新兴低轨卫（wèi）星通（tōng）信星座发展

　　摘 要：SpaceX、OneWeb等公司计划建（jiàn）造大型低（dī）轨卫星（xīng）通信星（xīng）座，以提供全（quán）球（qiú）宽带接入（rù）。与90年（nián）代（dài）的低轨星座浪潮相比（bǐ），新兴星座（zuò）主要具备以（yǐ）下优势：批量化（huà）、模块化生产降低了卫星制造成本，火箭重复利用和“一箭多星（xīng）”技术降低了（le）发射成本（běn）。然（rán）而，低轨（guǐ）星座面临（lín）快速（sù）发展的地面网络以（yǐ）及地（dì）球静止轨道高通量（liàng）卫星的激（jī）烈竞争。文中从建设费用、容量密度、地面终（zhōng）端（duān）等方面对（duì）这三类系（xì）统（tǒng）进行比较，分析（xī）各（gè）自的优劣，并分别从民用市场（chǎng）和军事应用两个（gè）方（fāng）面，分（fèn）析新兴低轨星座的发展（zhǎn）前景。

　　关键（jiàn）词（cí）: 低（dī）轨星座；高通量（liàng）卫星；星链；一网

引 言

　　以OneWeb、StarLink为代表的新兴低轨（LEO）卫星通信（xìn）星座迅猛发展，旨（zhǐ）在通过覆盖全球的（de）宽带（dài）连接能力，与地（dì）面网络争（zhēng）夺互联网入口。与1990年（nián）代（dài）的铱星等低轨星座相比，新兴低轨星座拥有多（duō）种发展优势：火箭（jiàn）重（chóng）复利用和“一（yī）箭多星”技术极大降低了卫星发射成本；集成电路技术的进（jìn）步（bù）促成了卫（wèi）星的（de）模块化（huà）、组件化（huà）和（hé）小（xiǎo）型化，显著降（jiàng）低了（le）卫星的尺寸、质（zhì）量（liàng）、功耗和研（yán）制成本；批量化、模块化卫星制造技术显著（zhe）降低了（le）卫星的（de）制造成本。然而，来自地面网络的竞争（zhēng）也日趋激烈（liè），尤其是（shì）千兆级光纤网络（luò）已经开启（qǐ）大规模商用，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）也已经开始（shǐ）大规模部署（shǔ）。因此，新兴（xìng）低轨卫（wèi）星通信星座发展（zhǎn）前景仍然存在不确（què）定性。

　　本（běn）文将从建设费用、容量密度等方面（miàn）分析低轨星座与地面网络的竞争态势，从单位容量成（chéng）本、地面终端配置、传输时延、落地监管（guǎn）等方（fāng）面对比低轨星（xīng）座与地球（qiú）静止轨（guǐ）道高通量卫星（GEO-HTS）的优劣，并结（jié）合民用市场以及军（jun1）事（shì）应用的特点和趋势，研究新（xīn）兴（xìng）低轨卫（wèi）星通（tōng）信星座的发展前景。

1 与地面网（wǎng）络的竞争

　　光纤（xiān）、蜂窝（wō）无线通信（xìn）等地面通信技术，是低轨星座无（wú）法回避（bì）的（de）竞（jìng）争（zhēng）对手。1990—2000年，“铱（yī）星”、“全球星”、“轨道通信”等多（duō）个（gè）低轨星（xīng）座计划（huá）被提出，旨在提供全（quán）球无缝覆（fù）盖的便携式卫星电（diàn）话服（fú）务。三大星座的设计指标达（dá）到了同时（shí）期地面蜂窝网络的水平，并具有全球无缝覆盖的优势，因此（cǐ）吸引了广泛关注。但在（zài）三大星座投（tóu）入建设（shè）的（de）十年间（jiān），地面蜂（fēng）窝（wō）网络逐渐从2G演化到3G，手机终端价格和流量资费不断降低，卫星（xīng）通信除了覆盖（gài）范围广的优势（shì）之外，终端成本、通信速率等（děng）方（fāng）面均处于劣势，导（dǎo）致三大卫星通（tōng）信公（gōng）司（sī）先（xiān）后经历了破产重组。虽然三（sān）个星座最终都起死回生，但占据的无线通信（xìn）市场份额远小于蜂窝（wō）网络（luò），2015年三（sān）大星座的用户总数才达到380万，而同时期全球蜂窝移动用户数（shù）量为73亿（yì）。

