衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀綜述*

李 強(qiáng),顧 芳，韓志軍

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十研究所，四川 成都 610041）

0 引言

互聯(lián)網(wǎng)作為20世紀(jì)最偉大的發(fā)明之一，深刻改變著人們的生產(chǎn)生活，有力推動(dòng)著社會(huì)發(fā)展。目前互聯(lián)網(wǎng)信息傳輸方式主要依靠地面和海底光纖進(jìn)行有線傳輸，受地理?xiàng)l件限制，在部分偏遠(yuǎn)地區(qū)、航空、航海等領(lǐng)域，互聯(lián)網(wǎng)無(wú)法進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用，因此衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的提出，有效的拓展了互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用場(chǎng)景，是針對(duì)固定互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的補(bǔ)充。衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)由于其特殊的戰(zhàn)略意義和商業(yè)價(jià)值，得到世界各國(guó)廣泛關(guān)注，各國(guó)爭(zhēng)先積極投入科研力量搶占目前稀缺的空間軌道和頻段資源，相繼將衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)作為國(guó)家重要發(fā)展戰(zhàn)略，并發(fā)布了衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)計(jì)劃。

2019年11月，科技部會(huì)同相關(guān)部委組織召開了6G技術(shù)研發(fā)工作啟動(dòng)會(huì)，其中有專家提出6G網(wǎng)絡(luò)將是地面無(wú)線與衛(wèi)星通信集成的全連接世界，通過(guò)將衛(wèi)星通信整合到6G移動(dòng)通信，實(shí)現(xiàn)全球無(wú)縫覆蓋，使網(wǎng)絡(luò)信號(hào)能夠抵達(dá)到世界的任何角落。2020年4月，國(guó)家發(fā)改委召開新聞發(fā)布會(huì)，會(huì)議首次明確將衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)作為通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的代表之一，納入新基建信息基礎(chǔ)設(shè)施的范疇，這將是我國(guó)低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)迎來(lái)重大發(fā)展的歷史機(jī)遇，預(yù)計(jì)截止2022年發(fā)射完成在軌低軌衛(wèi)星規(guī)模將達(dá)到800余顆[1-6]。

1 衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)概念

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)是基于衛(wèi)星通信的互聯(lián)網(wǎng)，通過(guò)一定數(shù)量的衛(wèi)星組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)全球覆蓋，構(gòu)建空間網(wǎng)絡(luò)信息交換基礎(chǔ)設(shè)施，直接為地面、海洋和空中用戶提供寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入等通信服務(wù)的新型網(wǎng)絡(luò)，具有廣覆蓋、低延時(shí)、寬帶化等特點(diǎn)[1]。

按照軌道高度劃分，衛(wèi)星星座主要分為低軌、中軌、高軌三類；按照吞吐容量分為高通量衛(wèi)星和常規(guī)衛(wèi)星。其中低軌衛(wèi)星具有低時(shí)延、鏈路損耗小、發(fā)射靈活、覆蓋范圍廣、應(yīng)用場(chǎng)景豐富、成本低等特點(diǎn)，最適合發(fā)展衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)[1,4]。

2 衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 國(guó)際發(fā)展現(xiàn)狀

在2000年期間，以摩托羅拉公司“銥星”計(jì)劃為代表的多個(gè)衛(wèi)星計(jì)劃（全球星、軌道通信、泰利迪斯、天空之橋）提出，“銥星”計(jì)劃通過(guò)發(fā)射66顆低軌衛(wèi)星構(gòu)建一個(gè)覆蓋全球的衛(wèi)星通信網(wǎng)，此階段主要以語(yǔ)音、低速數(shù)據(jù)、短消息等業(yè)務(wù)為主[1]。但由于市場(chǎng)定位錯(cuò)誤、技術(shù)復(fù)雜度高，投資過(guò)大，研發(fā)周期長(zhǎng)及系統(tǒng)能力弱等多方面原因，項(xiàng)目宣告終止。

在2000年至2014年，以新銥星、全球星、軌道通信系統(tǒng)公司的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)為主，為電信運(yùn)營(yíng)商提供一部分容量補(bǔ)充和備份，也在極端條件下向航空、航海等用戶提供移動(dòng)通信服務(wù)，作為地面通信手段的補(bǔ)充。

