6颗低轨宽带卫星带5G上天，与“星链”差多少？
【文/观察者网 吕栋 编辑/周远方】
俄乌冲突中，特斯拉及SpaceX CEO马斯克响应乌克兰要求，用“星链”（Starlink）支持在乌启动卫星互联网服务。去年12月，两颗星链卫星靠近中国空间站，后者不得不进行了紧急规避以避免灾难性碰撞。两件事再度引发外界舆论对卫星互联网技术的关注。
“不发展是最大的不安全”，未来智库专家胡延平对观察者网指出，先到先得、谁占谁用的原则，使得相关资源争夺的紧迫性空前凸显。
近地轨道可容纳的卫星数量大约6万颗，预计到2029年，地球近地轨道就将部署大约57000颗卫星。全球处于组网、试验、立项等不同状态的星座计划，正在展开一场前所未有、势在必得、不容有失的竞赛。频谱资源的紧迫性高于轨道资源，目前已经到了刻不容缓的程度。只有快速组网、形成规模，才可能有一席之地。有观点指出，“星链”计划的4.2万颗卫星部署成功实施后，将对于我国卫星互联网形成重大竞争和挑战，威胁到我国空间安全乃至国防安全。
中国航天领域早已重视，2020年，中国将卫星互联网纳入“新基建”范畴，同时将其提升为国家战略性工程。
3月5日，西昌卫星发射中心用长征二号丙运载火箭成功将银河航天02批六颗低轨宽带通信卫星送入预定轨道，该任务还搭载一颗遥感卫星。随着2022年卫星互联网在全球进入加速发展期，外界也十分好奇中国的卫星互联网有何进展。这个问题，或许可在本月初银河航天02批卫星的星座验证组网中找到一些答案。
胡延平向观察者网分享了他的观察与分析：通过02批卫星的组网试验星座与Starlink的分析对比，以及该领域下一步各种动向与趋向的分析，可以清晰观察到中国卫星互联网技术的发展现状。结合相关技术走势，也可以对该领域未来多种可能性有所预见。
除银河航天这类商业航天公司之外，“十三五”期间中国以航天科技、航天科工为首的央企也分别提出了自己的卫星互联网计划，并发射了试验星。从目前国内已发布的卫星星座项目来看，卫星发射将集中在2022-2025年；从建设进展来看，目前已发射的多为试验星，尚未实现星座组网，典型代表有“鸿雁”星座、“虹云”工程、“行云”工程等项目。
银河航天批量研制的低轨宽带通信卫星 图源：银河航天（下同）
单星通信容量与星链相当
银河航天本次发射的02批卫星将在轨与首发星共同组成我国首个低轨宽带通信试验星座，并构建星地融合5G试验网络“小蜘蛛网”，具备单次30分钟左右的不间断、低时延宽带通信服务能力，将用于天地一体、天基互联等网络技术验证。这次任务对于推动我国6G通信技术发展也具有积极意义。
作为一家商业卫星公司，银河航天成立的时间不长。2018年，哈工大毕业的徐鸣辞去猎豹移动总裁职务创办银河航天。成立2年后，该公司完成B+轮融资，投后估值近80亿。
在卫星互联网建设过程中，通信容量是一项关键技术。2020年1月，银河航天首发星在酒泉卫星发射中心发射成功，成为中国首颗通信能力达48Gbps的低轨宽带通信卫星，也是全球首颗低轨高频毫米波卫星。
银河航天向观察者网透露，02批卫星单星设计通信容量超过40Gbps，该批卫星主要用于技术验证，用于低轨卫星通信网络新体制、新架构的探索及各类场景服务的验证，为日后大规模组网应用积累经验。
“银河航天所说的容量是指对地面用户终端也就是对多用户上传加下载的总体能力，Starlink的指标是单星平均20Gbps，当然也有可能银河的40Gbps指的是双向‘卫星对地面用户终端+卫星对信关站’的通信容量总和”，胡延平对观察者网分析**，“考虑到之前银河01首发星对信关站的最大通信能力达到48Gbps的后续公开信息，02批次单星通信容量即使用这种算法，也已经达到了与Starlink总体相当或实际高于Starlink的水平**”。
