星链Starlink卫星互联网领军者

　　导读
　　星链计划（Starlink）作为全球卫星互联网领域的参与者和领跑者，因为其创始人——埃隆·马斯克的独特风格而广为人知。近来，在俄乌冲突中，美方向乌方提供了数千台星链终端设备用以支援有关方面的通讯能力，这一新闻为马斯克的星链计划又笼上了一层神秘面纱，甚至传出将之与卫星互联网鼻祖＂铱星计划＂相提并论的声音。星链计划是什么？它和传统互联网有何区别？它是新世纪的铱星计划么？本文将尝试一一作答。
　　【中国金融案例中心 文：胡畔 编辑：谢彬彬 】
　　Part 1 星链计划现状
　　1.1 计划概述
　　星链（Starlink）是应用于通信领域的近地轨道卫星星座，计划由4.2万颗卫星组成，可以为用户提供高容量、低延迟的卫星互联网服务。该计划由有＂硅谷钢铁侠＂之称的埃隆马斯克（Elon Musk）在2015年提出，其名下公司——美国太空探索技术公司（SpaceX）于2018年2月发射了两颗原型卫星＂丁丁A和B＂(Tintin A and B)。首发成功后，2019年5月开始，SpaceX几乎保持着每次发射50-60颗卫星的效率，截至2022年10月14日已发射了3399颗卫星，其中有3168颗在轨运行（2700颗正在服务），报废了231颗。根据SpaceX公司的披露，其用户目前主要包括北美大部分地区、欧洲、拉丁美洲部分地区和澳大利亚大部分地区（如图1所示）。
　　图1 星链服务范围
　　注： ①亮蓝色为当前正在服务的范围；蓝色为星链已覆盖的范围，可订阅服务；深蓝色为星链尚未覆盖或尚未获得行政许可的地区。②数据统计时间为2022年10月6日。
　　图片来源：Starlink官网
　　星链既有的在轨卫星已可以为全球用户提供高通量、低延迟的卫星互联网服务，具体可分为家用、商用、房车专用和航海专用四类。在服务范围内的用户可以直接在Starlink官网下单，方便快捷。尽管作为全球第一款卫星互联网产品，相比于人们所熟悉的传统光纤式的互联网更加前卫，但从客户体验的角度来看，并不会有明显差异（如图2所示）。Starlink的主要装置为卫星信号接收装置，并允许客户搭配使用第三方路由器。值得注意的是，星链的航海卫星接收装置目前使用的是2个商用版本的接收装置，未来将在2023年为用户免费更换为航海专用版接受装置（如图3所示）。
　　图2 Starlink卫星网络接收器与使用示意图
　　图片来源：俄罗斯媒体mil.in.ua；H.M.V.R.Herath ，Starlink : A Solution to the Digital Connectivity
　　图3 Starlink Maritime
　　图片来源：Starlink官网
　　1.2 现价比对
　　在价格方面，对于考虑性价比的普通居民使用而言，星链的收费标准可以说是极高的。以美国纽约为例，该地区主要的五家居民网络供应商在最低网速达300Mbps（超过星链的最高网速）的情况下，每月的费用还不到星链费用的一半。但对于其他用途，特别是在海上使用，星链则具有较为明显的优势。以主流的VSAT ISP为例，其月网费为165000美元，星链5000美元/月的收费标准仅为其三十分之一（见图4、表1）。
　　图4 星链与纽约主要网络供应商网费对比（每月）
　　数据来源：allconnect.com
　　表1 星链卫星网络产品收费标准
　　数据来源：据公开资料整理
　　将美国主流卫星互联网服务商提供的固定用户套餐进行对比可以发现，Starlink在卫星互联网服务中，在下载速度和流量方面有明显优势，但同时无论是月收费还是固定设备安装费用都为用户选择Starlink设置了较高的门槛（如表2所示）。
　　表2 美国主流卫星互联网服务商收费对比
　　数据来源：SatelliteInternet.com
　　Part 2 星链的技术特点与优势
　　2.1 信号覆盖范围广
　　相比于市场渗透率高的传统互联网服务，卫星互联网收费过高，没有竞争力；但在传统互联网难以触达的地区，卫星互联网有着明显的价格优势，这主要源于卫星互联网全球覆盖的特点。
　　由于卫星互联网是对卫星通信的一种具体应用，卫星通信系统是以通信卫星转发器作为中继站，通过发射或者转发无线信号实现地面间的信号传输，地面信号的接受并不像传统互联网需要依靠架设大量路基设备才能进行传递，因此即使是在人迹罕至的地区，如沙漠戈壁、极地和海洋也能提供服务（如图5所示）。
