衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的挑戰(zhàn)

郝才勇，張 琪，蔡鴻昀

（國(guó)家無線電監(jiān)測(cè)中心深圳監(jiān)測(cè)站，深圳 518120）

近年來，傳統(tǒng)的衛(wèi)星通信和廣播業(yè)務(wù)正在逐漸轉(zhuǎn)向?qū)拵Щヂ?lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，非對(duì)地靜止軌道（NGSO，包括低軌道或中軌道）衛(wèi)星系統(tǒng)迅速發(fā)展。2017年6月美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）批準(zhǔn)了OneWeb 公司提出的利用720顆低軌道衛(wèi)星提供寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)的請(qǐng)求[1]。OneWeb 是第一個(gè)獲得批準(zhǔn)的新一代NGSO 衛(wèi)星星座，標(biāo)志著衛(wèi)星通信進(jìn)入互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代。

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)是利用位于非對(duì)地靜止軌道上的數(shù)量龐大的衛(wèi)星組成的星座網(wǎng)絡(luò)，提供互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)。NGSO 衛(wèi)星系統(tǒng)具有覆蓋范圍廣、通信容量大、傳輸延遲低的優(yōu)點(diǎn)，正在改變當(dāng)今的網(wǎng)絡(luò)通信。

數(shù)量龐大的NGSO 衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座將在2020年前后相繼部署，這對(duì)衛(wèi)星監(jiān)管帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。首先，衛(wèi)星頻率管理將會(huì)越來越復(fù)雜。NGSO 衛(wèi)星星座使用的頻率具有全球性覆蓋，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展需要更多的頻率資源，如何利用頻率以實(shí)現(xiàn)最大的使用效率并提高本國(guó)的衛(wèi)星通信競(jìng)爭(zhēng)力，是衛(wèi)星管理面臨的一大挑戰(zhàn)。然后，隨著衛(wèi)星數(shù)量的急速增加，衛(wèi)星頻率和軌道將會(huì)變得日益擁擠，衛(wèi)星干擾將會(huì)越來越頻繁。解決衛(wèi)星干擾問題是衛(wèi)星管理面臨的關(guān)鍵性挑戰(zhàn)，需要開發(fā)新的通信技術(shù)和制定新的無線電規(guī)則來發(fā)減輕NGSO 衛(wèi)星造成的干擾。此外，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)具有天然的跨境覆蓋和全球通信的特性，這將帶來空間網(wǎng)絡(luò)信息安全的問題。最后，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)部署的數(shù)量龐大的巨型星座顯著增加了產(chǎn)生軌道碎片的風(fēng)險(xiǎn)。如何制定和實(shí)施防止軌道碎片的規(guī)則，以確保全人類有安全和可持續(xù)發(fā)展的空間環(huán)境也是衛(wèi)星管理面臨的另一嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

1 衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀

目前，全球至少有十多家衛(wèi)星公司提出了NGSO 衛(wèi)星星座計(jì)劃，以利用衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)提供與地面通信網(wǎng)絡(luò)相媲美的互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)，并且大多數(shù)衛(wèi)星公司計(jì)劃在未來五年內(nèi)將第一批衛(wèi)星送入軌道。我國(guó)也提出了由幾百顆衛(wèi)星組成的“鴻雁”、“虹云”等星座計(jì)劃。表1為近三年內(nèi)美國(guó)FCC 授權(quán)和許可的NGSO 衛(wèi)星星座，衛(wèi)星總數(shù)達(dá)到13，000多顆。

目前，全球具有代表性的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座是O3b 衛(wèi)星系統(tǒng)、OneWeb 的衛(wèi)星系統(tǒng)和Starlink 衛(wèi)星系統(tǒng)。

1.1 O3b 衛(wèi)星系統(tǒng)

表1 FCC授權(quán)和許可的NGSO星座

SES 衛(wèi)星公司擁有的O3b 星座系統(tǒng)是目前全球唯一成功投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)的中軌道衛(wèi)星系統(tǒng)，從2014年開始運(yùn)營(yíng)，主要提供寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)。O3b 衛(wèi)星星座位于赤道上空的圓軌道，高度為8062km，工作在Ka 頻段。截至目前，O3b 星座包括20顆在軌衛(wèi)星，能夠覆蓋全球南北緯45°之間的所有地方，包括我國(guó)絕大部分地區(qū)。用戶可以通過O3b 衛(wèi)星接入地面衛(wèi)星網(wǎng)關(guān)站，進(jìn)而連接到地面互聯(lián)網(wǎng)。O3b 已于2018年獲得美國(guó)FCC 批準(zhǔn)，后續(xù)將繼續(xù)部署傾斜軌道的衛(wèi)星，衛(wèi)星總數(shù)達(dá)到42顆，以實(shí)現(xiàn)向全球提供寬帶衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)接入[3]。

