為什么中國(guó)一定要發(fā)展“星鏈”？

3月3日，由埃隆·馬斯克創(chuàng)立的美國(guó)太空探索技術(shù)公司SpaceX 再發(fā)射47顆星鏈Starlink衛(wèi)星。在俄烏問(wèn)題中，馬斯克響應(yīng)烏克蘭要求，用“星鏈”（Starlink）支持在烏啟動(dòng)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。

實(shí)際上，不僅包括馬斯克的SpaceX星鏈計(jì)劃，英國(guó)通信公司Oneweb、亞馬遜Kuiper、加拿大Telesat、波音等選手相繼規(guī)劃了衛(wèi)星發(fā)射計(jì)劃。若這些方案得以實(shí)施，未來(lái)五年內(nèi)將有 20000 余顆低軌衛(wèi)星進(jìn)入太空。

星鏈——低軌衛(wèi)星組網(wǎng)

低軌衛(wèi)星是人造地球衛(wèi)星的一種，是環(huán)繞地球運(yùn)行的無(wú)人航天器，傳輸信號(hào)通過(guò)無(wú)線電傳播。

低軌衛(wèi)星組網(wǎng)相對(duì)傳統(tǒng)的高軌衛(wèi)星有著成本低、時(shí)延短、損耗小的優(yōu)勢(shì)，而其覆蓋范圍和建設(shè)效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于地面5G通信基站，可替代GPS的穩(wěn)健且精確的導(dǎo)航。

如果某天GPS系統(tǒng)出現(xiàn)故障或遭到攻擊，給全球諸多重要業(yè)務(wù)帶來(lái)災(zāi)難性的中斷，那么許多國(guó)家一天的損失將超過(guò)10億美元。

但是如果利用數(shù)目眾多、離家更近的近地軌道衛(wèi)星，不但可以實(shí)現(xiàn)50毫秒以內(nèi)的延時(shí)，接近地面光纖網(wǎng)絡(luò)速度，還可以精準(zhǔn)定位。

馬斯克的“星鏈”，就是三層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)分別位于距離地面340千米、550千米和1150千米的軌道上，最終使所有衛(wèi)星聯(lián)成一個(gè)巨大“星座”，提供覆蓋整個(gè)地球（包括南北極）的全天候、高速率、低成本的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。換言之，就連極地、沙漠、大洋、島嶼等偏遠(yuǎn)地區(qū)也能擁有穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)。

衛(wèi)星通信比地面通信開啟的時(shí)間更早，在美國(guó)1963年發(fā)射第一顆GEO通信衛(wèi)星syncom-3時(shí)就開啟了衛(wèi)星通信的第一次試驗(yàn)。

發(fā)射衛(wèi)星需要占據(jù)大量軌道資源，然而低軌的軌道資源有限，國(guó)際上依照“先占先得”原則，先發(fā)者將占據(jù)大量軌道資源，每個(gè)競(jìng)爭(zhēng)者都明白：必須要比對(duì)手行動(dòng)得更快，才能占領(lǐng)最理想的軌道平面。

當(dāng)天上的衛(wèi)星足夠多后，原本隨意發(fā)射航天器的太空將縮小成為窗口，發(fā)射的時(shí)間和地點(diǎn)都將成為一種有限的資源，后發(fā)國(guó)家想將航天器發(fā)射上太空將更加困難。

所以中國(guó)更需要在衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)上發(fā)力研究。在兩會(huì)期間，全國(guó)政協(xié)委員、北京航空航天大學(xué)教授張濤表示，要建設(shè)高中低軌衛(wèi)星協(xié)同組網(wǎng)、天地網(wǎng)絡(luò)深度融合、空天地海一體化的網(wǎng)絡(luò)，盡快盡早布局中國(guó)版“星鏈”衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)。