在2014年至今，由于運(yùn)載火箭、材料工藝、毫米波通信、天線射頻等技術(shù)的創(chuàng)新與進(jìn)步，使得低中軌道衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)進(jìn)入了第二次發(fā)展浪潮，而且這次的成功與影響力不同于以往。以O(shè)neWeb、SpaceX、O3b等為代表的公司開始主導(dǎo)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)，相繼推出OneWeb、Starlink、O3b等星座計(jì)劃。其中SpaceX公司實(shí)施的Starlink星座計(jì)劃是全球迄今為止部署在軌衛(wèi)星最多的成功案例，累計(jì)發(fā)射了540顆星鏈衛(wèi)星；O3b星座系統(tǒng)是全球唯一一個(gè)成功投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)的中軌衛(wèi)星計(jì)劃[1,2,5，6]。

表1 國(guó)外主要中低軌衛(wèi)星計(jì)劃

2.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

近年來(lái)，工信部、國(guó)防科工局、國(guó)家航天局等密集出臺(tái)一系列支持性政策文件，為衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)發(fā)展提供政策支撐，我國(guó)衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)迎來(lái)快速發(fā)展，其中低軌通信衛(wèi)星發(fā)展布局呈現(xiàn)快速發(fā)展態(tài)勢(shì)。

“十三五”期間，以中國(guó)航天科技、中國(guó)航天科工為主的兩大央企集團(tuán)分別提出了“鴻雁星座”和“虹云工程”低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)計(jì)劃，并發(fā)射了試驗(yàn)衛(wèi)星。隨著計(jì)劃相繼啟動(dòng)，我國(guó)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)迎來(lái)快速發(fā)展機(jī)遇，多地已在衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域開始積極布局。

2.3 產(chǎn)業(yè)規(guī)模

2015年-2019年全球衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)規(guī)模穩(wěn)步增長(zhǎng)，2015年全球衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)規(guī)模為2548億美元，2019年全球衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)規(guī)模為2860億美元，年平均增長(zhǎng)率達(dá)2.9%[1]。全球衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)鏈主要由衛(wèi)星制造、衛(wèi)星發(fā)射、衛(wèi)星應(yīng)用、地面設(shè)備四部分構(gòu)成，其中衛(wèi)星應(yīng)用與地面設(shè)備是衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)的主要組成部分，近年來(lái)兩者占比超過(guò)90%，衛(wèi)星制造占比約為7%，衛(wèi)星發(fā)射占比最小，約2%。如圖1所示。

表2 我國(guó)相關(guān)政策文件

表3 我國(guó)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)重點(diǎn)代表計(jì)劃

圖1 2015年-2019年全球衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)規(guī)模(億美元)

衛(wèi)星應(yīng)用主要包括衛(wèi)星電視、衛(wèi)星固定通信、衛(wèi)星廣播、衛(wèi)星移動(dòng)通信、衛(wèi)星寬帶、遙感遙測(cè)業(yè)務(wù)。衛(wèi)星應(yīng)用作為衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)服務(wù)價(jià)值最大環(huán)節(jié)，2019年衛(wèi)星應(yīng)用總收入為1304億美元。其中衛(wèi)星電視收入占比高達(dá)75%，其次為衛(wèi)星固定通信業(yè)務(wù)，占比約為14%。

從衛(wèi)星發(fā)射情況來(lái)看，2019年共發(fā)射473顆衛(wèi)星，其中通信衛(wèi)星為178顆，科研衛(wèi)星為163顆，對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星119顆，導(dǎo)航衛(wèi)星13顆。

2.4 典型應(yīng)用場(chǎng)景

相對(duì)于傳統(tǒng)地面通信網(wǎng)絡(luò)面臨在海洋、荒漠、偏遠(yuǎn)山區(qū)等地理?xiàng)l件限制下鋪設(shè)難度大，成本高等問(wèn)題，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)由于不受地理?xiàng)l件限制，是對(duì)傳統(tǒng)地面通信的有效補(bǔ)充和延伸，通過(guò)構(gòu)建天地一體化信息網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信息全球無(wú)縫隙覆蓋，應(yīng)用于航空、航海、陸地、軌交等行業(yè)領(lǐng)域。典型應(yīng)用場(chǎng)景如下：

第一類，寬帶接入。由于偏遠(yuǎn)地區(qū)地形、環(huán)境影響，無(wú)法鋪設(shè)有線通信設(shè)施，通過(guò)衛(wèi)星可以提供互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)接入、衛(wèi)星電視、衛(wèi)星電話等服務(wù)。

第二類，航空、航海、軌交。在飛機(jī)、動(dòng)車上裝載衛(wèi)星終端，可以提供機(jī)/車載WiFi互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)；輪船上裝載衛(wèi)星終端，可以提供衛(wèi)星定位與海事衛(wèi)星電話，實(shí)現(xiàn)船只與地面通信的互聯(lián)互通，滿足海洋作業(yè)、科學(xué)考察、數(shù)據(jù)交互等需求。

