6顆低軌寬帶衞星帶5G上天，與“星鏈”差多少？
【文/觀察者網 呂棟 編輯/周遠方】
俄烏衝突中，特斯拉及SpaceX CEO馬斯克響應烏克蘭要求，用“星鏈”（Starlink）支持在烏啓動衞星互聯網服務。去年12月，兩顆星鏈衞星靠近中國空間站，後者不得不進行了緊急規避以避免災難性碰撞。兩件事再度引發外界輿論對衞星互聯網技術的關注。
“不發展是最大的不安全”，未來智庫專家胡延平對觀察者網指出，先到先得、誰佔誰用的原則，使得相關資源爭奪的緊迫性空前凸顯。
近地軌道可容納的衞星數量大約6萬顆，預計到2029年，地球近地軌道就將部署大約57000顆衞星。全球處於組網、試驗、立項等不同狀態的星座計劃，正在展開一場前所未有、勢在必得、不容有失的競賽。頻譜資源的緊迫性高於軌道資源，目前已經到了刻不容緩的程度。只有快速組網、形成規模，才可能有一席之地。有觀點指出，“星鏈”計劃的4.2萬顆衞星部署成功實施後，將對於我國衞星互聯網形成重大競爭和挑戰，威脅到我國空間安全乃至國防安全。
中國航天領域早已重視，2020年，中國將衞星互聯網納入“新基建”範疇，同時將其提升為國家戰略性工程。
3月5日，西昌衞星發射中心用長征二號丙運載火箭成功將銀河航天02批六顆低軌寬帶通信衞星送入預定軌道，該任務還搭載一顆遙感衞星。隨着2022年衞星互聯網在全球進入加速發展期，外界也十分好奇中國的衞星互聯網有何進展。這個問題，或許可在本月初銀河航天02批衞星的星座驗證組網中找到一些答案。
胡延平向觀察者網分享了他的觀察與分析：通過02批衞星的組網試驗星座與Starlink的分析對比，以及該領域下一步各種動向與趨向的分析，可以清晰觀察到中國衞星互聯網技術的發展現狀。結合相關技術走勢，也可以對該領域未來多種可能性有所預見。
除銀河航天這類商業航天公司之外，“十三五”期間中國以航天科技、航天科工為首的央企也分別提出了自己的衞星互聯網計劃，併發射了試驗星。從目前國內已發佈的衞星星座項目來看，衞星發射將集中在2022-2025年；從建設進展來看，目前已發射的多為試驗星，尚未實現星座組網，典型代表有“鴻雁”星座、“虹雲”工程、“行雲”工程等項目。
銀河航天批量研製的低軌寬帶通信衞星 圖源：銀河航天（下同）
單星通信容量與星鏈相當
銀河航天本次發射的02批衞星將在軌與首發星共同組成我國首個低軌寬帶通信試驗星座，並構建星地融合5G試驗網絡“小蜘蛛網”，具備單次30分鐘左右的不間斷、低時延寬帶通信服務能力，將用於天地一體、天基互聯等網絡技術驗證。這次任務對於推動我國6G通信技術發展也具有積極意義。
作為一家商業衞星公司，銀河航天成立的時間不長。2018年，哈工大畢業的徐鳴辭去獵豹移動總裁職務創辦銀河航天。成立2年後，該公司完成B+輪融資，投後估值近80億。
在衞星互聯網建設過程中，通信容量是一項關鍵技術。2020年1月，銀河航天首發星在酒泉衞星發射中心發射成功，成為中國首顆通信能力達48Gbps的低軌寬帶通信衞星，也是全球首顆低軌高頻毫米波衞星。
銀河航天向觀察者網透露，02批衞星單星設計通信容量超過40Gbps，該批衞星主要用於技術驗證，用於低軌衞星通信網絡新體制、新架構的探索及各類場景服務的驗證，為日後大規模組網應用積累經驗。
“銀河航天所説的容量是指對地面用户終端也就是對多用户上傳加下載的總體能力，Starlink的指標是單星平均20Gbps，當然也有可能銀河的40Gbps指的是雙向‘衞星對地面用户終端+衞星對信關站’的通信容量總和”，胡延平對觀察者網分析**，“考慮到之前銀河01首發星對信關站的最大通信能力達到48Gbps的後續公開信息，02批次單星通信容量即使用這種算法，也已經達到了與Starlink總體相當或實際高於Starlink的水平**”。
