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干货|卫星互联网详解(全文超过一万两千字)

1 卫星互联网概念

维基百科中对卫星互联网的定义:卫星上网是指由通讯卫星提供的网络存取服务。卫星上网通常需要三大部件。一颗通常位于地球静止轨道的卫星。一个地面站,通常作为网关。还有是天线。卫星上网通信颗以分为双通道通信和单通道仅接收通信。

《宽带卫星通信互联网与卫星互联网》中对卫星互联网的定义:以 VSAT 系统为基础、具有广播功能、以 IP为网络服务平台、以互联网应用为服务对象,能够成为互联网的一个组成部分,并能够独立运行的网络系统为卫星互联网,它又称为广播互联网。

《卫星互联网综述》中对卫星互联网的定义:卫星互联网是基于卫星通信系统,以 IP 为网络服务平台,以互联网应用为服务对象,能够成为互联网的一个组成部分,并能够独立运行的网络系统。

当下新兴的卫星互联网星座,指新近发展的、能提供数据服务、实现互联网传输功能的巨型通信卫星星座。新兴卫星互联网星座具有以下特点:从星座构成看,是由成百上千颗卫星组成的巨型星座;从星座构成看,是由运行在非对地静止轨道(NGSO,包括低轨道和中轨道)数量众多的卫星构成;从提供的服务看,主要是宽带的互联网接入服务;从发展卫星互联网星座的企业看,主要是非传统航天领域的互联网企业;从项目发展的起始时间看,主要是在2014年底至2015年初开始的。

NGSO卫星系统具有覆盖范围广、通信容量大、传输延迟低的优点,正在改变当今的卫星通信。根据上述定义,我们可以得出卫星互联网是面向互联网的蓬勃发展,针对地面网络的不足(如覆盖受限、难以支持高速移动用户应用、广播类业务占用网络资源较多、易受自然灾害影响等),利用卫星通信覆盖广、容量大、不受地域影响、具备信息广播优势等特点,作为地面通信的补充手段实现用户接入互联网,可有效解决边远散、海上、空中等用户的互联网服务问题。

干货|卫星互联网详解(全文超过一万两千字)插图

图1 卫星互联网典型应用场景

2 卫星互联网现状

目前全球有10多家卫星公司提出了NGSO卫星星座计划,以利用卫星网络提供与地面通信网络相媲美的互联网接入服务,并且大多数卫星公司计划在未来五年内将第一批卫星送入轨道。我国也提出了由几百颗卫星组成的“鸿雁”“虹云”等星座计划。下图2为近三年内美国联邦通信委员会(FCC)授权和许可的NGSO卫星星座,卫星总数达到13000多颗。图3为我国近几年提出的主要NGSO卫星星座,目前已发射了10多颗卫星。

干货|卫星互联网详解(全文超过一万两千字)插图1

图2 FCC授权和许可的NGSO星座

干货|卫星互联网详解(全文超过一万两千字)插图2

图3 我国主要NGSO星座

接下来从高、中、低轨三个方面介绍国外卫星互联网的发展现状。

2.1高轨宽带卫星通信系统

高轨道卫星(GEO)移动通信业务的特征来源于使用位于赤道上方35800km的对地同步卫星开展通信业务的条件。在这个高度上,一颗卫星几乎可以覆盖整个半球,形成一个区域性通信系统,该系统可以为其卫星覆盖范围内的任何地点提供服务,例如美国一颗卫星就可以覆盖美国大陆的连续部分,如阿拉斯加、夏威夷、波多黎各几百海里的近海地区。

典型的高轨宽带卫星通信系统主要包括早期面向企业级用户的 IPSTAR、宽带全球区域( Broad-band Global Area Network) 、Spaceway-3 等高轨宽带卫星通信系统,以及后期面向大众需求快速发展起来的以 Exe De Internet 为代表的一系列高通量宽带通信卫星。

(1)IPSTAR 卫星通信系统

IPSTAR是2005年8月发射的当时世界上容量最大的通信卫星,可为亚太地区22个国家和地区的用户提供多媒体广播、宽带网接入、视频会议等高轨宽带业务。卫星使用Ku /Ka混合频段,可为亚太地区提供Ku频段点波束(84个)、Ku频段赋形波束(3个)、地区广播波束(7个) 以及18个Ka频段点波束覆盖。系统总带宽45G带宽,其中12G覆盖中国全境。

(2)宽带全球区域网(BGAN)