1.2 OneWeb 的衛(wèi)星系統(tǒng)

OneWeb 公司于2013年提出低軌道衛(wèi)星星座計(jì)劃，衛(wèi)星數(shù)量為720顆（后來調(diào)整為650顆），軌道高度為1200km，工作在Ku/Ka 頻段，目的是向全球提供寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)，已于2017年得到FCC 批準(zhǔn)[2]。OneWeb 的每顆衛(wèi)星容量為7.5Gb/s，有16個(gè)用戶波束（Ku 頻段）和2個(gè)網(wǎng)關(guān)波束（Ka 頻段），計(jì)劃在全球部署55 ～75個(gè)網(wǎng)關(guān)站。OneWeb 已在2019年2月發(fā)射了星座的前期的6顆衛(wèi)星，計(jì)劃將在2019年底發(fā)射完成150顆衛(wèi)星并啟動(dòng)有限區(qū)域運(yùn)營(yíng)，整個(gè)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)將在2023年6月份之前全面運(yùn)營(yíng)。

1.3 Starlink 衛(wèi)星系統(tǒng)

Starlink 衛(wèi)星系統(tǒng)是SpaceX 公司于2016年提出的NGSO 衛(wèi)星計(jì)劃，是有史以來衛(wèi)星數(shù)量最多的衛(wèi)星星座系統(tǒng)，目標(biāo)是在全球范圍提供寬帶衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)，已于2018年得到FCC批準(zhǔn)。Starlink 衛(wèi)星系統(tǒng)的部署分為兩個(gè)階段：第一階段將在低軌道上部署4，425顆衛(wèi)星，軌道高度為1100km ～1325km，工作在Ku/Ka 頻段；第二階段將在甚低軌道上部署7，518顆衛(wèi)星，軌道高度為 340km，工作在V 頻段。Starlink 衛(wèi)星系統(tǒng)將采用激光星間鏈路，星載天線、網(wǎng)關(guān)站和用戶終端都將使用相控陣技術(shù)[4][5]。Space X 于2019年5月發(fā)射了60顆衛(wèi)星，該星座的初期商業(yè)運(yùn)作可能在2020年開始。最終在2024年3月份之前啟動(dòng)全面運(yùn)營(yíng)。

2 衛(wèi)星監(jiān)管的挑戰(zhàn)

由于傳統(tǒng)的衛(wèi)星管理主要針對(duì)的是數(shù)量相對(duì)較少的靜止軌道衛(wèi)星，衛(wèi)星的使用范圍也往往限制在特定的有限區(qū)域內(nèi)。衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展帶來衛(wèi)星數(shù)量的急劇增加，采用星間鏈路或關(guān)口站面向全球廣泛地區(qū)建立通信網(wǎng)絡(luò)，這對(duì)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)管提出了新的挑戰(zhàn)，主要包括衛(wèi)星頻率資源管理、衛(wèi)星干擾問題、空間網(wǎng)絡(luò)安全和軌道碎片問題。

2.1 頻率資源管理

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展需要額外的頻率資源，頻率資源正成為各國(guó)和衛(wèi)星公司發(fā)展衛(wèi)星系統(tǒng)競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)。各衛(wèi)星公司提出的星座包含成百上千顆衛(wèi)星，按照當(dāng)前國(guó)際規(guī)則，星座中只需要有一顆在軌衛(wèi)星，就相當(dāng)于激活了整個(gè)NGSO 網(wǎng)絡(luò)資料，并獲得頻率和軌道資源的優(yōu)先權(quán)。一旦這些巨型星座系統(tǒng)建成，將對(duì)后建的其他衛(wèi)星星座造成很高的協(xié)調(diào)難度。這很容易演變成了通過發(fā)展衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)來搶占衛(wèi)星頻率資源。

為了防止過度搶占頻率資源，國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）很有可能在2019年召開的WRC-19大會(huì)上，對(duì)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)投入使用期限的規(guī)則進(jìn)行調(diào)整[6]，要求衛(wèi)星公司必須在申請(qǐng)批準(zhǔn)之后的規(guī)定期限內(nèi)完成指定數(shù)量的星座部署。例如，F(xiàn)CC 要求衛(wèi)星公司在批準(zhǔn)后的6年之內(nèi)發(fā)射申報(bào)衛(wèi)星最大數(shù)量的50%，并在隨后3年內(nèi)部署完成所有的衛(wèi)星。

衛(wèi)星系統(tǒng)的頻率管理通過國(guó)際和國(guó)內(nèi)兩層監(jiān)管。在國(guó)際上，ITU 為協(xié)調(diào)和登記衛(wèi)星系統(tǒng)頻率使用制定了規(guī)則和技術(shù)建議，主要的規(guī)則是先到先得，即誰先申報(bào)并被批準(zhǔn)了衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資料，誰就獲得優(yōu)先權(quán)，在衛(wèi)星頻率協(xié)調(diào)中占主要地位；在國(guó)內(nèi)，國(guó)家無線電管理部門對(duì)希望在本國(guó)開展業(yè)務(wù)的衛(wèi)星頻率使用進(jìn)行監(jiān)管，采取的手段是頻率使用許可和業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)許可。

