低軌增強：連接數(shù)字生活的“上帝視角”

◎ 徐紅

● 國際歐亞科學院院士、北京郵電大學教授鄧中亮

在沒有傳統(tǒng)地面運營商網(wǎng)絡覆蓋的地方，依靠衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)通信正在成為現(xiàn)實。據(jù)專家介紹，我國也在進行相關衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)通信的測試試驗，加速衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)落地，產(chǎn)業(yè)鏈布局不斷完善。

據(jù)了解，自2020 年我國衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)正式納入新基建后，短短3年時間，網(wǎng)絡建設已經(jīng)實現(xiàn)重大突破，單顆衛(wèi)星變成了組網(wǎng)星座，利用衛(wèi)星通話時長也從3 分鐘提高至半個小時以上，還成功賦能工業(yè)與自動駕駛領域結合，增強車輛感知能力等。

國際歐亞科學院院士、北京郵電大學教授鄧中亮認為，從全球來看，天上的衛(wèi)星網(wǎng)絡是張大網(wǎng)，地面的移動通信網(wǎng)也是一張大網(wǎng)，將通信和導航兩個大網(wǎng)融為一體，解決了信號服務覆蓋，將產(chǎn)生非常巨大的應用前景。

黨的二十大和今年政府工作報告中明確提出,要“打造宜居、韌性、智慧城市”建設。通信與導航深度融合將如何促進智慧社會發(fā)展，幫助人們連接數(shù)字社會，讓所有人享受到數(shù)字化帶來的便利和福祉？低軌衛(wèi)星通導融合有哪些優(yōu)勢？隨著5G 與衛(wèi)星應用融合技術的不斷完善，有哪些值得期待的前景？

鄧中亮一直專心致力于衛(wèi)星導航、無線定位、通導融合等方向的研究?！棒撕汀毕到y(tǒng)，就是他帶領團隊建設的世界首個室內外無縫高精度導航位置服務平臺，并提出了TC-OFDM 定位與通信融合的新型信號體制。依靠這種技術，有效節(jié)約了室內定位成本，把移動通信網(wǎng)變成了一張既能通信，又能高精度定位的網(wǎng)，定位精度也從米級、分米級到厘米級，甚至毫米級，助力數(shù)字經(jīng)濟、智慧城市發(fā)展。

低軌衛(wèi)星導航增強正在賦能位置服務，讓我們來聽一聽這位無線網(wǎng)絡定位專家的解讀。

低軌衛(wèi)星建設勢在必行戰(zhàn)略意義更大

“衛(wèi)星導航用的就是通信技術，沒有通信技術就沒有衛(wèi)星導航。”鄧中亮表示，美國GPS、中國北斗、歐洲Galileo、俄羅斯GLONASS，這四大全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)，都是用通信手段來做高精度測量和定位。

近年來，隨著全球四大衛(wèi)星導航系統(tǒng)提供全球服務，世界衛(wèi)星導航步入新時代。各個主要衛(wèi)星導航國家瞄準更高服務精度、更加多樣功能、更加可靠服務的目標，正在著手開展新一代系統(tǒng)建設和新一輪競技。

低軌衛(wèi)星（LEO）以其星座和信號的獨特優(yōu)勢，逐步受到世界衛(wèi)星導航領域的關注和青睞，有望成為新一代衛(wèi)星導航系統(tǒng)發(fā)展的新增量。而低軌衛(wèi)星制造和發(fā)射成本降低、速度加快，且具備大容量、低時延、低成本等特點，使得衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)成為衛(wèi)星通信重要的發(fā)展方向。

目前，國際衛(wèi)星導航領域對如何應用低軌衛(wèi)星技術實現(xiàn)PNT（定位、導航、授時）的增強、備份和補充的研發(fā)和實踐方興未艾。美國啟動了低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)建設工作，埃隆·馬斯克提出用低軌衛(wèi)星提供通信服務的“星鏈”計劃，最終將構建起約4.2 萬顆的龐大星座。

2020 年，我國正式將衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)納入新基建范圍，并將在“十四五”期間，打造全球覆蓋、高效運行的遙感空間基礎設施體系，多項政策推動衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)建設與發(fā)展。

