一文讀懂衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)概念一經(jīng)提出就成為研究的熱點(diǎn)，其應(yīng)用已經(jīng)涉及人類活動(dòng)的各個(gè)領(lǐng)域，根據(jù)Machina Research預(yù)測(cè)，到2025年世界范圍內(nèi)的物聯(lián)網(wǎng)連接將達(dá)到甚至超過270億，突顯出巨大的潛力。但對(duì)于依靠無線接入的物聯(lián)網(wǎng)來說，除了要有物聯(lián)網(wǎng)終端外，必須要有一個(gè)由足夠多的基站構(gòu)成的通信網(wǎng)絡(luò)。

如今物聯(lián)網(wǎng)社保進(jìn)行通信交流，最主要的方式，就是依賴于各種通信技術(shù)，依賴于基站和天線。其實(shí)，對(duì)于大部分陸地地區(qū)來說，這種常規(guī)模式，是可以滿足要求的。但是像海洋、戈壁沙漠、深山老林這樣的區(qū)域均是無法建立基站的：

既然有問題，就要解決。要想覆蓋好，就往高處跑。除了傳統(tǒng)陸地基站之外，人們自然而然就想到，是不是可以將基站搬到“天上”，即建立衛(wèi)星通信，使之成為地面基站通信的補(bǔ)充和延伸！

衛(wèi)星通信技術(shù)（Satellite communication technology）是一種利用人造地球衛(wèi)星作為中繼站來轉(zhuǎn)發(fā)無線電波而進(jìn)行的兩個(gè)或多個(gè)終端之間的通信。從物聯(lián)網(wǎng)的角度來說，衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)的本質(zhì)，是以航天技術(shù)為手段，借助社會(huì)和資本的資源，實(shí)現(xiàn)“全球”萬物互聯(lián)的商業(yè)價(jià)值。

衛(wèi)星通信系統(tǒng)，一般由空間分系統(tǒng)、通信地球站、跟蹤遙測(cè)及指令分系統(tǒng)和監(jiān)控管理分系統(tǒng)等四部分組成。在若干個(gè)軌道平面上布置多顆衛(wèi)星，由通信鏈路將多個(gè)軌道平面上的衛(wèi)星聯(lián)結(jié)起來。整個(gè)星座如同結(jié)構(gòu)上連成一體的大型平臺(tái)，在地球表面形成蜂窩狀服務(wù)小區(qū)，服務(wù)區(qū)內(nèi)用戶至少被一顆衛(wèi)星覆蓋，用戶可以隨時(shí)接入系統(tǒng)。

建立衛(wèi)星通信的優(yōu)勢(shì)也很明顯：

按照衛(wèi)星軌道高度的不同，通信衛(wèi)星可以分為低軌通信衛(wèi)星（LEO）、中軌通信衛(wèi)星（MEO）和高軌地球同步通信衛(wèi)星（GEO）。LEO衛(wèi)星軌道高度500km~2000km，MEO衛(wèi)星軌道高度2000km~36000km，GEO衛(wèi)星軌道高度為36000km。

低軌道衛(wèi)星通信最為人們所偏愛：一方面衛(wèi)星的軌道高度低，使得傳輸延時(shí)短，路徑損耗小，多個(gè)衛(wèi)星組成的星座可以實(shí)現(xiàn)真正的全球覆蓋，頻率復(fù)用更有效；另一方面蜂窩通信、多址、點(diǎn)波束、頻率復(fù)用等技術(shù)也為低軌道衛(wèi)星移動(dòng)通信提供了技術(shù)保障。因此，LEO系統(tǒng)被認(rèn)為是最有應(yīng)用前景的衛(wèi)星移動(dòng)通信技術(shù)之一。

低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)也存在固有的缺點(diǎn)，如衛(wèi)星數(shù)量較多，由此帶來地面控制、維護(hù)系統(tǒng)比較復(fù)雜等問題，如技術(shù)瓶頸，存在通話質(zhì)量、數(shù)據(jù)傳輸速率和使用成本等問題，但隨著近二十年來通信技術(shù)、微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，通信系統(tǒng)信號(hào)處理能力、通信帶寬不斷提升，從目前仍在運(yùn)行的銥星二代、全球星等低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)使用情況來看，困擾早期銥星系統(tǒng)的掉線率高等技術(shù)問題已經(jīng)得到有效解決，為低軌衛(wèi)星通信的普及應(yīng)用掃清了障礙。

