衛(wèi)星通信時(shí)代來(lái)了嗎

張程

近日，知名證券分析師爆料稱，“iPhone13硬件規(guī)格可支持低軌道衛(wèi)星通信”。該分析師還表示，“iPhone13的衛(wèi)星通信或可通過(guò)運(yùn)營(yíng)商空中開(kāi)啟，就技術(shù)與服務(wù)覆蓋率來(lái)看，最有可能與蘋(píng)果合作的低軌道衛(wèi)星服務(wù)業(yè)者為Globalstar（全球星）。當(dāng)然，Globalstar的合作商中不僅有中國(guó)電信還有沃達(dá)豐等”。此消息一出，引起了手機(jī)行業(yè)的廣泛關(guān)注，消費(fèi)者也同樣充滿好奇。

如果iPhone13真的支持低軌道衛(wèi)星通信，那么在行業(yè)巨頭蘋(píng)果的引領(lǐng)下，是否意味著低軌道衛(wèi)星通信時(shí)代即將到來(lái)，未來(lái)支持低軌道衛(wèi)星通信將是所有智能手機(jī)的標(biāo)配嗎？

低軌道衛(wèi)星通信

傳統(tǒng)通信設(shè)備所依靠的信息傳輸基礎(chǔ)主要是基站，信號(hào)的強(qiáng)弱基本取決于基站密度。然而通信基站往往分布在人口密度較大地區(qū)，在人口密度低的地區(qū)往往基站布設(shè)較少，甚至沒(méi)有。

中國(guó)從1G到4G地面移動(dòng)通信的基站建設(shè)密度與在地理上的人口分布密度和經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)程度成正比，基站建設(shè)優(yōu)先在人口稠密和經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的城市和工業(yè)園區(qū)等地，再擴(kuò)展到人口相對(duì)稀疏的郊區(qū)和農(nóng)村。

目前中國(guó)80%以上的陸地和95%以上的海洋面積無(wú)地面網(wǎng)絡(luò)覆蓋。然而隨著發(fā)展需要，對(duì)于通信網(wǎng)絡(luò)也在不斷提出更高的要求。比如物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展就要求更全面的信號(hào)覆蓋率，特別是空中、海洋、森林、沙漠地區(qū)及其他地廣人稀的區(qū)域，對(duì)于空中飛機(jī)及無(wú)人機(jī)、海上油井和船舶、森林防火及野生動(dòng)物的視頻監(jiān)控、電力線路和鐵路沿線的巡檢、邊境線的防控等應(yīng)用場(chǎng)景，依靠傳統(tǒng)的通信基站很難滿足需要，即使是陸地的這類應(yīng)用如果采用5G覆蓋，前期商業(yè)模式也面臨很大的挑戰(zhàn)，收入規(guī)模與5G建站和運(yùn)維成本不相匹配。這就給低軌衛(wèi)星通信帶來(lái)了商機(jī)。低軌衛(wèi)星通信全球覆蓋，且其成本敏感性與行業(yè)應(yīng)用的地理位置和通信接入點(diǎn)區(qū)域密度沒(méi)有直接相關(guān)性，特別是對(duì)于低密度用戶場(chǎng)景下的寬帶互聯(lián)和通信更具優(yōu)勢(shì)。

此外，衛(wèi)星通信是災(zāi)害突發(fā)時(shí)快捷有效的應(yīng)急保障手段，特別是在地震、海嘯等嚴(yán)重自然災(zāi)害發(fā)生時(shí)，地面基站受到嚴(yán)重破壞，衛(wèi)星通信便成為搶險(xiǎn)救災(zāi)唯一的通信手段。在2008年汶川地震及2010年玉樹(shù)地震等重大災(zāi)害發(fā)生后，國(guó)家相關(guān)部門(mén)和電信運(yùn)營(yíng)商緊急調(diào)用各種衛(wèi)星通信設(shè)備，切實(shí)保障了災(zāi)區(qū)的通信網(wǎng)絡(luò)暢通，為災(zāi)區(qū)開(kāi)展救援工作起到重要的促進(jìn)作用。

衛(wèi)星通信以衛(wèi)星所在軌道的高低，分為高、中、低三種不同軌道的衛(wèi)星通信。低軌互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星星座利用運(yùn)行在200—2000km軌道高度的衛(wèi)星群向地面提供寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)，通過(guò)多顆衛(wèi)星組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)全球覆蓋。相比較而言，低軌道衛(wèi)星通信的成本更低、信號(hào)更好，商業(yè)化探索也更多。