面對業(yè)界對衛(wèi)星更高分辨率、更短重訪周期和更快傳輸速度等的迫切需求，近年來，我國積極布局低軌星座，先后啟動了“鴻雁”和“虹云”低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)計劃，并發(fā)射了試驗衛(wèi)星。

2021 年，中國衛(wèi)星網(wǎng)絡集團有限公司（星網(wǎng)集團）掛牌成立，統(tǒng)籌國內低軌通信衛(wèi)星發(fā)展。與此同時，以銀河航天為代表的民間資本低軌衛(wèi)星公司，也將有效推動我國衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)商業(yè)化進程，搶占市場競爭先機。

“雖然我們在低軌衛(wèi)星建設上起步稍晚一點，但也還來得及。”鄧中亮介紹說，“誰先提交申請，誰有優(yōu)先權”是目前國際對空間資源通用的指配原則，包括衛(wèi)星頻率和軌道資源。作為一個通信強國，這一資源我們不能不占，在這方面中國不能落后，落后就要挨打。我們必須努力突破一系列關鍵技術，發(fā)展中國自主的空中通信網(wǎng)絡和服務能力。

“地面網(wǎng)有國界，太空沒有國界。想想看，天上全是人家的衛(wèi)星在飛著，你不恐慌嗎？他的信號比你的信號強，可以監(jiān)測國內所有的國土，你覺得安全嗎？不安全。怎么辦？就要監(jiān)管，你有手段我也得有應對手段。”鄧中亮語氣堅定地說，“發(fā)展低軌衛(wèi)星勢在必行！”

他強調，當前世界變革發(fā)展速度太快，衛(wèi)星網(wǎng)絡技術加速演進。必須加快低軌衛(wèi)星布局，建設衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)，這是國家安全的需要，迫在眉睫，勢在必行。所以，我們必須要行動起來，有相應手段應對才可以。

鄧中亮介紹，通過大量研究和探索，我們已經(jīng)論證了5G 網(wǎng)搬上衛(wèi)星是可行的，并正在進行相關技術實驗進行驗證。這樣一來，衛(wèi)星全球覆蓋就有了商業(yè)運營價值，而不只是一個國家戰(zhàn)略。

星地“握手”互聯(lián)導航不再“失聯(lián)”

布局衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)，形成全球覆蓋、無縫連接的天地一體化信息網(wǎng)絡，是完成我國高速泛在、天地一體、集成互聯(lián)、高效安全信息基礎設施的重要舉措。同時，建好5G 網(wǎng)，對于國家構建導航、通信、計算、控制一體化體系，服務社會發(fā)展、經(jīng)濟建設將發(fā)揮關鍵作用，具有重大戰(zhàn)略意義。

“5G 通信技術，為萬物互聯(lián)的智慧社會提供了更多的可能?！编囍辛琳J為，要盡快把衛(wèi)星通信這張網(wǎng)建起來。中國及“一帶一路”沿線國家共有30 多億人，幾乎相當于劃走了“半個世界”市場，怎么才能把全球范圍內這樣的互聯(lián)網(wǎng)潛在用戶吸納進來？這值得我們深入思考。

鄧中亮介紹說，衛(wèi)星軌道有高、中、低軌之分。低軌衛(wèi)星軌道高度一般為1000 千米左右，相較于20000 千米以上高度的中高軌導航衛(wèi)星，重量輕、軌道低的低軌衛(wèi)星，其信號傳輸路徑更短、信號時延和功率損耗更小，落地信號強度更高，可改善遮擋遮蔽條件下定位效果，提升可用性。

具體而言，第一，低軌衛(wèi)星信號比較強。因為天上的衛(wèi)星是一個功率受限的裝置，所以，衛(wèi)星功率既不能太低，也不能太高。另外，發(fā)射的信號是一個衰減過程。電磁波輻射強度與距離平方成反比，信號輻射能量落到1 平方厘米面積上的功率越遠就越小，信號強度越來越弱，甚至比噪聲還弱，這樣，遇到遮擋就收不到信號了。手機天線信號的輻射面積也是如此。就跟燈泡一樣，它負載的能量是守恒的，靠近了感覺到很熱，離得遠了就感覺不到它的溫度，一個道理。

