，低轨星座宽带主要适（shì）用于（yú）人口密度较低的农村地（dì）区。 

　　2 与地球静止（zhǐ）轨（guǐ）道卫星的竞（jìng）争

　　Starlink等新（xīn）兴低（dī）轨（guǐ）星座属（shǔ）于（yú）非（fēi）地球（qiú）静止轨道（dào）高通（tōng）量卫星（Non-GEO HTS）的范畴（chóu），还面临GEO-HTS的竞争。低轨星座和GEO-HTS都（dōu）采用了高（gāo）通量卫星（HTS）技术，该技术通过多点波束和频率（lǜ）复用，单（dān）星容量比传统宽波束卫星提（tí）升数十甚（shèn）至（zhì）数百倍（如图4）。

　　图 4 HTS系（xì）统（tǒng）与传统卫星（xīng）系统对比

　　低（dī）轨星座与GEO-HTS代表实现高容量卫星宽带的两种思路：低（dī）轨星座通过成百数千颗小卫星实现整个星座的（de）高容（róng）量，GEO-HTS通过单（dān）颗大（dà）卫星构造（zào）成百数千个点波束实现高容量。受惠于比高（gāo）轨卫星（xīng）更低的（de）路径损耗，低（dī）轨卫（wèi）星（xīng）能够（gòu）获得更高的频谱效率，例如低轨（guǐ）卫（wèi）星StarLink频谱效率约2.7 bps/Hz，GEO-HTS卫星ViaSat-3约（yuē）1.1 bps/Hz。但低轨（guǐ）星座通常采用（yòng）轻量（liàng）级卫星，其波束数目和单星容量远比GEO-HTS低（如表3）。

　　表 3 不同卫（wèi）星波束参数对比

　　低轨星座与GEO-HTS都能实现全（quán）球覆盖（gài），但是在传输时延（yán）、路径损耗、入（rù）轨成本、卫星寿命（mìng）等方面各有优（yōu）劣（如表 4），下面从单位容量成本、地面终端配置（zhì）、传输时延、落地监管等（děng）方面进行（háng）重点分（fèn）析。

　　表（biǎo） 4 GEO-HTS和（hé）低轨星（xīng）座优劣势（shì）比较（jiào）

　　2.1 单位容量（liàng）成本

　　卫星通信（xìn）系统的单位容量成本，等于卫星（xīng）星座（zuò）制造发射（shè）总成本除（chú）以（yǐ）系统有效容（róng）量。制造发射成本方面，低（dī）轨（guǐ）星座（zuò）采用（yòng）模块化、批（pī）量化（huà）生产降低制造成本，并采用（yòng）“一箭多星”发射技术大（dà）幅（fú）降低发（fā）射成本（běn）。根据公开数据对（duì）制造发（fā）射总成本（běn）进行估算，预计OneWeb第一期（qī）720颗卫星（xīng）耗费24.2亿美元，StarLink第一（yī）期（qī）4425颗卫星耗费68亿美（měi）元；GEO-HTS卫星ViaSat-3三颗卫星制造发射总成本（běn）约15亿美元。　　

　　系统有效容量取决于（yú）系统总容量和利用效（xiào）率。低轨星座OneWeb和StarLink的（de）系统总容（róng）量（liàng）分（fèn）别约（yuē）为（wéi）7.2 Tbps和94 Tbps，但低（dī）轨星座所有卫星都围绕地球（qiú）旋转，而地球表（biǎo）面70%以上的面积是（shì）海洋和荒野，因此，低轨星座的（de）容量利用（yòng）效率较（jiào）低。根据（jù）地表人口分布模型估算，OneWeb和StarLink的容量（liàng）利用效率（lǜ）分别约为21.7%和25.1%，因此（cǐ），其（qí）星（xīng）座（zuò）有效容量分别（bié）约为1.56 Tbps和23.7 Tbps。GEO卫（wèi）星相（xiàng）对于地表静（jìng）止，可以将（jiāng）容量投送到地（dì）面（miàn）指定区域，卫星容量利用（yòng）效率可（kě）达60%，因此预计ViaSat-3三颗卫（wèi）星总（zǒng）的（de）有效容量为1.8 Tbps。

