卫星通信时代来了吗

张程

近日，知名证券分析师爆料称，“iPhone13硬件规格可支持低轨道卫星通信”。该分析师还表示，“iPhone13的卫星通信或可通过运营商空中开启，就技术与服务覆盖率来看，最有可能与苹果合作的低轨道卫星服务业者为Globalstar（全球星）。当然，Globalstar的合作商中不仅有中国电信还有沃达丰等”。此消息一出，引起了手机行业的广泛关注，消费者也同样充满好奇。

如果iPhone13真的支持低轨道卫星通信，那么在行业巨头苹果的引领下，是否意味着低轨道卫星通信时代即将到来，未来支持低轨道卫星通信将是所有智能手机的标配吗？

低轨道卫星通信

传统通信设备所依靠的信息传输基础主要是基站，信号的强弱基本取决于基站密度。然而通信基站往往分布在人口密度较大地区，在人口密度低的地区往往基站布设较少，甚至没有。

中国从1G到4G地面移动通信的基站建设密度与在地理上的人口分布密度和经济发达程度成正比，基站建设优先在人口稠密和经济发达的城市和工业园区等地，再扩展到人口相对稀疏的郊区和农村。

目前中国80%以上的陆地和95%以上的海洋面积无地面网络覆盖。然而随着发展需要，对于通信网络也在不断提出更高的要求。比如物联网的发展就要求更全面的信号覆盖率，特别是空中、海洋、森林、沙漠地区及其他地广人稀的区域，对于空中飞机及无人机、海上油井和船舶、森林防火及野生动物的视频监控、电力线路和铁路沿线的巡检、边境线的防控等应用场景，依靠传统的通信基站很难满足需要，即使是陆地的这类应用如果采用5G覆盖，前期商业模式也面临很大的挑战，收入规模与5G建站和运维成本不相匹配。这就给低轨卫星通信带来了商机。低轨卫星通信全球覆盖，且其成本敏感性与行业应用的地理位置和通信接入点区域密度没有直接相关性，特别是对于低密度用户场景下的宽带互联和通信更具优势。

此外，卫星通信是灾害突发时快捷有效的应急保障手段，特别是在地震、海啸等严重自然灾害发生时，地面基站受到严重破坏，卫星通信便成为抢险救灾唯一的通信手段。在2008年汶川地震及2010年玉树地震等重大灾害發生后，国家相关部门和电信运营商紧急调用各种卫星通信设备，切实保障了灾区的通信网络畅通，为灾区开展救援工作起到重要的促进作用。

卫星通信以卫星所在轨道的高低，分为高、中、低三种不同轨道的卫星通信。低轨互联网卫星星座利用运行在200—2000km轨道高度的卫星群向地面提供宽带互联网接入服务，通过多颗卫星组网实现全球覆盖。相比较而言，低轨道卫星通信的成本更低、信号更好，商业化探索也更多。

低轨卫星通信的定位

任何事物都是辩证的，每个硬币都有两面。虽然低轨卫星通信具有覆盖面积大、成本相对较低的优点，但局限性也很明显。

首先是频谱效率。由于卫星与地面终端的通信距离、功率密度、多天线部署等受到较多限制，卫星通信的频谱效率远低于同期的蜂窝移动通信系统。目前，包括SpaceX和OneWeb在内的低轨卫星，平均频谱效率约在2.5bit/s/Hz，只达到3G水平;而5G的平均频谱效率在10bit/s/Hz以上，是卫星通信的4倍以上。

其次是系统容量问题。在频率资源稀缺的限制情况下，若要提升系统容量则意味着增加卫星数量，这与地面蜂窝通信系统一样，增加基站数量来提升系统容量，即频率复用原理。从通信角度看，可以简单理解成卫星通信是将地面基站搬到空中。目前全球4G基站总数约830万个，5G将建设2到3倍于4G的基站数量，低轨卫星通信要想实现5G一样的上网速度，也要实现与5G大体相当的总通信容量，这样就需要几百万颗低轨卫星密布在全球城市带及附近上空的近地轨道，这在星座设计和卫星发射上是完全不可想象的。即使是万颗星的星座，也会造成大量太空垃圾，同时引发干扰光学观测、模糊宇宙视野等环保问题。最后，还有建设和运维成本问题。尽管近年来随着技术的发展，发射卫星的成本和门槛已经大大降低，但是每颗卫星仍面临着数十倍甚至百倍于地面基站的建设和运行维护成本。

