天基通信系統(tǒng)在智慧海洋中的應(yīng)用研究

王權(quán) 劉清波 王悅 熊越 袁麗

(航天恒星科技有限公司,北京 100095)

海洋幅員遼闊、資源豐富,全球諸多國(guó)家紛紛認(rèn)識(shí)到了海洋的重要性,都在積極開(kāi)展海洋的建設(shè)應(yīng)用,力爭(zhēng)成為海洋強(qiáng)國(guó)。通信系統(tǒng)作為通信基礎(chǔ)設(shè)施,在海洋建設(shè)應(yīng)用中起著舉足輕重的作用,而天基通信系統(tǒng)作為海洋通信的主力手段,也逐漸受到更多的重視。許多國(guó)家都在大量發(fā)射、應(yīng)用覆蓋海洋的通信衛(wèi)星,結(jié)合使用地面系統(tǒng)與終端,保障海洋各級(jí)各類(lèi)用戶隨遇接入、信息隨處可達(dá)。國(guó)外使用較為廣泛的是“海事衛(wèi)星”(Inmarsat)通信系統(tǒng)(高軌)和“銥”(Iridium)衛(wèi)星通信系統(tǒng)(低軌),高軌＋低軌基本可實(shí)現(xiàn)全球覆蓋。

我國(guó)提出智慧海洋工程建設(shè)方案,其總體規(guī)劃要實(shí)現(xiàn)海洋通信泛在隨行,秉持軍民融合、協(xié)同發(fā)展、自主可控、開(kāi)放合作的建設(shè)原則,達(dá)到全要素全天候自主通信能力的建設(shè)目標(biāo),形成空天地海一體的海洋信息通信保障能力。目前,我國(guó)海洋通信已應(yīng)用現(xiàn)有天基衛(wèi)星和地面有線/無(wú)線等通信手段,能滿足一定程度的服務(wù)應(yīng)用,但在通信覆蓋和容量上還存在嚴(yán)重不足,無(wú)法滿足智慧海洋的發(fā)展需求,而海洋地域及環(huán)境的特性決定了天基通信是不可或缺的手段,因此急需天基通信系統(tǒng)的發(fā)展支撐。建設(shè)應(yīng)用于智慧海洋的天基通信系統(tǒng),可彌補(bǔ)現(xiàn)有通信手段的不足,解決其日益增長(zhǎng)的信息傳輸需求,對(duì)海洋權(quán)益維護(hù)與安全保障、海洋政務(wù)管理利用、海洋經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)與利用、海洋公共服務(wù)等能力提升具有重要意義。

本文通過(guò)研究智慧海洋對(duì)通信的需求與現(xiàn)狀,結(jié)合我國(guó)天基通信的發(fā)展規(guī)劃,提出高軌＋低軌的天基通信系統(tǒng)思路與架構(gòu),重點(diǎn)研究相關(guān)技術(shù)途徑,結(jié)合海洋應(yīng)用需求與技術(shù)發(fā)展分析可提供的應(yīng)用服務(wù)種類(lèi),可為智慧海洋各通信節(jié)點(diǎn)提供寬帶通信、航海監(jiān)視、海洋信息分發(fā)、海洋萬(wàn)物互聯(lián)等服務(wù)。

1 智慧海洋需求與通信能力現(xiàn)狀

1.1 智慧海洋需求

智慧海洋需要提供各類(lèi)服務(wù)應(yīng)用,因而存在大量的數(shù)據(jù)傳輸需求,主要包括感知系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)和人員通信數(shù)據(jù)。感知系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)包括目標(biāo)識(shí)別、海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)(溢油、工業(yè)廢水排放、海水懸濁物、大氣污染物)、海洋魚(yú)情監(jiān)測(cè)、基礎(chǔ)海情海況監(jiān)測(cè)(海面水色、水溫、風(fēng)場(chǎng)、海浪、海流、潮汐)、海島礁變化監(jiān)測(cè)、海島礁立體測(cè)繪等,可通過(guò)天基、空基、地基和海基的感知手段獲得大量的數(shù)據(jù)信息。人員通信數(shù)據(jù)包括語(yǔ)音、視頻和文件數(shù)據(jù)。感知系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)很大部分是要實(shí)時(shí)傳輸?shù)?例如浮標(biāo)、岸基站、船載等小數(shù)據(jù)量,以及視頻監(jiān)控、溢油雷達(dá)、無(wú)人機(jī)、衛(wèi)星遙感等大數(shù)據(jù)量,再加上人員通信的數(shù)據(jù)量,對(duì)通信系統(tǒng)提出了非常高的要求。圖1為天空地海一體化感知數(shù)據(jù)。

