卫星互联网“太空电信”加速推进

卫星互联网是什么？

卫星互联网：低轨道卫星组成空中基站实现互联

图1卫星互联网体系架构

卫星互联网好比将地面的基站搬到了太空中，每一颗卫星就是一个移动的基站。卫星互联网是指多次发射数百颗乃至上千颗小型卫星，组成卫星星座，以这些卫星作为“空中基站”，从而达到与地面移动通信类似的效果，实现太空互联网。这是基于高通量卫星（HTS）发展的新一代卫星通信网络，是为地面、海上和空中用户提供宽带互联网接入等通信服务的新型网络。从系统架构组成来看，卫星互联网可以划分为空间段、地面段和用户段三个部分。

资料来源：《全球卫星互联网应用服务及我国的发展策略》，研究所

卫星轨道可分为低中高轨，发展卫星互联网主要依靠低轨卫星。按照轨道高度划分，卫星星座主要分为低轨、中轨、高轨三类；按照吞吐容量分为高通量卫星和常规卫星。其中低轨卫星具有低时延、链路损耗小、发射灵活、覆盖范围广、应用场景丰富、成本低等特点，最适合发展卫星互联网业务。

表1不同轨道卫星组网优缺点

全球覆盖所需卫星

星际链路

传输时延/ms

抗干扰

链路冗余

切换

GEO（高轨道）

几颗

容易

250

弱

少

少

MEO（中轨道）

十几颗

容易

~100

较弱

相对较少

较少

LEO（低轨道）

几十颗

复杂

10~40

强

大

频繁

单层星座系统由相同轨道高度卫星组成，多层星座系统由不同轨道高度卫星组成。单层星座系统的空间段卫星部署于相同轨道高度，由一个或多个轨道面构成。每颗卫星一般配有星间链路，可与同轨面及异轨面的相邻卫星进行通信。同时，卫星可通过馈电链路和用户链路分别与地面关口站和用户站进行信息交互，从而构成了一个具有多种链路的复杂天地通信系统。多层星座系统的空间段由不同轨道高度的卫星组成，不同的系统可能会有不同的组合，如多层LEO、LEO/GEO、GEO/MEO/LEO混合星座等。

图2单层星座卫星互联网结构 图3多层星座卫星互联网结构

资料来源：《卫星互联网路由技术现状及展望》，研究所

资料来源：《卫星互联网路由技术现状及展望》，研究所

国内外卫星互联网发展情况

国外已发展多年，其中“星链”卫星系统规模最大。20世纪80年代至2000年前后，以摩托罗拉公司“铱星”计划为代表的多个卫星计划（全球星、轨道通信、泰利迪斯、天空之桥）提出，“铱星”计划通过发射66颗低轨卫星构建一个覆盖全球的卫星通信网，此阶段主要以语音、低速数据、短消息等业务为主，后因技术不成熟等原因项目宣告终止。在2000年至2014年，以新铱星、全球星、轨道通信系统公司的卫星互联网为主，在极端条件下向航空、航海等用户提供移动通信服务，作为地面通信手段的补充。2014年至今，多家公司相继推出OneWeb、Starlink、O3b等星座计划。其中SpaceX公司实施的Starlink星座计划是全球迄今为止部署在轨卫星最多的成功案例，累计已发射超过3000颗星链卫星；O3b星座系统是全球唯一一个成功投入商业运营的中轨卫星计划。

图4低轨卫星互联网演进阶段

表2国外主要中低轨卫星计划

星座计划

计划卫星数量（颗）

轨道高度

频段

目前在轨数（颗）

业务范围

Starlink

4425

低轨

Ku/Ka

538

语音、数据、宽带互联网

OneWeb

720

低轨

Ku/Ka

74

语音、数据、宽带互联网

O3b

60

中轨

Ka

16

宽带互联网

铱星

75

低轨

L/Ka

75

语音、数据、窄带移动通信

Orbcomm

64

低轨

-

36

数据通信、定位服务

我国高度重视卫星互联网，已上升至国家战略性工程地位。“十三五”期间，以中国航天科技、中国航天科工为主的两大央企集团分别提出了“鸿雁星座”和“虹云工程”低轨卫星互联网计划，并发射了试验卫星。2020年4月，卫星互联网被列入新型基础设施范围并上升为国家战略性工程，是我国天地一体化信息系统的重要组成部分。由于空间卫星运行轨道和频谱资源有限，当前采取“先申报就可优先使用”的抢占方式，很多国家和组织出于自身利益考虑，先占领轨道位置及频率而后发射卫星，空间卫星频率与轨道资源日益成为各国抢占对象，因此卫星互联网对外层空间主动权具有重要战略意义。

