海上衛(wèi)星通信技術(shù)應(yīng)用發(fā)展研究

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星通信；衛(wèi)星星座；物聯(lián)網(wǎng)；典型應(yīng)用

一、引言

衛(wèi)星通信不受地面遮擋影響、通信距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)，在海洋、沙漠、高原、邊疆等人煙稀少的地區(qū)作為一種重要通信手段得到廣泛的應(yīng)用。在國(guó)家安全管理領(lǐng)域，衛(wèi)星通信在深空探測(cè)、情報(bào)預(yù)警、應(yīng)急通信等方面發(fā)揮了重要的作用。據(jù)國(guó)外專家預(yù)測(cè)，太空領(lǐng)域未來將成為繼陸地、海洋、大氣層之后人類生存發(fā)展的第四空間，誰(shuí)先搶得太空制導(dǎo)權(quán)，誰(shuí)就取得了競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。隨著5G通信技術(shù)的興起，以物聯(lián)網(wǎng)、人工智能技術(shù)為代表的新興產(chǎn)業(yè)迎來了爆發(fā)式增長(zhǎng)，但衛(wèi)星通信存在的可用頻譜資源少、終端價(jià)格高、通信帶寬低、通信時(shí)延大等天然劣勢(shì)，使其在面對(duì)高吞吐量、低延時(shí)為目標(biāo)的通信需求時(shí)暴露出諸多不足，嚴(yán)重制約了在邊遠(yuǎn)海疆地區(qū)的應(yīng)用。鑒于此，國(guó)內(nèi)外針對(duì)新業(yè)務(wù)的特殊需求，在衛(wèi)星通信領(lǐng)域不斷探索研發(fā)新技術(shù)，以提高衛(wèi)星實(shí)用化功能拓展能力。

二、國(guó)內(nèi)外衛(wèi)星通信技術(shù)應(yīng)用發(fā)展情況

（一）高軌衛(wèi)星發(fā)展情況

高軌衛(wèi)星主要指部署在地球同步軌道的通信衛(wèi)星，其繞著地球同步自轉(zhuǎn)，理論上部署3 顆衛(wèi)星即可滿足全球漫游通信要求（南北極除外）。

1. 國(guó)外方面

在以窄帶應(yīng)用為主的移動(dòng)業(yè)務(wù)上，目前主要有工作在L 頻段的Inmarsat（英國(guó)）、Thuraya（阿聯(lián)酋）等衛(wèi)星系統(tǒng)，如第四代國(guó)際海事衛(wèi)星（Inmarsat4）在地球同步軌道部署有4 顆衛(wèi)星，可為用戶提供覆蓋全球的語(yǔ)音、數(shù)據(jù)等移動(dòng)通信業(yè)務(wù)，其作為全球海上遇險(xiǎn)與安全救生系統(tǒng)的重要裝備，能夠滿足船舶在海上航行期間的應(yīng)急通信需求。高通量衛(wèi)星主要利用多點(diǎn)波束和頻率復(fù)用等技術(shù)，可在占用頻帶資源較少的前提下，實(shí)現(xiàn)單顆衛(wèi)星波束覆蓋區(qū)域內(nèi)的高吞吐量數(shù)據(jù)通信，主要工作在Ka 頻段。目前國(guó)外典型高軌高通量衛(wèi)星系統(tǒng)主要有ViaSat（美國(guó)）、Ipstar（泰國(guó)）、Horizons-3e（美國(guó)）、Amos-17（以色列）等，如最新的ViaSat-3 計(jì)劃由3 顆衛(wèi)星組成，單顆衛(wèi)星即可提供1Tbps 以上容量，可滿足4K 視頻、人工智能、衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)等寬帶通信業(yè)務(wù)需求。