低軌衛(wèi)星通信的定位

任何事物都是辯證的，每個(gè)硬幣都有兩面。雖然低軌衛(wèi)星通信具有覆蓋面積大、成本相對(duì)較低的優(yōu)點(diǎn)，但局限性也很明顯。

首先是頻譜效率。由于衛(wèi)星與地面終端的通信距離、功率密度、多天線部署等受到較多限制，衛(wèi)星通信的頻譜效率遠(yuǎn)低于同期的蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)。目前，包括SpaceX和OneWeb在內(nèi)的低軌衛(wèi)星，平均頻譜效率約在2.5bit/s/Hz，只達(dá)到3G水平;而5G的平均頻譜效率在10bit/s/Hz以上，是衛(wèi)星通信的4倍以上。

其次是系統(tǒng)容量問(wèn)題。在頻率資源稀缺的限制情況下，若要提升系統(tǒng)容量則意味著增加衛(wèi)星數(shù)量，這與地面蜂窩通信系統(tǒng)一樣，增加基站數(shù)量來(lái)提升系統(tǒng)容量，即頻率復(fù)用原理。從通信角度看，可以簡(jiǎn)單理解成衛(wèi)星通信是將地面基站搬到空中。目前全球4G基站總數(shù)約830萬(wàn)個(gè)，5G將建設(shè)2到3倍于4G的基站數(shù)量，低軌衛(wèi)星通信要想實(shí)現(xiàn)5G一樣的上網(wǎng)速度，也要實(shí)現(xiàn)與5G大體相當(dāng)?shù)目偼ㄐ湃萘浚@樣就需要幾百萬(wàn)顆低軌衛(wèi)星密布在全球城市帶及附近上空的近地軌道，這在星座設(shè)計(jì)和衛(wèi)星發(fā)射上是完全不可想象的。即使是萬(wàn)顆星的星座，也會(huì)造成大量太空垃圾，同時(shí)引發(fā)干擾光學(xué)觀測(cè)、模糊宇宙視野等環(huán)保問(wèn)題。最后，還有建設(shè)和運(yùn)維成本問(wèn)題。盡管近年來(lái)隨著技術(shù)的發(fā)展，發(fā)射衛(wèi)星的成本和門(mén)檻已經(jīng)大大降低，但是每顆衛(wèi)星仍面臨著數(shù)十倍甚至百倍于地面基站的建設(shè)和運(yùn)行維護(hù)成本。

最后，即使建成了龐大的衛(wèi)星群，衛(wèi)星信號(hào)也無(wú)法覆蓋室內(nèi)，城市內(nèi)的樓宇遮擋也會(huì)造成用戶通信中斷，同時(shí)衛(wèi)星通信對(duì)天氣變化十分敏感，極端天氣也會(huì)影響信號(hào)強(qiáng)度。因而，衛(wèi)星通信只能作為地面移動(dòng)通信的有益補(bǔ)充，而不能代替?zhèn)鹘y(tǒng)基站通信，尤其是人口稠密的城市地區(qū)，地面5G信號(hào)的速度和穩(wěn)定性要比衛(wèi)星信號(hào)好很多。

因此，城市等人口密集和經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)等區(qū)域的移動(dòng)寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入將以5G為主，低軌衛(wèi)星通信為輔;不過(guò)，低軌衛(wèi)星通信面向特定的區(qū)域、特定用戶群和特定的應(yīng)用，市場(chǎng)前景仍然廣闊，如海洋、森林和荒漠及偏遠(yuǎn)地區(qū)。

國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

低軌衛(wèi)星通信的頻率資源和軌道資源像城市的商業(yè)土地一樣稀缺。隨著衛(wèi)星通信、地面通信以及探測(cè)業(yè)務(wù)對(duì)低頻段頻譜資源持續(xù)增加的占用，以及各種應(yīng)用對(duì)于高速移動(dòng)通信需求的不斷提升，現(xiàn)有的高頻段資源逐漸枯竭，將難以滿足巨大的頻譜需求。預(yù)計(jì)頻率更高的Q頻段、V頻段和太赫茲頻段將成為下一代通信衛(wèi)星布局和爭(zhēng)奪的焦點(diǎn)。因此提前部署和申請(qǐng)頻率資源，是衛(wèi)星通信發(fā)展的重要資源保障。

另外，衛(wèi)星軌道也是受限資源，衛(wèi)星軌道位置是有限的，不可以無(wú)限制隨意部署衛(wèi)星。地球近地軌道可容納約6萬(wàn)顆衛(wèi)星，目前，全球正處于人造衛(wèi)星密集發(fā)射前夕。到2029年，地球近地軌道可用空間將所剩無(wú)幾?？臻g軌道和頻段作為能夠滿足通信衛(wèi)星正常運(yùn)行的先決條件，已經(jīng)成為各國(guó)衛(wèi)星企業(yè)爭(zhēng)相搶占的重點(diǎn)資源。