表3国内典型卫星互联网星座参数情况

公司名称

星座名称

数量

轨道参数

主用频率

发射数量

中国航天科技集团

鸿雁星座

864

1100km(86.4°)

L、S、Ka、V、星间激光通信

1颗在轨

1175km(86.5°)

中国航天科工集团

虹云工程

1728

1048km(80°)

L、S、Ka、V、E、星间激光通信

1颗在轨验证

1040km(80°)

中国电子科技集团

天地一体化

240

880km(86°)

L、S、Ka、V、星间激光通信

2颗在轨验证

银河航天

银河航天

2520

1165km(87.6°)

Ka、Q、V

1颗在轨验证

九天微星

九天微星

720

700km(97.63°)

K

7颗在轨

支持政策频出，发展力度加大。近年来我国频频出台众多针对性政策和指导意见，积极推进卫星应用产业和商业卫星发展。2022年7月12日，上海市人民政府办公厅发布《上海市数字经济发展“十四五”规划》。《规划》中提到，将建设空天一体的卫星互联网，瞄准中低轨路线，完善卫星制造、卫星发射、卫星运营及服务产业链，探索天地一体化商业运营新模式。上海将在“十四五”期间启动多媒体低轨卫星系统初始组网，分阶段建设全球覆盖、技术先进、高效运行的卫星互联网。

表4中国卫星互联网领域相关政策

时间

政策文件

说明

2014

《关于创新重点领域投融资机制鼓励社会投资的指导意见》

鼓励民间资本研制、发射和运营商业遥感卫星，提供市场化、专业化服务

2015

《国家民用空间基础设施长期发展规划(2015-2025)》

提出“利用空间资源，主要为广大用户提供遥感、通信广播、导航定位以及其他产品与服务的天地一体化工程设施”

2016

《十三五国家信息化规划》

提出“通过移动蜂窝光纤、低轨卫星等多种方式，完善边远地区及贫困地区的网络覆盖”

2017

《关于推动国防科技工业军民融合深度发展的意见》

提出“推进军民结合、寓军于民的武器装备科研生产体系建设，推进军民资源互通共享、相互支撑和有效转化”

2019

《关于规范对地静止轨道卫星固定业务Ka频段设置使用动中通地球站相关事宜的通知》

利用卫星建立传输通道主要依赖于传统卫星转发器资源，用户承载量和传输速率十分有限，而Ka频段高通量卫星尤其适用于航空、船舶等通信服务领域，该政策顺应了Ka频段高通量卫星的发展趋势以及国内用户对动中通地球站的迫切需求，也有利于引导相关产业合理有序发展

2021

《国资委关于组建中国卫星网络集团有限公司的公告》

星网集团挂牌成立，有力地推动卫星互联网空间段原材料双边市场建设、地面段通信网络间融合运营、用户端“通导谣”数据共享，助卫星互联网全面快速发展

2022

《上海市数字经济发展“十四五”规划》

建设空天一体的卫星互联网，瞄准中低轨路线，完善卫星制造、卫星发射、卫星运营及服务产业链，探索天地一体化商业运营新模式。上海将在“十四五”期间启动多媒体低轨卫星系统初始组网，分阶段建设全球覆盖、技术先进、高效运行的卫星互联网

“星链”计划与卫星互联网

“星链”计划是什么？

“星链”是马斯克的SpaceX公司制定的4.2万颗卫星发射计划，目前已发射超3000颗。“星链”（Starlink）是美国太空探索技术公司（SpaceX）的一个项目，2015年1月，公司创始人埃隆·马斯克宣布SpaceX计划将约1.2万颗通信卫星发射到轨道,其中1584颗将部署在地球上空550千米处的近地轨道，并从2020年开始工作，这一项目被命名为“星链”。2018年3月，SpaceX用猎鹰九号火箭搭载2颗试验用小卫星成功发射并开展对地通信测试；2019年5月23日，公司利用猎鹰9号运载火箭成功