　　根据星（xīng）座制造（zào）发射总成本和有效容（róng）量，可得OneWeb、StarLink和ViaSat-3的单位容量成本分（fèn）别约（yuē）为（wéi）1 550 $/Mbps、287 $/Mbps和833 $/Mbps；考虑卫星寿命之后，三（sān）者的（de）单位（wèi）容（róng）量（liàng）月（yuè）度（dù）成（chéng）本（běn）分（fèn）别约为25.9 $/Mbps、4.8 $/Mbps和（hé）4.6 $/Mbps/Mon（如表 5）。可见低轨星座（zuò）StarLink的单位容（róng）量成本比（bǐ）GEO-HTS卫星ViaSat-3更低，但考虑到卫星寿命的区（qū）别后两者的单位容（róng）量月度成本基本（běn）相当。

　　表 5 低轨星（xīng）座和GEO-HTS单位容量成本测算

　　2.2 地面终端配置（zhì）

　　低轨卫（wèi）星至（zhì）地面（miàn）用户的传输距离（lí）远（yuǎn）小于（yú）GEO-HTS，在路径损耗（hào）方面具备约30 dB的优势（如表6）。但GEO-HTS采用的大卫星平台支（zhī）持更大的发射功率，可以部分（fèn）弥（mí）补其路（lù）径损耗。例如，ViaSat-1卫星的等效（xiào）全向辐（fú）射功率（EIRP）比StarLink卫星高（gāo）24 dB，在（zài）采用增（zēng）益与系统噪声温度比（G/T）值同（tóng）为12 dB/K左右的用（yòng）户终端（duān）时，ViaSat-1用户接收机的载波噪声比（bǐ）（C/N）比StarLink低7 dB，因此，其频谱效率（lǜ）更低。换言之，低轨卫星在地表的信号强度比GEO-HTS约高7 dB，若要实现相同的频（pín）谱效率，其用户终端天线孔径约为GEO-HTS的（de）一半（bàn）。表 6 低轨（guǐ）星座和GEO-HTS用户下行链路预算注：未查到（dào）ViaSat-3卫星的链路（lù）预（yù）算资料，用ViaSat-1卫星（xīng）的进（jìn）行估计。　

　　表（biǎo） 6 低轨星座和GEO-HTS用户下行链路预算

　　虽（suī）然低轨星座支持更小孔径的用户终端，但由于（yú）低轨卫星相对于（yú）地球表面高（gāo）速运动（dòng），对用户终端的波束（shù）跟踪性能（néng）要求更（gèng）高。GEO-HTS相对地面静止，地面固（gù）定终端可以（yǐ）使用静态（tài）抛（pāo）物面（miàn）天线，船载低速移动（dòng）终（zhōng）端可以使用机械调（diào）向（xiàng）抛物面天（tiān）线，机载高速移动终端需要使用（yòng）相控阵平板（bǎn）天线（xiàn）；低轨（guǐ）卫（wèi）星相（xiàng）对地面高速运动（dòng），卫星过顶时间在20 min以内，因此，其地面固定（dìng）终（zhōng）端（duān）也必须使用平板（bǎn）天（tiān）线。但是（shì）目前平板天线价格普（pǔ）遍在1 000美元以上，远高于50美元左右（yòu）的抛物（wù）面天线，因此，在卫星互联网接（jiē）入需求最大的（de）消费者宽带领域，低轨星座的竞争（zhēng）力（lì）极大（dà）依赖（lài）于低成本平板天线的研（yán）发进度。公开资料显示，StarLink用户终端（duān）采（cǎi）用了机（jī）械调（diào）向的平板天（tiān）线（xiàn），直径约48 cm，但其价（jià）格（gé）和性能能否（fǒu）与GEO-HTS的（de）抛物面（miàn）天线竞争仍有待观察。2.3 传（chuán）输时延　　

　　卫星宽带传输链路（lù）由“数据中心→卫星→用（yòng）户”的前向（xiàng）链（liàn）路和“用户→卫星→数（shù）据中（zhōng）心”的反向链路构成。GEO-HTS传输往返时（shí）延（yán）的理论最低值为477 ms，加上（shàng）数（shù）据处理时延等因素之后，实际（jì）往返时延约600 ms。OneWeb、StarLink等（děng）低（dī）轨卫星轨（guǐ）道高度约为GEO-HTS的1/30，因此，其往返时延有望（wàng）控制在30 ms以内（nèi），接（jiē）近地面光纤网（wǎng）络的（de）水平。