圖1 天空地海一體化感知數(shù)據(jù)Fig.1 Perceptual data of space-based,sky,ground and sea-based

海洋通信節(jié)點(diǎn)眾多,涉及的海域也從我國(guó)近海向遠(yuǎn)海發(fā)展,包括南海、遠(yuǎn)洋航線和“一帶一路”海域。據(jù)相關(guān)工業(yè)部門(mén)分析,海上塔、島固定節(jié)點(diǎn)約100個(gè),每個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息傳輸速率為30 Mbit/s,海上“一帶一路”移動(dòng)船2000艘以上,每艘船的信息傳輸速率為2 Mbit/s,因此,基本需求容量已達(dá)7 Gbit/s,再加上遠(yuǎn)洋商船及應(yīng)急通信,通信容量、覆蓋需求更大。

1.2 通信能力現(xiàn)狀

海洋現(xiàn)有通信手段主要解決人員通信問(wèn)題,受限于通信容量和傳輸速率的限制,并發(fā)通信路數(shù)較少,數(shù)據(jù)質(zhì)量不高,而且基本無(wú)法滿足感知系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)的傳輸需求?，F(xiàn)有通信手段主要為有線通信、短波通信、超短波通信、散射通信、自組網(wǎng)通信、4G通信、Wifi及天基通信(傳統(tǒng)自主S、C、Ku頻段衛(wèi)星,“海事衛(wèi)星”通信等)。其中,天基以外的通信手段只能解決近海通信問(wèn)題,遠(yuǎn)海通信及遠(yuǎn)距離高速通信還要依靠天基通信實(shí)現(xiàn)。作為中國(guó)境內(nèi)最大、唯一擁有衛(wèi)星資源、自主運(yùn)營(yíng)管理的衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)企業(yè),中國(guó)衛(wèi)通集團(tuán)股份有限公司現(xiàn)擁有15顆以上在軌商業(yè)通信衛(wèi)星,其C、Ku頻段衛(wèi)星有“中星”和“亞太星”系列,覆蓋范圍包括亞太、中東、非洲、南美等地區(qū)[1]。但是,15顆衛(wèi)星總?cè)萘恐挥袔准忍孛棵?基本已租售完畢,無(wú)法滿足智慧海洋的后續(xù)需求;S頻段衛(wèi)星天通一號(hào)01星覆蓋區(qū)域主要為中國(guó)及周邊、中東、非洲等相關(guān)地區(qū),以及太平洋、印度洋部分海域,支持語(yǔ)音、短消息和小數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)[2]。

國(guó)外天基通信衛(wèi)星方面,“海事衛(wèi)星”系統(tǒng)全球海上應(yīng)用較為廣泛,尤其美國(guó)“海事衛(wèi)星”第5代具備寬帶通信能力,每顆衛(wèi)星有89個(gè)固定波束和6個(gè)大容量機(jī)動(dòng)波束。固定波束可提供的最高速率為下行50 Mbit/s和上行5 Mbit/s[3];機(jī)動(dòng)波束則可以提供下行100 Mbit/s和上行10 Mbit/s的速率;可支持天線口徑在45～240 cm的終端。我國(guó)中星16號(hào)衛(wèi)星是首顆高通量通信衛(wèi)星,通信總?cè)萘砍^(guò)20 Gbit/s,超過(guò)國(guó)內(nèi)此前研制的通信衛(wèi)星容量總和,可實(shí)現(xiàn)每戶最高150 Mbit/s的寬帶接入[4],比國(guó)外寬帶衛(wèi)星能力稍有欠缺,而且資費(fèi)較高。

總之,我國(guó)海洋通信面臨著覆蓋范圍、容量/速率、資費(fèi)、核心技術(shù)裝備國(guó)產(chǎn)化率等諸多掣肘。面對(duì)智慧海洋的迫切需求以及通信能力現(xiàn)狀,我國(guó)急需發(fā)展建設(shè)滿足海域覆蓋和寬帶容量的自主天基通信系統(tǒng),支撐智慧海洋工程的建設(shè)。

