卫星互联网已成为时代发展趋势
作者章禾
如今，人们无论在茫茫的海上，还是在险峻的山林，或者在浩瀚的太空，信息都已能快速传递，通信已基本进入无盲区、无死角、无阻碍的高速率时代。在这过程中，卫星通信的发展，特别是卫星互联网的组建，发挥着不可替代的作用。
卫星互联网是基于卫星通信所组成的互联网，它是通过一定数量的卫星，形成一定规模后组成网络，从而辐射全球，构建成具备实时信息处理的大卫星系统，是一种能够完成向地面和空中终端提供宽带互联网接入等通信服务的新型网络。通俗比喻，它就像在我们头上布满了WiFi信号。
《卫星互联网综述》中对卫星互联网的定义是：卫星互联网是基于卫星通信系统，以IP为网络服务平台，以互联网应用为服务对象，能够成为互联网的一个组成部分，并能够独立运行的网络系统。
卫星互联网系统主要包括空间段、地面段和用户段3部分。空间段，是指分布在太空的通信卫星构成的卫星星座，这些卫星具有相似的功能，且分布在同一轨道或者多个轨道面上，按照预先规划的分布规则运行。相邻卫星之间可通过透明转发、星上处理以及星上路由等技术实现数据传输，使整个空间段卫星相互协作而形成网络系统；地面段，亦是卫星互联网系统的重要组成部分，由运控中心和网关站组成，主要完成卫星星座的管理、业务处理、网络运维管理等任务，同时负责卫星互联网与其他网络的互联互通；用户段，就是利用卫星互联网达成通信的各种终端。
组成卫星互联网空间段的卫星星座有高、中、低3个轨道之分。
高轨道卫星（GEO）是指位于赤道上方公里的对地同步卫星。此高度一颗卫星就可以覆盖整个半球，形成一个区域性通信系统，为其覆盖范围内的任何地点提供服务。
中轨道卫星（MEO）是指距离地球表面公里左右的地球卫星，它属于地球非同步卫星。主要是作为陆地移动通信系统的补充和扩展，与地面公众网有机结合，实现全球个人移动通信。
低轨道卫星（LEO）是指运行在距离地球表面至0公里左右的地球卫星，它主要向地面提供宽带互联网接入服务，通过多颗卫星组网实现全球覆盖。（关于卫星高、中、低3个轨道的高度标准，各方说法不一，但大致都在以下范围之内，没有本质的区别，距离地球表面公里到0公里内为低轨道卫星，距离地球表面0到公里为中轨道卫星，距离地球表面以上为高椭圆轨道卫星，距离地球表面公里为静止轨道卫星。）
高轨卫星通信系统和低轨卫星互联网星座各有优越性。低轨卫星互联网星座相比高轨卫星，它具有广覆盖、低延时、宽带化、低成本的特点，用户终端设备更易实现小型化、手持化。高轨卫星通信系统频率协调相对容易，运行寿命更长，系统建设及维护成本相对更低。
目前，大多数卫星互联网是指利用地球低轨道卫星星座实现的低轨宽带卫星互联网，也称非静止轨道卫星（英语简称NGSO）。它具有以下特点：一是卫星数量多，是由成百上千颗卫星组成的巨型星座；二是卫星轨道低，是由众多运行在对地非静止轨道（包括低轨道和中轨道)上的卫星构成；三是提供的服务全，主要是以宽带的互联网接入为主的各项信息通信服务；四是发展领域新，主要是非传统航天领域的互联网企业；四是发展的时间晚，卫星通信虽然不晚，但卫星互联网的成熟发展，则是在年底至年初才开始的。
卫星互联网的发展使空中的卫星数量急剧增加，特别是大量的低轨非静止卫星又都处于移动状态，并且是面向全球范围的宽带通信。因此，它也带来了许多卫星监管方面的新问题。
一是频率资源管理问题。卫星互联网的发展要占用更多的频率资源，因此，频率资源已成为各国发展卫星系统竞争的焦点。卫星频率资源管理通过国际和国内两层监管。在国际上，国际电信联盟（ITU）的规则是先到先得，即谁先申报并获批准，谁就获得优先权，在卫星频率协调中就占主要地位；在国内，由国家无线电管理委员会（无委），采取发放使用许可和业务运营许可的方式，对卫星频率的使用进行监管。
二是卫星干扰问题。因为大规模、大数量卫星的部署，卫星之间的干扰会随之频繁发生，相互之间的干扰会造成卫星系统的使用效率降低，是卫星互联网发展面临的主要问题。
三是空间网络安全问题。卫星互联网可以跨境覆盖全球通信，境内的卫星通信终端可以通过轨道上的卫星星座，直接将数据信息传输到境外网关站进行落地。数据能够直达地球上的任一终点，无须通过地面的网络系统便可直接进行跨境通信，突破了地面互联网的信息安全监管。因此，卫星互联网的通信环境非常复杂。
四是轨道碎片问题。轨道碎片是指围绕地球运行的任何失效的人造物体，它们会导致严重的碰撞从而造成损失。卫星互联网的快速发展使空中卫星数量急剧增加，目前有0多颗卫星在地球轨道上运行，不久的将来还可能再发射几万颗卫星。因此，空中的卫星轨道碎片会急剧增加，如何减小轨道碎片的风险，也是卫星互联网面临的严峻问题。
当前，卫星互联网建设越来越引起各国的极大重视，以美国为首的科技发达国家，都在积极谋划，抢先抓早，力争在轨道、频率等资源上占得先机，其未来的发展趋势大致有以下几个方面：