隨著對(duì)有限的衛(wèi)星頻率資源需求的不斷增長(zhǎng)，制定和實(shí)施衛(wèi)星頻率管理規(guī)則和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于促進(jìn)衛(wèi)星通信的發(fā)展和競(jìng)爭(zhēng)力至關(guān)重要。復(fù)雜而耗時(shí)的頻率管理正在成為衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)展和落地運(yùn)營(yíng)的關(guān)鍵因素，并且最好在衛(wèi)星系統(tǒng)完成部署之前盡早解決。

2.2 衛(wèi)星干擾問題

近幾年提出的NGSO 衛(wèi)星星座包含數(shù)量龐大的衛(wèi)星并覆蓋全球，使用了與傳統(tǒng)地球同步軌道（GSO）衛(wèi)星相重疊的Ku 和Ka 頻段。衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展很可能會(huì)導(dǎo)致頻率干擾問題，可以預(yù)見隨著大規(guī)模衛(wèi)星星座的部署，衛(wèi)星間干擾問題會(huì)越來越多。當(dāng)NGSO 衛(wèi)星經(jīng)過GSO 衛(wèi)星和地球站之間的路徑時(shí)，NGSO 對(duì)GSO 衛(wèi)星干擾的風(fēng)險(xiǎn)將會(huì)增加。干擾的產(chǎn)生一方面是NGSO 衛(wèi)星和GSO 衛(wèi)星之間的干擾，另一方面是NGSO 星座系統(tǒng)之間的干擾。

根據(jù)ITU 規(guī)則第22 條，GSO 衛(wèi)星具有頻率使用優(yōu)先權(quán)，NGSO 衛(wèi)星系統(tǒng)不可對(duì)GSO 衛(wèi)星系統(tǒng)中的衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)和衛(wèi)星廣播業(yè)務(wù)造成不可接受的干擾[7]。為了避免對(duì)GSO 衛(wèi)星系統(tǒng)造成干擾，NGSO 衛(wèi)星系統(tǒng)必須采取措施以符合等效功率通量密度（EPDF）的限制，如降低發(fā)射功率、調(diào)整天線指向角度等[8]。OneWeb 開發(fā)的Progressive Pitch 技術(shù)[9]，在NGSO 衛(wèi)星進(jìn)入低緯度區(qū)域時(shí)逐步傾斜調(diào)整天線指向角度，以消除對(duì)GSO 衛(wèi)星的干擾。但多家衛(wèi)星公司對(duì)其干擾避讓效果表示質(zhì)疑。

采用天線指向角度隔離和發(fā)射功率限制可在一定程度上減輕衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座造成的干擾，但隨著數(shù)量龐大的衛(wèi)星星座的部署，這些技術(shù)的實(shí)施也將變得困難。由于NGSO 衛(wèi)星處于移動(dòng)狀態(tài)，地面衛(wèi)星終端天線也在不斷地進(jìn)行波束和衛(wèi)星切換，NGSO 和GSO 系統(tǒng)之間的干擾隨著時(shí)間和空間發(fā)生動(dòng)態(tài)改變，識(shí)別違反規(guī)則的NGSO 衛(wèi)星將變得更加困難（無論是意外發(fā)生還是故意發(fā)生的干擾）。并且將來從地面采用衛(wèi)星干擾源定位技術(shù)來解決NGSO 衛(wèi)星干擾將會(huì)變得不可能。因此，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中干擾處理的復(fù)雜性將顯著增加。

衛(wèi)星干擾會(huì)導(dǎo)致已有的衛(wèi)星系統(tǒng)和新部署的衛(wèi)星系統(tǒng)的效率降低，是衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展必須考慮的問題。對(duì)衛(wèi)星監(jiān)管來說，面臨的挑戰(zhàn)是如何采用衛(wèi)星信號(hào)監(jiān)測(cè)和干擾定位技術(shù)，識(shí)別、定位干擾信號(hào)并判定干擾產(chǎn)生的責(zé)任方。

2.3 空間網(wǎng)絡(luò)安全

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展使空間領(lǐng)域成為一個(gè)更加復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)具有天然的跨境覆蓋和全球通信的特性。在我國(guó)境內(nèi)的衛(wèi)星通信終端可以通過軌道上的衛(wèi)星星座直接將數(shù)據(jù)信息在境外網(wǎng)關(guān)站落地。圖1為O3b 星座的關(guān)口站分布，覆蓋我國(guó)的關(guān)口站為位于澳大利亞西部的Perth 關(guān)口站。

