卫星互联网星座国内外发展全解析

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来源 | 学术plus（caeit-e）

摘要

近几年来，美国Space X、OneWeb等创新型企业纷纷计划打造低轨卫星星座，引发卫星互联网的发展热潮。本文回顾了可提供互联网宽带接入的传统卫星通信系统和新兴中低轨卫星互联网星座的发展历程、现状及趋势。结合高低轨卫星系统各自独有的优越性，提出了适于我国国情的高低轨结合的卫星互联网星座方案构想，为我国卫星互联网发展提供建设思路。

卫星互联网星座；互联网宽带接入；高低轨组网

引言

近些年来，随着卫星通信技术发展以及互联网应用环境的变化，为满足全球不断增长的卫星宽带接入需求，特别是解决农村等边远地区的互联网接入问题，卫星互联网成为卫星通信与互联网结合的必然趋势。与卫星通信系统不同，卫星互联网是以互联网应用为服务对象，以统一的网络层为承载平台，能够作为互联网系统有效组成的可独立工作的网络系统。

回顾卫星互联网发展历史，可以发现提供互联网服务的卫星星座并不是一个新兴事物，已有近30年的发展历史，只是发展缓慢，有些尚未实施、有些中途夭折、有些应用有限。近几年来，在谷歌、脸书等互联网巨头的推动和支持下，美国Space X、OneWeb等创新型企业纷纷计划打造由低轨小卫星组成的星座系统，积极抢占太空互联网接入新资源，引发全球性发展热潮。

重点分析了卫星互联网的概念内涵、发展概况、趋势及挑战，并结合我国的实际国情提出适于我国发展的卫星互联网的建设方案及需解决的重点问题。

01

卫星互联网的概念内涵

关于“卫星互联网”这一新兴名词，各文献给出了各种不同的定义：

（1）以VSAT系统为基础、具有广播功能、以IP为网络服务平台、以互联网应用为服务对象，能够成为互联网的一个组成部分，并能够独立运行的网络系统为卫星互联网，它又称为广播互联网。

（2）卫星互联网是基于卫星通信系统，以IP为网络服务平台，以互联网应用为服务对象，能够成为互联网的一个组成部分，并能够独立运行的网络系统。

（3）“新兴卫星互联网星座”，指新近发展的、能提供数据服务、实现互联网传输功能的巨型通信卫星星座。新兴卫星互联网星座具有以下特点：从星座规模看，是由成百上千颗卫星组成的巨型星座；从星座构成看，是由运行在低地球轨道（LEO）的小卫星构成；从提供的服务看，主要是宽带的互联网接入服务；从发展卫星互联网星座的企业看，主要是非传统航天领域的互联网企业；从项目发展的起始时间看，是在2014年底至2015年初这段时期。

根据上述定义，本文认为卫星互联网是面向互联网的蓬勃发展，针对地面网络的不足（如覆盖受限、难以支持高速移动用户应用、广播类业务占用网络资源较多、易受自然灾害影响等），利用卫星通信覆盖广、容量大、不受地域影响、具备信息广播优势等特点，作为地面通信的补充手段实现用户接入互联网，可有效解决边远散、海上、空中等用户的互联网服务问题。

02

国外卫星互联网发展现状

根据国际电信联盟对卫星通信业务的划分，卫星通信业务可分为固定、移动和广播三类。从近10年的发展来看，互联网和宽带多媒体通信已成为推动卫星通信向宽带化、网络化发展的主要动力，传统的卫星固定业务、卫星移动业务界限越来越模糊，宽带卫星通信已成为卫星通信发展的主流。当前，无论是传统的卫星通信公司还是新兴的互联网商业公司均极大关注宽带卫星通信发展，基于不同轨道的宽带卫星通信系统或已投入运营，或正在建设，或提出方案设想，这些系统均全面提供卫星互联网接入服务，积极抢占互联网宽带接入新入口。下面分别从高、中、低轨三个方面介绍国外卫星互联网的发展现状。

2.1 高轨宽带卫星通信系统

典型的高轨宽带卫星通信系统主要包括早期面向企业级用户的IPSTAR、宽带全球区域网（Broadband Global Area Network）、Spaceway-3等高轨宽带卫星通信系统，以及后期面向大众需求快速发展起来的以ExeDe Internet为代表的一系列高通量宽带通信卫星。

