龐立新,馮建元,2,4*,李 杰,周志成
(1.亞太衛星寬帶通信(深圳)有限公司,深圳 518126; 2.武漢大學 電子信息學院,湖北 武漢 430072;3.中國空間技術研究院,北京 100094; 4.深圳市鵬城實驗室,深圳 518052)
自1901年馬可尼發明無線電報以來,地面無線通信系統歷經百余年發展,演進到當前能夠支持每平方千米百萬鏈接終端數、流量密度每平方千米數十Tbit/s、用戶峰值速率數十Tbit/s的5G時代,通信容量、網絡用戶數量和單用戶通信速率前所未有地提升,支撐了移動互聯、工業互聯、物聯網蓬勃發展。然而,時至今日,地面無線通信系統覆蓋地球表面的面積不足10%。在航空、海事及陸地偏遠區等無陸地通信系統覆蓋的區域,天基信息網絡有著不可替代的作用,保障了最后的通信連接。
隨著航天技術不斷進步,新一代的天基信息網絡由高、中、低軌衛星共同構成,其中,高軌衛星是指軌道高度大于20 000 km的衛星,通常使用地球靜止軌道(GEO)衛星;中軌(MEO)衛星是指介于1 000~20 000 km之間的衛星;低軌(LEO)衛星是指軌道高度小于1 000 km的衛星。
不同軌道衛星各有優劣勢,彼此協同組網具有互補性。高軌衛星雖然覆蓋廣、只用極少數量的衛星就能夠實現全球組網,但是由于距地面遠,傳播損耗大,終端尺寸大,傳播時延大;低軌衛星由于軌道高度低,傳播損耗小,能夠實現小尺寸終端、小時延的目標,但劣勢是組網需要的衛星多,工程浩大,而這一點可以被高軌衛星所彌補。中軌衛星則是具有介于高、低軌衛星特點之間特性的衛星。
根據高中低軌衛星各自的特點,在未來天基信息網絡中,高軌衛星承擔天基骨干網功能,用于廣域覆蓋和連通不同衛星星座;中低軌衛星則作為接入網,承擔天基信息網與用戶終端間的數據傳輸。
天基信息網絡通過整合不同軌道衛星群,可以輻射全球并在重點區域增強傳輸能力,最終向海陸空終端用戶提供寬帶互聯網接入,實現全球覆蓋、隨遇接入、按需服務的新一代網絡通信能力。
天基信息網絡是利用空間基礎設施數據互聯互通建設的信息網絡,有利于實現全天時、全天候、全地域服務國民經濟和國防建設,是未來通信網絡天地互聯和一體化的重要組成部分和發展方向。
同時,天基信息網絡也是貫通我國空間基礎設施、融合通導遙系統的骨干網絡基礎。我國現有通信、導航、遙感各類衛星,然而由于互相封閉,各系統數據無法融合形成滿足社會需求的高價值復合信息服務;同時,導航和遙感數據有效實時回傳一直不能很好地解決,這種情況既無法滿足新時代融合信息服務需求,也不利于發揮太空基礎設施優勢并構建未來天地互聯信息網絡。因此,迫切需要借助高中低軌通信衛星,著眼于構建中國新一代空間信息網絡,以網絡化、一體化為理念,以天基高通量通信網為核心,以各類衛星資源融合共享應用為目的,從天基信息獲取、傳輸、融合和處理各個環節進行系統性創新與攻關。從而實現數據互聯互通的天基信息網絡服務[1-2]。
2015年國家科技戰略座談會上,孫家棟院士向李克強總理建議推進“互聯網+天基綜合信息”系統建設,得到了中央和與會專家的高度重視。通過建設高通量天基通信網絡為骨架,融合導航、遙感數據服務的集成天基信息網絡,打通與地面通信網絡連接,實現“天網”與“地網”的深度耦合,從而將廣大用戶所需的天基數據信息送達手機和便攜終端上,更好地服務用戶需求[3]。可見,建設天基信息網絡具有重大意義。
地球靜止軌道通信衛星經過數十年發展,市場應用已經較為成熟。近年來,隨著低軌衛星技術的不斷突破,逐漸滿足批量化、大規模制造標準,由于其傳輸時延較小、傳播損耗較低、發射方便、建造成本較低,非常適合天基信息網絡建設,因此低軌衛星星座成為天基信息網絡的熱點。
當前,國外正在積極部署低軌衛星星座,其低軌衛星星座計劃主要包括OneWeb、O3b、Starlink等。其中,O3b中軌道衛星星座是目前全球唯一一個已經投入商業運營的中低軌衛星通信系統;SpaceX公司由于具有大批量制造和發射衛星的能力,后來居上成為擁有衛星數量最多的商業衛星公司[4-5]。
