主頁(yè)(http://www.www.jjxinkai.com):軍用衛(wèi)星星座專題報(bào)告:對(duì)抗與反對(duì)抗,從保障性轉(zhuǎn)向作戰(zhàn)牽引 作者:孟祥杰、吳坤其、邱凈博 來源:未來智庫(kù)、廣發(fā)證券 一、衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的由來、應(yīng)用現(xiàn)狀及未來市場(chǎng)空間 (一)發(fā)展現(xiàn)狀:高軌高通量應(yīng)用居多,低軌與地面網(wǎng)絡(luò)融合互補(bǔ) 衛(wèi)星通信從線、面到空間立體化多維發(fā)展。衛(wèi)星通信是一種中繼節(jié)點(diǎn)運(yùn)行于太空的 特殊無線通信方式,始于1957年蘇聯(lián)第一顆低軌道地球衛(wèi)星Sputnik,1965年第一代通信衛(wèi)星Intelsat-1發(fā)射到地球靜止軌道標(biāo)志通信衛(wèi)星正式進(jìn)入商用階段。第一階段衛(wèi)星專線主要用于語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、電視傳輸和互聯(lián)網(wǎng)接入等服務(wù),在陸海光纜普及前是國(guó)際國(guó)內(nèi)電視和電信傳輸?shù)葮I(yè)務(wù)的主力軍,其中中速數(shù)據(jù)速率(IDR)制式在全球互聯(lián)、公共通信網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)方面功不可沒。第二階段甚小型口徑天線終端衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(VSAT)因其可自我組網(wǎng)、低成本、結(jié)構(gòu)靈活簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),在公用網(wǎng)絡(luò)骨干傳輸和用戶接入及各類專網(wǎng)互聯(lián)領(lǐng)域得到廣泛使用,直播到戶平臺(tái)(DTH)如中國(guó)戶戶通電視工程是其最大應(yīng)用領(lǐng)域,在3G、4G移動(dòng)通信和地面光纖通信興起后,VSAT仍在基站中繼、IP中繼、企業(yè)和政府專網(wǎng)、應(yīng)急通信等領(lǐng)域發(fā)揮獨(dú)特作用。第三階段 高通量通信衛(wèi)星提升通信帶寬和網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍,VSAT為衛(wèi)星寬帶化奠定了基礎(chǔ),但傳統(tǒng)靜止軌道(GEO)衛(wèi)星難以滿足用戶帶寬需求,高軌高通量衛(wèi)星(GEO HTS) 積極發(fā)展,中軌高通量(MEO HTS)和低軌高通量(LEO HTS)以大量衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)局部或全球互聯(lián),與地面網(wǎng)絡(luò)互補(bǔ)融合,形成空天地海網(wǎng)絡(luò)覆蓋。 高軌高通量衛(wèi)星應(yīng)用最多,低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)時(shí)延優(yōu)勢(shì)明顯。相比于傳統(tǒng)通信衛(wèi)星, 高通量衛(wèi)星雖然使用了相同的頻率資源,但通過多點(diǎn)波束、頻率復(fù)用和高波束增益 等關(guān)鍵技術(shù)有效提升了通信容量和傳輸速率,大幅降低了單位帶寬的租用成本,目 前被廣泛應(yīng)用。高軌高通量衛(wèi)星通信系統(tǒng)頻率協(xié)調(diào)相對(duì)容易,運(yùn)行壽命更長(zhǎng),系統(tǒng) 建設(shè)及維護(hù)成本相對(duì)更低,在通過點(diǎn)波束集中傳輸高帶寬容量方面性能突出。而低 軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)在覆蓋范圍、填補(bǔ)數(shù)字鴻溝、網(wǎng)絡(luò)延遲和系統(tǒng)容量等方面能力優(yōu)勢(shì)明 顯,用戶終端設(shè)備更易實(shí)現(xiàn)小型化、手持化。高中低軌組網(wǎng)所需衛(wèi)星數(shù)量依次增加, 高軌衛(wèi)星三顆即可實(shí)現(xiàn)全球覆蓋,而低軌衛(wèi)星需要數(shù)千數(shù)萬顆構(gòu)成“星座”來實(shí)現(xiàn)全球互聯(lián)。隨著低軌衛(wèi)星制造和發(fā)射成本降低、速度加快,具備大容量、低時(shí)延、低成本等特點(diǎn)的低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)成為衛(wèi)星通信重要發(fā)展方向。 低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)與地面網(wǎng)絡(luò)融合互補(bǔ)。據(jù)《低軌互聯(lián)網(wǎng)星座發(fā)展研究綜述》(吳樹 范等,2022),當(dāng)前全球互聯(lián)網(wǎng)的土地覆蓋率僅為20%左右,在廣大的海洋、沙漠和森林等地區(qū)現(xiàn)有地面網(wǎng)絡(luò)無法實(shí)現(xiàn)有效覆蓋。相比之下,衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)具有廣覆蓋、 不受空間限制、受自然災(zāi)害影響小等特征,可實(shí)現(xiàn)全球覆蓋。但由于其系統(tǒng)容量較 小,所能服務(wù)的用戶有限;流量密度比蜂窩系統(tǒng)低7個(gè)數(shù)量級(jí),不適應(yīng)在人群密集的區(qū)域使用;信號(hào)的建筑穿透力差,在城市中高層建筑和室內(nèi)環(huán)境下難以保障信號(hào)覆蓋,同時(shí)考慮終端價(jià)格高、重量尺寸大等因素,目前并不會(huì)成為地面網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的替代性產(chǎn)品,而是作為地面網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的有效補(bǔ)充,二者融合發(fā)展,構(gòu)建天地一體化全球網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。
(二)應(yīng)用場(chǎng)景:實(shí)現(xiàn)偏遠(yuǎn)地區(qū)覆蓋,為高速遠(yuǎn)距離場(chǎng)景提供解決方案 衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)偏遠(yuǎn)地區(qū)覆蓋,拓展互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。據(jù)《低軌互聯(lián)網(wǎng)星座發(fā)展 研究綜述》(吳樹范,2022),截至2021年全球約29億人處于離線狀態(tài)。據(jù)《“星 鏈”互聯(lián)網(wǎng)星座發(fā)展前景分析》(鄒明等,2020)援引FCC報(bào)告,2020年美國(guó)仍有 22.3%的農(nóng)村人口和1.5%的城市人口缺乏達(dá)到25/3 Mbps的固定寬帶覆蓋,地面固 定網(wǎng)絡(luò)速率偏低,且農(nóng)村地區(qū)寬帶短缺,住戶密度較低地區(qū)光纖平均成本較高,鋪 設(shè)進(jìn)展緩慢。而衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)連接成本與地形無關(guān)且覆蓋范圍廣,形成規(guī)模效應(yīng)后在 偏遠(yuǎn)地區(qū)可能具有價(jià)格優(yōu)勢(shì)。此外,衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)能夠覆蓋極地、沙漠、海洋、災(zāi)害 等,在傳統(tǒng)地面通信難以覆蓋的區(qū)域?qū)崟r(shí)獲取氣象預(yù)警、環(huán)境保護(hù)等信息。 為高速遠(yuǎn)距離場(chǎng)景提供網(wǎng)絡(luò)解決方案。由于飛機(jī)高鐵航海等高速或遠(yuǎn)距離交通工具 所經(jīng)區(qū)域無法實(shí)現(xiàn)全面網(wǎng)絡(luò)覆蓋,或即使覆蓋跨區(qū)行駛也會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)切換過于頻繁, 網(wǎng)絡(luò)速率較低穩(wěn)定性較差。如飛機(jī)目前有ATG和高軌衛(wèi)星通信兩種聯(lián)網(wǎng)方式,ATG技術(shù)受限于當(dāng)?shù)卣摺㈩l率和地面網(wǎng)絡(luò)覆蓋尤其是海洋上空等因素?zé)o法實(shí)現(xiàn)全球覆 蓋,而高軌衛(wèi)星傳輸速率有限且在跨半球航程中需要在不同衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商間切換,難以保障網(wǎng)絡(luò)全程高質(zhì)量連接。