宽带全球区域网是基于Inmarsat-4卫星的全球卫星宽带局域网,是一个支持移动业务的卫星通信网络。系统工作频段在L波段,下行速率为216 ~432 kbps,上行速率为72 ~ 432 kbps,实现了从模拟向数字、从传统电路交换向因特网业务、从窄带话音数据向宽带高速数据的转化。卫星系统可覆盖全球85%陆地范围,可为移动用户提供视频直播、宽带网络接入等多种服务。

(3)Spaceway-3卫星通信系统

Spaceway-3卫星通信系统是由休斯网络系统公司研制并运营,于2007年发射升空,是世界上首颗具有在轨切换和路由能力的卫星。Spaceway-3通过采用Ka频段、多波束及星上快速包交换技术,大大缩短网络传输时延,可覆盖美国全部和加拿大大部分地区。系统总通信容量10Gbps,可容纳165万个用户终端,容量是Ku频段通信卫星的5 ~ 8倍。

(4)ExeDe Internet

Exe De Internet由Via Sat公司的Via Sat-1和Via-Sat-2宽带通信卫星组成,分别发射于2011 年和2017 年,是 目 前 容 量 最 大 的 高 轨 宽 带 卫 星 通 信系统。

Via Sat-1 采用Ka 波段点波束技术,总容量为140 Gbps,下载速率为12 Mbps

,可满足 200 万以上用户的卫星互联网接入需求。ViaSat-2卫星为迄今为止波音公司发射的最大卫星,整星容量300Gbps,覆盖面积为ViaSat-1的7倍,可为250万用户提供高达25Mbps的宽带服务。

2.2中轨卫星互联网星座

中轨卫星互联网星座主要以O3b计划为代表。

O3b,即其他30亿(Other 3 billion),为解决由于地理、经济等因素,全球剩余30亿未能接入互联网人群的上网问题,互联网巨头谷歌公司、媒体巨头John Malone旗下的海外有线电视运营商Liberty Global以及汇丰银行联合组建O3b网络公司。

O3b公司从2013年6月开始陆续成功部署了8颗MEO卫星,共覆盖7个区域,采用Ka频段,单星吞吐量约为12Gbps。2014年9月,8颗卫星全面运营,提供中继带宽为600Mbps、时延不超过150ms的服务能力。2014年10月18日,最后4可卫星被发送入轨,形成12颗中地球轨道卫星星座。

2.3低轨卫星通信系统

低轨互联网卫星星座利用运行在 200-2000km 轨道高度的卫星群向地面提供宽带互联网接入服务,通过多颗卫星组网实现全球覆盖。

2.3.1 传统低轨卫星通信系统

(1)铱(Iridium)卫星通信系统

铱星系统是全球唯一的采用星间链路组网、全球无缝覆盖的低轨星座系统。Iridium一代系统在1998年建成并开始商业运营,1999年宣告破产,后被“新铱星”公司收购。

Iridium星座轨道高度780km,由分布于6个轨道面的66颗卫星组成,用户链路采用L频段。Iridium二代通过对一代卫星的逐步升级,如L频段配置48波束的收发相控阵天线、用户链路增加Ka频段、配置软件定义可再生处理载荷等方式实现了更高业务速率、更大传输容量以及更多功能。从2017年1月开始至2019年1月11日铱星二代已完成全部组网发射,部署后传输速率可达1.5Mbps,运输式、便携式终端速率分别可达30Mbps、10Mbps。二代系统还具备对地成像、航空监视、导航增强、气象监视等功能。

(2)ORBCOMM系统

ORBCOMM星座于1996年正式启动面向全球的数据通信商业服务。星座系统由约40颗卫星及16个地面站组成,轨道高度740 ~ 975 km,共7个轨道面。星座内部无星间链路,用户链路采用VHF频段。相比于第一代系统,二代ORBCOMM卫星质量增加3倍,接入能力提升了6倍。当前拥有全球最大的天基AIS( 船舶自动识别系统) 网络服务。

(3)Globalstar系统

Globalstar系统于1999年开始商业运营。系统采用玫瑰星座设计( 高度1400 km) ,由48颗卫星组成,用户链路为L、S 波段,通过无星间链路、弯管透明转发的设计,降低建设成本。Globalstar二代系统进一步提高了系统传输速率,增加了互联网接入服务、ADS-B( 广播式自动相关监视)、AIS等新业务。