圖1 O3b的關(guān)口站分布及其覆蓋（來源：SES公司）

目前規(guī)劃的大部分NGSO 衛(wèi)星星座系統(tǒng)都采用了星間鏈路技術(shù)，包括SpaceX，LeoSat，Boeing，Telesat，Theia Holdings 等公司。星間鏈路是通過激光或微波鏈路建立一個(gè)空間骨干網(wǎng)，地面衛(wèi)星終端可與星座中的任何一顆在可視范圍內(nèi)的衛(wèi)星建立連接，數(shù)據(jù)能夠從一個(gè)衛(wèi)星傳輸?shù)搅硗庖粋€(gè)衛(wèi)星[10]。

采用星間鏈路的NGSO 衛(wèi)星系統(tǒng)使數(shù)據(jù)信息可以從起點(diǎn)跨越地球上任何區(qū)域直達(dá)終點(diǎn)。此外，將網(wǎng)關(guān)站建在境外的NGSO衛(wèi)星同樣可以實(shí)現(xiàn)無需經(jīng)過境內(nèi)的地面網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)直接進(jìn)行通信，突破了傳統(tǒng)的地面互聯(lián)網(wǎng)信息監(jiān)管。OneWeb 公司在2018年表示其NGSO 衛(wèi)星星座不會(huì)采用星間鏈路，而選擇在全球各地部署55 ～75個(gè)網(wǎng)關(guān)站，其直接原因是各國(guó)的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)管部門擔(dān)心使用NGSO 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)時(shí)，掌握不了本國(guó)通信業(yè)務(wù)的去向和重新落地的位置。

為了應(yīng)對(duì)NGSO 衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)帶來的空間網(wǎng)絡(luò)安全監(jiān)管問題，大多數(shù)國(guó)家把衛(wèi)星業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)許可和頻率許可作為管理國(guó)外衛(wèi)星系統(tǒng)的手段。對(duì)于衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)管的具體措施，面臨的挑戰(zhàn)是如何通過衛(wèi)星監(jiān)測(cè)確定沒有得到我國(guó)落地權(quán)許可的NGSO 衛(wèi)星，在我國(guó)實(shí)際開展的業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)的情況。

2.4 軌道碎片問題

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展導(dǎo)致地球軌道上衛(wèi)星數(shù)量的急劇增加。今天有近2，000顆活躍的衛(wèi)星在地球軌道上運(yùn)行，并且在不久的將來可能再發(fā)射20，000顆衛(wèi)星。雖然這些前所未有的巨型衛(wèi)星星座可能帶來重要的利益，但是這些衛(wèi)星可能會(huì)導(dǎo)致顯著增加的軌道碎片。圖2為軌道碎片情況。

軌道碎片是圍繞地球運(yùn)行的任何失效的人造物體。美國(guó)國(guó)防部與NASA 合作建立太空監(jiān)視網(wǎng)可以探測(cè)、識(shí)別和跟蹤繞地球軌道運(yùn)行的物體，其在2018年公開目錄包含19，000多個(gè)，其中只有2，000多顆是在軌衛(wèi)星，剩下的都是軌道碎片，這些軌道碎片都可能導(dǎo)致嚴(yán)重的碰撞[11]。

圖2 軌道碎片（來源：歐洲航天局）

如何發(fā)展技術(shù)和指定規(guī)則來減少產(chǎn)生軌道碎片的風(fēng)險(xiǎn)，以應(yīng)對(duì)巨型星座帶來的影響，也是衛(wèi)星監(jiān)管面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)?？臻g是一種共享的自然資源，所有的利益相關(guān)者制定防止軌道碎片的規(guī)則以減緩軌道碎片的增長(zhǎng)，比以往任何時(shí)候都更加重要，從而確保全人類有安全和可持續(xù)發(fā)展的空間環(huán)境。

3 結(jié)束語

衛(wèi)星通信正在從傳統(tǒng)的視頻廣播業(yè)務(wù)向衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)變。衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展有效的擴(kuò)展了全球互聯(lián)網(wǎng)接入的范圍。衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)全球性的網(wǎng)絡(luò)，其業(yè)務(wù)運(yùn)行產(chǎn)生的影響不局限于某個(gè)國(guó)家或地區(qū)。因此，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展在帶來利益的同時(shí)，也為衛(wèi)星監(jiān)管提出了新的挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)包括衛(wèi)星頻率管理、衛(wèi)星干擾問題、空間網(wǎng)絡(luò)安全和軌道碎片問題。針對(duì)這些挑戰(zhàn)需要盡早提出應(yīng)對(duì)措施，包括提升衛(wèi)星監(jiān)測(cè)技術(shù)和制定空間無線電使用規(guī)則，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行有效的監(jiān)管。