　　与第一（yī）代低轨星座以话（huà）音服务为主不同，OneWeb、StarLink等新兴低轨星（xīng）座主要提供卫星（xīng）宽带服务，但其瞄准的消费者宽带市（shì）场面临光（guāng）纤到户（FTTH）、蜂窝宽带等（děng）地面（miàn）网（wǎng）络（luò）的竞争（如图1）。其中，光纤到户的优势是通信（xìn）容量大，劣势是在偏远（yuǎn）地区铺设（shè）成（chéng）本较高；蜂窝宽带通过基站（zhàn）的无线信号（hào）实现宽带接入，通（tōng）信（xìn）容量（liàng）一般低于光纤，优（yōu）点（diǎn）是最后一公里无需铺设（shè）线缆。低（dī）轨星（xīng）座天然具备全球覆盖的优势，且接入（rù）成本（běn）与（yǔ）地（dì）域是否偏远无关，但其（qí）能否赢（yíng）得与（yǔ）地面网络的（de）竞争仍属未（wèi）知，下面从（cóng）建设费（fèi）用、容量密度两方面展开分析。

图 1 卫星宽带、光（guāng）纤（xiān）到户与蜂窝宽带示意（yì）图（tú）1.1 建设费用比较

　　宽带网络每条用户线路的建设费用（yòng）等于户均（jun1）覆盖费用与户（hù）均连接费用之和（hé）。户均覆盖（gài）费（fèi）用等于网络建设费用（yòng）除以用户数，因此在用户密度越高的地区其值越低。户均连接费用等于用户终端费用（yòng）与安装费用之（zhī）和，在用（yòng）户首次开通服务时产生。

　　根据美国光（guāng）纤（xiān）宽带协会的（de）研究，2019年美国光纤到户的户均（jun1）建设（shè）费（fèi）用在密集城（chéng）区、一（yī）般城（chéng）区、郊区、农村分（fèn）别为1218、1863、2737、4206美元（如图2）。StarLink星座单星（xīng）制造发射成本约153万美元，单星（xīng）容量约（yuē）21Gbps。低轨星座天然具有全球覆盖特性，然而地球表面70%以（yǐ）上（shàng）为海洋和荒野，根据地表人口分布估（gū）算其容量利用（yòng）效率约25.1%，单（dān）星有效容（róng）量约5.36 Gbps。如（rú）果给每个（gè）宽带用（yòng）户分（fèn）配10Mbps容量，那（nà）么StarLink单星（xīng）可服务约536个（gè）用（yòng）户（hù），户均覆盖费用（yòng）为2854美元。假设低轨星座用户终（zhōng）端费用加安装费用为（wéi）550美元，则StarLink卫星宽（kuān）带户（hù）均总费用为3404美（měi）元。类似可测（cè）算出OneWeb和蜂窝宽（kuān）带的户均费用（如表1），其中蜂窝宽带采用（yòng）了华为公司的测算（suàn）结果。

表 1 OneWeb、StarLink与蜂窝宽带户均建设费用测算

图（tú） 2 蜂窝（wō）宽带、光（guāng）纤（xiān）到户与StarLink宽带户均建设费用对比（bǐ）

　　对比可知，在密（mì）集（jí）城区、一般城区和郊（jiāo）区，StarLink卫星宽带的户均建设费用高于光纤，但在农村地区（qū）比（bǐ）光纤便宜，因此非常适（shì）合北美、澳洲等（děng）地的农村地区。而OneWeb的户均（jun1）建设费用（yòng）约16000美元，与StarLink相（xiàng）比不具竞争力。此外（wài），蜂窝宽带的户均建设（shè）费用仅为358美元，远远低（dī）于卫星宽带，但是蜂窝宽带依赖光纤（xiān）进行回传，因此适合作为连接最后一（yī）公里的辅助手段。根（gēn）据建设（shè）费用（yòng）进行（háng）分析，低轨星座的（de）宽带（dài）服务主（zhǔ）要适合北美、澳洲等地的农村地（dì）区。