國外的星座計劃總體如下:OneWeb計劃建設720顆LEO衛星和1 280顆MEO衛星;O3b計劃建設60顆MEO衛星;Starlink計劃建設4 425顆LEO衛星及7 518顆極低軌道衛星;波音公司計劃建設2 956顆LEO衛星;LEOSat計劃建設108顆LEO衛星。此外,還有一些已建成的星座,如35顆LEO衛星構成的Orbcomm、75顆LEO衛星組成的Iridium系統和56顆LEO衛星組成的Globalstar等。
國內方面,近年來低軌星座也呈現再次崛起的趨勢,從頂層政策支持、一線研發投入全方位推進。2015年《國家民用空間基礎設施中長期發展規劃(2015—2025年)》公布,從頂層為天基網絡做出了規劃,2016年天基信息網絡寫入《“十三五”國家戰略性新興產業發展規劃》。此外,工信部和廣電總局也針對低軌衛星使用的Ka頻段,對原有動中通和地球站進行了規范,在頻率使用方面為低軌衛星部署提供便利。
國內正在實施的低軌星座部署計劃有:航天科技集團300顆LEO衛星組成的鴻雁星座,航天科工集團156顆LEO衛星組成的虹云工程及80顆LEO衛星組成的行云工程,中國電科集團120顆LEO衛星組成的天象星座。此外,我國民營低軌星座也蓬勃發展,目前已在規劃中的有九天微星72顆LEO衛星組成的天基物聯網星座,國電高科38顆LEO衛星和MEO衛星組成的天啟星座,歐科微28顆LEO衛星組成的翔云星座,以及銀河航天650顆LEO衛星組成的銀河Galaxy衛星星座等[6]。
由高中低軌衛星組成的天基信息網絡的發展,其技術基礎離不開以下幾方面。
1.2.1 新一代高通量衛星技術
目前,我國成熟商用的高通量GEO衛星容量為幾十Gbit/s,隨著實踐二十號通信試驗衛星成功發射,該容量提升至百Gbit/s,并向Tbit/s級前進。衛星通信容量的提升需要有效載荷的增加,而增加載荷離不開新一代的衛星平臺。
我國自主研制的新一代衛星平臺——東方紅五號平臺很好地支撐了新一代高通量衛星的發展。該衛星平臺具有以下幾項突破。
首先是遠高于以往的承載能力。使用該平臺的實踐二十號衛星整星發射質量達到8 000 kg,有效載荷達到15 000 kg,是目前世界上最重的通信衛星,也是我國自主研制發射質量最大的衛星,轉發器布局能力達到120路以上,為擴大通信容量提供了基礎。
二是功率大。該平臺使用了二維二次展開半剛性太陽能板以及鋰離子蓄電池等技術,整星額定功率達28 kW以上,有效載荷功率達18 kW。功率能力大,可以為提高發射能力提供保障。
三是散熱好。通過主動、被動熱控相結合的方式,有效散熱能力達到9 kW以上,保障了衛星系統的穩定性。
四是擴展能力強。該衛星平臺可擴展至9 000 kg的整星質量,載荷功率擴展至22 kW,轉發器數量擴展至150路,為后續能力提升做好鋪墊。
該新一代高軌高通量衛星能夠滿足我國未來十年高通量衛星的需求,有力保證了天基信息網絡組網[7-8]。
1.2.2 低成本小衛星制造技術
小衛星的概念是依照衛星整星質量而言,一般將小于1 000 kg的衛星稱為廣義的小衛星,500~1 000 kg的是狹義上的小衛星,而100~500 kg的則可稱為微小衛星,再往下又包括顯微衛星和納米衛星。與大衛星相比,小衛星突出特點是單星成本低廉且制造速度快,可在不到1年內實現研制、運輸和發射,這大大降低了衛星通信的門檻[9]。
近年來小衛星發展迅速,尤其是50 kg以下的微小衛星增長尤為迅速。2013年,全球共發射小衛星數量達146顆,同比增長148.28%;2014年,全球共發射小衛星數量達162顆,同比增長22.7%;后續幾年年均發射數量均超過100顆。其中,微小衛星的發射數量連續5年增長率超過50%[10]。
小衛星發射數量迅猛增加的背后是小衛星制造技術不斷得到突破,衛星研制成本不斷降低,目前,小衛星的制造成本可低至200萬~400萬美元,這對于許多衛星發射者而言,意味著可以跨過門檻,參與到衛星網絡的建設中去[11-12]。
