姜燕麗 ，劉曉娟 ，張雪梅 ，何廣樂 ，李婷婷

（1.中國(guó)信息通信研究院，北京 100091；2.中國(guó)泰爾系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室，北京 100088；3.中國(guó)聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司北京市分公司，北京 100000）

1 引言

近年來，眾多新興公司競(jìng)相開展衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)研究，OneWeb已在2014年完成了頻率軌位的申請(qǐng)，并于2017年6月25日取得了美國(guó)聯(lián)邦無線電管理委員會(huì)（FCC）的低軌道衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營(yíng)執(zhí)照，我國(guó)也在2016年8月提出構(gòu)建覆蓋全球的天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)，可見新一代小衛(wèi)星系統(tǒng)也在描繪著新星座圖，但同時(shí)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)也將帶來安全、監(jiān)管等方面的挑戰(zhàn)，需要我們提早進(jìn)行研究。

2 國(guó)內(nèi)外典型低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座建設(shè)計(jì)劃

2.1 Starlink低軌道衛(wèi)星星座

Starlink低軌道衛(wèi)星星座由SpaceX公司提出。2016年前后，SpaceX分別通過美國(guó)聯(lián)邦通訊委員會(huì)（FCC）和挪威政府向ITU申報(bào)了建設(shè)Starlink低軌道衛(wèi)星星座的頻率和軌位，從兩者申請(qǐng)文件可以看出，整個(gè)Starlink低軌道衛(wèi)星星座計(jì)劃發(fā)射4425 顆通信衛(wèi)星Ka/ku波段衛(wèi)星和7518顆V波段衛(wèi)星，其軌道高度分別約為1200千米和340千米。2018 年2月，Space發(fā)射了首批測(cè)試衛(wèi)星，開始搭建其“Starlink”衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目。SpaceX計(jì)劃于2019 年啟動(dòng)正式的衛(wèi)星發(fā)射工作，2020年開始提供限定的服務(wù)，2024年之前全面運(yùn)行。

2.2 O3B衛(wèi)星系統(tǒng)

“另外30億人”（Other 3Billion，O3B Networks）由Google與金融集團(tuán)匯豐銀行（HSBC）以及國(guó)際有線電視集團(tuán)Liberty-Global于2008年9月共同組建，致力于專門提供衛(wèi)星寬帶批發(fā)業(yè)務(wù)。截止到2018年6日，O3B中軌道MEO星座部署衛(wèi)星的數(shù)量已達(dá)到了16顆，O3B編隊(duì)總?cè)萘刻岣吡?8%，覆蓋區(qū)在南北緯50度之間。根據(jù)O3B計(jì)劃，2019年O3B將再發(fā)射4顆衛(wèi)星進(jìn)而完成第一代星座的組網(wǎng)建設(shè)工作。第二代O3B衛(wèi)星全部采用全電推進(jìn)，擬在2021年部署完成。第二代衛(wèi)星軌道高度不變，但將新引入70度的軌道傾角，以實(shí)現(xiàn)近乎全球的覆蓋，目前SES尚未選定“O3B增強(qiáng)”衛(wèi)星的發(fā)射服務(wù)商。

2.3 OneWeb衛(wèi)星系統(tǒng)

OneWeb已在2014年完成了頻率軌位的申請(qǐng)，實(shí)際其使用的是20世紀(jì)90年代Sky-br idge星座的頻率軌位資源，其用戶段是Ku波段。此外，OneWeb 還與全球最大的高軌衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商Intelsat達(dá)成合作協(xié)議，為頻率協(xié)調(diào)提供了極大的便利。2017年6月25日，OneWeb取得了美國(guó)聯(lián)邦無線電管理委員會(huì)（FCC）的低軌道衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營(yíng)執(zhí)照，代表著OneWeb的頻率協(xié)調(diào)工作可以被允許在美國(guó)市場(chǎng)上正式開展業(yè)務(wù)?？梢钥闯觯琌neWeb已經(jīng)完成頻率軌位資源申請(qǐng)和協(xié)調(diào)，搶占了發(fā)展的先機(jī)。OneWeb 計(jì)劃共部署900顆衛(wèi)星，其中有720顆衛(wèi)星將被發(fā)射到1200km、18個(gè)軌道面上，每個(gè)軌道面上每隔9度部署一顆衛(wèi)星，不提供星間鏈路。2018年初OneWeb發(fā)射最初的10顆衛(wèi)星，根據(jù)OneWeb計(jì)劃，2019年將會(huì)全面啟動(dòng)衛(wèi)星發(fā)射計(jì)劃，到2022年為目前無法使用互聯(lián)網(wǎng)連接的農(nóng)村和難以到達(dá)的地區(qū)提供互聯(lián)網(wǎng)，到2027年彌合數(shù)字鴻溝。OneWeb就已經(jīng)與歐洲火箭發(fā)射服務(wù)Arianespace簽署了協(xié)議，在2017年至2019年之間進(jìn)行至少21次衛(wèi)星發(fā)射。