低軌互聯(lián)網(wǎng)通過多波束無縫切換配合機(jī)載、高鐵終端的自動(dòng)跟蹤捕捉功能,為高速移動(dòng)、長(zhǎng)距離場(chǎng)景提供網(wǎng)絡(luò)支持服務(wù)。 提供公網(wǎng)專用和專網(wǎng)專用服務(wù)。政企總部、外地辦事處或分公司可分別通過固定終 端接入衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng),終端與政企內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)連接;核心網(wǎng)通過虛擬化技術(shù)實(shí)現(xiàn)邏輯隔 離保障通信安全性,各地的員工即可以通過以太網(wǎng)口或WIFI接入政企專網(wǎng),實(shí)現(xiàn)公 網(wǎng)專用。在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的工業(yè)控制和自動(dòng)駕駛等業(yè)務(wù)場(chǎng)景,衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)可提供 端到端的網(wǎng)絡(luò)切片方案,包括頻率資源的切分,衛(wèi)星、信關(guān)站和核心網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)切片, 針對(duì)低時(shí)延的單跳落地等,以滿足不同行業(yè)專網(wǎng)對(duì)帶寬、低時(shí)延、高可靠、大連接的需求差異。
(三)政策支持:稀缺頻譜資源、太空產(chǎn)業(yè)發(fā)展、信息化升級(jí)為背景 稀缺頻譜資源、太空產(chǎn)業(yè)發(fā)展、信息化升級(jí)背景下,主要國(guó)家對(duì)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)板塊支 持力度逐步加大。隨著第四次產(chǎn)業(yè)革命的快速發(fā)展和關(guān)鍵技術(shù)的更新迭代,太空正 成為國(guó)際戰(zhàn)略競(jìng)爭(zhēng)的新制高點(diǎn),利用ITU頻軌同時(shí)申請(qǐng)、先申先得、先發(fā)先得的規(guī)則, 各國(guó)紛紛在太空領(lǐng)域頻頻加碼,以加速搶占總量有限的低軌衛(wèi)星頻率和軌道資源。 中國(guó)2020年正式將衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)納入新基建范圍,多項(xiàng)政推動(dòng)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)與發(fā) 展。例如,2020年4月,國(guó)家發(fā)改委將衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)首次納入中國(guó)“新基建”范圍,正 式成為國(guó)家未來重點(diǎn)投資和發(fā)展對(duì)象。同時(shí),以中國(guó)航天科技集團(tuán)和中國(guó)航天科工 為主的兩大央企分別提出了“鴻雁星座”和“虹云工程”低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)計(jì)劃,并發(fā) 射了試驗(yàn)衛(wèi)星。2021年4月28日中國(guó)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)集團(tuán)有限公司(星網(wǎng)集團(tuán))掛牌成立, 由國(guó)務(wù)院國(guó)有資產(chǎn)監(jiān)督管理委員會(huì)代表國(guó)務(wù)院履行出資人職責(zé),星網(wǎng)集團(tuán)成立將有 力地推動(dòng)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)空間段原材料雙邊市場(chǎng)建設(shè)、地面段通信網(wǎng)絡(luò)間融合運(yùn)營(yíng)、用 戶端“通導(dǎo)遙”數(shù)據(jù)共享,助衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)全面快速發(fā)展。 美國(guó)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)起步較早,目前SpaceX的星鏈計(jì)劃從規(guī)模看處于行業(yè)領(lǐng)先水平。在1987年,美國(guó)摩托羅拉公司已提出衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的雛形銥星計(jì)劃。據(jù)《國(guó)際和 國(guó)家安全視角下的美國(guó)“星鏈”計(jì)劃及其影響》(余南平),2015年美國(guó)SpaceX公司推出星鏈(Starlink)計(jì)劃,該項(xiàng)目計(jì)劃在2019~2027年,通過發(fā)射1.2萬顆距地球340千米、550千米和1150千米的三層近地軌道衛(wèi)星,最終使所有衛(wèi)星鏈接成一個(gè)巨大的衛(wèi)星星座。項(xiàng)目最初計(jì)劃分三期完成,第一期在距地550千米的軌道部署約1600顆衛(wèi)星,其中在20年底前用800顆衛(wèi)星滿足美國(guó)、加拿大及北美地區(qū)的天基高速互聯(lián) 網(wǎng)需求;第二期分別在距地550千米、1130千米、1275千米、1325千米的軌道部署 約2800顆Ku波段和Ka波段衛(wèi)星,完成全球組網(wǎng);第三期在距地340千米的軌道部署 約7500顆V波段衛(wèi)星。三期計(jì)劃完成后,就可覆蓋全球。2017年美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研 究計(jì)劃局發(fā)布Blackjack計(jì)劃,旨在開發(fā)一個(gè)低地球軌道星座,為軍事行動(dòng)提供全球 覆蓋,該網(wǎng)絡(luò)為美國(guó)國(guó)防部提供高度連接、彈性和持久作戰(zhàn)通信覆蓋。
英國(guó)制定國(guó)家太空戰(zhàn)略,入股衛(wèi)星公司OneWeb。2017年,英國(guó)政府在衛(wèi)星和空間科學(xué)領(lǐng)域空間頻譜戰(zhàn)略報(bào)告中表示,要進(jìn)一步放寬非同步軌道衛(wèi)星的頻譜使用,提 高衛(wèi)星通信頻譜的利用率。2020年,英國(guó)斥資4億英鎊入股衛(wèi)星公司OneWeb。同年, 英國(guó)航天局推出天基定位導(dǎo)航與授時(shí)(PNT)計(jì)劃,旨在提供全球高速互聯(lián)網(wǎng)接入的衛(wèi)星星座,并確保英國(guó)在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)領(lǐng)域處于前沿地位。2021年9月,英國(guó)政府發(fā)布首個(gè)《國(guó)家太空戰(zhàn)略》,計(jì)劃在人工智能、應(yīng)用開發(fā)、地球觀測(cè)、導(dǎo)航和太空領(lǐng) 域感知構(gòu)建服務(wù)、衛(wèi)星寬帶業(yè)務(wù)等高增長(zhǎng)領(lǐng)域進(jìn)一步發(fā)展其領(lǐng)導(dǎo)地位。 (四)星座建設(shè):星鏈星座發(fā)展最快,國(guó)內(nèi)多個(gè)國(guó)有與商業(yè)星座計(jì)劃開啟 美國(guó)星鏈(Starlink)星座是目前在軌衛(wèi)星數(shù)量最多、發(fā)射頻度最快、規(guī)模最大的星 座項(xiàng)目之一。美國(guó)SpaceX公司2015年1月宣布衛(wèi)星通信星座星鏈建設(shè)計(jì)劃,旨在為全球用戶,特別是農(nóng)村和偏遠(yuǎn)地區(qū)用戶提供高速互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)。根據(jù)SpaceX向美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)提交的申請(qǐng),星鏈星座主要分為兩個(gè)建設(shè)階段:第一階段計(jì)劃部署1.2萬顆低軌衛(wèi)星,第二階段計(jì)劃部署3萬顆低軌衛(wèi)星,組成共計(jì)4.2萬顆的龐大衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座系統(tǒng)。 星鏈一代衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用逐步落地。SpaceX自2019年5月24日開始為星鏈第一代 (Gen1)發(fā)射第一批衛(wèi)星,具有星間激光通信的衛(wèi)星開始常態(tài)化批量入軌。應(yīng)用上, 星鏈的測(cè)試版服務(wù)產(chǎn)品已在全球超過20個(gè)國(guó)家/地區(qū)推出。