一是由传统高轨星座向中低轨星座发展。由于中低轨星座具有用户多样性、用户容量大、传输时延短、终端设备小、发射功率低等特点，新兴的卫星互联网星座普遍倾向于采用中低轨道。
二是与地面通信网络合作发展。近几年，全新的卫星互联网星座均采取了与地面网络合作发展的理念，将电信运营商作为客户，着眼于光纤无法覆盖的地区，成为地面通信手段的扩展。新一代同步轨道（GEO）系统，通过设置天地统一的空中接口和工作频段，用户终端可根据网络覆盖情况，实现在天地网络之间的无缝切换。
三是进行投、融资，开展全新的市场经营模式。新兴卫星互联网星座的部署、运营和服务逐渐采用资本合作的方式来完成。同时，也将个人消费者作为目标用户，不出售专用的卫星终端设备，而利用现有的智能手机访问网络即可。
四是建设专门工厂，批量制造卫星。为了避免星座建设投入成本过高、研制周期过长，用户负担过重，导致星座建设错过发展最佳时机。新的卫星互联网建设，通过采用新技术，增加商用比例以降低卫星成本，通过卫星系统模组化以缩短卫星制造周期，是现代星座批量生产卫星的新趋势。
20世纪80年代末，美国摩托罗拉公司推行的“铱星系统”，是世界第一代真正依靠卫星星座支撑的全球移动通信系统，即卫星互联网系统。该系统最初计划用66颗卫星分6个轨道面构成一个全球低轨卫星通信星座，以弥补地面蜂窝无线通信系统的局限。该系统由于技术、运营、管理等原因，于年3月停止运行，但在21世纪随着科技的进步又获得了“重生”。现在的铱星数字终端能满足世界任何角落的传输需求；年，原为美国现已被英国和印度联合收购的全球卫星电信网络初创公司OneWeb，提出了星座互联网计划，预计一期组网卫星数量为颗，后期逐步增加到多颗，目前在轨运行的是74颗。该公司的目标是到年为全球超过10亿用户提供宽带服务；年1月，美国太空探索技术公司（SpaceX）正式提出了“星链”计划，建立一个全球通信系统，在太空中重建互联网，该公司计划分别在公里、公里、公里3个轨道高度上部署约1.2万颗卫星，这个数目是全球目前在轨卫星总数的5倍。随后又计划增加3万颗卫星，使“星链”计划卫星总数达到4.2万颗；年，韩国三星公司提出了自己的“太空互联网”计划，预备发射颗低轨道微型卫星，为用户提供低成本的互联网接入服务，该系统具备每月10万亿GB数据的传输能力；年，美国波音公司向美国联邦通信委员会提出申请并得到许可，计划启动和运行一个总计由颗卫星组成的卫星网络；年，美国亚马逊公司提出了“柯伊伯项目”，计划将颗卫星送入近地轨道，提供从北纬56°到南纬56°的互联网服务。
我国非常重视卫星互联网的发展，将其列入了未来重大发展战略。《中国制造》明确提出了要重点发展新型卫星等空间平台与有效载荷，建设空、天、地宽带互联网系统。
年底，中国电子科技集团公司在北京召开了关于“天地一体化信息网络”重大工程专题会议，该工程由国家科技部牵头，九部委共同组织论证，是国家“十三五”重大科技任务。任务将按照“天基组网，地网跨代，天地互联”的思路，以地面网络为基础、以空间网络为延伸，计划发射低轨道60颗综合星和60颗宽带星，覆盖太空、天空、陆地、海洋等自然空间，为天基、陆基、海基等各类用户活动提供无缝的信息保障，使人类的网络空间提升到一个新的维度（年6月5日，“天地一体化信息网络”的试验1星和2星成功发射并进入预定轨道）；年11月2日，中国航天科技集团公司计划建成“鸿雁卫星星座通信系统”。该系统将由颗低轨道小卫星及全球数据业务处理中心组成，具有全天候、全时段及在复杂地形条件下的实时双向通信能力，可为用户提供全球实时数据通信和综合信息服务，预计于年建设骨干星座系统；年12月，中国航天科工集团在酒泉卫星发射中心用长征十一号运载火箭，成功将虹云工程技术验证卫星发射升空进入了预定轨道，虹云工程将在年完成颗卫星的星座部署，可提供全球无缝覆盖的宽带移动通信服务，为各类用户构建“通导遥”一体化的综合信息平台；同年12月29日，我国“鸿雁”星座的建设全面启动，该项建设的首发星在我国酒泉卫星发射中心由长征二号丁运载火箭发射成功并进入预定轨道；年底，我国发放了首张卫星移动通信终端入网牌照；年2月16日，银河航天（北京）科技有限公司利用其首发星在国际上第一次验证了低轨Q、V、Ka等频段通信，工作人员使用手机连接银河卫星终端提供的WiFi热点，通过这颗5G卫星实现了3分钟视频通话；年4月20日，国家发改委宣布把卫星互联网纳入新基建，全面开启空天轨道资源的战略布局。综上，卫星互联网建设已上升为国家战略性工程，成为我国天地一体化信息系统的重要组成部分，至此中国卫星互联网的发展进入了更快车道。目前，我国星座计划中组网数量在30颗以上的低轨道卫星项目已达10个，规划总卫星发射数量达到1颗。
（作者简介：章禾，《乔夫工作室》特邀专家）
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