　　图5 卫星通信示意图
　　图片来源：申万宏源-《天地融合，卫星互联网投资全景结构》
　　2.2 低延迟
　　由于信号在两地之间传递需要时间，因此产生了延迟。在使用卫星网络进行信号传输所产生的延迟大抵由＂信号在地面装置与卫星之间的往返＂和＂信号在卫星之间的传递＂两部分组成。
　　首先，卫星距离地面的距离与信号传输时间长短呈正比关系。较低的轨道高度有利于降低信号传输过程中的延迟。根据Starlink公布的数据，信号在地面至高轨卫星再返回地面需要大约240毫秒，而信号在地面至离地550公里高度的低轨卫星Starlink之间往返一周的时间约3.4毫秒，是使用高轨卫星所需时间的1/70（如图6所示）。实际上，SpaceX最早于2016年向美国联邦通信委员会（FCC）申请的轨道高度为距地面1110-1325公里，并计划发射4425颗卫星；后来出于降低延迟的目的，公司在2018年向FCC申请，将于2016年申请的4425颗卫星中的1584颗的运行高度降轨至距地面550公里。由于SpaceX的轨道壳上端高度为570公里，与其竞争对手——亚马逊的低轨卫星星座Kuiper最低570公里的轨道高度仅相差20公里，于是SpaceX在2019年又将剩余的2841颗申请降轨至540-570公里高度。
　　图6 Starlink的低轨道带来低延迟优势
　　注：GEO为地球静止轨道简称，轨道高度35786公里，位于该轨道的卫星主要用于通信、导航和气象观测。Starlink所在的LEO为低地球轨道，轨道高度300-2000公里，位于该轨道的卫星主要用于对地观测、测地和通信等。
　　图片来源：Starlink官网
　　其次，由于卫星在550公里的高度仅能覆盖半径为500公里的范围，这意味着地面上距离超过500公里的两个装置间信号的传输至少需要两颗卫星在太空中进行＂接力＂——即一颗卫星在接收到地面信号后，通过激光将信号传递给另一颗距离地面接收点更近的卫星，再由该卫星将信号传递回地球（如图7所示）。由于在实践中，进行信号＂接力＂的卫星很可能并不在同一平面，由于彼此速度不同，可能会出现激光信号在传递过程中因相对位置发生变化发生信号丢失，需要重新发射激光信号到其他卫星上的情况，并由此产生延迟。据了解，Starlink每一颗卫星装有5个激光通讯组件，可以稳定保持与4颗卫星的信号连接。
　　图7 信号在多个卫星间传递
　　图片来源：作者根据公开资料绘制
　　根据伦敦大学Mark Handley教授的研究估算，Starlink卫星互联网理论上的延迟是43毫秒，这一速度相对传统信息通信速度有极大的提升。作为对比，使用公共线路在美国纽约与英国伦敦之间传递信息的延迟时间为65毫秒，使用造价3亿美元的私人光缆可以将延迟时间降低至59.95毫秒。5.05毫秒对于大多数普通人而言没有显著区别，但对于一些利用时间差、价格差盈利的金融机构（如对冲基金）而言却意义非凡。由此可预设，卫星互联网在某些特定应用场景中可以产生重大影响。
　　2.3 成本低廉
　　卫星互联网建设成本本身就远低于传统互联网建设成本。以在美国全面覆盖卫星互联网/5G网络为例，全面覆盖5G网络所需的总建设投资约为6000亿美元，年运营成本为231.1亿美元；相比之下，卫星互联网的总建设投资需要约962亿美元，年运营成本25.7亿美元。无论是在初始投资还是后续运营成本方面，卫星互联网都更具成本优势。
　　由于显著的成本优势，大量市场参与者涌入该赛道。尽管同为卫星互联网建设，但在卫星制造和发射方面，众多参与者相互之间仍有不小的差距，而星链正是在这一方面拥有其他厂商难以匹及的优势。
　　在卫星制造方面，根据马斯克和SpaceX首席运营官肖维尔（Shotwell）在2020年的表述，星链的单科卫星制造成本已降到了50万美元以下。相比之下，Starlink最具实力的竞争对手之一——OneWeb的单颗卫星制造成本在100万美元，而继承了卫星互联网鼻祖＂铱星计划＂衣钵的Iridium Next的单颗卫星制造成本更是高达3067万美元（如表3所示）。
　　表3 卫星制造成本
　　资料来源：艾瑞咨询研究院
