袁野, 王学聪, 朱浩, 孙三山. 全球卫星互联网关键技术竞争态势与启示[J].世界科技研究与发展, doi:10.16507/j.issn.1006-6055.2024.04.001.
袁野1,2 王学聪2 朱浩1,2 孙三山3
（1.重庆邮电大学网络强国研究基地；2.重庆邮电大学经济管理学院；3.四川师范大学物理与电子工程学院）
摘要：当前，全球正围绕卫星互联网系统建设开展新一轮太空竞赛，其中低轨卫星通信是继卫星导航之后，世界强国在天基信息系统领域的下一个争夺焦点。研究卫星互联网关键技术在推动卫星和通信技术进步、应对全球挑战、引领未来发展等方面具有重大意义。本文通过构建卫星互联网关键技术体系，检索专利数据，从技术发展趋势、技术竞争主体、技术竞争区域和技术竞争领域等维度综合分析卫星互联网关键技术竞争态势。研究发现，我国卫星互联网发展存在起步较晚、关键技术缺失、产业集群不强、场景应用不足等问题。对此提出发展对策：提前布局未来技术，抢占新兴前沿领域；组建创新联合体，加强关键核心技术攻关；强化产学研深度融合，构建产业生态集群；突出通导遥交叉融合，打造多元化应用场景。
关键词：卫星互联网；关键技术；专利分析；竞争态势；发展启示
卫星互联网是基于卫星通信、利用人造地球卫星作为中继站，向各类陆海空天用户提供宽带互联网接入等通信服务的新型网络，可有效解决偏远地区、海上、空中等用户的互联网服务问题，具有通信覆盖广、容量大、不受地域影响、可信息广播等优势。目前，卫星互联网建设已经上升为国家战略性工程，融入遥感工程、导航工程，成为我国天地一体化信息系统的重要组成部分。2024年1月，工信部等七部门印发《关于推动未来产业创新发展的实施意见》，提出要前瞻布局6G、卫星互联网、手机直连卫星等关键技术研究，构建高速泛在、集成互联、智能绿色、安全高效的新型数字基础设施。得益于国家政策支持，我国低轨通信卫星星座计划虽起步较晚，但目前多个低轨星座系统已在建设当中，如鸿雁星座、虹云工程、银河Galaxy计划等。2021年4月，中国星网成立，通过整合我国航天产业链资源及民间资本，推动我国卫星互联网进入快速发展阶段。截至2024年2月，我国是空间技术与应用发展最快、专利申请数量最多的国家。专利作为技术发展中的信息承载，为科学研究与技术管理提供了重要信息支撑，能够表征技术发展和趋势。对专利信息进行分析有利于把握技术来源和特征，对了解当前技术发展规律、开展技术布局和风险规避、预测技术发展方向有重要意义。
因此，基于专利数据研究卫星互联网领域关键技术发展态势对我国卫星互联网乃至通信行业的发展具有深远意义。本文基于卫星互联网政策和产业发展报告，构建卫星互联网关键技术体系，基于专利数据从发展趋势、竞争主体、竞争区域和竞争领域等维度综合分析全球卫星互联网关键技术的前沿发展态势，并提出对我国卫星互联网产业发展的启示。
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研究思路与数据来源
1.1 研究思路
关键技术竞争态势分析是对关键技术的主体竞争、技术重点、区域发展的比较，是前沿技术预测和发展对策制定的基础。研究思路与分析框架见图1。首先完成研究领域专利数据的检索、收集、清洗等工作；其次提取专利数据，采用文献计量方法，从技术发展趋势、技术竞争主体、技术竞争领域以及技术竞争区域等维度进行对比分析，揭示卫星互联网关键技术竞争态势，进而提出针对我国卫星互联网的发展启示。
1.2 数据来源