（1）IPSTAR卫星通信系统IPSTAR是2005年8月发射的当时世界上容量最大的通信卫星，可为亚太地区22个国家和地区的用户提供多媒体广播、宽带网接入、视频会议等高轨宽带业务。卫星使用Ku/Ka混合频段，可为亚太地区提供Ku频段点波束（84个）、Ku频段赋形波束（3个）、地区广播波束（7个）以及18个Ka频段点波束覆盖。系统总带宽45G带宽，其中12G覆盖中国全境。

（2）宽带全球区域网（BGAN）宽带全球区域网是基于Inmarsat-4卫星的全球卫星宽带局域网，是一个支持移动业务的卫星通信网络。系统工作频段在L波段，下行速率为216kbps~432kbps，上行速率为72kbps~432kbps，实现了从模拟向数字、从传统电路交换向因特网业务、从窄带话音数据向宽带高速数据的转化。卫星系统可覆盖全球85%陆地范围，可为移动用户提供视频直播、宽带网络接入等多种服务。

（3）Spaceway-3卫星通信系统Spaceway-3卫星通信系统是由休斯网络系统公司研制并运营，于2007年发射升空，是世界上首颗具有在轨切换和路由能力的卫星。Spaceway-3通过采用Ka频段、多波束及星上快速包交换技术，大大缩短网络传输时延，可覆盖美国全部和加拿大大部分地区。系统总通信容量10Gbps，可容纳165万个用户终端，容量是Ku频段通信卫星的5～8倍。

（4）ExeDe Internet ExeDe Internet由ViaSat公司的ViaSat-1和ViaSat-2宽带通信卫星组成，分别发射于2011年和2017年，是目前容量最大的高轨宽带卫星通信系统。ViaSat-1采用Ka波段点波束技术，总容量为140 Gbps，下载速率为12 Mbps，可满足200万以上用户的卫星互联网接入需求。ViaSat-2卫星为迄今为止波音公司发射的最大卫星，整星容量300 Gbps，覆盖面积为ViaSat-1的7倍，可为250万用户提供高达25 Mbps 的宽带服务。

另外，Viasat-3计划于2019年发射，其由3颗卫星组成，每颗卫星容量1Tbps，是ViaSat-2的3倍，3颗星全部运行后几乎覆盖全球。

2.2 中轨卫星互联网星座

中轨卫星互联网星座主要以O3b计划为代表。

O3b，即其他30亿（Other 3 billion），为解决由于地理、经济等因素，全球剩余30亿未能接入互联网人群的上网问题，互联网巨头谷歌公司、媒体巨头John Malone旗下的海外有线电视运营商Liberty Global以及汇丰银行联合组建O3b网络（O3b networks）公司。

O3b公司从2013年6月开始陆续成功部署了8颗MEO卫星，共覆盖7个区域，采用Ka频段，单星吞吐量约为12 Gbps。2014年9月，8颗卫星全面运营，提供中继带宽为600Mbps、时延不超过150ms的服务能力。2014年10月18日，最后4颗卫星被发送入轨，形成12颗中地球轨道卫星星座。

2.3 低轨卫星通信系统

自20世纪90年代以来，欧美等发达国家相继掀起了两次低轨星座发展热潮。上世纪九十年代初期，面向个人移动通信服务，低轨卫星迎来第一次发展热潮，摩托罗拉、劳拉、阿尔卡特、波音等公司相继提出二十多种低轨星座方案，陆续建成极具代表性的Iridium（铱星）、ORBCOMM、Globalstar等低轨卫星通信系统。

但是，由于市场定位不准、建设成本高昂，投入运营的Iridium、ORBCOMM、Globalstar系统均于2000年前后破产，其他项目也都相继宣布终止。近几年，在互联网应用、微小卫星制造和低成本发射等技术发展的驱动下，面向卫星互联网接入服务，低轨星座研究迎来规模更大、更猛烈的第二次发展热潮，典型的低轨星座有OneWeb、Starlink等。

2.3.1 传统低轨卫星通信系统

（1）铱（Iridium）卫星通信系统

铱星系统是全球唯一的采用星间链路组网、全球无缝覆盖的低轨星座系统。Iridium一代系统在1998年建成并开始商业运营，1999年宣告破产，后被“新铱星”公司收购。

