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从求救信号到未来6G：卫星通讯的太空竞赛

晰数塔互联网快讯
2023-10-27 15:12

华为新款Mate 60 Pro手机让卫星通讯成为人们关注的一大焦点。目前的卫星通讯能让人们在没有任何移动网络信号的情况下，通过天通卫星网络使用电话、短信等基础功能。

比如，今年9月，马斯克就曾在飞行途中，通过星链卫星网络，远程接受了一个峰会的视频访谈。

如果未来卫星通讯能够充分得到发展，对于我们日常的生活而言：或许我们坐飞机就不用给手机设置飞行模式，可以直接和卫星联网，网速甚至可能比地面上还快；如果我们开车去广阔无垠的沙漠，可能也能随时联网；如果我们去海上钓鱼，也能随时和陆地上的朋友保持联系。

美好的远景背后，卫星通讯已经曲折地发展了几十年。从国际海事卫星组织在人烟稀少的地区为人们建立通讯的可能性，到通讯巨头摩托罗拉率先开展卫星通讯商业化的探索，建立铱星系统，再到太空探索技术公司SpaceX将卫星进一步实现工业化量产，这其中经历了不少技术迭代以及试错的过程。

中国的卫星通讯也正在逐步发展。汶川地震让人们意识到卫星通讯的必要性，直接催生了中国天通一号卫星系统的诞生。近几年，中国也一直在紧锣密鼓地研究、布局近地卫星互联系统，比如航天科技集团研发的“鸿雁”星座、航天科工集团研发的“虹云”星座。如今，专注于卫星互联网通信的中国卫星网络集团也成立了，中国近地卫星系统进入加速发展阶段。

但在全球日益紧张的卫星竞争局面之下，我们要加快推进的脚步。

我们将在本篇报告，探讨以下问题：

什么是卫星通讯？

从海事卫星到“星链”，卫星通讯如何一步步发展起来，其中的难点在哪里，如何攻克？

为什么我们要发展卫星通讯？

卫星通讯领域有哪些潜在的创业投资机会？

卫星实现工业化量产意味着什么？

全球范围内，为什么卫星发射名额竞争如此激烈？

漫话人类的移动通讯

我们为什么需要通过卫星来实现通讯？

通讯是人们日常生活中必不可少的需求。从最早的信件通讯，到后来的电话、电报、对讲机，直到蜂窝移动通讯网，也就是大家所熟知的移动通讯网。随着社会信息化的进程，通讯正在向着覆盖区域更广、服务对象更多、速度更快、带宽更大的方向发展。

蜂窝移动通讯网可以说是人类通讯历史上的里程碑。依靠广泛分布的通讯基站和复杂、高效的接入网、骨干网，手机用户可以和基站覆盖范围内的任何人实现高效通讯。

▲5G通信网络架构。图片来源：《科技日报》

简单点说，在蜂窝移动通讯网中，每个手机都连在就近的基站上，基站通过有线网络和其他基站以及中心机房相连。如果A要给B打电话，A附近的基站就会去核心网，找到B附近的基站，把通讯信息发给B的基站。之后，B的基站再把信息发给B，这样A和B就能顺畅连接起来，实现信息交换。

因此，“无处不在”的基站和“万物互联”的网络是蜂窝移动通讯能实现广泛用户覆盖的关键。

不过，蜂窝移动通讯网也有“死角”，无法覆盖到所有的地理环境和场景。比如，地球上有大片的海洋和山脉，连供电都是问题，更不用说基站的安装和后期维护了。在这样的死角，通讯基础设施的经济性难以保证。

所以，人们想到一个解决办法，把基站移到天上，建在卫星上，让地面的通讯设备直接和天空中的卫星相连，卫星之间组成互联网络。同时，也可以借助卫星地面站与地面已有的通讯网络互联。由此，就解决了海洋、森林等地面基站无法覆盖的地区的通讯问题。这就是卫星互联网建立的初心。

▲根据中国民用航空局发布的《航空公司运行控制卫星通信实施方案》，卫星通讯系统一般由空间卫星系统、地面控制服务主站、移动交换系统以及用户终端等部分组成。图片来源：Researchgate

卫星和卫星通讯

目前，卫星分布在距地表300公里到10万公里的远距离空间内，“站得高，看得远”。人们用较少的卫星，就能覆盖地球，这个优势是地面的通讯基站无法比拟的。

人们通常把卫星分成低轨道（LEO）卫星、中轨道（MEO）卫星和高轨道/地球静止轨道（GEO）卫星等。在高轨道面上，还有倾斜地球同步轨道（IGEO）卫星。卫星的离地高度，决定了它能够覆盖和观察到的面积，轨道高度越高，覆盖的面积越大。