低軌衛(wèi)星信號比高軌衛(wèi)星強，原來山溝里、大橋下信號比較弱的地方也可以收到天上的衛(wèi)星信號。衛(wèi)星信號從離地面35000 千米的高軌衛(wèi)星到350 千米的低軌衛(wèi)星，距離相差了100 倍，意味著功率衰減1 萬倍。碰到有信號遮擋的地方，比如墻體，信號過不去，這也就是為什么我們在室內收不到衛(wèi)星信號的原因?？梢源Φ臒o線電波也要看它的波長，不同波長衰減不一樣。當然這也和頻率有關，遇到海水就沒有信號波了。

第二，低軌衛(wèi)星數(shù)量多。衛(wèi)星越多輻射源就越多，信號能力越強。假如需要100 多顆衛(wèi)星組網(wǎng)才能全球覆蓋，3 萬多顆星滿足運營能力需求的話，衛(wèi)星組網(wǎng)完成后，通過星間鏈路，讓衛(wèi)星“手拉手”形成合力，不僅每顆星的能力強了，整體服務能力也得到增強。假使有一顆星無法正常工作，也不會影響全局。這就是為什么馬斯克要發(fā)幾萬顆衛(wèi)星上天的原因。

低軌衛(wèi)星除了信號能力強外，還增強了新的定位服務能力。業(yè)界都知道，4 顆衛(wèi)星可以定位，多幾顆衛(wèi)星，就多一些定位測量手段，定位能力也就越強。低軌衛(wèi)星數(shù)量眾多，接收到的信號就會越多，提高了定位的穩(wěn)定性。從衛(wèi)星觀測測量來看，星與星之間可以進行差分測量，可以修正一部分測量誤差，定位精度也得到部分提高。

鄧中亮總結：“軌道，低了看得清，高了看得遠 ；遠了費時費力，近了省時省力?！逼渲械摹翱础本褪歉兄厍颍r省力就是低時延低功耗。

鄧中亮進一步解釋說，低軌道衛(wèi)星資源更豐富，形成了一個新的空間衛(wèi)星體系。一是這么多衛(wèi)星播發(fā)信號，接續(xù)起來，信號的保障條件比原來好得多，可靠性也提高了，信號功率也增強了。所以，用低軌衛(wèi)星可以做定位導航。

二是低軌衛(wèi)星頻率資源更豐富。L 波段資源多用于導航衛(wèi)星，通信網(wǎng)的頻率資源相對更豐富，這樣就可以嵌入通信信號體制來做低軌衛(wèi)星的定位增強。

也就是說，除了定位導航衛(wèi)星以外，低軌衛(wèi)星相當于做了一套新的定位導航系統(tǒng)，彌補了高軌衛(wèi)星功率不足、頻率緊張、帶寬資源欠缺和覆蓋能力弱的問題，容錯能力也進一步提高?？梢院唵卫斫鉃?，長跑隊員從高軌經(jīng)過低軌再到地面，中間的低軌衛(wèi)星平臺就是補給站，這就是低軌導航增強。

鄧中亮表示，低軌增強是雙向增強，彼此賦能。他舉例說，目前，我國北斗衛(wèi)星有一個短報文通信能力，目的就是實現(xiàn)在應急情況下也能把信息傳回來，通過北斗終端發(fā)送短報文求救。但是它的通信容量是有限的，中國及周邊地區(qū)短報文通信服務單次可以發(fā)送1000 個漢字，全球短報文通信服務單次可以發(fā)送40 個漢字。所以，受頻率帶寬影響，導航衛(wèi)星用戶群體數(shù)量不會太龐大。而通信衛(wèi)星服務能力很強，如上所說，通信衛(wèi)星也可以定位導航，這樣就解決了導航衛(wèi)星通信問題。

此外，低軌衛(wèi)星更強調保障安全，特別是國家安全。通過星鏈互聯(lián)和衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)建設，增強了衛(wèi)星數(shù)據(jù)下傳能力。隨著低軌衛(wèi)星通信時代的到來，增強的定位服務能力將不斷提高。星地如何互聯(lián)，從而更好地服務國家發(fā)展與經(jīng)濟建設，這也成為鄧中亮和團隊的新使命。