　　1.2 容量密（mì）度比（bǐ）较　

　　对于（yú）蜂窝宽带（dài）、卫星宽带等无线通信系统而言（yán），容量（liàng）密度（dù）是衡量系统性（xìng）能（néng）的重要维（wéi）度之一。容量密（mì）度等于（yú）区域传输（shū）容（róng）量除以区域面积，决定了无线系统在单位面积（jī）内能（néng）够实现的并发传输容量。与蜂窝（wō）基站的多波束空分复用技术相类似，StarLink等低轨星座也采用多点（diǎn）波束对地球表（biǎo）面进行（háng）覆（fù）盖（如图3），两者的容量密度可用单（dān）波束（shù）容量除以单波束面积进行估算（如表2）。

　　图 3 卫星（xīng）波（bō）束（shù）与蜂（fēng）窝（wō）基（jī）站覆（fù）盖方（fāng）式对比

　　表 2 卫星宽（kuān）带与5G容量密度（dù）比（bǐ）较

　　从表2估算结果（guǒ）可知，StarLink的容量密度（dù）为2 Mbps/km2，比5G系统所能实（shí）现的540 Gbps/km2低5个数量级。两者的差距主要由两方面原因造成：

　　1）低轨星座的（de）频谱效率低（dī）于5G系（xì）统。地（dì）面（miàn）蜂窝（wō）基（jī）站高度约30 m，而StarLink等低轨星（xīng）座轨道高（gāo）度在550 km～1200 km，这导致低轨星座的路径损耗比蜂窝基站高50 dB以上。蜂窝基站在用户采（cǎi）用手机尺寸的接收（shōu）机时，一般能获得6 bps/Hz以上的频谱效（xiào）率；而（ér）StarLink等低轨星座由于更高的路径损耗，即（jí）使（shǐ）采用孔径（jìng）约75 cm的接收天（tiān）线，频（pín）谱（pǔ）效（xiào）率也只有（yǒu）2.5 bps/Hz左（zuǒ）右。

　　2）低轨星座的单波束面积远（yuǎn）大（dà）于5G系统（tǒng）。StarLink卫星在1 200 km的高度向地面投（tóu）射的单波束直径约60 km，面积约（yuē）2800 km2；OneWeb卫星采用（yòng）固定的狭（xiá）长椭圆波束，其波束面积约为75000 km2。蜂窝基站由于高度很（hěn）低，其（qí）波束覆盖范围较小，例（lì）如在城市地区1km2内安装三个5G基站，每个（gè）基站通过天线（xiàn）阵列产生15个波（bō）束，则每个波束的覆盖范（fàn）围（wéi）约1/45km2。低（dī）轨星座的容量密度较低，导致其（qí）难以满足城镇地区的传输需求，而更适合农村地区（qū）。世界主要城市的人口密度普遍（biàn）在1000人/km2以上，假设平均每（měi）个用户（hù）需要（yào）10 Mbps容量，那么需（xū）要的容量密（mì）度在10Gbps/km2上。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（mǎn）足城市地（dì）区（qū）容量（liàng）密度需求，而低轨星座宽带则（zé）存（cún）在巨（jù）大（dà）差距（jù）。因（yīn）此，低（dī）轨星座宽带主要适用于人（rén）口密（mì）度较低的农村地（dì）区。 

　　2 与地球（qiú）静（jìng）止轨（guǐ）道（dào）卫星的竞争

　　Starlink等新兴低轨星座属于非地球静止轨（guǐ）道（dào）高通量卫星（xīng）（Non-GEO HTS）的（de）范畴，还面临GEO-HTS的（de）竞（jìng）争。低（dī）轨星座和（hé）GEO-HTS都采用（yòng）了（le）高通量卫星（HTS）技术，该技术（shù）通（tōng）过多点波（bō）束和频率复用，单星（xīng）容量（liàng）比（bǐ）传统宽波（bō）束（shù）卫（wèi）星提升数十甚（shèn）至数百倍（如图4）。