2.3.2新兴低轨卫星互联网星座

(1)OneWeb系统

One Web卫星互联网星座由原O3b创始人格雷格·惠勒( Greg Wyler) 创建的One Web公司提出,计划部署近三千颗低轨卫星,初期采用Ku频段,后续向Ka、V频段扩展。星座初期计划发射720 颗卫星,轨道高度1200 km,采用设计简单的透明转发方式,通过地面关口站直接面向用户提供互联网接入服务。One Web单星重量不超过150 kg,单星容量5Gbps以上,可为配置0. 36 m口径天线的终端提供约50 Mbps的互联网宽带接入服务。同时,One Web公司现已获得美国联邦通信委员会授权,批准其在美国提供互联网服务。

2018年12月13日,据悉One Web初期星座规模将缩减至 600 颗,以降低实现全球覆盖成本目前One Web进入部署阶段,2019 年 2 月 27日,已发射首批6颗卫星;截止到2020年3月22日,OneWeb累计在轨卫星数量达到74颗;整个卫星网络将在2023年6月之前全面运营。

(2)Starlink卫星互联网星座

Starlink卫星互联网星座由Space X公司提出。Space X计划建设一个由近1. 2 万颗卫星组成的卫星群,由分布在1150 km高度的4425颗低轨星座和分布在340 km左右的7518颗甚低轨星座构成。低轨星座选择了Ku /Ka频段,有利于更好地实现覆盖; 甚低轨星座使用V频段,可以实现信号的增强和更有针对性的服务。Space X计划让这样的网络覆盖地球任何地点。Space X预计该系统到2025年将有4000多万用户,营收达到300亿美元。SpaceX在星座运营同时,更 专 注 于 卫 星 制 造。因 此,Space X 需要更大融资量,预计需要融资100 ~ 150亿美元。Starlink卫星系统将采用激光星间链路,星载天线、地面网关站和用户终端都将使用相控阵技术。截止2020年10月26日,SpaceX成功发射第15批星链互联网卫星,入轨卫星总数为895颗。Space X公司计划在2024年3月之前启动全面运营。

(3)LeoSat卫星互联网星座

LeoSat卫星互联网星座由LeoSat公司提出,计划构建由108颗卫星组成的卫星星座,提供全球高速数据传输服务。星座部署在1400公里的LEO轨道上,采用6个轨道面,每个轨道面上部署18颗卫星。LeoSat采用Ka频段,为用户波束提供1.6Gbps的贷款。LeoSat星座将会使用星间链路,并采用光通信。

与OneWeb和SpaceX不同,LeoSat公司主要为政府及企业提供数据传输服务,计划为3000余家大型企业及机构用户提供高速数据接入服务。

2.4国外卫星互联网星座分析

由以上各系统发展现状可见,无论是传统的卫星通信公司还是新兴的互联网商业公司均提出了很多有特色的宽带卫星通信系统来实现卫星互联网应用,卫星互联网已不仅仅限于中低轨道。图4从系统规模、系统容量、覆盖范围等多方面具体分析了高轨、低轨卫星应用系统各自的优缺点。

干货|卫星互联网详解(全文超过一万两千字)插图3

图4 高低轨卫星应用系统优缺点分析

可见,高轨卫星通信系统和低轨卫星互联网星座各有优越性。低轨卫星互联网星座在覆盖范围、填补数字鸿沟、网络时延、系统容量等方面能力优势明显,用户终端设备更易实现小型化、手持化。高轨卫星通信系统频率协调相对容易,运行寿命更长,系统建设及维护成本相对更低。另外,虽然低轨卫星互联网星座系统容量高于高轨宽带通信卫星,但高轨卫星在通过点波束集中传输高带宽容量方面更具优势(例如为区域用户提供高清球赛直播等服务方面)。因此,卫星互联网星座的建设需统筹高低轨系统优越性,实现优势互补。

3 国外卫星互联网发展趋势

3.1 由传统高轨星座向中低轨星座发展

由于中低轨星座具有用户多样性、用户容量大、传输时延短、终端设备小、发射功率低等特点,新兴的卫星互联网星座普遍倾向于采用中低轨道。例如,OneWeb轨道高度1200Km,Starlink星座轨道高度从1150km高度到340km。但为了全球覆盖,低轨卫星互联网星座往往系统规模庞大,例如OneWeb预计发射720颗,Starlink卫星互联网星座预计发射1.2万多颗。值得思考的是,星座向中低轨道发展将付出巨大的代价——系统的复杂化和规模庞大化。

3.2 与地面通信网络合作发展

吸取早期铱星系统破产的经验,近几年发展的全新卫星互联网星座采取了与地面网络合作发展的理念,将电信运营商作为客户,主要着眼于光纤无法覆盖地区,成为地面通信手段的扩展。新一代GEO系统采用辅助地面组件技术,通过设置天地统一的空中接口和工作频段,用户终端可根据网络覆盖情况,实现在天地网络之间的无缝切换。