▲卫星轨道高度分类。图片来源：Researchgate

此外，轨道越高，卫星运动的角速度越小，停留在地面上空同一区域的时间越长。特别是距离地面3.5万公里的高轨道地球同步卫星，相对于地面是“静止”的。理想情况下，用三颗卫星就能覆盖整个地球。但是，卫星的高度越高，和地面通讯的延时越长，所需要的发射功率也越大。

中国从汶川地震后开始建设的天通一号通讯卫星就属于地球同步卫星，通过三颗卫星覆盖全球。华为Mate60 Pro手机所推出的卫星通讯功能，就借助了天通一号的卫星通讯技术。

美国的GPS（Global Positioning System，全球定位系统）主要是中轨道卫星。而我国的北斗导航卫星网在低轨、中轨以及高轨均有覆盖。

由于中、高轨道卫星地面覆盖范围广，出于成本和管理的考虑，早期的通讯卫星主要都分布在这两个高度范围。比如我国早期的电视卫星转发系统，就是我们所熟知的湖南卫视、浙江卫视等等，就是使用的高轨道卫星。铱星系统出现之后，低轨道卫星才正式地大规模进入通讯行业。

从海事卫星、铱星系统到星链，卫星通讯如何一步步发展起来？

1. 国际海事卫星组织为海事与航空安全保驾护航

通讯行业努力发展的方向是建立全面覆盖地球的通讯网，让世界上的每个角落都能实现互联互通。然而，地球上存在着大面积的海洋和山脉，不便于建设中继站和基站。尤其在浩瀚的海洋上，人们很难保证各种船只的通讯。

鉴于这个需求，1979年，国际海事卫星组织（International Maritime Satellite Organization）在联合国国际海事组织机构的授意下成立，为航运界提供卫星通信网络。

海事卫星通信网络主要服务于海洋、森林这些难以建设通讯基站的地区。国际海事卫星组织官网显示，“我们的海事安全服务每天保护160万海员的生命，航空安全服务确保数百万人能够安全飞行。”

▲资料来源：国际海事卫星组织官网，长城证券研究所

早期海事卫星的终端设备比较笨重，能够发送的信息体量也很小，只能发送简短的求救信号。如今，海事卫星的终端设备变得更加小巧。目前，国际海事卫星已发展到第六代，并正在搭建新的卫星通讯网络Inmarsat OCHESTRA，将地球同步轨道卫星网络、低轨道卫星网络和地面5G网络整合于一体。

▲国际海事卫星组织目前运营15颗地球静止轨道卫星。图片来源：Inmarsat官网

2. 卫星互联网：从摩托罗拉的铱星系统到Space X 的星链

在先进技术领域，摩托罗拉曾经一直走在前列。根据《商务周刊》的梳理，摩托罗拉曾发明过车载收音机、彩电显像管、全晶体管彩色电视机、半导体微处理器、对讲机、寻呼机、大哥大（蜂窝电话）等产品，先后开创了汽车电子、晶体管彩电、集群通信、半导体、移动通信、手机等多个产业。

1990年代，摩托罗拉主导推出名为“铱星”的卫星通讯系统，轨道高度大概780公里，计划发射77颗卫星。因为元素铱的电子数是77，所以这个计划被叫做铱星。不过最终，铱星只发射了66颗卫星。

▲铱星系统卫星布局示意图；图片来源：Researchgate

摩托罗拉在卫星通讯的基础技术上迈出了一大步，实现了真正意义上的星间通讯和星间组网。

由于铱星系统在近地轨道运行，移动速度非常快，想要实现动态组网，在技术上并不容易。卫星移动到浩瀚的大洋上空时，即便无法找到地面卫星中继站，星间组网技术依然能够帮助卫星间接实现和终端的通讯。这些技术进步为后来的近地卫星通讯系统打下基础。

尽管铱星系统在技术上领先，但是商业上并不算成功。当时的火箭发射和卫星制造成本高昂，而铱星系统的用户数量又远远达不到预期。毕竟，只有少数人需要在极端地理环境下使用通讯服务。此外，与手机相比，当时的卫星终端仍然很笨重，功耗大，且资费昂贵。根据《商务周刊》报道，摩托罗拉原本预期到1998年底拥有5万用户，但却仅有1万用户愿意买单，直到其破产时也只有5.5万名用户。

之后，铱星公司被摩托罗拉转手卖出。如今，铱星系统仍在运营。2017年至2019年间，铱星公司还与太空探索技术公司SpaceX合作，将SpaceX的75颗卫星发射入轨。

▲目前，铱星公司的产品包括卫星电话、物联网（loT）终端、移动连接解决方案等。图片来源：Iridium官网

可以说，作为卫星互联网技术的开拓者，摩托罗拉是一家伟大的公司。但铱星当年可能在用老供应链，解决新技术问题。

受限于当年的产业环境，通讯公司出身的摩托罗拉，发射卫星时也只能借助现有的火箭和卫星生态链，很难推动火箭发射以及卫星设计制造体系的底层变革。发射成本高、卫星造价高、用户基数少，多重问题困扰之下，铱星系统很难发展起来。

