從低軌互聯(lián)網(wǎng)星座淺談衛(wèi)星通信新應(yīng)用

文 | 夏云飛 程子敬 潘越 史府鑫航天恒星科技有限公司

一、引言

低軌互聯(lián)網(wǎng)星座是指由少則上百顆、多則上萬(wàn)顆低軌道小衛(wèi)星組成，能夠在全球提供寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)，消除地球“數(shù)字鴻溝”，實(shí)現(xiàn)地球任意角落高速聯(lián)網(wǎng)的巨型通信衛(wèi)星星座[1]。由于服務(wù)區(qū)域廣，不受地球表面地理環(huán)境影響，且在老少邊窮地區(qū)的通信覆蓋成本較低，低軌互聯(lián)網(wǎng)星座已成為全球通信系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，也是彌補(bǔ)信息時(shí)代“數(shù)字鴻溝”的核心工具，更有望成為5G乃至6G時(shí)代實(shí)現(xiàn)全球網(wǎng)絡(luò)覆蓋的重要解決方案。

當(dāng)前，低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)成為通信領(lǐng)域科技競(jìng)爭(zhēng)的新焦點(diǎn)，巨頭紛紛入局，全球已進(jìn)入衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的競(jìng)賽時(shí)代?！靶擎湣保⊿tarlink）星座、一網(wǎng)（OneWeb）星座、虹云星座、鴻雁星座等低軌互聯(lián)網(wǎng)星座的相繼提出和組網(wǎng)衛(wèi)星陸續(xù)發(fā)射，推動(dòng)了由數(shù)百甚至上萬(wàn)顆衛(wèi)星構(gòu)成的巨型低軌寬帶通信衛(wèi)星星座的發(fā)展，成為衛(wèi)星通信商業(yè)化的核心方向。摩根士丹利預(yù)測(cè)[2]，到2040年，全球太空經(jīng)濟(jì)將產(chǎn)生超過(guò)1萬(wàn)億美元的收入。低軌互聯(lián)網(wǎng)星座的建成將實(shí)現(xiàn)全球每個(gè)角落高速聯(lián)網(wǎng)，或?qū)⒁l(fā)一場(chǎng)新的互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)革命。從現(xiàn)有的一些應(yīng)用可以窺見(jiàn)，低軌互聯(lián)網(wǎng)星座前景可期。

二、衛(wèi)星通信應(yīng)用新場(chǎng)景

1.科學(xué)考察探險(xiǎn)

一直以來(lái)，各國(guó)的科學(xué)考察探險(xiǎn)活動(dòng)從未停止。在南北兩極、珠穆拉瑪峰、非洲撒哈拉大沙漠等地，地理環(huán)境惡劣通信條件極差，很難保證外界的及時(shí)通信，利用低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)不僅可以保證探險(xiǎn)人員與外界的通信，而且可以實(shí)時(shí)回傳數(shù)據(jù)，甚至進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)直播，分享所見(jiàn)所感。

加拿大的小型通信衛(wèi)星制造商開(kāi)普勒通信公司（Kepler Communications）研發(fā)的低軌極地衛(wèi)星能夠通過(guò)Ku頻段提供高數(shù)據(jù)速率的存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)，地面用戶(hù)終端的信號(hào)被解碼并存儲(chǔ)在衛(wèi)星上。此后，同樣的信息通過(guò)下行鏈路傳輸?shù)郊幽么蟊辈康腒epler網(wǎng)關(guān)。這樣可以有效地利用帶寬，并減少對(duì)多個(gè)地面站站點(diǎn)的需求，以便提供全球服務(wù)。例如，為駐扎在北極的德國(guó)極星號(hào)破冰船上的“北極氣候多學(xué)科漂流冰站計(jì)劃”（MOSAiC）探險(xiǎn)隊(duì)提供了基于衛(wèi)星的寬帶連接，其速度超過(guò)100Mbit/s，使得高速寬帶連接首次到達(dá)北極[3]。船上的研究人員已使用超高速互聯(lián)網(wǎng)將大量數(shù)據(jù)和文件傳回陸上研究中心，進(jìn)一步研究氣候變化對(duì)北極地區(qū)的影響。利用低軌極地衛(wèi)星提供快速、穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)連接，可以將研究人員在有限的科考時(shí)間內(nèi)采集到的研究數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)回傳和保存，為極地科學(xué)考察研究提供了新思路，具有深遠(yuǎn)的價(jià)值和意義。