2. 國(guó)內(nèi)方面

我國(guó)于2016 年7 月和2020 年11 月分別發(fā)射天通衛(wèi)星01 星和02 星，其作為中國(guó)版的國(guó)際海事衛(wèi)星，全面建成后可實(shí)現(xiàn)全球移動(dòng)通信，并支持最高384Kbps 的通信速率。目前，其信號(hào)已覆蓋了中國(guó)及周邊、中東、非洲等地區(qū)以及太平洋、印度洋大部分海域，能夠提供全天候、全天時(shí)、穩(wěn)定可靠的話音、短消息和數(shù)據(jù)等業(yè)務(wù)。目前已在海上搶險(xiǎn)救援、應(yīng)急通信等方面發(fā)揮了重要的作用。為滿足新業(yè)務(wù)、新應(yīng)用帶來的高帶寬需求，我國(guó)于2017 年4 月發(fā)射了第一顆自主設(shè)計(jì)的高通量通信衛(wèi)星“中星16 號(hào)”，其具有20G 以上的通信容量，采用Ka 頻段多波束通信，能夠滿足中國(guó)大部分陸地及近海海域高帶寬通信需求。如中國(guó)衛(wèi)通利用海上寬帶衛(wèi)星開展的通信服務(wù)“海星通”，可為遠(yuǎn)洋作業(yè)船舶提供高達(dá)數(shù)兆的寬帶通信接入，其應(yīng)用目前已覆蓋全球90%航線，5000 余艘船只已加入使用行列。隨著未來更多自主高通量衛(wèi)星的部署，邊遠(yuǎn)海疆地區(qū)寬帶通信需求將能夠得到極大的滿足。

（二）中低軌衛(wèi)星發(fā)展情況

低軌衛(wèi)星系統(tǒng)是指由一系列分布在距離地球兩千公里以內(nèi)太空軌道中的衛(wèi)星組成的衛(wèi)星星座，其由于距離地面較近，中繼通信距離短，能夠彌補(bǔ)高軌衛(wèi)星因距離地面遙遠(yuǎn)而存在的高時(shí)延等問題。但由于單顆衛(wèi)星覆蓋范圍有限，且相對(duì)于地面始終處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，如需實(shí)現(xiàn)全球信號(hào)覆蓋，其衛(wèi)星需求總量多，且具備星上數(shù)據(jù)處理和星間交換能力，系統(tǒng)建設(shè)難度較大。

1. 國(guó)際方面

20世紀(jì)90年代建設(shè)的第一代銥星系統(tǒng)曾在全球搶險(xiǎn)救援等領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用，其主要由分布在近地極軌道的66 顆衛(wèi)星組成，可提供含南極、北極在內(nèi)的全球無縫通信業(yè)務(wù)。近年來，隨著商業(yè)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)概念的興起，美、英等西方國(guó)家正在大力布局低軌寬帶衛(wèi)星建設(shè)。目前正在建設(shè)的有OneWeb、StarLink、O3b、Iridium Next 等星座系統(tǒng)，其中最有代表性的為美國(guó)太空探索技術(shù)公司（SpaceX）投資建設(shè)的星鏈（StarLink）系統(tǒng)，其由分布在340km、550km 和約1200km 三個(gè)軌道面上的約12000 顆衛(wèi)星組成。一期計(jì)劃發(fā)射4400 顆衛(wèi)星，截至2022 年11 月，已有2400 余顆衛(wèi)星在軌道上運(yùn)行，2100 余顆衛(wèi)星正在提供服務(wù)。因其具有全球無縫接入、通信時(shí)延較小、通信容量較大、運(yùn)營(yíng)成本較低等四大特點(diǎn)，在計(jì)劃發(fā)布之初就引起了全球的關(guān)注和追捧。在2022 年2 月爆發(fā)的俄烏沖突中，以美國(guó)為首的北約國(guó)家為烏克蘭政府武裝提供了數(shù)千套“星鏈”通信設(shè)備，其被用于協(xié)助烏克蘭軍隊(duì)操作無人機(jī)、持續(xù)接收重要情報(bào)，以及在沒有其他安全網(wǎng)絡(luò)的地區(qū)保持通信。在“星鏈”系統(tǒng)的精確信息推送下，烏克蘭獲取了足夠多的情報(bào)進(jìn)行機(jī)動(dòng)進(jìn)攻，戰(zhàn)場(chǎng)上實(shí)現(xiàn)了打得準(zhǔn)、跑得快的目標(biāo)，烏克蘭得以在裝備、人員均不占優(yōu)勢(shì)的前提下，仍然能夠與俄羅斯繼續(xù)周旋，“星鏈”系統(tǒng)在其中發(fā)揮了重要作用。

