专题丨Starlink低轨卫星通信星座深度分析
作者简介
徐冰玉
中国信息通信研究院技术与标准研究所无线信息化研究部工程师，博士，主要从事无线通信、卫星通信等方面的研究工作。
李侠宇
中国信息通信研究院技术与标准研究所副总工程师，主要从事无线信息化、卫星通信等方面的研究工作。
论文引用格式：
徐冰玉, 李侠宇. Starlink低轨卫星通信星座深度分析[J]. 信息通信技术与政策, 2021,47(9):16-20.
∗基金项目：国家重点研发计划项目（No.2019YFB1803105）资助
Starlink低轨卫星通信星座深度分析*
徐冰玉 李侠宇
（中国信息通信研究院技术与标准研究所，北京100191）
摘要：梳理美国SpaceX公司的星链（Starlink）卫星通信星座的发射情况、测试情况、建造能力和生产成本，明确Starlink的最新进展。重点从网络能力、成本与收入、军事价值三方面剖析Starlink卫星通信星座的可行性和发展前景。通过分析可知，Starlink卫星通信星座已初步具备服务能力和盈利能力，其经验值得我国卫星通信产业借鉴。
关键词：卫星互联网；Starlink；卫星通信系统
中图分类号：TN927.2；TN918 文献标识码：A
引用格式：徐冰玉, 李侠宇. Starlink低轨卫星通信星座深度分析[J]. 信息通信技术与政策, 2021,47(9):16-20.
doi：10.12267/j.issn.2096-5931.2021.09.003
0 引言
根据We Are Social与Hootsuite发布的“2021全球数字报告”，截止到2021年1月底，全球互联网用户规模为45.4 亿，人口普及率达59%[1]。然而，受制于铺设成本和铺设难度等因素，全球互联网的土地覆盖率仅为20%左右。尤其是针对广大的海洋、沙漠、深林等地区，现有地面网络无法实现有效覆盖。相比之下，卫星通信的广覆盖、不受空间限制、受自然灾害影响小等特征，使其可以作为地面通信的有效补充，为陆地、海洋和天空等各类用户提供互联网服务。
20世纪末，美国摩托摩拉公司提出了全球首个卫星互联网星座“铱星星座”，由于技术难度大、成本过高、市场定位错误等原因后来被迫停滞。2010年之后，随着卫星通信技术的发展、卫星建造和发射成本的降低、规模化生产水平的提升，卫星互联网再次走入大众的视野中。根据美国SIA的数据，现有商业卫星产业总值约2800 亿美元，预计到2040年，全球太空经济的价值将达到1 万亿美元。其中，卫星互联网预计将占市场增长的50%~70%。
目前，全球范围内已经提出多个卫星互联网建设计划，包括美国的Starlink星座、Kuiper卫星通信星座、英国的OneWeb卫星通信星座和加拿大的Lightspeed卫星通信星座。其中，发展最为迅速的是美国SpaceX公司提出的Starlink卫星通信星座。Starlink卫星通信星座的发展，采用了多种新型关键技术和商业模式，对我国的卫星互联网产业极具借鉴价值。
1 Starlink卫星通信星座发展历程
1.1 Starlink卫星通信星座的背景
2015年1月，美国SpaceX公司宣布了其卫星通信星座Starlink的建设计划，旨在为全球用户，特别是农村和偏远地区的用户，提供高速互联网接入服务。根据SpaceX提交给美国联邦通信委员会（Federal Communications Commission，FCC）的信息，Starlink卫星通信星座分两个阶段建设：第一阶段计划部署1.2 万颗低轨卫星，第二阶段计划部署3万颗低轨卫星。
截止到2021年6月，Starlink卫星通信星座已经完成首批1740颗卫星的发射任务，轨道高度为550 km，分布在72个轨道面上。这些卫星通信采用Ku和Ka频段，倾角53°[2]，单颗卫星重约260 kg，天线覆盖范围为64 万平方公里，服务纬度为44°~52°，在轨寿命为1~5年，预计2022年星座将配备星间链路，可有效覆盖极地地区。
美国北方天空研究公司（NSR）根据FCC提供的数据进行仿真分析得出，Starlink卫星通信星座的卫星单星过顶时间为4.1 min，飞行速度为7.5 km/s，单星覆盖面积为277 万平方公里，单波束覆盖半径为8 km。位于华盛顿州的信关站能同时观测到5~7 颗卫星。
1.2 发射情况
2021年5月27日，SpaceX公司在佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地发射第29批60 颗卫星，此次发射是当月的第四次发射，也是2021年以来发射的第13批星链卫星。目前，SpaceX公司的Starlink卫星通信星座累计发射1737 颗卫星，其中在轨1638 颗，在轨运行951 颗。
2 Starlink卫星通信星座测试情况
