新兴低轨（guǐ）卫星通信星座发展

　　摘 要：SpaceX、OneWeb等公司计划（huá）建（jiàn）造大型低轨（guǐ）卫星通信星座，以提供全（quán）球宽带接入。与90年（nián）代的低轨（guǐ）星座浪潮相比，新兴星座主要具备以下优势：批量化、模块化生产降低了（le）卫星制造成（chéng）本，火箭重复利（lì）用和“一箭多星”技术降低了发（fā）射成本。然而，低轨星座（zuò）面临快速发展的（de）地面网络以及地球静止（zhǐ）轨道高通量卫星的激烈（liè）竞争。文中从建设费用、容量密（mì）度、地（dì）面（miàn）终端等方面对（duì）这（zhè）三类系统进（jìn）行比较，分析各自的优劣，并分（fèn）别从（cóng）民用市场和军事（shì）应用两个（gè）方面，分（fèn）析新兴低轨星座的发展前景（jǐng）。

　　关键词: 低（dī）轨星（xīng）座；高通量卫星；星链（liàn）；一网

引 言

　　以OneWeb、StarLink为代表的新兴（xìng）低（dī）轨（LEO）卫星通信星座迅猛发展，旨在通过覆盖全球的（de）宽带连（lián）接能力，与地面网络争夺（duó）互联网入口。与1990年（nián）代的铱星等低轨（guǐ）星（xīng）座相比，新兴（xìng）低轨星座拥有多（duō）种（zhǒng）发展优势：火箭重（chóng）复利用和“一箭多星”技（jì）术极大降低了卫星发射成本；集成电路技术的进步促成了卫星的（de）模（mó）块化、组件化和（hé）小（xiǎo）型化（huà），显著降低了卫星的尺（chǐ）寸、质量、功耗和研制成本；批量化、模块化卫星制造技术显著降低（dī）了卫星的制造成本。然（rán）而，来自地面网络的竞争也日趋（qū）激烈，尤其是千兆级光纤（xiān）网络已经开启大规（guī）模商用，3G、4G无线网络已经分别覆盖全球93%、82%的人口，5G无线网络（luò）也（yě）已（yǐ）经（jīng）开始（shǐ）大规模部署。因此（cǐ），新兴低轨卫星通信星座发展前景仍然存在不确定性。

　　本文（wén）将从建设费用、容量密度等方面分析低轨星座与地（dì）面网络的竞争态势，从单位容（róng）量成本、地面终端配置、传输时延、落地监（jiān）管等方面（miàn）对比低轨星座与地球静止轨道高通量卫（wèi）星（GEO-HTS）的优劣，并结合民用市场（chǎng）以及军事应用（yòng）的特点和趋势，研究新兴低轨卫星通信（xìn）星座的发展前景。

1 与（yǔ）地面网（wǎng）络的竞争

　　光纤（xiān）、蜂窝无线通信等地面通信技术，是低轨星座无法（fǎ）回（huí）避（bì）的竞争对手。1990—2000年（nián），“铱星”、“全球（qiú）星（xīng）”、“轨道通信”等多个（gè）低轨（guǐ）星座计划被（bèi）提（tí）出，旨在提供（gòng）全球无缝覆盖的便携（xié）式卫星电话服务（wù）。三大星座的设计指标达到了同时期（qī）地（dì）面（miàn）蜂窝（wō）网络的水（shuǐ）平（píng），并（bìng）具（jù）有全球无缝覆盖的优势，因此吸引了广泛关注。但（dàn）在三大星座投入建设的十年间，地面蜂窝网络逐渐（jiàn）从2G演化到3G，手机终端（duān）价格和流（liú）量资费（fèi）不断降低，卫星（xīng）通信除了覆盖范围广的（de）优势之（zhī）外，终端成本、通信速率等方面（miàn）均处于（yú）劣势，导（dǎo）致三大卫星通信公司（sī）先后经历了破产重组（zǔ）。虽然三个星（xīng）座最（zuì）终都起死回生，但占据的（de）无线（xiàn）通信市场份额远小（xiǎo）于（yú）蜂窝（wō）网络，2015年三大星座的用户总（zǒng）数（shù）才达到380万，而同（tóng）时（shí）期全球蜂窝移动用户数量为73亿。

