衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)：讓全球處處有信號(hào)

　　有了衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)，就意味著天上成百上千顆衛(wèi)星，能時(shí)刻與地球上的手機(jī)、輪船、飛機(jī)、汽車等交換信息——身處大山里，也不必發(fā)愁沒信號(hào)，仍然可以盡情地網(wǎng)上“沖浪”，無論是在陸地、海上或者空中，都可以準(zhǔn)確獲取貨物的位置、溫度等信息，船舶在哪兒、飛機(jī)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)都可“一目了然”；甚至全球農(nóng)作物長的怎么樣、有沒有發(fā)生病蟲害，也都能盡在掌握。隨著衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展，未來，不論何時(shí)、你身在何處，都能與世界永不失聯(lián)。

　　航天領(lǐng)域“明珠”，各國角逐方向

　　航天產(chǎn)業(yè)既包含火箭制造、衛(wèi)星制造、衛(wèi)星發(fā)射、衛(wèi)星測控、衛(wèi)星運(yùn)營、衛(wèi)星應(yīng)用等傳統(tǒng)領(lǐng)域，也有新興的太空采礦、太空旅游、商業(yè)返回等方向�；鸺�和衛(wèi)星是實(shí)現(xiàn)航天夢(mèng)想的載體，經(jīng)過60多年的發(fā)展，我國已經(jīng)完成了各個(gè)質(zhì)量大小衛(wèi)星和不同噸量運(yùn)載火箭的技術(shù)和產(chǎn)品積累。未來，商業(yè)衛(wèi)星和商業(yè)火箭將向高集成度、低成本和個(gè)性化方向發(fā)展，新技術(shù)將會(huì)被大量采用。

　　當(dāng)前我們所使用的衛(wèi)星，包括通信衛(wèi)星、導(dǎo)航衛(wèi)星、遙感衛(wèi)星和氣象衛(wèi)星等。新興的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)，則是可以提供寬帶接入業(yè)務(wù)的衛(wèi)星通信系統(tǒng)。

　　衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)使用的衛(wèi)星，其軌道高度有大約在36000公里的高軌道，8000～20000公里的中圓軌道、350~1400公里的低軌道等。當(dāng)前的商業(yè)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)，大部分是低軌道巨型星座系統(tǒng)。整個(gè)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)，包含衛(wèi)星制造、衛(wèi)星發(fā)射、衛(wèi)星運(yùn)營和衛(wèi)星應(yīng)用等。

　　由于衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)可能帶來顛覆性應(yīng)用，使得這一領(lǐng)域已成為國際上角逐的重要方向之一，而其大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用所存在的星座技術(shù)難度與系統(tǒng)實(shí)施難度，也讓它逐漸成為航天領(lǐng)域關(guān)注的“明珠”。

　　當(dāng)前，知名的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)要數(shù)美國SpaceX公司的星鏈星座，截至今年3月29日，他們已累計(jì)發(fā)射81批，共4217顆星鏈衛(wèi)星。SpaceX的最新計(jì)劃顯示：第一代星鏈星座由五個(gè)軌道層組成，運(yùn)行軌道540～570公里，總共部署4408顆衛(wèi)星，有望在2023年全部完成。第二代星鏈星座由9個(gè)軌道層組成，運(yùn)行軌道340～614公里，總計(jì)部署29988顆衛(wèi)星；不過，目前得到正式批準(zhǔn)的只有先行部署的7500顆，暫命名為Starlink Gen2A，已部署其中的兩個(gè)軌道層。

　　北京時(shí)間3月26日，印度使用GSLV MK3火箭成功發(fā)射OneWeb第一代互聯(lián)網(wǎng)星座的最后36顆衛(wèi)星，使該星座在軌衛(wèi)星達(dá)到618顆，工作軌道1200公里。根據(jù)印度空間研究組織的任務(wù)說明，本次發(fā)射的36顆OneWeb衛(wèi)星總重量為5805公斤。這是OneWeb第一代寬帶星座的第18次，也是最后一次發(fā)射。OneWeb代表稱，OneWeb星座將于今年年底前提供全球服務(wù)解決方案。近年來，我國也在大力發(fā)展衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)，多個(gè)部門陸續(xù)發(fā)布了一系列政策。2020年4月，國家發(fā)改委將衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)首次納入“新基建”，是通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的范疇。2021年4月，中國衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)集團(tuán)有限公司(簡稱“星網(wǎng)公司”)成立，主要從事衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的論證設(shè)計(jì)、研究試驗(yàn)、工程設(shè)計(jì)、工程建設(shè)、工程服務(wù)、運(yùn)行控制、運(yùn)營管理等業(yè)務(wù)，目前已有試驗(yàn)衛(wèi)星在軌進(jìn)行技術(shù)驗(yàn)證。在此之前，中國航天科技集團(tuán)有限公司的“鴻雁”星座、中國航天科工集團(tuán)有限公司的“虹云”星座以及中國電子科技集團(tuán)有限公司的“天地一體化”星座都曾經(jīng)開展全球低軌通信星座的設(shè)計(jì)論證并發(fā)射試驗(yàn)衛(wèi)星，為“星網(wǎng)”星座打下了一定的技術(shù)基礎(chǔ)和頻率軌道資源基礎(chǔ)。