3.3 全新投融资、市场经营模式

新兴卫星互联网星座的部署、运营和服务逐渐采用资本合作的方式来完成。例如,OneWeb采用全新的融资模式,首轮融资5亿,投资的公司包括软银集团、空中客车、巴帝企业、高通、可口可乐、维京集团等非卫星制造公司,第二轮融资12亿美元,由日本软银集团领投。Starlink卫星互联网星座采用来自谷歌和富达投资公司10亿美元的投资。同时,也将个人消费者作为目标用户,不出售专用卫星终端设备,而继续采用现有智能手机访问网络。

3.4建造卫星制造工厂,批量制造

分析铱星等系统的破产原因,星座投入成本过高、研制周期过长,用户负担过高,将极有可能导致星座建设错过发展最佳时机。为此,通过采用新技术,增加商用工业级器件比例以降低卫星成本、将卫星系统模组化以缩短卫星制造周期是现代星座批量生产卫星的新趋势。例如OneWeb引用汽车制造的概念,将卫星各系统模组化,工厂每周能生产16颗卫星,一年可完成648颗卫星。

4 国内卫星互联网现状

4.1 虹云工程

2016 年,航天科工集团提出“虹云工程”,计划发射 156 颗卫星实现全球组网。中国航天科工方面称,“虹 云工程”具备通信、导航和遥感一体化、全球覆盖、系统自主可控的特点,以其极低的通信延时、极高的频率复 用率、真正的全球覆盖,可满足中国及国际互联网欠发达地区、规模化用户单元同时共享宽带接入互联网的需 求。同时,“虹云工程”也可满足应急通信、传感器数据采集以及工业物联网、无人化设备远程遥控等对信息交 互实时性要求较高的应用需求。

2017 年,为大力推进商业航天产业,航天科工二院专门成立了空间工程公司,并着手在武汉国家航天产业 基地建设卫星产业园。这个产业园将满足 2020 年虹云工程业务试验星的发射需求,支撑 2022 年左右整个星座 卫星的批量生产。武汉卫星产业园项目已于 2019 年 4 月 24 日正式开工建设,预计 2020 年 10 月 31 日具备投产 能力。

2018 年 12 月 22 日,虹云工程技术验证星自在酒泉卫星发射中心成功发射入轨后,先后完成了不同天气条 件、不同业务场景等多种工况下的全部功能与性能测试。体验人员在卫星入境时,关闭 4G 信号,登陆卫星用 户站的 WiFi 热点,成功实现了网页浏览、微信发送、视频聊天、高清视频点播等典型互联网业务,无丢帧卡滞 现象,在轨实测的所有功能与指标均满足要求。

按照规划,整个“虹云工程”被分解为“1+4+156”三步。第一步计划在 2018 年前,发射第一颗技术验证星, 实现单星关键技术验证,目前已经完成;第二步到“十三五”末,发射 4 颗业务试验星,组建一个小星座,让用 户进行初步业务体验;第三步到“十四五”末,实现全部 156 颗卫星组网运行,完成业务星座构建。为在全国范 围内开展应用示范,中国航天科工集团有限公司二院抓总研制投产了应用示范系统,其中包含 1 套机动式信关 站和多型用户站。

4.2 鸿雁星座

2016 年 11 月,中国航天科技公司宣布将在 2020 年建成“鸿雁星座全球卫星通信系统”。 鸿雁星座包含一个 移动通信星座和一个宽带通信星座,可以服务 200 万移动用户、20 万宽带用户及近 1000 万的物联网用户,并 在导航、航空、航海等领域提供综合服务。

据航天科技集团官网报道,航天五院通信卫星事业部在天津航天城建设了批量卫星生产线,将实现年出厂 130 颗卫星的总装能力,满足鸿雁星座生产能力需求,届时将达到每周出厂 2.5 颗卫星的速度。

2018 年 11 月 30 日,全球低轨卫星移动通信与空间互联网项目启动大会暨东方红卫星移动通信有限公司揭 牌仪式在重庆举行,该公司由航天科技集团、中国电信、中国电子、国新国同 4 家央企及其相关企业共同发起成立,注册资本金 20 亿元人民币。东方红卫星移动通信有限公司将负责建设与运营全球低轨卫星移动通信与空 间互联网系统,提供各种终端产品与服务,构建海、陆、空、天一体化新型天地一体化信息网络,开展面向全 球的智能终端通信、物联网、移动广播、导航增强、航空航海监视、宽带互联网接入等增值服务。全球低轨卫 星通信与空间互联网系统项目首期投资 200 亿元,“鸿雁星座”为其前身。