将“星链”首批60颗卫星送入轨道。据有关文件显示，SpaceX还准备再增加3万颗，

使卫星总量达到约4.2万颗。截至2022年8月地日，该公司已累计发射超3000颗“星链”卫星。

图5SpaceX“星链”项目发展历程

图6“星链”系统示意图 图7单颗“星链”卫星

图8“星链”三个实施步骤

“星链”分三步走建设加强版全球组网卫星系统。“星链”计划分为初步覆盖、全球组网和能力增强三步，第一步发射1600颗卫星到550km轨道(极低轨层)实现初步覆盖;第二步发射2825颗卫星到1110~1325km轨道(低轨层)实现全球组网;第三步发射37518颗卫星到328~580km轨道(极低轨层)增强“星链”星座的服务能力。

资料来源：《“星链”星座的军事应用分析》，研究所

表5“星链”系统的特点

特点

说明

规模庞大

“星链”计划分3期建成，总规模接近4.2万颗卫星，是目前为止最庞大的卫星发射计划。未来其建成后，也将是最大的近地轨道卫星星座，由此将带来近地轨道频段资源竞争、空间拥挤等问题

发射成本低

“星链”计划使用猎鹰9号火箭进行发射，并采用“一箭多星”发射方式。火箭发射后还

可回收再利用，已达到“一箭9发9回收”水平，这些都大大降低了“星链”计划的发射

成本。相比传统火箭动辄上千万美元的发射费用，“星链”计划的单次发射成本仅120万美元，未来还会有所降低

军事用途广

尽管“星链”计划被定义为商业卫星网络，但其应用范围包括通信传输、卫星成像、遥感探测等，同样适用于军事领域，“星链”还可以解决美国本土与海外军事基地的无缝连接问题，以及困扰美国防部许久的5G网络建设中的既有频谱占用和腾退问题等，今年3月份“星链”已实现为美军F-35传输作战数据和信息，速度相比传统方式提高了30倍

“星链”工作方式有透明转发信息和通过星间链路直接连接服务两种。“星链”系统是天基网，工作方式主要有两种：1）透明转发信息方式，即先在反向链路中实现用户终端→卫星→信关站，然后在前向链路中实现信关站→卫星→用户终端；2）通过星间链路直接连接服务和用户，交换模为用户1→卫星1→信关站→卫星1→卫星2→用户终端2（用户链路→馈电链路→馈电链路→用户链路）。

图9透明转发模式 图10星上路由交换模式

资料来源：《“星链”卫星系统及国内卫星互联网星座发展思考》，研究所

资料来源：《“星链”卫星系统及国内卫星互联网星座发展思考》，研究所

表6“星链”网络系统建设方案变化趋势

趋势特点

说明

卫星数目不断增加

从一期4408颗卫星(原计划4425颗)，到二期7518颗卫星，目前正在申请的三期已经多

达3万颗卫星，总共计划发射4.2万颗星链卫星，数量的增加反映了卫星制造和发射技术的不断成熟，最终能够带来系统传输容量的提升。

工作频率逐步提高

Starlink系统从一期到三期的工作频段分别设置于Ku/Ka波段、v波段和E波段，更高频段的率先使用有利于SpaceX公司对其他竞争企业进行卡位。

轨道高度越来越低

最初申请一期时，轨道高度位于1100~1325km，2018年11月将其中1584颗卫星降低至550km，2020年4月将剩余2824颗卫星轨道降低至540~570km；二期大幅降低轨道高度，低至340km。轨道高度的降低一方面反映了Starlink系统对于系统低延时的极致追求，提高了用户使用体验，另一方面可以使全部卫星迅速离轨，避免产生太空垃圾，满足监管要求。

卫星互联网产业链

卫星互联网产业链主要包含了卫星制造、卫星发射、地面设备、卫星运营及服务四大环节。其中卫星制造环节主要包括卫星平台和卫星载荷。卫星平台包含结构系统、供电系统、推进系统、遥感测控系统、姿轨控制系统、热控系统以及数据管理系统等;卫星载荷环节包括天线分系统、转发器分系统以及其它金属/非金属材料和电子元器件等。卫星发射环节包括火箭制造以及发射服务。

