衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的技術體系、發(fā)展趨勢與應用

柏 亮

（中國電子科學研究院，北京 100041）

0 引 言

21世紀，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)有著較大的進步。在系統(tǒng)運用上，衛(wèi)星廣播系統(tǒng)與寬帶系統(tǒng)增長速度最顯著。最早的通信衛(wèi)星由美國發(fā)射，后發(fā)達國家相繼發(fā)展了各種移動通信系統(tǒng)，同步衛(wèi)星和通信也逐漸得到了人們的廣泛認可[1]。隨后，掀起了世界上全球衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的熱潮，進一步實現(xiàn)了衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的長足發(fā)展。目前，太空有幾百顆同步的通信衛(wèi)星，為多個國家和地區(qū)提供了便利，同時大大提高了人們的生活水平。

1 國內(nèi)外衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀

隨著航空航天產(chǎn)業(yè)和互聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，國際社會也開展了互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務的應用。目前，我國開展衛(wèi)星業(yè)務的企業(yè)包括中國電信、中信網(wǎng)絡和亞洲衛(wèi)星等，同時也可以投資和租用其他國家的衛(wèi)星公司來謀劃衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)，共同促進國際衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。當前，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)存在一定的風險：無法阻斷跨境傳播，通信渠道不受各國間的監(jiān)管[2]；威脅航空航天安全，造成太空垃圾，導致經(jīng)濟損失；缺乏有效監(jiān)管制度和監(jiān)測水平。針對這些問題，需要互聯(lián)網(wǎng)工作者進行積極規(guī)劃、研發(fā)，提高互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星的監(jiān)測能力，才有利于衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的完善。

1.1 Starlink衛(wèi)星星座

Starlink衛(wèi)星是SpaceX公司4425星低軌移動的通信星座，可以為全球客戶提供移動互聯(lián)網(wǎng)的通信入口端。這種量產(chǎn)型衛(wèi)星搭載了通信載荷，通信頻點采用Ku波段和Ka波段，衛(wèi)星采用光學星間鏈路、相控陣波束形成和數(shù)字處理技術。

1.2 OneWeb衛(wèi)星系統(tǒng)

OneWeb始建于2012年，計劃通過發(fā)射超過600個小衛(wèi)星到低軌道來實現(xiàn)創(chuàng)建覆蓋全球的高速電信網(wǎng)絡。它所設想的網(wǎng)絡將允許其用戶即使在發(fā)生災難、地面上的各類基礎設施遭到損壞的情況下，也能與他人取得通信。目前，因為許多發(fā)展中國家的通信環(huán)境普遍較差，該衛(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)展在未來還會使很多發(fā)展中國家人民受益。

1.3 鴻雁星座

鴻雁全球衛(wèi)星星座通信系統(tǒng)是中國航天科技集團公司計劃建成的項目。該通信系統(tǒng)將由300顆低軌道小衛(wèi)星和全球數(shù)據(jù)業(yè)務處理中心組成，具有全天候、全時段以及在復雜地形條件下的實時雙向通信能力，可為用戶提供全球?qū)崟r數(shù)據(jù)通信和綜合信息服務。

1.4 虹云星座

虹云工程是中國航天科工集團五大商業(yè)航天工程之一。該工程計劃發(fā)射156顆衛(wèi)星，在距離地面1 000 km的軌道上組網(wǎng)運行，致力于構建一個星載寬帶全球移動互聯(lián)網(wǎng)絡。2022年完成星座部署后，虹云工程將可以提供全球無縫覆蓋的寬帶移動通信服務，為各類用戶構建“通導遙”一體化的綜合信息平臺。

1.5 天地一體化

天地一體化信息網(wǎng)絡是科技創(chuàng)新2030重大項目中首個啟動的重大工程項目，被列入國家“十三五”規(guī)劃綱要以及《“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃》。天地一體化信息網(wǎng)絡由天基骨干網(wǎng)、天基接入網(wǎng)和地基節(jié)點網(wǎng)組成，并與地面互聯(lián)網(wǎng)和移動通信網(wǎng)互聯(lián)互通，建成“全球覆蓋、隨遇接入、按需服務、安全可信”的天地一體化信息網(wǎng)絡體系。建成后，它將使中國具備全球時空連續(xù)通信、高可靠安全通信、區(qū)域大容量通信以及高機動全程信息傳輸?shù)饶芰Α?/p>

2 衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的技術體系

2.1 衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)

衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)主要采用TDMA和CDMA多址聯(lián)接技術，為全世界的用戶提供大跨度、高水平、靈活性和可行性的移動通信服務。它具有很大的優(yōu)越性，在情況危險的災害區(qū)也具有獨特的快捷性，對于遠洋船舶也有快速的延伸性。衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)能夠覆蓋地球的表面并且迅速移動，解決了海陸空及通信不發(fā)達地區(qū)的移動通信服務，為人們提供了極大便利。衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)示意圖