2018 年 12 月 29 日,鸿雁星座发射首颗试验星,标志着全球低轨卫星移动通信与空间互联网系统的建设全 面启动。首发星是鸿雁星座的试验星,由航天科技集团五院研制生产,配置有 L/Ka 频段的通信载荷、导航增强 载荷、航空监视载荷,可实现鸿雁星座关键技术在轨试验。同时研制了地面系统与终端,卫星入轨后可陆续开 展卫星移动通信、物联网、热点信息广播、导航增强、航空 监视等功能的试验验证,为后续的鸿雁星座的全面 建设及运营提供有力支撑。

按照规划,鸿雁星座一期预计在 2022 年建成并投入运营,系统由 60 颗核心骨干卫星组成,主要实现全球 移动通信、物联网、导航增强、航空监视等功能;二期预计 2025 年完成建设,系统由数百颗宽带通信卫星组成, 可实现全球任意地点的互联网接入。

4.3天地一体化信息网络(天象星座)

2015 年年底,中国电科关于天地一体化信息网络重大工程专题工作会在北京召开,该重大工程是由国家科 技部牵头,九部委共同组织论证的“十三五”国家重大科技任务,按照“天基组网,地网跨代,天地互联”的 思路,以地面网络为基础、以空间网络为延伸,覆盖太空、空中、陆地、海洋等自然空间,为天基、陆基、海 基等各类用户活动提供信息保障,将人类的网络空间提升到一个新的维度。

据天象卫星项目总设计师、中国电科首席专家、54 所副总工程师孙晨华介绍,天地一体化信息网重大项目 低轨接入网规划 60 颗综合星和 60 颗宽带星,采用星间链路和星间路由技术,实现极少数地面关口站支持下的 全球无缝窄带和宽带机动服务。

2019 年 6 月 5 日,“天地一体化信息网络”重大项目“天象”试验 1 星、2 星通过搭载发射,成功进入预 定轨道。这两颗试验卫星由中国电科五十四所牵头研制,是我国首个实现传输组网、星间测量、导航增强、对 地遥感等功能的综合性低轨卫星,是未来低轨道星座系统建设的最简网络模型。卫星搭载了国内首个基于 SDN(软件定义网络)的天基路由器,在国内首次实现了基于低轨星间链路的组网传输,并在国内首次构建了基 于软件重构功能的开放式验证平台。

两颗天象小卫星,是我国首个基于 Ka 频段星间链路的双星组网小卫星系统。天象卫星利用先进的技术, 不仅能实现双星组网传输,包括各种信息数据、语音、视频、图片的高质量实时传输,还兼具星间测量、导航 增强、ADS-B、对地遥感等多项功能。

4.4银河航天(银河Galaxy卫星星座)

银河航天成立于 2018 年,由猎豹移动联合创始人、前总裁徐鸣创立,公司深度融合航天与互联网基因,通 过敏捷开发、快速迭代模式,规模化研制低成本、高性能的 5G 卫星,致力于打造全球领先的低轨宽带通信卫 星星座。公司核心团队由来自互联网、航天系统、科研机构的资深专家组成,以实力雄厚的卫星技术研发为基 础,融入互联网思维和模式,为用户提供优质的上网服务和体验。

银河航天计划建造由上千颗 5G 通信卫星,在 1200km 的近地轨道组成星座网络,让用户可以高速灵活的接 入 5G 网络。银河航天创始人董事长兼 CEO 徐鸣透露,低轨宽带通信卫星星座可以更好的对全球进行通信网络 覆盖与升级,成为全球 5G 通信的重要组成部分,理想状态下,投入低轨道通信卫星的成本将有机会降到基站 建设的 1%。

2018 年,银河航天获得了顺为资本、晨兴资本、IDG 资本、高榕资本、源码资本、君联资本等知名投资机 构支持。2019 年,银河航天完成最新一轮融资,由建投华科投资股份有限公司领投,顺为资本、IDG 资本、君 联资本和晨兴资本跟投,最新估值超过 50 亿元,成为国内商业航天赛道估值最高的创业公司之一。

2018 年 10 月 25 日,银河航天试验载荷“玉泉一号”搭载长征四号乙运载火箭(CZ-4B),在太原卫星发射中心发射升空。“玉泉一号”是银河航天自研的试验载荷,将在阿里巴巴“糖果罐号”迷你空间站上进行星载高性能 计算、空间成像、通信链路等试验验证。

