烟台网站制作公司,网站推广策划思路是什么,个人网站是请人做还是自己编写好,阿里云怎么wordpress最近几年低轨移动通信领域风起云涌#xff0c;Iridium、OneWeb、Boeing、SpaceX 这些商业航天的 独角兽 都先后实施或宣布自己在这一领域雄心勃勃的计划。
通信、导航和遥感是卫星应用领域的三驾马车#xff0c;简称 通导遥。鉴于任务特性#xff0c;通信卫星和导航卫星通常…最近几年低轨移动通信领域风起云涌Iridium、OneWeb、Boeing、SpaceX 这些商业航天的 独角兽 都先后实施或宣布自己在这一领域雄心勃勃的计划。
通信、导航和遥感是卫星应用领域的三驾马车简称 通导遥。鉴于任务特性通信卫星和导航卫星通常运行在中高轨道遥感卫星一般则运行在低地球轨道。自 20 世纪 90 年代以来微小卫星技术迅猛发展性价比逐年攀升通信与导航卫星在低地球轨道Low Earth Orbits, LEO上的应用潜力渐渐被人们挖掘尤其是通信卫星已有成功商业案例。
本文将阐述笔者对国内外低轨卫星通信系统的过去和发展现状的一些看法以及产业展望。 图 1: 低轨通信星座艺术想象图
1 低轨卫星通信系统的过去
20 世纪 80 年代开始掀起的小卫星技术热潮对星座的发展起了巨大的推动作用。早期卫星质量大研制周期长要完成一个星座的部署很困难。在卫星运行寿 命短和可靠性差的情况下没有等到星座部署完成早期发射的卫星就已经不能工作了。在当时的技术和经济条件下小卫星提供了一个较好的解决思路与此同时世界通信市场不断扩大这两方面因素促进了低轨通信星座发展。
20 世纪 90 年代初期低轨通信星座开始盛行最多时有十几个卫星通信星座 计划。这些星座通常被分为三类
大型 LEO 卫星移动电话系统中小型 LEO 卫星移动数据传输系统宽带多媒体通信系统Ka 波段。
根据美国联邦通信委员会的决定小 LEO 系统是非话音非静止轨道卫星在轨道高度较宽的范围内提供低速业务而大 LEO 系统要提供话音、传真、数据和 寻呼业务寻呼包括在低速业务内。
然而低轨通信星座发展并不顺利主要原因在市场竞争和经济因素。由于目前通信密集地区是城市而城市地面蜂窝通信费用很低卫星通信费用高因而竞争不过现有的通信手段。当时名震一时的“铱星系统”Iridium运营商最终应入不敷出宣布破产。目前 ORBCOMM 和“全球星”系统GlobalStar运营正常ORBCOMM 是低成本的数据通信和定位系统而“全球星”主要是满足国防、边远、沙漠地区通信的需要填补了地面通信网的空白。
1.1 ORBCOMM
ORBCOMM 是一个在全球范围内提供双向、窄带的数据传送、数据通信以及定位业务的卫星通信系统。ORBCOMM 设计为 47 颗卫星包括 6 颗备用卫星分布在 7 个轨道面的全球覆盖的星座系统这 7 个轨道面命名为 A、B、C、D、E、F、G。其中 A~D 轨道倾角为 45°高度 800kmE 为赤道轨道高度 975kmF、G 轨道倾角分别为 70° 及 108°高度 820km。ORBCOMM 从 1995 年开始发射试验卫星1998 年底开始提供全球服务。目前在轨服务的卫星共有 29 颗A、B 平面各有 8 颗卫星C、D 轨道各有 6 颗卫星G 轨道 1 颗卫星。ORBCOMM 的每颗卫星不足 50kg是典型的低成本微小卫星。目前该系统已经在交通运输、油气田、水利、环保、渔船以及消防报警等方面发挥重要作用。 图 2: ORBCOMM 星座系统瞬时地面覆盖示意图
1.2 铱星星座Iridium Constellation
“铱星”星座 系统是美国摩托罗拉公司于 1987 年提出的一种利用低轨道星座实现全球个人卫星移动通信的系统它与现有的通信网相结合可以实现全球数字化个人通信。“铱星系统”区别于其他卫星移动通信系统的特点之一是卫星具有星间通信链路能够不依赖地面转接为地球上任意位置的终端提供连接因而系统的性能极为先进、复杂 这导致其投资费用较高。星座的构型为玫瑰星座卫星均匀部署在南北方向 677km 高的 6 条极轨近圆轨道上轨道倾角为 86.4°。每颗卫星载有 3 个 16 波束相控阵天线其投射的多波束在地球表面形成 48 个蜂窝区。每颗卫星拥有 4 条 Ka 频段的星间通信链路两条用于建立同轨道面前后方向卫星的星间链路星间距离 4021-4042km两条用于建立相邻轨道面间卫星的通信链路仅适用于纬度 68° 以下地域星间 距离 2700-4400km。异轨道面间链路的天线可根据加载到卫星上的星历信息进行指向调整波束宽度足以适用纬度控制和卫星位置保持的容差。卫星在轨重量 320kg工作寿命 5~8 年。 图 3: 铱星星座三维构型示意图66 颗工作星
1.3 全球星系统GlobalStar System
“全球星”系统 是美国 Loral 和 Qualcomm高通 公司发起的是目前唯一正式商业运行的语音移动通信系统。卫星系统由 48 颗工作卫星和 12 颗备用卫星组成。最近的一次发射是在 2007 年 10 月 21 日由俄罗斯的运载火箭将四颗备份卫星送入轨道。卫星重约 450kg,预定寿命为 7.5 年。分布在 8 个倾角为 52°的圆轨道上轨道高度 1414km,每个轨道分布 6 颗工作卫星和 1~2 颗备用卫星星座的相位因子为 1。系统主要覆盖南北纬 70° 以内地区。“全球星”系统的每个卫星利用 16 个点波束天线将辐射区划分为 16 个小区以与地面的用户和网关相互收发信息考虑到信息传输的多样性和链路余量问题“全球星”在主要的商业服务区北纬25°~49°满足任何时刻至少两重覆盖的要求而其他地区则只要求保证一重覆盖“全球星”系统的地面覆盖如图4 所示。“全球星”系统的卫星设置弯管式Bent Pipe转发器通过地面建立不在同一卫星覆盖区内的用户的连接因此需要建立较多的网关地球站。 图 4: 全球星星座系统瞬时地面覆盖示意图48 颗星