Starlink卫星通信星座自2020年8月起开展公开测试服务，且已经在美国、加拿大、英国、德国、法国、新西兰和澳大利亚等超过12个国家建设信关站并开展宽带测试。目前，全球有近百个信关站，亚洲还没有正式使用的信关站，但是SpaceX已经开始与日本、老挝、菲律宾等亚洲国家洽谈信关站落地事宜。
截至2021年8月，Starlink卫星通信星座在全球范围内用户数已经近9 万，遍布12个国家或地区。预计在未来的12个月内，全球Starlink卫星通信用户数将超过50 万。目前，Starlink在美国的资费标准为终端机费用499美元+网费99 美元/月，在英国的资费标准为终端机费用439 英镑+网费 89 英镑/月。传统宽带卫星系统Viasat和HughesNet的资费标准分别为200 美元/月和150 美元/月[3]，可见Starlink与传统高轨卫星通信系统相比具有很大价格优势。Starlink用于公开测试的终端套件包括一个Starlink碟形天线，一个W-Fi路由器，一个电源和系统支架。测速网站Ookla的报告显示，2021年第二季度Starlink卫星网络下行平均下载速率可达108 Mbit/s，平均时延为37 ms。预计Starlink卫星通信星座将于2021年年底开始全球商用服务。
3 Starlink卫星通信星座商业运营情况
3.1 Starlink卫星通信星座建造情况
Starlink卫星通信星座集卫星、火箭、地面站制造、火箭发射、卫星运营和服务于一身，采用创新商业闭环模式，具备自主完整的商业航天产业链。这种商业模式的优势在于技术更加可控，更利于降低整体成本和优化整个系统。
2020年，马斯克旗下的隧道挖掘公司TBC和特斯拉公司在德克萨斯州建立了办公场所和工厂，其中工厂用于生产卫星。2021年3月3日，SpaceX公司表示，将在德克萨斯州奥斯汀市建造一座新工厂，用来大批量生产面向消费者的地面信号接收终端和天线等设备，预计产能可达到每周5000 台终端。
3.2 Starlink卫星通信星座生产成本
为建设Starlink卫星通信星座，预计SpaceX公司的总投资额将达到200 亿~300 亿美元，其中需50 亿~100 亿美元才能全面投入运营。星座建成后，预估收益约300 亿美元。
目前，Starlink卫星通信星座的单颗卫星制造成本为50 万美元，采用猎鹰9号火箭发射，官方报价6200 万美元，按照一箭60星的方案来估算，其单颗星发射成本为100 万美元左右。考虑到猎鹰9号可以多次重复使用，实际发射费用应远低于这个报价。并且，根据SpaceX于2021年8月提供给FCC的信息，2022年Starlink卫星通信星座将采用SpaceX公司研制的星际飞船来发射卫星，能够一次发射400 颗卫星，在大幅提升网络部署速度的同时，有效降低成本。
在终端方面，目前Starlink卫星通信星座终端在美国的报价为设备费用499 美元，在英国的报价为设备费用439 英镑，价格与美国基本一致。据2021年4月SpaceX公布的消息，Starlink卫星通信星座终端成本为1500 美元左右，远高于目前售价，这意味着SpaceX承担了将近1000 美元的损失，或者说补贴。
4 Starlink卫星通信星座发展情况分析
4.1 Starlink卫星通信星座的网络能力分析
根据目前SpaceX的官方说法和Starlink卫星通信星座的实际能力，Starlink卫星通信星座主要是作为地面移动通信网络尤其是5G的补充和延伸，虽然也不完全排除在城市地区提供服务的可能，但是仍旨在覆盖农村、海洋、沙漠、极地等互联网服务水平低的地区。
从覆盖范围看，地面移动网络主要以实现人口覆盖为主，而Starlink、OneWeb等卫星通信星座的互联网系统未来能够实现领土覆盖，甚至全球覆盖。目前，Starlink卫星通信星座并未配置星间链路，因此只能覆盖到陆地能够建设信关站的区域，并且受到现在卫星的数量和密度的限制，单个信关站只能同时看到5~7 颗卫星，星座的能力有限。但根据SpaceX的信息，其司2022年发射的Starlink卫星将配备星间链路。这将带来两个好处：一是能够有效实现全球覆盖，尤其是惠及极地、海洋等地区；二是可以将热点区域的部分用户通过星间链路分配到较空闲的卫星，由它们提供通信服务，实现负载均衡。然而，星间链路带来的问题是会浪费大量的星间链路资源来传输重复的信息，造成卫星功耗和链路能力的浪费，并且可能会增加额外的时延，降低用户的服务质量。配置星间链路后的星座容量和性能，还需要根据网络构型和实际开展的业务数量来作具体分析。
从用户速率看，4G系统要求的下行速度平均为100 Mbit/s左右。而根据我国“5G之花”[4]中的定义，5G要求的下行体验速率要达到1 Gbit/s，大概是4G的10倍，峰值速率最高要达到20 Gbit/s。目前，根据Starlink卫星通信星座全球测试的结果，德国的用户是目前最大速率的保持者，峰值速率能够达到649 Mbit/s。然而，SpaceX提出的平均速率目标为50 Mbit/s~150 Mbit/s。可见，目前Starlink卫星通信星座能达到的速率与4G的水平基本持平，但是还达不到5G的水平。未来，当卫星的数量和密度加大后，该速率有可能得到有效提升。