2. 國(guó)內(nèi)方面

我國(guó)目前已經(jīng)開展的低軌衛(wèi)星建設(shè)計(jì)劃有“鴻雁星座”、“虹云工程”、“天象星座”、“行云工程”等。如中國(guó)航天科技集團(tuán)正在布局建設(shè)的鴻雁星座，計(jì)劃由三百多顆低軌衛(wèi)星和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)處理中心組成。由于其工作軌道低，受天氣、電磁風(fēng)暴等影響較小，其通信效果可媲美地面移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，能夠形成任意地域及復(fù)雜地形的全天候全時(shí)段雙向通訊能力，可為用戶提供全球無縫覆蓋通信業(yè)務(wù)。此外，衛(wèi)星因搭載有高精度GNSS 接收設(shè)備，還能為用戶提供基于處理運(yùn)算的增強(qiáng)型導(dǎo)航功能，在復(fù)雜地形環(huán)境和復(fù)雜電磁環(huán)境下的導(dǎo)航定位能力將大大增強(qiáng)。系統(tǒng)建成后，其將在衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)、高精度導(dǎo)航、物聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用領(lǐng)域爆發(fā)出巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

（三）衛(wèi)星激光通信技術(shù)發(fā)展情況

衛(wèi)星激光通信技術(shù)是一種利用激光波束進(jìn)行信息傳輸?shù)男滦屯ㄐ偶夹g(shù)，鑒于其在真空環(huán)境中具有信號(hào)波束指向性強(qiáng)，受外部環(huán)境干擾小，信道傳輸容量大的特點(diǎn)，已成為低軌衛(wèi)星系統(tǒng)星間組網(wǎng)的首選通信手段。大氣環(huán)境條件下的星地通信之間，其受大氣湍流、散射等因素干擾，對(duì)激光波束跟蹤捕獲帶來一定困難，但其抗干擾能力強(qiáng)、通信速率高、傳輸容量大的優(yōu)點(diǎn)也在部分領(lǐng)域呈現(xiàn)出越來越強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。

1. 國(guó)際方面

美國(guó)、歐洲、日本等國(guó)家和地區(qū)在衛(wèi)星激光通信研究方面走在了前列，如美國(guó)“星鏈”低軌衛(wèi)星系統(tǒng)最新發(fā)射的替代衛(wèi)星即采用激光通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)了星間組網(wǎng)，而歐洲EDRS 是全球首個(gè)正式投入使用的空間高速激光中繼系統(tǒng)，其由3 顆高軌衛(wèi)星組成，可通過激光通信鏈路為低軌衛(wèi)星、空間站等提供數(shù)據(jù)中繼服務(wù)，而EDRS-D 可提供的通信速率最高可達(dá)3.6Gbps。2020 年日本數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星JDRS 的發(fā)射升空，標(biāo)志著日本星間激光通信應(yīng)用邁上了新臺(tái)階。星地激光通信方面，美國(guó)、歐洲、日本都先后成功開展了多次地月激光通信、微納衛(wèi)星、低軌衛(wèi)星與地面間激光通信試驗(yàn)，取得了較為理想的成果。