3. 技术进一步迭代的星链系统

2002年，埃隆·马斯克创办了SpaceX。2019年，SpaceX开始建造庞大的低轨网络卫星系统“星链”（Starlink）。

相比于铱星系统，星链的卫星轨道更低，大概在300公里到500公里。低轨道卫星的优势在于通讯速率更快，延迟更小。通讯设备所需的发射功率大幅降低，卫星和地面终端的体积和制造成本也相应下降。

当然，降低轨道高度的代价也显而易见。我们曾在上文提到，低轨道卫星相对于地面的飞行速度更快，卫星间互联组网的技术难度更大。同时，每颗卫星对地面终端的服务时间更短，需要发射更多卫星来保证覆盖面积和连续服务。

星链总共计划发射约4.2万颗卫星。据美国观星和天文应用Star Walk统计，截止至2023年10月22日，SpaceX已经发射5331颗星链卫星。在星链发射之前，卫星发射的整个历史里，总共在轨的卫星数量不足5000。

为什么星链能够发射这么多卫星，并且能够承受发射卫星的成本？

从根本上来看，和摩托罗拉相比，SpaceX是航空领域的改革者，是火箭和卫星行业工程化、工业化、批量化的开拓者。SpaceX建立了自己的火箭和卫星产业，借鉴了现代大工业制造中的标准化、流水线、降本增效的设计和生产理念。

▲Starlink首批“一箭60星”于2019年5月23日发射。图片来源：SpaceX

据Georgetown Security Studies Review的研究，SpaceX猎鹰9号（Falcon 9）火箭每千克的发射成本已从2009年的10000美元降低至如今的1520美元。目前在试验阶段的超重型火箭星舰（Starship）预计还将把成本降至970美元。

具体而言，第一，星链缩小了卫星的体积和重量，能够执行一箭多星任务，甚至实现了“一箭60星”。

第二，星链的火箭可以部分回收、复用，从而降低发射成本。碳纤维材料结实、轻便，被广泛应用于航天器材中。但碳纤维材料受到高温火焰的持续炙烤时，会出现富氧失火的现象。而不锈钢的强度更高，能够适应极端高低温环境，加工和维护成本低，制造速度快。因此，SpaceX使用不锈钢作为火箭材料，可在火箭发射后着陆快速复用。

并且，为了降低火箭运输的难度和成本，SpaceX猎鹰9号火箭的各个部件分别由全国各地的不同工厂生产，并在各自的测试站完成测试，最终运输到肯尼迪中心完成发射前的组装集成。

SpaceX还在德克萨斯州博卡奇卡建立了星舰的制造和发射基地Starbase，2020年起投入使用。Starbase拥有世界上最高的火箭发射塔。制造完成的助推器和航天器将在发射塔上进行最后的集成组装。由此，超重型火箭的运输成本也大大降低。

第三，相比铱星系统，星链系统的星间通讯能力进一步提高，还引进了空间激光通讯技术，通讯速率大幅度提高。

第四，在研发过程中，不同于传统的航空产业强调高成功率的理念，SpaceX主张多次试错。

沃尔特·爱萨克森在《埃隆·马斯克传》中就提到，“马斯克采取了一种迭代式的设计方法：迅速制成火箭和发动机原型，进行测试，炸毁，修改，再次尝试，直到最后做出能用的东西。快速推进，把试验品炸掉，然后重复这一过程”。

我们能时常听到星链卫星发射失败的报道，比如火箭爆炸、卫星陨落等等。在一次次或成功或失败的发射中，SpaceX尝试了各种各样的新技术、新设备、新材料，积累了大量的经验教训，以及海量的实验数据。这些尝试最终推动了星链系统技术高速发展，工程、运营能力飞速提高。

卫星通讯布局的关键：工业化量产

从产业发展历史来看，相比于可工业化量产的手机、电视、汽车等工业产品，通讯卫星从一开始就是个定制化主导的产业。

在星链等近地卫星网诞生之前，人类发射了数千颗卫星，这些卫星不是一次发射的，设计也不完全一样，每颗卫星可能都有不同的任务和属性。所以在很长时间里，卫星的整个发展特点体现为定制化，每次重新定义、重新设计、重新生产，不具备工业化的特点。

但随着近地卫星通讯网的诞生，包括中国星网（中国卫星网络集团）、美国的SpaceX，这些卫星网络想要实现卫星信号的全球覆盖，需要发射上万颗星。美国的星链需要四五万颗卫星组网，中国需要1万多颗卫星搭建卫星网络。