不過，Starlink今年可能會發布單星通信容量80Gbps的Gen2也就是第二期衞星（此前有申請披露），但其實際發射可能要等到Gen1也就是第一期一萬多顆星組網完成，最快也要兩三年以後，由星艦發射到比目前高不少的上層近地軌道。
事實上，衞星互聯網的發展歷史最早可以追溯到上世紀80年代，在這一過程中，衞星的多用户服務能力一直是重點和痛點，只有覆蓋更多的用户，才能實現規模效應。據銀河航天透露，此次驗證組網的星座具備同時給幾千個用户提供通信服務的能力。
Starlink單星可同時接入用户數量在100-200之間，銀河航天則稱，此次驗證組網的星座“具備同時給幾千個用户提供通信服務的能力”，在胡延平看來，這可能是02批衞星取得的主要進展之一。
“即使按照‘幾千’的最低值2000計算，單星服務多用户的能力也比Starlink高不少”，胡延平分析，“當然幾千個用户也有可能指的是天地一體、衞星通信與5G融合的情況下，透明轉發、5G回傳，星座直接間接服務到幾千個地面用户。不過，個人認為大概率可能是衞星對地面用户終端的直接服務。”
天線技術與可接入用户數直接相關。與Starlink對比來看，如果銀河航天02批衞星直接接入用户的確可以達到數千，就有理由猜測這批衞星上採用了與01星不同的星載天線技術，或者採用了低軌寬帶衞星側相控陣天線技術，但這一點目前還沒有得到證實。
胡延平指出，相控陣天線以“平板天線”的體積和淨重，以波束賦形、波束定向的多點波束技術，結合頻率複用，可以在快速移動中支持單星同時接入較高數量級的地面用户，且平均功耗低、信號增益高。但LEO低軌道寬帶衞星在總質量只有200公斤左右的迷你體積下，所需相控陣天線技術難度，與GEO同步軌道、HEO高橢圓軌道、MEO中軌道等大型衞星天線的集成度/通信密度不可同日而語。Starlink已經全面相控陣化，銀河航天衞星與信關站之間可能還是拋物面天線。
規模化組網，要多少軌道和衞星？
除了單顆衞星的天線技術外，衞星互聯網要想服務更多用户，大規模組網就必不可少。
2018年，馬斯克的Starlink通過美國聯邦通訊委員會（FCC）批准，獲批發射11943顆互聯網衞星。2019年10月，Starlink項目再度向國際電信聯盟遞交申請，將申報衞星數量從此前近1.2萬顆提高至4.2萬顆。今年1月15日，馬斯克曾宣佈，1469顆“星鏈”衞星處在運行狀態，還有272顆正在進入運行軌道。
對於銀河航天，胡延平認為，前期北極、南極可先放在一邊，而且全球衞星通訊業務需求分佈其實很不均勻，北緯30度左右需求量最大，其中北緯15～45度之間需求佔全球總需求的六成多。如果考慮的是衞星重點對中國國土完全覆蓋的同時順帶有一些海外陸地、海洋覆蓋的話，以銀河02批產衞星的參數粗略估計，在採用低軌道傾角，覆蓋南北緯30餘度範圍時，大約需要1200到1500顆衞星。
但他同時表示，以上粗略估算只是從基本覆蓋考慮，並且因為沒有銀河02批衞星的準確通信仰角數據，所以如果推算結果不準確在所難免。在將銀河航天02批衞星與Starlink對比時，只是針對500公里左右高度的星座組網這個“基礎層面”來做預估，軌道更高的“上層”組網因素並沒有考慮進來。
長征二號丙運載火箭將銀河航天02批六顆低軌寬帶通信衞星送入預定軌道
在銀河航天創立之初，常用於衞星通信的Ku/Ka頻段資源已趨於飽和，隨着頻率協調難度日益加大，國際商業通信衞星正逐步向更高頻段發展。在此背景下，銀河航天在首發星中使用技術難度較高的Q/V/Ka等頻段，這些頻段作為毫米波頻段中最適合開展衞星通信業務的頻段，擁有更寬的帶寬。
銀河航天董事長徐鳴曾公開表示，如果把利用毫米波傳輸的信息理解為路上的車流，那麼利用Q/V/Ka等頻段的帶寬意味着車更快、路更寬，車流量更大，這同時意味着需要更高超的築路技術。2020年2月，銀河航天首發星在軌30天后成功開展通信能力試驗，在國際上第一次驗證了低軌Q/V/Ka等頻段通信。
