全球低軌空間互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展與展望

文/ 尚志

▲天地一體化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動通信、云計(jì)算等科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，基于互聯(lián)網(wǎng)的各種應(yīng)用服務(wù)已經(jīng)滲透到人們生活與生產(chǎn)的各個方面，但地面網(wǎng)絡(luò)存在覆蓋范圍有限、抗災(zāi)能力弱、行業(yè)應(yīng)用受限等問題。相對而言，空間互聯(lián)網(wǎng)具有全球覆蓋、時延短、行業(yè)應(yīng)用廣等特點(diǎn)。

發(fā)展我國自主可控的全球衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)是落實(shí)十九大精神，推動國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的迫切需要，也是進(jìn)一步鞏固我國航天大國的國際地位、推動產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整升級、高質(zhì)量發(fā)展的重要舉措。

空間互聯(lián)網(wǎng)概述

空間互聯(lián)網(wǎng)是指通過衛(wèi)星或星座構(gòu)成的互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，由于低軌通信星座具有低延時、全球覆蓋、部署快捷、軌位資源豐富等優(yōu)點(diǎn)，空間互聯(lián)網(wǎng)一般是指由中低軌星座構(gòu)成的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。

自2014年以來，建設(shè)低軌道通信衛(wèi)星星座成為全球衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)發(fā)展的潮流，以美國和歐洲新興創(chuàng)業(yè)公司為代表、明確提出引起各方廣泛關(guān)注的星座計(jì)劃達(dá)數(shù)十個，衛(wèi)星數(shù)量上萬顆，空間頻率軌位資源爭奪激烈。

目前全球低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)尚處在起步階段，無成熟標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議可借鑒，因此在協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)、頻率、應(yīng)用模式等方面需要開展大量研究與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證工作。

而隨著通信技術(shù)的發(fā)展，空間互聯(lián)網(wǎng)與地面互聯(lián)網(wǎng)融合成為新的發(fā)展趨勢。歐洲Sat5G聯(lián)盟已經(jīng)在探索衛(wèi)星通信與5G通信無縫融合的最佳方案，制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)；3GPP (第三代合作伙伴計(jì)劃) 組織面向R16 (5G第二階段標(biāo)準(zhǔn)) 開展了《基于衛(wèi)星接入的5G》研究。未來6G系統(tǒng)中衛(wèi)星將發(fā)揮更為重要的作用。

空間互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展態(tài)勢

全球低軌星座建設(shè)方面，目前國際上相繼推出了OneWeb、SpaceX、Telesat等多個星座方案。其中OneWeb星座方案為衛(wèi)星數(shù)量900顆，軌道高度1200公里，衛(wèi)星質(zhì)量＜150千克，工作頻段Ku，預(yù)計(jì)于2020年年底完成部署；SpaceX星座方案為衛(wèi)星數(shù)量4425顆（一期），軌道高度1100公里，衛(wèi)星質(zhì)量約386千克，工作頻段Ku/Ka，預(yù)計(jì)于2024年完成部署；LeoSat星座方案為衛(wèi)星數(shù)量108顆，軌道高度1400公里，衛(wèi)星質(zhì)量約1250千克，工作頻段Ka，預(yù)計(jì)于2022年完成部署。

新的低軌星座建設(shè)理念主要有兩個：

會上還公布了今年獲得省財(cái)政1．5億元獎補(bǔ)支持的特色小鎮(zhèn)名單，彌勒可邑小鎮(zhèn)、紅河“東風(fēng)韻”小鎮(zhèn)、建水西莊紫陶小鎮(zhèn)、彌勒太平湖森林小鎮(zhèn)、建水臨安古城、紅河水鄉(xiāng)、玉溪澄江廣龍旅游小鎮(zhèn)、喜洲古鎮(zhèn)、巍山古城、麗江古城、大理古城、元陽哈尼梯田小鎮(zhèn)、沙溪古鎮(zhèn)、屏邊滴水苗城、臨滄翁丁葫蘆小鎮(zhèn)共15個上榜。而觸碰生態(tài)紅線的雞足山禪修小鎮(zhèn)、八寶壯鄉(xiāng)小鎮(zhèn)，主體未落實(shí)、未開工建設(shè)的永勝清水古鎮(zhèn)、陸良蠶桑小鎮(zhèn)、羅平油菜花小鎮(zhèn)，以及將特色小鎮(zhèn)與產(chǎn)業(yè)園區(qū)概念混淆的個舊大屯特色制造小鎮(zhèn)6個特色小鎮(zhèn)淘汰出創(chuàng)建名單，并收回1000萬元的啟動資金。