　　与（yǔ）第（dì）一（yī）代低轨星座（zuò）以话音服务为主不同，OneWeb、StarLink等新（xīn）兴低轨星座主要提（tí）供卫星宽带（dài）服务，但其瞄准的消费者（zhě）宽带市场面临光纤（xiān）到户（FTTH）、蜂窝宽带等地面网络的竞争（zhēng）（如图1）。其中，光纤到户的优势是通（tōng）信（xìn）容量大，劣（liè）势是在偏远地（dì）区铺设成本（běn）较（jiào）高；蜂（fēng）窝宽带（dài）通过基站的无线信号实现宽带接入，通信容（róng）量一般低于光（guāng）纤，优点是最后一公里无需（xū）铺设线（xiàn）缆。低（dī）轨星座天然具备（bèi）全球覆盖的优势，且（qiě）接入成本与地域是否偏远无（wú）关，但（dàn）其能否赢得与地面网络的竞争仍属未知，下面从建设（shè）费（fèi）用、容量密（mì）度两方面展开（kāi）分（fèn）析（xī）。

图（tú） 1 卫星宽带（dài）、光（guāng）纤到户（hù）与蜂窝宽带（dài）示意图（tú）1.1 建设（shè）费用比较

　　宽带网络（luò）每（měi）条用户（hù）线路（lù）的建设费用等于户均覆盖费用与户均（jun1）连接（jiē）费用之和。户均覆盖费用等（děng）于网络建（jiàn）设费用除以用户数，因此在用户密度越（yuè）高的地（dì）区其值越低。户均连接（jiē）费用等于用户终端费用与安装费用（yòng）之和，在（zài）用户（hù）首次开（kāi）通服务时产生。

　　根据美国光纤宽（kuān）带（dài）协（xié）会的研究（jiū），2019年美（měi）国光纤到户的户均建设费用（yòng）在密集城区、一般城区（qū）、郊区、农村分别（bié）为1218、1863、2737、4206美元（如（rú）图2）。StarLink星座单星（xīng）制造发射成本约153万（wàn）美元，单星容（róng）量（liàng）约（yuē）21Gbps。低轨星（xīng）座（zuò）天然具有全球覆盖特性，然（rán）而（ér）地球表面70%以（yǐ）上为海（hǎi）洋和（hé）荒（huāng）野，根据地表人口分布估算其容量利用效（xiào）率约25.1%，单星有效容量约（yuē）5.36 Gbps。如果给每（měi）个（gè）宽带（dài）用户分配10Mbps容（róng）量，那么StarLink单星可服务约（yuē）536个用户，户均覆盖（gài）费用为2854美元（yuán）。假设低（dī）轨星座（zuò）用户终端费用（yòng）加安装费（fèi）用为550美元，则StarLink卫（wèi）星宽带户均总费（fèi）用为3404美元。类似可测（cè）算出（chū）OneWeb和蜂窝宽（kuān）带的户均费用（yòng）（如表1），其（qí）中蜂窝宽带采用了华为公（gōng）司的（de）测算结果。

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

图（tú） 2 蜂窝宽带、光纤（xiān）到（dào）户（hù）与StarLink宽带户均建设（shè）费用（yòng）对比

　　对比可知，在（zài）密集城区、一般（bān）城区和郊区，StarLink卫星宽带的户均（jun1）建设费用高于（yú）光（guāng）纤（xiān），但在农村地区比光纤便宜，因（yīn）此非（fēi）常适合北美、澳洲等（děng）地的农村地区。而OneWeb的户均建设（shè）费用约16000美元，与StarLink相比不（bú）具竞争力。此外，蜂（fēng）窝宽带的户均建设费（fèi）用仅（jǐn）为358美元，远远低于卫星（xīng）宽带，但（dàn）是蜂窝宽带（dài）依赖光纤进行回（huí）传（chuán），因此适合作为连接（jiē）最（zuì）后一公里的（de）辅助手段（duàn）。根据建设费用进行分析（xī），低轨星座的宽带（dài）服（fú）务主（zhǔ）要适合北美、澳洲等地的农村地区。