傳統(tǒng)衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)主要由政府驅(qū)動(dòng)，是政府出資、政府使用，各類衛(wèi)星通信系統(tǒng)屬于國有的天基基礎(chǔ)設(shè)施。然而，過去十年，商業(yè)航天產(chǎn)業(yè)吸引了超過130 億美元的投資，其中1/5 來自于投資公司和私營企業(yè)，其中半數(shù)以上都來自衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)。充滿活力的私營企業(yè)期待的不僅僅是資本回報(bào)，更加看重充滿希望的發(fā)展前景。

國外衛(wèi)星移動(dòng)通信分兩個(gè)階段，早期最有代表性的低軌衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)是銥星系統(tǒng)（Iridium）和全球星系統(tǒng)（Globalstar）系統(tǒng)。由于當(dāng)時(shí)對(duì)衛(wèi)星移動(dòng)通信信道的理解不夠深入，以及移動(dòng)終端小型化的技術(shù)也不成熟，銥星系統(tǒng)、全球星系統(tǒng)都面臨GSM手機(jī)強(qiáng)有力的競(jìng)爭(zhēng)，在使用費(fèi)用、終端成本、數(shù)據(jù)傳輸速率等方面都不占優(yōu)勢(shì)的情況下難以普及，只能應(yīng)用于緊急救援、海事通信、軍用通信等特殊領(lǐng)域。

在隨后的 20 年中，很多研究機(jī)構(gòu)和大學(xué)對(duì)衛(wèi)星移動(dòng)通信信道開展了大量的實(shí)驗(yàn)和研究，航天科技和電子信息技術(shù)的進(jìn)步降低了衛(wèi)星研制、量產(chǎn)和發(fā)射的成本，而衛(wèi)星通信資費(fèi)的降低和數(shù)據(jù)傳輸速率的提升又催生出無時(shí)無刻的互聯(lián)網(wǎng)接入和大數(shù)據(jù)需求，面對(duì)廣闊的市場(chǎng)需求，低軌衛(wèi)星通信的復(fù)興也自然水到渠成。

國外衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)企業(yè)項(xiàng)目大盤點(diǎn)

1）銥星系統(tǒng)

銥星系統(tǒng)，又稱銥星計(jì)劃，是美國摩托羅拉公司提出的第一代真正依靠衛(wèi)星通信系統(tǒng)提供聯(lián)絡(luò)的全球個(gè)人通信方式。銥星系統(tǒng)是由66顆由無線鏈路相連的衛(wèi)星（外加6顆備用衛(wèi)星）組成的一個(gè)空間網(wǎng)絡(luò)。設(shè)計(jì)時(shí)原定發(fā)射77顆衛(wèi)星，后期為減少投資規(guī)模，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)以及增強(qiáng)與其他LEO系統(tǒng)的競(jìng)爭(zhēng)能力，摩托羅拉公司將其衛(wèi)星數(shù)降低到66顆。

當(dāng)時(shí)銥系統(tǒng)是設(shè)計(jì)方案中最為完整、具體的，進(jìn)展也很快，是十分有前景的方案，但系統(tǒng)仍存在不足：

一是技術(shù)方面，受當(dāng)時(shí)設(shè)備性能制約，系統(tǒng)切換掉線率高達(dá)15％，嚴(yán)重影響通話質(zhì)量，并且數(shù)據(jù)傳輸速率僅有2.4kb/s；

二是成本方面，與GSM等系統(tǒng)終端相比，暴露出業(yè)務(wù)收費(fèi)高、有地區(qū)差異、手機(jī)價(jià)格高等問題，導(dǎo)致1998 年底才投入運(yùn)行，之后公司于2000年左右就宣告破產(chǎn)。

銥星二代系統(tǒng)

新銥星公司于2007年提出銥星二代（Iridium Next）計(jì)劃，該計(jì)劃同樣由 66 顆衛(wèi)星組成，此外還有 6 顆規(guī)定冗余衛(wèi)星，以及 9 座地面冗余。銥星二代保持了與第一代同樣的星座構(gòu)型，主要是做了能力升級(jí)與一些新業(yè)務(wù)的拓展。Iridium Next主要瞄準(zhǔn)IP寬帶網(wǎng)絡(luò)化和載荷能力的可擴(kuò)展、可升級(jí)，這些能力使得它能夠適應(yīng)未來空間信息應(yīng)用的復(fù)雜需求，但對(duì)于當(dāng)前日益增多的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)需求，尤其是5G通訊時(shí)代的來臨，銥星二代系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸能力仍顯不足。

2）全球星系統(tǒng)

