卫星通信作为一种无线通信手段历史悠久， 甚至早于地面蜂窝系统， 近年 来在互联网应用和低成本航天技术的推动下， 再次成为技术和产业的热点。笔 者作为国内较早投身卫星互联网，目前仍战斗在这一领域一线的实践者， 结合 多年的切身体会，分享关于卫星互联网系统发展的一些观点。
上世纪 80 年代，以铱星系统为代表的卫星通信系统与地面移动通信网络 竞争发展， 目标解决低速数据与语音通信服务的有无问题， 但面对地面移动通 信系统的快速发展， 卫星通信系统快速败下阵来； 本世纪初， 卫星通信系统利 用覆盖性、抗毁性等优势重新定位， 补充地面移动通信系统难以服务的场景区 域，二者实现了互为补充的新局面； 2014 年以来，以 Starlink 、oneWeb 为代 表的巨型低轨卫星通信系统概念诞生， 通过建设数百、数千甚至数万颗低轨卫 星， 打造 Ku 频段以上的全球覆盖宽带卫星通信系统， 实现高速数据服务和互 联网传输功能， 具有覆盖广、容量大、 延迟低等特点， 此类低轨宽带通信系统 可称之为卫星互联网系统。
一、 卫星互联网系统发展现状
从 ITU 申报的卫星网络资料看，目前有多达 20 多家的卫星操作者，多达 100 份以上的宽带卫星通信系统资料，表明全球建设卫星互联网的热情高涨。 但具有明确建设计划且取得一定进展的代表性卫星互联网系统预计 5~6 家， 包括国外的 Starlink 、OneWeb 、Kuiper 、Telesat 等。其中 Starlink 计划第一阶 段部署 11,943 颗低轨卫星，二阶段再部署 30,000 颗卫星； oneWeb 一阶段计 划部署 648 颗低轨卫星， 二阶段修订后计划部署 6,372 颗卫星； Kuiper 计划部 署 3,236 颗卫星； Telesat 计划部署 188 颗卫星。
Starlink 与 oneWeb 系统已率先完成大量卫星部署，并提供一定的公开运营服务。截至 2023 年 3 月 31 日， Starlink 已成功发射 4,217 颗卫星，在轨卫星数量 3,914 颗，在全球 40 多个国 家地区开通业务，为全球超过 100 万个卫星终端提供宽带互联网接入服务； OneWeb 在轨卫星总数达到 618 颗， 完成其一代系统的组网并开展全球覆盖的 商业运营，目前已在阿拉斯加、加拿大、英国、北极地区等开通服务。
国内以星网工程和千帆星座为代表的卫星互联网系统正在加紧建设， 预计 2023 年末至 2025 年将迎来我国卫星互联网系统的发射密集期。Starlink 、 OneWeb 作为代表性系统已率先阶段建成并提供服务， 其建设与运营经验可为 我国卫星互联网系统的发展提供参考。
二、 卫星互联网系统发展规律
(一) 低成本化是卫星互联网建设的基础条件
与传统航天系统相比， 低成本化是卫星互联网的最本质特征。与传统卫星 通信系统相比，卫星互联网系统不再是面向小众客户和高价值客户的专网系 统， 而是可以面向更为广泛应用场景和更广大用户的公网系统。低轨宽带卫星 通信系统之所以称为卫星互联网，主要是低轨通信系统具有低时延、高宽带、 高容量等特征。要具备这一特征， 星座规模需要足够大， 这就对单颗星制造和 发射成本提出挑战。唯有实现低成本的卫星制造和发射， 才能满足卫星互联网 建设的经济可行性。让大家欣慰的是随着航天技术的不断探索与进步， 大幅削 减卫星制造成本和火箭发射成本成为可能。
因此， 建设成本已成为卫星互联网系统能否建成， 以及建成后能否运营并 持续发展的关键。若沿用传统航天系统的高可靠、高成本研发模式， 大规模星 座的天价建设成本， 将使得卫星互联网系统从概念阶段即被扼杀。即使卫星互 联网系统以高价建成， 为能正常维持运营必须提高通信与服务资费， 进而导致 只能由数量有限的高价值、专业用户为此买单。此为传统卫星通信系统的发展 模式，不能称之为卫星互联网。
不断降低系统建设成本， 发射更多的卫星增加系统容量， 从而支持更多的 用户数量并降低用户服务资费， 一旦服务资费进入一定的低价区间后， 系统的 用户数将显著增加， 从而支撑更大规模卫星互联网系统的持续建设， 形成良性 循环、持续发展。目前， 可以看到百万美金的单星制造和发射成本是卫星互联 网公司能够达到的能力。可以预见未来还会持续下降， 低成本能力是互联网公司的基础能力，唯有具备此能力，未来才能在竞争中存活下来。