本研究数据来源于专利情报综合应用平台IncoPat专利数据库。基于《“十四五”数字经济发展规划》《卫星及应用产业发展白皮书》等现有政策和产业发展报告，并参考专家意见，构建卫星互联网的关键技术体系（表1），包括卫星通信载荷技术、卫星平台技术和卫星地面设备技术3个一级技术，6个二级技术，20个三级技术。基于三级技术进行单独和总体专利检索，筛选条件为“申请专利”，时间范围设定为1970—2023年，检索时间为2024年2月28日。对数据进行汇总、去重和清理，最终确定各三级技术专利数量如表1所示，专利总数98432件。
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全球专利申请对比分析
2.1 技术发展趋势
1970—2023年，全球卫星互联网专利申请量总体呈现逐年增长的趋势（由于专利数据约有18个月的滞后期，近两年数据有所偏差）（图2）。分析可知，中国虽起步较晚，但从2000年开始专利申请趋势呈现“指数性”增长，2006年首次赶超美国后，连续15年保持专利申请量全球第一，目前已经成为卫星互联网领域的引领者；其次，美国专利申请总数排名第二，呈现稳步增加趋势；日本专利申请在1976—2004年保持全球领先，韩国则集中在1994—2000年，之后两国均呈现下降趋势；德国、俄罗斯、英国等其他国家的技术发展曲线较为平缓，专利申请量相对较少。
2.2 技术竞争主体
技术竞争主体通过技术创新和市场竞争，推动技术进步和提高经济效益，而技术引领者通过长期探索发展成为全球领先企业，能够引领行业变革。本文将专利申请量前20的技术竞争主体称之为技术引领者。
从表2可知，高通、三菱、日本电气、三星、泰利斯、上海卫星工程研究所、休斯网络、华为、波音和爱立信等专利申请量较多。技术引领者大多数为美国企业，以高通为首，专利占比（1.58%）大幅度领先，日本、韩国和中国的企业和研究机构紧随其后。在国内，上海卫星工程研究所、华为、、中国电科集团、哈尔滨工业大学和北京航空航天大学等企业和研究机构上榜专利申请量前20，是中国卫星互联网领域的技术引领者，在卫星、航天、通信等领域均具有深厚底蕴和显著成果。
从图3可知，高通专利申请时间较为集中，从1996年至今专利申请量持续增长，爆发性时期在2006—2014年；爱立信发展最早，美国通用电气和IBM发展周期最长，但技术规模较少；其次是日本和韩国，技术发展趋势较为相似，分别于1978年和1988年开始规模性发展，至2002年以来申请速度均有所缓和；中国在卫星互联网技术领域发展较晚，但呈现快速发展态势，得益于国家创新驱动战略的相关政策出台以及对高新技术产业发展的支持，从2000年至今，专利申请量“爆炸式”增长，最早的是华为技术公司，专利申请开始于2004年，随后申请量迅速增加；上海卫星工程研究所、中国电科集团第五十四研究所、哈尔滨工业大学和北京航空航天大学等研究机构、企业和高校在2008年开始专利申请。随着卫星互联网被纳入“新基建”、中国卫星网络通信集团的成立以及各省市的积极布局，预计中国卫星互联网产业将持续快速发展。
2.3 技术竞争领域
分析技术竞争领域有助于了解行业动态以及预测技术发展趋势。基于专利检索结果中IPC分类号划分技术领域，匹配卫星互联网关键技术体系中的三级技术（表3）。卫星互联网专利申请量排行前10的IPC分类号（图4）分别是H04B7（无线电传输系统）、G01S19（卫星无线电信标定位系统）、B64G1（宇宙航行的飞行器）、H01Q1（天线零部件或与天线结合的装置）、H04B1（传输系统的部件）、H04L12（数据交换网路）、H04B10（无线电波以外的电磁波）、H04W16（网络规划；网络配置）、H01Q3（天线修改装置）和G01S5（定位技术），所涉及的传输、无线通信网络、无线电技术（定向、导航、测量等）、数字信息传输、无线电天线、宇宙航行等均是卫星互联网领域关键技术。