全球星（Globalstar）系統(tǒng)是美國LQSS（Loral Qualcomm Satellite Service）公司于1991年6月向美國聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）提出的低軌衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)。根據(jù)計(jì)劃，全球星系統(tǒng)計(jì)劃在1997年底發(fā)射12～16顆衛(wèi)星，并于1998年發(fā)射其他的衛(wèi)星。按目前全球星（Globalstar）系統(tǒng)合作伙伴的分布情況來看，它可以為33個(gè)國家提供服務(wù)。

為了適應(yīng)移動(dòng)終端對(duì)數(shù)據(jù)傳輸量不斷提高的需求，全球星系統(tǒng)于2010年開始建設(shè)Globalstar-2系統(tǒng)，并于2013年完成了由24顆衛(wèi)星組成的低軌移動(dòng)衛(wèi)星通信星座的部署。Globalstar-2衛(wèi)星系統(tǒng)推出了基于衛(wèi)星的WiFi服務(wù)，也叫Sat-Fi。Sat-Fi路由器與衛(wèi)星相連形成熱點(diǎn)，用戶直接通過智能手機(jī)安裝APP連接后就能上網(wǎng)，可以實(shí)現(xiàn)話音、郵件、短消息等業(yè)務(wù)。

3）SpaceX公司的“星鏈”計(jì)劃

2015年1月，馬斯克宣布了SpaceX的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的計(jì)劃。SpaceX計(jì)劃將約1.2萬顆通信衛(wèi)星發(fā)射到軌道，并從2020年開始工作。這一項(xiàng)目被命名為“星鏈”(Starlink)

星鏈計(jì)劃分三步走。完成后，就在近地軌道組成了兩層龐大的衛(wèi)星星座，內(nèi)層340公里軌道高度的7518顆衛(wèi)星與外層的1000多公里軌道高度的4425顆衛(wèi)星組成的11943顆衛(wèi)星星座占據(jù)了上圖的黃色區(qū)域，與傳統(tǒng)的地球靜止軌道的紅色區(qū)域形成了較為鮮明的對(duì)比。

4）One Web

OneWeb創(chuàng)辦于2012年，主要致力于構(gòu)建覆蓋全球的高速寬帶網(wǎng)絡(luò)，為世界各地提供高速寬帶服務(wù)。它是少數(shù)幾家計(jì)劃建造、發(fā)射和運(yùn)營數(shù)千顆小型衛(wèi)星以提供全球網(wǎng)路撥接服務(wù)的初創(chuàng)企業(yè)之一。

OneWeb計(jì)劃通過發(fā)射超過600個(gè)小衛(wèi)星到低軌道創(chuàng)建覆蓋全球的高速電信網(wǎng)絡(luò)。所設(shè)想的網(wǎng)絡(luò)將允許用戶即使在基于地面的基礎(chǔ)設(shè)施被損壞時(shí) (例如在災(zāi)難中) ，也能與他人進(jìn)行通信。目前該項(xiàng)目已經(jīng)獲得了軟銀、高通、可口可樂、空中客車等巨頭的投資。

5）O3B

O3b是other 3 billion的簡(jiǎn)稱，成立于2007年，意在為全球“另外30億”沒有網(wǎng)絡(luò)覆蓋的人提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。不同于One Web，O3b使用的是中地球軌道(距離地球約 8000 千米)衛(wèi)星，這樣的距離下，數(shù)據(jù)來回傳輸需要 150 毫秒。這些衛(wèi)星向地球發(fā)射 120 個(gè)可調(diào)節(jié)方向的互聯(lián)網(wǎng)光束，每個(gè)光束可以覆蓋直徑為 400 英里(約 644 公里)的區(qū)域。區(qū)域中的任何人都可以以光纖的速度接入互聯(lián)網(wǎng)。

目前，O3b 已擁有 16 顆運(yùn)行中的中地球軌道衛(wèi)星，覆蓋世界大片區(qū)域，包括熱帶地區(qū)、太平洋許多島嶼、海上鉆井平臺(tái)以及大型郵輪。已經(jīng)獲得累計(jì)超過10億美元融資，投資方包括Google、衛(wèi)星巨頭SES、有線電視運(yùn)營商Liberty Global、投資銀行Allen&Company、南非開發(fā)銀行等。

1、世界各國軌道頻譜資源競(jìng)爭(zhēng)激烈

軌道和頻譜是通信衛(wèi)星能夠正常運(yùn)行的先決條件，面對(duì)有限的軌道、頻譜資源，國外公司紛紛推出自己的低軌通信衛(wèi)星建造計(jì)劃，甚至SpaceX的Starlink計(jì)劃衛(wèi)星數(shù)量達(dá)到驚人的12000顆，爭(zhēng)取在低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)組網(wǎng)建設(shè)上占得先機(jī)，“跑馬圈地”意圖明顯。