2.4 波音公司系統(tǒng)

波音公司于2016年正式向美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）申請(qǐng)建設(shè)一個(gè)由2956顆衛(wèi)星組成的低軌衛(wèi)星星座網(wǎng)絡(luò)，旨在為全世界的商業(yè)和政府用戶提供互聯(lián)網(wǎng)和通信服務(wù)。該星座通過系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)接入網(wǎng)關(guān)和相關(guān)地面光纖網(wǎng)絡(luò)為用戶終端提供高速、低延遲的互聯(lián)網(wǎng)連接。在計(jì)劃中提出先期在6年內(nèi)部署1396顆衛(wèi)星在近地軌道星座。最終，該衛(wèi)星星座將由2956顆衛(wèi)星組成。

2.5 LEOSAT系統(tǒng)

LeoSat低軌星座系統(tǒng)由LeoSat公司提出，致力于打造120～140顆高功率Ka頻段衛(wèi)星星座（有信息顯示是108顆），提供全球數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，其宗旨是通過在LEO軌道構(gòu)建一個(gè)高通量的衛(wèi)星星座來實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的數(shù)據(jù)服務(wù)。

根據(jù)LeoSat的對(duì)整個(gè)衛(wèi)星系統(tǒng)的估計(jì)，LeoSat 互聯(lián)網(wǎng)星座至少需要融資25～30億美元。2015年6 月，LeoSat與美國(guó)紐約一家投資公司簽署了合作協(xié)議，由該公司負(fù)責(zé)幫助LeoSat開展首輪融資用于衛(wèi)星設(shè)計(jì)。截止到2018年初，LeoSat公司尚未完成衛(wèi)星的研制工作，目前LeoSat目前正在尋找投資者，目標(biāo)是從2019年開始發(fā)射高容量寬帶衛(wèi)星，并在2022 年發(fā)射70～108顆衛(wèi)星并投入運(yùn)行。

2.6 我國(guó)布局天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)

2016年8月，國(guó)務(wù)院印發(fā)的《“十三五”國(guó)家科技創(chuàng)新規(guī)劃》（下稱《規(guī)劃》）正式發(fā)布。這是我國(guó)首次以“國(guó)家”命名科技創(chuàng)新規(guī)劃。規(guī)劃提出12項(xiàng)主要指標(biāo)，多項(xiàng)指標(biāo)在未來五年將翻番或有重大躍升。要推進(jìn)天基信息網(wǎng)、未來互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信網(wǎng)的全面融合，形成覆蓋全球的天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)。

3 未來非靜止寬帶衛(wèi)星星座的發(fā)展趨勢(shì)

3.1 從系統(tǒng)發(fā)展角度看

（1）加速蓬勃發(fā)展態(tài)勢(shì)日趨明顯。2015年至2020年期間，中低軌寬帶衛(wèi)星星座互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的容量將實(shí)現(xiàn)翻兩番。當(dāng)前，多家商業(yè)航天公司提出了中低軌寬帶衛(wèi)星星座系統(tǒng)的建設(shè)計(jì)劃，利用商業(yè)資本高速推進(jìn)，其中又以O(shè)neWeb為代表，已經(jīng)獲得頻率和軌道資源，并構(gòu)建了完整的產(chǎn)業(yè)合作體系，擬在2020年前后完成系統(tǒng)的正式商用。未來5年內(nèi)，衛(wèi)星通信行業(yè)借助互聯(lián)網(wǎng)熱潮的東風(fēng)，將實(shí)現(xiàn)加速蓬勃發(fā)展。