據(jù)《淺析“星鏈”衛(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)展及其影響》(左海等,2022),第一代星鏈星座采用(頻雙分工)FDD傳輸模式,主要使用Ka、Ku和V頻段,其中下行鏈路主要采用Ku頻段10.7~12.7GHz, 總可用帶寬達(dá)到2GHz,單載波帶寬250MHz;上行主要采用Ka頻段14.0~14.5GHz, 總可用帶寬500MHz,單載波帶寬125MHz;V頻段主要在VLEO(極低地球軌道)使用。星鏈衛(wèi)星單個(gè)用戶鏈路傳輸速率最高達(dá)1Gbps,每顆衛(wèi)星可提供17~23Gbps的下行容量,鏈路時(shí)延約為15ms~20ms,極大縮短了傳統(tǒng)衛(wèi)星通信時(shí)延。 星鏈二代衛(wèi)星進(jìn)一步升級(jí)。據(jù)《Starlink第二代系統(tǒng)介紹》(劉帥軍,2020),星鏈 第二代(Gen2)3萬顆衛(wèi)星計(jì)劃分布在328~614km共計(jì)75個(gè)軌道面上,在每個(gè)衛(wèi)星有效載荷上利用先進(jìn)的相控陣波束成型、數(shù)字處理技術(shù),高效利用頻譜資源,并與其他天基和地面許可用戶靈活共享頻譜。用戶終端將采用高度定向的可調(diào)向天線波束,以跟蹤系統(tǒng)的衛(wèi)星。關(guān)口站將生成高增益定向波束以與星座內(nèi)多個(gè)衛(wèi)星進(jìn)行通信。據(jù)《Starlink第二代系統(tǒng)介紹》(劉帥軍等,2020),第二代系統(tǒng)衛(wèi)星也將采用星間鏈路,將Ku頻段用于用戶鏈路,Ka頻段用于用戶鏈路、饋電電路,使用E頻段與關(guān)口站進(jìn)行通信。
One Web星座主要面向企業(yè)、政府、軍隊(duì)。據(jù)《從“一網(wǎng)”(OneWeb)衛(wèi)星探究 衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)面臨的風(fēng)險(xiǎn)與挑戰(zhàn)》(崔瀟瀟,2022),One Web星座采用開放式架構(gòu), 即可在原有系統(tǒng)基礎(chǔ)上通過增加新衛(wèi)星提升星座整體容量,具體分為三個(gè)階段實(shí)施:第一階段由648顆Ku/Ka低軌衛(wèi)星構(gòu)成,分布在軌道高度為1200km的18個(gè)軌道面上, 星座容量達(dá)到7Tbit/s,可為用戶提供峰值速率為500Mbit/s的寬帶服務(wù),延遲約為50ms;第二階段增加720顆V頻段衛(wèi)星,組成與初期星座的軌道高度相同的“亞星座”, 星座容量擴(kuò)至120Tbit/s;第三階段增加1280顆V頻段衛(wèi)星,運(yùn)行在中地球軌道,星座容量達(dá)1000Tbits。整個(gè)星座可根據(jù)覆蓋區(qū)域內(nèi)的服務(wù)需求和數(shù)據(jù)流量情況,在低軌 和中軌之間進(jìn)行“動(dòng)態(tài)地分配流量”。計(jì)劃2022年底前完成初期星座648顆星部署, 2026年8月前部署一半數(shù)量衛(wèi)星,2029年完成One Web星座構(gòu)建。 2020年9月,中國(guó)申請(qǐng)包含12992顆衛(wèi)星的兩個(gè)低軌衛(wèi)星星座,多個(gè)國(guó)有和商業(yè)星座 計(jì)劃開啟。據(jù)《低軌互聯(lián)網(wǎng)星座發(fā)展研究綜述》(吳樹范,2022年),2020年9月, 我國(guó)正式向ITU提交了低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座的軌道和頻率申請(qǐng)資料,星座代號(hào)為 “GW”,共計(jì)12992顆衛(wèi)星。目前國(guó)有集團(tuán)提出鴻雁星座、虹云工程、行云工程和天象星座等計(jì)劃,商業(yè)航天公司有銀河5G、微厘空間、天基物聯(lián)網(wǎng)等計(jì)劃。例如, 鴻雁計(jì)劃由中國(guó)航天科技集團(tuán)于2016年提出,該系統(tǒng)計(jì)劃由300多顆低軌衛(wèi)星及全球數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)處理中心組成,軌道高度約1000km,具備星間鏈路,能夠使全球數(shù)據(jù)均可回傳國(guó)內(nèi)落地從而保障海內(nèi)外用戶數(shù)據(jù)安全。2018年12月29日,鴻雁星座首顆試 驗(yàn)星由長(zhǎng)征二號(hào)丁運(yùn)載火箭(及遠(yuǎn)征三號(hào)上面級(jí))攜帶發(fā)射成功并送入預(yù)定軌道, 預(yù)計(jì)到2023年將建設(shè)成骨干星座系統(tǒng),為全球用戶提供服務(wù)。虹云工程和行云工程 均屬于中國(guó)航天科工集團(tuán)的“五云一車”商業(yè)航天工程,虹云工程計(jì)劃發(fā)射156顆衛(wèi) 星,在1000km軌道上組網(wǎng)運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)無差別的全球覆蓋。 (五)空間:2025 年前全球衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)值可達(dá) 5600 億~8500 億美元 全球衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)保持增長(zhǎng),在航天產(chǎn)業(yè)中占據(jù)主導(dǎo)地位。據(jù)SIA官網(wǎng),全球航天產(chǎn)業(yè)在2021年收入達(dá)3860億美元,較2020年增長(zhǎng)4%,衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)在其中占主導(dǎo)地位,收入為2790億美元,占比高達(dá)72%,2019年至2021年全球航天產(chǎn)業(yè)和衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)收入均保持增長(zhǎng)。在衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)中,衛(wèi)星制造、發(fā)射、地面設(shè)備和服務(wù)收入分別為137億美元、 57億美元、1420億美元和1180億美元,地面設(shè)備對(duì)衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)貢獻(xiàn)最高。據(jù)鋮昌科技援引歐洲咨詢公司Euroconsult 2020年報(bào)告預(yù)測(cè),2019年-2028年全球衛(wèi)星制造和發(fā) 射的數(shù)量將比前十年增加4.3倍,2009年-2018年全球平均每年發(fā)射230顆衛(wèi)星,預(yù)計(jì)2018年-2028年平均每年發(fā)射990顆衛(wèi)星,市場(chǎng)容量達(dá)到2920億美元,衛(wèi)星市場(chǎng)預(yù)計(jì)將進(jìn)入快速發(fā)展階段。
(六)發(fā)展方向:容量更大、頻率更高,高低軌衛(wèi)星協(xié)同發(fā)展為趨勢(shì) 衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)通信向容量更大、頻率更高的方向發(fā)展。高通量衛(wèi)星相較傳統(tǒng)衛(wèi)星具有 無縫覆蓋和高吞吐量的優(yōu)勢(shì),在頻譜空間資源日益緊張的背景下需求快速增長(zhǎng),從 而推動(dòng)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)通信向頻率更高的頻段發(fā)展。2019年10月,SpaceX公司向國(guó)際電信聯(lián)盟ITU報(bào)送了30000顆衛(wèi)星的網(wǎng)絡(luò)資料,這一期3萬顆衛(wèi)星代號(hào)為Starlink Gen2。據(jù)《Starlink第二代系統(tǒng)介紹》(劉帥軍等,2020),從頻段來看,相比于第一代系 統(tǒng)僅采用Ku、Ka頻段而言,Starlink第二代系統(tǒng)將使用Ku、Ka和E頻段頻譜。對(duì)于用 戶終端下行鏈路最大2000MHz,上行鏈路最大125 MHz;對(duì)于關(guān)口站而言上下行最 大均為5000MHz。二代系統(tǒng)的容量、頻率可用性和頻率復(fù)用的增加,極大地增加了可以服務(wù)的用戶數(shù)量。 衛(wèi)星激光星間鏈路較傳統(tǒng)微波鏈路優(yōu)勢(shì)明顯,受限于ATP系統(tǒng)性能等因素,短期內(nèi) 激光星間鏈路無法完全取代微波星間鏈路,二者將協(xié)同工作。微波星間鏈路具有頻 帶寬、抗干擾能力強(qiáng)、組網(wǎng)靈活等特點(diǎn),但隨著衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不斷發(fā)展,通信需求 快速增長(zhǎng),微波鏈路越來越難以滿足需求,通信系統(tǒng)之間的干擾問題也日益凸顯。與微波鏈路相比,激光鏈路優(yōu)勢(shì)明顯,具體體現(xiàn)為:(1)調(diào)制帶寬增加。現(xiàn)階段衛(wèi)星激光鏈路使用頻段遠(yuǎn)高于微波鏈路的通信頻段,使通信帶寬有效增加、通信容量顯著提升;(2)輕量化、小型化。光波的波長(zhǎng)是射頻與微波波長(zhǎng)的1/100000~1/1000, 因此激光鏈路所需天線的尺寸遠(yuǎn)小于微波天線;(3)抗干擾與保密性能增強(qiáng)。激光 信號(hào)較小的光束發(fā)散角可以有效避免通信過程因受到其他信號(hào)的干而降低通信質(zhì)量, 保證通信的可靠性。據(jù)《導(dǎo)航星座激光/微波星間鏈路協(xié)同網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渑c路由研究》(王呈倬,2019),激光星間鏈路需配有復(fù)雜的ATP系統(tǒng),通信條件嚴(yán)格,短時(shí)間內(nèi)微 波星間鏈路難以被激光星間鏈路代替,激光星間鏈路與微波星間鏈路將在今后一段 時(shí)間內(nèi)與微波星間鏈路長(zhǎng)期共存,協(xié)同工作。