目前，國外已經(jīng)公布的低軌通信衛(wèi)星方案中，衛(wèi)星總數(shù)量約為23892顆，衛(wèi)星軌道高度主要集中在1000~1500km之間，頻段主要集中在Ka、Ku和V頻段，在軌道高度十分有限、頻段高度集中的情況下，衛(wèi)星軌道和頻譜的競(jìng)爭(zhēng)將愈加激烈。由于軌道和頻譜在國際電信聯(lián)盟的有效占有時(shí)間有限，不如期發(fā)射衛(wèi)星，原有軌道和頻譜將失效，因此，預(yù)計(jì)下一階段各家公司將搶先發(fā)射衛(wèi)星，以實(shí)際占有軌道和頻譜！

2、中國力量加入低軌通信衛(wèi)星競(jìng)爭(zhēng)陣營

我國疆域遼闊，自然地形復(fù)雜。在面對(duì)偏遠(yuǎn)山區(qū)的自然村落時(shí)，與地面光纜相比，“從天上”解決成本更低，并且能夠同時(shí)解決海上通信問題。2016年12月的《十三五國家信息化規(guī)劃》中也明確提及“通過移動(dòng)蜂窩、光纖、低軌衛(wèi)星等多種方式，完善邊遠(yuǎn)地區(qū)及貧困地區(qū)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋。”

我國目前的衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要有衛(wèi)星廣播通信、衛(wèi)星寬帶互聯(lián)網(wǎng)和衛(wèi)星移動(dòng)通信三種類型：

3、盤點(diǎn)國內(nèi)衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)企業(yè)項(xiàng)目

據(jù)《華爾街日?qǐng)?bào)》報(bào)道，2018年底中國已有約80家太空技術(shù)初創(chuàng)企業(yè)投入這一領(lǐng)域，太空已成中國商界的“新邊疆”。

1）備受關(guān)注的就是中國航天科技集團(tuán)的鴻雁星座計(jì)劃。中國鴻雁星座由300顆低軌道小衛(wèi)星及全球數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)處理中心組成，具有全天候、全時(shí)段及在復(fù)雜地形條件下的實(shí)時(shí)雙向通信能力，可為用戶提供全球?qū)崟r(shí)數(shù)據(jù)通信和綜合信息服務(wù)。

2）中國航天科工集團(tuán)的虹云工程計(jì)劃，中國虹云工程計(jì)劃發(fā)射156顆小衛(wèi)星，在距離地面1000公里的軌道上組網(wǎng)運(yùn)行，構(gòu)建一個(gè)星載天基寬帶全球移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，以滿足中國及國際互聯(lián)網(wǎng)欠發(fā)達(dá)地區(qū)、規(guī)模化用戶單元同時(shí)共享寬帶接入互聯(lián)網(wǎng)的需求。虹云工程預(yù)計(jì)在2022年完成部署，并在2018年發(fā)射首顆衛(wèi)星。

3）九天微星成立于2015年6月，主要研發(fā)小衛(wèi)星總體設(shè)計(jì)、關(guān)鍵載荷研發(fā)和組網(wǎng)等技術(shù)，主做微小衛(wèi)星創(chuàng)新應(yīng)用與星座組網(wǎng)運(yùn)營，按照計(jì)劃，2018下半年九天微星將發(fā)射“一箭七星”的“瓢蟲系列”，未來近百顆物聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星將發(fā)射升空。

4）天啟物聯(lián)網(wǎng)星座由北京國電高科科技有限公司部署和運(yùn)營，該公司在2018年10月底發(fā)射首顆衛(wèi)星，計(jì)劃到2021年前部署完成有38顆低軌衛(wèi)星組成的覆蓋的全球的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)通信星座，天啟物聯(lián)網(wǎng)星座除能有效解決地面網(wǎng)絡(luò)覆蓋盲區(qū)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，廣泛應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害、水利、環(huán)保、氣象、交通運(yùn)輸、海事和航空等行業(yè)部門的監(jiān)測(cè)通信需求，服務(wù)國家軍民融合戰(zhàn)略，還能有效解決制約智能集裝箱產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵通信問題，從而極大加速這個(gè)百億級(jí)市場(chǎng)的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

據(jù)美國衛(wèi)星工業(yè)協(xié)會(huì)（SIA）發(fā)布的數(shù)據(jù)，2017年全球衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)收入2690億美元，從衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)占比上來看，衛(wèi)星制造業(yè)收入為155億美元，占比約為6%；衛(wèi)星發(fā)射產(chǎn)業(yè)收入46億美元，占比約為2%；地面設(shè)備產(chǎn)業(yè)收入1198億美元，占比約為45%；衛(wèi)星服務(wù)產(chǎn)業(yè)收入1287億美元，占比約為48%。由此可見，衛(wèi)星制造、衛(wèi)星發(fā)射所占整個(gè)衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)值規(guī)模不足10%，前期投入衛(wèi)星組網(wǎng)建設(shè)的費(fèi)用，對(duì)整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈將帶來超過10倍的產(chǎn)值規(guī)模。

