低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用服務(wù)的研究

方應(yīng)勇，李晴飛

(南京熊貓漢達(dá)科技有限公司，江蘇 南京 210014)

0 引言

傳統(tǒng)的靜止軌道衛(wèi)星通常是獨(dú)立的衛(wèi)星組網(wǎng)系統(tǒng)，與地面互聯(lián)網(wǎng)之間不能進(jìn)行互聯(lián)互通。隨著近些年互聯(lián)網(wǎng)的蓬勃發(fā)展，人們對(duì)通信的體驗(yàn)效果要求越來越高；針對(duì)地面網(wǎng)絡(luò)通信受限于覆蓋區(qū)域、用戶種類以及自然災(zāi)害條件等因素，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)[1]概念應(yīng)運(yùn)而生。衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)通過衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)與地面互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，作為地面互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)補(bǔ)充部分，既可以作為獨(dú)立的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)服務(wù)于衛(wèi)星系統(tǒng)，也可以與地面網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通，服務(wù)于地面網(wǎng)絡(luò)。衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)作為衛(wèi)星通信與互聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合的產(chǎn)物，實(shí)現(xiàn)了邊緣地區(qū)、海上空等用戶的接入；具備了高通量、低成本、低延時(shí)、全球無縫覆蓋、頻率資源豐富等諸多優(yōu)勢(shì)，近年來備受運(yùn)營商青睞。

1 低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)組成

低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)主要包括空間段、地面段和用戶段3部分，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。空間段主要指分布

圖1 低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)組成

在低軌空間的衛(wèi)星構(gòu)成的衛(wèi)星星座[4]，具有相似功能的衛(wèi)星分布在同一軌道或者多個(gè)軌道面上，按照預(yù)先規(guī)劃的分布規(guī)則運(yùn)行，相鄰衛(wèi)星之間可通過透明轉(zhuǎn)發(fā)、星上處理以及星上路由等技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，整個(gè)空間段衛(wèi)星相互協(xié)作而形成“一張網(wǎng)”的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。地面段作為衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的重要組成部分，由運(yùn)控中心和信關(guān)站組成，主要完成衛(wèi)星星座的管理、業(yè)務(wù)處理、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維管理等功能，同時(shí)負(fù)責(zé)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的互聯(lián)互通。應(yīng)用段由各類衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)終端組成。

2 典型衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用服務(wù)

2.1 銥星系統(tǒng)

2.1.1 系統(tǒng)概述

Iridium下一代系統(tǒng)是銥星公司針對(duì)低地球軌道而設(shè)計(jì)出的下一代移動(dòng)通信衛(wèi)星系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由空間衛(wèi)星段、地面段和用戶段部分組成；空間段主要由66顆主用衛(wèi)星和6顆備份衛(wèi)星構(gòu)成，軌道面為780km高度的6個(gè)極軌道組成。Iridium衛(wèi)星工作在L波段，星上均配備可再生處理載荷，通信制式采用時(shí)分雙工；衛(wèi)星與用戶之間采用相控陣點(diǎn)波束方式覆蓋，形成48個(gè)用戶點(diǎn)波束，單星覆蓋面積約為4500km(直徑)。同時(shí)，星上還專門配置兩幅可移動(dòng)的Ka頻段饋電鏈路天線，用于與地面信關(guān)站之間進(jìn)行通信。由于下一代銥星系統(tǒng)衛(wèi)星配置可再生處理載荷，因此該系統(tǒng)支持星間鏈路路由傳輸功能，通過配置相應(yīng)的天線即可實(shí)現(xiàn)與相鄰軌道面左、右的4顆衛(wèi)星之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。[2]

Iridium下一代系統(tǒng)主要應(yīng)用于軍事海陸空以及為政府提供專門服務(wù)，部署后速率可支持1.5Mbit/s，便攜式可達(dá)10Mbit/s，服務(wù)性能有了大幅提升。

2.1.2 應(yīng)用場(chǎng)景及服務(wù)

Iridium系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域非常寬廣，既具備最基本的話音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，也可以為海陸空、政府部門、遙測(cè)遙感提供專門服務(wù)。Iridium系統(tǒng)典型的應(yīng)用場(chǎng)景及服務(wù)如下：

(1)陸基應(yīng)用服務(wù)主要針對(duì)陸地地面用戶群體。包括針對(duì)車輛的移動(dòng)、管理和跟蹤；針對(duì)醫(yī)療的應(yīng)急支援；針對(duì)基本的移動(dòng)通信業(yè)以及針對(duì)位置定位服務(wù)等。