在技术引领者专利构成（图5）中，无线电传输系统（H04B7）受到世界各国的重视，专利数量在各技术主体的专利构成中具有较大占比。从技术所属国别来看，日本在宇宙航行有关技术（B64G1）领域具有比较优势；美国集中于高通量卫星通信、星上处理技术、天基计算、数字信道化、微型卫星组网技术、激光链路、射频技术、基带技术、信关站天线、相控阵技术、网络设备、通信协议、网络应用等；韩国企业专利主要集中在高通量卫星通信、天基计算、相控阵技术、推进技术、姿态与轨道控制、微小卫星在轨技术等技术领域；中国的专利申请分类集中在高通量卫星通信、星上处理技术、天基计算、射频技术、基带技术、信关站天线、相控阵技术、网络设备和结构材料等技术领域。
对比分析可知，美国关键技术的专利分布领域覆盖较为全面，形成了卫星通信载荷、卫星平台和卫星地面设备等全产业链体系；日本、韩国在GEO通信、卫星推进技术和空间在轨技术等技术领域处于领先；中国目前在各技术领域均有较大投入，但发展时间较短，仅在卫星天线、卫星结构和材料等技术领域具有一定优势，未来可有序促进高低轨卫星网的协调发展，统筹推动卫星网与地面网的融合发展，大力发展卫星互联网应用服务，打造上下游全链条的产业体系。
2.4 技术竞争区域
由于轨道和频谱资源有限，国际电信联盟（International Telecommunication Union, ITU）采取“先占先得”的规则，低轨卫星已经成为全球新一轮科技革命的竞技场。基于区域技术发展趋势（图6）和区域专利技术构成（图7）研究卫星互联网区域技术竞争，能够了解当前国际竞争环境，掌握技术发展环境，为政策制定者提供一定参考。
总体来看，专利市场主要分布在中国、美国、日本、韩国、俄罗斯、英国、法国等国家。中国技术发展时间较短，但专利数量呈现指数增长，发展迅速。截至2023年9月，中国已向ITU提交了布局卫星总量1.3万颗的低轨道星座与频谱申请。美国专利数量次于中国，增长曲线较为平缓，呈现稳中渐增的趋势，但对卫星互联网的争夺占据着较大优势。SpaceX、亚马逊、Astra和波音等企业均在建设低轨卫星星座，如各星座计划如期实现，美国将占据卫星互联网90%以上的空间。在资源紧缺和美国捷足先登的压力下，欧盟通过安全连接计划提案，预计在2027年完成通信卫星群部署；日本提出建设“卫星集群”系统；韩国政府计划未来10年建设由100颗微小卫星组成的卫星星座；俄罗斯名为“球体”的多功能卫星系统项目包含着由288颗卫星构成的低轨通信星座。
从全球专利的区域竞争分布来看，各国专利技术分布与引领者专利申请技术构成大致相同，各国专利申请IPC分类号集中在H04B7、G01S19、B64G1、H01Q1、H04B1、H04L12、H04B10、H04L29、H04W72等，主要为电通信、测量与测试、电气元件、航空飞行器和宇宙航行等技术领域。其中，中国专利申请量最多，专利技术构成全面，在传输、无线通信网络、无线电技术、数字信息传输、天线、宇宙航行、图像通信、测量等关键技术领域有较大投入；美国专利技术构成较为均衡，在网络规划（H04W16）、定位技术（G01S5）、无线电链路装置（H04Q7）、本地资源管理（H04W72）等关键技术领域专利申请量多于中国；日本在专利申请量方面仅次于中国和美国，早在1970年日本发射卫星以来，就已掌握了各类卫星的先进技术，其主要应用卫星包括通信卫星、广播卫星、气象卫星、海洋卫星等；韩国、德国和俄罗斯等其他国家在卫星互联网关键技术掌握的程度和专利申请规模上有所不足。