一是衛(wèi)星批量生產(chǎn)。主流低軌星座均采用衛(wèi)星批量生產(chǎn)模式，OneWeb與Airbus在美國佛羅里達(dá)州合作建廠，借鑒飛機(jī)與汽車流水線式生產(chǎn)模式進(jìn)行衛(wèi)星生產(chǎn)，具備平均每天制造2～3顆衛(wèi)星能力，單星成本控制在100萬美元以內(nèi)。

二是運(yùn)載火箭組批發(fā)射。為了實(shí)現(xiàn)數(shù)百顆以上的衛(wèi)星發(fā)射，低軌星座均采用高效的組批發(fā)射模式。OneWeb進(jìn)行了全球火箭采購，擬采用一箭30+方式，實(shí)現(xiàn)小衛(wèi)星星座的快速部署，目前已完成6顆試驗(yàn)星發(fā)射。

▲ Oneweb組批發(fā)射

目前，頻率搶占已進(jìn)入白熱化，除傳統(tǒng)Ku、Ka頻段外，各大衛(wèi)星運(yùn)營商已瞄向更高頻段，Oneweb、SpaceX、Telesat 均已提交Q/V頻段網(wǎng)絡(luò)申報資料。

寬帶應(yīng)用上，低軌星座充分與地面網(wǎng)絡(luò)融合，提供與地面網(wǎng)絡(luò)同等級的互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)、通信網(wǎng)絡(luò)服務(wù)（4G、5G）；寬帶系統(tǒng)單星容量大幅度提升，星座容量均在Tbps量級，單位流量成本成為各星座競爭的焦點(diǎn)。

低成本終端是低軌寬帶系統(tǒng)大規(guī)模運(yùn)營的關(guān)鍵，國際運(yùn)營商開展了低成本終端的研制工作，目標(biāo)成本控制在500美金以下，相當(dāng)于一部普通手機(jī)的的價格。

低軌寬帶系統(tǒng)典型商業(yè)模式有四個方面：與地面網(wǎng)絡(luò)融合打通信息互聯(lián)的最后一公里，服務(wù)偏遠(yuǎn)地區(qū)用戶。為政府、企業(yè)客戶提供保密數(shù)據(jù)傳輸，保障全球政企客戶安全通信。在廣袤的海洋上為物聯(lián)網(wǎng)、船載通信，提高遠(yuǎn)洋通信保障能力和海上航行安全保障能力。為全球民用航空器提供機(jī)載寬帶通信，提高飛行安全性，滿足乘客空中上網(wǎng)需求，提升旅行舒適度。

▲ Oneweb生產(chǎn)線示意

▲ Oneweb終端天線

通過對OneWeb、SpaceX、Telesat等典型星座對比以及低成本終端技術(shù)的分析，可知衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)必須統(tǒng)籌天地資源、提升系統(tǒng)效能與盈利能力。因此，要打造具備國際競爭力的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，必須深入研究商業(yè)運(yùn)作模式，優(yōu)化系統(tǒng)建設(shè)方案，制定符合實(shí)際的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)展模式。

我國開展空間互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的重大意義

構(gòu)建我國自主可控的空間互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，對于落實(shí)國家戰(zhàn)略、服務(wù)國民經(jīng)濟(jì)、推動地方發(fā)展、便利百姓生活等方面具有十分重要的意義。同時，還將有利于搶占全球頻率軌位等國家戰(zhàn)略資源，對于促進(jìn)我國航天高質(zhì)量、高效益發(fā)展，也將起到非常積極的作用。

落實(shí)國家戰(zhàn)略

為實(shí)現(xiàn)十九大提出的保障網(wǎng)絡(luò)和信息安全目標(biāo)，我國必須建設(shè)自主可控、安全運(yùn)行的天基網(wǎng)絡(luò)，成為空間互聯(lián)網(wǎng)的規(guī)則制定者。

▲ 落實(shí)航空強(qiáng)國戰(zhàn)略示意圖

空間互聯(lián)網(wǎng)是航天、通信、計(jì)算機(jī)技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，是國家網(wǎng)絡(luò)體系的重要組成部分，能夠提供天地一體化網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，形成一整套自主可控的空間網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，有力保證國家信息安全。

空間互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)營將產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)，帶動相關(guān)數(shù)據(jù)增值服務(wù)，促進(jìn)國家相關(guān)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，是航天落實(shí)國家“推動大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略、建設(shè)數(shù)字中國”等戰(zhàn)略的重要舉措。

航天強(qiáng)國戰(zhàn)略。積極推動我國空間互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)，利用商業(yè)化手段搶占先機(jī)，打造天地融合的信息服務(wù)系統(tǒng)，有力支撐航天強(qiáng)國的實(shí)現(xiàn)。