从系统容量看，目前华为的5G BBU上行+下行吞吐量为50 Gbit/s，Starlink卫星通信星座里的卫星容量平均为20 Gbit/s，与地面5G基站在同一量级。然而，目前仅在我国的5G基站数量已有近150 万个，Starlink卫星通信星座的整个计划里仅有4.2 万颗卫星，系统的容量完全不是一个量级。这还不考虑卫星在太空中沿固定轨道运转，有大量卫星覆盖在沙漠、海洋等地区，其通信容量并不能被充分利用。
从时延看，Starlink卫星通信星座的卫星轨道高度为550 km左右，星下点即最短往返距离为1100 km，传输时延为3.7 ms左右，卫星覆盖范围的边缘点的传输时延将更大。目前，5G的空口时延要求为1 ms~2 ms。所以，从时延的角度来看，Starlink卫星通信星座也达不到5G要求的水平。
4.2 Starlink卫星通信星座的成本与收入分析
SpaceX的官方消息称，Starlink卫星通信星座的总投资额约为200 亿~300亿 美元，合人民币1300 亿~2000 亿元，初期需要50 亿~100 亿美元才能全面投入运营，待星座建成后预计收益300 亿美元。根据目前Starlink卫星通信星座的规模，在不考虑火箭重复发射的影响下，一箭60星，第一阶段1.2 万颗卫星的发射成本约为124 亿美元。按照每颗卫星50 万美金测算，4.2 万颗卫星的制造成本约为60 亿美元。再考虑到这其中还未包含地面测运控中心建设、系统的维护和运营等多方面的费用，星座的建设成本与SpaceX的估计数值是吻合的。
关于地面5G的部署成本，据麦肯锡预测，第一轮全球5G部署将投入7000 亿~9000 亿美元[5]，且2030年能够享受5G网络的只有生活在美国、中国、欧洲富裕发达地区的民众。根据我国2020年地面移动通信运营商的年度业绩报告，2021年中国移动5G相关资本开支预计1100 亿元，中国电信和中国联通5G相关资本开支分别预计为397 亿元和350 亿元，3家运营商2021年5G资本投入预计超1800 亿元，同比增长2.44%。
可见，Starlink卫星通信星座建设成本看似非常巨大，但与地面移动通信系统尤其是5G相比，由于单星覆盖面积大，所需基站数量少，成本仍然具有很大优势。然而，卫星的设计寿命仅5~7年，最多7年后，Starlink卫星通信星座需要重新发射替换星，而地面移动通信设备本身寿命很长，建成后的后期维护费用较低。
据数据分析与咨询机构莱希特曼研究小组（Leichtman Research Group）的统计[6]，截至2021年1月，美国仍有近14%的人口，约4200 万人无法接入互联网。假设其中3000 万人使用Starlink卫星通信系统，则Starlink卫星通信用户数量将达到3000 万。这个数量与SpaceX自己的测算基本一致，按照套餐费99 美元/月/人计算，Starlink卫星通信一年的收入大致为360 亿美元，基本能够实现收益。
4.3 Starlink卫星通信星座的军事价值分析
近5年来，美国陆续发布多个航天发展战略和法案，从2015年的《商业航天发射竞争法案》，到2018年的《美国国家太空战略》，再到2020年的《美国国防太空战略概要》，逐步明确了美国要保持太空优势和确保太空稳定的决心，并将为国家、联合、联盟三个层面上的作战行动提供太空支持。可见，美国在商业航天发展的同时，也在不断挖掘低轨卫星星座的军用价值。
作为一个商业航天公司，SpaceX一直面向普通用户。然而,从其推出的Starlink卫星通信星座自身的网络架构以及配合美国军方完成的一系列测试来看，Starlink卫星通信星座未来可能具有很强的军用发展空间。首先，Starlink卫星通信星座完成一期发射后，具备了全球覆盖的能力，尤其是当新一代具备星间链路的卫星完成部署后，其全球覆盖的能力将大大增强，能够实现全天候不间断的侦察和监视。其次，Starlink卫星通信星座中的卫星具有运动速度快、密度高、难以追踪的特点，为反侦察或反监视带来很大困难。同时，Starlink卫星通信星座能够提供更大的速率和更低的时延，在性能具有优势的同时，更有利于陆、海、空、天等多领域通信网络互联互通，增强美军跨域协同通信能力。
2019年，美国空军与SpaceX签署了一项近2800 万美元的协议，旨在进行军事服务演示验证，以评估Starlink卫星通信网络用于空军的性能。SpaceX的测试结果表明，Starlink卫星通信网络可为美军C-12飞机提供高达610 Mbit/s的下载速率。定位方面，美国陆军也提供了数百万美元的资金，委托德克萨斯大学奥斯汀分校无线电导航实验室进行研究，希望利用Starlink低轨道卫星提供精度优于GPS的定位服务。同时，SpaceX公司通过火箭发射业务以及载人飞船研制等相关任务，共计得到美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）超50 亿美元合同。可见，SpaceX与美国的官方合作非常紧密。