2.2 寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)

我進入互聯(lián)網(wǎng)時代，人們對信息追求無止境。衛(wèi)星傳送語音、視圖，實現(xiàn)了多媒體衛(wèi)星通信，導致對寬帶的需求迅速增長，也為很多互聯(lián)網(wǎng)新興產(chǎn)業(yè)提供了商業(yè)契機。系統(tǒng)構成如圖2所示。

圖2 寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)示意圖

表1 高低軌衛(wèi)星應用系統(tǒng)優(yōu)缺點分析

2.3 衛(wèi)星固定通信系統(tǒng)

固定通信系統(tǒng)作為衛(wèi)星通信傳統(tǒng)的業(yè)務，涉及范圍有電信服務、數(shù)據(jù)采集等領域?，F(xiàn)階段，為實現(xiàn)電視與互聯(lián)網(wǎng)接入的需求，寬帶業(yè)務成為固定通信業(yè)務的主要方向[3]。為了讓用戶使用靈活方便，用戶終端將衛(wèi)星固定通信系統(tǒng)進一步小型化和智能化。采用新技術后的衛(wèi)星固定通信系統(tǒng)實現(xiàn)了快速轉(zhuǎn)型，完善了各個服務區(qū)業(yè)務的通信連接。

3 衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展趨勢

目前，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)處于發(fā)展初級階段，但非?；钴S。未來的衛(wèi)星通信能夠最大限度發(fā)揮自身優(yōu)勢，快捷便利地把用戶所需內(nèi)容發(fā)送給客戶，同時實現(xiàn)了衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。

3.1 國內(nèi)發(fā)展趨勢

我國衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)起步較發(fā)達國家晚，近年來逐步提高了對衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的重視程度。中國航天科工和航天科技人員都積極研發(fā)、規(guī)劃、監(jiān)測衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的相關成果。但是，我國衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測技術目前還存在一些弊端，相比于國外仍然需要提升，增加衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的檢測能力，逐步建立起安全有效的監(jiān)測網(wǎng)絡，提高衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)信號強度，精準定位，統(tǒng)一規(guī)劃。衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)的興起，對我國經(jīng)濟發(fā)展和信息化結構具有重要作用。

我國衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展不足的應對方式：鼓勵科研機構研究衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)技術突破，不斷創(chuàng)新技術；完善互聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)管手段，降低管理風險，減少互聯(lián)網(wǎng)無線電的威脅；完善衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)在各個環(huán)節(jié)的管理和契合，實現(xiàn)資源的有效利用。面對衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的不利條件，應該積極動員各個部門，提高重視，共同致力于發(fā)展衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)技術的水平。

3.2 國外發(fā)展趨勢

1957年，蘇聯(lián)成功發(fā)射第一顆人造地球，開啟了航天事業(yè)新紀元。此后，世界上各個國家都相繼發(fā)射衛(wèi)星。美國Google和Facebook項目，旨在將互聯(lián)網(wǎng)推向全世界。美國政府對衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)管力度大，小衛(wèi)星成本低，建設衛(wèi)星通信網(wǎng)絡成為可能。如今，國外衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展迅速，已不僅僅限于中低軌道。低軌和高軌在各方面有著不同特點，可以利用其優(yōu)勢對其進行應用[4]。表1從系統(tǒng)規(guī)模、容量、運行壽命以及覆蓋范圍等多方面對高軌與低軌衛(wèi)星應用系統(tǒng)各自的優(yōu)缺點進行了對比分析。

3.3 技術發(fā)展方向

近年來，全球提出了10多家大型衛(wèi)星星座的研究，大部分星座計劃將會在未來5年內(nèi)推出新一代衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展會得到更大提升，這對衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)管帶來了嚴峻挑戰(zhàn)。因此，解決衛(wèi)星面臨的種種問題，分析并考慮應對措施，對衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)有效的監(jiān)管和提升衛(wèi)星通信的發(fā)展至關重要。在衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)面前，發(fā)展前景日益得到全球人的青睞，各國多方爭搶互聯(lián)網(wǎng)技術，日益成為發(fā)展的焦點[5]。

4 結 論

近年來，國內(nèi)外新型衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展不斷進步，但仍然需要后續(xù)不斷研究探索。衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)如今仍有許多不足，缺乏嚴格的監(jiān)管，同時也會造成一定的經(jīng)濟和人身損失。因此，要完善衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的技術體系，提高科研水平，加強市場監(jiān)管和國家監(jiān)督的力度，精準解決各種互聯(lián)網(wǎng)問題。處于初級階段的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)，機遇和風險并存，需要把握機遇，減少風險，完善信息化服務，保護用戶信息安全，在國家監(jiān)測、政府協(xié)調(diào)、企業(yè)分工的共同作用下實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)。