Iridium星座轨道高度780 km，由分布于6 个轨道面的66 颗卫星组成，用户链路采用L频段。Iridium二代通过对一代卫星的逐步升级，如L频段配置48波束的收发相控阵天线、用户链路增加Ka频段、配置软件定义可再生处理载荷等方式实现了更高业务速率、更大传输容量以及更多功能。从2017年1月开始至2019年1月11日铱星二代已完成全部组网发射，部署后传输速率可达1.5 Mbps，运输式、便携式终端速率分别可达30 Mbps、10 Mbps。二代系统还具备对地成像、航空监视、导航增强、气象监视等功能。

（2）ORBCOMM系统

ORBCOMM星座于1996年正式启动面向全球的数据通信商业服务。星座系统由约40颗卫星及16个地面站组成，轨道高度740～975 km，共7个轨道面。星座内部无星间链路，用户链路采用VHF频段。相比于第一代系统，二代ORBCOMM卫星质量增加3倍，接入能力提升了6倍。当前拥有全球最大的天基AIS（船舶自动识别系统）网络服务。

（3）Globalstar系统

Globalstar系统于1999年开始商业运营。系统采用玫瑰星座设计（高度1400 km），由48颗卫星组成，用户链路为L、S波段，通过无星间链路、弯管透明转发的设计，降低建设成本。Globalstar二代系统进一步提高了系统传输速率，增加了互联网接入服务、ADS-B（广播式自动相关监视）、AIS等新业务。

2.3.2 新兴低轨卫星互联网星座

（1）OneWeb系统

OneWeb卫星互联网星座由原O3b创始人格雷格•惠勒（Greg Wyler）创建的OneWeb公司提出，计划部署近三千颗低轨卫星，初期采用Ku频段，后续向Ka、V频段扩展。星座初期计划发射720颗卫星，轨道高度1200 km，采用设计简单的透明转发方式，通过地面关口站直接面向用户提供互联网接入服务。OneWeb单星重量不超过150 千克，单星容量5 Gbps以上，可为配置0.36 m口径天线的终端提供约50 Mbps的互联网宽带接入服务。同时，OneWeb公司现已获得美国联邦通信委员会授权，批准其在美国提供互联网服务。2018年12月13日，据悉OneWeb初期星座规模将缩减至600颗，以降低实现全球覆盖成本目前OneWeb进入部署阶段，2019年2月27日，已发射首批6颗卫星。

（2）Starlink卫星互联网星座

Starlink卫星互联网星座由Space X公司提出。Space X计划建设一个由近1.2万颗卫星组成的卫星群，由分布在1150km高度的4425颗低轨星座和分布在340km左右的7518颗甚低轨星座构成。低轨星座选择了Ku/Ka频段，有利于更好地实现覆盖；甚低轨星座使用V频段，可以实现信号的增强和更有针对性的服务。Space X计划让这样的网络覆盖地球任何地点。Space X预计该系统到2025年将有4000多万用户，营收达到300亿美元。Space X在星座运营同时，更专注于卫星制造。因此，Space X需要更大融资量，预计需要融资100~150亿美元。

（3）LeoSat卫星互联网星座

LeoSat卫星互联网星座由LeoSat公司提出，计划构建由108颗卫星组成的卫星星座，提供全球高速数据传输服务。星座部署在1400公里的LEO轨道上，采用6个轨道面，每个轨道面上部署18颗卫星。LeoSat采用Ka频段，为用户波束提供1.6Gbps的带宽。LeoSat星座将会使用星间链路，并采用光通信。与OneWeb和SpaceX不同，LeoSat公司主要为政府及企业提供数据传输服务，计划为3000余家大型企业及机构用户提供高速数据接入服务。

2.4 国外卫星互联网星座分析

由以上各系统发展现状可见，无论是传统的卫星通信公司还是新兴的互联网商业公司均提出了很多有特色的宽带卫星通信系统来实现卫星互联网应用，卫星互联网已不仅仅限于中低轨道。表1从系统规模、系统容量、覆盖范围等多方面具体分析了高轨、低轨卫星应用系统各自的优缺点。

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