　　1.2 容量（liàng）密度比（bǐ）较　

　　对（duì）于蜂窝宽带（dài）、卫星宽带等无线通信系统而言，容量密度（dù）是衡量（liàng）系统性能的重要维度之一。容量密（mì）度等于区域（yù）传（chuán）输（shū）容量除以（yǐ）区域面积（jī），决定了无线系统在单（dān）位（wèi）面（miàn）积内能够实（shí）现的并发传输容量。与蜂窝基站的多波束空（kōng）分复（fù）用技术相类似，StarLink等低轨星座（zuò）也采用多点波束对地球表面进行覆盖（如图（tú）3），两者的（de）容量密（mì）度（dù）可（kě）用单波束容（róng）量除以单波束面积（jī）进行（háng）估算（如表2）。

　　图 3 卫星波束（shù）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）比较

　　从表2估算结果可知，StarLink的容量（liàng）密度（dù）为2 Mbps/km2，比5G系统所能（néng）实现的（de）540 Gbps/km2低5个数量级。两（liǎng）者（zhě）的（de）差距（jù）主要由两方面原因造成：

　　1）低轨星座的频（pín）谱效率低于5G系统（tǒng）。地面蜂窝基站高度约30 m，而StarLink等低轨星座轨道高度在（zài）550 km～1200 km，这导致低轨星座的路径损耗比蜂窝基站高（gāo）50 dB以上（shàng）。蜂窝基（jī）站在用户采用手机尺寸的（de）接收机（jī）时，一般能获得6 bps/Hz以上的（de）频谱效率；而（ér）StarLink等低轨星座由于（yú）更高的（de）路径损耗，即使采用孔径约75 cm的接收（shōu）天线，频谱（pǔ）效率（lǜ）也只有（yǒu）2.5 bps/Hz左右。

　　2）低轨星座（zuò）的（de）单（dān）波束面积远（yuǎn）大于5G系（xì）统（tǒng）。StarLink卫星（xīng）在（zài）1 200 km的高（gāo）度向（xiàng）地面投射（shè）的单波束直径约60 km，面积约（yuē）2800 km2；OneWeb卫（wèi）星采（cǎi）用固定的狭长（zhǎng）椭圆波束（shù），其波束面积约为75000 km2。蜂窝基站由于高（gāo）度很低，其波束覆盖范围较小，例如（rú）在城市地（dì）区（qū）1km2内安（ān）装三个5G基站，每个基站通过天（tiān）线阵列产生15个波束，则每个（gè）波束的（de）覆盖范围约（yuē）1/45km2。低轨星座的容量密度（dù）较（jiào）低，导（dǎo）致（zhì）其难（nán）以满（mǎn）足城镇地区的传输需求，而更适合农村地区。世界主要城市的人（rén）口（kǒu）密度普遍在1000人（rén）/km2以上，假设平均每（měi）个用户需要（yào）10 Mbps容量，那么需要的容（róng）量（liàng）密度在10Gbps/km2上（shàng）。国际标准规定4G、5G的流量密度峰值分别为100 Gbps/km2、10 Tbps/km2，能够满足城（chéng）市地（dì）区（qū）容量密度需求（qiú），而低（dī）轨星座宽带则存在巨（jù）大（dà）差距。因此，低轨星座（zuò）宽（kuān）带主（zhǔ）要（yào）适用于人口（kǒu）密（mì）度较低的农（nóng）村地区。 

　　2 与（yǔ）地球静（jìng）止轨道卫星的竞（jìng）争

　　Starlink等新兴低轨星座属（shǔ）于非地（dì）球（qiú）静（jìng）止轨道高通量（liàng）卫星（xīng）（Non-GEO HTS）的（de）范（fàn）畴，还面临（lín）GEO-HTS的竞争。低轨星（xīng）座和GEO-HTS都采用了高通量卫（wèi）星（HTS）技术，该（gāi）技术通（tōng）过多点（diǎn）波束和频率复用，单（dān）星容量比传（chuán）统（tǒng）宽波（bō）束卫星提升数十甚至数百（bǎi）倍（如图4）。