為何要加強(qiáng)中國(guó)版“星鏈”？

對(duì)于為什么低軌衛(wèi)星會(huì)興起，清華大學(xué)陳山枝教授表示，一是衛(wèi)星發(fā)射技術(shù)進(jìn)步；二是通信技術(shù)進(jìn)步；三是衛(wèi)星制造技術(shù)的進(jìn)步、材料、電源及加工技術(shù)的進(jìn)步；四是集成電路技術(shù)的進(jìn)步。

衛(wèi)星是將地面鐵塔平臺(tái)上的基站搬到空中的衛(wèi)星平臺(tái)。

從通訊角度看，下一代面向消費(fèi)者的高端手機(jī)，將可能具備衛(wèi)星通訊的功能——通過(guò)支持衛(wèi)星通訊的公司。另外，隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，由“人與人”的連接，升級(jí)為“人與人、人與物、物與物”的全空間連接。

從防御性來(lái)看，“星鏈”很難和軍事用途做分割。星鏈計(jì)劃在戰(zhàn)場(chǎng)上還可以對(duì)目標(biāo)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間觀察，能夠?qū)崟r(shí)通過(guò)高精度畫面直接將信息傳輸給指揮所，可以對(duì)導(dǎo)彈進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，直到完成精確打擊。也就是說(shuō)，依賴星鏈衛(wèi)星的導(dǎo)彈造價(jià)會(huì)大大降低。

美軍指揮官James Dickinson認(rèn)為：“大型衛(wèi)星群或這種擴(kuò)散式架構(gòu)，戰(zhàn)場(chǎng)能提供更大容錯(cuò)空間和帶寬流量，因此美國(guó)政府也在思考如何戰(zhàn)時(shí)將民間低軌衛(wèi)星納入軍事應(yīng)用。”

中國(guó)在這場(chǎng)空間資源競(jìng)爭(zhēng)和6G時(shí)代中需要占據(jù)主動(dòng)。

各國(guó)發(fā)展“星鏈”對(duì)哪些半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈有影響 ？

衛(wèi)星的制造、發(fā)射、通信、導(dǎo)航，都需要關(guān)鍵的芯片技術(shù)參與。

低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)構(gòu)造出了一個(gè)上下游緊密關(guān)聯(lián)的產(chǎn)業(yè)鏈，產(chǎn)業(yè)鏈的上游主要是電器元件及材料、燃料廠商，產(chǎn)業(yè)鏈的下游主要是企業(yè)、政府、高校、軍隊(duì)以及個(gè)人等終端用戶，產(chǎn)業(yè)鏈的中游主要分為衛(wèi)星制造、衛(wèi)星發(fā)射、地面設(shè)備制造和衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)及服務(wù)四個(gè)環(huán)節(jié)。

地面設(shè)備業(yè)和衛(wèi)星制造業(yè)中，核心包含FPGA、功率放大器，基帶，射頻，DSP，陀螺儀，角加速度傳感器，SOC等，疊加商用芯片低成本小體積高質(zhì)量需求，可見芯片作為關(guān)鍵一環(huán)技術(shù)不斷演進(jìn)助力商用衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。

與傳統(tǒng)衛(wèi)星不同，商用衛(wèi)星更強(qiáng)調(diào)商用性，追求更低廉的發(fā)射成本、更小的芯片尺寸、更高的芯片質(zhì)量。以FPGA芯片為例，F(xiàn)PGA可以實(shí)現(xiàn)小衛(wèi)星在軌功能重構(gòu)與更新。

紫光國(guó)微在集成電路的主要領(lǐng)域包括：智能安全芯片業(yè)務(wù)、特種集成電路業(yè)務(wù)、FPGA 業(yè)務(wù)和半導(dǎo)體功率器件業(yè)務(wù)。其中，特種集成電路持續(xù)深耕產(chǎn)業(yè)鏈，公司 2021 上半年特種集成電路營(yíng)收達(dá) 13.70 億，同比增長(zhǎng) 69.91%。