　　然而，低轨星座的低时延优（yōu）势在消费者（zhě）宽带市场的（de）价值有（yǒu）限：

　　1）目前大（dà）部分宽带应用对（duì）时（shí）延并不（bú）敏（mǐn）感，GEO-HTS系（xì）统采用（yòng）TCP应答削减（jiǎn）、报头压缩、应用层加速等技术手段（duàn）之后，同（tóng）样能够满足网页浏（liú）览、视频直播、音视频通话等宽带应（yīng）用的需求（qiú）；

　　2）对于网络游戏、金融交易、虚拟现实（shí）等时延敏感业务，低（dī）轨（guǐ）星（xīng）座确（què）实优于GEO-HTS，但这些（xiē）业务也是（shì）地面光（guāng）纤和5G的（de）优势（shì）领域；

　　3）低时延主要（yào）是（shì）发达地区的需求，而（ér）卫星宽带主要（yào）面向缺（quē）乏地面网（wǎng）络覆盖的偏远地（dì）区，偏远地区为低时延支付额外费用的意愿有限。

　　2.4 落地监管

　　GEO-HTS的波束覆盖范围可以预先设定，但是低轨星座天然具有（yǒu）全球（qiú）无（wú）缝覆盖（gài）的特点，如果只限于服务少（shǎo）数国家或（huò）地区将（jiāng）造（zào）成（chéng）巨大的容（róng）量浪费。前文在（zài）假设可以获准进入全球市场的情况下，分析得出StarLink星座的有效容量为23.7 Tbps，单位容量月度成本为4.8 $/Mbps。假设StarLink获准进入（rù）的全球市场比例为α，那么其（qí）有效容量（liàng）将变为（wéi）23.7αTbps，单位容（róng）量（liàng）月度成本将（jiāng）变为4.8/α $/Mbps（如图（tú） 5）。由此可见，全球市场准入（rù）比例（lì）对于（yú）低轨星座的单位容（róng）量成（chéng）本影响巨大，如果准（zhǔn）入比例过低（dī）将（jiāng）显著推高其单位容（róng）量成本。

　　实际上，世界各国（guó）的基础（chǔ）电（diàn）信运营均受一定程度的监（jiān）管，在目前贸易保护主义盛行的（de）国际形（xíng）势下（xià），外国（guó）卫星（xīng）宽带在他国落地面（miàn）临更大困难。例如（rú），2019年8月OneWeb向俄罗斯申请无线电频（pín）率，但未获批准。因此，全球落地监管是低轨星（xīng）座面临的另一个严峻挑战。

　　图 5 StarLink在不同全球（qiú）市（shì）场（chǎng）准（zhǔn）入比例（lì）下的（de）单（dān）位容量月度成本

　　3 发展前景（jǐng）分析

　　低轨星座面临（lín）光纤宽带（dài）、蜂窝宽带等地面网络，以及GEO-HTS的多重竞争，在建设费用、容量（liàng）密（mì）度、地面终端配置、传输时延（yán）等（děng）方面各（gè）有优劣，这决定它们具有不同的适用领（lǐng）域，同时也决定了（le）低（dī）轨星座的潜在市（shì）场容量和发展前景。