　　图（tú） 4 HTS系统（tǒng）与（yǔ）传统卫星（xīng）系统对比

　　低（dī）轨（guǐ）星座与GEO-HTS代表实现高容量卫星（xīng）宽带的（de）两种思路：低（dī）轨星座通过成百数千颗（kē）小卫（wèi）星实（shí）现整个星座的高容（róng）量，GEO-HTS通过单颗（kē）大（dà）卫星构造成百数千个点波（bō）束实现高容量。受惠于比（bǐ）高（gāo）轨卫星更低的路径损耗，低轨卫星能够（gòu）获得更高的频谱（pǔ）效率，例如低（dī）轨卫星StarLink频（pín）谱（pǔ）效率约2.7 bps/Hz，GEO-HTS卫星（xīng）ViaSat-3约1.1 bps/Hz。但低轨（guǐ）星座通（tōng）常采用轻量级卫星，其波（bō）束（shù）数目和单星容量远（yuǎn）比GEO-HTS低（如表3）。

　　表 3 不同卫星波束（shù）参数对比（bǐ）

　　低轨星座与GEO-HTS都能实现全球覆盖，但是在传（chuán）输时延、路径损耗、入轨成（chéng）本（běn）、卫星寿命（mìng）等方面各有优劣（如表 4），下面从单位容量（liàng）成本、地面终（zhōng）端（duān）配（pèi）置、传（chuán）输时延（yán）、落地监管（guǎn）等方面进行（háng）重点分析。

　　表 4 GEO-HTS和低轨星（xīng）座优劣势（shì）比较

　　2.1 单位（wèi）容量成（chéng）本

　　卫星通信系（xì）统的单位容量（liàng）成本，等于卫星星座制（zhì）造发（fā）射总成（chéng）本除以系统（tǒng）有效容量。制造发射成本方面，低轨星座采用模块化、批量化生产降低制造成本，并采用“一箭多星”发射技（jì）术大幅（fú）降低发射（shè）成本。根据公开数（shù）据对制（zhì）造（zào）发（fā）射总成本进（jìn）行估算，预计OneWeb第（dì）一期720颗卫星耗费24.2亿美（měi）元，StarLink第一（yī）期4425颗（kē）卫星耗（hào）费（fèi）68亿美元（yuán）；GEO-HTS卫（wèi）星（xīng）ViaSat-3三颗卫（wèi）星制造发射总成本约15亿美（měi）元。　　

　　系统有效容量（liàng）取决于系统总容量和利用效率。低轨星（xīng）座（zuò）OneWeb和StarLink的系统总容量分别约为7.2 Tbps和94 Tbps，但低轨（guǐ）星座所有卫星都围绕（rào）地球旋转，而地球表面70%以上的面积（jī）是海洋和（hé）荒野，因此，低轨（guǐ）星座的（de）容量利用（yòng）效率较低。根据地表人口分（fèn）布模（mó）型估算，OneWeb和StarLink的容量利用效率分（fèn）别约为21.7%和25.1%，因此，其星座有（yǒu）效容量（liàng）分别约为（wéi）1.56 Tbps和（hé）23.7 Tbps。GEO卫星相对于地表静止，可以将容量投送到地面指定区域，卫星容量利用效率可达60%，因此（cǐ）预计ViaSat-3三颗卫星总的有效容量（liàng）为1.8 Tbps。

　　根（gēn）据星座（zuò）制造发射总成本和有效容（róng）量，可（kě）得（dé）OneWeb、StarLink和（hé）ViaSat-3的（de）单（dān）位容量成本分别约（yuē）为1 550 $/Mbps、287 $/Mbps和833 $/Mbps；考（kǎo）虑卫星寿命之后，三者的单位（wèi）容量（liàng）月（yuè）度成本分别（bié）约为25.9 $/Mbps、4.8 $/Mbps和4.6 $/Mbps/Mon（如表 5）。可（kě）见低轨星座StarLink的单位容量成本比（bǐ）GEO-HTS卫星ViaSat-3更低，但考虑（lǜ）到卫星寿命的区别后两者（zhě）的单位容量月度成（chéng）本基本相当。