(二) 快速迭代持续创新是卫星互联网商建设的必然要求
卫星互联网的另一个特征是快速迭代持续创新。传统通信卫星系统和航天 系统采用“十年一代”的建设模式， 即探索一代、研制一代、应用一代， 新技 术运用慢，研制周期长。相比较而言，卫星互联网系统的卫星寿命相对较短， 大多为 5-7 年， 系统规模巨大且卫星发射密集， 系统建设与更新迭代的状态会 频繁交替甚至同时存在， 在该模式下， 系统建设周期短， 有利于快速提升网络 运行能力；新技术迭代周期短，新技术的应用和新状态的升级机会大大增加， 有新技术而不用，会极大降低系统的竞争力和应用市场的开拓。
因此， 应考虑充分利用卫星互联网系统频繁发射与更新的固有特征， 采用 “小步快跑”的快速迭代模式，时刻关注新技术的状态并允许新技术的试验。 这种模式打破原有“关键技术攻关、试验卫星工程、组网发射”的研制模式， 大大缩短新技术的运用时间和两代间周期。 目前， 相关技术沉淀已形成一定基 础， 毫米波通信、芯片设计制造、航天技术等发展迅速， 不断有性能更优、成 本更低的技术涌现和成熟， 第一时间将先进技术转换为产品， 并应用到卫星互 联网系统中，持续激发系统活力与先进性。
为了高效利用“小步快跑”的发展模式， 离不开顶层系统设计与产业链关 键环节的紧密联动， 顶层系统设计输出需求不断牵引相关技术发展， 同时打造 开发和兼容的系统架构体系， 引导和允许新面孔、新技术参与， 国内卫星互联 网产业链将加速成熟， 产业活力将被更好激发。卫星互联网的实践将使基础科 学、技术、产品和产业的转化周期大大缩短。
(三) 卫星互联网应用充满想象并逐步落地
卫星互联网系统兼具传统卫星通信和地面移动通信的属性， 一方面具备卫 星通信系统固有的覆盖广、抗毁强的优势， 另一方面在一定区域的有限用户数 条件下， 通信速率与容量性能与地面移动通信系统可比拟， 这为其应用的发展 创造了极佳条件。
现阶段，地面移动通信技术经过多年的技术迭代， 基础设施建设完备，通信服务能力逐步进入瓶颈期， 其主要缺陷在于服务区域受限。传统卫星通信系 统定位于地面移动通信互补， 重点解决地面移动通信系统不愿到达和不能达到 区域的覆盖性问题，但服务质量与地面移动通信差距巨大，服务脱节。
卫星互联网系统完全具备解决地面移动通信的服务区域受限问题以及传统卫星通信服务性能脱节的问题， 随着卫星互联网成本进一步下降， 容量进一 步提高， 因其更低的资费和更优质的服务性能， 卫星互联网系统必将逐步侵蚀 传统卫星通信市场， 替代现有卫星通信系统实现服务升级； 同时， 向地面移动 通信市场逐步渗透， 在下一代地面移动通信设施建设或当前设施换代时， 替代 人口密度较低， 建设投入与回报不匹配地区的地面设施， 打开卫星互联网与地 面移动通信“无缝连接”的新局面。
未来随着低成本卫星智能终端的出现， 除了现有诸如航海、航空、极地等 常规卫星通信场景的明确预期， 可以想象的是， 卫星通信系统将渗透至人们日 常生活的方方面面， 每一辆出城车辆， 每一个乡村住户， 每一栋城市建筑， 每 一架无人机均安装卫星互联网终端， 真正实现全球无缝覆盖、空天地海泛在接 入的下一代通信系统愿景。
三、 卫星互联网系统发展趋势
(一) 转发式模式与星上处理模式
卫星互联网系统从技术体制角度可分为“转发式系统”和“星上处理系统”， “转发式系统”卫星不具备信号调制解调与信息处理能力， 仅作为连接地面信 关站与卫星终端的信号传输管道；“星上处理系统”卫星配置空间基站，类似 实现地面移动基站搬上天的效果，通常会配置激光星间链路实现星间组网。
受限于技术体制， 转发式系统的服务区域受信关站布设位置的限制， 通常 只能服务陆地、近海及其上空空域空间； 星上处理系统得益于卫星自身的处理 与组网能力，可实现卫星飞到哪里，提供服务到哪里。
相比星上处理系统， 相同建设成本和卫星重量功耗约束下， 转发式系统可 提供更高的容量或速率， 且部署速度快、技术可靠， 但需部署更多信关站和服 务区； 星上处理系统可覆盖转发式系统的所有能力， 且能提供端到端、专线等 更丰富的业务和远海、极地等更广域的覆盖，但需要更高的技术难度和成本。
从全球运营的观点看，卫星互联网必须在全球范围内运营服务， 转发式模 式是唯一能够满足当地政府对运营落地的数据安全要求，因此，未来的卫星互 联网必须具备转发模式。