1.4 其他系统
除上述已经投人运营的卫星通信系统外同时期的还有 ICO, Ellipso 等卫星通信系统计划。ICO 全球通信系统由高度为 10390km 的中轨大型卫星组成共有 12 颗卫星布置于 2 个轨道面每个轨道面 5 颗工作星 1 颗备份星。由于受“铱星系统”的影响投资者缺乏信心1999 年也曾宣布破产重组。
Ellipso 卫星移动通信系统 是由美国移动通信控股公司设计的一种独特的混合轨道星座它由两个规则的子星座即 Borealis 和 Concordia 组成用 17 颗卫星实现人口主要分布区域北半球和南半球的中低讳地区的覆盖比 Iridium 星座和 GlobalStar 星座的卫星数量少得多。在该星座中有 10 颗卫星部署在两条轨道倾角为 116.6° 的椭圆轨道上Borealis近地点高度 520km远地点高度 7846km轨道周期为 3h偏心率为 0.35用以覆盖北半球中高讳度地带另有 7 颗卫星部署在轨道高度为 8063km 赤道圆轨道上Concordia用以覆盖中低讳度地带。
随着数字技术的进步以及人们对高质量的电文、语音、数据和视频通信业务需求的增长美国许多通信经营商纷纷投向宽带多媒体卫星系统已有多家公司获得了 FCCFederal Communications Commission美国通信委员会的许可证。它们都将利用 Ka 波段20~30GHz提供宽带、大容量、多媒体的卫星通信业务典型的静止轨道系统如 Spaceway、Astrolink 等中低轨系统有 SkybridgeTeledesic 等。
Skybridge 星座 由 80 颗低地球圆轨道卫星组成采用 Ka 波段支持高速数据、因特网接人及宽带多媒体技术。Skybridge 星座在设计上有其特殊之处为了避免与同步轨道或其他高轨卫星的频率冲突采用了复合 Walker 星座的构型以“星对”为单元构成整个星座这样当任意一颗卫星与其他卫星发生冲突时采用另外一颗处于安全距离的卫星来替代工作。
Teledesic 是 20 世纪卫星数最多的一个星座计划在计划刚公布时引起了不小的反响。星座最初计划由 840 颗星组成。后来改成了 288 颗卫星构型如下图所示分布于 12 平面每个面 24 颗卫星后又减至 120 颗卫星加 6 颗在轨备份。Teledesic的 星地链路为 Ka 波段每个轨道面上的相邻卫星之间建 有 60GHz 的星际链路Teledesic 采用全星上处理和全星上交换系统设计成一个“空中因特网”。
图 5: Teledesic 星座三维构型示意图228 颗星
2 低轨卫星通信系统发展现状
进入 21 世纪后计算机、微机电、先进制造等行业的快速发展推动了通信技术和微小卫星技术升级换代进而使得卫星通信成本的下降低轨卫星通信星座凸显出广泛的应用前景。2015年前后国内外先后提出多个大规模低轨卫星通信系统知名的诸如Iridium Next、OneWeb、StarLink、鸿雁星座、虹云星座等。其中铱星二代 (Iridium Next在 2019 年 1 月 11 日成功完成最后一组卫星发射并于 2019 年 2 月 6 日宣布完成星座组网正式投入运营SpaceX 公司的 StarLink 于 2018 年 2 月 2 日成功发射两颗试验星 Microsat2-A/B对最终要组建的 12000 颗微小卫星星座信心十足中国航天科工集团于 2018 年 12 月 22 日成功将虹云工程技术验证卫星发射升空卫星进入预定轨道中国航天科技集团于 2018 年 12 月 29 日成功发射鸿雁星座首发星 重庆号并顺利开展了载荷星地通信试验OneWeb 首批 6 星也于 2019 年 2 月 28 日成功由 联盟号运载火箭Soyuz ST-B/Fregat-MT发射入轨拉开了其规模庞大的宽带星座撒网序幕。
2.1 铱星二代Iridium NEXT
铱星通信公司于 2010 年 6 月宣布了其下一代卫星星座 Iridium NEXT 的筹建资金建设和部署计划以取代超期服务的铱星星座。2016 年铱星公司与 SpaceX 签订了 4.92 亿美元的发射合同 一次 10 星一共七次将 70 颗铱星二代系统发射到 LEO 轨道。随后双方补签了第八次 5 星发射合同。2019 年 1 月 11 号随着 SpaceX 成功将最后 10 星发射入轨标志着铱星二代完成组网工作。铱星二代由 81 颗功能相同的卫星组成天基移动通信系统其中 66 颗工作星呈 δ-Walker 星座均匀分布在 6 个轨道面上辅以 6 颗天基备份星和 9 颗地基备份星。