(2)空基應(yīng)用服務(wù)主要針對(duì)空域機(jī)載用戶群體，包括機(jī)載基本的話音/數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、飛機(jī)的位置報(bào)告和定位服務(wù)、軍事政府機(jī)載保密服務(wù)等。

(3)海基應(yīng)用服務(wù)主要針對(duì)海域各類艦船用戶群體。包括船只的應(yīng)急求救、船只的數(shù)據(jù)服務(wù)、船只的跟蹤定位服務(wù)、海域執(zhí)法領(lǐng)域服務(wù)等。

2.2 Oneweb系統(tǒng)

2.2.1 系統(tǒng)概述

OneWeb星座系統(tǒng)由900顆小衛(wèi)星組成，分布于18個(gè)極地圓軌道面，對(duì)地天線呈“倒八字形”向下。[3]星衛(wèi)高度為1 200km，衛(wèi)星至地面單向傳輸延時(shí)約為50ms，單星覆蓋區(qū)域?yàn)? 080km×1 080km方形狀。單星通信容量可達(dá)7.5Gbit/s，衛(wèi)星天線主要有16幅Ku頻段用戶天線和2幅Ka頻段可移動(dòng)信關(guān)波束天線組成，16幅用戶天線構(gòu)成16個(gè)波束為用戶服務(wù)，2個(gè)移動(dòng)信關(guān)站天線為地面信關(guān)站服務(wù)。用戶段設(shè)備可用于地面蜂窩通信、地面動(dòng)中通通信、海域空域等多個(gè)場(chǎng)景。

2.2.2 應(yīng)用場(chǎng)景及服務(wù)

OneWeb系統(tǒng)的用戶終端和地面系統(tǒng)核心網(wǎng)能完全與3GPP 兼容，與地面網(wǎng)絡(luò)之間實(shí)現(xiàn)了互聯(lián)互通，能夠與地面網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)協(xié)同工作，彌補(bǔ)了地面網(wǎng)絡(luò)覆蓋不到的領(lǐng)域。所以O(shè)neWeb系統(tǒng)具備了非常寬廣的應(yīng)用領(lǐng)域和眾多的用戶群體。

典型的應(yīng)用服務(wù)：

(1)衛(wèi)星廣播類服務(wù)，主要針對(duì)中小企業(yè)、集成蜂窩以及住宅用戶。

(2)企事業(yè)單位，主要包括海軍、空軍、政府、石油天然氣、車聯(lián)網(wǎng)等方面。

(3)蜂窩服務(wù)，主要針對(duì)宏蜂窩衛(wèi)星中繼。

主要應(yīng)用場(chǎng)景：

(1)應(yīng)急通信服務(wù)、全球網(wǎng)絡(luò)通信保障。

OneWeb衛(wèi)星通信系統(tǒng)具備了全球覆蓋能力，彌補(bǔ)了在臺(tái)風(fēng)、地震及洪災(zāi)等突發(fā)災(zāi)害情況下，地面網(wǎng)絡(luò)無法進(jìn)行有效通信的弊端，可快速部署應(yīng)急通信保障。

(2)空中飛行器通信服務(wù)。

由于地面網(wǎng)絡(luò)無法全覆蓋低軌軌道空間網(wǎng)絡(luò)，OneWeb衛(wèi)星可作為空間信息轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，能夠?yàn)榭罩酗w行器提供實(shí)時(shí)服務(wù)，包括天氣狀況、導(dǎo)航信息及飛機(jī)的健康狀況等方面信息。

(3)通過車載大天線終端提供熱點(diǎn)服務(wù)。

(4)解決偏遠(yuǎn)地區(qū)固定網(wǎng)絡(luò)成本問題。

OneWeb衛(wèi)星系統(tǒng)能夠通過低廉的用戶終端為偏遠(yuǎn)地區(qū)醫(yī)療中心、學(xué)校、圖書館及家庭提供互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，確保通信的有效性。

2.3 Starlink系統(tǒng)

2.3.1 系統(tǒng)概述

Starlink系統(tǒng)由SpaceX公司提出，其衛(wèi)星星座由位于1 150km高度的4 425顆衛(wèi)星組成。整個(gè)星座完全部署成功之后，系統(tǒng)的總?cè)萘靠蛇_(dá)到8～10Tbit/s；最高可達(dá)1Gbit/s單用戶鏈路傳輸速率，單星可提供17～23Gbit/s的下行傳輸速率，鏈路傳輸時(shí)延約為35ms，可滿足高速、低延時(shí)寬帶應(yīng)用服務(wù)。[4]

