一、衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)基本定義
定義：衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)是通過(guò)衛(wèi)星進(jìn)行全球聯(lián)網(wǎng)的一套通信系統(tǒng)，通過(guò)一定數(shù)量的衛(wèi)星，向地面、空中、海上用戶提供寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)。衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)通常需要三大部件：衛(wèi)星、地面站（通常作為網(wǎng)關(guān)）、用戶終端。衛(wèi)星上網(wǎng)通信可以分為雙通道通信和單通道僅接收通信。
發(fā)展趨勢(shì)：衛(wèi)星通信從1960s開始發(fā)展，從模擬衛(wèi)星發(fā)展到數(shù)字衛(wèi)星，從窄帶發(fā)展到寬帶、高通量衛(wèi)星。目前的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)主要是指利用地球低軌道衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)的低軌寬帶
衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)。
二、衛(wèi)星按軌道高度可分為3類
從衛(wèi)星軌道高度來(lái)說(shuō)有高軌同步衛(wèi)星、中軌衛(wèi)星、低軌衛(wèi)星等。高軌衛(wèi)星和低軌衛(wèi)星存在互補(bǔ)關(guān)系和競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系?；パa(bǔ)關(guān)系：地球靜止軌道衛(wèi)星和地球自轉(zhuǎn)同步，只對(duì)某一固定區(qū)域服務(wù)，低軌衛(wèi)星對(duì)地面的覆蓋是移動(dòng)的，是高軌衛(wèi)星的補(bǔ)充。競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系：低軌衛(wèi)星傳輸時(shí)間低、路徑損耗少、衛(wèi)星終端體積小、成本低、系統(tǒng)容量大，在衛(wèi)星通信方面具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。
三、衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的較高確定性
衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展對(duì)國(guó)家安全具有重要意義。衛(wèi)星和頻段是稀缺的不可再生資源，申請(qǐng)并發(fā)射衛(wèi)星具有重要戰(zhàn)略意義。從通信技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)通信也是必經(jīng)之路。
1.國(guó)家安全
國(guó)家外部安全：星盾計(jì)劃、俄烏戰(zhàn)爭(zhēng)等凸顯衛(wèi)星通信對(duì)于國(guó)家外部安全的重要意義。Starlink在俄烏戰(zhàn)爭(zhēng)中成為了烏方重要的通信方式；SpaceX在22年提出“星盾計(jì)劃”，為美國(guó)防務(wù)部服務(wù)。國(guó)家內(nèi)部安全：《“十四五”國(guó)家應(yīng)急體系規(guī)劃》要求發(fā)展應(yīng)急管理與指揮調(diào)度平臺(tái)、應(yīng)急通信產(chǎn)品等新型應(yīng)急指揮通信和感知產(chǎn)品。衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展為應(yīng)急通信提供保障，在發(fā)生地震、海嘯等自然災(zāi)害時(shí)幾乎是唯一的通信方式。
2.資源稀缺國(guó)際電聯(lián)（ITU）無(wú)線電規(guī)則中規(guī)定，近地衛(wèi)星軌道和頻率均采取“先登先得”原則，并且后來(lái)者在軌道和頻段上要規(guī)避已發(fā)射的衛(wèi)星。低軌衛(wèi)星軌道資源和頻譜資源是不可再生資源，相較于高軌衛(wèi)星軌道，近地軌道資源十分有限，且C、Ku、Ka等黃金頻段資源日漸擁擠，因此我國(guó)向ITU申請(qǐng)衛(wèi)星的頻譜資源和軌道資源具有一定的緊迫性。
3.技術(shù)發(fā)展
全球蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)僅覆蓋了20%的陸地面積、6%的地表面積，航空、遠(yuǎn)洋、漁業(yè)、石油、環(huán)境監(jiān)測(cè)、戶外越野、軍事等特殊區(qū)域的通信需求依靠衛(wèi)星通信滿足。農(nóng)村：農(nóng)村地區(qū)建設(shè)蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的電力、塔架和土建工程等部署成本高出城市約三分之一，鋪設(shè)用于回程的光纖回程成本翻了一番以上，并且由于距離遠(yuǎn)，微波傳輸也通常不可行。全球只有75%的農(nóng)村人口接入4G網(wǎng)絡(luò)，其中88%處于3G覆蓋范圍內(nèi)，12%仍然使用30多年前推出的2G網(wǎng)絡(luò)。島嶼：菲律賓群島、印度尼西亞分別有約2000、6000個(gè)島嶼有人居住，在島嶼之間鋪設(shè)海底光纖難以實(shí)現(xiàn)，并且容易因事故或自然事件造成損壞，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)可解決島嶼上通信問(wèn)題。在2G-5G時(shí)期，衛(wèi)星通信的首要需求是全球覆蓋。因此，衛(wèi)星通信以中窄帶、中高軌道衛(wèi)星為主，能夠以較少數(shù)量的衛(wèi)星完成全球覆蓋，完成對(duì)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的補(bǔ)充。此時(shí)的衛(wèi)星通信對(duì)于高速率、低時(shí)延基本沒(méi)有需求，衛(wèi)星通信主要為語(yǔ)言和文本信息服務(wù)。