2 天基通信系統(tǒng)

通過(guò)智慧海洋需求與通信能力現(xiàn)狀的分析,結(jié)合我國(guó)通信衛(wèi)星的發(fā)展規(guī)劃,本文建議構(gòu)建高軌＋低軌的天基通信系統(tǒng),支撐智慧海洋工程建設(shè)。對(duì)于高軌通信衛(wèi)星,我國(guó)已有多年的發(fā)展基礎(chǔ),2017年4月發(fā)射的中星16號(hào)高軌寬帶通信衛(wèi)星標(biāo)志著我國(guó)進(jìn)入了高通量寬帶衛(wèi)星時(shí)代。高通量衛(wèi)星采用多點(diǎn)波束和頻率復(fù)用技術(shù),在同樣的頻譜資源情況下,容量是傳統(tǒng)衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)(FSS)的數(shù)倍[5]。高軌寬帶通信衛(wèi)星容量大(少則幾十吉比特每秒,多則幾百吉比特每秒),可接入幾十萬(wàn)甚至上百萬(wàn)用戶使用。但是,單星覆蓋范圍有限,需要多顆衛(wèi)星組合才能覆蓋全部海域;另外,高軌衛(wèi)星鏈路損耗大,無(wú)法支持手持終端使用,而且鏈路延時(shí)也較大,很難滿足延時(shí)要求較高的業(yè)務(wù)需求。低軌衛(wèi)星星座由于其低軌道、全球覆蓋及低延時(shí)的優(yōu)勢(shì),可彌補(bǔ)高軌衛(wèi)星的不足。因此,高軌＋低軌的天基通信系統(tǒng)可滿足智慧海洋工程對(duì)通信海域覆蓋和寬帶容量的需求。

2.1 高軌＋低軌天基通信系統(tǒng)架構(gòu)

為了發(fā)揮出最大能力,高軌＋低軌天基通信系統(tǒng)需要形成一體化的網(wǎng)絡(luò),而不是高軌通信系統(tǒng)一張網(wǎng)、低軌通信系統(tǒng)一張網(wǎng)。如圖2所示,高軌＋低軌天基通信系統(tǒng)在地面關(guān)口站進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)融合,共建同一套運(yùn)營(yíng)支撐系統(tǒng)提供運(yùn)營(yíng)服務(wù),采用同一套用戶終端入網(wǎng),這樣,既可接入高軌通信系統(tǒng),又可接入低軌通信系統(tǒng)。

圖2 天基通信系統(tǒng)架構(gòu)Fig.2 Architecture of space-based communications system

為了實(shí)現(xiàn)高軌＋低軌天基通信系統(tǒng),地面關(guān)口站網(wǎng)絡(luò)需要融合,地面寬帶通信終端需要共型,按照國(guó)內(nèi)外技術(shù)發(fā)展趨勢(shì),需要重點(diǎn)解決終端網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、波束切換和相控陣天線等關(guān)鍵技術(shù)。

2.1.1 終端網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

考慮到高軌、低軌終端共型,終端設(shè)計(jì)引入新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)技術(shù),借鑒軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SDN)組網(wǎng)集中管控、靈活可配、擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn),在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湄?fù)載優(yōu)化、精細(xì)化流量管控、衛(wèi)星資源利用率提升等方面進(jìn)行融合設(shè)計(jì)。圖3為SDN組網(wǎng)架構(gòu)。

圖3 SDN組網(wǎng)架構(gòu)Fig.3 SDN network architecture

通過(guò)SDN和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(NFV),將與終端網(wǎng)絡(luò)服務(wù)密切相關(guān)的功能上移后進(jìn)行云化,用戶側(cè)終端功能簡(jiǎn)化為2層,僅負(fù)責(zé)設(shè)備管理和終端接入;將增值業(yè)務(wù)和差異化服務(wù)等功能在云端進(jìn)行集中管控,實(shí)現(xiàn)平臺(tái)化管理,為未來(lái)業(yè)務(wù)能力的快速部署和設(shè)備運(yùn)行維護(hù)等提供基于云技術(shù)的解決方案,并且為業(yè)務(wù)公用應(yīng)用程序編程接口(API)和開(kāi)放業(yè)務(wù)平臺(tái)提供支撐。圖4為地面終端架構(gòu)。

