国外新兴卫星互联网星座的发展

科技导报2016，34（7）收稿日期：2015-09-22；修回日期：2015-11-06作者简介：刘悦，硕士研究生，研究方向为民商用通信卫星，电子信箱：[e-mail]引用格式：刘悦,廖春发.国外新兴卫星互联网星座的发展[J].科技导报,2016,34(7):139-148;doi：10.3981/j.issn.1000-7857.2016.07.015国外新兴卫星互联网星座的发展国外新兴卫星互联网星座的发展刘悦，廖春发北京空间科技信息研究所，北京100086摘要摘要2015年，以OneWeb和SpaceX为代表的“新兴卫星互联网星座”不断涌现。本文回顾了20世纪90年代至今“卫星互联网星座”的发展历程，分析了不同时期各个星座的发展特点，探讨了影响卫星互联网星座成功与否的关键因素。从市场定位、盈利方式、卫星制造、发射、融资等方面分析了新兴互联网星座的优势和风险，并预测了其未来可能的机遇与挑战。分析表明，新兴互联网星座的发展不会是历史的简单重复，将对未来卫星通信产业、卫星运营、卫星制造和传统航天企业的发展带来重要影响。结合中国卫星通信产业发展情况提出了相关启示和建议。关键词关键词卫星互联网星座；低轨通信卫星星座；通信卫星产业20世纪90年代以来，特别是在智能移动终端功能日渐丰富、成本不断降低、各类应用蓬勃发展的今天，建设融语音、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。例如，美国“恢复与再投资计划”拨款72亿美元用于国家宽带建设；加拿大拨款2.25亿美元用于发展卫星宽带；欧洲拨款13亿美元用于填补“数字鸿沟”；中国大力推动“互联网+”战略等[1,2]。2015年，在谷歌（Google）等互联网巨头的推动和支持下，一网公司（OneWeb）、太空探索公司（SpaceX）、三星（Sam⁃sung）、低轨卫星公司（Leosat）等多家企业提出打造由低轨小卫星组成的卫星星座，为全球提供互联网接入服务[3~6]，在短期内迅速聚集人气，引发全球强烈关注。然而，提供互联网服务的卫星星座并不是一个新事物，20世纪90年代开始不断涌现提供通信和网络服务的卫星星座，有些至今尚未实施，有些部署实施后遭遇破产，有些虽然发展至今，但应用空间仍非常有限。本文所述的“新兴卫星互联网星座”，指新近发展的、能提供数据服务、实现互联网传输功能的巨型通信卫星星座。新兴卫星互联网星座具有以下特点：从星座规模看，是由成百上千颗卫星组成的巨型星座；从星座构成看，是由运行在低地球轨道（LEO）的小卫星构成；从提供的服务看，主要是宽带的互联网接入服务；从发展卫星互联网星座的企业看，主要是非传统航天领域的互联网企业；从项目发展的起始时间看，是在2014年底至2015年初这段时期。本文针对2015年发展卫星互联网星座这一情况，在总结历史经验和教训的基础上，探讨新兴卫星互联网星座的创新点和发展机遇。1国外卫星互联网星座近30年发展在太空通过卫星提供通信服务的尝试早已有之。20世纪90年代，有多家企业提出卫星互联网星座计划。如果将提供互联网服务的范畴扩大到话音通信服务（最早的互联网都是通过“拨号上网”进行的），卫星互联网星座的发展历史还可以追溯到20世纪80年代末摩托罗拉公司发展的铱星（Irid⁃ium）系统。与导航和部分对地观测的天基系统不同，从近30年的发展历史看，卫星互联网星座均是由商业企业发展、以盈利为目的的商业项目。从人类航天技术的角度看，技术并不是主要问题，决定卫星互联网星座成败的关键因素还是市场和用户。从更大的范畴看，卫星通信与地面通信同为电信产业的组成部分，从诞生的第一天起就在相互竞争、相互补充与合作中发展前进。因此，过去30年卫星互联网星座计划的成败主要围绕着这一问题展开。