　　表（biǎo） 5 低轨星（xīng）座（zuò）和GEO-HTS单位（wèi）容量成本测算

　　2.2 地面终（zhōng）端配（pèi）置

　　低轨卫星（xīng）至地面用户的传输距离远小于（yú）GEO-HTS，在路径（jìng）损耗（hào）方（fāng）面具（jù）备约30 dB的优势（shì）（如表（biǎo）6）。但GEO-HTS采用的大卫星平台支持更大的发射功（gōng）率（lǜ），可以部（bù）分弥（mí）补其路径损耗。例如，ViaSat-1卫星的等效全（quán）向辐射功率（EIRP）比StarLink卫（wèi）星（xīng）高24 dB，在采用增益与系统噪声温度比（G/T）值同为12 dB/K左右的用户终端时，ViaSat-1用户接收机的（de）载波（bō）噪声比（bǐ）（C/N）比StarLink低7 dB，因此（cǐ），其频谱效率更（gèng）低。换言（yán）之（zhī），低轨卫星（xīng）在地表的信号强（qiáng）度比（bǐ）GEO-HTS约高7 dB，若要（yào）实现相同的频谱效率（lǜ），其用户终端天线（xiàn）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（lù）预算注：未查到ViaSat-3卫星（xīng）的链路预算资料，用ViaSat-1卫星的进行（háng）估计。　

　　表 6 低轨（guǐ）星座和（hé）GEO-HTS用户下行链路预算

　　虽（suī）然低轨星（xīng）座（zuò）支持（chí）更小孔径的用（yòng）户终端，但（dàn）由于低（dī）轨（guǐ）卫星相对（duì）于地球表面（miàn）高速运动，对用户终端的波束跟踪性能要求（qiú）更高（gāo）。GEO-HTS相对地面（miàn）静止，地（dì）面固定终端可以（yǐ）使用静态抛物面天线，船载低速移动终（zhōng）端可以使用机械调（diào）向抛物（wù）面天线，机载高速移动（dòng）终端需要使（shǐ）用相控阵（zhèn）平（píng）板天线；低轨（guǐ）卫星相对地面高速运动，卫（wèi）星过顶时间在20 min以内，因（yīn）此，其地面固定终端也必须使（shǐ）用（yòng）平板（bǎn）天（tiān）线。但是目前平板天线（xiàn）价格普遍在1 000美（měi）元（yuán）以上，远高于50美元（yuán）左右的抛物（wù）面天线，因此（cǐ），在（zài）卫星互联网接入需求最大的消费者宽（kuān）带领（lǐng）域，低轨星座的竞争力极大依（yī）赖（lài）于低成本（běn）平（píng）板（bǎn）天线的研发进度。公开资料显示，StarLink用户终端采用了机械调向的平板天线（xiàn），直径约48 cm，但其价格（gé）和性能（néng）能否与（yǔ）GEO-HTS的抛物面（miàn）天线竞争（zhēng）仍有待观（guān）察。2.3 传（chuán）输时延　　

　　卫星宽带传输链（liàn）路由“数据中心→卫星（xīng）→用户”的前向链（liàn）路和“用户→卫星→数据中（zhōng）心（xīn）”的反向链路构（gòu）成。GEO-HTS传（chuán）输往返时延的理（lǐ）论最低值为477 ms，加上数据处（chù）理时延等因素（sù）之后，实际往（wǎng）返（fǎn）时延约600 ms。OneWeb、StarLink等低轨卫星轨道高度约为（wéi）GEO-HTS的（de）1/30，因此，其往返时延有望控制在30 ms以内（nèi），接（jiē）近地面光纤网络的水平。

　　然而，低轨星座的低时延（yán）优势（shì）在（zài）消费（fèi）者宽带市场的价值有限：

　　1）目前大部分（fèn）宽带应用（yòng）对时延并（bìng）不敏（mǐn）感，GEO-HTS系统采用TCP应答削减、报头压（yā）缩、应用层加（jiā）速等（děng）技术（shù）手（shǒu）段之后，同样能够满（mǎn）足网（wǎng）页（yè）浏览（lǎn）、视频直播、音视频通（tōng）话等宽（kuān）带应用的需求；