圖4 地面終端架構(gòu)Fig.4 Ground terminal architecture

2.1.2 波束切換

由于高軌和低軌衛(wèi)星點(diǎn)波束覆蓋的特點(diǎn),終端要能支持波束切換。目前,波束切換技術(shù)主要分為:①秒級(jí)切換,終端換載波登錄,切換時(shí)間為6～10 s;②毫秒級(jí)切換,去掉終端登錄流程,全系統(tǒng)時(shí)間同步,切換時(shí)間約為500 ms;③微秒級(jí)切換,配合跳波束技術(shù)實(shí)現(xiàn)微秒級(jí)切換。波束切換過(guò)程主要分為切換檢測(cè)階段、切換決策階段及切換執(zhí)行階段。圖5為波束切換各階段功能描述。

圖5 波束切換各階段功能描述Fig.5 Function description of beam switching

(1)切換檢測(cè)階段是指終端和信關(guān)站對(duì)切換需求進(jìn)行檢測(cè)的階段。在此階段,終端通過(guò)周期性地檢測(cè)相關(guān)參數(shù),判斷當(dāng)前波束是否仍適合駐留,是否有切換需求。切換檢測(cè)參數(shù)一般包括終端的地理位置、信道條件(如信噪比)等。

(2)切換決策階段為波束切換的核心階段。決策是否切換及如何切換,都要依賴(lài)于有效的切換決策機(jī)制。其中,由信關(guān)站對(duì)檢測(cè)階段的切換需求進(jìn)行分析,根據(jù)當(dāng)前系統(tǒng)波束內(nèi)的資源和負(fù)載狀況決策是否執(zhí)行切換,以及何時(shí)執(zhí)行切換。

(3)切換執(zhí)行階段即信關(guān)站決定執(zhí)行切換后,通過(guò)與終端之間的切換信令交互,進(jìn)行舊連接斷開(kāi)與新連接建立的階段。期間,信關(guān)站根據(jù)切換決策的結(jié)果發(fā)出切換信令,終端收到切換命令后,斷開(kāi)與舊波束的連接,根據(jù)分配的信道資源在新波束中入網(wǎng)。

2.1.3 相控陣天線

低軌衛(wèi)星具有移動(dòng)特性,為了避免天線頻繁機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng),終端天線宜選用相控陣天線。目前,可形成規(guī)?；瘧?yīng)用的相控陣天線大致分為模塊化低輪廓相控陣天線和液晶相控陣天線2類(lèi)。

模塊化低輪廓相控陣天線是基于動(dòng)態(tài)波束成型技術(shù)的電掃天線,使用具有電子波束成型功能的專(zhuān)用集成電路(ASIC)微芯片。這些芯片與非常小的貼片天線組合成一個(gè)單元,通過(guò)動(dòng)態(tài)地控制每個(gè)單元的信號(hào)相位傳輸(或接收)任何方向的波束。這類(lèi)天線的核心模塊是由分布在經(jīng)過(guò)射頻優(yōu)化面板上超過(guò)500個(gè)的單元構(gòu)成的。核心模塊可以組合成各種尺寸來(lái)構(gòu)建所需要的相控陣天線。未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)是將整個(gè)射頻鏈轉(zhuǎn)移到特定應(yīng)用程序的集成電路芯片上,當(dāng)一個(gè)信號(hào)在貼片天線上擊中陣列時(shí),能立即在ASIC上轉(zhuǎn)換輸出。圖6為模塊化低輪廓相控陣天線示意。

液晶相控陣天線使用超材料形成全息波束,基于液晶電控雙折射性和閃耀光柵原理的可編程光束偏轉(zhuǎn)器件,通過(guò)外電場(chǎng)變化控制液晶分子指向矢,以改變液晶層的雙折射特性,從而對(duì)光波波前進(jìn)行相位調(diào)制。當(dāng)液晶層對(duì)光束的相位調(diào)制呈周期性改變的斜坡時(shí),液晶層等效為閃耀光柵。這類(lèi)天線支持360°的全球覆蓋,因此可在視角極低的南北緯地區(qū)實(shí)現(xiàn)通信連接。圖7為液晶相控陣天線示意。