高低軌衛(wèi)星協(xié)同發(fā)展,構(gòu)建天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)是未來發(fā)展趨勢(shì)。通信衛(wèi)星的常用 軌道主要包括地球靜止軌道(GEO)、低地球軌道(LEO)、中地球軌道(MEO)、 太陽(yáng)同步軌道(SSO)和傾斜地球同步軌道(IGSO)等。目前衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)主要布局 于地球靜止軌道(GEO)和低地球軌道(LEO),不同軌道衛(wèi)星融合已成為發(fā)展趨勢(shì)。高低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)通過微波鏈路、太赫茲鏈路或激光鏈路星間相連,構(gòu)建天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)中的天基信息網(wǎng)絡(luò)。據(jù)《我國(guó)低軌衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)分析》 (趙鵬等,2021),高低軌通信衛(wèi)星各自優(yōu)勢(shì)存在不足,單獨(dú)組網(wǎng)都無法滿足未來天基信息網(wǎng)絡(luò)的需求,高低軌衛(wèi)星聯(lián)合組網(wǎng),單星與星座互補(bǔ)是未來發(fā)展的趨勢(shì)。 二、衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)在國(guó)防軍事領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展前景 (一)軍事應(yīng)用:戰(zhàn)場(chǎng)通信、態(tài)勢(shì)偵查、導(dǎo)航協(xié)助、攻擊和防御等 在偵察方面,“星鏈”低軌星座衛(wèi)星數(shù)量多、重訪周期短,每個(gè)國(guó)家上空很短一段時(shí) 間就會(huì)有幾顆衛(wèi)星過境 ,通過在衛(wèi)星上搭載相應(yīng)的傳感器,可實(shí)現(xiàn)對(duì)全球近乎全天 候不間斷的偵察和監(jiān)視。據(jù)人民網(wǎng)2020年6月轉(zhuǎn)載解放軍報(bào)《美“星鏈計(jì)劃”威脅太 空和平》新聞,2019年11月,美國(guó)國(guó)防部宣布籌劃建設(shè) “莊家”系統(tǒng),力圖通過低軌 道衛(wèi)星收集數(shù)據(jù),進(jìn)行信息融合處理,覆蓋全球范圍。未來美軍有可能通過“星鏈” 衛(wèi)星載荷搭載有關(guān)的遙感器,其或?qū)⒊蔀椤扒f家”系統(tǒng)的重要搭載平臺(tái),從而大大提高 對(duì)地監(jiān)視偵察和太空感知能力,強(qiáng)化美軍的偵察監(jiān)視優(yōu)勢(shì)。 在導(dǎo)航方面,衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)將進(jìn)一步提升美軍導(dǎo)航定位能力。據(jù)《美國(guó)“星鏈”低軌 星座軍事應(yīng)用前景探析》(楊廣華等,2022),從技術(shù)上看,“星鏈”衛(wèi)星具有比GPS衛(wèi)星更高的通信速度,可傳輸大量數(shù)據(jù),通過衛(wèi)星上的GPS接收器可以同現(xiàn)有GPS衛(wèi)星信號(hào)相結(jié)合,將“星鏈”打造成衛(wèi)星定位和導(dǎo)航系統(tǒng),可以將用戶位置精 度達(dá)到30cm以內(nèi),同時(shí),由于衛(wèi)星信號(hào)較強(qiáng),更不容易被地面干擾系統(tǒng)干擾。據(jù)稱, 美國(guó)陸軍研究得到初步結(jié)論認(rèn)為,“星鏈”低軌星座成本低、不易被干擾,且精度更 高,可作為一種替代性的全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)。因此,充分利用“星鏈”衛(wèi)星軌道低、 信號(hào)強(qiáng)、密度高等特點(diǎn),某種程度上可彌補(bǔ)GPS系統(tǒng)的不足,將進(jìn)一步提升美軍導(dǎo) 航定位能力。 在攻擊和防御方面,美軍可依托“星鏈”打造聯(lián)通全域的作戰(zhàn)系統(tǒng),搭載導(dǎo)彈預(yù)警 載荷的多顆 “星鏈”衛(wèi)星通過協(xié)作可在軌進(jìn)行高可靠導(dǎo)彈防御。據(jù)《美國(guó)“星鏈” 低軌星座軍事應(yīng)用前景探析》(楊廣華等,2022),各軍兵種指控系統(tǒng)可通過太空 網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)態(tài)勢(shì)共享、協(xié)同作戰(zhàn),以及跨軍兵種殺傷鏈的交聯(lián)與閉合,打造以網(wǎng)制鏈 的優(yōu)勢(shì)。因此,美軍可依托“星鏈”卓越的通信能力打造聯(lián)通全域的作戰(zhàn)系統(tǒng),借助 于自身高位優(yōu)勢(shì),綜合集成能夠?qū)嵤┩敢曅畔ⅰ⒆灾鲗W(xué)習(xí)、連續(xù)跟蹤、持續(xù)打擊、實(shí) 時(shí)評(píng)估等任務(wù)的載荷或能力,構(gòu)建起全時(shí)段可用、全鏈路賦能、全球域作戰(zhàn)的太空 殺傷鏈。“星鏈”與“薩德”系統(tǒng)、“宙斯盾”系統(tǒng)、指控系統(tǒng)、預(yù)警跟蹤系統(tǒng)等連 接,可實(shí)時(shí)將威脅目標(biāo)信息傳輸至各作戰(zhàn)單元,加快防空反導(dǎo)殺傷鏈的閉合速度。預(yù)警衛(wèi)星實(shí)施全時(shí)探測(cè),發(fā)現(xiàn)情況后迅速通過太空殺傷鏈“星鏈”通信層向全域作 戰(zhàn)單元進(jìn)行預(yù)警。“星鏈”和海陸空情監(jiān)偵系統(tǒng)全程跟蹤威脅目標(biāo),觀測(cè)其發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān) 機(jī)點(diǎn)、預(yù)測(cè)其彈道和落點(diǎn)、研判威脅類型和真假?gòu)楊^,并通過指控系統(tǒng)適時(shí)進(jìn)行攔 截。此外,“星鏈”系統(tǒng)還可利用自動(dòng)變軌能力,在必要時(shí)將待退役衛(wèi)星推送至威脅 目標(biāo)彈道實(shí)現(xiàn)碰撞式攔截。
“星鏈”等低軌衛(wèi)星可作為整個(gè)太空殺傷鏈的信息傳輸層。低軌衛(wèi)星向上能夠作為 中高軌衛(wèi)星的通信樞紐和太空計(jì)算節(jié)點(diǎn),處理中高軌衛(wèi)星對(duì)作戰(zhàn)目標(biāo)的跟蹤、監(jiān)視 等信息,實(shí)現(xiàn)更快、更大范圍跟蹤地面、海上及空中目標(biāo);向下聯(lián)通全域作戰(zhàn)指揮控 制系統(tǒng)和陸、海、空、電、網(wǎng)等多域作戰(zhàn)力量,用“系統(tǒng)-系統(tǒng)”的數(shù)據(jù)交換方式取 代“人-機(jī)”的數(shù)據(jù)交換方式,從而將數(shù)據(jù)跨域、跨系統(tǒng)的交互時(shí)間縮短至毫秒級(jí), 大幅提升殺傷鏈閉合速度。全域作戰(zhàn)單元可通過“星鏈”實(shí)現(xiàn)星上數(shù)據(jù)和分域傳感 器數(shù)據(jù)的共享共用,以及數(shù)據(jù)的一體化獲取、處理、分發(fā),將太空作戰(zhàn)能力延伸至戰(zhàn) 場(chǎng)末端。 (二)對(duì)抗星鏈:干擾上行、下行鏈路及轉(zhuǎn)發(fā)器,定向能反衛(wèi)星武器等 對(duì)抗“星鏈”或可基于現(xiàn)有電子對(duì)抗裝備和手段。據(jù)《“星鏈”在俄烏沖突中的應(yīng) 用及對(duì)策淺析》(劉業(yè)民等,2023),基于“星鏈”衛(wèi)星用戶工作模式示意圖,干 擾或破壞其中任何一條路由都可以致使網(wǎng)絡(luò)中斷,其對(duì)抗“星鏈”可以參考干擾衛(wèi) 星的上行鏈路、干擾衛(wèi)星的下行鏈路和對(duì)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器實(shí)施硬摧毀三種思路。但短期 內(nèi)無論是軟殺傷還是硬殺傷手段,均處于一種被動(dòng)的應(yīng)對(duì)階段,并未從根本上真正 實(shí)現(xiàn)與“星鏈”系統(tǒng)的抗衡。 “星鏈”衛(wèi)星的龐大數(shù)量造就了其較強(qiáng)的抗毀傷性和韌性,使得傳統(tǒng)針對(duì)單顆衛(wèi)星 對(duì)的攻擊武器失效。以美俄為代表的太空力量強(qiáng)國(guó)都擁有成熟的導(dǎo)彈反衛(wèi)能力,但 成本較高。定向能反衛(wèi)星武器如激光武器、粒子束武器或可有效對(duì)抗大規(guī)模低軌衛(wèi) 星。此外,俄羅斯開發(fā)“白芷”反星鏈系統(tǒng),能夠有效偵察、定位星鏈終端設(shè)備,對(duì)地面通信終端實(shí)施有效打擊;發(fā)展智能型反小型無人機(jī)系統(tǒng),提升反無人機(jī)作戰(zhàn)效 能具有重要意義。