復(fù)旦微在國(guó)內(nèi)最早推出億門級(jí)FPGA。億門級(jí) FPGA 基于 28nm 工藝制程，PSoC 采用 28nm 工藝制程，目前已經(jīng)研發(fā)成功，內(nèi)嵌大容量 eFPGA 模塊，并配置 APU 和多個(gè) AI 加速引擎，可廣泛用于高速通信、信號(hào)處理、圖像處理、工業(yè)控制等應(yīng)用領(lǐng)域。

振芯科技，AD/DA、基帶芯片企業(yè)，傳統(tǒng)衛(wèi)星通信設(shè)備、北斗設(shè)備供應(yīng)商。產(chǎn)品覆蓋北斗導(dǎo)航全產(chǎn)業(yè)鏈及自主高端元器件領(lǐng)域，目前主營(yíng)業(yè)務(wù)為北斗芯片設(shè)計(jì)及終端集成、北斗服務(wù)運(yùn)營(yíng)、電子元器件設(shè)計(jì)、安防監(jiān)控四大板塊,在北斗芯片及電子元器件領(lǐng)域公司擁有核心技術(shù),且國(guó)內(nèi)率先研制出自主北斗射頻、基帶芯片及高性能DDS器件。

華力創(chuàng)通，先后參與完成了北斗導(dǎo)航、天通衛(wèi)星通信等國(guó)家重點(diǎn)專項(xiàng)任務(wù)，組織開展了國(guó)產(chǎn)飛機(jī)衛(wèi)星導(dǎo)航、衛(wèi)星通信機(jī)載設(shè)備的研制。其研發(fā)的衛(wèi)星移動(dòng)通信系列芯片采用SOC架構(gòu)，采用先進(jìn)的工藝設(shè)計(jì)，具有低功耗、集成度高、功能組件全的特點(diǎn)。芯片集成天通衛(wèi)星移動(dòng)通信、北斗/GPS定位為一體，實(shí)現(xiàn)通信和導(dǎo)航一體化設(shè)計(jì)。

宇航級(jí)芯片

航天器上使用的芯片，被喻為‘衛(wèi)星大腦’，要經(jīng)受太空嚴(yán)酷環(huán)境的考驗(yàn)。

包括衛(wèi)星、航天飛機(jī)、空間站等在內(nèi)，游弋在太空中的各種人造飛行器，其內(nèi)部都含有各類芯片、器件、板卡等大量電子設(shè)備。

由于在太空中，存在著大量的高能粒子和宇宙射線。這些粒子和射線會(huì)產(chǎn)生輻射效應(yīng)，嚴(yán)重影響芯片工作。因此，宇航級(jí)芯片的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)遠(yuǎn)在軍工級(jí)之上。而目前市場(chǎng)中能夠流動(dòng)的都是消費(fèi)級(jí)芯片，宇宙級(jí)芯片早已被西方禁用。

并且，宇航級(jí)芯片在生產(chǎn)過(guò)程中，要使用特殊的晶圓制造、加固、封裝等工藝來(lái)達(dá)到嚴(yán)苛的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

因此，宇宙級(jí)航天芯片只能依靠中國(guó)制造。

2021年9月，我國(guó)首款宇航級(jí)存儲(chǔ)控制器芯片正式發(fā)布。該芯片由西安艾可薩科技有限公司（EXA Tech）與西安微電子技術(shù)研究所合作設(shè)計(jì)、自主研發(fā)，采用宇航級(jí)SSD存儲(chǔ)控制器芯片框架結(jié)構(gòu)，具有多接口、抗輻照、高可靠等優(yōu)勢(shì)，適用于宇航任務(wù)中高可靠、大容量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)應(yīng)用，為航天器提供智能信息系統(tǒng)提供解決方案，努力構(gòu)建太空數(shù)據(jù)中心。