　　目前，北京、上海、深圳、安徽、河南、四川和重慶等多地均出臺(tái)政策支持衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。國內(nèi)在衛(wèi)星制造、衛(wèi)星發(fā)射、衛(wèi)星運(yùn)營和衛(wèi)星終端研制及創(chuàng)新應(yīng)用等多個(gè)方向，向衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)全面推進(jìn)。

　　高原、沙漠、空中和海洋，手機(jī)隨時(shí)直連衛(wèi)星

　　衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)是衛(wèi)星通信發(fā)展的高級(jí)階段。早期的衛(wèi)星通信，是專線時(shí)代，以點(diǎn)到點(diǎn)通信為主，主要用于跨洋電視轉(zhuǎn)播和長途電話；之后是衛(wèi)星通信發(fā)展到專網(wǎng)時(shí)代，中小企業(yè)用戶租用衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器可以構(gòu)建專用網(wǎng)絡(luò)，滿足內(nèi)部通信需要；現(xiàn)在已進(jìn)入到向個(gè)人寬帶接入為主的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代。不過，專網(wǎng)時(shí)代仍在繼續(xù)，其當(dāng)初得以興起，主要是依托高功率轉(zhuǎn)發(fā)器、集成電路技術(shù)和VSAT技術(shù)的日益成熟，使用戶終端天線口徑可以降到米級(jí)。如今軌道高度進(jìn)一步降低，衛(wèi)星和終端的集成度進(jìn)一步提升，衛(wèi)星和運(yùn)載火箭研制成本大幅降低，使得面向個(gè)人用戶的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代有了實(shí)現(xiàn)的可能。

　　面向個(gè)人的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)具有這些特點(diǎn)：要有海量的衛(wèi)星，其衛(wèi)星星座由成百上千顆，甚至數(shù)萬顆衛(wèi)星組成；軌道為非地球靜止軌道，這些衛(wèi)星的軌道主要是離地球300公里到1400公里之間的低地球軌道；能提供寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入；具有信號(hào)覆蓋范圍廣、通信容量大、信號(hào)傳輸延遲低的特點(diǎn)；商業(yè)運(yùn)營，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的造價(jià)昂貴，需要采用特定的商業(yè)模式才能使業(yè)務(wù)長期延續(xù)。

　　那么，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)有哪些用途呢？有了它，寬帶服務(wù)接入、高清視頻回傳、流媒體傳輸?shù)榷伎梢詫?shí)現(xiàn)。最關(guān)鍵的是，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)將彌補(bǔ)地面移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)在山區(qū)、高原、沙漠、空中和海洋等空間的覆蓋不足。

　　未來，不論何時(shí)，你身在何處，都可以實(shí)時(shí)在線，而且第二代衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)將進(jìn)一步增加衛(wèi)星質(zhì)量和體積，可以實(shí)現(xiàn)手機(jī)直連衛(wèi)星業(yè)務(wù)，將有可能在更多應(yīng)用場景替代地面移動(dòng)通信業(yè)務(wù)。

　　此外，這些衛(wèi)星還可以搭載不同的有效載荷，能夠?qū)崿F(xiàn)更多的衛(wèi)星應(yīng)用功能。例如，搭載數(shù)據(jù)采集載荷，可以實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，讓你的物流產(chǎn)品無論是在陸地、海上或者空中，均可以準(zhǔn)確獲取其位置信息、溫度信息和其他狀態(tài)信息等。搭載船舶防碰撞系統(tǒng)載荷，衛(wèi)星可以接收全球任意海域各類船舶的位置等信息，再播發(fā)給各類船只，使之可以感知周邊船舶信息或者開展經(jīng)濟(jì)信息分析等。搭載民航廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視載荷，可以接收全球民航客機(jī)廣播信息，既有利于航空公司飛機(jī)的飛行安全，也有利于空域?qū)崟r(shí)監(jiān)控管理。搭載導(dǎo)航增強(qiáng)載荷，可實(shí)現(xiàn)高精度的導(dǎo)航定位功能，提供車道級(jí)導(dǎo)航和厘米級(jí)定位精度業(yè)務(wù)。搭載遙感觀測載荷，可以感知全球農(nóng)作物生長態(tài)勢(shì)、病蟲害監(jiān)測、森林火情監(jiān)測、污染監(jiān)測和違章建筑識(shí)別等。

　　應(yīng)用場景多、潛在市場大，但諸多技術(shù)有待突破

　　衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)雖然有足夠多的應(yīng)用場景和巨大的潛在市場，但實(shí)現(xiàn)低軌道巨型星座，需要在衛(wèi)星研制、火箭技術(shù)、可靈活使用的發(fā)射場、地面測運(yùn)控、低成本終端技術(shù)等方面，克服技術(shù)難點(diǎn)，取得更多的突破。