從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度來看,反“星鏈”建議應(yīng)從大力研發(fā)火箭回收技術(shù)、發(fā)展自身衛(wèi)星系統(tǒng) 建設(shè),以及研發(fā)低軌反衛(wèi)星武器(如同軌伴飛平臺(tái))等方面入手。據(jù)《“星鏈”在俄 烏沖突中的應(yīng)用及對(duì)策淺析》(劉業(yè)民等,2023),首先,應(yīng)大力研發(fā)火箭回收技 術(shù)及“一箭多星”和“拼車”等發(fā)射模式。在太空資源有限的前提下,高昂的火箭發(fā) 射成本會(huì)降低我國(guó)在太空領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)力,從而喪失了在太空領(lǐng)域作戰(zhàn)的主動(dòng)權(quán)。因 此,不僅需要加快研究火箭回收技術(shù)降低發(fā)射成本,同時(shí)也需要開發(fā)類似于“一箭 多星”和“拼車”的發(fā)射模式,提高衛(wèi)星發(fā)射效率,從而能夠快速構(gòu)建國(guó)家的巨型星 鏈系統(tǒng)。其次,應(yīng)大力發(fā)展自身的互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星星座建設(shè)。根據(jù)國(guó)際電信聯(lián)盟規(guī)定,軌 道和頻譜資源以“先到先得”方式分配,后申報(bào)方不能對(duì)先申報(bào)國(guó)家的衛(wèi)星產(chǎn)生不 利干擾。因此,抓住有利時(shí)機(jī),提早建設(shè)和利用低軌星座系統(tǒng),不僅能夠搶占有限的 低軌軌道資源,而且有利于搶占頻譜主動(dòng)權(quán)。與此同時(shí),應(yīng)積極發(fā)展低軌道反“星 鏈”措施。在伴飛星與同軌“星鏈”集群距離極近的位置,對(duì)其實(shí)施相同時(shí)頻域、精 確控制波束指向的瞄準(zhǔn)式電子干擾,其干擾效果將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過設(shè)立在地面的干擾設(shè)備。此外,采用同軌伴飛平臺(tái),還可以搭載一定數(shù)量可分離的離子電推進(jìn)器,破壞“星 鏈”衛(wèi)星的姿態(tài)控制能力。 三、復(fù)盤:美國(guó)軍用星座計(jì)劃的需求動(dòng)因及計(jì)劃安排 (一)背景:從保障性為主的能力驅(qū)動(dòng),轉(zhuǎn)向以作戰(zhàn)應(yīng)用牽引的威脅驅(qū)動(dòng) 美國(guó)希望在太空中建立全面的軍事優(yōu)勢(shì)。據(jù)《從美國(guó)國(guó)防太空戰(zhàn)略看“星鏈”的軍 事應(yīng)用》(黃志澄,2020年),近年來美國(guó)在軍事航天領(lǐng)域一直為未來的大國(guó)競(jìng)爭(zhēng) 積極“備戰(zhàn)”。例如,2019年12月正式通過國(guó)防授權(quán)法案建立太空軍,成為第六支 獨(dú)立武裝力量。2020年6月,美國(guó)國(guó)防部向公眾公開《國(guó)防太空戰(zhàn)略概要》,該戰(zhàn)略 圍繞提升美國(guó)太空綜合軍事優(yōu)勢(shì),對(duì)加快形成太空作戰(zhàn)能力戰(zhàn)略指導(dǎo)。 高軌衛(wèi)星生存能力低,低軌星座或成發(fā)展趨勢(shì)之一。據(jù)《美國(guó)軍用低軌星座發(fā)展計(jì) 劃及關(guān)鍵技術(shù)分析》(姚延風(fēng),2022年),美國(guó)國(guó)家安全空間(NSS)運(yùn)行在地球 同步軌道上,為美軍在全球提供持續(xù)性訪問接入,對(duì)美國(guó)作戰(zhàn)能力至關(guān)重要。在美 國(guó)當(dāng)前太空架構(gòu)中,每個(gè)星座都由少量大型精密衛(wèi)星組成,雖然現(xiàn)役衛(wèi)星功能強(qiáng)大, 但生存能力不足,如果衛(wèi)星失效或被摧毀,則需要數(shù)年時(shí)間才能夠更換,對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)產(chǎn)生重大影響。低軌星座以其低時(shí)延、快速響應(yīng)、功能擴(kuò)展性強(qiáng)等顯著優(yōu)勢(shì)成為體系 轉(zhuǎn)型焦點(diǎn)。從技術(shù)角度看,巨型低軌星座高時(shí)空密度、高功能密度及超低時(shí)延的優(yōu)勢(shì),將大幅增強(qiáng)戰(zhàn)術(shù)級(jí)作戰(zhàn)保障能力,提高各軍種聯(lián)合指揮、協(xié)同作戰(zhàn),以及信息系統(tǒng)及各類感知平臺(tái)和武器平臺(tái)一體化的體系作戰(zhàn)保障能力。 美國(guó)發(fā)展低軌星座需求方向或可分為彈性分散、戰(zhàn)術(shù)信息支撐,以及網(wǎng)云體系支撐 三大需求。據(jù)《美國(guó)軍用低軌星座發(fā)展計(jì)劃及關(guān)鍵技術(shù)分析》(姚延風(fēng),2022年), (1)彈性分散需求,由美國(guó)空軍航天司令部于2013年提出,目的是形成太空威懾力、 強(qiáng)化空間體系抗毀能力,并為太空作戰(zhàn)域構(gòu)建強(qiáng)大的裝備體系,包括導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星、 通信衛(wèi)星、導(dǎo)航衛(wèi)星、偵查衛(wèi)星領(lǐng)域等。例如,在導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星方面,根據(jù)最新規(guī)劃,未來美軍將逐步取消昂貴的高預(yù)警衛(wèi)星項(xiàng)目距,重點(diǎn)發(fā)展中軌、低軌預(yù)警衛(wèi)星。(2)戰(zhàn)術(shù)信息支撐需求,從技術(shù)角度,巨型低軌星座高時(shí)空密度、高功能密度及超 低時(shí)延的優(yōu)勢(shì),將大幅增強(qiáng)戰(zhàn)術(shù)級(jí)作戰(zhàn)保障能力,提高各軍種聯(lián)合指揮、各軍種協(xié) 同作戰(zhàn)等。(3)網(wǎng)云體系支撐需求,擬充分利用大規(guī)模商業(yè)低軌星座成果,全面開發(fā)軟件定義、分布計(jì)算架構(gòu),加速一星多用、云端服務(wù)模式等。 (二)架構(gòu):提出 7 層下一代太空體系架構(gòu),千余顆衛(wèi)星組成數(shù)十個(gè)星座 美國(guó)當(dāng)前致力于創(chuàng)建一個(gè)“擴(kuò)大數(shù)量、增加彈性”的太空體系架構(gòu),建立以組網(wǎng)分 布式小衛(wèi)星為主的太空系統(tǒng)。美國(guó)太空發(fā)展局(SDA,2019年3月成立,現(xiàn)隸屬于美國(guó)太空軍)負(fù)責(zé)定義、規(guī)劃和 組織建設(shè)美國(guó)未來的空間能力架構(gòu),并加快發(fā)展和部署新的太空軍事能力,以謀求 美國(guó)在太空國(guó)防領(lǐng)域不斷保持軍事技術(shù)領(lǐng)先的優(yōu)勢(shì)。美國(guó)目前太空架構(gòu)中每個(gè)星座由少量大型精密衛(wèi)星組成,功能強(qiáng)大但生產(chǎn)能力不足。據(jù)《美國(guó)“下一代太空體系架構(gòu)”分析》(胡旖旎,2021年),在美國(guó)目前太空架構(gòu)中,每個(gè)星座都由少量大型精密衛(wèi)星組成,現(xiàn)役衛(wèi)星雖然功能強(qiáng)大,但生產(chǎn)能力不足,任意一顆衛(wèi)星被摧毀或失效都可能對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)產(chǎn)生重大影響,需要探索新的平臺(tái)。在目前的軍事系統(tǒng)中,一兩顆衛(wèi)星的損失可能是毀滅性的,但由數(shù)百顆衛(wèi)星組成的衛(wèi)星星座可以忽略一兩顆衛(wèi)星的損失,因此美國(guó)太空發(fā)展局致力于創(chuàng)建一個(gè)“擴(kuò)大數(shù)量、增加彈性”的架構(gòu),由數(shù)百顆承載多種有效載荷的小型衛(wèi)星組成。盡管SDA 未來的太空架構(gòu)由小型衛(wèi)星構(gòu)成,但不影響美國(guó)繼續(xù)使用和建造大型精密衛(wèi)星。