2. 國(guó)內(nèi)方面

近年來，我國(guó)也在衛(wèi)星激光通信領(lǐng)域開展了一系列研究工作。2016 年，“墨子號(hào)”衛(wèi)星開展了我國(guó)首次星地激光通信試驗(yàn)，通信速率最高可達(dá)5Gbps。2017 年，“實(shí)踐十三號(hào)”首次開展了高軌衛(wèi)星與地面的雙向激光通信試驗(yàn)，標(biāo)志著我國(guó)在星地激光通信技術(shù)方面已經(jīng)位于世界前列。2020 年，“實(shí)踐二十號(hào)”衛(wèi)星開展的超高速激光通信技術(shù)在軌試驗(yàn)，刷新了10Gbit/s 的全球在軌驗(yàn)證最高速率。同年，“行云二號(hào)”開展了低軌小型衛(wèi)星星間激光鏈路技術(shù)驗(yàn)證，其雙向通信速率可達(dá)100Mbps，通信距離超過了3000 公里。

三、基于海洋活動(dòng)特點(diǎn)的衛(wèi)星通信需求分析

在船舶遠(yuǎn)洋航行或從事生產(chǎn)作業(yè)、各類活動(dòng)時(shí)，僅能依靠無線通信方式達(dá)成聯(lián)絡(luò)。短波通信長(zhǎng)期被用作海上與陸地遠(yuǎn)程交流的主要通信手段，但其可用頻譜資源較少，受周邊電磁環(huán)境影響較大，主要用于語(yǔ)音通話且通信效果不佳；超短波通信受通視距離限制，僅能滿足與船舶間的近距離通信。隨著20 世紀(jì)60 年代美國(guó)第一顆通信衛(wèi)星的成功發(fā)射，衛(wèi)星以其通信距離遠(yuǎn)、可用通信頻譜資源多的特點(diǎn)而逐步成為海上通信的重要手段。目前，全球海上航行中，衛(wèi)星通信網(wǎng)已經(jīng)成為承載業(yè)務(wù)功能多、通信類型全的骨干通信網(wǎng)絡(luò)，通信業(yè)務(wù)量占比達(dá)到80% 以上。

通過對(duì)海上各類活動(dòng)的通信業(yè)務(wù)和應(yīng)用特點(diǎn)統(tǒng)計(jì)可見，衛(wèi)星通信是能夠滿足多場(chǎng)景全業(yè)務(wù)通信要求的唯一手段。如利用高軌窄帶通信衛(wèi)星（天通衛(wèi)星、Inmarsat 等）可以滿足語(yǔ)音通話、電話傳真等全球無縫低速通信需求，基于高通量通信衛(wèi)星（中星16 號(hào)、Ipstar 等）可實(shí)現(xiàn)海上船隊(duì)的高速寬帶通信接入，利用低軌衛(wèi)星星座網(wǎng)（鴻雁、StarLink 等）可滿足各類人員/ 船舶等對(duì)寬帶通信的隨遇接入需求，而基于激光衛(wèi)星通信技術(shù)則能夠?yàn)橛腥撕u、無人島礁、作業(yè)平臺(tái)等提供大容量高速數(shù)據(jù)傳輸通道，采取跳擴(kuò)頻等調(diào)制方式的衛(wèi)星通信技術(shù)則可提供特殊環(huán)境下的抗干擾通信服務(wù)，用戶可以針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景及需求，通過組合選擇加入不同的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，滿足業(yè)務(wù)的全覆蓋保障需求。

由于高、中、低軌衛(wèi)星工作模式和所提供的服務(wù)能力均不同，而海上各類機(jī)動(dòng)/ 固定平臺(tái)面向航行保障、調(diào)度指揮、資源勘察、搶險(xiǎn)救援、生產(chǎn)作業(yè)等任務(wù)時(shí)的通信需求復(fù)雜，業(yè)務(wù)形式多樣，在實(shí)踐中暴露出了現(xiàn)有衛(wèi)星通信網(wǎng)功能類型單一、設(shè)備安裝困難、操作維護(hù)復(fù)雜、使用成本較高、保密安全性差等一系列問題。為解決上述問題，應(yīng)緊盯衛(wèi)星通信新技術(shù)發(fā)展情況，在空天地海融合式通信、業(yè)務(wù)應(yīng)用拓展、保密安全建設(shè)等方面加快建設(shè)步伐，才能讓衛(wèi)星通信更好地滿足全球海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求。