2.漁船海上通信

在海事應(yīng)用領(lǐng)域，低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)目前主要應(yīng)用于船只跟蹤、浮標(biāo)監(jiān)測(cè)和跟蹤、衛(wèi)星船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（AIS）等三個(gè)領(lǐng)域[4]。漁民出海時(shí)，在離開(kāi)陸地一段距離后只能通過(guò)衛(wèi)星電話(huà)與外界聯(lián)系。衛(wèi)星電話(huà)存在著資費(fèi)貴、穩(wěn)定性一般的缺陷。利用低軌互聯(lián)網(wǎng)星座，不僅可以大大降低資費(fèi)，而且可以隨時(shí)隨地進(jìn)行文件傳輸、視頻通話(huà)、網(wǎng)絡(luò)直播等，滿(mǎn)足廣大漁民的海上網(wǎng)絡(luò)通信需求，具有潛在的廣闊市場(chǎng)。

3.邊遠(yuǎn)自然保護(hù)區(qū)保護(hù)

位于可可西里腹地的卓乃湖保護(hù)站海拔近5000m，距離青藏公路180km，氣候嚴(yán)寒，風(fēng)大地濕，最低氣溫達(dá)零下41℃，8級(jí)以上大風(fēng)日數(shù)每年在200天以上。由于自然條件惡劣、通信手段欠缺、通信質(zhì)量較差，當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境保護(hù)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等工作無(wú)法正常開(kāi)展。通過(guò)衛(wèi)星通信固定站建設(shè)和衛(wèi)星通信設(shè)備應(yīng)用，可可西里卓乃湖核心保護(hù)區(qū)已經(jīng)接入了衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)，基本上解決了保護(hù)站的通信問(wèn)題，但網(wǎng)絡(luò)時(shí)延較長(zhǎng)，實(shí)時(shí)性有待改善，也對(duì)工作開(kāi)展造成了一定困難。例如，發(fā)現(xiàn)盜獵、盜采等事件時(shí)，巡山隊(duì)員無(wú)法立即向管理局進(jìn)行匯報(bào)，采集的圖片證據(jù)回傳較慢；開(kāi)展環(huán)境監(jiān)測(cè)、地質(zhì)勘探等科考工作時(shí)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)高速穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸；駐站、巡山工作中發(fā)生險(xiǎn)情時(shí)，與外界聯(lián)系的延遲很有可能耽誤救援，難以保障生命安全。

我國(guó)西藏、青海、新疆、云南等邊遠(yuǎn)省份有許多自然保護(hù)區(qū)也面臨同樣的問(wèn)題。低軌互聯(lián)網(wǎng)星座建成后，將顯著改善保護(hù)站的工作條件，有效提高工作人員的工作效率，極大地促進(jìn)邊遠(yuǎn)自然保護(hù)區(qū)的生態(tài)環(huán)境保護(hù)和環(huán)境監(jiān)測(cè)。

4.衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)

隨著無(wú)人駕駛、移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)等新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，用戶(hù)對(duì)于高精度、全球覆蓋的定位需求越來(lái)越強(qiáng)。以無(wú)人駕駛為例，要實(shí)現(xiàn)真正的無(wú)人駕駛，汽車(chē)除了要安裝激光雷達(dá)等傳感器外，還必須要具備厘米級(jí)的定位能力。導(dǎo)航增強(qiáng)能夠?yàn)闊o(wú)人駕駛汽車(chē)、無(wú)人機(jī)等場(chǎng)景提供高精度導(dǎo)航保障，新的導(dǎo)航定位服務(wù)也將成為自動(dòng)駕駛和無(wú)人機(jī)等領(lǐng)域變革的基礎(chǔ)。低軌衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)服務(wù)將作為衛(wèi)星導(dǎo)航的重要補(bǔ)充，進(jìn)一步增強(qiáng)導(dǎo)航服務(wù)，滿(mǎn)足高精度定位的應(yīng)用需求。