图 6: 铱星二代星座三维构型示意图66 颗工作星 铱星二代卫星重约 860kg最大功耗 2kW发射包络 3.1m x 2.4m x 1.5m设计寿命 10 年任务寿命 15 年。卫星主载荷为 L 波段通信载荷其相控阵天线在地球表面生成 48 个波束形成直径为 4700km 的蜂窝用于提供 1.5Mbps 的星地数据传输服务卫星提供搭载服务可搭载质量不大于 50kg、功耗不大于 50W、空间包络不大于 40 cm x 70 cm x 30 cm、数据量不大于 100 kbps90% 占空比或 1 Mbps10% 占空比的次载荷目前每颗卫星皆携带一个 ADS-B 接收机58 颗星携带了 AIS 接收机用于全球民用客机及船舶监视服务。此外卫星具备星间和星地网关链路星间链路由 4 个 Ka 波段23 GHz通信设备实现前后双星的链路 2 个设备固定指向相邻轨道 2 个设备具备目标姿态指向能力通信速率达 10Mbps星地网关链路由 2 个具备目标姿态指向的 Ka 波段20/30 GHz通信设备实现通信速率达 8Mbps。 表 1: 铱星二代卫星总体指标 铱星二代星座 66 颗工作星和 6 颗备份星皆由 SpaceX 公司的 Falcon-9 v1.2 运载火箭发射卫星首先被送入 625km 的停泊轨道通过测试后变轨进入 780km 的工作轨道。寿命末期卫星再次变轨将其近地点降低至 250km实现主动离轨。由于项目规模庞大铱星二代的总成本达 30 亿美元包括卫星研发、制造和发射相关的所有开销。
2.2 OneWeb
2.2.1 OneWeb 简介
2012 年卫星互联网公司 O3b 创始人 Greg Wyler 成立了 OneWeb 公司致力于实现全球天基实时互联的宽带互联网络系统。O3b 拥有 12 颗位于赤道上方的 MEO距离地面 8000km卫星并成功在系统建成第一年就超额完成了 1 亿美金的财政目标因而 OneWeb 成立之初就被众多太空互联网投资者看好。目前其投资方阵容强大覆盖了软银 SoftBank、高通 Qualcomm、空客防务 Airbus、维珍 Virgin、可口可乐 Coca Cola 等。 图 7: Onweb 创始人 Greg Wyler OneWeb 公司计划建造的 OneWeb 星座设计由 900 颗微小卫星组成其中 720 颗将被发射到倾角为 87.9° 的1200km 高度轨道均匀分布在 18个轨道面 每个轨道面工作星 36 颗辅以 4 颗备份星以提供全球宽带互联网实时连接。 图 8: OneWeb 星座艺术图及其项目特性 OneWeb 卫星重约 150kg设计寿命 5 年发射包络约为 1m x 1m x 1.3m配备两个太阳能电池板采用电推进系统进行轨道机动、构型保持以及主动离轨并使用 Ku 波段通信天线实现用户链路和Ka波段通信天线实现网关链路可提供高仰角、优于 50ms 延时、宽带速率达 50Mps 的互联网接入服务。 图 9: OneWeb 星座空间段特性 图 10: OneWeb 卫星模型 星座的部署分多个批次进行每批卫星首先被发射至 450~475km 的停泊轨道待完成测试后利用电推进系统抬升轨道至 1200km 高度的工作轨道。值得一提的是1200km 高度的轨道空间碎片通量处于 LEO 轨道较低水平因而碰撞风险较小对于设计由 720 颗卫星组成的 OneWeb 星座来说无疑是极其理想的轨道空间 。此外为满足空间碎片协委会机构间空间碎片协调委员会对低轨卫星空间碎片减缓要求的规定当星座接近其预期使用寿命时所有卫星将主动离轨。届时每颗卫星先将轨道高度降低至 1100km再将近地点高度降低至 250km随后利用大气阻力在 5 年内坠毁以确保不产生太空垃圾。 图 11: LEO 编目空间碎片通量统计数据2011年
2.2.2 OneWeb 系统特性
OneWeb 具有众多颠覆传统卫星行业的任务特性一是其实时覆盖性二是其理智的运营策略三是大规模生产和发射部署的革命性举措四是巨大的实施风险。
1). 实时覆盖性与铱星一样OneWeb 采用了极轨道每颗卫星设计了 16 个 Ku 用户波束从而实现了对全球的无缝覆盖使得不论何时身处何处都能接收到 OneWeb 卫星提供的无线信号。由于低轨道卫星的运动速度非常快大概在 7km/s 水平所以用户其实是在不断地更换通讯的卫星通过波束的多重覆盖可以使用户感觉不到这种“漫游”保证通讯等质量。说是这么说效果还要拭目以待全波束覆盖并不能彻底解决跨波束的漫游切换hangover问题。跨波束跨卫星的切换对于卫星来说由于其相对地面运动速度较大终端与节点在三维空间中的随机与可预测运动轨迹与相对速度的快速变化将导致三维角速度快速变化和多普勒频移造成链路捕获与跟踪的困难需要通过接入控制进行链路适配与切换控制支持其链路层协议的识别切换、链路调制。并采用类似于移动 IP 的方法进行移动性管理。此外OneWeb 官方声称通过 Progressive Pitch 技术能逐步改变 LEO 卫星信号发射的方向和电平值因而能有效消除对 GEO 卫星的干扰。然而事实的结果是GEO 的影响还是很难避免的需要 GEO 的卫星降低发生功率所以还有很多需要协调的事情。 图 12: OneWeb 波束覆盖示意 2). 理智的运营策略OneWeb 并没有像铱星一样提供小型化终端的解决方案直接为用户提供移动连接而是与网络运营商合作通过社区进行网络服务的提供这种模式成为 B2B 通讯服务。也就是说OneWeb 是对现有的网络运营商提供在空间覆盖上经济可行的一套解决方案由于其定位准确所以很顺利就拿到了 5 亿美元前期投资。 图 13: OneWeb B2B 通讯服务 OneWeb 主要的应用场景包括a) 应急网络连接全球通讯保障b) 高空高速低延迟宽带网络c) 通过车载终端提供 200 米覆盖的 LTE 网络; d) 偏远地区家庭学校固定网络解决了光纤成本过高的问题e) 乡间无线网络运营。 图 14: 应急网络连接全球通讯保障 图 15: 高空高速低延迟宽带网络 图 16: 通过车载终端提供 200 米覆盖的 LTE 网络 图 17: 偏远地区家庭学校固定网络解决了光纤成本过高的问题 图 18: 乡间无线网络运营 3). 卫星大规模生产发射的革命性举措OneWeb 卫星将精简设计的理念发挥到了极致但是面对后续需要每天生产 3~5 颗卫星每周生产 20 颗卫星的巨大产能要求在航天界还是前所未有的。很多卫星甚至可能在生产出来的当天就被发射升空。如今 OneWeb 最大的合作方 Airbus在图卢兹的工厂已经动工首批 6 颗试验星以完成研制即将发射升空。同时研制高度自动化的机器人生产线单元以及利用人工智能实现对生产流程的优化。 图 19: 图卢兹与佛罗里达工厂关系示意图 同时在佛罗里达的卫星工厂实施计划也提上了日程并与佛州达成了协议。工厂面积包括生产区、检测区、装配区等占地约 14 亩将来的 900 颗卫星就将在这里生产。由于生产流程高度自动化只需要招募 250 名左右的技术人员。 图 20: 佛罗里达工厂示意图 4). 巨大的实施风险 图 21: 航天是高风险行业