　　3.1 卫星宽带的市场（chǎng）容量上限

　　与蜂窝宽（kuān）带相（xiàng）比，卫星宽带的（de）户（hù）均覆盖费用、用（yòng）户（hù）终端费用（yòng）、频谱（pǔ）效率、容（róng）量（liàng）密度等方面均有劣势，因此卫星宽带的潜在（zài）市场是缺乏蜂窝（wō）覆盖的地区。Greg Wyler在创立O3b和（hé）OneWeb的过程中（zhōng），始（shǐ）终（zhōng）以（yǐ）通（tōng）过卫（wèi）星“连（lián）接未连接者”为使命。然而，过去十（shí）年中3G/4G蜂（fēng）窝网络（luò）在提供宽带连（lián）接方面更有成效（xiào）（如图6）。在（zài）OneWeb成立（lì）的2012年，未被3G信号覆盖的人口约34亿（yì），意味着全球（qiú）至（zhì）少有34亿人（rén）缺乏接入宽带的（de）机会，这也正是Greg Wyler创立O3b公司时试图（tú）连接的（de）“另外30亿人”。到OneWeb、StarLink等低轨星座开始发射卫星的2019年，虽然只有53%的人口使用互联网，但（dàn）93%的（de）人（rén）口已被3G以上信号覆盖、82%的人（rén）口（kǒu）已被4G信（xìn）号覆盖（gài）。换言之，真正由于（yú）无法连接而不（bú）能使（shǐ）用（yòng）互（hù）联网的（de）人口占（zhàn）比不足7%，总数约5亿。此（cǐ）外，根据咨询（xún）公司NSR的估计（jì），2019年全球（qiú）卫星（xīng）宽带的潜在用户数为（wéi）4.33亿，目前卫星宽带在（zài）这（zhè）部（bù）分人群中渗透率约0.63%。因此，目前全（quán）球（qiú）卫（wèi）星（xīng）宽带市（shì）场容量（liàng）上（shàng）限约（yuē）4亿用户。

　　图 6 2007-2019全球（qiú）蜂窝网络覆盖情况

　　3.2 低（dī）轨星座民用（yòng）市场前景

　　虽然全球卫星宽（kuān）带的（de）潜在用户数只有4亿左右，但（dàn）对于（yú）卫星宽带而（ér）言（yán）已经足（zú）够。例如，OneWeb、StarLink和ViaSat-3三（sān）个星座有（yǒu）效容量分别为1.56 Tbps、23.7 Tbps、1.8 Tbps左右（yòu），按照人（rén）均10 Mbps的标准，支持的（de）用户数上限分别为15.6万、237万、18万。因此，虽然面临光纤（xiān）到户、蜂窝宽带等地面网络的挤压，卫星宽带仍（réng）然具有可观（guān）的市场空间，关键在于其性能和价格是否符合市场需（xū）求。

　　在综合（hé）成本方面，低（dī）轨星（xīng）座相比于GEO-HTS处于劣（liè）势。首先，单位容量月度成本方（fāng）面（见表5），StarLink等低轨星座（zuò）处于价格劣势（shì），进一步考虑落地监管的因素（见图（tú）5），StarLink等（děng）低轨星座的（de）价格劣势可（kě）能（néng）会更严重；其次（cì），在消费（fèi）者宽带市场，低轨（guǐ）星座（zuò）地面终（zhōng）端所依赖的相（xiàng）控阵（zhèn）平板天线的（de）价（jià）格，目前远（yuǎn）高于GEO-HTS所（suǒ）依赖的抛（pāo）物面天线，因此，低（dī）轨（guǐ）星座在综合成本（běn）方面处（chù）于劣（liè）势，导致其市场竞（jìng）争力低于GEO-HTS。例如，根据（jù）咨询公司NSR对全球HTS容（róng）量和服务总（zǒng）营收（shōu）的预测（如（rú）图7），2018—2028年全球Non-GEO HTS的累（lèi）计（jì）营收不足GEO-HTS的四分之一。

　　图 7 NSR对全球高通量卫星营收的预测（cè）

　　另一方面（miàn），政府补贴可能会扭转低轨星座的成本（běn）劣（liè）势。美国联（lián）邦通信委员会成立了（le）总额204亿美元的“农村（cūn）数字机遇基金”，将在2020—2030年（nián）资助美（měi）国（guó）农村地区的宽带（dài）建设（shè），有（yǒu）可能将时（shí）延低于100 ms的低轨卫（wèi）星（xīng）宽带纳入补（bǔ）贴范围，而将GEO-HTS排除在外。政（zhèng）府补贴（tiē）有可能扭（niǔ）转（zhuǎn）低轨星（xīng）座的成本劣势。例（lì）如，计（jì）划发射Jupiter-3的休斯公司和ViaSat-3的（de）卫讯公司，曾经一致（zhì）认为GEO-HTS比低轨星座更具竞（jìng）争优势（shì），但也承认政府补贴将使低轨星座同样有利可图。为了争取政府（fǔ）补贴（tiē），休斯公司已经向OneWeb注资5 000万美（měi）元，卫（wèi）讯公司则申请（qǐng）建设一个288颗（kē）卫星的（de）低（dī）轨星座（zuò）。