衛星成本的降低得益于迭代研制的開發管理方法,以及在衛星減重、大量采用商業器件和批量化生產方面做的改進,這些以民商用模式制造衛星的思路也將會推動衛星成本的持續降低。
1.2.3 低成本運載工具
運載工具是組建空間互聯網的重要一環,發射衛星的主要運載工具是火箭,火箭的發射成本對于組網進程快慢與組網成本有巨大影響[13]。
以長征三號乙運載火箭為例,發射一次普遍需要6 000萬美元以上的發射費用,這對于需要龐大發射次數的低軌星座而言是無法承受的。近年來,隨著面向低軌道小衛星發射服務的針對性設計,與“小衛星”相對應的“小火箭”的發射成本迅速降低,例如航天科技集團的捷龍系列火箭和航天科工集團的快舟系列火箭,發射費用降低到幾百萬至一千萬美元。此外,國內大量的民營商業航天公司正在研制民用小型低成本火箭,一些公司的小型火箭產品已經進入了試驗發射的階段[14-15]。
國外對于低成本火箭的研制進展迅猛。以美國SpaceX公司獵鷹九號重型運載火箭為例,由于其具有火箭重復利用的技術突破,因此不僅具有載重質量大的特點,而且單位運載質量成本也極大程度降低,使其在國際衛星發射市場極具競爭力。如其單次發射費用約6 200萬美元,可發射60顆星鏈星座衛星,平均單顆衛星發射成本僅100萬美元[16]。低成本火箭掃除了空間互聯網建網的運載障礙,使得空間互聯網建網進程得到加速。例如星鏈計劃到目前已經發射16批,共計895顆衛星。
建設天基信息網絡首先需要明確天基信息網絡架構的設計思路和組建方式。從簡單務實、滿足未來網絡需求、低成本快速建網的角度分析,天基信息網絡的架構設計應考慮以下兩方面。
2.1.1 高低軌衛星聯合組網
由于中低軌衛星星座存在軌道、頻率資源申報和協調困難大、組網周期長的問題,在現有空間互聯網星座計劃中,僅僅依靠低軌衛星星座存在組網過程漫長的問題。同時,在組網過程中,由于國際上低軌星座計劃數量較多,互相間電磁兼容問題也不容忽略,最終的結果很可能由于頻率軌位兼容問題,使得低軌星座最終也無法實現全球無縫覆蓋。那么,在這種背景下,利用高軌衛星(地球靜止軌道衛星)具有成熟衛星資源和網絡,以及廣域覆蓋的優勢,在低軌衛星星座建設過程中和建成后,都能為低軌星座提供極大地組網輔助[17]。
同時,由于低軌衛星星座衛星數量龐大,且不間斷進行大尺度高速運動,星間路由極度復雜,研究信息數據傳輸路由的優化策略,降低重復數據對路由的占用,提高星間鏈路的傳輸效率將是一門重要課題。但不論采用何種路由優化算法,利用高低軌衛星多層次傳輸路徑的優勢,都將是很好的技術方案。
高軌衛星由于覆蓋廣,可以覆蓋大量低軌星座衛星。利用這個特點,高軌衛星可以承擔骨干核心網的功能,幫助遠距離的低軌衛星間進行通信,從而將原本低軌星座中幾十跳甚至上百跳的信息傳輸降低為一跳傳輸,大大減少了數據信息在星間鏈路中的重復占用,提高了低軌衛星星座星間鏈路的使用效率。
因此,在建設天基網絡時應重視高軌衛星的作用,將高軌衛星納入到整體網絡系統中來考慮。
2.1.2 衛星與5G融合技術
未來信息網絡的發展趨勢是構建天地一體的信息網絡,通過天基網絡彌補地面網絡覆蓋的不足,但目前天基網絡并沒能與地面網絡進行融合。在目前各大組織,如ITU、3GPP等,提出的衛星與地面網絡聯合組網架構模型中,衛星起的作用大多為透明的傳輸管道。同時,衛星網絡的管理系統與地面網絡的管理系統也各不相通,整體網絡無法做到衛星與地面網絡資源統一調度,因此衛星與地面網絡還無法有效融合[18]。
造成這一現象的原因是衛星與地面5G空中接口技術的差異,衛星普遍采用DVB-S2(X)技術體制,而5G采用的是極化碼、LDPC與大規模MIMO相結合的技術體制,這導致衛星通信系統接入網絡部分并不能與5G核心網連通,從而與5G系統融合。而為了實現真正的天地一體化信息網絡服務,需要一張統一的網絡,這張網絡能夠對衛星和5G系統進行統一的管理與資源調度,用戶在系統中能夠無感使用衛星或者地面5G系統;同時,網絡運營者也能夠統籌天地一張網的網絡資源,從而實現真正的網絡優化。