　　從衛(wèi)星研制的角度來說，低成本是組建海量衛(wèi)星巨型星座的前提，衛(wèi)星研制自身的硬件設(shè)備、軟件模塊和集成測試要盡量考慮低成本研制模式。同時(shí)衛(wèi)星設(shè)計(jì)階段還要考慮到與火箭的適配性，降低衛(wèi)星發(fā)射成本。具備更多功能的衛(wèi)星，其設(shè)計(jì)要從兩個(gè)角度來考慮：星上載荷是單一的，就要重點(diǎn)開發(fā)單一載荷的多功能用途和多場景應(yīng)用；星上有多個(gè)載荷，就要重點(diǎn)關(guān)注每個(gè)載荷實(shí)現(xiàn)不同功能或者相互組合產(chǎn)生新的功能。

　　從火箭的角度來說，就要發(fā)展低成本重型運(yùn)載火箭技術(shù)。這是因?yàn)�，重型火箭比小火箭更適合衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)這類海量衛(wèi)星組成的星座發(fā)射任務(wù)。而要降低運(yùn)載火箭的發(fā)射成本，可以采用多次重復(fù)可利用的運(yùn)載火箭技術(shù)，同時(shí)也需要從單個(gè)火箭的設(shè)計(jì)成本、研制成本和系統(tǒng)集成測試成本等多個(gè)維度降低成本。

　　從發(fā)射的角度來說，需要更靈活可控的衛(wèi)星發(fā)射技術(shù)。在很多國家建設(shè)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座都受限于發(fā)射場的發(fā)射能力。這是因?yàn)槊款w衛(wèi)星都有在軌壽命，長的可以到5年、8年，短的僅2到3年。而衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)需要足夠多的衛(wèi)星同時(shí)在軌，才能實(shí)現(xiàn)寬帶接入服務(wù)，因此需要可以靈活使用的商業(yè)發(fā)射場或者發(fā)射塔架，和足夠多的大型商業(yè)運(yùn)載火箭批量生產(chǎn)研制能力。

　　從對(duì)衛(wèi)星的管理來說，需要發(fā)展巨型星座運(yùn)行管理技術(shù)。衛(wèi)星在軌穩(wěn)定提供衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，需要地面測運(yùn)控系統(tǒng)支持。幾十顆量級(jí)的衛(wèi)星星座，其測運(yùn)控系統(tǒng)可以在傳統(tǒng)單個(gè)衛(wèi)星測運(yùn)控系統(tǒng)基礎(chǔ)上，通過設(shè)備疊加、軟件模塊規(guī)模增加以及人員數(shù)量增加來完成。但是，當(dāng)衛(wèi)星數(shù)量提高到成千上萬顆的時(shí)候，傳統(tǒng)的運(yùn)行管理技術(shù)就不再適應(yīng)了。因此，巨型星座亟須通過設(shè)計(jì)高效的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維系統(tǒng)，構(gòu)建基于星地鏈路/星間鏈路的測運(yùn)控支持系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)巨型星座衛(wèi)星的全時(shí)段狀態(tài)監(jiān)測，同時(shí)設(shè)計(jì)高效的業(yè)務(wù)管理機(jī)制，穩(wěn)定提供寬帶接入業(yè)務(wù)。

　　從用戶的角度來說，需要發(fā)展低成本用戶終端技術(shù)。巨型星座能否運(yùn)營成功，很大程度上取決于有多少用戶愿意買單。傳統(tǒng)的相控陣天線研制需要幾十萬甚至上百萬的研發(fā)成本，這需要降低到幾萬元甚至幾千元，與現(xiàn)有智能手機(jī)價(jià)格相當(dāng)或略貴，才能便于市場推廣。如果第二代衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座星載天線足夠大，可以實(shí)現(xiàn)手機(jī)直連衛(wèi)星，那么終端研制成本就較易下降，甚至可以實(shí)現(xiàn)用目前的智能手機(jī)享用衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)寬帶業(yè)務(wù)。

　　衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)重點(diǎn)在應(yīng)用，因此需要開辟更多特有的應(yīng)用場景。例如通信、導(dǎo)航和遙感綜合應(yīng)用場景，為陸地、空中和海洋提供基于衛(wèi)星的信息綜合服務(wù)。

　　奔赴太空，擺脫地球引力，是人類長期的夢(mèng)想。中國航天事業(yè)起步至今，東方紅、神舟、嫦娥、北斗、天宮以及長征系列火箭，書寫了一個(gè)又一個(gè)輝煌。如今，當(dāng)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)成為新熱點(diǎn)，能切實(shí)改變生活、和工作方式的航天技術(shù)，已經(jīng)觸手可及。

　　(光明日?qǐng)?bào) 作者：何善寶，系北京信息科技大學(xué)研究員)