发射风险 虽然商业航天现在异常繁荣但是航天毕竟不是过家家很多繁杂的流程看起来虽然耗费人力物力但也是为了保证成功率与安全性。生产风险OneWeb 签约了多家发射公司而且卫星制造时间短测试流程简单所以埋下了很大的安全隐患。至今并没有了解到他们具体的卫星生产流程这么短的研制周期必然会带来很高的风险。而且这么短的时间生产如此之多卫星本身就是一件非常困难多事情如果成功就是里程碑意义的事件。部署与碰撞规避风险OneWeb 卫星首先被发射到 500km 停泊轨道从 500km 使用电推进进入 1200km 工作轨道。期间电推进系统将持续工作很长一段时间对其整体可靠性是极大的挑战。此外在 500km 到 1200km 之间分布着大量的 LEO 卫星和空间碎片这必将大大增加空间撞击事件发生的概率造成双方巨大的损失以及大量二次碎片的产生。且星座的构型决定了 720 颗卫星在两极上方过于密集相相邻卫星相对相位控制范围只有 ±0.25°若不进行频繁的相位保持控制极易发生碰撞。商业风险O3b 提供的网络填补性很明显所以准确的定位使得该项目很成功然而 OneWeb 其实存在要么运营成本过高、要么用户有限的问题。其巨大的规模必然容易和地面网络形成竞争关系这样就有可能因为成本或用户体验而败下阵来。
2.2.3 OneWeb 总结
OneWeb 是一个让人心潮澎湃的伟大工程同时它开创一种卫星全新的生产模式与运营理念。然而其庞大的星座规模也存在巨大的商业风险。
OneWeb 在 2015 年对单星造价的期望值是 50 万美元而近期将单星提高至 100 万美元从成立起至今公司 CEO 已经换了 3 任第四任 CEO Adrian Steckel 也将于今年 9 月走马上任。目前公司虽然获得软银、空客等多家金融巨头的巨额投资但由于单星制造成本比预估翻倍资金已出现巨大缺口且公司后续的融资进展并不明晰原计划的首发时间不断跳票这使得近期外界对这家公司是否最终能完成星座组网、提供全球实时通信网有或多或少的质疑。但公司创始人 Greg Wyler 表示OneWeb 卫星功能强大有很多内置冗余和弹性设计安全性可达到电信运营商应用级别至于成本是 50 万美元还是 100 万美元并不重要。
据最新消息OneWeb 首批 6 颗卫星F6已于北京时间 2019 年 2 月 28 日在法属圭亚那的库鲁航天中心采用联盟号运载火箭Soyuz ST-B/Fregat-MT成功发射至高度约 1200km、倾角约 87.8° 的近地轨道上。那么这个被国内外媒体誉为 看起来最靠谱的空间互联网创业公司 最终是否会实现其 万物一网互联 的宏伟目标让我们拭目以待。
2.3 StarLink
2.3.1 StarLink 简介
除了有殖民火星的远大梦想以外Elon Musk 的 SpaceX 还有一个似乎更加实际的目标从 2019 年开始运营一个由上千颗低轨卫星组成的宽带互联网星座。2016 年初SpaceX 负责卫星政府事务的副总裁 Patricia Cooper 在出席美国参议院商业、科学与技术委员会听证时表示公司将利用自己的猎鹰 9 号可回收火箭在 2019 年到 2024 年的 6 年时间内分别将 4425 颗卫星送到轨道为全球客户提供高速宽带互联网服务。
2016 年 11 月 15 日 SpaceX 向美国联邦通讯委员会FCC提交了一份申请计划发射共计 4425 颗通信卫星并且准备在华盛顿州雷蒙德对卫星通信系统展开地面测试。根据 SpaceX 提交给 FCC 的这份申请SpaceX 的卫星网络将被定名为 The SpaceX non-geostationary orbit (“NGSO”) satellite system (the “SpaceX System”)。根据最新的消息美国专利商标局的申请文件披露了 SpaceX 正式递交了卫星通讯网络的商标申请 “Starlink”。 图 23: StarLink 计划书 图 24: StarLink 商标申请 目前围绕地球运行的现役卫星共有 1400 余颗还有 2600 多颗卫星已经不再工作只是漂浮在太空之中加上这部分已经退役的卫星人类已发射的卫星总数约为 4000 多颗。也就是说SpaceX 计划发射的通信卫星数量将超过人类已发射卫星总数。
2.3.2 StarLink 星座构型
目前StarLink 的建设计划分为两步首先向 1150km 轨道高度发射 1600 颗卫星然后再发射 2825 颗卫星并将它们分别安置在 1110km、1130km、1275km 和 1325km 这四个轨道高度上。第一步发射的 1600 颗卫星轨道倾角为 53°分布于 32 个轨道面每个轨道部署50 颗卫星。第二部发射的 2825 颗卫星其中 1600 颗的轨道高度为 1110km轨道倾角 53.8°分布于 32 个轨道每个轨道部署 50 颗卫星其中 400 颗的轨道高度为 1130km轨道倾角 74°分布于 8 个轨道每个轨道部署 50 颗卫星其中 375 颗的轨道高度为 1275km轨道倾角 81°分布于 5 个轨道每个轨道部署 75 颗卫星剩余 450 颗的轨道高度为 1325km轨道倾角 70°分布于 6 个轨道每个轨道部署 75 颗卫星。