最后，即使建成了庞大的卫星群，卫星信号也无法覆盖室内，城市内的楼宇遮挡也会造成用户通信中断，同时卫星通信对天气变化十分敏感，极端天气也会影响信号强度。因而，卫星通信只能作为地面移动通信的有益补充，而不能代替传统基站通信，尤其是人口稠密的城市地区，地面5G信号的速度和稳定性要比卫星信号好很多。

因此，城市等人口密集和经济发达等区域的移动宽带互联网接入将以5G为主，低轨卫星通信为辅;不过，低轨卫星通信面向特定的区域、特定用户群和特定的应用，市场前景仍然广阔，如海洋、森林和荒漠及偏远地区。

国内外发展现状

低轨卫星通信的频率资源和轨道资源像城市的商业土地一样稀缺。随着卫星通信、地面通信以及探测业务对低频段频谱资源持续增加的占用，以及各种应用对于高速移动通信需求的不断提升，现有的高频段资源逐渐枯竭，将难以满足巨大的频谱需求。预计频率更高的Q频段、V频段和太赫兹频段将成为下一代通信卫星布局和争夺的焦点。因此提前部署和申请频率资源，是卫星通信发展的重要资源保障。

另外，卫星轨道也是受限资源，卫星轨道位置是有限的，不可以无限制随意部署卫星。地球近地轨道可容纳约6万颗卫星，目前，全球正处于人造卫星密集发射前夕。到2029年，地球近地轨道可用空间将所剩无几。空间轨道和频段作为能够满足通信卫星正常运行的先决条件，已经成为各国卫星企业争相抢占的重点资源。

随着美国“星链”计划启动，全球低轨星座发展已全面进入竞争提速期。因此，各国政府都在加速加力介入：美国军方多项目并行推进“星链”计划星座开发应用、英国政府收购卫星运营商OneWeb、加拿大政府斥巨资扶持本国的低轨电信卫星公司、俄罗斯利用俄罗斯国家集团统筹加快卫星星座建设。各国已经充分认识到轨道频率资源的重要战略地位，并加大力度争相抢占。

目前美国暂时处于领先位置。美国火箭公司SpaceX在2015年提出的Starlink“星链”项目计划于2025年完成12000颗低轨卫星的部署，其中第二阶段发射7518颗超低轨道卫星运行在不超过346km的超低轨道，时延比近地卫星更低。为降低产品成本，SpaceX公司自设立之初即开展全产业链条布局。公司已经逐步发展成为拥有完整商业航天产业链的行业巨头，已实现关键产品自主生产，70%以上硬件均由内部制造。同时，SpaceX公司卫星建造成本为传统卫星的1/30，卫星发射成本为传统发射的1/5。

SpaceX公司的快速成长建立在美国航天产业多年的工程积累和经验数据基础上，在政府资金和政策的扶持下，在美国宇航局技术和人才基础的支持下，更高层次实现“快”“好”“省”的平衡，实行扁平化、纵向一体化的产品管理，直接控制产业链核心环节，绝大部分部组件自主完成设计、研制，摆脱了传统配套体系技术更新慢、产品成本高、供货周期长的制约，极具竞争力。

过去由于卫星与火箭制造的极高壁垒，资金投入大、开发周期久，投入回报周期长，让社会资本望而却步，中国民营卫星业发展较慢。但随着卫星开发模式、发射模式的改变，卫星产业的入门成本得到了大幅降低，从数十亿元级别降到了千万元级别。同时，在可预见的未来，通信卫星与信息化社会关联日益密切，带来的商机远远高于传统的广播通信应用，数据传输业务、天基互联网等新机会创造了广阔的市场需求。因此，越来越多的资本开始进入这个行业。

中国低轨卫星互联星座正在蓬勃发展，既包括大型央企亦包括民营初创型公司。目前，从事商业航天的初创型公司有近20个。不少企业提出了建设低轨通信卫星星座的方案，例如“鸿雁”星座、“虹云”工程等。其中“虹云”工程预计将一共发射156颗卫星，最终将构建一个覆盖全球的低轨宽带通信卫星系统，以天基互联网接入能力为基础，融合低轨导航增强、多样化遥感，实现通、导、遥的信息一体化。

截至目前，中国星座计划中组网数量在30颗以上的低轨道卫星项目已达10个，项目规划总卫星发射数量达到1900颗。