坠落飞翔看卫星——卫星通信观察

宽带卫星通信市场综述

QiLin
宽带卫星通信市场综述
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近年来，宽带卫星通信市场快速发展。2022年SpaceX公司宣布，其全球用户数已经超过100万。

 

手机市场也纷纷投入到卫星连接技术中来，在2021年，传言iPhone 13即支持卫星通信（见文章《传遍朋友圈的“iPhone 13支持卫星通信”，支持的究竟是什么？》），2022年9月6日，华为发布Mate50手机，手机即可连接北斗卫星网络发送短报文，小小的智能手机也拥有了“捅破天”技术。

 

过去10年，宽带卫星技术经历了什么样的发展？未来10年，卫星通信技术又将走向何处？

 

在2023年2月最新的Microwave Journal杂志中，欧林工程学院Whitney等人发表名为《当前宽带卫星通信市场综述》文章，对卫星市场做了全面综述。原文见文章底部阅读全文链接，以下为此文章的中文翻译（有修改），欢迎留言讨论。

当前宽带卫星通信市场综述

 

Whitney Q. Lohmeyer, Phillip Post, Katie Fleming, Celvi Lisy,
Argyris Kriezis and Abby Omer, Olin College of Engineering, Needham, Mass.

 

自2012年到2023年以来，宽带卫星产业的发展可以用前所未有、神秘莫测来形容。 

 

本文对过去10年宽带卫星的发展的历史里程碑、系统发展、面临的挑战做了整体梳理。主要关注以下三种卫星系统的发展：

  1. 非地球静止轨道（NGSO，Non-geostationary）

  2. 低地球轨道星座（LEO，Low Earth Orbit）

  3. 地球静止轨道 (GSO，Geostationary)

根据OSSTP在2022年4月的统计，已有超过20个独立实体向FCC提交了美国卫星通信市场准入申请。这些申请通过使用覆盖Ku、Ka以及V波段的共计70,000颗卫星，提供固定宽带服务，部分实体已经开始进行卫星部署。截至2022年12月1日，OneWeb、Starlink等公司共有4,000多颗非地球静止轨道（NGSO）卫星在轨运行。发射数量与在轨运行数量如下图所示。

 

图：NGSO固定宽带卫星发射数量（美国）

 

这些卫星实现技术的技术框架及法律基石主要是在20世纪90年代末到21世纪初建立的，同时在一些早期的系统如Skybridge、Teledesic等做了落地。虽然这些早期的卫星网络系统没有在商业上取得成功，但他们却触发了整个卫星行业的发展。这些努力有且于在国际电信联盟（ITU）内推动建立一些技术及规范标准，也有助于改善FCC内处理卫星相关提案的框架。另外，这些网络还推动了终端、网关、传输架构等的低成本方案技术发展，这些都是当前宽带卫星产业蓬勃发展的重要基础。

 
2012年11月，卫星领域的权威人士、连续创业者雷格·惠勒(Greg Wyler)在国际电联（ITU）提交了Ku波段用于宽带卫星通信的申请，新一代非地球静止轨道卫星（NGSO）系统如OneWeb、Starlink、Lightspeed、Kuiper等评估的序幕就此拉开。同一时期，高容量地球静止轨道（GSO）卫星如Viasat-1及中轨（MEO）卫星O3b也开始提供服务。O3b通常被描述为最成功的卫星网络，可以提供高容量通信网络，并且运营良好。值得一提的是，O3b的创始人即为首次向ITU提出Ku卫星频段申请的Greg
Wyler。
 

图：Greg
Wyler的卫星计划时间线
 
在提出宽带卫星构想后，Wyler将他的NGSO项目带到了Google，并在Google的接入部进行了短期工作。之后，Wyler与SpaceX、Tesla的CEO Elon Musk合作完成了一些有关NGSO卫星宽带接入的工作，二人在2015年分开后，分别造就了OneWeb和Starlink两大通信卫星星座。
 
在2015年世界通信大会（WRC-15，World Radiocommunication Conference 2015）中，一系列NGSO的技术规则被建立起来，成为促成未来NGSO革命性发展的技术框架。这些技术框架包括：针对GSO系统的保护标准研究（等效通量功率密度限制）、V-Band演进、NGSO交付需求、5G空间/地面频率分配等。
 