相控陣天線規(guī)模化的市場(chǎng)應(yīng)用主要受限于目前昂貴的價(jià)格,通過(guò)對(duì)國(guó)外一網(wǎng)(OneWeb)和太空探索技術(shù)(SpaceX)公司未來(lái)終端的分析[6],目前的成本還遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于規(guī)劃,因此,其低成本化還有很長(zhǎng)的路要走。表1為相控陣天線成本。

圖6 模塊化低輪廓相控陣天線示意Fig.6 Schematic diagram of modular low profile phased array antenna

圖7 液晶相控陣天線示意Fig.7 Schematic diagram of liquid crystal phased array antenna

表1 相控陣天線成本Table 1 Cost for phased array antenna

2.2 通信衛(wèi)星資源

高軌＋低軌天基通信系統(tǒng)可接入我國(guó)所有通信衛(wèi)星資源?，F(xiàn)有通信衛(wèi)星主要側(cè)重于陸地覆蓋,海域覆蓋欠缺較大,后續(xù)重點(diǎn)要加強(qiáng)覆蓋海域通信衛(wèi)星的發(fā)展,這與我國(guó)通信衛(wèi)星的發(fā)展規(guī)劃也較為契合。

2.2.1 高軌衛(wèi)星資源

高軌衛(wèi)星方面,我國(guó)傳統(tǒng)C、Ku頻段衛(wèi)星資源覆蓋主要集中于亞太地區(qū),廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域,資源較為緊張,目前已所剩無(wú)幾,無(wú)法滿足海洋應(yīng)用需求,因此急需發(fā)射高通量衛(wèi)星提供大數(shù)據(jù)量高速傳輸服務(wù)。傳統(tǒng)C、Ku頻段衛(wèi)星資源覆蓋如圖8所示。

我國(guó)首顆Ka頻段高通量衛(wèi)星中星16號(hào)的總?cè)萘砍^(guò)20 Gbit/s,提供26個(gè)用戶點(diǎn)波束和3個(gè)饋電波束,覆蓋中國(guó)中部、中西部、東部、南部、拉薩地區(qū)及中國(guó)近海近300 km海域。中星18號(hào)衛(wèi)星作為我國(guó)第2顆高通量衛(wèi)星,計(jì)劃于2019年8月底發(fā)射,能提供14個(gè)Ka頻段用戶波束,整星容量為10 Gbit/s,覆蓋東北和西北,與中星16號(hào)一起形成覆蓋中國(guó)大陸和近海海域、超過(guò)30 Gbit/s容量的Ka頻段寬帶衛(wèi)星通信能力。2顆衛(wèi)星的覆蓋[7]如圖9所示。2019年中發(fā)射高通量衛(wèi)星亞太星-6D,覆蓋亞太海域,整星容量不低于40 Gbit/s,1/2的容量為海上提供寬帶通信服務(wù)(移動(dòng)和應(yīng)急2種)。圖10為亞太星-6D衛(wèi)星覆蓋。到2022年,通過(guò)東增強(qiáng)(中星26號(hào))、西增強(qiáng)(中星27號(hào))衛(wèi)星和中星19號(hào)衛(wèi)星,能夠?qū)崿F(xiàn)國(guó)土、海洋的覆蓋增強(qiáng)和泛亞地區(qū)的覆蓋能力,如圖11所示。

圖8 C、Ku頻段衛(wèi)星資源覆蓋Fig.8 Covering of satellite resources to C-band and Ku-band

圖9 中星16號(hào)和中星18號(hào)衛(wèi)星覆蓋Fig.9 Covering of ChinaSat 16 and 18

圖10 亞太星-6D衛(wèi)星覆蓋Fig.10 Covering of APStar-6D satellite

圖11 東、西增強(qiáng)衛(wèi)星及中星19號(hào)衛(wèi)星覆蓋區(qū)域Fig.11 Covering area of increase in the east and west satellites and ChinaSat 19

從高軌衛(wèi)星的發(fā)展規(guī)劃來(lái)看,到2022年,高軌高通量衛(wèi)星容量將達(dá)幾百吉比特每秒,可覆蓋南海、西太平洋、“一帶一路”海上絲綢之路,基本可滿足智慧海洋工程覆蓋和容量的需求。