美國(guó)發(fā)布“下一代國(guó)防太空體系架構(gòu)”概念,將更多利用小衛(wèi)星星座,代替現(xiàn)有的 少量的、大型高價(jià)值衛(wèi)星,以提高天基系統(tǒng)的靈活性和抗毀傷能力。美國(guó)將下一代太空體系建設(shè)的軍事需求明確指向了導(dǎo)彈防御和太空對(duì)抗。據(jù)《美國(guó) “下一代太空體系架構(gòu)”分析》(胡旖旎,2021年),2019年7月,SDA發(fā)布第一份 信息征詢書,將下一代太空體系建設(shè)的軍事需求明確指向了導(dǎo)彈防御和太空對(duì)抗。SDA指出,在一些國(guó)家反衛(wèi)星武器、網(wǎng)絡(luò)攻擊和共軌航天器不斷發(fā)展的情況下,以 大型航天器為主的太空體系一旦被摧毀,短時(shí)間內(nèi)難以補(bǔ)充,也就是彈性上不足, 同時(shí)現(xiàn)有太空架構(gòu)和裝備無法應(yīng)對(duì)尤其是高超聲速的及時(shí)預(yù)警和跟蹤。美國(guó)提出新研制千余顆小衛(wèi)星、組成幾十個(gè)星座的“下一代國(guó)防太空體系架構(gòu)”。據(jù) 《美國(guó)國(guó)防太空體系架構(gòu)發(fā)展淺析》(任遠(yuǎn)楨,2023年),SDA于2019年首次提出 下一代國(guó)防太空體系架構(gòu)的概念,計(jì)劃與商業(yè)航天力量合作,快速開發(fā)和部署一個(gè) 激增的、多功能的由小衛(wèi)星(50~500千克)組成的星座群,按照該體系架構(gòu)規(guī)劃, 預(yù)計(jì)將新研制千余顆小衛(wèi)星,組成幾十個(gè)星座,并通過國(guó)防部整合美國(guó)已有軍事及 商業(yè)太空能力。 SDA建議的“下一代國(guó)防太空體系架構(gòu)”由七層構(gòu)成。SDA的征詢書建議包含7層 架構(gòu),分別為傳輸層、作戰(zhàn)管理層、跟蹤層、監(jiān)管層、導(dǎo)航層、威懾層以及支持層, 綜合看提供包括層提供了通信傳輸、指揮控制、預(yù)警跟蹤、偵察監(jiān)視、導(dǎo)航授時(shí)、太空控制及應(yīng)急補(bǔ)充能力。其中,以太空傳輸層為基礎(chǔ)以7層架構(gòu)打造智能化的天基信息網(wǎng)絡(luò),全面提升天基信息網(wǎng)絡(luò)多域通聯(lián)、情報(bào)感知、指揮控制決策、戰(zhàn)略評(píng)估與支 援的能力,支撐未來全域作戰(zhàn)目標(biāo),共同為面向未來的一體化聯(lián)合作戰(zhàn)賦能。 美國(guó)SDA的國(guó)防天空體系架構(gòu)建設(shè)初步分為5個(gè)階段、預(yù)計(jì)2030年完成。據(jù)《美國(guó) 國(guó)防太空體系架構(gòu)發(fā)展淺析》(任遠(yuǎn)楨,2023年),美國(guó)SDA針對(duì)國(guó)防太空體系架 構(gòu)提出的核心發(fā)展愿景主要包括三方面,如實(shí)現(xiàn)全球?qū)崟r(shí)PNT(定位、導(dǎo)航和授時(shí)) 與通信傳輸能力、綜合全面的天基感知能力,以及全維指揮、控制和執(zhí)行能力。瞄準(zhǔn)該愿景,根據(jù)美國(guó)SDA當(dāng)前的規(guī)劃,國(guó)防天空體系架構(gòu)的建設(shè)初步分為5個(gè)階段,0期至4期,每個(gè)階段2年,預(yù)計(jì)2030年完成。 從衛(wèi)星數(shù)量看,美國(guó)“下一代國(guó)防太空體系架構(gòu)”擬包含千余顆衛(wèi)星。例如,據(jù)《美國(guó)軍用低軌星座發(fā)展計(jì)劃及關(guān)鍵技術(shù)分析》(姚延風(fēng),2022年),美 國(guó)SDA將傳輸層和跟蹤層作為近5年的建設(shè)重點(diǎn),預(yù)算分別為36億美元和18億美元, 采取分階段實(shí)施方式降低項(xiàng)目技術(shù)風(fēng)險(xiǎn),逐步實(shí)現(xiàn)能力能力升級(jí),目前已啟動(dòng)0期和 1期系統(tǒng)建設(shè)工作。0期預(yù)計(jì)2022年底開始部署,包括20顆傳輸層和8顆跟蹤層衛(wèi)星;1期計(jì)劃與2024-2025年開始部署,包括126顆傳輸層和28顆跟蹤層衛(wèi)星。從整合項(xiàng)目看,據(jù)《從美國(guó)國(guó)防太空戰(zhàn)略看“星鏈”的軍事應(yīng)用》(黃志澄,2020 年),SDA的新太空體系架構(gòu),對(duì)于傳輸層擬部署658顆,形成大規(guī)模低延遲去中心 化天基網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò);對(duì)于跟蹤層擬部署200顆,實(shí)現(xiàn)對(duì)先進(jìn)導(dǎo)彈識(shí)別、告警、目標(biāo)指示 和跟蹤;對(duì)于監(jiān)控層擬部署200顆,對(duì)時(shí)敏目標(biāo)全天時(shí)全天候識(shí)別和看護(hù);對(duì)威懾層 擬部署200顆、先進(jìn)地月空間機(jī)動(dòng)飛行器3顆,實(shí)現(xiàn)地月空間態(tài)勢(shì)感知和快速介入。
(三)項(xiàng)目:黑杰克系統(tǒng),由 60-200 顆、搭載軍用載荷的商業(yè)衛(wèi)星組成 美國(guó)國(guó)防部先進(jìn)研究計(jì)劃局(DARPA)2018年提出“黑杰克(Blackjack)”計(jì)劃, 旨在開發(fā)演示全球低軌道高速網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵要素,為美國(guó)國(guó)防部提供高連接度、富有 彈性和持久性的有效載荷生態(tài)系統(tǒng)。 “黑杰克”項(xiàng)目是一個(gè)由運(yùn)行在600-1300km低軌道上60-200顆衛(wèi)星組成的星座。據(jù) 《“黑杰克”項(xiàng)目動(dòng)向及應(yīng)用前景分析》(李菲菲等,2020 ),2020年最初計(jì)劃先 期開展20顆衛(wèi)星演示項(xiàng)目,2021年發(fā)射首批2顆衛(wèi)星,2022年發(fā)射剩余18顆衛(wèi)星, 衛(wèi)星軌道高度約1000km,分為兩個(gè)軌道面,每個(gè)軌道面10顆衛(wèi)星。后續(xù)根據(jù)項(xiàng)目進(jìn)展情況擴(kuò)充至90多顆衛(wèi)星。截至2022年5月,據(jù)《美國(guó)軍用低軌星座發(fā)展計(jì)劃及關(guān)鍵技術(shù)分析》(姚延風(fēng),2022),美國(guó)國(guó)防部先進(jìn)研究計(jì)劃局授出12顆衛(wèi)星平臺(tái)的研制合同,其中藍(lán)色峽谷技術(shù)公司10顆,加拿大電信公司2顆。由于疫情和供應(yīng)鏈等問題,項(xiàng)目進(jìn)度推遲,2022年9月藍(lán)色峽谷技術(shù)公司交付了第1個(gè)“黑杰克”衛(wèi)星平臺(tái)。
項(xiàng)目分為五大獨(dú)立部分和三個(gè)階段執(zhí)行。“黑杰克”系統(tǒng)通過多個(gè)通用商業(yè)化衛(wèi)星 平臺(tái)搭載通信、導(dǎo)航、偵察、預(yù)警等多類軍用任務(wù)載荷,具備自主運(yùn)行能力,包括有 效載荷、通用平臺(tái)、自主和集成、發(fā)射、運(yùn)控五個(gè)獨(dú)立部分,分三個(gè)階段執(zhí)行:確定衛(wèi)星平臺(tái)和有效載荷的需求;兩顆衛(wèi)星的在軌演示驗(yàn)正研發(fā)衛(wèi)星平臺(tái)和有效載荷;在低軌對(duì)擁有兩個(gè)軌道平面的系統(tǒng)進(jìn)行六個(gè)月的演示驗(yàn)證。未來用于演示驗(yàn)證的星 座將包含20顆衛(wèi)星,每顆衛(wèi)星擁有一個(gè)或多個(gè)有效載荷。 關(guān)鍵技術(shù)涉及商業(yè)化衛(wèi)星平臺(tái)、軍用有效載荷以及頻繁的技術(shù)升級(jí)。“黑杰克”基 于低軌即插即用設(shè)計(jì)新理念,試圖建立可匹配多種民用平臺(tái)的有效載荷生態(tài)系統(tǒng), 設(shè)計(jì)尺寸、質(zhì)量、功耗和成本較低的平臺(tái)和有效載荷,探索實(shí)現(xiàn)由多個(gè)功能層組成 的大型低地球軌道架構(gòu)的可擴(kuò)展性和適應(yīng)性的方法,適應(yīng)高頻次技術(shù)更新。Pit Boss 自動(dòng)控制技術(shù)將作為項(xiàng)目的重點(diǎn)和難點(diǎn),開發(fā)自主運(yùn)行技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)保護(hù)和數(shù)據(jù)加密 技術(shù)、衛(wèi)星資源和星座管理技術(shù)等關(guān)鍵環(huán)節(jié)。此外,“黑杰克”項(xiàng)目目標(biāo)之一是實(shí)現(xiàn) 衛(wèi)星高度自主自治以及新型主干網(wǎng)絡(luò)建設(shè),需要引入強(qiáng)大的邊緣計(jì)算處理能力,聚 焦“調(diào)度、優(yōu)化、路徑”,解決基于時(shí)間和節(jié)點(diǎn)的運(yùn)籌和規(guī)劃問題。