依此估算，“鴻雁”和“虹云”低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)組網(wǎng)投費(fèi)用入估計(jì)將超過300億人民幣，根根據(jù)SIA的數(shù)據(jù)，對(duì)于衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)鏈，組網(wǎng)建設(shè)費(fèi)用約占產(chǎn)業(yè)鏈總產(chǎn)值的7.5%，由此測(cè)算，后期地面設(shè)備投入將約為1784億元，帶來的衛(wèi)星與地面服務(wù)產(chǎn)值將達(dá)到約1916億元，因此，低軌衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)鏈總體產(chǎn)值將超過4000億元。

衛(wèi)星組網(wǎng)領(lǐng)域：在低軌衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)鏈中，衛(wèi)星組網(wǎng)包括衛(wèi)星制造與衛(wèi)星發(fā)射兩部分，將是全產(chǎn)業(yè)鏈最先受益的部分。

這部分主要參與者為航天科技集團(tuán)下屬航天一院、航天五院、航天八院和航天九院，以及航天科工集團(tuán)下屬航天二院，涉及的上市公司主要有與衛(wèi)星制造、火箭發(fā)射直接相關(guān)的中國衛(wèi)星（600118.SH）、航天電子（600879.SH），以及與衛(wèi)星組網(wǎng)間接相關(guān)的航天發(fā)展（000547.SZ）、航天機(jī)電（600151.SH）等。

地面設(shè)備領(lǐng)域：地面設(shè)備包括衛(wèi)星地面接收站、移動(dòng)衛(wèi)星終端等，預(yù)計(jì)在低軌衛(wèi)星通信建設(shè)初期，將類似3GPP提出的框架結(jié)構(gòu)，即大部分移動(dòng)終端設(shè)備利用地面網(wǎng)絡(luò)，通過衛(wèi)星信號(hào)地面接收站實(shí)現(xiàn)全球通信服務(wù)，小部分海上、偏遠(yuǎn)地區(qū)使用移動(dòng)衛(wèi)星終端直接與衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)通信，這部分用戶類似目前天通衛(wèi)星、天通手機(jī)的直連模式，華力創(chuàng)通（300045.SZ）、中興通訊（000063.SZ）都已經(jīng)開發(fā)了天通手機(jī)，具有前期優(yōu)勢(shì)，后期隨著這部分市場(chǎng)的逐步壯大，其他廠商也將加入移動(dòng)衛(wèi)星終端的競(jìng)爭(zhēng)中。

《2019中國衛(wèi)星通信設(shè)備市場(chǎng)分析報(bào)告》的數(shù)據(jù)顯示，國內(nèi)衛(wèi)星通信市場(chǎng)規(guī)模亦呈逐年上升的態(tài)勢(shì)，從2008年的110億元增長(zhǎng)到2016年的508.7億元，復(fù)合增長(zhǎng)率約為21.1%，預(yù)計(jì)2020年，中國衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)將接入5000萬臺(tái)左右的終端，通信業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)營收規(guī)模達(dá)數(shù)百億元。具體行業(yè)包括：

2015年，國務(wù)院發(fā)布了《國家民用空間基礎(chǔ)設(shè)施中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃(2015-2025年)》！如果說2015年是中國商業(yè)航天的元年，那么，可以說2019年是中國衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)的商業(yè)化元年。有持久的商業(yè)模式、能實(shí)現(xiàn)商業(yè)落地的商業(yè)航天公司，將會(huì)得到社會(huì)資本的新一波認(rèn)可，有望率先破局，把中國商業(yè)航天產(chǎn)業(yè)，帶到新的高度！

再奔放的理想，也繞不開現(xiàn)實(shí)，不得不承認(rèn)在未來很長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，地面網(wǎng)絡(luò)將始終以5G通信為主，衛(wèi)星通信為輔的格局存在。雖說低軌衛(wèi)星通信應(yīng)用時(shí)機(jī)已經(jīng)成熟，但在短期內(nèi)，低軌星座完全取代地面基站，是不現(xiàn)實(shí)的，但隨著科技的不斷發(fā)展，不依賴地面網(wǎng)絡(luò)的衛(wèi)星通訊系統(tǒng)或許在未來成為現(xiàn)實(shí)。