2.2.2 低軌衛(wèi)星資源

一直以來(lái),衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商大多選擇部署高軌衛(wèi)星,率先進(jìn)行技術(shù)和市場(chǎng)驗(yàn)證,之后增加衛(wèi)星數(shù)量以擴(kuò)展業(yè)務(wù)能力。隨著市場(chǎng)需求的變化和發(fā)展,越來(lái)越多的航天企業(yè)計(jì)劃部署低軌衛(wèi)星星座,尋求全球范圍內(nèi)的服務(wù)能力。例如,美國(guó)OneWeb、SpaceX和低軌衛(wèi)星(LEOSat)公司等都在計(jì)劃部署低軌衛(wèi)星星座系統(tǒng)[8]。

國(guó)內(nèi)已經(jīng)啟動(dòng)建造的有“鴻雁”和“虹云”等衛(wèi)星星座。其中,低軌“鴻雁”星座系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)全球無(wú)縫覆蓋,為海洋各類(lèi)用戶終端提供移動(dòng)通信和寬帶接入服務(wù),同時(shí)還提供航空航海監(jiān)視及導(dǎo)航增強(qiáng)服務(wù)。

2.3 地面終端

高軌＋低軌天基通信系統(tǒng),需要對(duì)地面終端進(jìn)行共型設(shè)計(jì),解決以往終端種類(lèi)繁多、通信體制各異、無(wú)法互聯(lián)互通等問(wèn)題。高軌、低軌終端形態(tài)包括固定終端、便攜終端、車(chē)載終端、船載終端和機(jī)載終端等,支持寬帶接入、高速數(shù)據(jù)傳輸和視頻回傳等業(yè)務(wù)。另外,還可根據(jù)海洋用戶的需求,基于終端芯片和模塊進(jìn)行終端定制。

如前所述,高軌、低軌終端共型宜采用相控陣天線,避免天線頻繁機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)帶來(lái)的壽命問(wèn)題,這類(lèi)終端市場(chǎng)需求的最大變量是消費(fèi)者能為終端支付的費(fèi)用,因此,寬帶終端產(chǎn)品(見(jiàn)圖12)的焦點(diǎn)在于低成本相控陣天線[6]。目前,相控陣天線技術(shù)已得到驗(yàn)證,但成本依然很高,未來(lái)終端價(jià)格有望控制在300美元以?xún)?nèi)。

圖12 寬帶終端產(chǎn)品示意Fig.12 Sketch map of broadband terminal product

此外,射頻終端的發(fā)展和低成本化也影響著用戶對(duì)終端的接受度。射頻終端的發(fā)展可分為3個(gè)階段(見(jiàn)圖13):①收發(fā)分離,低噪聲放大器(LNB)和功率放大器(BUC)為分離器件;②收發(fā)一體,LNB和BUC合成到一起組成收發(fā)一體機(jī)(Transceiver);③射頻收發(fā)一體且與終端調(diào)制解調(diào)器集成在一起。目前技術(shù)已發(fā)展到第3個(gè)階段,結(jié)構(gòu)形態(tài)和成本上都可進(jìn)一步優(yōu)化。

圖13 射頻終端發(fā)展階段Fig.13 Development stages of RF terminal

3 應(yīng)用服務(wù)模式

針對(duì)高軌＋低軌天基通信系統(tǒng)發(fā)展規(guī)劃,地面終端的發(fā)展研究已先行,包括終端的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、天線及射頻的形態(tài)已有一定的研究成果,可滿足智慧海洋用戶的使用需求。應(yīng)用服務(wù)方面,結(jié)合智慧海洋用戶特點(diǎn),高軌＋低軌天基通信系統(tǒng)可支持如下應(yīng)用服務(wù)。

(1)智能終端通信:支持商業(yè)手機(jī)直接接入低軌衛(wèi)星星座,系統(tǒng)支持?jǐn)?shù)百萬(wàn)用戶入網(wǎng),提供高清晰語(yǔ)音服務(wù)、微信等即時(shí)通信服務(wù)、電子郵件服務(wù)等,服務(wù)于政府船只、海上漁民、遠(yuǎn)洋商船、旅游郵輪、科學(xué)考察、海底地質(zhì)勘探、搶險(xiǎn)救災(zāi)、海上應(yīng)急保障等場(chǎng)景。

(2)寬帶接入:提供高速數(shù)據(jù)接入服務(wù)能力,使海洋用戶享受到與陸地地面網(wǎng)絡(luò)近似的體驗(yàn),系統(tǒng)容量支持百萬(wàn)級(jí)用戶接入使用。