不过，Starlink今年可能会发布单星通信容量80Gbps的Gen2也就是第二期卫星（此前有申请披露），但其实际发射可能要等到Gen1也就是第一期一万多颗星组网完成，最快也要两三年以后，由星舰发射到比目前高不少的上层近地轨道。
事实上，卫星互联网的发展历史最早可以追溯到上世纪80年代，在这一过程中，卫星的多用户服务能力一直是重点和痛点，只有覆盖更多的用户，才能实现规模效应。据银河航天透露，此次验证组网的星座具备同时给几千个用户提供通信服务的能力。
Starlink单星可同时接入用户数量在100-200之间，银河航天则称，此次验证组网的星座“具备同时给几千个用户提供通信服务的能力”，在胡延平看来，这可能是02批卫星取得的主要进展之一。
“即使按照‘几千’的最低值2000计算，单星服务多用户的能力也比Starlink高不少”，胡延平分析，“当然几千个用户也有可能指的是天地一体、卫星通信与5G融合的情况下，透明转发、5G回传，星座直接间接服务到几千个地面用户。不过，个人认为大概率可能是卫星对地面用户终端的直接服务。”
天线技术与可接入用户数直接相关。与Starlink对比来看，如果银河航天02批卫星直接接入用户的确可以达到数千，就有理由猜测这批卫星上采用了与01星不同的星载天线技术，或者采用了低轨宽带卫星侧相控阵天线技术，但这一点目前还没有得到证实。
胡延平指出，相控阵天线以“平板天线”的体积和净重，以波束赋形、波束定向的多点波束技术，结合频率复用，可以在快速移动中支持单星同时接入较高数量级的地面用户，且平均功耗低、信号增益高。但LEO低轨道宽带卫星在总质量只有200公斤左右的迷你体积下，所需相控阵天线技术难度，与GEO同步轨道、HEO高椭圆轨道、MEO中轨道等大型卫星天线的集成度/通信密度不可同日而语。Starlink已经全面相控阵化，银河航天卫星与信关站之间可能还是抛物面天线。
规模化组网，要多少轨道和卫星？
除了单颗卫星的天线技术外，卫星互联网要想服务更多用户，大规模组网就必不可少。
2018年，马斯克的Starlink通过美国联邦通讯委员会（FCC）批准，获批发射11943颗互联网卫星。2019年10月，Starlink项目再度向国际电信联盟递交申请，将申报卫星数量从此前近1.2万颗提高至4.2万颗。今年1月15日，马斯克曾宣布，1469颗“星链”卫星处在运行状态，还有272颗正在进入运行轨道。
对于银河航天，胡延平认为，前期北极、南极可先放在一边，而且全球卫星通讯业务需求分布其实很不均匀，北纬30度左右需求量最大，其中北纬15～45度之间需求占全球总需求的六成多。如果考虑的是卫星重点对中国国土完全覆盖的同时顺带有一些海外陆地、海洋覆盖的话，以银河02批产卫星的参数粗略估计，在采用低轨道倾角，覆盖南北纬30余度范围时，大约需要1200到1500颗卫星。
但他同时表示，以上粗略估算只是从基本覆盖考虑，并且因为没有银河02批卫星的准确通信仰角数据，所以如果推算结果不准确在所难免。在将银河航天02批卫星与Starlink对比时，只是针对500公里左右高度的星座组网这个“基础层面”来做预估，轨道更高的“上层”组网因素并没有考虑进来。
长征二号丙运载火箭将银河航天02批六颗低轨宽带通信卫星送入预定轨道
在银河航天创立之初，常用于卫星通信的Ku/Ka频段资源已趋于饱和，随着频率协调难度日益加大，国际商业通信卫星正逐步向更高频段发展。在此背景下，银河航天在首发星中使用技术难度较高的Q/V/Ka等频段，这些频段作为毫米波频段中最适合开展卫星通信业务的频段，拥有更宽的带宽。
银河航天董事长徐鸣曾公开表示，如果把利用毫米波传输的信息理解为路上的车流，那么利用Q/V/Ka等频段的带宽意味着车更快、路更宽，车流量更大，这同时意味着需要更高超的筑路技术。2020年2月，银河航天首发星在轨30天后成功开展通信能力试验，在国际上第一次验证了低轨Q/V/Ka等频段通信。
