太空互聯網發展及應用

王亞 朱立東 （電子科技大學通信抗干擾技術國家級重點實驗室）

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太空互聯網發展及應用

王亞 朱立東 （電子科技大學通信抗干擾技術國家級重點實驗室）

Development and Application of Space Internet

對當今大眾來說，互聯網不只是一個耳熟能詳的名詞，更是一個不可缺少的工具。然而，越來越多的人投身互聯網的同時，還有大約40億人口無法連上互聯網。這些人大部分處于地面互聯網無法覆蓋的偏遠地區、山區、沿海島嶼等眾多地方。于是，人們將視線伸向天空，從新的視角尋找新的方法，也就是太空互聯網。從20世紀90年代開始，人們就提出了建立太空互聯網的構想，21世紀初期，太空探索和航天應用又加速了太空互聯網領域研究與工程實踐的步伐。近年來，以谷歌公司（Google）、臉譜公司（Facebook）、太空探索技術公司（SpaceX）和一網公司（OneWeb）等為代表的科技巨頭開始計劃借助熱氣球、無人機和衛星實現全球互聯網覆蓋，期望為全球偏遠地區的數十億人提供可靠的互聯網連接。

1　揭開太空互聯網的神秘面紗

基本概念

早在20世紀90年代，人們就勾畫出了太空互聯網的藍圖，但至今為止，業界還沒有給太空互聯網一個統一、權威的定義。一般認為，太空互聯網是將地面互聯網概念向空間的延伸。通過衛星、氣球、無人機等在天空中飛行的設備作為傳輸媒介，按照高效利用、綜合集成的原則，將太空中不同軌道的各種衛星、星座及高空飛行器進行有機連接，形成一個與地面具有良好互聯互通性能的大型復雜網絡，并提供與地面互聯網類似的應用服務。

簡而言之，太空互聯網是衛星等空間飛行器與互聯網相結合的龐大網絡，它基于小型衛星或近空間飛行器，以因特網協議為網絡服務平臺，以互聯網應用為服務對象，能夠完成與地面互聯網類似的功能。地面互聯網通過電信運營商提供的有線或無線寬帶線路進行信息聯網傳輸，而太空互聯網則是通過高吞吐量的衛星或飛行器的鏈路實現信息聯網傳輸功能，在全球范圍內提供互聯網服務。

特點及優勢

太空互聯網利用高空鏈路實現網絡連接，因此自身具有鮮明的特點。

1）傳輸時延受軌道高度影響。傳統衛星通信具有較大的延遲，那是為了增加覆蓋面積，衛星運行在較高的中軌或高地球軌道上，造成傳輸時延較長，而深空探測則時延更大。若太空互聯網采用低軌衛星或近空間飛行器，將大大減小信號延時，但是同時又減少了網絡的覆蓋面積。

2）受天氣和地理環境影響。由于太空互聯網信號的暴露性，有風有雨的日子可能會影響網速，而雨雪天氣或電閃雷鳴則幾乎會完全中斷網絡。地理環境也可能會左右聯網的效果，數目眾多的大山和成片的樹林也有可能會阻礙網絡的傳播。

3）設備要求高。太空互聯網設備沒有地面設備易管理，長距離傳輸的信號誤碼率更高，因此，對芯片的處理能力、存儲器的容量以及通信傳輸能力要求更高。

4）鏈路帶寬不對稱。太空互聯網的空間段與地面段的傳輸帶寬不對稱，地面段速率高，空間段速率低。

5）成本較高。理論上，3顆同步軌道衛星就能實現除兩極地區以外的全球覆蓋，但太空互聯網若要提供與地面網絡類似的網速，就需要部署大型的星座或發射成百上千的氣球和無人機，這意味著它的成本較地面網絡要高得多。

6）規則與監管是需要考慮的問題。衛星使用壽命有限，必須在它們超出使用壽命后進行銷毀，比如讓它們進入大氣層焚毀，無人駕駛飛機和氣球則有可能墜落，都需要實施監控和管理，而且存在航空安全以及領空申請等問題。