　　图 4 HTS系统与（yǔ）传统卫（wèi）星系（xì）统对比

　　低轨星座与（yǔ）GEO-HTS代表实现高容量（liàng）卫星宽带的（de）两种思（sī）路（lù）：低（dī）轨星座通过（guò）成百数（shù）千颗小（xiǎo）卫（wèi）星实现整（zhěng）个星座的高容量（liàng），GEO-HTS通（tōng）过单颗大（dà）卫星构造（zào）成百数千个点（diǎn）波束实（shí）现高容量。受惠于比（bǐ）高轨卫（wèi）星更低的路径损（sǔn）耗，低轨卫（wèi）星能够获得更高的频（pín）谱效率，例如低轨卫（wèi）星StarLink频谱效率约（yuē）2.7 bps/Hz，GEO-HTS卫星ViaSat-3约1.1 bps/Hz。但低轨（guǐ）星座通常采用轻量级卫星（xīng），其波（bō）束数目和单星容量（liàng）远比（bǐ）GEO-HTS低（如表3）。

　　表 3 不同卫星波束参数对（duì）比

　　低轨星座与（yǔ）GEO-HTS都能实现全（quán）球覆盖，但是（shì）在传（chuán）输时延、路径损耗（hào）、入轨成本、卫星寿命等方面各有优劣（如表 4），下面从单位容量（liàng）成本、地面终端配置（zhì）、传输时（shí）延、落地监管等（děng）方面（miàn）进（jìn）行（háng）重（chóng）点分析（xī）。

　　表 4 GEO-HTS和（hé）低轨星座优劣势比较

　　2.1 单位容量成本（běn）

　　卫星通信系统（tǒng）的单（dān）位容量成本，等于卫星星座制造发射总成本除以系统（tǒng）有效（xiào）容量。制造发射成本方（fāng）面，低轨星座（zuò）采用模块（kuài）化、批（pī）量化（huà）生产降低制造成本，并采用“一箭多星（xīng）”发射技（jì）术大幅降低发射成本（běn）。根据公（gōng）开（kāi）数（shù）据对（duì）制造发射总成本（běn）进行估算，预计OneWeb第一期720颗卫星耗费24.2亿美元，StarLink第一期4425颗卫星耗（hào）费68亿美（měi）元；GEO-HTS卫星ViaSat-3三颗卫（wèi）星（xīng）制造（zào）发（fā）射总成本（běn）约（yuē）15亿美元。　　

　　系统（tǒng）有效容（róng）量取（qǔ）决于（yú）系统总（zǒng）容量和利用效（xiào）率。低轨星座OneWeb和（hé）StarLink的系统总容量分别约为（wéi）7.2 Tbps和94 Tbps，但低轨星座所（suǒ）有卫星（xīng）都围绕地（dì）球（qiú）旋转（zhuǎn），而地球（qiú）表面70%以上的面积是海洋和荒野，因此，低（dī）轨星（xīng）座的容量（liàng）利用效率较低。根据（jù）地表人口分布（bù）模型估算，OneWeb和StarLink的容量利用（yòng）效率分别约为（wéi）21.7%和（hé）25.1%，因此，其星座有效容量分别约为（wéi）1.56 Tbps和（hé）23.7 Tbps。GEO卫星相（xiàng）对于地表静止，可以将容量投送到地面（miàn）指定（dìng）区域，卫星容量（liàng）利用效率可达（dá）60%，因（yīn）此预计ViaSat-3三（sān）颗卫星总的有（yǒu）效容量（liàng）为1.8 Tbps。

　　根据星座制造发射总（zǒng）成本和（hé）有效容量（liàng），可得OneWeb、StarLink和ViaSat-3的（de）单位容量成本分别约为1 550 $/Mbps、287 $/Mbps和833 $/Mbps；考虑卫星寿命之后，三者（zhě）的单位容量月度（dù）成本（běn）分别约为（wéi）25.9 $/Mbps、4.8 $/Mbps和4.6 $/Mbps/Mon（如表 5）。可见低轨星座StarLink的（de）单位（wèi）容量（liàng）成本（běn）比GEO-HTS卫星ViaSat-3更低，但考虑（lǜ）到卫星寿命的区别后（hòu）两（liǎng）者的单位容量月度成本（běn）基本相当。