图11卫星平台系统 图12卫星载荷系统与卫星发射环节

图13地面设备系统 图14卫星运营及服务

美国在轨卫星数量居首，产业链收入集中在地面设备制造和卫星运营服务环节。根据UCS数据，2021年全球在轨卫星数量4852颗，其中中国在轨卫星数量为499个，占所有在轨卫星比重的10.28，为世界第二大在轨有效卫星的拥有国；而美国在轨卫星数量为2944个，是中国的5.9倍。根据SIA数据，2020年全球卫星产业收入主要来自于地面设备制造和卫星服务业，其中地面设备制造业2020年收入占比约为50，主要包括大众消费设备和网络设备；卫星服务业收入约占比44，主要包括卫星通信、卫星遥感、空间科学和国家安全；卫星发射和卫星制造业分别占比2和5。

2

5

50

44

地面设备制造 卫星运营服务 卫星制造 卫星发射服务

1240

169

2994

499

美国 中国 俄罗斯 其他

图15全球卫星产业收入分布（2020） 图16各国在轨卫星数（2021）

卫星互联网的用途

卫星互联网的四大用途：1）实现人口全覆盖。欧美发达国家人口密度相对较低，进行固定宽带尤其是光纤的铺设成本高昂且收回时间较长，此外信息通信基础设施同样不够完善的“一带一路”沿线国家同样有需求。2）实现区域全覆盖。传统地面通信服务很难覆盖的航海、航空、岛屿等区域也有较强的网络接入需求。3）与地面通信形成优势互补。早在2020年6月发布的5G标准R16中，就有卫星互联网的技术文档纳入其中，6G研发工作已经将卫星互联网纳入其中并作为重要组成部分，未来卫星互联网将与5G和6G等地面移动通信网络平滑切换。4）占领稀缺轨道资源，维护国家安全。按照卫星轨道资源先到先得的国际原则，先发国家发射的低轨道卫星将会抢占更多轨道资源。同时卫星在轨道运行难以受到有效监控和管理，与国家安全也密切相关。

卫星发射数量近年来增速加快。2012年，全球新发射卫星数量仅132颗，2021年全球新发射卫星达到1827颗，期间年复合增长率为33.9，随着卫星互联网下游端的需求刺激，预计未来全球每年卫星发射数还将持续增长。

增速（）

新发射卫星数量（颗）

2012201320142015201620172018201920202021

-50

0

0

132207261236222

500

568524

444

50

1000

100

1263

1500

150

2000 1827

图17低轨卫星通信核心应用场景 图182012-2021年全球新发射卫星数量及增速

火箭回收技术和“一箭多星”是卫星高密度发射降本增效的有效途径，两种技术我国均自主掌握。作为目前世界上最便宜的猎鹰-9火箭总造价约为5000多万美元，如果能回收并可低成本重复使用猎鹰-9火箭的第一级，可降低火箭成本80；如果第一二级火箭都能回收并低成本重复使用，则可降低火箭成本的99。另一种降本增效的有效方式就是“一箭多星”，单次火箭发射携带多颗卫星的方式可以降低成本，大幅度提高研制效率、发射效率，满足高密度发射的任务需求。今年2月，长征八号遥二

运载火箭搭载着22颗卫星成功发射，创造了我国单次发射卫星数量最多的纪录。卫星

回收方面，今年8月26日，由中国航天科技集团有限公司所属中国运载火箭技术研究院自主研制的升力式亚轨道运载器重复使用飞行试验获得圆满成功。

图19长征八号一箭22星成功发射 图20SPACEX火箭回收图解

中国卫星互联网发展前景

“虹云”系统和“鸿雁”系统为开启中国版“星链”打下基础。“虹云”系统是我国首个低轨星座卫星移动通信系统，由中国航天科工集团研制开发，计划发射156颗卫星，轨道高度为1000km。“虹云”系统计划分三步走，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。

图21虹云工程卫星 图22虹云工程规划

“鸿雁”系统是航天科技集团研发的集通信、导航增强于一体的低轨卫星星座。按照规划，“鸿雁”星座分为两步建设，一期工程将由60颗卫星组网，实现“一带一

路”区域覆