表 2: StarLink 星座构型参数 图 25: StarLink 星座三维构型1600 颗 图 26: StarLink 星座三维构型4425 颗 按照 1150km 的轨道高度计算每一颗卫星大约可覆盖半径为 1060km 的区域覆盖面积大约为 350 万平方公里。 图 27: StarLink Ku 频段波束覆盖示意图
2.3.3 StarLink 卫星配置
SpaceX 计划发射的 StarLink 通信卫星重量约为 386kg发射包络 4m × 1.8m × 1.2m相当于一辆迷你 Cooper 汽车。每颗卫星配备两块太阳能电池阵每块的面积为 12m212 m^212m2 。
表 3: StarLink 卫星基本配置
2.3.4 StarLink 系统特性
SpaceX 的卫星系统将主要被用于为全球个人用户、商业用户、机构用户、政府和专业用户提供各种宽带和通讯服务。SpaceX 初期部署 1600 颗卫星上天后就能提供覆盖全球的宽带服务。一旦完成最终部署Final Deployment系统就能为全球消费者和商业用户提供高带宽最高每用户 1Gbps、低延时的宽带服务。
高速度为全球每一个用户提供 1Gbps 的带宽。据 Akamai 发布的《互联网状态》报告称截至 2015 年底全球互联网平均速度为每用户 5.1Mbps只有 SpaceX 目标的 1/200现在大多数网速较高的互联网服务的网速都是通过地面光缆和光纤连接实现的。高容量SpaceX卫星系统中的每一颗卫星能够为用户们提供的下行容量总和在 17Gbps ~ 23Gbps 之间具体数值取决于用户终端配置。以平均值 20Gbps 来计算首期部署Initial Deployment的 160 0颗卫星将能够提供 32Tbps 的总容量。整个系统的部署时间长达数年SpaceX 将在部署过程中定期改善和升级卫星有可能进一步提升单颗卫星和整个卫星系统的总容量。高适应性整个系统可利用相控阵技术来动态控制资源池专注于需要容量的用户。卫星之间以激光互连这样便于在轨道层面灵活规划数据流。而且卫星集群可以保证频谱能够被不同卫星更高效地再利用从而增强整个系统的灵活性、容量和牢固性。宽带服务系统可以提供最高容量达每用户 1Gbps 的宽带服务。由于系统使用的是低轨道卫星因此可以将延时控制在 25ms 到 35ms 之间。全球覆盖首批 1600 颗卫星部署完成后系统就能为美国和全球提供宽带连网服务整个系统全部部署完成后系统就可以进一步增加容量并覆盖赤道和两极达到真正的全球覆盖。在申请文件附带的技术信息中SpaceX 公司表示将利用 1600 颗卫星开始商业宽带服务在全球的覆盖范围是北纬 15 度到 60 度南纬 15 度到 60 度。阿拉斯加的一些地区将被去除在外因为那里需要 FCC 临时授权。最终该网络的卫星数量将增长到 4425 颗传输频段在 Ku 和 Ka 之间。 图 28: StarLink 频率范围 图 29: StarLink Ka/Ku 波束频率范围低成本SpaceX 在设计这个系统时考虑了成本效率和可靠性。从设计和制造位于太空和地面的各种设备到利用 SpaceX 的发射服务来发射卫星和部署整个系统到部署用户终端以及最终用户的收费标准SpaceX 都考虑到了成本的因素和服务的可靠性。易用性SpaceX 采用的相控阵用户天线设计对用户所用终端的要求很低这些终端很容易安装在墙面或屋顶操作也很简单。这些卫星可以运行 5 到 7 年的时间然后会在退役后的一年内迅速离轨。
2.3.5 StarLink 总结
Elon Musk 的故事大家几乎耳熟能详。一个横跨互联网ZIP2 和 PayPal、电动汽车特斯拉、航天科技SpaceX、太阳能SolarCity等不同行业且都发展得风生水起的商业奇才。但规模比 OneWeb 更大的 StarLink除了在运载方面自家的便宜风险可控性也相对较好具有一定优势之外其融资、频率资源、卫星制造、服务营销、风险抗压等方面都不如 OneWeb。尤其是在融资方面目前尚无外界直接投资的消息资金大都来自 2016 年起 SpaceX 的盈利积累。
不过Elon Musk 是一个颠覆传统规则的 “怪才”且善于利用新事物进行造势而最为让人叹为观止的是他强大的执行能力。早在 2015 年时SpaceX 就开始了 StarLink 相关的测试项目并于 2018 年 3 月 获得 FCC 关于发射 4425 颗卫星的批准2018 年 11 月 15 日又新获批了第二批共 7518 颗卫星的发射计划。至此Starlink 星座的规划卫星总数达到了惊人的 11943 颗。
目前SpaceX 正在美国、波多黎各和美属维尔京群岛等国家和地区寻求运营批准预计在 2019 年年底之前获得运营授权。如果获得批准SpaceX 将在 2020 年部署地球站逐步开展星座的大规模建设和服务运营。
2.4 鸿雁星座
2.4.1 鸿雁星座简介
鸿雁星座 为国内首套全球低轨卫星通信系统该系统包含一个移动通信星座和一个宽带通信星座其中移动通信星座将由数十颗窄带卫星组成宽带通信星座将由数百颗宽带星组成并辅以全球数据业务处理中心。鸿雁星座系统将实现六方面应用移动通信、宽带互联网接入、物联网接入、热点信息推送、导航增强、航空航海监视系统建成后可以在全球范围内实现宽带和窄带相结合的移动通信实现地球上任意地点的人与人、物与物信息互联。