康拓紅外也在投資者平臺(tái)表示，公司宇航級(jí)芯片已在低軌移動(dòng)衛(wèi)星領(lǐng)域取得應(yīng)用。

化合物半導(dǎo)體

化合物半導(dǎo)體在低軌道衛(wèi)星供應(yīng)鏈中含金量較高，以砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）等化合物為代表的化合物半導(dǎo)體材料，使半導(dǎo)體材料進(jìn)入光電子領(lǐng)域，主要用于制作高速、高頻、大功率以及發(fā)光電子器件，也是制作高性能微波、毫米波器件的優(yōu)良材料，廣泛應(yīng)用在微波通信、光通信、衛(wèi)星通信、光電器件、激光器和衛(wèi)星導(dǎo)航等領(lǐng)域。

國(guó)內(nèi)具備一定的化合物半導(dǎo)體技術(shù)和產(chǎn)業(yè)儲(chǔ)備。中科院、中電科下屬研究所依托軍工等市場(chǎng)積累了技術(shù)和人才，通過(guò)技術(shù)轉(zhuǎn)化成立了中科晶電、海威華芯等企業(yè)，并且在基站用GaN射頻器件領(lǐng)域具有技術(shù)領(lǐng)先性。

國(guó)內(nèi)現(xiàn)有中電科13所、55所的軍品生產(chǎn)線，中科院半導(dǎo)體所等研究機(jī)構(gòu)的科研線，以及三安集成、海威華芯、能訊半導(dǎo)體等民品生產(chǎn)線。

毫米波芯片

衛(wèi)星通信主要是基于毫米波通信頻段，其通信的核心是毫米波通信組件及芯片。

毫米波芯片技術(shù)升級(jí)有效提高衛(wèi)星集成度。衛(wèi)星通信要實(shí)現(xiàn)在低軌毫米波傳輸，并使得到達(dá)地面的波束擁有更高的增益，必須使用相控陣技術(shù)，主要通過(guò)控制發(fā)射波束的方式來(lái)集中能量，降低在大氣傳輸過(guò)程中的損耗。

去年2月，中國(guó)電科38所發(fā)布了一款高性能77兆赫茲毫米波芯片及模組，在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)兩顆3發(fā)4收毫米波芯片及10路毫米波天線單封裝集成，探測(cè)距離達(dá)38.5米，刷新了當(dāng)前全球毫米波封裝天線最遠(yuǎn)探測(cè)距離的紀(jì)錄。

該領(lǐng)域中電科旗下研究所實(shí)力較強(qiáng)，民營(yíng)企業(yè)中和而泰子公司鋮昌科技的毫米波技術(shù)有一定稀缺性，中長(zhǎng)期將受益低軌衛(wèi)星建設(shè)。

中國(guó)雖遲但到

我國(guó)多個(gè)國(guó)家隊(duì)也早已制定了類似的“星鏈”計(jì)劃，就在馬斯克推出星鏈計(jì)劃的2015年，中國(guó)航天科技和中國(guó)航天科工兩大集團(tuán)也相繼拋出了自己的低軌通信項(xiàng)目“鴻雁”星座系統(tǒng)和“虹云工程”。

前者由300顆低軌道小衛(wèi)星集結(jié)而成，后者由156 顆低軌衛(wèi)星聯(lián)袂構(gòu)圖，兩個(gè)系統(tǒng)計(jì)劃將于2023年建設(shè)完成；另外，我國(guó)還有“銀河Galaxy”計(jì)劃，該計(jì)劃由民營(yíng)企業(yè)推動(dòng)，總共發(fā)射2800顆低軌互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星。作為未來(lái)?yè)屨夹l(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)陣地的戰(zhàn)略之舉，中國(guó)已向ITU提交了包含建設(shè)兩個(gè)“國(guó)網(wǎng)系統(tǒng)”(GW)的低軌道星座與頻譜申請(qǐng)，總共可布局衛(wèi)星總量12992顆。

從2000年中國(guó)建成北斗一號(hào)系統(tǒng)，到今年6月預(yù)計(jì)完成萬(wàn)眾矚目的北斗三號(hào)系統(tǒng)，我們花了20年時(shí)間打造出我國(guó)完全自主可控的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)，而美國(guó)的GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)交付運(yùn)營(yíng)是在1994年。

在低軌道衛(wèi)星的布局上，中國(guó)正奮勇向前。