作為國(guó)內(nèi)首家自主研發(fā)低軌衛(wèi)星的汽車(chē)企業(yè)，吉利集團(tuán)于2018年戰(zhàn)略投資浙江時(shí)空道宇科技有限公司，布局天地一體化出行生態(tài)。吉利低軌衛(wèi)星布局形成后,將提升導(dǎo)航高精度達(dá)厘米級(jí),為高級(jí)別智能駕駛提供高精度定位服務(wù)，全面提升用戶(hù)智能出行體驗(yàn)。同時(shí)該公司還計(jì)劃開(kāi)展商用低軌導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)驗(yàn)證，此商用系統(tǒng)的空間段、地面段、應(yīng)用段所有核心技術(shù)自主可控?？梢灶A(yù)見(jiàn)，低軌互聯(lián)網(wǎng)星座將與汽車(chē)制造、未來(lái)出行、大數(shù)據(jù)等行業(yè)深度融合，打造立體化智慧出行新生態(tài)。

5. 5G衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)

低軌衛(wèi)星與5G通信融合，可以支持移動(dòng)用戶(hù)保持連續(xù)不間斷的5G衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，也可以為廣大范圍內(nèi)的終端用戶(hù)提供高清視頻等分發(fā)服務(wù)，還可以為機(jī)器通信和物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)提供實(shí)時(shí)位置、狀態(tài)等信息的傳送[5]。5G衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)可與地面5G網(wǎng)絡(luò)透明連接，讓用戶(hù)無(wú)感切換天地5G網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)也可為地面5G基站提供數(shù)據(jù)回傳等服務(wù)。

銀河航天5G星座是基于5G標(biāo)準(zhǔn)的低軌寬帶通信星座，該星座計(jì)劃由上千顆基于5G標(biāo)準(zhǔn)的通信衛(wèi)星，在1200km的近地軌道組成星座網(wǎng)絡(luò)，能無(wú)縫擴(kuò)展地面通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)陸地、海洋及天空的全覆蓋，讓用戶(hù)可以高速靈活的接入5G網(wǎng)絡(luò)。2020年1月，銀河航天公司完成了首星的發(fā)射。銀河航天首發(fā)星為我國(guó)首顆由商業(yè)航天公司研制的低軌寬帶通信衛(wèi)星，采用Q/V和Ka等通信頻段，具備10Gbit/s速率的透明轉(zhuǎn)發(fā)通信能力，可通過(guò)衛(wèi)星終端為用戶(hù)提供寬帶通信服務(wù)。該衛(wèi)星累計(jì)在軌30日后，成功開(kāi)展了通信能力試驗(yàn)，完成了第一次低軌Q/V/Ka頻段通信驗(yàn)證[6]。4月，該星實(shí)現(xiàn)了3分鐘衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)視頻通話(huà)。

三、結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，隨著衛(wèi)星技術(shù)的快速進(jìn)步，低軌互聯(lián)網(wǎng)星座也在快速建設(shè)中。隨著人類(lèi)活動(dòng)邊界以及聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景的持續(xù)拓展，科學(xué)考察探險(xiǎn)、漁船海上通信、邊遠(yuǎn)自然保護(hù)區(qū)的保護(hù)、衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)、5G衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)都將成為未來(lái)低軌互聯(lián)網(wǎng)星座建成后的潛在應(yīng)用場(chǎng)景。低軌互聯(lián)網(wǎng)星座應(yīng)用前景廣闊，將為我國(guó)航天產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶來(lái)巨大的機(jī)遇。