具有高度的自主性和網(wǎng)絡(luò)彈性,軍事應(yīng)用前景廣闊。“黑杰克”系統(tǒng)可在星座級(jí)而 非節(jié)點(diǎn)級(jí)提供高可用性、高可靠性的任務(wù)保證,在低成本快速發(fā)射組網(wǎng)、業(yè)務(wù)傳輸 速率、系統(tǒng)性能等方面具備較高的彈性。“黑杰克”星座與在地球靜止軌道運(yùn)行的通 信系統(tǒng)能力相近,而成本只有后者一小部分,且延遲僅為100ms-200ms,信號(hào)強(qiáng)度 約是后者1300倍,通信速率更快。此外,低軌星座衛(wèi)星數(shù)量多、敵對(duì)攻擊目標(biāo)鎖定 困難,不存在“單點(diǎn)”遭破壞而影響整個(gè)系統(tǒng)能力運(yùn)用的風(fēng)險(xiǎn),有望改善衛(wèi)星易攻難 守、攻強(qiáng)守弱的現(xiàn)狀。在軍事領(lǐng)域,“黑杰克”將在國(guó)防通信、指揮控制、情報(bào)監(jiān)視 與偵察(ISR)、戰(zhàn)術(shù)作戰(zhàn)任務(wù)等方面發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。該系統(tǒng)可同時(shí)監(jiān)測(cè)多個(gè)地理區(qū)域 并覆蓋全球,顯著提高美軍的態(tài)勢(shì)感知和情報(bào)監(jiān)視與偵察能力;提供低時(shí)延、快速 全球戰(zhàn)術(shù)通信,為軍事行動(dòng)提供戰(zhàn)略支撐;完成導(dǎo)彈探測(cè)/報(bào)警、定位導(dǎo)航與授時(shí)服 務(wù)、軍用加密通信及光電及紅外成像等任務(wù)。 四、商業(yè)模式:Starlink 星座的成本構(gòu)成與盈利分析 衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)成本主要分為研制、發(fā)射、地面站建造和運(yùn)維四大部分。據(jù)《Starlink 低 軌衛(wèi)星通信星座深度分析》(徐冰玉,2021),目前,Starlink衛(wèi)星通信星座的單顆 衛(wèi)星制造成本為50萬美元,SpaceX采用一次性論證和設(shè)計(jì)、流水線并行生產(chǎn)的方式, 縮短了生產(chǎn)周期,可實(shí)現(xiàn)日產(chǎn)1-3顆衛(wèi)星的產(chǎn)能。采用獵鷹9號(hào)火箭發(fā)射,官方報(bào)價(jià)6200萬美元,按照一箭60星的方案來估算,其單顆星發(fā)射成本為100萬美元左右。考慮到獵鷹9號(hào)可以多次重復(fù)使用,實(shí)際發(fā)射費(fèi)用應(yīng)遠(yuǎn)低于這個(gè)報(bào)價(jià)。并且,根據(jù)SpaceX于2021年8月提供給FCC的信息,2022年Starlink衛(wèi)星通信星座將采用SpaceX公司研制的星際飛船來發(fā)射衛(wèi)星,能夠一次發(fā)射400顆衛(wèi)星,在大幅提升網(wǎng)絡(luò)部署速度的同時(shí),有效降低成本。 復(fù)用火箭帶來成本節(jié)約或成為新趨勢(shì)。據(jù)《SpaceX模式對(duì)電信運(yùn)營(yíng)商的挑戰(zhàn)》(姬 天相,2022),SpaceX火箭控制器采用成本更低的X86雙核處理器,通過同步計(jì)算對(duì)比的方式實(shí)現(xiàn)高可靠性,其成本僅為傳統(tǒng)控制器的約萬分之一。另外根據(jù)計(jì)算, 獵鷹-9在回首后第二次發(fā)射報(bào)價(jià)將為首次報(bào)價(jià)的73%,依次計(jì)算到第八次發(fā)射報(bào)價(jià)為首次報(bào)價(jià)的50%。SpaceX用了不足10年的時(shí)間實(shí)現(xiàn)了獵鷹-9火箭從首飛到一級(jí)回收、一級(jí)復(fù)用、整流罩回收和整流罩復(fù)用。采用復(fù)用型獵鷹-9火箭發(fā)射服務(wù)的客戶從商業(yè)通信衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商擴(kuò)展到政府和軍事部門。在積累火箭一級(jí)和整流罩回收和復(fù)用經(jīng)驗(yàn)的過程中,SpaceX持續(xù)改進(jìn)技術(shù)方案,有效提高了火箭一級(jí)和整流罩復(fù)用次數(shù)和效率并降低了回收成本。
衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)絕對(duì)建設(shè)成本較高,但相比5G仍具有相對(duì)成本優(yōu)勢(shì)。據(jù)《Starlink低軌衛(wèi) 星通信星座深度分析》(徐冰玉,2021),Starlink衛(wèi)星通信星座的總投資額約為200億-300億美元,合人民幣1300億-2000億元,初期需要50億-100億美元才能全面投入運(yùn)營(yíng),待星座建成后預(yù)計(jì)收益300億美元。根據(jù)目前Starlink衛(wèi)星通信星座的規(guī)模, 在不考慮火箭重復(fù)發(fā)射的影響下,一箭60星,第一階段1.2萬顆衛(wèi)星的發(fā)射成本約為124億美元。按照每顆衛(wèi)星50萬美金測(cè)算,4.2萬顆衛(wèi)星的制造成本約為60億美元。再考慮到這其中還未包含地面測(cè)運(yùn)控中心建設(shè)、系統(tǒng)的維護(hù)和運(yùn)營(yíng)等多方面的費(fèi)用, 星座的建設(shè)成本與SpaceX估計(jì)數(shù)值基本吻合。根據(jù)麥肯錫預(yù)測(cè),第一輪全球5G部署 將投入7000億-9000億美元,且2030年能夠享受5G網(wǎng)絡(luò)的只有美國(guó)、中國(guó)、歐洲等 較為富裕的民眾。2021年中國(guó)移動(dòng)、中國(guó)電信、中國(guó)聯(lián)通5G資本投入預(yù)計(jì)超過1800 億元,相比而言衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)因其單星覆蓋面積大、所需基站少等特點(diǎn)成本具有很大 優(yōu)勢(shì)。 初期階段以政府采購(gòu)為盈利主要來源。據(jù)《衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)-構(gòu)建天地一體化網(wǎng)絡(luò)新時(shí)代》 (申志偉等著,2021),航天領(lǐng)域本質(zhì)依然是各國(guó)政府主導(dǎo)的特殊專有化市場(chǎng),即使是商業(yè)化較為成熟的美國(guó)航天也是如此,主要通過政府采購(gòu)實(shí)現(xiàn)盈利。2018年 SpaceX與美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室簽署2870萬美元的合同,研究項(xiàng)目是“使用商業(yè)太空互聯(lián)網(wǎng)防御實(shí)驗(yàn)”計(jì)劃的一部分,目的是使美國(guó)空間可以利用通用的硬件使用多個(gè)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)進(jìn)行通信。2019年初美國(guó)航天局明確表示將從SpaceX等實(shí)施低軌道巨型星座計(jì)劃的企業(yè)采購(gòu)衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。2020年5月美國(guó)陸軍與SpaceX簽訂協(xié)議, 內(nèi)容包括美國(guó)陸軍有權(quán)在3年內(nèi)嘗試使用星鏈寬帶衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù),預(yù)期為公司帶 來穩(wěn)定收入。 商業(yè)化運(yùn)營(yíng)模式探索提速。截至2022年3月,SpaceX星鏈已累計(jì)發(fā)射低軌衛(wèi)星超過2200顆,并已開展美國(guó)部分地區(qū)的試收費(fèi)運(yùn)營(yíng);2022年5月,SpaceX公司宣布星鏈 互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)已覆蓋美國(guó)、加拿大、英國(guó)、德國(guó)、新西蘭、澳大利亞等32個(gè)國(guó)家。。據(jù) 《Starlink 低軌衛(wèi)星通信星座深度分析》(徐冰玉,2021),目前星鏈提供Beta測(cè) 試用戶接入互聯(lián)網(wǎng)的定價(jià)為99美元/月,同時(shí)用戶需要支付499美元購(gòu)買星鏈終端設(shè)備。截至2021年1月,美國(guó)仍有14%的人口約4200萬人無法接入互聯(lián)網(wǎng),若其中3000萬人選擇使用星鏈衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng),按照套餐費(fèi)99美元/月/人計(jì)算,星鏈僅移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)寬帶接入服務(wù)一年收入可達(dá)360億美元,基本能夠?qū)崿F(xiàn)收益。此外,航海航空等特殊領(lǐng)域有望采用衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng),提供可觀的收益空間。