第三類，災(zāi)備應(yīng)急通信。在公共突發(fā)事件、自然災(zāi)害、恐怖襲擊、大型賽事活動(dòng)等情況下，可以采用衛(wèi)星通信完成應(yīng)急通信、數(shù)據(jù)備份與恢復(fù)、異地災(zāi)備等，通過(guò)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)將關(guān)鍵業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行備份。

第四類，政企專網(wǎng)。主要滿足政府、企業(yè)的特定需求，例如電力、石油企業(yè)，涉及部分海外跨境業(yè)務(wù)，需要與總部企業(yè)內(nèi)網(wǎng)互聯(lián)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸、網(wǎng)絡(luò)電話、視頻接入、OA辦公等相關(guān)業(yè)務(wù)。

3 關(guān)鍵技術(shù)-

（1）運(yùn)載火箭

運(yùn)載火箭按照所使用推進(jìn)劑來(lái)分，可分為固體型、液體型、固液混合型。目前主流設(shè)計(jì)采用液體型，主要考慮可回收使用。但目前僅美國(guó)SpaceX公司實(shí)現(xiàn)了火箭發(fā)射可回收，已成功重復(fù)發(fā)射回收5次獵鷹9火箭，將衛(wèi)星發(fā)射成本降低至最低。2020年6月，SpaceX公司用一枚獵鷹9火箭將第9批共61顆衛(wèi)星送到太空，單顆發(fā)射成本低至50萬(wàn)美元，而我國(guó)商業(yè)衛(wèi)星單顆發(fā)射成本約為470萬(wàn)美元。SpaceX公司已實(shí)現(xiàn)一箭61星發(fā)射記錄，而2015年我國(guó)成功發(fā)射的長(zhǎng)征六號(hào)火箭僅搭載了20顆衛(wèi)星。未來(lái)火箭設(shè)計(jì)將重點(diǎn)考慮可回收技術(shù)、運(yùn)載能力、成本造價(jià)。

（2）推進(jìn)系統(tǒng)

與傳統(tǒng)化學(xué)推進(jìn)系統(tǒng)相比，電推進(jìn)系統(tǒng)是新一代的衛(wèi)星首選動(dòng)力裝置，利用加速裝置將高速離子流噴出提供反沖力，用于衛(wèi)星狀態(tài)調(diào)整控制和軌道修正，電推進(jìn)系統(tǒng)具有長(zhǎng)壽命、高比沖、推力調(diào)整范圍大等優(yōu)點(diǎn)。目前離子推進(jìn)劑主要采用氙和氪，由于制造成本的原因，綜合考慮性價(jià)比，逐步采用氪來(lái)替代氙。

（3）能源系統(tǒng)

目前90%以上的衛(wèi)星都采用太陽(yáng)能帆板加蓄電池組的組合構(gòu)成其能源系統(tǒng)。傳統(tǒng)多晶硅太陽(yáng)能帆板被三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)能帆板取代，與多晶硅相比，三結(jié)砷化鎵擁有更高的轉(zhuǎn)換效率，可達(dá)30%轉(zhuǎn)化功率、具有高可靠性、耐高溫、抗輻射能力強(qiáng)。蓄電池主要采用鋰離子，鋰離子電池具有高的比能量，充放電效率高、電壓高、重量輕、壽命長(zhǎng)、無(wú)記憶。但是如何采用高效的電池管理應(yīng)用系統(tǒng)提高在軌壽命是后續(xù)研究的重點(diǎn)。

（4）多波束天線

多波束技術(shù)是提高衛(wèi)星通信能力的重要手段，多波束天線有透鏡式、反射面式和相控陣式三種形式，其中相控陣擁有較高的口面效率，無(wú)泄露損失和口面遮擋，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，可對(duì)波束數(shù)目和形狀進(jìn)行控制，并可控制波束實(shí)現(xiàn)快速電子掃描。通過(guò)利用相控陣技術(shù)、高速數(shù)字信息處理技術(shù)和電控有源元器件實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的波束指向控制和波束賦形。該項(xiàng)天線技術(shù)能夠在提高衛(wèi)星天線增益的同時(shí),覆蓋更加廣闊的地面區(qū)域，因此是未來(lái)發(fā)展的核心方向。