（一）空天地海一體化融合式通信服務(wù)

隨著各類型衛(wèi)星通信服務(wù)的迭代發(fā)展，通信業(yè)務(wù)平臺(tái)化、網(wǎng)絡(luò)寬帶化、標(biāo)準(zhǔn)全球化、終端易用化等發(fā)展趨勢(shì)愈加明顯。鑒于海洋環(huán)境的特殊性，開展面向一站式服務(wù)的融合式衛(wèi)星通信服務(wù)建設(shè)將變得越來越迫切，通過設(shè)計(jì)一種可自動(dòng)選擇衛(wèi)星鏈路、接口標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、人機(jī)界面友好的移動(dòng)式一體化衛(wèi)星通信終端，將海上、地面、空中通信網(wǎng)絡(luò)相融合，打造基于一體的泛在通信網(wǎng)絡(luò)，將能夠?yàn)楹Ｑ笥脩籼峁└玫耐ㄐ欧?wù)。該終端應(yīng)至少具備天通衛(wèi)星、低軌衛(wèi)星星座以及高軌高通量衛(wèi)星信道接入能力，支持北斗短報(bào)文功能，同時(shí)，還具備自動(dòng)接入地面移動(dòng)通信網(wǎng)能力，形成網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。此外，還應(yīng)預(yù)留功能拓展接口，能夠支持在衛(wèi)星覆蓋不足或受到通信干擾等情況時(shí)，可通過長(zhǎng)航時(shí)無人機(jī)、空中無人艇等中繼平臺(tái)實(shí)現(xiàn)接力通信，滿足應(yīng)急保障需求。結(jié)合天線制造工藝的進(jìn)步，通過開展共形天線設(shè)計(jì)、采用超導(dǎo)材料、由機(jī)械掃描向電子掃描、相控陣天線過渡等方式，進(jìn)一步提升天線適裝性能。用戶不需關(guān)心采用什么類型通信模式，也不需關(guān)心應(yīng)用的哪顆衛(wèi)星，只需基于融合式通信平臺(tái)，即可一鍵接入衛(wèi)星鏈路，自動(dòng)選擇優(yōu)化衛(wèi)星通信信道，滿足語(yǔ)音、視頻和數(shù)據(jù)等海洋通信業(yè)務(wù)需求。

（二）基于衛(wèi)星通信的海洋物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在人工智能快速發(fā)展浪潮中已體現(xiàn)出了越來越重要的地位，但傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)主要依托藍(lán)牙、紅外、移動(dòng)蜂窩等通信手段進(jìn)行信息交互，在邊遠(yuǎn)山區(qū)、荒漠、遼闊海洋等海疆地區(qū)，因缺少有效的網(wǎng)絡(luò)覆蓋，信息不能互聯(lián)將極大制約物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。隨著高通量衛(wèi)星、低軌衛(wèi)星通信技術(shù)的運(yùn)用，基于衛(wèi)星的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將成為海疆地區(qū)人工智能應(yīng)用的重要推手。從技術(shù)上來說，NBIOT 標(biāo)準(zhǔn)能夠有效降低對(duì)信號(hào)功率和通信速率的依賴，有助于基于衛(wèi)星通信實(shí)現(xiàn)低功率廣域覆蓋。在優(yōu)先選用低功耗傳感器的基礎(chǔ)上，充分運(yùn)用太陽(yáng)能等技術(shù)進(jìn)行能源補(bǔ)充，可滿足全天時(shí)全天候應(yīng)用需求。比如從海洋管理角度看，在我國(guó)470 萬(wàn)公里管轄海域內(nèi)，基于衛(wèi)星的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用可以將部署在船舶、島嶼、平臺(tái)上的遠(yuǎn)程監(jiān)控、入侵檢測(cè)傳感器信息實(shí)時(shí)回傳至指揮機(jī)構(gòu)，因其信息采集質(zhì)量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于觀測(cè)衛(wèi)星獲取的信息，將在觀察預(yù)警等方面發(fā)揮重要的作用。在裝備物資、人員力量等方面采用衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將能夠?yàn)榭绾Ｓ蛭镔Y調(diào)配、人員優(yōu)化調(diào)整、船（機(jī)）平臺(tái)快速機(jī)動(dòng)提供科學(xué)合理建議。