鸿雁星座的建设分为两个阶段一期工程由 60 余颗骨干卫星构成优先提供全球移动通信业务和重点地区的宽带互联网业务二期拓展为 300 余颗补网卫星将宽带业务也拓展至全球以服务200万移动用户、20万宽带用户及近1000万的物联网用户并在导航、航空、航海等领域提供综合服务。即首期的 60 余颗卫星组成的星座被称作“移动通信星座”优先满足打电话的功能更像是美国的“铱星系统”。二期完成后会增加一个“宽带通信星座”解决上网功能。整个星座计划在 2024 年后完成。 图 30: 鸿雁星座宣传海报 - 沟通万物永不失联
2.4.2 鸿雁星座系统功能
鸿雁移动通信星座将集成多项卫星应用功能系统卫星将由中国空间技术研究院通信事业部研制。其卫星数据采集功能可实现大地域信息收集满足海洋、气象、交通、环保、地质、防灾减灾等领域的监测数据信息传送需求并可为大型能源企业、工程企业等提供全球资产状态监管、人员定位、应急救援和通信服务。其卫星数据交换功能可提供全球范围内双向、实时数据传输以及短报文、图片、音频、视频等多媒体数据服务。 图 31: 十二届珠海航展展示的鸿雁移动通信卫星模型 该系统将搭载船舶自动识别系统可在全球范围内接收船舶发送的信息,全面掌握船舶的航行状态、位置、航向等,实现对远海海域航行船舶的监控及渔政管理还将搭载广播式自动相关监视载荷可从外层空间对全球航空目标进行位置跟踪、监视及物流调控,增强飞行安全性及突发事故搜救能力。 图 32: 鸿雁星座应用场景 此外该系统将具备移动广播功能能向全球覆盖区域进行音频、视频、图像等信息广播发送将是实现公共及定制信息一点对多点发送的有效手段其导航增强功能可为北斗导航卫星增强系统提供信息播发通道提高北斗导航卫星定位精度。
2.4.3 鸿雁星座研发历程
2016 年 11 月 01 日中国航天科技集团公司在十一届珠海航展上表示计划 2020 年建成 “鸿雁卫星星座通信系统”。2018 年 07 月 12 日在长沙召开的航空航天航海装备论坛上中国航天科技集团公司表示计划在 2018 年下半年发射星座首颗星预计于 2023 年建设骨干星座系统。2018 年 10 月 24 日中国航天科技集团注册成立控股公司 “东方红卫星移动通信有限公司”计划投资 200 亿 建设与运营鸿雁星座。公司注册资本 20 亿元由中国空间技术研究院副院长王海涛先生任公司法人兼董事长。公司有 11 位股东其中大股东为中国航天科技集团有限公司占股 15%其余 10 位股东分别为国创投资引导基金有限合伙占股 12.5%中国电信集团有限公司占股 12.5%中国空间技术研究院占股 12.5%国新国同浙江投资基金合伙企业有限合伙占股 10%南京熊猫汉达科技有限公司占股 7.5%中国电子进出口有限公司占股 2.5%中国电子信息产业集团有限公司占股 2.5%中国卫通集团股份有限公司中国长城工业集团有限公司国华军民融合产业发展基金有限合伙。公司总部坐落于美丽的山城重庆规划建筑面积 60 万平方米包括公司总部、运营中心、产业基地。公司还将在国内设立北京研发中心及 6 个区域分部在国外设立海外运营中心构建覆盖全球的、完整的产业链条与生态圈。2018 年 11 月 30 日东方红卫星移动通信有限公司揭牌仪式在重庆两江新区举行该公司将负责建设与运营全球低轨卫星移动通信与空间互联网系统提供各种终端产品与服务构建海、陆、空、天一体化新型天地一体化信息网络开展面向全球的智能终端通信、物联网、移动广播、导航增强、航空航海监视、宽带互联网接入等增值服务。2018 年 12 月 29 日“鸿雁”星座首发星 重庆号 在我国酒泉卫星发射中心由长征二号丁运载火箭发射成功并进入预定轨道并顺利开展了载荷星地通信试验。首发星的成功发射标志着“鸿雁”星座的建设全面启动。
2.4.4 鸿雁星座总结
鸿雁星座作为我国在航天领域的又一重大工程将承载起我国首套全球低轨卫星通信系统的历史使命。国家队的大手笔投资为项目提供了资金、政策和技术支撑沟通万物永不失联 在神州大地上即将成真。
2.5 虹云工程
2.5.1 虹云工程简介
虹云工程 是中国航天科工集团五大商业航天工程之一2018 年 3 月 4 日全国政协委员、中国航天科工集团二院院长张忠阳表示预计在 2018 年底前发射并开展低轨宽带通信的演示验证及应用示范。2022 年完成星座部署后虹云工程将可以提供全球无缝覆盖的宽带移动通信服务为各类用户构建“通导遥”一体化的综合信息平台。
2.5.2 虹云工程计划
虹云工程计划发射 156 颗卫星组成一个星载宽带全球移动互联网络每颗卫星重约 500kg设计运行在 1000km 的地球轨道上。卫星采用 Ka 波段通信每颗卫星有 4Gb 带宽的吞吐量。
整个虹云工程被分解为 “14156” 三步。第一步计划在 2018 年前发射第一颗技术验证星实现单星关键技术验证第二步到“十三五”末发射 4 颗业务试验星组建一个小星座让用户进行初步业务体验第三步到“十四五”末实现全部 156 颗卫星组网运行完成业务星座构建。
目前负责项目建设航天科工二院已经向国际电联报备了将要使用的轨道与频段。与鸿雁星座不同的是虹云工程优先向全球用户提供“宽带互联网”服务并计划于 2022 年前后将初步建成。系统以互联网接入为基础功能具备通信、导航和遥感一体化、全球覆盖、系统自主可控的特点以其高速率、低延时等特征为全球用户提供通信、导航增强和遥感信息一体化综合服务。该系统更接近于美国的 StarLink但是初期卫星数量不如 SpaceX 的多。