5 结束语
本文介绍了Starlink低轨卫星通信星座的基本情况，并从Starlink的网络能力、成本与收入、军事价值分析三个方面进行了重点分析。通过一系列测试可以发现，Starlink卫星通信星座已经初步具备提供服务的能力，并且在不断地优化设计、降低成本。我国应充分借鉴Starlink卫星通信星座的发展经验，采用创新的商业模式，突破关键技术，提升产业化生产能力，加快商业航天布局，建设太空网络强国。
参考文献
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[3] 艾瑞咨询. Starlink卫星互联网商业模式分析[R/OL]. (2020-09-10)[2021-08-08]. http://report.iresearch.cn/content/2020/09/338393.shtml.
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[5] McKinsey Global Institute. Connected world: an evolution in connectivity beyond the 5G revolution[R/OL]. [2021-08-08]. https://www.mckinsey.com/industries/technologymedia-and-telecommunications/our-insights/connectedworld-an-evolution-in-connectivity-beyond-the-5g-revolution.
[6] Leichtman Research Group. 86% of U.S. households get an internet service at home[R/OL]. [2021-08-08]. https://www.leichtmanresearch.com/wp-content/uploads/2020/12/LRG-Press-Release-12-28-2020.pdf.
[7] 李博. SpaceX启动大规模试验星部署的几点分析[J]. 国际太空, 2019(6):12-16.
[8] 蒋雅丽. 中移动2019年营收V型反转2020年斥资1000亿发展5G[J]. 通信世界, 2020(8):6.
In-depth analysis of the satellite constellation Starlink
XU Bingyu, LI Xiayu
(Technology and Standards Research Institute, China Academy of Information Communications Technology,Beijing 100191, China)
Abstract: The background and updates of the satellite constellation Starlink of American company SpaceX are investigated, including launches information, speed test, satellite and user terminal production status. Then, the network capacity, cost and revenue, military value of Starlink are studied, in order to give a detailed understanding. It can be seen that Starlink already has the ability to provide service to the global customers and profit. It can provide much experience to the development of satellite communication industry of China.
Keywords: satellite internet; Starlink; satellite communication system.
本文刊于《信息通信技术与政策》2021年 第9期
主办：中国信息通信研究院
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