（2）系統(tǒng)發(fā)展市場(chǎng)需求為導(dǎo)向。從全球各大衛(wèi)星通信公司發(fā)展計(jì)劃來看，由于衛(wèi)星系統(tǒng)建設(shè)成本高、周期長(zhǎng)，其發(fā)展計(jì)劃均遵循市場(chǎng)需求導(dǎo)向原則。通過準(zhǔn)確的對(duì)軍民應(yīng)用市場(chǎng)需求預(yù)測(cè)，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星系統(tǒng)建設(shè)的高效性和經(jīng)濟(jì)性；通過與互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)商、內(nèi)容提供商、軍隊(duì)保障部門開展廣泛的商業(yè)合作，提高了傳統(tǒng)衛(wèi)星制造企業(yè)活力，增強(qiáng)了衛(wèi)星通信行業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

（3）技術(shù)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的快速發(fā)展。各衛(wèi)星公司積極發(fā)展新興技術(shù)，中低軌寬帶衛(wèi)星方面，結(jié)構(gòu)化、模塊化的設(shè)計(jì)理念、3D打印等快速制造技術(shù)的應(yīng)用、激光通信等高速星間鏈路的試驗(yàn)等新興技術(shù)被廣泛使用到小衛(wèi)星的設(shè)計(jì)制造中，大大縮短了研制成本和周期，推動(dòng)了系統(tǒng)建設(shè)速度。

（4）頻軌資源日趨緊缺。衛(wèi)星通信經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，已經(jīng)發(fā)射近2000顆衛(wèi)星或人造航天設(shè)備，宇宙空間已經(jīng)日漸擁擠，頻率和軌道資源成為各衛(wèi)星通信企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)。尤其是各商業(yè)航天公司提出的低軌寬帶衛(wèi)星星座動(dòng)輒成百上千顆衛(wèi)星，一旦系統(tǒng)建成，將對(duì)后建的其他星座造成極大的協(xié)調(diào)難度。

3.2 從技術(shù)層面看

（1）表現(xiàn)Ka頻段寬帶衛(wèi)星通信將成未來衛(wèi)星通信的主流。Ka頻段寬帶衛(wèi)星通信將成未來衛(wèi)星通信的主流，給衛(wèi)星通信帶來新的競(jìng)爭(zhēng)力。目前國(guó)外各大衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商都將眼光投向了Ka頻段寬帶衛(wèi)星通信，Ka頻段具有更寬的帶寬，能提供更多的通信容量，用戶終端的天線尺寸可以更小，便于終端的小型化和便攜化。具有衛(wèi)星寬帶通信功能的多模手持終端必將在移動(dòng)互聯(lián)發(fā)展的浪潮中脫穎而出。因此，運(yùn)營(yíng)商運(yùn)營(yíng)成本的降低以及用戶終端普及率的提高，將給衛(wèi)星通信帶來新的競(jìng)爭(zhēng)力，使其與地面固定/移動(dòng)寬帶通信更好的融合。

（2）載荷配置以透明轉(zhuǎn)發(fā)為主。從星上載荷類型來看，有的采用星上透明轉(zhuǎn)發(fā)的方式，有的采用星上處理交換的方式，均根據(jù)各自的系統(tǒng)需求而定。兩種載荷方式各具特點(diǎn)，星上處理交換可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)靈活組網(wǎng)，通過單跳通信提高服務(wù)質(zhì)量，通過增強(qiáng)終端反向接入能力進(jìn)而降低終端功耗和成本，但星上載荷實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，所需技術(shù)難度較高。星上透明轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)延時(shí)大且不便靈活組網(wǎng)，但可充分利用星上有限資源實(shí)現(xiàn)大容量數(shù)據(jù)傳輸，便于系統(tǒng)升級(jí)。但目前超過100Gb/s的超大容量通信衛(wèi)星系統(tǒng)都采用了星上透明轉(zhuǎn)發(fā)模式。