　　表 5 低轨星座（zuò）和（hé）GEO-HTS单位（wèi）容量（liàng）成本测算

　　2.2 地（dì）面终（zhōng）端配置

　　低（dī）轨卫星至地面用户的传输（shū）距离远（yuǎn）小于GEO-HTS，在路径（jìng）损耗（hào）方面具备约30 dB的优势（如表（biǎo）6）。但GEO-HTS采用的大（dà）卫星平台（tái）支（zhī）持更大（dà）的发射功率（lǜ），可以部分弥补其路径损耗（hào）。例（lì）如（rú），ViaSat-1卫星的（de）等效全向辐射功率（EIRP）比StarLink卫星（xīng）高24 dB，在采用增益与系统噪声（shēng）温度比（bǐ）（G/T）值同（tóng）为（wéi）12 dB/K左（zuǒ）右的用户终端时，ViaSat-1用户接收机（jī）的载波（bō）噪（zào）声比（C/N）比（bǐ）StarLink低7 dB，因此（cǐ），其频（pín）谱效率更低。换言之，低轨卫星在（zài）地表的信（xìn）号强度比（bǐ）GEO-HTS约高7 dB，若要实现相（xiàng）同的频谱效率，其用户（hù）终端天（tiān）线孔径（jìng）约为GEO-HTS的一半。表 6 低轨星座和GEO-HTS用户下行链路预算注：未查到ViaSat-3卫星的（de）链路预算资（zī）料，用ViaSat-1卫星的进行估计（jì）。　

　　表 6 低轨（guǐ）星座和GEO-HTS用户（hù）下行链路（lù）预算

　　虽然（rán）低轨星座支（zhī）持更小孔径（jìng）的用户终端，但由于（yú）低轨卫星相对于地球表面高速运动，对用户终端的波（bō）束跟踪性能要求（qiú）更高。GEO-HTS相对地面静止，地面固定终端可以使用静态抛物面天（tiān）线，船载（zǎi）低速移动终端可以使用机械调向抛物面天线（xiàn），机载高速移动终端需要使用相控阵平板天（tiān）线；低轨卫（wèi）星相（xiàng）对地面高速运（yùn）动，卫星过顶时（shí）间在20 min以内（nèi），因此，其地面固定终端也必须使用平板天（tiān）线。但（dàn）是目前平板（bǎn）天线（xiàn）价（jià）格普（pǔ）遍在1 000美元以上，远高于50美元左右的抛物（wù）面天（tiān）线（xiàn），因（yīn）此（cǐ），在卫星互联网接入需（xū）求（qiú）最大的消费者宽（kuān）带领域，低（dī）轨星座（zuò）的竞争力极（jí）大（dà）依赖于低成本平板天线的研（yán）发进（jìn）度。公（gōng）开（kāi）资料显示，StarLink用户终端采用了机械调向（xiàng）的平板天线，直径约48 cm，但其（qí）价（jià）格和（hé）性能能否与GEO-HTS的抛物面天线竞争仍有待观察。2.3 传输时延（yán）　　

　　卫星宽带传（chuán）输链路由“数（shù）据中（zhōng）心→卫星→用户”的前向链路和“用户→卫（wèi）星→数据中心”的反向（xiàng）链路构成。GEO-HTS传输往返时延的理论最低值为477 ms，加上（shàng）数（shù）据处理时（shí）延等因素之后，实际往返（fǎn）时延约600 ms。OneWeb、StarLink等低轨卫星轨道（dào）高度约为GEO-HTS的1/30，因此，其（qí）往返时延有（yǒu）望控制在30 ms以内，接近（jìn）地面光（guāng）纤网络（luò）的水平。