胡延平猜測，銀河航天02批產星對地面用户終端和01首發星一樣，工作在Ka頻段，衞星對信關站的通信也和01星一樣在Q/V波段，這樣做的好處就是與地面用户終端之間的電磁波對雲雨霧的穿透性比較強，技術更為成熟穩定可靠的同時也具有較高的帶寬。
Starlink有所不同，它對地面用户終端主要工作在Ku波段，對信關站主要工作在Ka波段，但是也有早期和中後期區別，早期Ku，後來Ka，Ka波段比Ku波段能夠實現更高的帶寬，後來Starlink開始實驗V波段，結合Gen2也向FCC申請E波段。從軌道比早期規劃大為降低、波段頻率不斷升高的變化過程來看，Starlink也是經歷了相當長的摸索、調整過程。
胡延平認為，銀河航天有一步到位的意思。從01星實測結果來看，銀河在V波段對信關站的單天線最大通信能力為雙向共48Gbps，Starlink衞星對地面關口站的下行通信容量尚未可知，如果推算一下，地面關口站8副天線對衞星的數據發送能力最高21.46Gbps，簡單加減乘除的話，銀河01信關站的單天線通信能力是Starlink的接近9倍。
而從衞星與地面用户終端的通信測試來看，Starlink的單終端/波束的速率仿真結果最高為674.3Mbps（波束邊緣處），Speedtest和用户實感數據主要在60-100Mbps，銀河01星優化的5G 信號體制單終端峯值通信速率為900Mbps，5G回傳測試中，回傳鏈路數據達到500Mbps以上，02星的數據測試也許過一段時間有披露，與01星相當還是會更高尚不得而知。
“中國一箭百星只是時間問題”
本次銀河航天發射的02批衞星，一個重要意義是中國首次實現衞星批量製造。按照商業衞星的發展趨勢，衞星星座是商業航天發展的大勢所趨，而衞星批產是直接解決星座衞星製造需求與產能衝突的最佳或者説是唯一方案。
銀河航天方面告訴觀察者網，衞星批產能夠使成本降低、生產效率大幅提升，是構建大規模星座所必要的基礎條件。同時，批量生產可以使供應鏈穩定，提升單機、零部件的一致性。此外，批產還利於衞星生產工藝優化迭代，提高產品質量。
衞星單星重量的降低，則是實現一箭多星的重要條件。
胡延平分析指出，銀河航天02批衞星的單星重量190公斤，比首發試驗星輕了30公斤，研發製造成本比首發試驗星低一半；採用一箭多星發射之後，單星發射成本估計也比01星有顯著降低。中國近地軌道發射能力已達25噸以上，理論上一箭百星只是時間問題，降低發射成本的關鍵在於實現重複利用的火箭回收技術，這方面多型火箭已在進行相關試驗，這方面未來沒有攻克不了的難關。
在01星各類5G實驗基礎上，銀河航天02批產星比較強調構建天地一體的5G融合試驗網絡。
胡延平告訴觀察者網，地面5G/6G網絡融合是衞星互聯網未來發展的必然趨勢，3GPP面向5G的標準當中涉及衞星與地面網絡融合的部分，目前所有國家裏中國落地最快。未來衞星互聯網與地面網絡之間必然是合作、融合、互補關係，而不是競爭替代關係。這是銀河航天02批產衞星試驗星座與Starlink基本取向的顯著不同。
他認為，Starlink從根本上只是利用電信運營商幫助其完成網絡覆蓋。銀河所提供給的建構式星座未來也將服務於各類通信業者，相關星座不僅可用於5G回傳，也可為5G覆蓋提供網絡支持，未來可以有充滿想象力的應用場景。比如運營商要對某個偏遠地區進行5G覆蓋，只需用衞星在骨幹網和接入網之間進行遠距離“中繼”，衞星信號落地後提供給5G基站，以5G基站實現當地用户的覆蓋，形成架構創新的移動通信網絡。
本次銀河航天02批衞星還搭載了遙感載荷可以實現對地成像觀測，拍照/視頻均可，這是Starlink目前沒有的功能。
胡延平分析指出，聯想到長光辰芯日前宣佈兩款國產8K圖像傳感器（CMOS）國家重大專項開發取得成功的消息，銀河航天02批衞星未必裝載了這款8K CMOS，但是以銀河航天試驗星座500公里的軌道高度，對地遙感應該會比將近3.6萬公里軌道高度的地球同步衞星來得清晰。可以預期，通信-遙感-導航一體化的近地軌道星座，不久的將來會成為現實，這方面無非是哪個星座先邁出實質性的第一步的問題。Starlink已經聯合有關合作方展開了這方面的探索實驗。