如果按照卫星与地面通信的竞争合作关系对卫星互联网星座的发展阶段进行划分，主要可以分为3个历史阶段：1）第1阶段（20世纪80年代末至2000年）：以铱星（Iridi⁃um）、全球星（Globalstar）、轨道通信（Orbcomm）、“泰利迪斯”（Teledesic）和“天空之桥”（Skybridge）系统为代表，力图重建一个天基网络、销售独立的卫星电话或上网终端与地面电信运营商竞争用户。2）第2阶段（2000—2014年）：以新铱星、全球星和轨道通信公司为代表，既为电信运营商提供一部分容量补充和备份，也在海事、航空等极端条件下的面向最终用户提供移动通信服务，与地面电信运营商存在一定程度的竞争，但主要还是作为地面通信手段的“填隙”，规模有限。139科技导报2016，34（7）3）第3阶段（2014年至今）：以“另外30亿人”网络公司（O3bNetworks）为代表，为全球用户提供干线传输和蜂窝回程业务，地面电信运营商是其客户和合作伙伴，卫星网络成为地面网络的补充。1.1卫星互联网星座发展的第1阶段：企图替代地面通信网络卫星互联网星座的构想最早始于1家地面通信公司摩托罗拉，它希望设计一款具有星间链路和星上处理能力的低轨通信卫星星座，相当于把地面蜂窝网倒置在太空，面向全球提供移动话音服务。在铱星的带动下，同期发展的低轨星座主要有两类：一类是主要以提供话音和低速数据为主的星座，如全球星和轨道通信；另一类主要以互联网接入为主的星座，如泰利迪斯和天空之桥。这些系统的发展遇到了共同的问题，就是系统设计初期地面通信还未兴起，错误地估计了市场，企图替代当时并不发达的地面通信，面向个人消费者提供全球话音通信和网络接入（表1[7]）。表1卫星互联网星座系统参数Table1Systemparametersofsatelliteinternetconstellations从这5大系统的发展结果看，铱星系统、全球星系统和轨道通信系统于2000年前后宣告破产[8~10]；泰利迪斯和天空之桥系统于2002年宣告项目终止，未能实现系统部署和商业服务[11,12]。从这些系统早期的失败经历看，失败的原因主要还是在商业层面上，即系统前期投资过大而导致入不敷出。本文认为，早期的失败主要源于3方面的问题：1）市场定位与用户选择；2）技术复杂度与投入成本；3）研发周期与系统能力。以铱星系统为例，这3方面问题的具体表现为：1）市场定位方面：老铱星系统（破产以前的铱星系统）将“高层次的国际商务旅行者”作为用户，认为这些用户可以为全球卫星通讯服务付出高价，与成本低廉、普及面迅速的GSM/CDMA地面蜂窝系统相比，老铱星没有优势；2）投入成本方面：卫星系统需要在获得第一笔订单之前就建成全部系统，风险很高，而地面通信网络的建设可以逐步进行，可以在回收一部分投入之后逐步扩建系统。全球星和轨道通信系统发展比铱星晚，借鉴了铱星的经验降低系统复杂度，取消星间链路，但最终仍然破产；3）系统能力方面：地面通信的发展遵循摩尔定律，但当时卫星星座的研制和发射周期需要至少10年，铱星在系统设计时确实先进，但此后蜂窝电话发展极其迅速，待到铱星服务之后，技术已经落后，铱星电话的笨重、室内无法使用、通话的可靠性和清晰性低的缺点凸现出来。1.2卫星互联网星座发展的第2阶段：卫星成为地面通信的“填隙”虽然在2000年之后卫星系统在与地面系统的竞争中失利相继破产，但不少企业却巧妙地利用破产摆脱了前期系统建设所欠下的巨额债务，反而重新寻找到了市场机会，焕发了生机[13,14]。截止目前，全球仍在提供服务的卫星互联网星座还有铱星、全球星和轨道通信系统，并且已经完成了或者正在进行下一代星座卫星的更新换代。天空之桥和泰利迪斯系统发展中止，最终沦为“纸卫星”（即未曾发射、只存在于纸面的卫星系统）。2000年之后卫星互联网星座之所以能够重新恢复活力，主要在于吸取了过去的失败教训。以铱星公司为例：1）市场定位方面，不再与地面通信正面竞争，将用户定位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，正是由于市场定位另辟蹊径，才能使得系统得以存活并实现盈利；2）投入成本方面，以象征性的价格买断了老铱星，老铱星的债务全部剥离，系统成本的减少可以大幅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，新铱星公司终于实现了扭亏为盈；3）系统能力方面，升级卫星系统，接近地面系统的能力。