早在20世紀90年代，當人們第一次開始了解這種“互聯網”時，太空互聯網就代表著未來的發展方向。近年來，太空互聯網更是廣受關注，它的主要優勢有：

1）不受地面條件約束，具有全球覆蓋能力。它通過運行在地球上空的衛星或飛行器來實現信息傳輸，只要有足夠數量，就可以做到全球覆蓋，其服務區域可以囊括世界任何一個角落。通信距離遠，且成本與距離無關，能夠實現對海洋、山區和高原等地區近乎無縫的覆蓋。

2）大容量。太空互聯網容量大，能夠提供大范圍多人上網服務，滿足現代人上網需求。

3）避免重復建設。太空互聯網能夠共享信息資源，減少了空間資源的重復建設。

4）適應未來發展。隨著地球資源的枯竭，太空將是一個新的利益增長點，必須利用互聯網技術構建統一的太空互聯網，以適應未來更加頻繁和更加復雜的航天應用活動。

2　太空互聯網的發展計劃

銥星計劃

1987年，摩托羅拉公司最早提出了銥星計劃，歷時12年，斥資超過50億美元，將66顆近地軌道衛星送入太空，組成了覆蓋全球的通信衛星系統，讓使用衛星話機的用戶可以在地球上的任何地方撥打和接收移動電話。然而，由于市場定位不當、價格過高、管理失控等原因，這個雄偉的計劃在1998年11月投入使用后，僅僅運營了16個月便迅速夭折。直到2000年銥星公司宣布破產時，它只發展了5.5萬用戶，而如果要實現收支平衡甚至盈利，它至少需要65萬用戶。

“銥”星星座

最終，私募基金出手接盤了“銥”衛星系統，將它變身為“銥”星通信，并以向政府和工業部門等專業機構提供服務的方式蜃伏14年之后，重新回到公眾市場。2014年7月28日，“銥”星通信宣布，其世界首個全球覆蓋衛星熱點服務“銥GO！”（IridiumGO！）正式投入使用。該服務可以在沒有網絡信號的地方，把“銥”星的衛星信號轉變成WiFi熱點。“銥”星通信進行市場轉型，不再是爭奪普通用戶，而是為政府、機構提供專業服務，實現了穩定的運營與盈利。根據“銥”星通信2013年年報，過去5年，“銥”星通信公司的注冊用戶數量年復合增長率達到了18%，收入年復合增長率達到了8%，僅2013年的注冊用戶就達到了66.4萬人，營業收入3.83億美元，凈收入達6250萬美元。

O3b計劃

O3b 就是其他30億（Other 3 billion）的意思，由于地理、經濟、科技等因素，造成全球還有30億人未能接入互聯網。在發達國家和城市里，光纖接入往往是高速互聯網的主要技術實現方式。但是在一些地形復雜的地區，鋪設光纖十分困難，而衛星技術則可以避開這些障礙。為此，谷歌公司、衛星運營商歐洲衛星公司（SES）、匯豐銀行以及媒體巨頭約翰·馬隆(John Malone)旗下的海外有線電視運營商自由全球公司（Liberty Global）投資成立了O3b公司，提出了O3b太空互聯網計劃，旨在為無法享受地面互聯網寬帶服務的30億人提供寬帶互聯網服務。

O3b計劃發射12顆中地球軌道衛星，這些衛星質量約680.4kg，通過載有空間路由器的近地軌道衛星向全球發展中國家或地區發射無線上網信號，初步提供10Gbit/s的數據服務。使其他30億人享受到廉價的地面互聯網寬帶服務。2013年6月25日，O3b計劃的首批4顆衛星發射成功。2014年7月10日，第二批4 顆O3b衛星進入太空，與前4顆衛星一起組成一個由8顆衛星建立起來的全球互聯網框架基礎。2014年9月，O3b公司宣布，由8顆衛星組成的衛星群已全面運營，可以提供600Mbit/s的中繼帶寬，而時延不超過150ms，相關服務指標均達到或超出了協議要求。2014年10月18日，最后4顆衛星被發送入軌，形成12顆中地球軌道衛星網絡。O3b太空互聯網計劃的目的是用該網絡向全世界近180個國家和地區的數十億用戶提供高速、低成本的網絡和通信服務。