爭(zhēng)奪市場(chǎng)高地,維護(hù)國(guó)家安全。互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)具有較強(qiáng)正反饋效應(yīng),易形成“冒尖市 場(chǎng)”(Tippy Market)。星鏈等領(lǐng)先衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目依托其先發(fā)優(yōu)勢(shì),與車聯(lián)網(wǎng)、物 聯(lián)網(wǎng)、云數(shù)據(jù)、智慧城市建設(shè)等領(lǐng)域深度結(jié)合,并全面帶動(dòng)衛(wèi)星制造、發(fā)射、應(yīng)用配套和服務(wù)等上下游產(chǎn)業(yè)鏈等同步發(fā)展,撬動(dòng)全新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn),形成龐大的星鏈產(chǎn)業(yè)鏈和技術(shù)生態(tài)圈,屆時(shí)其他國(guó)家衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目將由于用戶規(guī)模等因素難以突破其壓制。且衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)具有與5G相互提升、融合的發(fā)展?jié)摿Γ坏┞氏葘?shí)現(xiàn)融合組網(wǎng)將會(huì)對(duì)現(xiàn)有5G產(chǎn)業(yè)鏈造成巨大沖擊,導(dǎo)致行業(yè)重新洗牌,甚至上升至國(guó)家科技變 革等更高層級(jí)。不僅如此,由于衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)具有全球覆蓋的特點(diǎn),可持續(xù)提供無死角信息化軍事偵察和通信服務(wù),支持海陸空軍作戰(zhàn)計(jì)劃,同時(shí)對(duì)其他國(guó)家信息主權(quán)和信息監(jiān)管形成新的挑戰(zhàn)。從網(wǎng)絡(luò)市場(chǎng)和國(guó)家安全角度來看,衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略意義大于當(dāng)下盈利意義。 五、投資分析 衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的基本內(nèi)涵:(1)發(fā)展現(xiàn)狀:高軌高通量衛(wèi)星應(yīng)用最多,低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)時(shí)延優(yōu)勢(shì)明顯,并與地面網(wǎng)絡(luò)融合互補(bǔ)。(2)應(yīng)用場(chǎng)景:衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)偏遠(yuǎn)地區(qū)覆蓋,典型應(yīng)用包括為高速遠(yuǎn)距離場(chǎng)景提供網(wǎng)絡(luò)解決方案,如軍事、航空、航海等。(3)政策支持:稀缺頻譜資源、太空產(chǎn)業(yè)發(fā)展、信息化升級(jí)背景下,主要國(guó)家對(duì)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)板塊支持力度逐步加大,如中國(guó)2020年正式將衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)納入新基建范圍,發(fā)布多項(xiàng)政策支持其建設(shè)與發(fā)展。(4)現(xiàn)有項(xiàng)目:美國(guó)Starlink是目前在軌衛(wèi)星數(shù)量最多、發(fā)射頻度最快的項(xiàng)目之一,而國(guó)內(nèi)多個(gè)國(guó)有與商業(yè)星座計(jì)劃正逐步開啟。(5)市場(chǎng)空間,根據(jù)哈工創(chuàng)投援引麥肯錫預(yù)測(cè),到2025年前,全球衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)值可達(dá)5600億至8500億美元。(6)發(fā)展方向,容量更大、頻率更高,高低軌衛(wèi)星協(xié)同發(fā)展為趨勢(shì)。 衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)軍事應(yīng)用現(xiàn)狀及前景分析:(1)應(yīng)用場(chǎng)景,包括戰(zhàn)場(chǎng)通信、態(tài)勢(shì)偵查、 導(dǎo)航協(xié)助、攻擊和防御等。(2)對(duì)抗星鏈,基于用戶工作模式,對(duì)抗星鏈包括干擾衛(wèi)星的上行鏈路、干擾衛(wèi)星的下行鏈路和對(duì)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器實(shí)施硬摧毀三種思路,如定向能反衛(wèi)星武器如激光武器、粒子束武器具備有效對(duì)抗星鏈的能力。 發(fā)展背景:維持太空優(yōu)勢(shì),戰(zhàn)略定位從保障性為主的能力驅(qū)動(dòng),轉(zhuǎn)向以作戰(zhàn)應(yīng)用牽 引的威脅驅(qū)動(dòng)。(1)建立太空優(yōu)勢(shì)。從美國(guó)19年成立太空軍、20年發(fā)布《國(guó)防太空 戰(zhàn)略概要》看,美國(guó)希望在太空建立全面的軍事優(yōu)勢(shì)。(2)關(guān)注戰(zhàn)場(chǎng)生存能力。現(xiàn)有美國(guó)國(guó)家安全空間運(yùn)行在地球同步軌道,由少量大型精密衛(wèi)星組成,功能強(qiáng)大但戰(zhàn)場(chǎng)生存能力不足,巨型低軌星座的高時(shí)空、高功能密度,以及低延時(shí)優(yōu)勢(shì),將大幅增強(qiáng)戰(zhàn)術(shù)級(jí)作戰(zhàn)保障能力。(3)戰(zhàn)略重大轉(zhuǎn)向,美國(guó)在軍用低軌星座上投入,反映其太空體系建設(shè)從“以保障性為主,不考慮或較少考慮太空軍事化環(huán)境”的“能力驅(qū) 動(dòng)”,向“以作戰(zhàn)應(yīng)用牽引,應(yīng)對(duì)非對(duì)稱太空作戰(zhàn)能力”的“威脅驅(qū)動(dòng)”轉(zhuǎn)變。 太空架構(gòu):提出7層下一代太空體系架構(gòu),千余顆衛(wèi)星組成數(shù)十個(gè)星座。(1)規(guī)劃 主體,美國(guó)太空發(fā)展局(SDA,2019年3月成立,現(xiàn)隸屬于美國(guó)太空軍)負(fù)責(zé)定義、 規(guī)劃和組織建設(shè)美國(guó)未來的空間能力架構(gòu),并加快發(fā)展和部署新的太空軍事能力。(2)發(fā)布“下一代國(guó)防太空體系架構(gòu)”概念。2019年7月SDA發(fā)布“下一代國(guó)防太空體系架構(gòu)”概念,將更多利用小衛(wèi)星星座,代替現(xiàn)有的少量的、大型高價(jià)值衛(wèi)星, 以提高天基系統(tǒng)的靈活性和抗毀傷能力。(3)美國(guó)對(duì)軍用星座的重視與巨額投入, 本質(zhì)上是一種對(duì)現(xiàn)有裝備發(fā)展的“對(duì)抗”與“反對(duì)抗”的關(guān)系。SDA指出,在一些國(guó)家反衛(wèi)星武器、網(wǎng)絡(luò)攻擊和共軌航天器不斷發(fā)展的情況下,以大型航天器為主的太空體系一旦被摧毀,短時(shí)間內(nèi)難以補(bǔ)充,即彈性上不足,同時(shí)現(xiàn)有太空架構(gòu)和裝備無法應(yīng)對(duì)尤其是高超聲速的及時(shí)預(yù)警和跟蹤。(4)提出新研制千余顆小衛(wèi)星、組成幾十個(gè)星座的“下一代國(guó)防太空體系架構(gòu)”。計(jì)劃與商業(yè)航天力量合作,快速開發(fā)和部署一個(gè)由小衛(wèi)星(50~500千克)組成的星座群,傳輸層、跟蹤層、監(jiān)控層、威懾層等擬合計(jì)部署千余顆,其中傳輸層和跟蹤層是建設(shè)重點(diǎn),初步分為5個(gè)階段,每個(gè)階段2年,預(yù)計(jì)2030年完成。(5)美國(guó)DARPA于18年提出由60-200顆、搭載軍用載荷的商業(yè)衛(wèi)星組成的“黑杰克”計(jì)劃。 (中國(guó)集群通信網(wǎng) | 責(zé)任編輯:李俊勇) |