随着技术的发展和成本的降低， 卫星互联网系统必然会从转发式系统走向 星上处理和透明转发模式两种模式并存的系统， 仍有众多关键技术能力需要提 升及验证， 涉及的关键技术包括空间基站芯片化、多波束相控阵技术、激光星间链路技术等。卫星互联网能否实现星间互联、发挥星上处理优势关键在于能 否解决低成本、可靠稳定的激光星间链路技术。
(二) 单星容量仍需不断提升
卫星互联网系统通常由百余颗、千余颗甚至万余颗低轨卫星组成， 事实上， 从覆盖性的角度出发， 1000km 轨道高度的系统，仅需百余颗卫星即可实现全 球几何覆盖。众多卫星互联网系统之所以构建巨型星座， 本质是为了提升系统 容量，增加系统同时提供宽带服务的覆盖面积或小区数量。
以 1000km 高度的单颗低轨卫星为例，其地表可视范围大于直径 2000km 的圆， 但因其用户链路为点波束， 指向星下点时典型的地表覆盖范围仅为直径 100km 的圆。因此， 可视并不等同于可达， 跳波束等技术一定程度上可改善覆 盖性， 但是以牺牲带宽、速率、时延等为代价。此外， 用于卫星用户共享波束 带宽，若单个波束服务的用户数量过多，通信速率也将大打折扣。
因此，提升卫星互联网系统的容量和并发服务面积是系统建设需要重点关 注的环节， 一种方式为增加卫星数量，另一种方式为增加单颗卫星的波束数量， 显然， 后者的单位带宽的建设成本更优。从经济性的角度分析， 现阶段国内卫 星互联网系统的单星容量与波束数量仍远未达预期， 其中一个主要因素为多波 束相控阵天线的技术限制， 目前国内相控阵采用模拟体制， 一套 T/R 芯片， 仅 支持 4 或 8 波束。增加单卫星波束数量的办法： 1)采用数字预失真技术解决 多波束带来的功放功率回退问题； 2) 数模混合的相控阵技术； 3) 全数字相控 阵技术。多波束相控阵技术的发展进步将在未来卫星互联网中起到决定性作 用。
(三) 手机直连卫星时代将快速到来
手机直连卫星的概念近来也成为广泛关注的焦点， 严格意义上说， 手机直 连卫星并不完全属于卫星互联网范畴， 受限于手机的尺寸， 其发射功率和接收 增益有限， 技术上只能使用 L/S/C 等低频段实现与卫星的直接通信， Ku/Ka 等 更高频段因其较大的自由空间传输损耗特性，注定无法实现手机直连。因此， 第一代手机直连卫星只支持短消息、语音和低速数据传输等通信业务， 与现有 地面移动网络无缝连接。第二代手机直连卫星将支持宽带互联网接入业务， 尚 需时日迭代。
毫无疑问， 手机直连卫星一定是未来卫星通信发展的趋势， 随着技术进一 步发展， 手机直连卫星在技术上已不再遥不可及， 直连卫星手机作为每个人随时携带不可或缺的设备将在不久出现，随着 ITU 加快推进 5G NTN 标准的研 究，真正的星地移动通信融合时代即将到来。
(四) 多个低轨星座系统间的电磁兼容性问题。
在当前竞争日趋激烈的卫星互联网时代， 频率网络资料的优先级也是至关 重要，根据 ITU 的有关规定， 后申请者需与先申请者进行频率轨位的协调。协 调的依据是基于 ITU 制定的各种决议规定，这些规定往往是先申请者主导制 定，对于后申请者非常不利。整个地球空间究竟能容下多个巨型星座取决于 ITU 出台的各种决议以及未来复杂的星座电磁兼容技术。对于我国来说， 巨型 星座网络资料申报时间相对较晚， 如何应对此问题？需要从两方面努力： 一是 国家频率网络资料主管部门积极组织国内所有申请者参与到 ITU 有关频率资 料规则制定的国际会议， 积极在国际上发出声音， 防止先申请者所在国家联合 起来制定不公平的规则，增加后申请者频率协调的难度； 二是积极研究各种电 磁兼容技术和方法，通过星上智能计算及资源调度算法实现星座间电磁兼容， 让后申请者有可能发展自己的巨型星座。
四、 结束语
卫星互联网早期解决地面移动网络无法覆盖的问题， 后期将作为未来网络 的重要组成部分， 面向未来新需求的下一代信息通信网络， 具备高速泛在、全 域互联、智能敏捷、绿色低碳、安全可控等特征。 当前， 我们应当准确掌握卫 星互联网的发展规律， 紧紧抓住制约发展互联网的关键核心点， 发扬新型举国 体制和商业航天体制机制优势， 建立健全商业化航天的产业链， 为我国在该领 域取得国际竞争优势奠定基础。