谷歌公司高空氣球計劃

谷歌公司要用盤旋在大氣層中的氣球來提供網絡接入。谷歌公司高空氣球（Project Loon）漂浮于18～25km之間的平流層，該區域風速較低，大氣湍流較小，適合氣球飛行。這些氣球都會隨身攜帶一個太陽能供電的無線發射器，能夠與其他的氣球進行中繼通信。通過釋放數千個氦氣球，理論上可以提供連續的、覆蓋全球的互聯網接入服務。谷歌公司這一壯志凌云的項目已經進行了兩三年了，并在2014年2月創下熱氣球持續飛行50天的記錄，該氣球能夠在空中飛行半年以上。

谷歌公司曾經有過衛星組網計劃，還進行了泰坦航空航天公司（Titan Aerospace）和天空盒子成像公司（Skybox Imaging）兩筆收購，以推動這方面的努力，但是由于發射和運營這樣的星座困難大、風險高，谷歌公司最終還是作罷，轉而投資太空探索技術公司。

實驗中的谷歌熱氣球

臉譜公司無人機計劃

臉譜公司一直在研究擴大新興市場互聯網接入以及使用其產品的途徑，無人機計劃是互聯網普及計劃（Internet.org）項目的延伸。 臉譜公司采用太陽能動力的無人機，飛行高度約為18km，為地面用戶提供互聯網接入服務。該無人機翼展與波音767飛機相近，通過機翼上覆蓋的太陽能電池板，能夠為無人機提供約3個月的續航能力。

無人駕駛飛機之間可使用激光進行通信，傳輸中繼數據，最終將信號傳遞到一個地面站以接入互聯網。臉譜公司已經在英國進行了飛行試驗，其無人駕駛飛機由阿森塔公司（Ascenta）提供。該公司在2014年以2000萬美元收購了這家公司。通過太陽能供電，這些無人機能夠在空中停留數月，然后進行針對性維修和保養。維護期提供了另一個優勢，無人機將會比衛星更容易進行升級。衛星一旦發射就無法在太空中進行升級。雖然無人機的覆蓋面比低軌道衛星要小得多，但是無人機可以環繞缺乏互聯網接入的特定位置提供服務。

臉譜公司太陽能無人機示意圖

太空探索技術公司

美國太空探索技術公司的創始人伊隆·馬斯克在2015年1月宣布，其準備向太空發射700顆衛星自建全球互聯網衛星網絡的計劃。6月，馬斯克已向美國聯邦通信委員會（FCC）就該計劃提出測試申請，但計劃發射的衛星已上升至4000顆，如今該計劃得到進一步落實。9月，馬斯克正式向美國聯邦通信委員會提出申請，請求批準發射4000顆低地球軌道衛星，用于向全球提供免費的衛星互聯網服務。據了解，如果一切順利，該服務大約在未來5年內可以啟動并運行，即可向全球提供免費的衛星互聯網服務。

太空探索技術公司的星座將運行在約1100km的高度，避免赤道上空35786km的地球靜止軌道衛星信號干擾。該公司的衛星預計發射時質量將達幾百千克，并在機動方面使用霍爾效應離子電推進器，它是公司的衛星工廠自己建立的推進器，優點是可以相對容易掌握。太空探索技術公司的網絡將配備裝有相控陣天線。初始星座大約需要5年時間建造和發射，將覆蓋除極地以外的地區。公司創始人馬斯克說：“從長遠來看，我們真正談論的東西是在太空重建網絡。”太空探索技術公司并不是唯一一家提供衛星互聯網計劃的公司，但作為衛星發射公司，太空探索技術公司擁有提供該項服務的硬件設施。

太空探索技術公司衛星計劃藍圖

一網公司

在太空探索技術公司宣布僅僅兩天后，一網公司宣布，倫敦和圣迭戈的高通公司（Qualcomm）和維珍銀河公司（Virgin）已經同意投資一網公司的900顆小衛星組成的衛星星座（包括648顆運行衛星和其余備用星）。一網公司是由谷歌公司前員工格雷格·瓦勒建立的一個合資企業，它計劃建造、發射和運營低地球軌道衛星，一網公司已經獲國際電聯批準，獲得一個在海拔1200km、服務期限在2018－2020年的Ku頻段網絡。衛星的質量只是當前最小的商用通信衛星的1/2，初始星座的建設價格估計20億美元左右。