　　然而，低轨星座（zuò）的低（dī）时延优势在消（xiāo）费（fèi）者宽带市（shì）场的价值（zhí）有限（xiàn）：

　　1）目前大部分宽带应用（yòng）对（duì）时延并不（bú）敏感，GEO-HTS系统采用TCP应（yīng）答（dá）削减、报头（tóu）压（yā）缩、应用层加速等（děng）技术（shù）手段（duàn）之后（hòu），同样能（néng）够满（mǎn）足网（wǎng）页浏览、视（shì）频（pín）直播、音视频通话（huà）等（děng）宽带（dài）应用的需求；

　　2）对于网络游戏、金（jīn）融交易（yì）、虚拟现实等（děng）时延敏感业务，低轨星座（zuò）确实优于GEO-HTS，但这些业务（wù）也是地面光纤和5G的优势领域；

　　3）低（dī）时延（yán）主要是发（fā）达地区的需求，而卫星宽带（dài）主要面向缺乏地面网络覆盖的偏远（yuǎn）地区（qū），偏远地区为（wéi）低时（shí）延支付（fù）额外费用的意愿有（yǒu）限。

　　2.4 落地（dì）监管

　　GEO-HTS的波束覆盖范围可以预（yù）先设（shè）定，但是低轨星（xīng）座（zuò）天然具有全球（qiú）无缝覆（fù）盖的特点，如（rú）果只限于服务（wù）少数国家或地（dì）区将造成巨（jù）大的容量（liàng）浪（làng）费。前文在假设可（kě）以（yǐ）获准进入全球（qiú）市场的情（qíng）况（kuàng）下，分析得（dé）出StarLink星（xīng）座的（de）有效（xiào）容量（liàng）为23.7 Tbps，单位容量月度成（chéng）本为4.8 $/Mbps。假设StarLink获准进入（rù）的全球（qiú）市场（chǎng）比例（lì）为α，那么其（qí）有效容量（liàng）将（jiāng）变为23.7αTbps，单（dān）位容量月度成本将变为4.8/α $/Mbps（如图 5）。由（yóu）此可（kě）见，全（quán）球市场（chǎng）准入比例对于低（dī）轨星座的单位容量成本影响巨大，如果准（zhǔn）入（rù）比例（lì）过低将显著推高其单位容量成本。

　　实（shí）际上，世界（jiè）各国的（de）基础电信运营均受一定（dìng）程度（dù）的监管，在（zài）目前贸易保护（hù）主义盛行的国际形势（shì）下，外国卫（wèi）星宽带（dài）在他国（guó）落（luò）地面临更大困（kùn）难（nán）。例如，2019年8月OneWeb向俄罗斯申请无线电频率，但未获批准。因此（cǐ），全球落（luò）地监管是低轨星（xīng）座面临的另一个严峻挑（tiāo）战。

　　图 5 StarLink在不同全球市场准入比例下的单位容量月度（dù）成（chéng）本

　　3 发展前景分析（xī）

　　低轨星（xīng）座（zuò）面临（lín）光纤宽带、蜂窝宽带等地面网络，以及GEO-HTS的（de）多重竞争，在建（jiàn）设费用、容量密度、地面终（zhōng）端配置、传输时延（yán）等方面（miàn）各有（yǒu）优（yōu）劣，这决（jué）定它们具有不同的适用领域，同（tóng）时也决定了低（dī）轨星（xīng）座（zuò）的潜在市场容量和发展前（qián）景。