同年，Wyler与加拿大通信卫星公司Telesat
CEO Dan Goldberg沟通了LEO宽带星座计划。Goldberg首先在加拿大申请接入ITU现有的COMMStellation星座，在申请频谱获批后，Goldberg组建了自己的星座，也就是现在被称为Lightspeed的Telesat NGSO星座。 
 
自此开始，建设星座开始成为卫星行业的主流，新的初创企业和科技集团开始申请NGSO星座。2016年，SES通过收购O3b在这场比赛中占据一席之地，而亚马逊则宣布计划推出Kuiper LEO卫星星座。2017年，铱星计划也通过由SpaceX发射的NEXT系列卫星升级了其卫星消息服务系统。如下图所示。
图：NGSO卫星主要事件
 
尽管取得了一些成功，但LEO星座卫星的运营并不是没有风险。Greg Wyler的OneWeb是新格局中这个领域最大的参与者之一，但由于资金的不确定性，OneWeb于2020年3月宣布破产。在八个月后的2022年11月，OneWeb设法找到了新的资金，才从破产边缘走了回来。
 
在2020年5月，FCC进行了Ka频段公开申请的受理，共有10位LEO星座访问的申请人参与。SpaceX于2020年10月宣布了其卫星系统的公共版测试，SpaceX为广大用户推出了快速、低延迟的LEO卫星互联网服务。
 
即使行业依然存在风险，NGSO卫星产业在快速扩张及发展。
 
进入2021年，快速发展依旧，加拿大为Telesat的Lightspeed NGSO星座投入11.5亿美元。在2022年，卫星产业迎来挑战：新型冠状病毒COVID-19的大流行、俄-乌战争等几乎影响到了全球人的生活。Telesat表示他们计划的卫星数目将减少1/3，OneWeb也将卫星发射进行了推迟。
 
尽管挑战存在，但宽带卫星行业还是取得了一些令人瞩目的成就：
  • Starlink和OneWeb达成了频谱协调协议
  • 美国AST SpaceMobile公司也宣布可以直接用于手机的低速率通信服务（非宽带通信）
  • ViaSat和Inmarsat这两个最大的卫星服务公司之一，也同意以73亿美元的协议合并
     
图：卫星市场近期进展
 
下表总结了主要LEO，MEO和GEO卫星的任务执行时长，轨道高度，计划卫星数量（以提交申请文件为参考），频率和当前轨道卫星数量。
 

图：部分LEO/MEO/GEO卫星系统统计

（至2022年12月3日）

 

  技术和监管挑战  

 
如果没有克服技术和监管方面的挑战 [4]，过去十年LEO，MEO和GEO宽带卫星行业就无法取得的令人难以置信的成就。这些挑战主要有：
  • 低成本方案
  • 用户终端
  • 高效固态功率放大器
  • 发射器
 
主要的监管挑战集中在：
  • 干扰的限制
  • 国际电联申请中的部署截止日期
  • FCC 对NGSO的更新许可规则以及共享框架
 

技术挑战

 
为了满足NGSO系统通信需求，在终端侧，用户终端一般由一对传统抛物面天线，或者一面相控阵构成[5]。虽然抛物面天线比较便宜，但需要第二天线来支持卫星到卫星之间的切换需求。相控阵天线就可以大大简化这一过程，相控阵天线可以利用多波束扫描来实现多卫星的追踪和切换，但成本要远高于抛物面天线[6]。Starlink的地面终端采用的相控阵天线，通过价格补贴，价格还是达到了599美元 [7]。不论采用哪种技术，信号的发射与接收必须符合国际电联与FCC的规定，比如功率通量密度的限制、地面站增益模板、等效各向同性辐射功率（EIRP）的限制等[8]。
 
微波固态功放技术是另一项关键技术。微波固态功放位于卫星有效载荷上。这些功率放大器的半导体材料已从主要基于“硅”基，发展为GaAs和GaN 工艺 [9]。在过去几年中，Akash Systems等公司正在开发诸如金刚石上GaN的解决方案[10]，可以将功放效率由30%提升到50%以上，这将有助于显著提升系统整体性能。
 