胡延平猜测，银河航天02批产星对地面用户终端和01首发星一样，工作在Ka频段，卫星对信关站的通信也和01星一样在Q/V波段，这样做的好处就是与地面用户终端之间的电磁波对云雨雾的穿透性比较强，技术更为成熟稳定可靠的同时也具有较高的带宽。
Starlink有所不同，它对地面用户终端主要工作在Ku波段，对信关站主要工作在Ka波段，但是也有早期和中后期区别，早期Ku，后来Ka，Ka波段比Ku波段能够实现更高的带宽，后来Starlink开始实验V波段，结合Gen2也向FCC申请E波段。从轨道比早期规划大为降低、波段频率不断升高的变化过程来看，Starlink也是经历了相当长的摸索、调整过程。
胡延平认为，银河航天有一步到位的意思。从01星实测结果来看，银河在V波段对信关站的单天线最大通信能力为双向共48Gbps，Starlink卫星对地面关口站的下行通信容量尚未可知，如果推算一下，地面关口站8副天线对卫星的数据发送能力最高21.46Gbps，简单加减乘除的话，银河01信关站的单天线通信能力是Starlink的接近9倍。
而从卫星与地面用户终端的通信测试来看，Starlink的单终端/波束的速率仿真结果最高为674.3Mbps（波束边缘处），Speedtest和用户实感数据主要在60-100Mbps，银河01星优化的5G 信号体制单终端峰值通信速率为900Mbps，5G回传测试中，回传链路数据达到500Mbps以上，02星的数据测试也许过一段时间有披露，与01星相当还是会更高尚不得而知。
“中国一箭百星只是时间问题”
本次银河航天发射的02批卫星，一个重要意义是中国首次实现卫星批量制造。按照商业卫星的发展趋势，卫星星座是商业航天发展的大势所趋，而卫星批产是直接解决星座卫星制造需求与产能冲突的最佳或者说是唯一方案。
银河航天方面告诉观察者网，卫星批产能够使成本降低、生产效率大幅提升，是构建大规模星座所必要的基础条件。同时，批量生产可以使供应链稳定，提升单机、零部件的一致性。此外，批产还利于卫星生产工艺优化迭代，提高产品质量。
卫星单星重量的降低，则是实现一箭多星的重要条件。
胡延平分析指出，银河航天02批卫星的单星重量190公斤，比首发试验星轻了30公斤，研发制造成本比首发试验星低一半；采用一箭多星发射之后，单星发射成本估计也比01星有显著降低。中国近地轨道发射能力已达25吨以上，理论上一箭百星只是时间问题，降低发射成本的关键在于实现重复利用的火箭回收技术，这方面多型火箭已在进行相关试验，这方面未来没有攻克不了的难关。
在01星各类5G实验基础上，银河航天02批产星比较强调构建天地一体的5G融合试验网络。
胡延平告诉观察者网，地面5G/6G网络融合是卫星互联网未来发展的必然趋势，3GPP面向5G的标准当中涉及卫星与地面网络融合的部分，目前所有国家里中国落地最快。未来卫星互联网与地面网络之间必然是合作、融合、互补关系，而不是竞争替代关系。这是银河航天02批产卫星试验星座与Starlink基本取向的显著不同。
他认为，Starlink从根本上只是利用电信运营商帮助其完成网络覆盖。银河所提供给的建构式星座未来也将服务于各类通信业者，相关星座不仅可用于5G回传，也可为5G覆盖提供网络支持，未来可以有充满想象力的应用场景。比如运营商要对某个偏远地区进行5G覆盖，只需用卫星在骨干网和接入网之间进行远距离“中继”，卫星信号落地后提供给5G基站，以5G基站实现当地用户的覆盖，形成架构创新的移动通信网络。
本次银河航天02批卫星还搭载了遥感载荷可以实现对地成像观测，拍照/视频均可，这是Starlink目前没有的功能。
胡延平分析指出，联想到长光辰芯日前宣布两款国产8K图像传感器（CMOS）国家重大专项开发取得成功的消息，银河航天02批卫星未必装载了这款8K CMOS，但是以银河航天试验星座500公里的轨道高度，对地遥感应该会比将近3.6万公里轨道高度的地球同步卫星来得清晰。可以预期，通信-遥感-导航一体化的近地轨道星座，不久的将来会成为现实，这方面无非是哪个星座先迈出实质性的第一步的问题。Starlink已经联合有关合作方展开了这方面的探索实验。
