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“卫星互联网”征程,新赛道下的布局

卫星所提供的空间信息、时间基准信息对于人类社会生活而言必不可少。天基互联网系统功能强大,未来天基互联的时代将会是我国通信领域的一大“王牌”。

自牛顿发现万有引力定律以来,随着理论和技术的不断发展,人类短短300年时间内就在地球上发射了各种各样的人造卫星。
天空、大地、高山、平原、沙漠、海洋......卫星如同上帝般那样俯瞰而视,在地球任何地区勾勒出来纵横交错的画面。从遥远的北极到遥远的南极,从珠穆朗玛峰到马里亚纳海沟,没有谁可以逃避得过它的观测。
因此,卫星存在的意义不言而喻,其所提供的空间信息、时间基准信息对于人类社会生活是必不可少的。

“卫星互联网”征程,新赛道下的布局

卫星有两种含义,第一种含义是指在围绕一颗行星轨道并按闭合轨道做周期性运行的天然天体。第二种含义是指人造卫星,它由人类建造,以太空飞行载具如火箭、航天飞机等发射到太空中,像天然卫星一样环绕地球或其它行星的装置。
目前,人们更喜欢把人造卫星笼统说成卫星。
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卫星产业链自上而下可以分为卫星制造、卫星发射、地面设备以及卫星应用和服务四个环节。

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卫星制造商只负责制造卫星和运输卫星,而卫星发射入轨依赖火箭、航天飞机这些飞天工具,所以运载火箭、航天飞机则需要火箭制造商完成。
卫星和火箭存在技术、资本密集和高集成总装的特点。目前全球只有少数几个国家掌握卫星制造相关技术,而且相关国家也都是由国家级的科研机构或极少几个大型军工企业掌控核心技术,垄断特征明显。
例如,我国的卫星制造就是由中国航天科技集团下属的中国空间技术研究院(航天五院)和上海航天技术研究院(航天八院)以及中国卫星等组成。火箭制造由中国航天科技集团下属的中国运载火箭技术研究院完成。
任何一条卫星通信线路都包括发端和收端地面站、上行和下行线路以及通信卫星转发器。这些都构成了地面设备。
地面设备是卫星系统中的一个重要组成部分。
地面设备的基本作用是向卫星发射信号,同时接收由其它地面站经卫星转发来的信号。具体来看,地面设备涉及网络设备的信关站、控制站、基小口径卫星通讯中断等,以及消费设备的直播卫星DBS谍影天线、卫星移动终端、数字音频广播服务设备、全球卫星导航定位系统硬件等等,它们主要由中国卫星、中国卫通、海格通信、振芯科技、合众思创、华测导航等企业提供。
卫星应用是利用卫星技术及其开发的空间资源在国防建设、国民经济、社会文化建设和科学研究等领域应用的技术。
根据技术和服务要求,卫星主要划分为通信卫星、导航卫星以及遥感卫星三大类别。
通信卫星只需要在赤道上空等间隔分布3颗就基本可以实现除两极部分地区外的全球通信。作用在于传输电话、电报、电视、报纸、图文传真、语音广播、时标、数据、视频会议等。
导航卫星一般由24颗卫星组成,可以对地球任何地点进行精确定位。常见的卫星导航系统有美国GPS系统,俄罗斯的Glonass、中国的北斗卫星以及欧盟的Galileo。导航卫星的作用在于车辆监控和导航、海上运输和渔业、大地测量(测绘、勘探)等领域。
卫星遥感主要利用各种遥感器,接收和测量来自地球、海洋和大气的可见光辐射、红外线辐射和微波辐射信息,目的多数是对土地资源、气象、防灾减灾等领域进行监测。
从价值链来看,相对于卫星制造和卫星发射,地面设备制造和卫星应用服务构成了卫星产业的主体,尤其应用服务是卫星产业链商业价值产出最高的环节。
据《2019年全球卫星产业报告》数据显示,2018年全球卫星产业产值约为2774亿美元。其中运营服务收入为1265亿美元,占比46%,地面设备制造收入为1252亿美元,占比45%,卫星制造收入195亿美元,占比7%,卫星发射服务收入62亿美元占比2%。总体来看,地面设备制造和卫星应用与服务环节约占整个产业规模的90%以上。