业界预计从2024年开始，发射需求将激增，这一年有可能出现发射资源紧缺现象。目前可用的四种中型/重型运载火箭分别为：
  • SpaceX（美国）：猎鹰8号
  • ULA（美国）：Atlas V
  • Arianespace（法国）/Roscosmos（俄罗斯）：Soyuz-2
  • Arianespace（法国）：Ariane
 
但由于发射器退役和美国限制，以上四个发射器只有一种可用。另外，也有一些小型发射器，如Rocket
Lab的Electron和Virgin Orbit的Launcher One也有成功将有效载荷送入轨道的经验，预计到2024年后，这些发射器每年预计有超过10次的发射。
 
由于新型运载火箭的开发时间很长，所以在2024年，能满足一年十次以上发射任务的，可能只有一种中型运载火箭。这将对卫星通信的发展造成极大限制并可能造成重大风险，因为由于发射资源短缺，可能导致发射价格上涨，并有可能造成发射延误，进而阻碍NGSO系统阶段性成果的实现。
 

监管挑战

 
全球卫星系统由联合国通过国际电联ITU进行管理。ITU每三到五年举办一次WRC（World
Radiocommunication Conference，全球通信会议），WRC也是这三到五年协议审查的高潮期。在两个WRC召开之间的几年时间里，工作组（Working Parties，WPs）和研究小组（Study Groups，SGs）合作进行分析，并就频谱分配、许可、干扰管理和未来研究等主题提出建议。参加WRC的国家代表包括：
  • 国家监管机构（如美国FCC和英国的Ofcom）
  • 行业参与者（如Intelsat、EchoStar、OneWeb、ViaSat、SpaceX及Amazon等）
  • 政府实体（如国家电信信息管理局、国家航空航天局等）
 
在过去十年中，国际和地方监管围绕着多个主题展开。主要的讨论有 [11]：
  • 通过限制功率通量密度，保护现有地面网络
  • 通过基于时间统计的功率通量密度，缓解地球静止系统的干扰
  • 部署时间要求，定义向ITU提交发射申请卫星的最晚发射要求
  • 5G/6G技术中，空中/地面频谱分配及协调规则
  
在美国，频谱的使用是受FCC（Federal
Communications Commission，联邦通信委员会）监管。与地面系统不同，FCC对卫星频谱分配采取“批次处理”（Processing Round）机制，其处理流程如下图所示（慧智微注）：
 

图：FCC对卫星频谱的“批次处理”（Processing Round）流程
 
在2016、2017、2020和2021年，FCC举行了多次“批次处理”，覆盖了Ku/Ka以及V波段。在这些处理过程中，有20多个申请者提交了市场准入申请，以获得总计70,000多颗卫星的授权。自2019年底以来，随着NGSO中固定卫星系统（FSS）服务的引入，在轨NGSO卫星数量增加了31.4倍。这种数量的激增也导致FCC批准的时间越来越长，以运营商提出申请到FCC采取行动计算，2016年的Ku/Ka波段处理时间平均为2年，而在2017年V波段的处理中，时间增长为2.9年，增加了近一年时间 [1]。为了解决这一问题，众议院能源和商务委员会于12月8日在《卫星和电信精简法案》和《安全空间法案》中引入立法，以改革FCC的许可规则 [14]。
由于新进入时间不断增加，加之频谱资源稀缺，卫星市场的参与者之间竞争激烈，导致FCC也不得不考虑是否要指定新的频谱共享规则[15]。不过幸运的是，卫星领域的一些主要参与者也达成了协调协议。2022年6月14日，OneWeb和Starlink撤回提交给FCC针对彼此共存的投诉，并请求FCC集中精力尽快对新一轮次的系统进行批复 [16,17]。无独有偶，2022年9月24日，亚马逊和Telesat也达成合作协议 [18]。
 
 

  
在过去十年，卫星工业取得了令人瞩目的成就。由于Starlink和OneWeb只有4,000多颗卫星在运行，卫星工业在未来几十年可能会继续发展演进，创造历史。
 
同样，随着卫星网络的不断完善，用户终端、功率放大器，以及发射资源等技术的发展也势在必行。只有这样，才能使整个商业变得健康可行。
 
另外重要的是，监管机构的法规政策同样重要，需要及时更新过时政策，这样才能鼓励创新，使新的进入者能走进卫星这个行业。
 
参考文献： 

[1].Kriezis and W.Q. Lohmeyer,
“U.S. Market Access Authorization Timeline Analysis for Megaconstellation
Networks,” Olin Satellite + Spectrum Technology & Policy (OSSTP) Group
Industry Reports, Web: https://www.osstp.org/fcc-analysis.