2.5.3 虹云工程进展
2018 年 03 月 04 日全国政协委员、中国航天科工集团二院院长张忠阳表示虹云工程将在 2018 年实施技术验证星的发射卫星已经进入正样研制阶段。预计 2022 年底具备全面运营条件同年完成星座部署。2018 年 09 月 26 日从中国航天科工集团有限公司第二研究院获悉“虹云工程”技术验证星将在 2018 年底发射并总计将发射 156 颗卫星卫星将在距离地面约 1000km 的轨道上组网运行构建出星载宽带全球移动互联网络。2018 年 12 月 22 日中国在酒泉卫星发射中心用长征十一号运载火箭成功将虹云工程技术验证卫星发射升空卫星进入预定轨道。
2.5.4 虹云工程总结
中国航天科工集团的 5 朵云 作为其在新时代谋求转型的重要战略工程不惜与航天科技集团展开直接竞争。然而其在卫星制造和应用行业的技术和资源积累却远不及中国航天科技集团。眼下虽然虹云工程的首发星抢了头彩但若想在后续发展中继续领先势必要拿出家底、使出看家本领。
3 低轨卫星通信系统产业展望
3.1 机遇与挑战
3.1.1 机遇
市场优势截至 2017 年 6 月全球互联网普及率为 51.7%意味着全球仍有一半的人口未实现互联网连接。这个庞大的数字对于任何一家追求未来发展的卫星通信公司来说都是极具诱惑力的Iridium、ORBCOMM、Oneweb、SpaceX、中国航天集团、 中国航天科工集团 等行业 独角兽 已经有了各自的计划和试验项目。目前在轨运行的卫星中商业通信卫星占据了 38% 的比例2014 年数据通信卫星是卫星应用产业当子无愧的主流。收入方面卫星电视在 2014 年的收入近 950 亿美元而卫星音频是 40 亿美元卫星宽带只有 20 亿美元2014 年数据。可见音频和宽带卫星应用领域存在巨大的市场缺口。 图 33: 通信卫星市场份额2014 年 图 33: 通信卫星市场收入2014 年技术优势相对于地面通信系统低轨卫星通信系统易于快速实现打发范围的全球覆盖适合低人口密度、有限业务量的国家或地区。相对于高轨卫星通信系统低轨卫星通信系统链路传播损耗小更有利于系统为手持终端用户提供服务传输延时小实时性较好采用极轨道或大倾角轨道时可为高纬度地区提供服务可利用多普勒频移进行定位实现导航增强功能星座能够对用户提供多重覆盖具备冗余。行业优势随着世界经济全球化、快速化发展中国的科技实力逐年增强并紧跟国际潮流。未来中国将大力发展物联网、人工智能以及智慧城市等高新科技这些都离不开互联网的支撑。所以低轨卫星通信技术潜在用户基数大用户潜力建设发展低轨通信系统将孵化更多增值产业产业潜力且新事物将推动就业并获得国家及地方政府的支持资本潜力。
3.1.2 挑战
机遇总是与挑战并存低轨卫星通信系统与地面通信系统和高轨通信系统都存在相互竞争的关系尤其是地面移动通信系统即将迎来 5G 时代低轨卫星通信系统在 5G 覆盖区域的用户体验必然处于下风。此外低轨卫星通信系统还存在规模化建设、长期稳定运营和核心技术上的诸多挑战
规模化建设低轨卫星通信系统工程宏大耗时少则数年多则数十年且必须建设完整才能提供实时服务故必然存在空间段和地面段开发及建设滞后的风险。长期稳定运营采用传统运营技术将导致低轨通信系统运营任务繁重必须进行技术创新简化系统运营流程降低星座稳定运营成本。核心技术必须有效解决 星间链路、通信服务连续性、抗衰落通信、网络管理与控制、空间段与地面段匹配与优化 等核心技术。
3.2 核心资源与技术
发展低轨卫星通信系统的核心资源是资金、用户 和 管理。有了充足的资金才具备开展大规模星座建设的能力具备大量用户系统才会实现盈利使得项目持续发展而卓越的项目管则理可提高效率在空间段、地面段和用户段的建设过程中起到事半功倍的效果。
发展低轨卫星通信系统的核心技术是领先的通信技术、规模化制造技术、星座部署与自动化运维技术 以及一切可 切实提高用户服务与体验的附加技术。领先的通信技术即是在 3.1.2 小节 中的 核心技术 中提到的诸多技术规模化制造技术即数十颗、数百颗卫星的批量化研发、生产和制造的技术在此过程中需保证卫星产品性能的一致性和稳定性星座部署与自动化运维技术即空间段建设和智能化运营的相关技术数百颗卫星的部署和运营已经超出国家测控体系的承载能力必须进行技术革新。切实提高用户服务与体验的附加技术基本上属于基于以上硬实力建立的软实力不多加论述。
3.3 成败之关键
发展低轨卫星通信系统成败之关键在于找到自己的优势所在充分挖掘用户需求利用规模化制造和领先的技术优势降低运营成本最终实现系统长期稳定运行持续输出价值。
技术背景纵观国内外低轨卫星通信项目知名的都出自技术背景强大的传统航天企业那些以博人眼球和融资为目的却缺乏技术积淀的项目必将被大浪淘沙。只需看一眼 Iridium、SpaceX、OneWeb、中国航天科技集团 以及 中国航天科工集团 的技术实力就知道低轨卫星通信系统真正的玩家需要什么样的实力才配获得市场和用户的认可。资本实力低轨卫星通信要实现正常运营服务卫星规模至少在数十颗以上宽带星座至少在数百颗量级。如此大规模的星座建设没有雄厚的资金连行业的门槛都踏不进去。OneWeb 在 2017 年就已经拿到了包括日本软银在内的约 17 亿美元投资且在 Starlink 试验星升空之后投资人又进一步加大投入全力助推 OneWeb 快速建网。中国航天科技集团 更是宣布投资 200 亿元人民币建设 鸿雁星座。由此可见低轨卫星通信的资金门槛让人咋舌。