低轨通信星座蓄势待发，中国版“星链”如何加速？

近年来,随着卫星通信技术的发展、商业航天成本的不断降低,以及互联网随时随地接入需求的增加,具有全球覆盖优点的低轨卫星通信网络被重新注入了新活力,低轨卫星通信产业逐渐被视为拉动未来全球经济增长的新引擎之一。

同时,在全球航天新格局下,低轨卫星通信成为国际必争之地,通信基建是大势所趋。虽然中国在低轨卫星通信领域起步较晚但发展较快,随着低轨卫星星座建设被纳入我国新基建发展规划,将会进一步促进行业发展提速。在这其中不可忽视的是,我国商业航天公司正成为低轨卫星星座建设的中坚力量。

低轨卫星通信带动千亿产业链

打开更多应用新场景

低轨卫星主要指运行在低地球轨道(距离地面500-2000km,LE0)的卫星。对比高轨(地球静止轨道,GE0)卫星,在通信应用中,低轨卫星具有距离近、传输时延小、链路损耗低、发射灵活、应用场景丰富、整体制造成本低等优势。同时对终端的处理能力要求更低,终端会更加灵活轻小,对于时间敏感性要求高的应用具有重要意义。

基于此优势,世界各国积极布局,低轨卫星通信成为全球热点新兴产业,带动千亿产业规模。根据GSMA的数据,到2025年,低轨卫星通信产业规模将达到1800亿元,全球卫星通信收入规模将达到数百亿美元。

值得一提的是,卫星绕地球运行需要轨道和频段资源,而轨道和频段是有限且不可再生的战略资源,国际电信联盟(ITU)提出在轨道和频段资源获取上遵循“先登先占、先占永得”的原则。低轨道能容纳的卫星数量有限,先发国家具有显著优势,这是造就各国竞争趋于白热化的主要原因之一。

如今越来越多国家推出低轨星座计划,低轨、大规模星座构建是当前卫星行业的发展趋势。而行业竞争已经不仅仅是商业上的竞争,还有国防战略层面的竞争,各国力争在低轨卫星领域进入全球第一梯队,发展中国“星链”必要且紧迫。

从带宽的角度来看,低轨卫星又可以分为低轨宽带互联网卫星和低轨窄带物联网卫星。

低轨宽带互联网卫星工作频段较高(C、Ku、Ka等),带宽较大,传输速率较高,主要用于没有地面网覆盖区域用户的高速传输需求,比如邮轮、科考站、航空、偏远地区上网(国外)等。但以往这种卫星宽带通信都需要一个体积较大、功耗较大的终端,无法随身携带。低轨宽带互联网卫星是以互联网应用为服务对象,以统一的网络层为承载平台,能够作为互联网系统有效组成的可独立工作的网络系统。代表运营商包括星链(Starlink)、英国一网(OneWeb)、星网等。

低轨窄带物联网卫星工作频段较低 (UHF/VHF、L、S),带宽一般不超过1MHz,传输速率在几kbps。因此其主要用于卫星移动通信和卫星物联网应用,覆盖没有地面网区域的数据采集、远程控制、卫星电话等应用,天线体积较小、发射功率也较低,终端设备可以随身携带。低轨卫星物联网(LEO IoT)由地面段、空间段以及用户段组成,是解决地面物联网在海洋、山区、沙漠等区域通信覆盖能力不足的有效手段,可应用于暴雨、洪水、台风等自然灾害的监测、应急救援通信等,也可以广泛应用于手机直连卫星等个人消费级应用。代表运营商如铱星二代、轨道通信公司(Orbcomm)、天启星座等。

“天启星座”及应用

值得一提的是,“天启星座”是如今国内低轨窄带通信卫星的代表。从实际运行看,“天启星座”系统作为信息基础设施,能在较短时间内对分散于全球的卫星终端进行数据采集、传输、汇集、处理,通过卫星通讯回传至信息中心,分包处理分发给相应用户,提供覆盖全球、准实时、全天候的数据采集及通信服务,广泛应用于应急通信救援、环境环保监测、气象监测、智慧城市、危险化学品运输、飞机跟踪监测、地震监测预报、智慧海洋、油气管道网、智慧农业、电力管网监测和野生动植物保护等领域,服务航空、海事、林业、地震、水利、环保、气象、海洋等行业部门业务,并可用于手机直连卫星、腕表直连卫星、卫星对讲机、卫星穿戴设备等个人消费级应用。

伴随着我国航天和通信技术不断发展,低轨卫星发射成本持续降低,而随时随地的互联网接入和大数据服务需求将会进一步拓展低轨卫星通信网络的应用落地,不断丰富应用场景,带来新的发展机遇。