（3）采用先進(jìn)傳輸和接入體制。在傳輸技術(shù)方面，對(duì)于頻帶和功率均受限的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，其頻帶有效性和功率有效性是一對(duì)矛盾。對(duì)于大容量寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)通過采用先進(jìn)的信號(hào)傳輸和ACM 技術(shù)，在提高系統(tǒng)的頻帶和功率利用率的同時(shí)，兼顧了系統(tǒng)靈活性和用戶可用性。

在系統(tǒng)接入方式方面，基于透明轉(zhuǎn)發(fā)器的系統(tǒng)分別采用了基于DVB標(biāo)準(zhǔn)和基于DOCSIS標(biāo)準(zhǔn)的接入體制，其中超過70Gb/s的系統(tǒng)目前采用的是基于DOCSIS標(biāo)準(zhǔn)的接入體制。這兩種標(biāo)準(zhǔn)在多址方式上都采用了反向MF-TDMA、前向TDM的方式。MF-TDMA是一種頻分和時(shí)分相結(jié)合的二維多址方式，適合全網(wǎng)狀網(wǎng)業(yè)務(wù)應(yīng)用，對(duì)固定的綜合業(yè)務(wù)支持能力較好，在網(wǎng)管中心的控制下，可應(yīng)用于星狀網(wǎng)，支持虛擬子網(wǎng)。TDM是通過時(shí)分的方式使鏈路能夠同時(shí)傳輸來自多個(gè)輸入源的比特，進(jìn)而增加傳輸鏈路的容量。

3.3 從應(yīng)用角度看

在應(yīng)用方面，已經(jīng)從主要面向大型機(jī)構(gòu)、少量重點(diǎn)用戶提供應(yīng)急和干線傳輸服務(wù)，發(fā)展到面向廣大公眾提供寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)轉(zhuǎn)變，各個(gè)系統(tǒng)都大量裝備了機(jī)載、車載和便攜式衛(wèi)星通信終端，終端設(shè)計(jì)向通用規(guī)范化、小型化低成本以及提升互操作性和兼容性等方向發(fā)展。由于基于Ka頻段的LEO 衛(wèi)星群蜂窩網(wǎng)的發(fā)展，不僅使可用頻率資源和通信容量大幅度增長(zhǎng)，而且使用戶終端的成本大大降低，衛(wèi)星通信無縫覆蓋的優(yōu)勢(shì)凸現(xiàn)，在國(guó)際民用通信市場(chǎng)中確實(shí)可以占據(jù)一個(gè)不小比例。但是我國(guó)的情況略有不同，由于基于4G的地面蜂窩網(wǎng)在我國(guó)民用通信市場(chǎng)中占有比例明顯高于國(guó)外大多數(shù)國(guó)家，而衛(wèi)星通信接入因特網(wǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力還遠(yuǎn)不如4G，目前衛(wèi)星通信可實(shí)現(xiàn)的可用頻率資源的地域覆蓋密度，比4G的覆蓋密度低幾個(gè)數(shù)量級(jí)。衛(wèi)星通信接入因特網(wǎng)的應(yīng)用，在我國(guó)近期內(nèi)仍然只是對(duì)地面網(wǎng)絡(luò)覆蓋不足的一種重要補(bǔ)充。當(dāng)然，衛(wèi)星通信無縫覆蓋的優(yōu)勢(shì)可以產(chǎn)生很高的實(shí)用價(jià)值和社會(huì)效益，這是無法用市場(chǎng)份額大小衡量的。民用衛(wèi)星通信在規(guī)模和實(shí)際效益將會(huì)超過軍用衛(wèi)星通信，我國(guó)衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)將由政府主導(dǎo)轉(zhuǎn)變?yōu)槭袌?chǎng)主導(dǎo)。因此，衛(wèi)星通信的發(fā)展無疑是前途光明而且意義重大的。

4 對(duì)我國(guó)建設(shè)低軌道衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的建議