　　2）对于网（wǎng）络游戏、金融（róng）交易（yì）、虚（xū）拟现实（shí）等时延敏（mǐn）感业（yè）务，低轨星座确实优于GEO-HTS，但（dàn）这些业务（wù）也是（shì）地面光纤和5G的优势领域（yù）；

　　3）低时延主（zhǔ）要（yào）是发达地区的（de）需求，而卫星宽带主要面向缺（quē）乏地面网络覆盖的偏（piān）远地区，偏（piān）远地（dì）区（qū）为低（dī）时延支付额外（wài）费用的意（yì）愿有（yǒu）限。

　　2.4 落（luò）地监管

　　GEO-HTS的波束覆（fù）盖范围可以预先设定（dìng），但是低（dī）轨（guǐ）星（xīng）座天然具有全球无（wú）缝覆盖（gài）的特点，如果只限于服务少数国家（jiā）或地区将造成巨（jù）大（dà）的（de）容量浪费。前文（wén）在假（jiǎ）设（shè）可以获准进入全球市场的（de）情况下，分析得出（chū）StarLink星座的有效容量为（wéi）23.7 Tbps，单位容量月度成（chéng）本为（wéi）4.8 $/Mbps。假设StarLink获准进（jìn）入的全球（qiú）市场比例为α，那么其有效容量将（jiāng）变为23.7αTbps，单位容量月度成本将变为4.8/α $/Mbps（如（rú）图 5）。由此可见（jiàn），全球市场准入比例对于低轨星（xīng）座的单位容量成本（běn）影响巨大，如果准入（rù）比例（lì）过（guò）低（dī）将显著推高其单（dān）位（wèi）容量成本（běn）。

　　实际上（shàng），世界各国的基础电信运（yùn）营均受一定程度的（de）监管，在目（mù）前贸易保护主（zhǔ）义盛行（háng）的国（guó）际形势下，外国（guó）卫星宽带在他国（guó）落地面临（lín）更（gèng）大（dà）困（kùn）难。例（lì）如，2019年8月OneWeb向（xiàng）俄罗斯申请无（wú）线电频率，但未获（huò）批（pī）准。因此（cǐ），全球落地监管是低（dī）轨星座面临的（de）另一个严峻挑战。

　　图 5 StarLink在（zài）不（bú）同全球市场准入比例下的单（dān）位容量月度（dù）成本

　　3 发展前景分析（xī）

　　低轨（guǐ）星座面临光纤宽带、蜂（fēng）窝（wō）宽带等地（dì）面（miàn）网络，以及GEO-HTS的多重竞争，在建设（shè）费（fèi）用、容量密（mì）度、地面终（zhōng）端（duān）配置、传输（shū）时延等（děng）方面各有优劣，这决定它（tā）们具（jù）有不同的适（shì）用领域，同时（shí）也决定了低轨星座（zuò）的（de）潜在市场容（róng）量和（hé）发展前（qián）景。

　　3.1 卫星宽带的市场容量上限

　　与蜂（fēng）窝宽带相比，卫星（xīng）宽带的户均覆盖（gài）费（fèi）用、用户终端（duān）费用、频谱效（xiào）率、容量密度等方（fāng）面均有劣势，因此卫（wèi）星宽带的（de）潜（qián）在市（shì）场（chǎng）是缺乏蜂窝覆（fù）盖的地区。Greg Wyler在创（chuàng）立O3b和OneWeb的过程中（zhōng），始终以通过卫星“连接（jiē）未连接者”为使命。然（rán）而，过去（qù）十年（nián）中3G/4G蜂窝网络在提供宽带连接（jiē）方面更（gèng）有成效（xiào）（如图6）。在OneWeb成立的2012年（nián），未被3G信号覆盖的人口约34亿，意味（wèi）着全球至少有34亿人缺（quē）乏（fá）接（jiē）入宽带的机会，这也（yě）正是Greg Wyler创立O3b公司时试图连接的“另外30亿人”。到OneWeb、StarLink等低（dī）轨（guǐ）星座（zuò）开始发射（shè）卫星的2019年，虽然只有53%的人口使用互联（lián）网，但93%的人口已被3G以上信号（hào）覆盖、82%的（de）人（rén）口（kǒu）已（yǐ）被4G信号覆盖。换言（yán）之，真正（zhèng）由于（yú）无法连接（jiē）而不能（néng）使用互联网的人口占比不足（zú）7%，总（zǒng）数约5亿。此外，根据咨（zī）询公司（sī）NSR的估计，2019年全球卫星（xīng）宽带的潜在用户（hù）数为4.33亿，目前卫星宽带在这部分（fèn）人群（qún）中渗透（tòu）率约（yuē）0.63%。因此，目前全（quán）球卫星（xīng）宽带市场容量（liàng）上限约4亿用（yòng）户。