未來的衛(wèi)星電話老百姓用得起

去年下半年，華為公司發(fā)布新品手機，引人注目的亮點是手機可以直連衛(wèi)星。同期，蘋果公司也發(fā)布了一款直連衛(wèi)星手機。據(jù)最新消息，2023 年，馬斯克創(chuàng)辦的SpaceX 將開始測試其衛(wèi)星到蜂窩的電話服務。

鄧中亮表示，這對于普通大眾來說很有意義，他們可以享受低軌衛(wèi)星通信服務了，而且通信方便。將來，基于5G 信號體制的衛(wèi)星電話，可以給5G 手機用，給車載終端用，而且既可以進城市地面通信網(wǎng)，也能直接進衛(wèi)星網(wǎng)，在兩網(wǎng)之間自由切換，尤其是在信號有遮擋的時候，衛(wèi)星通信信號可以無縫對接（無感化），連續(xù)提供通信服務。“將來我們的衛(wèi)星電話很便宜，老百姓都可以用得起?！?/p>

有消息說，研發(fā)6G 已是進行時。為此，有網(wǎng)友表示，“4G 已經(jīng)夠用了，5G 還沒用上，現(xiàn)在又在推進6G，意義在哪里？”對此，鄧中亮表示，對于老百姓來講，上網(wǎng)瀏覽新聞、網(wǎng)絡購物、看視頻，包括掌上辦公等，4G 已經(jīng)能滿足他們的日常工作生活需求。但是，從國家層面來說，中國4G 網(wǎng)絡建設已經(jīng)“領跑世界”，5G 還要不要發(fā)展？現(xiàn)在國家提出建設智慧社會，那么，什么樣的城市、什么樣的社會算是智慧的呢？

黨的二十大報告和今年政府工作報告中明確提出“打造宜居、韌性、智慧城市”建設。常言道，知己知彼，才能百戰(zhàn)不殆。鄧中亮認為，建設智慧城市，實現(xiàn)社會治理能力現(xiàn)代化的前提就是要做到全社會透明，全域全空間透明感知，透明了以后才能講安全。而現(xiàn)在還遠遠沒有達到這樣的要求，我們認知的時空空間還有好多東西值得研究探索。

鄧中亮舉例說：“你看咱們這個辦公室里，有你我兩部手機，它能告訴我房間里有多少東西嗎？這個書架上有這么多書，它能知道哪個種類的書在什么地方嗎？不知道就說明我們的設備還不夠智能 ；一只雞、一只鴨、一只鳥都是從哪兒來的，有沒有病毒，都搞不清楚，說明我們的社會現(xiàn)在還不夠智慧；正在大力開展的智慧城市建設，其社會智慧程度到底有多高？智能汽車，哪個路面有坑，哪條路有危險，都要能感知，全面了解，才能實現(xiàn)無人駕駛。無人機監(jiān)控管理，智慧化后，機器能夠管理機器，所有的狀態(tài)都要監(jiān)管，都要有ID 信息，這些4G 都做不到?！?/p>

一是時延。4G 網(wǎng)絡時延不夠快，反應速度在幾十毫秒，甚至上百毫秒，而5G 時延可以達到毫秒級，在10 毫秒以下，是4G 的1/5。所以，自動駕駛領域4G 肯定玩不轉。再比如煤礦行業(yè)，現(xiàn)在還有300 多萬礦工要到井下作業(yè)，將來井下掘進、打井、采煤、運輸全流程要由機器代人。井下掘進的巷道長達幾十千米，如果發(fā)現(xiàn)機器人在掘進工作中跑偏了，地面監(jiān)控中心工作人員要及時給機器人發(fā)出指令，假如中間傳導時間很長、響應速度很慢的話，可能機器人已經(jīng)偏出很遠，再校正回來恐怕已經(jīng)來不及了。將來更多行業(yè)要機器代人，必然要向5G 發(fā)展。