具體方式為搶占資源先機(jī)：頻率資源是空間互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的先決條件，是一種越來越稀缺的全球戰(zhàn)略資源，也是世界航天大國爭奪的焦點(diǎn)，空間互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)可以實(shí)現(xiàn)對全球頻率的有效搶占；搶占技術(shù)先機(jī)：空間互聯(lián)網(wǎng)包括“空間網(wǎng)絡(luò)控制與管理、空間網(wǎng)絡(luò)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)、高集成度衛(wèi)星”等核心技術(shù)，是國際宇航領(lǐng)域的技術(shù)至高點(diǎn)；搶占轉(zhuǎn)型先機(jī)：空間互聯(lián)網(wǎng)是推動我國航天商業(yè)化發(fā)展和衛(wèi)星應(yīng)用產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的重要機(jī)遇。

航空強(qiáng)國戰(zhàn)略。2014年3月馬航MH370失聯(lián)在全球引發(fā)極大震動，至今尚未找到飛機(jī)殘骸及查明失聯(lián)原因。這就要求加快推動我國民用航空安全保障體系，提高我國航空安全監(jiān)控能力。

▲ 一帶一路戰(zhàn)略示意圖

空間互聯(lián)網(wǎng)可為民用航班提供集通信保障、狀態(tài)監(jiān)控于一體的綜合服務(wù)，建立我國自主可控的、覆蓋全球的民用航空器位置追蹤監(jiān)視系統(tǒng)，大幅提升航班的安全性、舒適性及運(yùn)行效率。

海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略。21世紀(jì)海上絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶從海上聯(lián)通歐、亞、非三個大陸和絲綢之路，形成一個海上、陸地的閉環(huán)，包括約40余個國家。促進(jìn)海洋深度信息化，感知海洋、對話海洋，使海洋造福民眾，是海上絲路各國民眾的共同愿望！

“一帶一路”倡議。“一帶一路”沿線某些地區(qū)地面網(wǎng)絡(luò)建設(shè)還不充分，通過天基網(wǎng)絡(luò)改變原來點(diǎn)線為主的地面網(wǎng)絡(luò)，建成覆蓋面廣、立體的天地一體化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)“信息相連、物物相連 ”，為我國政府、企業(yè)走出去提供信息保障，更好地保障國家”一帶一路”倡議落地。

服務(wù)國民經(jīng)濟(jì)

積極帶動我國空間互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)，有利于促進(jìn)通信、導(dǎo)航、微電子等相關(guān)領(lǐng)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展，服務(wù)國民經(jīng)濟(jì)。

芯片是手機(jī)產(chǎn)業(yè)鏈的核心，被譽(yù)為手機(jī)產(chǎn)業(yè)的“皇冠”。國外高通、三星，國內(nèi)海思等芯片廠商無一不是產(chǎn)業(yè)龍頭，具有絕對話語權(quán)，引導(dǎo)產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向。芯片同樣也是衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)的核心，對終端成本、性能均有直接影響，空間互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)營將對芯片產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)生引領(lǐng)和促進(jìn)作用，帶動IP設(shè)計(jì)、芯片流片、封裝測試全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展。

空間互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)適用多種應(yīng)用場景，將促進(jìn)各類終端的開發(fā)，包括民用終端、機(jī)載終端、船載終端等。它將提供基于大數(shù)據(jù)的各類綜合信息服務(wù)，如應(yīng)急救災(zāi)、軍用通信、智能駕駛、機(jī)載通信、遠(yuǎn)洋通信，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)鏈延伸，帶動百億級產(chǎn)業(yè)規(guī)模。

推動地方發(fā)展

覆蓋全球的空間互聯(lián)網(wǎng)為文化產(chǎn)業(yè)插上翅膀，加強(qiáng)世界文化交流。空間互聯(lián)網(wǎng)為制造業(yè)賦能，實(shí)現(xiàn)萬物互聯(lián)、全球感知，提高企業(yè)競爭力。依托空間互聯(lián)網(wǎng)，可帶動人工智能、光伏、芯片制造等相關(guān)高新技術(shù)的發(fā)展。依托數(shù)據(jù)采集可完成對城市設(shè)施的感知，實(shí)現(xiàn)城市智慧化，提高城市管理效率。

▲ 強(qiáng)大的研發(fā)設(shè)計(jì)能力

服務(wù)大眾百姓

全球僅有5%的海洋面積和20%的陸地面積得到地面通信網(wǎng)絡(luò)的有效覆蓋，空間互聯(lián)網(wǎng)能夠?qū)罩小⒑Ｑ蟆⒛媳睒O提供全方位、無死角覆蓋，提供民航WIFI、海洋互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用、遠(yuǎn)程教育、應(yīng)急通信等服務(wù)，給人們?nèi)粘Ｉ睢⒐ぷ鳌W(xué)習(xí)帶來更大的便利。