解决了卫星终端在室内无法使用的问题，减少卫星终端的尺寸和重量，提高数据服务的速率，使之在机对机（M2M）等特定应系统铱星全球星轨道通信天空之桥泰利迪斯投资商摩托罗拉劳拉、阿尔卡特、高通轨道科学阿尔卡特、劳拉摩托罗拉、波音马特拉-马可尼、比尔·盖茨、麦考服务类型话音、数据、传真、寻呼、短消息话音、数据、传真、寻呼、短消息短消息、寻呼、邮件因特网接入、话音、数据、视频、视频会议因特网接入、话音、数据、视频、视频会议数据传输速率/（kbit·s-1）2.47.22.4（上行），4.8（下行）2000（上行），20000（下行）2000（上行），64000（下行）轨道高度/km780141082514691375卫星数量/颗66484880288地面站数量15~20100~21010200未知星间链路有无无无有140科技导报2016，34（7）用场景下具备一定的竞争力。1.3卫星互联网星座发展的第3阶段：卫星与地面系统的补充与合作从卫星互联网星座发展至今，唯一一家服务之初就取得成功的是“另外30亿人”网络系统（O3bNetworks），系统名称取自“要为地球上另外30亿人提供网络服务的愿景”。O3b网络系统成立于2007年，在系统成立之初，市场还对O3b系统持怀疑态度，但自2014年提供商业服务以来，仅用半年时间就达到原计划1年1亿美金的收入水平[15]，得到了市场的认可，证明了卫星互联网星座的发展前景。与前两个阶段卫星互联网星座不同，O3b之所以取得成功，是因为采取了与地面系统合作的发展理念：1）市场定位方面：O3b从一开始就没有与地面通信竞争的计划，而是将电信运营商作为其客户，为地面通信设施覆盖不到的岛屿和海上大型舰只服务，成为地面通信手段的补充；2）投入成本方面：O3b选择了轨道高度为8000km左右的中地球轨道（MEO），覆盖范围在南北纬40°之间的区域，将所需的卫星数量缩减至12颗，比起铱星66颗的星座规模，大大降低了系统投入成本；3）产品能力方面：O3b是一个真正的宽带卫星系统，数据传输速率大大超过了铱星和全球星系统，虽然系统容量无法与地面通信手段相比，甚至不如静止轨道宽带卫星，但对于地面设施无法覆盖的地区，已经能够满足基本的网络需求。2国外新兴卫星互联网星座的发展态势2.1全球主要新兴卫星互联网星座发展概况目前，卫星互联网虽然还处于发展的初级阶段，但非常活跃，很多互联网企业都积极介入。从2014年底至今，全球范围内至少提出了6个大型低轨卫星星座项目，分别通过各国政府向国际电联（ITU）进行了登记（表2）。其中最具代表性的主要有3家，分别是O3b，创始人格雷格·惠勒（GregWy⁃ler）新创立的一网系统（OneWeb）；SpaceX和特斯拉汽车创始人埃隆·马斯克（ElonMusk）计划打造的STEAM互联网星座；原天线设备供应商Kymeta公司创始人发展的“低轨卫星”（Leosat）系统，3大主要系统的参数如表2所示[16]。表2向ITU提出频率申请的卫星星座Table2SatelliteconstellationsappliedtoITU表3新兴卫星互联网企业星座关键参数Table3Systemparametersofemergingsatelliteinternetconstellations申报系统名称MCSatCANPOL-2COMSTELLATION3ECOM-1ASK-1STEAM-1/STEAM-2L5（OneWeb）申报国家法国加拿大加拿大列支敦士登挪威挪威英国卫星数量/颗800~400072794264104257650申请频段Ku，KaVHF、UHF、X和KaKu，KaKu，KaKu，Ka，XKu，KaKu，Ka轨道LEO、MEO和HEOLEO、HEO未知