6G時(shí)代：衛(wèi)星通信是6G的重要組成成分
6G是一個(gè)全域覆蓋的立體網(wǎng)絡(luò)，將涵蓋陸空天海的基礎(chǔ)設(shè)施資源，集高/中/低軌衛(wèi)星系統(tǒng)、平流層平臺(tái)、陸地網(wǎng)絡(luò)和海上船舶通信等于一體，構(gòu)建星地融合網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)自然空間全覆蓋和全球全域的“泛在連接”。6G網(wǎng)絡(luò)把空天地一體化多接入能力作為關(guān)鍵能力，中國(guó)信通院發(fā)布的《6G白皮書》提出全球廣域覆蓋的星地一體化網(wǎng)絡(luò)將是6G網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)，星地融合通信已是目前通信技術(shù)的重要發(fā)展方向。衛(wèi)星通信也是未來(lái)通信的基本環(huán)節(jié)。3GPP（第三代伙伴關(guān)系項(xiàng)目）已開展對(duì)“非地面網(wǎng)絡(luò)（Non Terrestrial Network，NTN）”的研究。NTNR14至R16的研究項(xiàng)目考慮在5G網(wǎng)絡(luò)中集成衛(wèi)星接入業(yè)務(wù)。NTNR20和6GNTN的相關(guān)研究，包括但不限于地面網(wǎng)絡(luò)（Terrestrial Network，TN）與NTN的一體化，以及在5G和5G-AdvancedNTN基礎(chǔ)上進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)頻譜效率提升。因此，我們認(rèn)為低軌衛(wèi)星星座將會(huì)是未來(lái)通信的必要基建。
四、全球主要低軌星座發(fā)展時(shí)間軸
2000年左右低軌寬帶衛(wèi)星星座進(jìn)入高潮。1988年，銥星星座計(jì)劃在摩托羅拉的一個(gè)實(shí)驗(yàn)室成立，2014年OneWeb前身WorldVu衛(wèi)星公司在英國(guó)成立，2014年Starlink商標(biāo)注冊(cè)。
在發(fā)射實(shí)驗(yàn)星后，銥星和OneWeb星座均在5年內(nèi)完成了發(fā)射。銥星在1997年完成了實(shí)驗(yàn)星座的發(fā)射，并在1997-1999的3年時(shí)間內(nèi)完成了衛(wèi)星星座的發(fā)射建立（銥星NEXT在2017-2019的3年時(shí)間完成發(fā)射建立）。OneWeb則在2019年發(fā)射實(shí)驗(yàn)星后，在2020-2023的3年時(shí)間內(nèi)，完成了632顆衛(wèi)星的發(fā)射組網(wǎng)，并開啟商業(yè)服務(wù)。
Starlink依托低成本和小衛(wèi)星優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)OneWeb完成星座發(fā)射了年均900顆以上的發(fā)射節(jié)奏。Starlink在2018年發(fā)射了2顆實(shí)驗(yàn)星“TinTin”后，在2019-2023年6月發(fā)射了4595顆衛(wèi)星進(jìn)入太空，其中還包括86顆二代衛(wèi)星。在2019-2022年間，Starlink年均發(fā)射次數(shù)達(dá)到16.8次，年均發(fā)射顆數(shù)達(dá)到916顆。
五、衛(wèi)星設(shè)計(jì)制造對(duì)比：重量為功能服務(wù)
從衛(wèi)星設(shè)計(jì)制造參數(shù)來(lái)看，衛(wèi)星制造周期持續(xù)縮短、衛(wèi)星功能逐步豐富、天線普遍采用相控陣陣面，由此帶來(lái)了一定的重量提升：
受益于衛(wèi)星小型化、標(biāo)準(zhǔn)化和生產(chǎn)技術(shù)的革新，衛(wèi)星的生產(chǎn)效率得到了巨大的提升。摩托羅拉在1997-1998年銥星發(fā)射高峰期時(shí)，衛(wèi)星生產(chǎn)周期能夠達(dá)到每天4.3顆，到2023年，Starlink可以以每天6顆的速度生產(chǎn)V2mini衛(wèi)星。由此來(lái)看，當(dāng)衛(wèi)星生產(chǎn)周期達(dá)到每天3-4顆時(shí)，便能夠滿足在4年左右建設(shè)千顆規(guī)模衛(wèi)星星座的產(chǎn)能需求。
衛(wèi)星能夠滿足的功能逐步豐富，銥星、Starlink均搭載了星間鏈路以滿足天基通信。此外，銥星NEXT還提供了約50kg的托管載荷，以滿足通信之外的其他附加功能需求，Starlink也計(jì)劃在下一代衛(wèi)星中搭載約25平方米的巨型天線，以滿足和T-mobile提供的“手機(jī)直連衛(wèi)星”服務(wù)。我們預(yù)計(jì)，我國(guó)GW巨型星座可能也將搭載激光星間鏈路以及相控陣天線，以滿足“天網(wǎng)地網(wǎng)”的衛(wèi)星組網(wǎng)需求。
衛(wèi)星功能的增加也增加了需要搭載的硬件設(shè)備，OneWeb和StarlinkV1衛(wèi)星不搭載星間鏈路，衛(wèi)星重量在150-260kg之間，而銥星和StarlinkV2衛(wèi)星分別搭載了微波和激光星間鏈路，重量來(lái)到了680-1250kg之間。由此，我們預(yù)計(jì)在搭載激光星間鏈路和相控陣天線后，我國(guó)GW衛(wèi)星重量可能在800-1000kg左右。
低軌衛(wèi)星進(jìn)入密集發(fā)射期 全球掀起建設(shè)低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)熱潮 
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楊興杰
研究院服務(wù)號(hào)