万物互联时代

双强联合构建庞大商业版图

近年来,美国 SpaceX的航天技术突飞猛进,火箭发射成本也在不断降低,其低轨卫星互联网项目——星链(Starlink)正在加快推进。

SpaceX星链卫星目前总计划发射四万二千多颗卫星,用于全球范围内的网络访问。在2023年8月,SpaceX再次成功发射22颗星链卫星,在地球轨道上的星链卫星数量突破5000颗。

如今Starlink已成为全球最大的卫星星座,运营着目前最大的低轨道宽带卫星网络,但Starlink依然对窄带卫星物联网市场抱有着很大热情。据美国媒体报道,SpaceX公司在2021年全资收购了一家做窄带物联网星座的公司SWARM,该公司已经发射150余颗卫星并在全球提供服务。

图源：网络

公开资料显示,Swarm成立于2016年,通过自研的微型卫星提供窄带数据服务。Swarm创始人认为,随着物联网(IoT)技术的发展,在万物互联的时代,全球将会有数以十亿计的物联网传感器在同时工作,这些传感器需要通过互联网来进行数据交换。而以当前全球的网络状况来看,在广大的农村和落后地区,无线网络支离破碎,而更加广阔的大海之上更是没有网络信号的接入,这势必不能满足物联网的要求。所以Swarm旨在提供窄带数据服务,打造天基物联网星座,可广泛应用于农业、海事、能源、环保、水产养殖、交通运输等领域,如船舶追踪、浮标管理、气象数据收集、灌溉控制、病虫害追踪等。

SpaceX的口号是降低太空发射成本,而Swarm做的则是降低卫星物联网通信的成本,所以两家公司具有相同的基因。另外,SpaceX的星链和Swarm的卫星物联网网络存在紧密结合的可能性。借助Swarm所开发的窄带通信数据服务,SpaceX也能提供这类物联网服务能力,来扩增其商业版图;而在未来Swarm的发射可以搭乘更便宜的SpaceX火箭,进一步降低Swarm的成本,可谓双赢。

由此可见,低轨宽带卫星互联网和低轨窄带卫星物联网在一定程度上可以相辅相成、优势互补,双强联合更有利于加快建立一种新的空天地一体化网络体系,构建更庞大的商业航天版图。

中国版“星链”正在加速崛起

中国航天经历了60多年的自力更生和艰苦发展,取得了长足进步。虽然我国卫星互联网产业起步较晚但发展较快,且后劲十足。

据了解,中国已向国际电信联盟(ITU)提交了布局1.3万颗低轨卫星的申请。截至目前,我国在低轨卫星互联网星座建设方面由“国家队”推出了“鸿雁星座”、“虹云工程”、“星网工程”等计划并相继成功发射,这标志着我国低轨宽带互联网卫星系统建设迈出实质性的一步,将进一步带动低轨卫星通信产业的增长。

同Swarm和Orbcomm类似,中国的低轨窄带物联网星座也正在搭建中。自2015年后,中国民营航天企业迅速发展,实现了民营卫星和运载火箭的相继突破,以国电高科为代表的一批民营企业也相继提出了自己的低轨卫星星座计划。低轨物联网星座成为民营企业角逐商业航天的重要机会。

9月5号,国电高科的天启星座21星至24星由谷神星一号(海遥一)运载火箭于海阳市黄海海域完成发射任务,顺利抵达预定轨道。

天启星座21星至24星发射现场

官方信息显示,“天启星座”计划是由国内商业航天民营企业国电高科推出,计划于2024年完成部署运营由38颗卫星和若干地面站组成的“低轨卫星物联网星座”,从而为物联网相关行业用户及“军民融合”等国家战略提供覆盖全球、准实时的低轨卫星物联网数据服务,构建天地一体的低轨卫星物联网生态系统。

作为中国首个提供低轨卫星数据服务的窄带物联网通信系统,“天启星座”系统由空间段、地面段、用户段组成,可为用户提供低成本的卫星通信服务,目前已应用于电网、智慧农业、石油管道等8大行业16个领域。据了解,“天启星座”的手机直连等基础电信消费级应用也在跟电信运营商开展深度合作。

“十四五”规划提出,要建设高速泛在、天地一体、集成互联、安全高效的信息基础设施,增强数据感知、传输、存储、运算能力。卫星互联网和卫星物联网建设已经上升为国家战略性工程,成为我国空天地海一体化信息系统的重要组成部分。

鉴于低轨道卫星战略地位凸显,在国内政策、技术和市场多重利好因素驱动下,中国版“星链”该如何加速发展?

除了在现有产业基础上加大投资,加速低空轨道卫星发射,争取更多的空间资源,培养与之抗衡的力量。更应该以“星网”国家队主导卫星互联网,民营企业主导卫星物联网,互相配合、优势互补、融合发展,积极推进和地基移动通信网、地基物联网、北斗等的融合,为低轨道通信卫星的发展创造新的优势,打开低轨卫星通导遥一体化广阔市场,提供全球性多维动态综合时空服务,推动中国商业航天事业蓬勃发展。中国版“星链”的未来,让我们拭目以待。