2020 年 1 月 16 日,快舟一号甲遥九运载火箭,在酒泉卫星发射中心,以“一箭一星”的方式,将银河航天首 发星送入预定轨道。银河航天首发星为 200 公斤量级,采用 Q/V 和 Ka 等通信频段,具备 10Gbps 速率的透明转发通信能力,可通过卫星终端为用户提供宽带通信服务。卫星入轨后,将在轨开展相关技术和业务验证。

5 卫星互联网的挑战

传统的卫星管理主要针对的是数量相对较少的卫星,例如静止轨道卫星和数量较少的 NGSO 窄带通信卫星等,这些卫星的覆盖范围往往限制在特定的区域内。卫星互联网的发展带来的巨型星座使卫星数量急剧增加,卫星处于移动状态,并且是面向全球范围的宽带通信。这对卫星监管提出了新的挑战,主要包括卫星频率资源管理、卫星干扰问题、空间网络安全和轨道碎片问题。

5.1 频率资源管理

卫星互联网的发展需要额外的频率资源,频率资源正成为各国和卫星公司发展卫星系统竞争的焦点。卫星互联网系统使用的频率主要是 Ku 和 Ka 频段,图5为三家典型的 NGSO 卫星系统的频率使用情况。各家卫星公司提出的星座包含成百上千颗卫星,按照当前国际规则,星座中只需一颗在轨卫星,就相当于激活了整个 NGSO 网络资料,并获得频率和轨道资源的优先权。一旦这些巨型星座系统建成,将对后建的其他卫星星座造成很高的频率协调难度。这很容易演变成通过发展卫星互联网来抢占卫星频率资源。

干货|卫星互联网详解(全文超过一万两千字)插图4

图5 卫星互联网星座的频率使用情况

为了防止过度抢占频率资源,国际电信联盟(ITU)召开的 WRC-19 大会上,与会各国、区域组织及主要关注方展开了数次高层协调,最终就“里程碑”方法和生效日期达成一致意见:即生效日期为2021年1月1日。卫星网络资料7年寿命期在2021年1月1日前到期,则以该日期作为“里程碑”起始日期,否则以卫星网络7年寿命期限作为“里程碑”起始日期,之后2年内投入使用的卫星数量必须至少达到其申报星座卫星总体数量的10%,在5年内达到50%,并在7年内完成100%部署(可减少1颗卫星),否则需对其申报的网络资料进行相应规模的缩减。适用“里程碑”的频段主要包括Ku、Ka和Q/V频段,限于卫星固定业务、卫星广播业务和卫星移动业务。WRC-19大会新决议明确了相关要求:对于在该日期前申报的30多个卫星网络,只要在2026年1月1日前完成50%的部署就没有惩罚性后果。但是主管部门须在2023年3月1日前,按要求提供卫星系统的真实性说明,包括现有部署和操作信息、国际频率协调努力和结果、后续卫星制造和发射计划等,国际电信联盟无线电通信局将相关信息整理后提交无线电规则委员会(RRB)审查,审查结论合格且经确认后,方可享受上述特殊待遇。

卫星频率资源管理通过国际和国内两层监管。在国际上,ITU 为协调和登记卫星系统频率使用制定了规则和技术建议,主要的规则是先到先得,即谁先申报并获得批准了卫星网络资料,谁就获得优先权,在卫星频率协调中占主要地位;在国内,国家无线电管理部门对希望在本国开展业务的卫星频率使用进行监管,采取的手段是频率使用许可和业务运营许可。

卫星互联网的发展促使对卫星频率资源的需求不断增长,制定和实施卫星频率管理规则和技术标准,对于提升卫星通信的使用效率和提高国内卫星系统的竞争力至关重要。复杂而耗时的频率管理正成为卫星互联网系统发展和落地运营的关键因素,并且最好在卫星系统完成部署之前尽早解决。

5.2 卫星干扰问题

近几年提出的 NGSO 卫星星座包含数量庞大的卫星并覆盖全球,在频率使用上采用了与传统地球同步轨道(GSO)卫星相重叠的 Ku 和 Ka 频段。卫星互联网的发展很可能导致卫星频率干扰问题。可以预见,随着大规模卫星星座的部署,卫星之间干扰事件的发生会越来越频繁。当 NGSO 卫星经过 GSO 卫星和地球站之间的路径时,NGSO 对 GSO 卫星干扰的风险将会增加。射频干扰的产生主要是 NGSO 卫星和 GSO 卫星之间的干扰,然后是NGSO 星座系统之间的干扰,同时还可能存在 NGSO 与地面移动通信之间的干扰。图 6 表示了干扰发生的几种情况。