2015年6月25日，一網公司再次宣布，空客防務與航天公司、可口可樂、巴蒂企業、薩林納斯公司（Salinas）和國際通信衛星組織（INTELSAT）也將參與新一輪5億美元的融資。一網公司此前已經與歐洲火箭發射服務商阿里安空間公司（Arianespace）簽署協議，在2017～2019年之間進行至少21次衛星發射。由于需要發射大量衛星，因此一網公司將利用分散在全球的發射架。不過，阿里安公司還無法滿足一網公司的全部需求，因此一網公司還與維珍大西洋航空公司（Virgin Atlantic Airways）簽訂協議，利用后者試驗性的“發射者一號”（LauncherOne）進行39次衛星發射。

一網星座

三星公司

2015年8月，韓國三星公司（SAMSUNG）提出發射4600顆低成本微型衛星的太空互聯網計劃，將為全球還沒有連接上網的2/3用戶提供低成本的互聯網接入。三星公司的這些微型衛星將在海拔160～2000km之間的軌道運行，每月可以最高處理1ZB流量，也就是相當于每月為50億用戶每人提供200GB的流量。三星公司提到，人們對數據的要求，遵循著每5年增加10倍的規律。因此，三星公司的衛星計劃能夠滿足未來15年后用戶對數據的需求。三星公司的計劃最接近太空探索技術公司的版本。不過太空探索技術公司的創始人伊隆·馬斯克已經申請了許可，明年可能就會開始測試。谷歌公司的氣球和臉譜公司的無人機已經進入測試階段，反觀三星公司還在紙上談兵。

3　太空互聯網的應用

谷歌公司和臉譜公司等科技巨頭們的參與讓太空互聯網項目在網絡上引起了熱議。太空互聯網是一個大型復雜的網絡，具有獨特的三維覆蓋能力：廣域復雜網絡拓撲構成能力、廣域互聯網交互連接能力和特有的廣域廣播與多播能力，能夠支持全球聯網、遠洋航行、應急救援、航天測控等重大應用的同時，向下可支持對地觀測的高動態、寬帶實時傳輸，向上可支持深空探測的超遠程、大時延可靠傳輸，從而將人類科學、文化、生產活動拓展至空間、遠洋，乃至深空。因此，盡管太空互聯網的建成困難重重，但是，一旦其中一個太空互聯網計劃獲得成功，將具有非常重要的意義和廣闊的應用前景。

實現全球互聯互通的基礎支撐

太空互聯網覆蓋面廣，不受地域限制，具有唯一的三維無縫隙覆蓋普遍服務能力，成本與距離無關等優勢均被各方看好，能夠覆蓋地面網絡無法到達的海洋、沙漠等偏遠地區，是實現全球互聯互通的有效方法，甚至是唯一的方法。太空互聯網在大區域稀路由、無縫隙覆蓋方面有著無法比擬的優勢，可以有效解決地面網絡失效的盲點地區，實現用戶在任何時間、任何地點高速地從因特網上獲取信息，真正實現了“寬帶無處不在”的理想，同時，太空互聯網與地面網絡的結合，對提高網絡的通信能力和安全性有很大的幫助。太空互聯網是實現全球互聯互通的基礎支撐，是未來互聯網的發展方向，具有廣闊的應用前景。

飛機上網測試

飛機、鐵路、遠洋航行領域的應用

除了偏遠地區，客機也是互聯網的空白之一。盡管飛機上網在技術層面上早已不是難題，但如何優化和普及，各國都在積極提出解決方案。太空互聯網是一種可以覆蓋全世界絕大部分區域、不受航路及地形影響，數據帶寬較大，網絡運行較為穩定的方式，也是全球航空公司空中上網業務的主流技術模式。在飛機上實現無線上網，是未來必然的發展趨勢，并且將有可能為航空公司帶來巨大的收益。據西方媒體報道，全世界平均每分鐘都有大約1.1萬架飛機在空中飛行。據西班牙《阿貝賽報》2015年3月24日報道， 2014年全世界日均航班數量首次超過10萬次，為102465次，2013年為99700次。航空運輸行動組織的報告顯示，2014年全球總共有3740萬次航班，2013年為3640萬次。按照平均每個航班100個乘客計算，每年用戶數約為37億。如果這些用戶都上網，按照每個用戶收費10元計算，每天銷售收入可達到370億元。