　　图 6 2007-2019全球蜂窝网络覆盖情况

　　3.2 低（dī）轨星（xīng）座民用市场前景（jǐng）

　　虽（suī）然全球卫星宽带的（de）潜在用户数只有4亿左右，但对于卫星宽（kuān）带（dài）而言已经（jīng）足够。例如，OneWeb、StarLink和ViaSat-3三个星座有效容量分（fèn）别为1.56 Tbps、23.7 Tbps、1.8 Tbps左（zuǒ）右，按照（zhào）人均（jun1）10 Mbps的（de）标准，支持的用户数上限分别为（wéi）15.6万、237万、18万。因（yīn）此，虽然面临光纤到户、蜂窝（wō）宽带等地面网络（luò）的挤压，卫星宽带仍然具有可观（guān）的市场（chǎng）空（kōng）间，关（guān）键在于其性能和价格是否符合（hé）市场需求。

　　在综（zōng）合成（chéng）本方面，低轨星座相比（bǐ）于GEO-HTS处于劣（liè）势。首先，单位容量月（yuè）度（dù）成本方（fāng）面（见表5），StarLink等低轨星（xīng）座处于价格劣势，进（jìn）一步考（kǎo）虑落地（dì）监管的因（yīn）素（见图5），StarLink等低轨（guǐ）星座（zuò）的价（jià）格（gé）劣势可（kě）能会更严（yán）重；其次，在消费者宽（kuān）带市场，低轨星座（zuò）地面（miàn）终端所依赖的（de）相控阵平板（bǎn）天线的价格，目前远高（gāo）于（yú）GEO-HTS所依赖的抛物面天线，因此，低轨星座在综合（hé）成本方面处于（yú）劣势（shì），导致其市场竞争力低于GEO-HTS。例（lì）如（rú），根据（jù）咨（zī）询（xún）公司NSR对全球HTS容量和服务总营收的预（yù）测（如图7），2018—2028年全（quán）球Non-GEO HTS的累计营收不足GEO-HTS的四分之一。

　　图 7 NSR对全球高通量卫星营（yíng）收的预（yù）测

　　另一方面，政府补贴可能会扭（niǔ）转低轨星座的成本劣势。美国联邦通信（xìn）委员会成立了总额204亿美元的（de）“农村（cūn）数字机遇基金（jīn）”，将在2020—2030年资助美（měi）国农村地区的宽带建设（shè），有可能将（jiāng）时延低于（yú）100 ms的低轨卫星宽带（dài）纳入补贴（tiē）范（fàn）围，而将GEO-HTS排除在外。政府（fǔ）补贴（tiē）有可能扭转（zhuǎn）低轨星（xīng）座（zuò）的成本劣势。例（lì）如（rú），计划（huá）发射Jupiter-3的休斯公司（sī）和ViaSat-3的卫讯公司（sī），曾经一（yī）致认为GEO-HTS比低（dī）轨星（xīng）座（zuò）更具竞争优（yōu）势（shì），但也承认政府补贴将使低轨星座同样有利可（kě）图。为了争取政府（fǔ）补（bǔ）贴（tiē），休斯公司已经向OneWeb注（zhù）资5 000万美元，卫讯（xùn）公司（sī）则申请建设一（yī）个288颗卫星的（de）低轨（guǐ）星座。