作為Starlink系統(tǒng)的補(bǔ)充，SpaceX公司在2017年3月提出了甚低軌道星座，主要由518顆工作于V頻段的衛(wèi)星組成。甚低軌道星座部署在高度為340km軌道上。StarLink衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)最終組成天星天網(wǎng)，可通過星間鏈路直接為用戶服務(wù)。

2.3.2 應(yīng)用場(chǎng)景及服務(wù)

Starlink系統(tǒng)主要提供寬帶接入服務(wù)，用戶段終端主要采用指向性比較強(qiáng)的相控陣天線，具備良好發(fā)射性能，傳輸速率最高可達(dá)到1Gbit/s，遠(yuǎn)高于當(dāng)前地面光纖網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能，傳輸時(shí)延可達(dá)到25～30 ms的水平。

新年賀詞 .........................................................................................................................................................12-1

主要提供的服務(wù)包括專用衛(wèi)星通信話音/數(shù)據(jù)服務(wù)、高速寬帶接入服務(wù)以及衛(wèi)星遙感遙測(cè)服務(wù)等。

3 應(yīng)用服務(wù)總體建設(shè)思路

低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)綜合型的大型網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，作為地面網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的有機(jī)結(jié)合，形成了復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具備了無縫的網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)；并且擁有衛(wèi)星特有的廣播與多播通信能力。在全球通信、應(yīng)急救生、航天探測(cè)、遠(yuǎn)洋航行等領(lǐng)域有著重大應(yīng)用，從而將人類科學(xué)、文化、生產(chǎn)活動(dòng)拓展至空間、遠(yuǎn)洋等。所以，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)主要針對(duì)航空航天用戶、物聯(lián)網(wǎng)用戶以及航海遠(yuǎn)洋用戶，在交通運(yùn)輸、應(yīng)急救生、信息采集回傳等方面重點(diǎn)發(fā)展。主要應(yīng)用服務(wù)設(shè)想如下：

3.1 民用應(yīng)用服務(wù)考慮

3.1.1 固定互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)應(yīng)用

低軌衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)能夠通過低廉的用戶終端為偏遠(yuǎn)地區(qū)學(xué)校、醫(yī)院及家庭提供互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。地面大部分地區(qū)已經(jīng)被地面高容量網(wǎng)絡(luò)所覆蓋，低軌衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)小型化終端和核心網(wǎng)與3GPP完全兼容；低軌衛(wèi)星系統(tǒng)作為地面網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)補(bǔ)充，能夠擴(kuò)展這些網(wǎng)絡(luò)到鄉(xiāng)間地區(qū)，為這些地區(qū)提供低廉的互聯(lián)網(wǎng)連接，能夠?yàn)槭澜缟先魏我粋€(gè)角落的用戶提供聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。

提供的業(yè)務(wù)服務(wù)方式主要有以下兩種：

一是家庭直接安裝小型化終端，進(jìn)行接入服務(wù)。該終端具備低軌衛(wèi)星信號(hào)收發(fā)能力；同時(shí)需要兼容地面3G/4G/WiFi等網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。

二是類似地面建設(shè)基站方式，通過塔式安裝的系統(tǒng)天線，配備相應(yīng)基站設(shè)備，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)用戶的接入。

3.1.2 交通運(yùn)輸領(lǐng)域應(yīng)用

目前，飛機(jī)上網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)已基本實(shí)現(xiàn)，但是如何優(yōu)化，各國都在提出解決方案。衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)作為一個(gè)全球覆蓋系統(tǒng)，具備全球通信能力，不受地域航線的影響，而且擁有穩(wěn)定的寬帶數(shù)據(jù)服務(wù)，也將會(huì)成為空中上網(wǎng)業(yè)務(wù)的主流技術(shù)手段。

現(xiàn)有地面網(wǎng)絡(luò)沒有很好解決高速列車上高質(zhì)量通信服務(wù)問題，衛(wèi)星通信作為地面通信的一種補(bǔ)充，在高速移動(dòng)交通工具上也存在應(yīng)用市場(chǎng)。另外，針對(duì)火車站，出行高峰期，乘客數(shù)量巨大。由于地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)服務(wù)容量的有限性，導(dǎo)致服務(wù)擁塞，地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量急速下降，此時(shí)，利用衛(wèi)星通信，便可緩解地面網(wǎng)絡(luò)通信壓力。