傳統地面網絡也沒有很好解決用戶在高速運行的列車上網問題，因此，太空互聯網在鐵路領域也有潛在應用市場。中國的列車班次數量多，高鐵及動車發展迅速，乘客數量巨大。由于乘車時間較長，為了提高舒適性，如果為乘客提供上網業務，很多乘客也愿意支付相應費用。

我國沿海地區有很多漁民，他們要長期外出到遠洋地區捕魚。據不完全統計，我國有漁船數十萬艘，漁民上百萬，同時還有大型的郵輪出海航行，太空互聯網是滿足海上用戶上網的一種有效方式。

應急救援

在救災、處理突發事件的應急救災中，太空互聯網顯示出特有的優勢。自然災害難以防御，一旦發生，便會造成不同程度的損失，特別是發生重大自然災害，例如地震發生后，大部分地面通信設施遭到破壞，外界與災區通信中斷，無法獲得重災區的災情，進而直接影響搶險救災工作的指揮部署。作為搶險救災的總指揮部，必須要全面掌握災區各方面的情況，而太空互聯網具有不受地面條件限制、覆蓋范圍廣等特點，可以快速建立通信鏈路，實現應急救災，是人民生命財產安全的重要保障。

偵察、采集數據回傳的平臺

太空互聯網是一個復雜的網絡平臺，廣域復雜網絡拓撲構成能力與廣域互聯網交互連接能力，特有的廣域廣播與多播能力，適合作為偵察、采集數據的平臺。通過全球運行的太空互聯網系統，可以很容易地構建起全球性數據采集、處理、分發和應用的系統，比其他任何手段都更快捷、更安全和更可靠。基于太空互聯網的數據采集和通信中繼服務，將會越來越多地應用于農業、林業、漁業、礦業、海洋監測以及邊境巡邏等國防和國民經濟建設的各個領域，如河流、交通等突發情況監測；石油、石化、電力等大型企業巡視油/氣管線；公安、邊防、林業等部門對大范圍地域實時監控；海事、漁政等部門進行大范圍海域巡查。

太空探索、星際間通信

太空互聯網一旦實現，星際間通信將成為可能。過去，人們只能通過把航天員送到太空的方式去探索未知宇宙，通過太空互聯網直播太空，今后普通公民也可以坐在家里，自由地欣賞外太空的圖像和視頻。同時，太空互聯網可作為支持太空探索的重要手段，伴隨太空技術在各個行業的應用，將發揮重要的運營保障作用。隨著社會需求和通信技術的發展，衛星通信將是必不可少的通信手段，具有廣闊的應用前景。

4　結束語

高空氣球和無人機的優點在于部署快，通信延遲和信號衰減小，可以進行回收、維修和升級；缺點是氣球和無人機都需要實施監控和管理，存在航空安全以及領空申請等問題。目前來看，低軌衛星星座的實用性更強，但是氣球和無人機的發展潛力很讓人期待。

盡管太空互聯網還面臨著許多困難，除了成本問題，還有很多需要解決的技術問題，但太空互聯網本身具備的特點，使其成為地面互聯網向空中、太空的延伸和拓展，是實現全球互聯互通的基礎支撐，是未來互聯網的發展方向。

隨著信息技術和互聯網技術的發展，特別是人類對空間應用的旺盛需求，將推動太空互聯網技術快速穩步前進。各國積極部署的太空互聯網計劃中，如果其中任何一個成功，互聯網作為一個“地球村”的概念將不僅僅只是比喻。太空互聯網只有把握時代的發展趨勢，才可以更好地與時代結合，互利共贏。

王曉宇/本文編輯