“不发展是最大的不安全”
考虑到卫星互联网的诸多优点，在该技术被政府纳入“新基建”范畴后，不少机构认为这会给中国商业航天领域带来诸多发展机遇，未来蓝海无限。根据SIA预测，到2023年中国卫星互联网制造和发射领域将超过60亿美元规模，地面设备制造和卫星运营及服务领域2030年合计将达到693亿美元规模。
但对卫星互联网来说，迎来的也不只是欢呼声。
迄今为止，外界对卫星互联网的质疑主要集中在三点：一是时延，二是多用户服务能力，三是安全。
在时延方面，胡延平认为，卫星互联网15ms～40ms的时延，足以满足绝大部分场景的应用需要，光信号在光纤中传输，速度比光在真空中的传输速度低40%，这意味着通信距离越长，卫星互联网反倒越比地面固网、移动通信的时延要少。
在多用户服务能力方面，胡延平指出，地球上尚有80%的地方没有互联网覆盖，40%以上的人口未曾接入过互联网服务。解决数字鸿沟、数字普惠问题，将主要取决于卫星互联网的发展。金融、航空、航海、地质、林业、能源、制造等行业，物联网、车联网、云计算等领域，卫星互联网都将发挥重要作用。对于想要形成海外覆盖、构建国际网络的力量来说，只有卫星互联网这条路最为可行。电信运营商走向6G的过程中，拥抱天地一体是必然选择。
高弹性、高可用、高抗风险能力的卫星互联网，作为科技、产业战略高地，必将广泛普及、深入发展。卫星互联网必将是全航天产业科技、全通讯产业科技、全智能产业科技的综合竞争，是新通讯、新IT、新能源、新材料的结晶，是综合实力的博弈，也是科技观、发展观、世界观的体现。
在安全方面，2021年，星链卫星两次危险接近中国空间站、威胁在轨航天员安全，而在相关避碰事件中，美国星链卫星均处于连续轨道机动状态。如今，星链卫星已涉及大约1600起航天器接近事件，占到所有航天器事件的一半。
“不发展是最大的不安全”，在胡延平看来，这才是安全问题的最终答案，也是他一直以来的观点。除了本文开头提到的频谱资源、轨道资源已经非常紧张之外，另有两个重要趋向值得关注：
一是数智化的数字处理载荷将带来强悍的算力、智力、传感力、连接力，卫星互联网的“摩尔定律”是否会上演？
二是各个国家和地区已经看到卫星互联网的战略价值、科技力量、产业意义和安全份量，纷纷行动起来加速布局，全球各类星座项目已经有200多个。“各自为网”将会是不同国家、区域未来必然发展趋势，在此基础上，才会进行各取所需的“互联互通”。
胡延平指出，建设一张覆盖全球的卫星互联网，投资不及当初中国建设一张TD移动网络，更远不及5G组网投入，而浮现中的卫星互联网，必将是下一代互联网、下一代数字基础设施不可或缺的组成部分，甚至是未来旨为关键的新型数字基础设施。好消息是，我国首个数字经济国家级发展规划——《数字经济十四五发展规划》明确提出，加速发展卫星互联网。2035远景目标明确提出要打造全球覆盖、高效运行的通信/导航/遥感空间基础设施体系。而去年卫星网络集团有限公司的正式成立，意味着中国正式开始出发。
放眼2030年，胡延平表示，第一梯队看好两张网：一张是Starlink，另一张是奋起直追的中国背景的卫星互联网星座，第二梯队看好Kuiper和欧盟投资60亿欧元的卫星互联网计划，第三梯队才是OneWeb、Telesat、波音的相关计划等要么是过渡角色要么是补充地位的网络。其它星座要么尚不明朗，要么体量过小，要么技术路线不彻底，存在但不重要。低轨道宽带卫星互联网的技术路线、发展路径、市场前景甚至未来格局已经足够清晰明确，此时此刻最需要的是坚决行动。科技产业战略制高点的争夺，下一代数字基础设施的创新构建与战略布局，中国至少不能缺席，更不能被时间甩在身后。
截至2020年12月，中国卫星互联网重点代表计划