　　3.3 低轨星座军事应用（yòng）前景

　　在民用（yòng）领域，低轨星座只是地面网络的补（bǔ）充；在军（jun1）事领域，低（dī）轨（guǐ）星座凭借其优（yōu）良的全球覆盖（gài）特性、低传输（shū）时延、高抗毁（huǐ）性、支持小孔径接收天线等优势（shì），具有广阔（kuò）的应用前景。美国一直将商业通信卫星作为其军用（yòng）卫星能力的重要补充：截止（zhǐ）2018年底，美国国防信息系统局（jú）管辖的（de）商业卫星（xīng）通信服（fú）务采购总（zǒng）额高达45亿美元；2019年（nián）美国军（jun1）队采购的商业（yè）卫星容（róng）量为（wéi）40 Gbps，相当于其军用（yòng）卫星（xīng）容量的70%。

　　由于与军（jun1）事（shì）需求高度匹（pǐ）配，StarLink等新（xīn）兴商业低轨星（xīng）座（zuò）已经引（yǐn）起美（měi）国军方的高度重视。美（měi）国空军研究实验（yàn）室（shì）2017年启动了“商（shāng）业天基互（hù）联（lián）网军用（yòng）实验”项目，旨（zhǐ）在利用新兴商业低轨星座为空军构建全球覆盖的高（gāo）可用性、高弹（dàn）性、大带宽、低时延（yán）的通信基础设施，并于2019年3月（yuè）向SpaceX公司（sī）授（shòu）予价值2800万美元的合同，开展StarLink星座军用演示验（yàn）证。此（cǐ）外，美国（guó）国（guó）防高级（jí）研究计划局2018年发起了“黑杰克”项（xiàng）目（mù），旨在利用商业低轨（guǐ）星座（zuò）的技（jì）术积累（lèi）和成（chéng）果，发（fā）展（zhǎn）搭载（zǎi）导弹（dàn）探测、导航授时、军（jun1）事通信（xìn）等多种任务载荷的（de）军（jun1）用低（dī）轨（guǐ）星座；军用星座（zuò）将（jiāng）部署在商业（yè）低轨（guǐ）星座附近，并与（yǔ）其建（jiàn）立星间链路以利用其全球宽带传（chuán）输能（néng）力。因此，StarLink等低轨星座（zuò）有可能成为美国的关键军事基（jī）础设施，来（lái）自军（jun1）事应用（yòng）的收入将为其提（tí）供重要支撑。

　　结 语

　　受益于火箭（jiàn）重复利用、一箭多星发射、规模化卫（wèi）星（xīng）制造（zào）、高通（tōng）量卫星等技术的（de）巨大进步（bù），低轨卫星通（tōng）信（xìn）星座（zuò）迎来了新一轮发展浪（làng）潮（cháo）。虽然低轨卫星的（de）制造发射成（chéng）本已经显（xiǎn）著降低（dī），但是（shì）在城镇地区（qū）卫星宽带户（hù）均建设（shè）费（fèi）用仍然高（gāo）于光纤到（dào）户，仅在（zài）农村地区才有可能（néng）比光纤便宜。与地面（miàn）蜂窝网络相比（bǐ），卫星（xīng）宽带的频谱效率较低、波束面积极大（dà），导（dǎo）致其容量密（mì）度（dù）极低，无法满足城镇（zhèn）地区的容量需求。地（dì）面蜂窝网络不断拓展，目（mù）前全球（qiú）93%人口已被3G以（yǐ）上网络覆盖（gài），因此全球（qiú）卫星宽（kuān）带（dài）市场容量上（shàng）限约4亿用户。在（zài）有限的（de）卫星宽带市场（chǎng）内，低（dī）轨星座面临GEO-HTS的竞争（zhēng），二者在（zài）单位容量（liàng）成本、地面终端（duān）配置、传输时延、落地（dì）监管等方（fāng）面各有优劣。在消费者宽带市场，缺乏低成本平（píng）板天线使得（dé）低轨（guǐ）星座（zuò）处（chù）于劣（liè）势（shì），但低时延优势使得低（dī）轨星座有可能获取美国政府的宽带补贴，将有可能扭转其成本劣势。在军事应用市场，StarLink等低轨（guǐ）星座凭借其全球覆盖、传输时（shí）延低、抗毁性强等（děng）优势，有可能成为美国（guó）军事领域的关键（jiàn）基础设施，具备广阔的发展空间。

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