　　在卫星发射方面，SpaceX一箭多星的发射能力和单次发射成本都极具竞争力，构成了SpaceX在卫星互联网星座搭建过程中的核心竞争力。根据艾瑞咨询的数据，Starlink的单次发射价格为3692万美元，仅为OneWeb的一半，而单次发射卫星数量为其2倍，因此单颗卫星的发射成本仅为OneWeb的四分之一。而Iridium Next由于外包发射业务给SpaceX，自然不能像Starlink一样享受发射成本价，因此其单次发生成本为Starlink的1.7倍。再加上Iridium Nex卫星设计与发射火箭缺乏整体设计，且单颗卫星质量是Starlink的3.3倍，单次发射卫星数量仅为9-10颗，最终Iridium Nex单颗卫星的发射成本为Starlinke的近10倍（如表4所示）。
　　表4 卫星发射成本对比
　　资料来源：艾瑞咨询研究院
　　Part 3 星链计划VS铱星计划
　　3.1 铱星计划介绍
　　铱星计划始于摩托罗拉工程师在1985年的伟大构想，计划由77颗沿11条地球经线运行的卫星构成，由于运行轨迹类似化学元素铱核外电子的运行轨迹，因此将这些卫星取名为铱星。后来计划改进，将7条轨道减少至6条，卫星总数也因此减少至66颗，但仍沿用了铱星的名称。
　　铱星星座为近地轨道卫星星座，轨道高度780千米，由美国＂德尔它2型＂、俄罗斯＂质子k型＂和中国＂长征2号丙改进型＂火箭承担了发射任务。铱星计划于1996年首次实验发射，到1998年2月全部部署完毕，同年11月开始提供全球窄带通讯互联网服务。
　　基于铱星计划的卫星通信网络，地面不设基站，用户接收和发送信号需要借助单独的手持设备（如图8所示）。铱星电话单机价格高达3000美元，远高于同时期支持2G通信的普通手机的几百美元的价格，并且每分钟通话费用3-8美元，普通用户难以承担。铱星计划总投资34亿美元，卫星设计使用寿命为5年，经测算该项目欲达到盈亏平衡点需在市场上保有65万用户，而现实是在项目破产前夕，即1999年8月，铱星计划仅拥有不到2万名用户。
　　图8 摩托罗拉公司的铱星电话
　　图片来源：网络公开资料
　　1999年8月，铱星公司申请破产保护，2000年3月，实际耗资50-75亿美元的铱星公司正式进入破产程序。在破产重组后，第二代铱星系统（即Iridium Next）主要为美国军方和各类小众用户（如航海、航空、极限运动参与者）提供服务。根据铱星公司公布的经营状况，截至2021第四季度，公司拥有172.3万计费用户，同比增长16.7%，其中商业计费用户157.6万人，政府用户14.7万人，商业服务创收占比64%，政府采购占比17%，其他收入包括设备和工程支持，合计占比19%。
　　3.2 二者比对
　　星链计划和铱星计划，一个是当前卫星互联网领军者，一个是三十年前的卫星通信鼻祖，人们自然会将二者联系一起进行对比，讨论前者成功的原因和后者失败的教训。但事实上，卫星通信技术的发展和服务的普及尚不成熟，世界多国仍在该赛道上大力发展（如表5所示）以作为5G乃至6G的补充，此时判断星链的成功为时尚早。仅能从阶段性分析星链计划与铱星计划二者之间的区别。
　　表5 各国在卫星通信领域的发展
　　注：数据统计截至2020年10月6日
　　资料来源：天风证券研究所，《低轨卫星通信网络领域国际竞争：态势、动因即参与策略》
　　首先在技术储备方面。铱星计划的提出是在上世纪90年代，无论是通信技术、卫星设计与制造、还是航天技术，都有大量技术难点需要攻关。相比之下，在星链计划提出的2015年，相关技术都有了质的飞跃，甚至许多科研院所、高等院校和私人企业都具备了发射自主研制卫星的能力。技术的发展和普及直接影响了项目的成败。
　　其次在成本方面。近三十年铱星计划耗费50-75亿美元，而现如今世界各国卫星互联网计划的成本大多能控制在这一数值以下。考虑通货膨胀的影响，如今的卫星互联网计划的成本压力明显低很多。而作为众多卫星互联网服务商中的佼佼者，SpaceX同时掌握了回收并重复利用火箭的技术，更是进一步降低了卫星发射成本。
　　除此之外，考虑到如今社会经济的快速发展，有越来越多的用户有能力承担成本相对传统互联网更高的＂新鲜事物＂，同时还有更多的人类活动涉及一些偏远地区和极限环境，并且现在的卫星互联网会搭配地面基站从而支持用户使用自己原有的智能手机，这使得卫星互联网的用户数量相比三十年前大幅增加。增大的用户群体摊薄了单户费用，从而降低了用户进入门槛，这又进一步扩大了用户群体，从而有机会形成良性循环。
　　相比于曾经摩托罗拉铱星计划的宏伟创新，当前包括Starlink在内的卫星互联网计划更多地是站在巨人肩膀上的，在通信技术和航空航天技术领域的进一步攀登。