當(dāng)前地面網(wǎng)絡(luò)還無法覆蓋到遠(yuǎn)海領(lǐng)域，利用衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，可為遠(yuǎn)洋船只提供導(dǎo)航、定位、應(yīng)急求救等服務(wù)。通過低軌衛(wèi)星上搭載自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)載荷，實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)海海域航行船舶的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

3.1.3 突發(fā)應(yīng)急救援應(yīng)用

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)能夠在應(yīng)急救災(zāi)過程中發(fā)揮其特有的優(yōu)勢(shì)。在重大自然災(zāi)害情況下，地面網(wǎng)絡(luò)通常處于癱瘓狀態(tài)，外部救災(zāi)指揮人員無法實(shí)時(shí)掌握災(zāi)區(qū)災(zāi)情，給指揮部署工作帶來很大不便；而衛(wèi)星通信具備不受地域、覆蓋等因素限制，可實(shí)現(xiàn)快速實(shí)時(shí)連接，把災(zāi)區(qū)災(zāi)情實(shí)時(shí)呈現(xiàn)在救災(zāi)指揮人員面前，而且還可以與地面網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通，把災(zāi)情進(jìn)一步向外部傳遞，匯聚更好的營救方案，實(shí)現(xiàn)應(yīng)急救生。

3.1.4 遙測(cè)遙感領(lǐng)域應(yīng)用

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)具備廣域的廣播與多播能力，可應(yīng)用于偵察和數(shù)據(jù)采集回傳。通過全球衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，可以比較方便快捷的實(shí)現(xiàn)全球性數(shù)據(jù)采集、處理和分發(fā)。基于衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集和通信中繼服務(wù)，將會(huì)在農(nóng)業(yè)、林業(yè)、漁業(yè)、礦業(yè)、海洋監(jiān)測(cè)以及邊境巡邏等國防和國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。

3.1.5 能源監(jiān)視領(lǐng)域應(yīng)用

利用低軌衛(wèi)星星座全球無縫覆蓋的優(yōu)勢(shì)，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高壓電力傳輸線、石油天然氣管道等能源通道在廣域范圍內(nèi)的實(shí)時(shí)無縫監(jiān)測(cè)，有效解決現(xiàn)有地面通信網(wǎng)覆蓋范圍受限的問題，為我國能源生命線保駕護(hù)航。

3.1.6 物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域應(yīng)用

通過把具備感知、信息采集功能的物聯(lián)終端作為衛(wèi)星用戶終端的一種形式，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)天地一體化的信息獲取與傳輸。通過衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)可實(shí)時(shí)獲取全球態(tài)勢(shì)感知信息，解決目前各類感知信息回傳效能低下的問題。

3.2 特殊應(yīng)用服務(wù)考慮

特殊應(yīng)用方面可以考慮搭載專用載荷實(shí)現(xiàn)所需要的特殊應(yīng)用服務(wù)，主要應(yīng)用服務(wù)如下：

(1)在岸和離岸通信。

(2)飛機(jī)健康監(jiān)測(cè)。

(3)特殊數(shù)據(jù)采集與回傳。

(4)星載ADS-B，搭載ADS-B專用載荷，具有位置高遠(yuǎn)、廣域覆蓋的優(yōu)勢(shì)，其偵收信息在軍事上可用于監(jiān)視全球航空目標(biāo)，配合重要目標(biāo)詳查。

(5)導(dǎo)航增強(qiáng)，通過在低軌衛(wèi)星上配置高精度全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)監(jiān)測(cè)接收機(jī)，實(shí)時(shí)接收中高軌導(dǎo)航衛(wèi)星授時(shí)數(shù)據(jù)，傳遞到海外關(guān)口站，達(dá)到聯(lián)合授時(shí)，從而解決了海外建站的不足。

(6)向特定區(qū)域內(nèi)提供寬帶單向軍事信息廣播業(yè)務(wù)，包括情報(bào)、圖像、地圖和視頻等數(shù)據(jù)傳輸；提供全球范圍的實(shí)用戰(zhàn)場(chǎng)信息廣播業(yè)務(wù)。

4 結(jié)語

在低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用服務(wù)建設(shè)方面，典型的國外OneWeb系統(tǒng)以及Starlink系統(tǒng)已經(jīng)在提供應(yīng)用服務(wù)。在當(dāng)前全球衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)熱潮的形勢(shì)下，我國應(yīng)該充分借鑒國外成熟的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合自身優(yōu)勢(shì)，建設(shè)完備的低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用服務(wù)，在全球服務(wù)的市場(chǎng)中占有一席之地。