[2].SpaceX, “SpaceX Launches,” Web:
https://www .spacex.com/launches/.

[3].“OneWeb Launch Programme,” Web:
https://oneweb. net/resources /launch-programme.

[4].R. Barry, P. Bustamante, D.
Guo, M. Honig, W.Q. Lohmeyer, I. Murtazashvili, S. Palo, “Spectrum Rights in
Outer Space: Interference Management for Mega-constellations,”
Telecommunications Policy Research Conference (TPRC), Washington, D.C.,
September 16-17, 2022.

[5].U. Gupta., A. Tan, J. Liu, W.Q.
Lohmeyer, “A Description and Comparison of Modern Flat Panel Antenna Technology
for Ku-/Ka-Band User Terminals in Low Earth Orbit (LEO) Satellite
Communications Systems,” Microwave Journal, Vol. 69, No. 9, September 2021.

[6].U. Gupta, A. Tan, W.Q.
Lohmeyer, J. Liu, “Antenna Performance Specifications for Ka-/Ku-Band User
Terminals in Low Earth Orbit (LEO) Satellite Communications Systems,” Microwave
Journal, Vol. 69, No. 9, September 2021.

[7].M. Kan, “SpaceX has been
selling Starlink Dishes at a Huge Loss,” PC Mag, April 6, 2021, Web:
https://www. pcmag.com/ news/spacex-has-been-selling-starlink -dishes-at-a-huge-loss-despite-499-price.a) Tan and W.Q., Lohmeyer, “Modern
Low-Cost Phased Array Technologies and Accompanying Fixed Satellite Service
(FSS) Regulatory Requirements,” IEEE International Symposium on Phased Array
Systems and Technology, Waltham, Mass., October 11-14, 2022.

[8].W.Q. Lohmeyer, R.J. Aniceto and
K.L. Cahoy, “Communication Satellite Power Amplifiers: Current and Future SSPA
and TWTA Technologies,” International Journal of Satellite Communications and
Networking, doi:10.1002/sat.1098.

[9].Akash Systems, “A Fundamental
Advantage in Technology: The Power of Synthetic Diamond,” Web:
https://akashsystems.com/technology/.

[10]. J. Pahl, Interference Analysis, Wiley, 2016.

[11]. “Federal Communications Commission,” USAGov, U.S. Government, Web:https://www.usa .gov/federal-agencies/federal-communications-commission#:~:text=The%20Federal%20 Communications%20Commission%20regulates,a%20robust%20and%20competitive%20market.

[12]. “Amendment of the Commission’s Space Station Licensing Rules and
Policies,” 18 FCC Rcd. 10760, 2003.

[13]. “House Committee Leaders Introduce Bipartisan Bills to Update
Satellite Rules,” Space News, December 9, 2022, Web:
https://spacenews. com/house -committee- leaders -introduce- bipartisan-bills-to -update- satellite-rules/.

[14]. “Expediting Initial Processing of Satellite and Earth Station
Applications; Space Innovation,” IB Docket Nos. 22–411, 22–271, November 30,
2022.

[15]. “Request for Orbital Deployment and Operating Authority for the
SpaceX Gen2 NGSO Satellite System,” IBFS File Nos. SAT-LOA-20200526-00055 and
SAT-AMD-20210818-00105 December 1, 2022.

[16]. “Starlink and OneWeb Reach Spectrum Coordination Plan,” Space News,
June 14, 2022, Web:
https://spacenews.com/starlink-and-oneweb-reach-spectrum-coordination-plan/.

[17]. “Amazon and Telesat Coordinate their Planned NGSO Constellations,”
Space News, September 21, 2022, Web:
https://spacenews. com/amazon -and-telesat-coordinate -their-planned -ngso-constellations/.

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