　　3.1 卫星宽带的市场容量上（shàng）限

　　与蜂窝宽带（dài）相比，卫星宽带的（de）户（hù）均覆（fù）盖费用、用（yòng）户终端费用、频谱效率、容量密度等方面均有（yǒu）劣势，因（yīn）此卫（wèi）星宽带的潜在市场是缺乏蜂窝覆盖的（de）地区。Greg Wyler在创立O3b和OneWeb的过程中，始终以通过（guò）卫星“连接未（wèi）连接者”为使命。然而，过（guò）去十年中3G/4G蜂窝网络在提（tí）供宽（kuān）带连接方面更有成（chéng）效（如图6）。在OneWeb成立的2012年，未被3G信号覆（fù）盖的人（rén）口约34亿，意味（wèi）着全球至少有34亿人缺乏接入宽（kuān）带的机会（huì），这也（yě）正是Greg Wyler创（chuàng）立O3b公司（sī）时（shí）试图（tú）连接的（de）“另外（wài）30亿人”。到OneWeb、StarLink等低轨星座（zuò）开始发射卫星的2019年（nián），虽然只有53%的人口使用互联网，但93%的人口已（yǐ）被3G以上信号覆盖、82%的人口已（yǐ）被4G信号覆盖。换言之，真正（zhèng）由（yóu）于（yú）无法连接而不能（néng）使用互（hù）联网的人口占比（bǐ）不足7%，总（zǒng）数约（yuē）5亿（yì）。此外，根据（jù）咨询公司NSR的估计，2019年全球卫星宽（kuān）带的潜在用户数为4.33亿，目前卫星宽带（dài）在这部分人（rén）群中渗（shèn）透率约0.63%。因（yīn）此，目前全球卫（wèi）星宽带（dài）市场（chǎng）容量（liàng）上限约（yuē）4亿用户。

　　图 6 2007-2019全球蜂窝网络覆盖情（qíng）况（kuàng）

　　3.2 低（dī）轨星座民（mín）用市场前景

　　虽（suī）然全球卫星宽带的（de）潜在用户数只（zhī）有4亿（yì）左右，但对于卫星宽带而（ér）言已经足够。例（lì）如（rú），OneWeb、StarLink和ViaSat-3三个星座有（yǒu）效容（róng）量分别为1.56 Tbps、23.7 Tbps、1.8 Tbps左右，按照人（rén）均10 Mbps的（de）标准，支持的用户（hù）数上限（xiàn）分别为15.6万、237万、18万。因此，虽然（rán）面临（lín）光纤到户、蜂窝宽带等地面（miàn）网络（luò）的挤压，卫星宽带仍然具有可观的（de）市场空间，关键在于（yú）其性（xìng）能和价格是否符合市场需求。

　　在综合成本方面，低轨星座相比（bǐ）于GEO-HTS处于劣势。首先（xiān），单位容量（liàng）月度成本方面（见表5），StarLink等低轨星座处于价格劣势，进一步考虑（lǜ）落地监管的因素（见（jiàn）图5），StarLink等（děng）低轨星座的价格劣势可能（néng）会更严重；其次（cì），在消费者宽带市场，低轨星座地面终（zhōng）端所依赖的相控阵（zhèn）平板（bǎn）天线（xiàn）的价格，目前远（yuǎn）高于GEO-HTS所依赖的抛物面（miàn）天线，因（yīn）此（cǐ），低轨星座在（zài）综（zōng）合（hé）成本方面处于劣（liè）势，导致其市场（chǎng）竞争力低于GEO-HTS。例如，根据（jù）咨询（xún）公司NSR对全球HTS容量和服务总营收（shōu）的（de）预测（如（rú）图7），2018—2028年（nián）全（quán）球Non-GEO HTS的累计营收不足GEO-HTS的四分之（zhī）一。

　　图 7 NSR对全（quán）球高通量卫星营收的预测

　　另（lìng）一（yī）方面（miàn），政府（fǔ）补贴（tiē）可能（néng）会扭转（zhuǎn）低轨（guǐ）星座的（de）成本劣势。美国联邦（bāng）通信委员（yuán）会成立了总额204亿美元的“农（nóng）村数字机遇基金”，将（jiāng）在2020—2030年资助美国农村（cūn）地区的宽带建（jiàn）设，有（yǒu）可能将时（shí）延低于100 ms的低轨卫星宽带纳入补贴范围，而将GEO-HTS排除在外（wài）。政府补贴有可（kě）能扭转低轨（guǐ）星座的成本劣势。例如，计划发（fā）射（shè）Jupiter-3的休斯公司和ViaSat-3的（de）卫讯公司，曾经一致认为（wéi）GEO-HTS比（bǐ）低轨星座更具竞（jìng）争优势，但也承认政府补贴将使（shǐ）低轨星座同（tóng）样有（yǒu）利可（kě）图。为了（le）争取政府补贴（tiē），休斯公司已经向OneWeb注资5 000万美元，卫（wèi）讯公（gōng）司（sī）则申请建设（shè）一个288颗（kē）卫（wèi）星的低轨星座。