所以，在目前的发展阶段，谁能够率先实现工业化，提升性价比，谁就能在竞争中占据比较大的优势。

在卫星工业化的过程中，目前SpaceX先迈出了一步，也积累了一些经验。

中国的近地卫星组网，不仅要解决一些关键的技术，比如星间的激光通讯、卫星的轻量化这些能力和技术，可能还要在工业化方面奋起直追，并力争赶超。

全球竞争：有限的发射限额VS众多卫星通讯计划

摩根士丹利2017年发布的《太空：投资的终极前沿》报告称，建造能够提供低成本，高速互联网的卫星星座的竞赛正在推动全球太空经济的天文学增长。预计到2040年，全球太空经济的价值将达到1万亿美元，卫星互联网将占据太空经济增长的50%，在最乐观的情况下将达到70%。

目前全球多个国家都在关注近地卫星通讯，但真正能够组网运营的，可能暂时只有星链。

根据国际电信联盟ITU规定，卫星频率及轨道使用权采用“先登先占”的竞争方式获取，同时，如果发射的卫星寿命到期，可以重新发射进行补充，造成“先占永得”的局面。轨道及频率是不可再生的战略资源，也是卫星互联网组网建设的瓶颈环节。

如今，近地卫星的轨道申请和发射竞争激烈，限期内完成发射的压力也不容忽视。根据中国信通院的研究，近地轨道卫星总容量只有大约10万颗。而星链申请了4.2万颗，中国以“GW”为代号申报了1.6万颗。根据《金融投资报》测算，目前中国只发射了几十颗低轨卫星，也就是说未来3~4年必须发射完1.6万颗，平均每年5000颗左右。

为什么中国要发展近地卫星通讯？

为什么中国要发展近地卫星通讯？从我目前的观察来看，可能包含以下几个原因：

首先，中国幅员辽阔，有大面积的山地和海洋地区，而卫星通讯能覆盖这些地区。

其次，中国目前是世界第一货物贸易国，高度覆盖的卫星网络可以帮助保障海陆运输的畅通。

最后，近地卫星有限的申请名额和限期发射的压力，也是中国眼前需要考虑的现实问题。

无论是和国际卫星通讯同行的比较上，还是从满足中国不断高速发展的国民经济、国际贸易的现实需求看，中国卫星通讯事业的发展还任重道远。存在明显不足，也更需要加紧努力。

据《中国航天报》报道，“5·12”汶川大地震之后，天通一号卫星成为获总理专项基金支持的项目，首要任务是在我国遭受严重自然灾害时实现应急通信。

天通一号以三颗卫星覆盖全球，增强了我们的通许覆盖能力，但同时，由于天通一号卫星是高轨道的地球同步卫星，还不能提供低延时、低功耗、宽带宽的卫星互联网服务。

近几年，中国一直在紧锣密鼓地研究、布局近地卫星互联系统，比如航天科技集团研发的“鸿雁”星座、航天科工集团研发的“虹云”星座。如今专注于卫星互联网通信的中国卫星网络集团也成立了，中国近地卫星系统进入加速发展阶段。

创业投资机会

虽然火箭和卫星产业已经是个成熟的传统产业，但是如今大量近地的、网络化的新型卫星系统出现后，既带来了新的需求、创业投资机会，也给行业提出了新的要求。目前我们观察到火箭和卫星产业有以下几个方面的机会：

第一，中国有数以万计的近地卫星的发射、运维的需求。这意味着卫星行业需要往批量化、工业化，以及高集成度、低功耗成本等方向发展。比如，低成本、可回收的火箭，模块化、小体积、低功耗的卫星等等都是可能的创业投资机会。

第二，卫星系统的互通互联。卫星通讯需要考虑卫星地面站之间的互联，卫星地面站与4G、5G网络的互联，卫星与地面站的互联以及卫星间的互联。这些互通互联背后涉及芯片、通讯模块、相控阵天线系统、电源系统等。尤其在太空这样特殊的外部环境中，卫星上的芯片和模块需要考虑抗辐照、抗震动、宽温度范围等难题，这其中也会有新的机会。

第三，新的技术方案——激光通讯带来的新的创业投资机会。在地球上，基站之间靠光纤互联，但在太空中没办法使用光纤，如今业界倾向于在卫星之间使用空间激光通讯这种新技术。然而，由于近地卫星始终处于高速运动的状态，卫星之间的空间激光光束极其难瞄准、跟踪和保持。正因为激光通讯技术难并且是卫星互联的刚需技术，因此极具投资价值。

我们非常看好中国卫星互联网的发展，期待中国企业能在不远的将来，追赶甚至一定程度超越国际巨头。

本文来自微信公众号：峰瑞资本（ID：freesvc），作者：杨永成（峰瑞资本合伙人）