干货|卫星互联网详解(全文超过一万两千字)插图5

图6 NGSO卫星系统产生干扰

根据 ITU 规则第 22 条,GSO 卫星具有频率使用优先权,NGSO 卫星系统不可对 GSO 卫星系统中的卫星固定业务和卫星广播业务造成不可接受的干扰。为了避免对GSO 卫星系统造成有害干扰,NGSO 卫星系统必须采取措施以符合 ITU 制定的等效功率通量密度(EPFD)的限制,如降低发射功率、调整天线指向角度等。One Web公司提出 Progressive Pitch 技术,在 NGSO 卫星进入低纬度区域时逐步倾斜调整卫星天线的指向角度,以消除对 GSO 卫星的干扰。但多家卫星公司对其干扰避让效果表示质疑。

采用天线指向角度隔离和发射功率限制可在一定程度上减轻卫星互联网星座造成的干扰,但随着数量庞大的卫星星座的部署,这些技术的实施也将变得非常困难。由于 NGSO 卫星处于移动状态,地面卫星终端天线也在不断地进行波束和卫星切换,NGSO 和 GSO 系统之间的干扰随着时间和空间发生动态改变,识别违反规则的 NGSO卫星将变得更加困难(无论是意外发生还是故意发生的干扰),并且将来从地面采用卫星干扰源定位技术来解决NGSO 卫星干扰会变得几乎不可能。因此,卫星互联网系统中干扰处理的复杂性显著增加。

卫星干扰会导致已有的卫星系统和新部署的卫星系统的使用效率降低,是卫星互联网发展必须考虑的问题。对卫星监管来说,面临的挑战是如何采用卫星信号监测和干扰定位技术,对干扰信号进行识别、定位并判定干扰产生的责任方。

5.3 空间网络安全

卫星互联网系统具有天然的跨境覆盖和全球通信的特性。在我国境内的卫星通信终端可以通过轨道上的卫星星座,直接将数据信息传输到境外网关站进行落地。卫星互联网的发展使空间领域成为一个更加复杂的网络通信环境。

目前规划的大部分 NGSO 卫星星座系统都采用了星间链路技术,包括 Space X、Leo Sat、Boeing、Telesat、Theia Holdings 等公司。星间链路是通过激光或微波链路建立一个空间骨干网,地面卫星通信终端可与星座中在可视范围内的任何一颗卫星建立连接,数据能够从一颗卫星传输到另一颗卫星。图 7为采用星间链路的 NGSO 卫星系统。

干货|卫星互联网详解(全文超过一万两千字)插图6

图7 采用星间链路的卫星系统

采用星间链路的 NGSO 卫星系统可以使数据信息从起点跨越地球上的任何区域直达终点。此外,将网关站建在境外的 NGSO 卫星同样可以实现无须通过境内的地面网络系统直接进行跨境通信,突破了地面互联网信息安全监管。One Web 公司在 2018 年表示其 NGSO 卫星星座将不会采用星间链路,而是选择在全球各国和地区部署55~75 个地面网关站,其直接原因是各国的网络监管部门担心在使用 NGSO 卫星网络时,掌握不了本国通信业务的去向和重新落地的位置。

为了应对 NGSO 卫星互联网带来的空间网络安全监管问题,大多数国家把卫星业务运营许可和频率许可作为管理国外卫星系统的手段。在卫星系统运行的过程中监管的前提是发现存在的空间网络安全隐患。因此,卫星互联网监管面临的主要挑战是如何通过卫星监测确定没有获得我国落地权许可的 NGSO 卫星,在我国开展的业务运营的实际情况。

5.4 轨道碎片问题

卫星互联网的快速发展导致地球轨道上卫星数量的急剧增加,目前有近 2000 颗活跃的卫星在地球轨道上运行,并且在不久的将来可能再发射 20000 颗卫星。虽然这些前所未有的巨型卫星星座可能带来重要的商业利益,但是这些卫星可能会导致显著增加的轨道碎片。

轨道碎片是围绕地球运行的任何失效的人造物体。美国国防部与 NASA 合作建立的太空监视网可以探测、识别和跟踪绕地球轨道运行的物体,其在 2018 年公开的目录中包含 19000 多个轨道物体,其中只有 2000 多个是在轨卫星,剩下的都是轨道碎片,这些轨道碎片都可能会导致严重的碰撞。图 8为卫星轨道碎片的情况。