(3)基站中繼:承擔(dān)海上平臺(tái)4G/5G基站中繼,海上手機(jī)用戶可隨時(shí)享受陸地移動(dòng)通信服務(wù)。

(4)物聯(lián)網(wǎng):天基通信系統(tǒng)與多種具備感知、信息采集功能的物聯(lián)終端結(jié)合,可形成天、空、地、海一體化的信息獲取與傳輸系統(tǒng),能實(shí)現(xiàn)全球態(tài)勢(shì)感知信息的實(shí)時(shí)回傳,解決目前各類(lèi)感知信息回傳效能低下的問(wèn)題,從而對(duì)物聯(lián)網(wǎng)起到良好的支撐和融合作用,為我國(guó)乃至世界“感知中國(guó)、感知全球”戰(zhàn)略實(shí)施提供有力支撐[9]。系統(tǒng)基于M2M的交互式物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù),可支持千萬(wàn)級(jí)數(shù)據(jù)采集終端,滿足物流、交通運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)用戶需求。

(5)熱點(diǎn)信息推送:充分利用衛(wèi)星廣域覆蓋的特性,針對(duì)熱點(diǎn)區(qū)域,支持氣象信息廣播、漁業(yè)信息、海上災(zāi)害信息、安全信息廣播、廣告等信息廣播推送業(yè)務(wù),可為政府宣傳部門(mén)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)提供流量入口。

(6)專(zhuān)網(wǎng)傳輸:支持海洋相關(guān)政府部門(mén)、企業(yè)單位內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換,可支持?jǐn)?shù)據(jù)容量大,能提供文件實(shí)時(shí)傳輸、大數(shù)據(jù)分發(fā)、OA交流等多種功能。

(7)應(yīng)急通信:提供海上應(yīng)急通信服務(wù),滿足全天候不間斷應(yīng)急通信需求。

(8)導(dǎo)航增強(qiáng):能轉(zhuǎn)發(fā)“北斗”差分改正信息,為船載定位終端和物聯(lián)網(wǎng)終端提供更加精準(zhǔn)可靠的位置服務(wù)。

(9)航空航海監(jiān)視:支持AIS、ADS-B標(biāo)準(zhǔn),能夠?qū)崿F(xiàn)全球飛機(jī)、船舶的全周期跟蹤,提供統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)增值服務(wù),滿足日益增長(zhǎng)的航空航海市場(chǎng)發(fā)展需要,實(shí)現(xiàn)安全可靠的全球交通運(yùn)輸能力[10]。

智慧海洋要實(shí)現(xiàn)海洋通信泛在隨行,天基通信系統(tǒng)不可或缺,建成后的天基通信系統(tǒng)可滿足以上九大應(yīng)用,再結(jié)合空基、地基和?；ㄐ?形成空天地海一體的海洋信息通信保障能力,服務(wù)國(guó)家智慧海洋工程。

4 結(jié)束語(yǔ)

天基通信系統(tǒng)是我國(guó)智慧海洋工程建設(shè)不可或缺的通信傳輸基礎(chǔ)設(shè)施,本文分析了智慧海洋需求和通信能力現(xiàn)狀,在此基礎(chǔ)上提出了高軌＋低軌天基通信系統(tǒng)的思路與架構(gòu),并對(duì)相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析,最后結(jié)合智慧海洋工程的應(yīng)用需求提出了九大應(yīng)用服務(wù)模式。通過(guò)衛(wèi)星與地面相關(guān)技術(shù)的攻關(guān),結(jié)合我國(guó)通信衛(wèi)星發(fā)展規(guī)劃,融合高軌高通量寬帶通信衛(wèi)星和全球低軌移動(dòng)通信衛(wèi)星星座,建設(shè)天基通信系統(tǒng)服務(wù)于智慧海洋工程,并配套與之相適應(yīng)的商業(yè)模式和應(yīng)用服務(wù)體系。建議智慧海洋工程后續(xù)建設(shè)繼續(xù)秉持統(tǒng)籌規(guī)劃與分步實(shí)施相結(jié)合、工程示范與商業(yè)應(yīng)用相結(jié)合、商業(yè)發(fā)展與政策扶持相結(jié)合的方針,盡快實(shí)現(xiàn)海洋強(qiáng)國(guó)的目標(biāo)。