（1）加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)，統(tǒng)一軍民力量，做好規(guī)劃銜接，協(xié)同開展衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)研究和實(shí)施。衛(wèi)星通信系統(tǒng)，尤其是低軌衛(wèi)星星座，初始投資大，回報(bào)周期長(zhǎng)，同時(shí)，作為典型的軍民融合系統(tǒng)，需充分發(fā)揮我國(guó)善于集中力量辦大事的特點(diǎn)，加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)和軍民融合，多部門協(xié)調(diào)步伐，聯(lián)合做好《國(guó)家民用空間基礎(chǔ)設(shè)施中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃（2015-2025年）》、天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)工程、以及軍隊(duì)相關(guān)規(guī)劃的銜接，形成統(tǒng)一的長(zhǎng)期發(fā)展路線圖，集聚資源，優(yōu)化配置，協(xié)同開展重大工程建設(shè)和應(yīng)用，避免資源的分散配置，杜絕系統(tǒng)的重復(fù)建設(shè)。

（2）以需求為出發(fā)點(diǎn)，厘清政府與市場(chǎng)關(guān)系，多渠道籌措資金，加強(qiáng)系統(tǒng)建設(shè)、應(yīng)用服務(wù)、運(yùn)營(yíng)推廣的統(tǒng)籌。現(xiàn)階段，我國(guó)航天科技（五院、八院）、航天科工、信威通信、上海微小衛(wèi)星工程中心、中國(guó)電科集團(tuán)、亞太衛(wèi)星等均提出了自己的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)計(jì)劃，須以需求為出發(fā)點(diǎn)，明確國(guó)家需求和市場(chǎng)需求，厘清政府與市場(chǎng)關(guān)系，并據(jù)此加強(qiáng)政府資金、企業(yè)自籌、社會(huì)融資的統(tǒng)籌，在系統(tǒng)建設(shè)上做好“高低軌”、“寬窄帶”、“區(qū)域與全球”等方案的統(tǒng)一論證，在應(yīng)用服務(wù)上做好政府服務(wù)、軍用服務(wù)、商業(yè)服務(wù)的高效融合，逐步構(gòu)建全球服務(wù)體系，在運(yùn)營(yíng)推廣上做到可持續(xù)發(fā)展，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)良性循環(huán)。

（3）以長(zhǎng)期路線圖和重點(diǎn)工程為牽引，開展核心關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，加強(qiáng)頻率軌位資源儲(chǔ)備。根據(jù)長(zhǎng)期路線圖的安排，瞄準(zhǔn)實(shí)際工程的部署，開展傳輸體制、星座組網(wǎng)、星載天線及載荷、星間鏈路、終端芯片等核心關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)，分布建設(shè)試驗(yàn)系統(tǒng)、商用系統(tǒng)，在系統(tǒng)建設(shè)的過程中，需積極開展相關(guān)的頻率軌位協(xié)調(diào)，通過自己申報(bào)、購買、租借、共享等多種手段在全球搶占頻率軌位資源。

（4）加強(qiáng)監(jiān)管措施研究，加快監(jiān)測(cè)與應(yīng)對(duì)技術(shù)攻關(guān)，加大監(jiān)管執(zhí)行力度，制定好安全對(duì)策。衛(wèi)星通信最大的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)在于其天然的跨境覆蓋特性，使我國(guó)境內(nèi)的衛(wèi)星通信終端可以通過天上衛(wèi)星的中轉(zhuǎn)或交換而直接在境外關(guān)口站落地，因此我國(guó)電信業(yè)務(wù)分類目錄中已經(jīng)要求跨境衛(wèi)星業(yè)務(wù)應(yīng)經(jīng)過國(guó)家批準(zhǔn)設(shè)立的國(guó)際通信出入口轉(zhuǎn)接。同時(shí)，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)容易受到外界信號(hào)的干擾。隨著衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，一方面，需從技術(shù)監(jiān)控和安全審查兩方面著手，避免非法連接服務(wù)、非法鏡像數(shù)據(jù)傳送的提供，同時(shí)提高干擾與抗干擾能力；另一方面，還需會(huì)同公安、海關(guān)、工商等部門加強(qiáng)對(duì)非法衛(wèi)星終端的監(jiān)管力度，確保我國(guó)信息安全?！?/p>