　　3.3 低（dī）轨（guǐ）星座军事应用前（qián）景

　　在（zài）民用领域，低轨星座只（zhī）是地面网络的补充；在军事领域，低（dī）轨星座凭借其优良的（de）全（quán）球覆盖特性、低传输时延、高抗毁性、支持小孔（kǒng）径接收（shōu）天线等优势，具有广阔（kuò）的应用（yòng）前景。美国（guó）一直将商业通信卫星（xīng）作（zuò）为其军用卫星（xīng）能力的重要补充（chōng）：截（jié）止2018年底，美（měi）国国防信息系统局（jú）管辖（xiá）的商（shāng）业卫星通信服务采（cǎi）购总额高达45亿美元；2019年美国（guó）军队采购的商（shāng）业卫星（xīng）容量（liàng）为40 Gbps，相当（dāng）于（yú）其军用卫（wèi）星容量的70%。

　　由（yóu）于与军事需求高度匹配，StarLink等（děng）新兴（xìng）商（shāng）业低轨（guǐ）星座（zuò）已经引起美国军方的高度（dù）重视。美（měi）国空军研究实验室2017年启动了（le）“商业天基互联网军用实验”项目，旨在利用（yòng）新（xīn）兴商业低轨（guǐ）星座为空军构建全（quán）球覆盖的（de）高可用性、高弹性、大带宽、低时延的通信基础设施，并于2019年3月向SpaceX公（gōng）司（sī）授予（yǔ）价值2800万美元的合同，开展StarLink星座（zuò）军用（yòng）演示验证。此外（wài），美国国防高级研（yán）究计（jì）划（huá）局2018年发起（qǐ）了（le）“黑杰克（kè）”项目，旨在利用商业低轨星座的技术积累和成果，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军用低轨星（xīng）座；军用星（xīng）座将（jiāng）部署在（zài）商业低轨（guǐ）星座附近，并与其建（jiàn）立星间链路（lù）以利用其全球宽带（dài）传输能力。因此，StarLink等（děng）低轨星（xīng）座有可能成为美国的关（guān）键军（jun1）事基础设施（shī），来自军事应用的收入（rù）将（jiāng）为其提供重（chóng）要支（zhī）撑。

　　结 语

　　受益于火箭重（chóng）复利用、一箭多星发射、规（guī）模化卫星制造、高通量卫星等技术的巨（jù）大进步，低轨（guǐ）卫星通信星座迎（yíng）来（lái）了新一轮发（fā）展浪潮。虽（suī）然低轨卫星的制造发射成（chéng）本已经显著降低，但（dàn）是在城（chéng）镇地区卫（wèi）星宽（kuān）带户（hù）均（jun1）建设费用（yòng）仍然高于光纤到户，仅在农村地区才有可能比光纤便宜。与地（dì）面蜂窝网络相比，卫星宽带的频谱效率较低、波束（shù）面积极大，导（dǎo）致其（qí）容量密度极低（dī），无（wú）法满足城镇（zhèn）地区的容量需求。地面（miàn）蜂窝网络不断拓展，目前全球93%人（rén）口（kǒu）已（yǐ）被3G以上网络覆盖，因此全（quán）球卫星（xīng）宽带（dài）市场容（róng）量（liàng）上（shàng）限约（yuē）4亿用（yòng）户。在有（yǒu）限的（de）卫星宽带市场（chǎng）内，低轨星（xīng）座面（miàn）临GEO-HTS的竞（jìng）争，二（èr）者在（zài）单位容量成本（běn）、地面终（zhōng）端配置、传（chuán）输时（shí）延（yán）、落地监管（guǎn）等方面各有优劣。在消费者宽带市场（chǎng），缺乏低（dī）成本平板天线（xiàn）使得低（dī）轨星座处于（yú）劣势，但低（dī）时延（yán）优势使得低轨星（xīng）座有可能获取美国政府的宽带补贴（tiē），将有可能扭（niǔ）转其成本劣势。在（zài）军事应用市场，StarLink等低轨星（xīng）座凭（píng）借其全球覆盖、传输时延低（dī）、抗毁性强等（děng）优势（shì），有（yǒu）可（kě）能成为美国军事领域的关键基础设施（shī），具备（bèi）广阔的发（fā）展空间。

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