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1957年10月4日,前苏联发射了世界上第一颗人造地球卫星——“伴侣1号”,从此开启了人类由来已久漫游太空的旅程。
1960年4月1日,美国在东海岸把世界上第一颗遥感卫星——泰罗斯1号成功送入轨道,揭开了当代科学技术利用卫星观测地球的序幕。
在冷战时期,美苏军事竞赛诞生出了世界上最早的人造卫星。
随着计算机和航天技术的发展,中国在1975年就成功发射了第一颗返回式卫星,获取了第一批对地遥感图像。接下来,法国、印度等越来越多国家开始加入卫星发射的行列,发射的卫星数量越来越多。
与此同时,卫星的发展也在逐步向“小卫星—大卫星—现代小卫星”升级转变。
卫星产业迎来繁荣期。
根据UCS的统计数据,截至2019年10月1日,全球在轨有效运行的卫星数量总计2218颗。美国拥有988颗卫星,中国拥有320颗卫星,俄罗斯拥有161颗。其中,中国的卫星约占全球数量的14%,约为美国运营数量的1/3。
此外,剩下749颗卫星被其他国家瓜分。
具体从三大应用卫星来看,在通信卫星领域,全球数量总计829颗,中国44颗占比5%,美国381颗占比46%,俄罗斯83颗占比10%。
在遥感卫星领域,全球共有769颗,由45个国家和地区所有。美国是全球拥有遥感卫星数量最多的国家,目前共有393颗遥感卫星在轨运行,而中国共有140颗遥感卫星在轨运行,在轨卫星数量仅次于美国。
在导航卫星领域,据了解,美军的GPS导航系统共有24颗卫星,分别在6个轨道运行,每条轨道运行4颗卫星。俄罗斯的GLONASS系统也和美国的GPS非常相似,卫星数量也是24颗,在3个轨道上运行,每条轨道运行8颗卫星。欧盟多个国家联合研制的伽利略卫星导航系统,导航卫星数量比美俄要多一些,总共有30颗卫星组成,其中27颗是工作卫星,3颗是备用卫星,共有3个轨道,每条轨道运行10颗卫星。
中国的北斗导航卫星系统,由于起步晚,轨道位置要比美国的GPS导航系统高,因此需要用到35颗卫星,包括5颗静止轨道卫星、27颗中地球轨道卫星、3颗倾斜同步轨道卫星。而且,在早期技术发展不成熟下,还需要逐步对卫星进行更新换代,因此所需要的数量也会比目标数量还要多。

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目前,北斗卫星数量为55颗。
可见与美国等航天发达国家相比,中国在运行的卫星数量上存在差距。尤其在通信卫星方面,中国的卫星数量较少,更有待进一步提升。
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近年来,随着市场对于移动互联网需求的日益突显,以及卫星技术的不断进步,卫星产业当中基于卫星通信的互联网被人们所看好。
全球各国纷纷将卫星互联网建设上升为国家层面的战略。
从目前来看,国外提出卫星互联网计划的既有波音、O3b、Telesat、ViaSat等老牌企业,也有OneWeb、SpaceX、Theia、Audacy等新兴科技公司。
O3b星座系统是目前全球唯一一个成功投入商业运营的中地球轨道(MEO)卫星通信系统。2019年2月,旗下首批6颗星座卫星发射升空,太空互联网计划进入部署阶段。
SpaceX的Starlink星座项目规模庞大。2015年,SpaceX就拟打算发射15000颗小卫星建设两个卫星互联网。2018年,SpaceX获得FCC低轨道卫星通信网准入许可,并发射了两颗测试卫星。2019年5月,首批60颗“星链”卫星被一次性发射入轨,创下了人类历史上单次卫星发射升空数量之最。11月,第二批60颗“星链”卫星再次发射并成功入轨。
截至2020年3月18日,SpaceX已经将第六批60颗“星链”卫星成功送入太空。至此,该公司已累计发射近360颗星链卫星,成为迄今为止全世界拥有卫星数量最多的商业卫星运营商。

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此外,波音公司近期提出了规模接近3000颗卫星的星座计划,而亚马逊提出3200多颗低轨卫星计划,LeoSat MA公司提出80颗卫星的低轨星座计划。
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面对全球低轨卫星及卫星互联网的发展,我国也紧追直上。
2018年,中国航天科技集团的鸿雁星座和中国航天科工集团的虹云工程相继成功发射了各自的第一颗试验性质卫星进入轨道,低轨宽带通信卫星系统建设实现零的突破,国内打造天基互联网迈出了关键一步。
2019年,我国宣布首个天基互联网系统——“虹云工程”,着力把互联网“搬”到太空上去,在太空铺设网络。虹云工程计划发射156颗卫星,它们在距离地面1000公里的轨道上组网运行,构建一个星载宽带全球移动互联网络,实现网络无差别的全球覆盖。
在天基互联网总部署下,目前民营企业中,九天微星物联网星座计划于2020年底前部署完成72颗低轨卫星。银河航天计划打造全球领先的低轨宽带通信卫星星座——银河Galaxy卫星星座,建立一个覆盖全球的天地融合5G通信网络。
此外,星网宇达、和德宇航以及欧科威等国内企业也公布了低轨卫星计划。
天基互联网系统功能强大,带来的好处可以说是无法想象的。未来天基互联的时代将会是我国通信领域的一大“王牌”。

 

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