（三）基于衛(wèi)星信道的隱蔽通信技術(shù)

衛(wèi)星通信的特點(diǎn)決定了其通信性質(zhì)屬于公開信道通信，只要在衛(wèi)星波束覆蓋范圍內(nèi)，理論上都可以截獲到信息數(shù)據(jù)流，很容易遭受竊密或者通信干擾破壞。衛(wèi)星隱蔽通信技術(shù)就是在利用衛(wèi)星信道進(jìn)行收發(fā)信的基礎(chǔ)上，盡可能使竊聽方無法探測(cè)到真實(shí)通信的存在，從而隱蔽通信行為，實(shí)現(xiàn)低檢測(cè)和低截獲，以提供更高安全水平的通信能力。目前常用的隱蔽通信技術(shù)主要有兩種，一是采取加密算法或?qū)Ｓ冒踩珎鬏攨f(xié)議實(shí)現(xiàn)的保密安全通信，但其信道隱蔽性差，容易被跟蹤干擾。二是基于跳頻、擴(kuò)頻及編碼技術(shù)的衛(wèi)星隱蔽通信，其抗干擾能力較好，不易被發(fā)現(xiàn)跟蹤，但其占用的衛(wèi)星頻譜資源較多，由于衛(wèi)星通信頻譜資源緊張，在通信需求量巨大的前提下，很難全部滿足保密通信需求。而基于變換域的衛(wèi)星隱蔽通信技術(shù)，將是在應(yīng)急條件下最低限度通信的一種有效解決手段。其主要利用公開的電視直播或衛(wèi)星通信鏈路，將需傳遞信息疊加于正常的廣播電視等信號(hào)中，如同寄生在宿主上、淹沒于噪聲中，與寄主系統(tǒng)共享衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器資源，具有通信不易察覺、抗干擾、抗截獲能力強(qiáng)等特點(diǎn)。在通信過程中，需能夠?qū)λ拗飨到y(tǒng)的頻譜采樣情況準(zhǔn)確感知和分析，并基于基帶頻譜幅值疊加需傳遞信號(hào)生成復(fù)合信號(hào)，其信干比最大可低于-30Db，能夠在不影響原業(yè)務(wù)信號(hào)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)隱蔽傳輸，實(shí)現(xiàn)抗干擾通信目的。此外，隨著星地間衛(wèi)星激光通信技術(shù)的不斷成熟，其指向性強(qiáng)、信道傳輸速率高的特點(diǎn)將有助于提升信息安全水平，也將會(huì)在海洋態(tài)勢(shì)感知、資源綜合管理、氣象環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

五、結(jié)束語(yǔ)

隨著衛(wèi)星通信新技術(shù)的迭代發(fā)展，以“互聯(lián)網(wǎng)+ 服務(wù)”模式為引領(lǐng)，依托先進(jìn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)海上衛(wèi)星通信保障能力的升級(jí)發(fā)展，將變得更加有前途。同時(shí)，這必將促進(jìn)國(guó)家在和平利用海洋資源、維護(hù)國(guó)家海洋權(quán)益等方面職能作用實(shí)現(xiàn)跨越式提升，從而確保我國(guó)在全球海洋數(shù)字經(jīng)濟(jì)變革浪潮中搶得先機(jī)。

作者單位：劉錦超 中國(guó)海警局