“不發展是最大的不安全”
考慮到衞星互聯網的諸多優點，在該技術被政府納入“新基建”範疇後，不少機構認為這會給中國商業航天領域帶來諸多發展機遇，未來藍海無限。根據SIA預測，到2023年中國衞星互聯網製造和發射領域將超過60億美元規模，地面設備製造和衞星運營及服務領域2030年合計將達到693億美元規模。
但對衞星互聯網來説，迎來的也不只是歡呼聲。
迄今為止，外界對衞星互聯網的質疑主要集中在三點：一是時延，二是多用户服務能力，三是安全。
在時延方面，胡延平認為，衞星互聯網15ms～40ms的時延，足以滿足絕大部分場景的應用需要，光信號在光纖中傳輸，速度比光在真空中的傳輸速度低40%，這意味着通信距離越長，衞星互聯網反倒越比地面固網、移動通信的時延要少。
在多用户服務能力方面，胡延平指出，地球上尚有80%的地方沒有互聯網覆蓋，40%以上的人口未曾接入過互聯網服務。解決數字鴻溝、數字普惠問題，將主要取決於衞星互聯網的發展。金融、航空、航海、地質、林業、能源、製造等行業，物聯網、車聯網、雲計算等領域，衞星互聯網都將發揮重要作用。對於想要形成海外覆蓋、構建國際網絡的力量來説，只有衞星互聯網這條路最為可行。電信運營商走向6G的過程中，擁抱天地一體是必然選擇。
高彈性、高可用、高抗風險能力的衞星互聯網，作為科技、產業戰略高地，必將廣泛普及、深入發展。衞星互聯網必將是全航天產業科技、全通訊產業科技、全智能產業科技的綜合競爭，是新通訊、新IT、新能源、新材料的結晶，是綜合實力的博弈，也是科技觀、發展觀、世界觀的體現。
在安全方面，2021年，星鏈衞星兩次危險接近中國空間站、威脅在軌航天員安全，而在相關避碰事件中，美國星鏈衞星均處於連續軌道機動狀態。如今，星鏈衞星已涉及大約1600起航天器接近事件，佔到所有航天器事件的一半。
“不發展是最大的不安全”，在胡延平看來，這才是安全問題的最終答案，也是他一直以來的觀點。除了本文開頭提到的頻譜資源、軌道資源已經非常緊張之外，另有兩個重要趨向值得關注：
一是數智化的數字處理載荷將帶來強悍的算力、智力、傳感力、連接力，衞星互聯網的“摩爾定律”是否會上演？
二是各個國家和地區已經看到衞星互聯網的戰略價值、科技力量、產業意義和安全份量，紛紛行動起來加速佈局，全球各類星座項目已經有200多個。“各自為網”將會是不同國家、區域未來必然發展趨勢，在此基礎上，才會進行各取所需的“互聯互通”。
胡延平指出，建設一張覆蓋全球的衞星互聯網，投資不及當初中國建設一張TD移動網絡，更遠不及5G組網投入，而浮現中的衞星互聯網，必將是下一代互聯網、下一代數字基礎設施不可或缺的組成部分，甚至是未來旨為關鍵的新型數字基礎設施。好消息是，我國首個數字經濟國家級發展規劃——《數字經濟十四五發展規劃》明確提出，加速發展衞星互聯網。2035遠景目標明確提出要打造全球覆蓋、高效運行的通信/導航/遙感空間基礎設施體系。而去年衞星網絡集團有限公司的正式成立，意味着中國正式開始出發。
放眼2030年，胡延平表示，第一梯隊看好兩張網：一張是Starlink，另一張是奮起直追的中國背景的衞星互聯網星座，第二梯隊看好Kuiper和歐盟投資60億歐元的衞星互聯網計劃，第三梯隊才是OneWeb、Telesat、波音的相關計劃等要麼是過渡角色要麼是補充地位的網絡。其它星座要麼尚不明朗，要麼體量過小，要麼技術路線不徹底，存在但不重要。低軌道寬帶衞星互聯網的技術路線、發展路徑、市場前景甚至未來格局已經足夠清晰明確，此時此刻最需要的是堅決行動。科技產業戰略制高點的爭奪，下一代數字基礎設施的創新構建與戰略佈局，中國至少不能缺席，更不能被時間甩在身後。
截至2020年12月，中國衞星互聯網重點代表計劃