干货|卫星互联网详解(全文超过一万两千字)插图7

图8卫星轨道碎片

如何发展技术和制定规则来减小产生轨道碎片的风险,以应对巨型星座带来的影响,也是卫星监管部门面临的严峻挑战。空间是一种全球共享的自然资源,所有的利益相关者要共同制定防止轨道碎片的新规则以减缓轨道碎片的增长,从而确保全人类有安全和可持续发展的空间环境。

6 卫星互联网产业现状

2010—2019年全球卫星产业规模稳步增长,2019年全球卫星产业规模为2860亿美元,同比增长3.20%。从图9可以看出,卫星运营服务和地面设备制造业一直是卫星产业的主要组成部分,2019年二者占比卫星产业规模份额达90.70%。

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图9 2019年全球卫星产业细分结构图

卫星互联网产业链主要包含了卫星制造、卫星发射、地面设备、卫星运营及服务四大环节。其中卫星制造环节主要包括卫星平台、卫星载荷。卫星平台包含结构系统、供电系统、推进系统、遥感测控系统、姿轨控制系统、热控系统以及数据管理系统等;卫星载荷环节包括天线分系统、转发器分系统以及其它金属/非金属材料和电子元器件等。

卫星发射环节包括火箭制造以及发射服务。

地面设备主要包括固定地面站、移动式地面站(静中通、动中通等)以及用户终端。固定地面站包括天线系统、发射系统、接收系统、信道终端系统、控制分系统、电源系统以及卫星测控站和卫星运控中心等;移动站主要由集成式天线、调制解调器和其它设备构成;用户终端包含设备上游关键零部件及下游终端设备。用户终端的上游关键零部件主要有:基带芯片、射频芯片、功率放大器和调制解调器等;用户端下游终端设备主要有:卫星电视终端、卫星移动终端、卫星无线电终端、物联网移动终端和卫星的导航系统硬件。

卫星运营及服务主要包含卫星移动通信服务、宽带广播服务以及卫星固定服务等。卫星移动通信服务主要包括:移动数据服务和移动语音服务。宽带广播服务主要包括:卫星电视服务、卫星广播服务和卫星宽带服务。卫星固定服务主要包括:转发器租赁和管理网络服务。

当前卫星互联网主要集中在空间段及地面段的基础设施建设,上游卫星制造、卫星发射及地面设备中的地面站建设成为关注的焦点。卫星制造方面,随之卫星向着高通量方向发展,目前正积极开拓Q、V频段,而太赫兹频段正处于规划阶段;宽带转发器开始广泛应用,作为转发器重要部件的行波管放大器由于在高带宽、高频段方面的优异性能已经成为主流产品;多点波束技术是提升卫星通信能力的重要手段,多波束相控阵天线使用电子手段实现快速扫描,已经成为天线发展的重要方向。

星载计算机是卫星的运控中心,基于SPARC架构的SOC芯片已经广泛应用于宇航级芯片产品;而各类高精度星敏感器产品也是卫星制造的关键环节,备受关注。与此同时,随着卫星制造和发射向着低成本化方向发展,包括更高转换效率的三结砷化镓太阳能电池、锂离子蓄电池、比冲高价格低的氪电推进系统、可重复使用的液体火箭未来发展前景广阔。以激光星间链路为代表的星间链路技术的推广可以进一步降低对地面网络的依赖。随着组网形成,动中通移动站、天基物联网也将迎来更大的发展空间。

7 卫星互联网战略意义及发展前景

今年来,中国低轨通信卫星发展布局呈现快速发展态势。“十三五”期间,以航天科技、航天科工为首的央企卫星集团分别提出了自己的卫星互联网计划,并发射了试验星。2020年4月,卫星互联网首次纳入“新基建”范围,社会资本助推中国航天进入商业时代,全面开启空天轨道资源的战略布局。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。截止目前,中国星座计划中组网数量在30颗以上的低轨道卫星项目已达10个,项目规划总卫星发射数量达到1900颗。

地球近地轨道可容纳约6万颗卫星,而低轨卫星所主要采用的Ku及Ka通信频段资源也逐渐趋于饱和状态。目前,全球正处于人造卫星密集发射前夕。到2029年,地球近地轨道可用空间将所剩无几。空间轨道和频段作为能够满足通信卫星正常运行的先决条件,已经成为各国卫星企业争相抢占的重点资源。

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