频率资源在卫星通信领域由于相近频率上的信号干扰原则上国际上不允许不同卫星通信系统共用频率频率因此成为最为宝贵的资源每一颗通信卫星都需要提前许久预定备案。在导航卫星领域中国北斗与欧洲伽利略曾经为抢频率而抢发卫星的“斗争”也是近些年的事情。Iridium NEXT 已完成空间段建设频率资源问题早已不再是问题。OneWeb 方面 Greg Wyler 在离开 O3b 创建 OneWeb 之时就带走了部分已授权频率资源加上收购其他公司而获得的频率使用权手中握有足够的 Ku 波段资源。2017 年OneWeb 又从 ITC/FCC 获批了更加珍惜的 V 波段资源。Starlink 早在 2015 年就已经向国际电信联盟ITU和美国联邦通信委员会FCC申请频率目前已拿到 Ku/Ka 波段资源。中国航天科技集团 与 中国航天科工集团 也都在积极申请随着其各自成功发射首发试运星将频率资源握在手心也只是时间的问题。卫星制造传统卫星制造需要经过严格的 设计 - 装配 - 集成 - 测试” 流程而且发现问题之后还需迭代归零一颗卫星从设计到出厂短则数月长则数年甚至达十几年之久。低轨卫星通信星座星数较多制造过程必须实现批量化一来可快速实现空间段建设再者可大大降低单星成本。目前OneWeb 拿到软银巨量投资后迅速在佛罗里达建立了一个测试与总装中心预计每天平均可生产一颗卫星单星成本可控制在 100 万美元之下。SpaceX 仅有一个 30 人左右的小团队负责 Starlink 项目未来计划快速扩充但总体看来距离量产并将单星成本降至 100~150 万美元还比较遥远。中国航天科技集团 也已经在天津建设了 AIT 厂房服务未来鸿雁星座的批量化制造。发射成本发射成本在卫星航天产业链中占比较大是低轨卫星通信系统拦路虎之一。目前Iridium NEXT 全部采用 SpaceX 的猎鹰九号火箭发射单星发射成本在 700 万美元左右OneWeb 采取的方案是“多国联军”已经签订了 60 多次发射合同21 次将由俄罗斯联盟火箭完成39 次将由英国廉价商业航天发射公司维珍银河总部美国完成3 次将由欧洲下一代火箭阿丽亚娜六完成。Starlink 必然采用 SpaceX 的猎鹰系列火箭进行发射由于 SpaceX 的火箭可回收多次利用其成本必然秒杀所有竞争对手。服务营销不管前期建设进行的多么顺利最终考验低轨卫星通信系统的是营收能力Iridium 就是前车之鉴。目前Iridium 通信公司经过十多年的积累已步入正轨实现盈利。OneWeb 凭借 O3b 卫星通讯网络近些年建立过程中的资源积累在首批卫星发射前就早早布局全球营销。早在 2017 年 2 月OneWeb 就在发布会上公开宣布首批 648 颗卫星的通信能力基本售罄用户涵盖各个大洲。虽然 OneWeb 在初步运营阶段能否实现盈利犹未可知但它在抢占市场先机方面可谓先拔头筹。Starlink 目前还处在“一鸣惊人”的阶段造了一个爆炸性新闻后震惊世人但目前尚未与任何通信服务商签订初步合同还处在营销阶段。此外国内的两个低轨卫星通信系统也频繁曝出项目进展为后续发展奠定舆论基础。风险抗压任何大型的工程都存在诸多方面的风险和内外部压力尤其是集 航天技术、频率资源、空间法律、大规模卫星制造与发射部署、移动互联网 等诸多高新技术和国际责任于一身的低轨卫星通信系统。这方面以国家力量或资本和技术实力雄厚的项目优势明显也更容易在后续竞争中取得最终主动权。目前OneWeb 背后有日本财团、欧洲制造商/火箭发射商、俄罗斯火箭发射商、英国/美国火箭发射商/投资人/政府保护、几十个已经签订初步服务合同的国家牢牢绑定了一个大的利益集团抗风险能力明显较高。Starlink 目前是 SpaceX 尝试扩展并渴望最终发展为主要盈利点的业务但在当下它的可回收火箭受到蓝色起源狙击、货运飞船受到俄罗斯进步飞船狙击、客运飞船受到俄罗斯联盟号和波音新一代飞船狙击可谓压力巨大。如果Starlink 后续无法得到足够的外部资金支持则项目极有可能面对随时停掉的可能性。中国两大航天集团在统治国内 14 亿潜在用户的巨大市场基础之上必然会走向国际市场资金、技术和抗风险压力比国外商业公司小很多。
4 总结
本文阐述了笔者对低轨卫星通信技术的过去和发展现状的一些看法并从顶层视角对低轨卫星通信产业的未来加以展望。若能为读者提供有效信息则深感欣慰。文中的信息皆来源于网络及笔者自己对行业的观察若有不当或错误之处敬请多多指教、评论。
5 参考资料
Iridium PRIME — A Constellation of Hosted Payloads Iridium NEXT (Hosting Payloads on a Communications Constellation) OneWeb Minisatellite Constellation for Global Internet Service 一网开始撒网首批六颗卫星升空 看起来最靠谱的空间互联网创业公司OneWeb ORBCOMM天基短报文/物联网系统深度分析 我国将发射“鸿雁”全球卫星通信星座首星 “鸿雁”首发星发射成功星座由数百颗低轨通信卫星组成 东方红卫星移动通信有限公司 我国计划2020年建成“鸿雁星座” 航天科工虹云工程拆解156颗卫星如何无差别覆盖全球网络 虹云工程2022年成网移动宽带覆盖全球 我国首颗低轨宽带通信卫星技术验证星发射成功 我国成功发射首颗低轨宽带通信技术验证星 SpaceX的星链 (Starlink) 能否成功狙击一网 (OneWeb)
https://spacefan.github.io/2019/02/12/LEOComm/#