　　3.3 低轨星座军事应用前景（jǐng）

　　在民用领域，低轨星座只是地面网络的补充；在军事领域，低轨星（xīng）座凭借其优良的全球覆盖特性、低传（chuán）输时延、高抗毁（huǐ）性、支持小孔径接收天线等（děng）优势，具有（yǒu）广阔的（de）应用前景。美国一直将商（shāng）业通信卫星作为（wéi）其军（jun1）用卫星能力的重要补充：截止2018年底（dǐ），美国国防（fáng）信息系统（tǒng）局管辖的商（shāng）业卫星通信服务（wù）采购总额高达45亿美元；2019年美国军队采购的商业卫星容量为40 Gbps，相当于其军用卫星容量的（de）70%。

　　由于与军事需求高（gāo）度（dù）匹配，StarLink等（děng）新兴（xìng）商业低轨星座已经引起美国军方的高度重视。美国空军研（yán）究实验室2017年（nián）启动（dòng）了“商业天（tiān）基（jī）互联网军用（yòng）实验”项目，旨在利用新兴商业低轨星座（zuò）为空（kōng）军构建全球（qiú）覆盖的（de）高可用性、高弹性、大带（dài）宽、低时延的通信基础设施，并（bìng）于（yú）2019年3月向（xiàng）SpaceX公司授予价值2800万美元的合同，开（kāi）展StarLink星（xīng）座军（jun1）用演示（shì）验证。此外，美国国（guó）防高级（jí）研究计划局2018年发起（qǐ）了“黑（hēi）杰（jié）克”项目，旨在利用商业低轨（guǐ）星座的技术积累（lèi）和成果，发（fā）展搭载（zǎi）导弹探测（cè）、导航授时、军事（shì）通（tōng）信等多种任务载荷的军（jun1）用低轨星（xīng）座；军（jun1）用星座将部署在商业低轨星座附近，并与其（qí）建立星间链路（lù）以（yǐ）利用其全球宽带传输（shū）能力。因此，StarLink等低轨星座有（yǒu）可能（néng）成为美国的（de）关键军事基础设施，来自军事应（yīng）用的收入（rù）将为其提供重要支撑。

　　结 语

　　受益（yì）于火箭重复（fù）利用、一箭多星发射、规模化卫星制造、高通量卫星等技术的巨大进（jìn）步（bù），低轨卫星通信星座迎来了新一轮发展浪潮。虽然低轨（guǐ）卫星的制（zhì）造发射成（chéng）本已经显著降低，但是在城镇地区卫星宽带户均建设费用（yòng）仍然高于（yú）光纤（xiān）到户，仅在农村地区才有可能比光纤便宜（yí）。与地面蜂窝网络相比（bǐ），卫星（xīng）宽带的频谱效率较低、波束面积极（jí）大，导致其容量密度极（jí）低，无（wú）法（fǎ）满足城镇地（dì）区的容量需（xū）求。地面蜂窝网络不断拓展，目前全（quán）球93%人口已被3G以上网络覆盖，因此全球卫星宽带市（shì）场容量上限约4亿用户。在有限的卫（wèi）星宽带市场（chǎng）内（nèi），低轨星座面临GEO-HTS的竞争，二者在单位（wèi）容量（liàng）成本（běn）、地面（miàn）终端配置、传输时（shí）延、落地监管等（děng）方面各有优劣。在消费者宽带（dài）市场，缺（quē）乏低成本（běn）平板天线使（shǐ）得（dé）低轨（guǐ）星座处于劣（liè）势，但（dàn）低时延优势使得低轨星座有可能获取（qǔ）美国政（zhèng）府的宽带补（bǔ）贴，将有可能扭转其（qí）成本劣势。在军事应用市场，StarLink等低轨星座凭借其全球覆盖、传输时延（yán）低、抗毁性强等优势，有可（kě）能成为美国军事领域的关键基础设（shè）施，具备（bèi）广阔（kuò）的发（fā）展空（kōng）间（jiān）。

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