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启示与建议
卫星互联网作为未来信息通信的重要发展方向，与地面网络互补融合，具备广泛应用前景。近年来，随着火箭复用、先进制造等技术的发展，航天发射运输成本不断减低，低轨卫星互联网迎来发展黄金期，各国纷纷部署低轨卫星星座，以先一步抢占太空资源。自20世纪80年代至今，欧美等发达国家卫星互联网发展历经40余年，具有成熟技术和丰富实践，SpaceX和OneWeb已经完成卫星互联网一期建设，建立起了覆盖全球的卫星网络。我国作为后发国家，技术发展尚处于起步阶段，产业链尚未完善，技术研发实力有待提升，面临国外技术封锁和轨道资源激烈竞争的现状。结合国际竞争现状，针对我国的发展实际与需求，提出如下建议。
1）提前布局未来技术，抢占新兴前沿领域。筹划未来低轨卫星星座与空间互联网建设，超前布局高速泛在、天地一体、集成互联、安全高效的网络基础设施，分阶段实现技术突破、天地融合、产业生态、场景创新、全球覆盖的卫星互联网。依托国家卫星通信互联网系统工程，支持企业和研究机构探索新一代通信、卫星互联网和量子互联网融合的未来网络，加快建设天地一体化信息网络，推动卫星互联网技术创新、生态构建、运营服务和应用开发，构建覆盖火箭、卫星、地面终端和应用服务的商业航天产业生态。探索全球互联网无缝链接服务，推进“卫星互联网+北斗+遥感+5G”融合发展，创新智能应用场景。
2）组建创新联合体，加强关键核心技术攻关。突破关键核心技术意味着打破技术壁垒，提升自主创新能力，促进产业升级，实现科技自立自强。充分发挥上海卫星工程研究所、华为、ATC科技、中国电科集团、哈尔滨工业大学、北京航空航天大学等技术引领研究机构、企业和高校的主体作用，组建技术创新联合体，重点开展卫星网络系统的低轨卫星通信载荷关键技术攻关与卫星平台建设，突破数字信道化、微型卫星新型组网、激光链路、网络管理、推进技术、姿态与轨道控制、微小卫星在轨运行等关键技术，布局下一代6G、卫星互联网通信技术的前瞻性研发，争取在基础研究、关键核心技术攻关、标准规范等方面取得突破。
3）强化产学研深度融合，构建产业生态集群。瞄准卫星制造、卫星发射、卫星运营及服务，战略谋划卫星互联网产业，发挥央企主力军作用，组建产业联合体，设立“产学研”专项合作模式，鼓励研究机构和企业通过合作、承担项目等方式参与关键技术突破研究，推动供需精准对接，使得资源配置集中有效。出台相关税收减免、资金扶持等政策，鼓励上下游端企业增加资金投入，聚焦低成本卫星生产、可重复使用运载火箭研制、卫星通信载荷设计、卫星平台制造、地面基础设施制造、用户终端应用、卫星运营服务以及6G通信等关键产业链环节，打造多元立体的空天信息产业集群生态。
4）突出通导遥交叉融合，打造多元化应用场景。全球正处于卫星密集发射时期，商业发射需求快速增长，我国应聚焦商业航天卫星网络星座、卫星平台和地面网络设施建设，加快商业航天产业基地建设，以应用为先导推动天地通信网络的融合发展，强化通导遥融合特色化、商业化应用，培育“5G＋”“卫星互联网＋”“通导遥一体化”新模式新业态。深化低轨卫星互联网、高精度导航定位、高分辨率遥感等在公共安全与行业灾备应急、偏远地区覆盖、远洋海事、航空机载、交通能源等领域的应用，重点建设终端直连卫星、海上无人作业、工业无人作业、时空数字内容、全域智慧监管等创新应用。
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