二是連接能力。5G 每平方千米可以支持100 萬個連接（用戶），單個5G 基站至少必須具備20Gbps下行鏈路的處理能力，在10 萬級的連接用戶量層面，4G 響應速度肯定比不上5G。就像我們當年用2G 上網(wǎng)很慢，后來用了4G 就好多了。用了5G 手機的人都知道，它比4G 上網(wǎng)速度更快。

將來更多的監(jiān)測都要視頻監(jiān)控，用高清圖像傳輸，信息量非常大，對傳輸速度要求也非常高，顯然4G 也無法勝任。比如，現(xiàn)在醫(yī)院看病要排隊，為什么老百姓非要跑到北京這樣的大城市醫(yī)院來排隊？為什么非要把病人帶到北京的醫(yī)院來做手術？就是因為智力資源不共享，也沒有手段來支撐智力資源的共享。假如遠程醫(yī)療做手術，傳輸圖像要高清，網(wǎng)絡運行要穩(wěn)定，傳輸速度也要快。不然，那邊病人麻藥都過勁了，這邊圖像還沒有傳過來，這樣的手術誰敢做呢。沒有別的選擇，只能大老遠跑到北京來做手術。

所以，4G 對人們日常生活需求是足夠了，但是對于社會治理、城市治理來講，對于物聯(lián)網(wǎng)時代的萬物互聯(lián)來講，顯然不夠。5G 應用非常廣泛，需求也非常大，而低軌衛(wèi)星覆蓋更廣?！拔艺f地面網(wǎng)是有國界的，衛(wèi)星網(wǎng)沒有國界，就是因為通信技術與衛(wèi)星融合后，不需要太多資金投入就可以進行覆蓋全球。所以，我們要盡快把衛(wèi)星通信這張網(wǎng)建起來，也有助于商業(yè)航天的推動和發(fā)展?！编囍辛寥缡钦f。

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展還有很長的路要走

“我也一直在思考，我們能跟螞蟻這樣的生物通信嗎？能通信就能定位，那么魚的通信又是啥？”“導航衛(wèi)星已經(jīng)實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，隨著商業(yè)航天時代的到來，導航衛(wèi)星商業(yè)化如何實現(xiàn)？”“低軌衛(wèi)星能不能取代地面基站？”鄧中亮表示，只有實現(xiàn)了天空地海全空域信號覆蓋能力，才有可能滿足衛(wèi)星商業(yè)化的條件。

實現(xiàn)萬物互聯(lián)的5G，在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、智慧城市、元宇宙、數(shù)字孿生等領域有廣闊的應用前景。而正在探索研究的6G，將是構建跨地域、跨空域、跨海域的空天地一體化網(wǎng)絡，實現(xiàn)真正意義上的全球無縫覆蓋。將來，坐在家里就能通曉天下事。

無論是低軌衛(wèi)星導航增強，還是衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)，最終都是要用起來。鄧中亮表示，眼下還需要在幾個方面實現(xiàn)突破創(chuàng)新：

一是要盡快形成一系列應用標準和規(guī)范，來支撐低軌衛(wèi)星應用服務，一方面要構建基礎平臺，建立統(tǒng)一的標準體系，一方面應用服務也需要有一個標準體系支撐。萬物互聯(lián)時代，不同領域對應用的需求和要求也會不一樣。如工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，定位精度要求達到厘米級，甚至毫米級，而人員定位可能1 米～3 米就能滿足需要。

二是要進一步分析整個體系建設，包括地圖精度是多少、法律法規(guī)和安全等一系列問題的研究。如何既能保障整個產(chǎn)業(yè)安全運營，又能保證國家安全，變得非常緊迫和重要。

三是在統(tǒng)一規(guī)范上的深入探索。此外，海底水下通信一直是我們要解決的一個難題。

科學家的想法永遠異于常人?！盀槿祟惡推阶髫暙I、為生態(tài)和諧作貢獻、為‘暗物質’定位導航作貢獻”，這是鄧中亮為自己立下的人生目標，也是他帶領團隊砥礪前行的方向。

仰望星空，星不遠，夢也不遠。打開連接數(shù)字生活的“上帝視角”，讓“低軌增強”更多賦能數(shù)字經(jīng)濟，實現(xiàn)社會高質量發(fā)展之路正在腳下延伸。