隨著美國(guó)“星鏈”計(jì)劃啟動(dòng)，全球低軌星座發(fā)展已全面進(jìn)入競(jìng)爭(zhēng)提速期。因此，各國(guó)政府都在加速加力介入：美國(guó)軍方多項(xiàng)目并行推進(jìn)“星鏈”計(jì)劃星座開(kāi)發(fā)應(yīng)用、英國(guó)政府收購(gòu)衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商O(píng)neWeb、加拿大政府斥巨資扶持本國(guó)的低軌電信衛(wèi)星公司、俄羅斯利用俄羅斯國(guó)家集團(tuán)統(tǒng)籌加快衛(wèi)星星座建設(shè)。各國(guó)已經(jīng)充分認(rèn)識(shí)到軌道頻率資源的重要戰(zhàn)略地位，并加大力度爭(zhēng)相搶占。

目前美國(guó)暫時(shí)處于領(lǐng)先位置。美國(guó)火箭公司SpaceX在2015年提出的Starlink“星鏈”項(xiàng)目計(jì)劃于2025年完成12000顆低軌衛(wèi)星的部署，其中第二階段發(fā)射7518顆超低軌道衛(wèi)星運(yùn)行在不超過(guò)346km的超低軌道，時(shí)延比近地衛(wèi)星更低。為降低產(chǎn)品成本，SpaceX公司自設(shè)立之初即開(kāi)展全產(chǎn)業(yè)鏈條布局。公司已經(jīng)逐步發(fā)展成為擁有完整商業(yè)航天產(chǎn)業(yè)鏈的行業(yè)巨頭，已實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵產(chǎn)品自主生產(chǎn)，70%以上硬件均由內(nèi)部制造。同時(shí)，SpaceX公司衛(wèi)星建造成本為傳統(tǒng)衛(wèi)星的1/30，衛(wèi)星發(fā)射成本為傳統(tǒng)發(fā)射的1/5。

SpaceX公司的快速成長(zhǎng)建立在美國(guó)航天產(chǎn)業(yè)多年的工程積累和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，在政府資金和政策的扶持下，在美國(guó)宇航局技術(shù)和人才基礎(chǔ)的支持下，更高層次實(shí)現(xiàn)“快”“好”“省”的平衡，實(shí)行扁平化、縱向一體化的產(chǎn)品管理，直接控制產(chǎn)業(yè)鏈核心環(huán)節(jié)，絕大部分部組件自主完成設(shè)計(jì)、研制，擺脫了傳統(tǒng)配套體系技術(shù)更新慢、產(chǎn)品成本高、供貨周期長(zhǎng)的制約，極具競(jìng)爭(zhēng)力。

過(guò)去由于衛(wèi)星與火箭制造的極高壁壘，資金投入大、開(kāi)發(fā)周期久，投入回報(bào)周期長(zhǎng)，讓社會(huì)資本望而卻步，中國(guó)民營(yíng)衛(wèi)星業(yè)發(fā)展較慢。但隨著衛(wèi)星開(kāi)發(fā)模式、發(fā)射模式的改變，衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)的入門(mén)成本得到了大幅降低，從數(shù)十億元級(jí)別降到了千萬(wàn)元級(jí)別。同時(shí)，在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，通信衛(wèi)星與信息化社會(huì)關(guān)聯(lián)日益密切，帶來(lái)的商機(jī)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的廣播通信應(yīng)用，數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)、天基互聯(lián)網(wǎng)等新機(jī)會(huì)創(chuàng)造了廣闊的市場(chǎng)需求。因此，越來(lái)越多的資本開(kāi)始進(jìn)入這個(gè)行業(yè)。

中國(guó)低軌衛(wèi)星互聯(lián)星座正在蓬勃發(fā)展，既包括大型央企亦包括民營(yíng)初創(chuàng)型公司。目前，從事商業(yè)航天的初創(chuàng)型公司有近20個(gè)。不少企業(yè)提出了建設(shè)低軌通信衛(wèi)星星座的方案，例如“鴻雁”星座、“虹云”工程等。其中“虹云”工程預(yù)計(jì)將一共發(fā)射156顆衛(wèi)星，最終將構(gòu)建一個(gè)覆蓋全球的低軌寬帶通信衛(wèi)星系統(tǒng)，以天基互聯(lián)網(wǎng)接入能力為基礎(chǔ)，融合低軌導(dǎo)航增強(qiáng)、多樣化遙感，實(shí)現(xiàn)通、導(dǎo)、遙的信息一體化。

截至目前，中國(guó)星座計(jì)劃中組網(wǎng)數(shù)量在30顆以上的低軌道衛(wèi)星項(xiàng)目已達(dá)10個(gè)，項(xiàng)目規(guī)劃總衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量達(dá)到1900顆。