（5）星間鏈路通信

星間鏈路通信按照工作頻段分為微波（Ka頻段）、毫米波（部分Ka頻段和Q/V頻段）、太赫茲和激光。微波、毫米波鏈路技術(shù)成熟，可靠性高，具有波束較寬，瞄準(zhǔn)、捕獲、跟蹤容易等優(yōu)點(diǎn)。激光鏈路主要優(yōu)點(diǎn)是頻段寬，鏈路通信容量大，設(shè)備功耗、質(zhì)量、體積小巧，激光光束發(fā)散角極小，具有良好的抗干擾和抗截獲性能，安全性高。但缺點(diǎn)是由于波束窄，衛(wèi)星上機(jī)械裝置的隨機(jī)振動(dòng)會(huì)引發(fā)光學(xué)發(fā)射裝置產(chǎn)生擺動(dòng)，導(dǎo)致發(fā)射信號(hào)光束晃動(dòng)，所以瞄準(zhǔn)、捕獲、跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)和制造復(fù)雜。但為了滿足星間通信的大業(yè)務(wù)量，鏈路通信勢(shì)必采用較高頻段或者激光鏈路。星間鏈路通信還需要考慮智能最佳路由選擇、跨軌星間通信、高可靠傳輸波形設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)[7-8]。

4 下一步待研究關(guān)鍵問(wèn)題

（1）通信頻段向高頻段發(fā)展

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)需要大帶寬接入能力，高更的數(shù)據(jù)速率。目前多數(shù)高通量衛(wèi)星均采用C、Ku、Ka頻段，上述頻段資源已接近飽，由于頻段資源競(jìng)爭(zhēng)和軌道資源的稀缺，為了滿足未來(lái)大帶寬的需求，進(jìn)一步提高衛(wèi)星通信容量，現(xiàn)有Q、V波段有大量連續(xù)大帶寬可選擇使用（帶寬可達(dá)5GHZ），因此推動(dòng)衛(wèi)星通信向頻率更高的Q、V頻段進(jìn)行發(fā)展，是未來(lái)的必然之路。但由于雨衰現(xiàn)象的影響，對(duì)衛(wèi)星上射頻器件的要求也更苛刻，高性能高頻器件的研發(fā)應(yīng)用也是急需解決的問(wèn)題[4]。

（2）構(gòu)建空天地一體化網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)體系

通過(guò)地面站、移動(dòng)站、不同軌道面上的衛(wèi)星群有機(jī)融合，構(gòu)成空天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)[3]。由于此網(wǎng)絡(luò)存在跨空域、跨地域的特殊性，導(dǎo)致其面臨來(lái)自不同方面和層次的網(wǎng)絡(luò)安全威脅。天地一體化網(wǎng)絡(luò)不僅承載著社會(huì)經(jīng)濟(jì)等相關(guān)業(yè)務(wù)，還具有多星協(xié)同探測(cè)、情報(bào)偵察等軍事任務(wù)。我國(guó)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)構(gòu)建空天地一體化網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)體系，針對(duì)統(tǒng)一身份認(rèn)證、訪問(wèn)控制，安全智能路由、安全切換、安全傳輸?shù)汝P(guān)鍵防護(hù)技術(shù)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)實(shí)施。

5 結(jié)語(yǔ)與展望

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)作為新基建的代表之一，其戰(zhàn)略地位日益凸顯。面對(duì)未來(lái)廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用和不斷稀缺的空間軌道資源，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)正成為世界各國(guó)關(guān)注的焦點(diǎn)，并相繼發(fā)布了系列星座建設(shè)計(jì)劃。預(yù)計(jì)到2029年，地球近地軌道將部署約57 000顆低軌衛(wèi)星，軌道資源將所剩無(wú)幾[1]。搶占空間軌道和頻段資源，是目前的緊急任務(wù)，戰(zhàn)略意義重大。

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)首次納入新基建范疇，已經(jīng)上升為國(guó)家戰(zhàn)略性工程。我國(guó)將從整體戰(zhàn)略統(tǒng)籌部署，打造完善的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈。通過(guò)構(gòu)建良好的產(chǎn)業(yè)生態(tài)，做好區(qū)域分工與協(xié)同，鼓勵(lì)企業(yè)不斷攻關(guān)突破核心關(guān)鍵技術(shù)，擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。加快推進(jìn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，企業(yè)自身加大科研創(chuàng)新力度和商業(yè)模式創(chuàng)新，推進(jìn)衛(wèi)星互聯(lián)和地面網(wǎng)絡(luò)的深度融合，實(shí)現(xiàn)6G技術(shù)的提前儲(chǔ)備與布局。