促進(jìn)航天高質(zhì)量高效益發(fā)展

商業(yè)航天作為技術(shù)創(chuàng)新性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)質(zhì)量效益高的新興業(yè)態(tài)，已經(jīng)發(fā)展成為國家戰(zhàn)略實(shí)施的重要載體，是我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展極為重要的、新的增長極。空間互聯(lián)網(wǎng)是我國商業(yè)航天項(xiàng)目的典型，必須堅(jiān)持整合全產(chǎn)業(yè)鏈資源，采用先進(jìn)的衛(wèi)星制造與運(yùn)載火箭發(fā)射理念，引領(lǐng)我國商業(yè)航天快速、高質(zhì)量發(fā)展。

航天科技集團(tuán)的使命擔(dān)當(dāng)

航天科技集團(tuán)作為我國航天科技工業(yè)的主導(dǎo)力量，以主動服務(wù)國家戰(zhàn)略、國防建設(shè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展為己任，有能力、有信心為我國空間互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)發(fā)揮重要作用。

在高軌通信衛(wèi)星運(yùn)營方面，集團(tuán)所屬中國衛(wèi)通擁有多年衛(wèi)星運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)，在軌運(yùn)營高軌通信衛(wèi)星16顆，全球覆蓋可達(dá)50%；在低軌星座運(yùn)營方面，航天科技集團(tuán)提前謀劃，與中國電信、中國電子、國新國同三家中央企業(yè)聯(lián)合成立了東方紅衛(wèi)星移動通信有限公司，開展了低軌星座論證、系統(tǒng)全鏈路仿真、地面及運(yùn)營系統(tǒng)建設(shè)，完成了低軌通信試驗(yàn)衛(wèi)星發(fā)射，具備低軌星座抓總建設(shè)與系統(tǒng)運(yùn)營的能力，為國家空間互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)奠定了基礎(chǔ)。

天地一體化全鏈路仿真是低軌星座建設(shè)的重要環(huán)節(jié)，能夠在地面階段有效防止系統(tǒng)顛覆性問題的發(fā)生。東方紅衛(wèi)星移動通信公司建設(shè)了天地一體化的全鏈路仿真系統(tǒng)，為衛(wèi)星通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建設(shè)和應(yīng)用提供了一體化的解決方案，以便將最終用戶的需求有效融入系統(tǒng)建設(shè)方案中，確保系統(tǒng)好用、實(shí)用。

東方紅衛(wèi)星移動通信有限公司采用國內(nèi)+境外自主建站模式，在北京、重慶、牡丹江部署地面站，逐步建立全球饋電與測控網(wǎng)絡(luò)；開展了核心接入芯片與典型終端研制；于2018年12月29日在酒泉衛(wèi)星發(fā)射基地成功發(fā)射一顆低軌通信試驗(yàn)衛(wèi)星，完成了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)廣播、話音通信、導(dǎo)航增強(qiáng)、ADS-B等功能的演示驗(yàn)證。針對星座任務(wù)要求，在天津航天城建設(shè)由多個總裝測試單元組成的批量衛(wèi)星生產(chǎn)線，開展低軌衛(wèi)星的批量化生產(chǎn)。

我國空間互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)需要國家、央企、民企等多方合作，航天科技集團(tuán)秉承開放合作、互利共贏的原則，充分利用國內(nèi)外優(yōu)勢資源，快速推動系統(tǒng)建設(shè)。積極為社會資本參與集團(tuán)公司商業(yè)航天項(xiàng)目創(chuàng)造條件，為系統(tǒng)建設(shè)提供豐富多元的融資保障；充分利用國內(nèi)外商業(yè)航天運(yùn)載火箭、商業(yè)航天測控等優(yōu)質(zhì)資源，各取所長，互利共贏；積極開放供應(yīng)鏈，向擁有關(guān)鍵核心技術(shù)、具備自主可控能力、符合集團(tuán)公司合格供應(yīng)方要求的公司和單位敞開大門。

偉大的事業(yè)始于夢想，基于創(chuàng)新，成于實(shí)干。中國航天科技集團(tuán)有限公司將以習(xí)近平新時代中國特色社會主義思想為指導(dǎo)，大力發(fā)揚(yáng)航天“三大精神”，在我國衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)中充分發(fā)揮主力軍作用，廣泛聯(lián)合國內(nèi)外優(yōu)勢單位，銳意創(chuàng)新，勇于擔(dān)當(dāng)，為推動實(shí)施國家重大戰(zhàn)略、全面建設(shè)社會主義現(xiàn)代化強(qiáng)國、實(shí)現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興的中國夢做出更大的貢獻(xiàn)。