低軌星座組網的特點是組網所需衛星數量龐大,因此為了支撐如此龐大的建設計劃,小衛星研制必須做到“多、快、好、省”,即制造成本低、制造周期短、適應大批量生產、衛星可靠性高。做到這幾方面,需要從以下幾點尋求突破[19]。
一是發展通用型小衛星平臺。以往研制衛星一般是圍繞任務需求進行設計制造,一星一方案,一個型號衛星上的專用技術很難應用到其他型號,因此開發新型號衛星時方案改動大、研制周期長、所需資金多。如果設計開發出具有通用功能的衛星平臺,那么不論是通導遙何種類型的衛星,以及不同低軌星座的衛星,都可以套用公共平臺進行開發,避免了再設計,既節約成本,又節省了時間。
二是采用集成設計方法進一步給小衛星“瘦身”。以往在GEO衛星的設計上,各星上系統獨立分開,浪費了大量寶貴空間,這對于體積較大的GEO衛星沒有什么影響,但對制造周期、成本和質量(質量直接影響發射成本)敏感的小衛星非常關鍵。如可以探索以功能抽取整合的方式代替目前的分立系統方式,將遙測系統、數據管理系統、供電系統、熱控系統和姿軌控制系統中的控制功能整合進行集成設計,另外也可以再優化結構系統和推進系統的布局,以集成化思想進行排布,進一步省出空間。同時,研發采用軟件定義衛星也是具有潛力的方向。
三是更高頻射頻組件的低成本化。未來小衛星星座將采用Q、V甚至W波段無線電傳輸,如何將高頻率射頻組件低成本化也是小衛星需要研究的重要課題[20],包括突破高頻段相控陣天線的技術瓶頸、研究新型天線材料等降低工藝難度、節約制造成本的方法。此外,由于高速率對高發射功率的需求,對于低成本Q/V/W頻段高功率放大器的抗非線性失真性能也要著重研究,同時還要研究抗高頻相位噪聲技術。此外,也需掃清規管層面的障礙,在規定NGSO不得干擾GSO規則的同時,推動ITU 的NGSO 規則制定中涉及Q/V 波段NGSO 業務等效功率通量密度(Equivalent Power-Flux Density,EPFD)的限制,實現衛星系統電磁頻譜兼容共存。
隨著自身的不斷發展,低軌衛星星座成為建設天基信息網絡的重要組成。然而,相對于高軌衛星而言,低軌星座存在數量龐大、相對運動速度快和運動空間范圍巨大的特點,這使得低軌星座網絡結構與高軌衛星大大不同,且復雜度較后者高得多。同時,由于在海外建設地面站較為困難,星間鏈路成為低軌衛星星座回傳信息的解決方案,這給原本就復雜的低軌星座路由更增加了分配和使用難度[21]。
單以星間鏈路骨干信息回傳來說,由于低軌衛星星座采用星間鏈路回傳信息,再經地面站進入互聯網。不同的兩顆低軌衛星間信息的傳輸,信息往往經過幾跳衛星的中繼,才能最終達到目標衛星,且信息傳輸所需的跳數與兩顆低軌衛星的距離正相關。這導致在低軌星座中,有大量的星間鏈路都傳輸著同樣的信息,從而給低軌星座星間鏈路的使用效率帶來了巨大挑戰。
根據不同的路由算法和信息傳輸策略,低軌星座中星間鏈路傳輸相同信息的條數是0(n)~0(n2),這將導致寶貴的星間鏈路資源被極大占用,星間鏈路看似總容量很大,但由于被重復占用,導致實際傳輸的信息量大打折扣。因此,如何設計優化的信息路由和傳輸策略,降低整網中重復傳輸的信息量是天基信息網絡一個重要課題,也是天基信息網組網研究的重要方向。
任何一張通信網絡的建設、壯大成熟并具有強大生命力,其根本是具有應用場景、能夠穩定運營、具備盈利能力。對于天基信息網絡,不光是要解決如何建設的問題,同樣也要解決如何使用和運營的問題。概括來說,天基信息網絡運營面臨的挑戰分為如下4個方面。
電信作為極特殊的業務領域,事關國家戰略安全,各國都對電信業做出了極為嚴格的約束與管制。例如,我國針對電信行業從業,頒布了《中華人民共和國無線電管理條例》《中華人民共和國無線電管理規定》《中華人民共和國電信條例》《無線電頻率使用許可辦法》《無線電臺執照管理規定》《建立衛星通信網和設置使用地球站管理規定》《電磁輻射環境保護的管理規定》等一系列法律法規,詳細且嚴格限制了從經營牌照、無線電頻率使用到無線電臺(含空間無線電臺)設置的方方面面,這對運營天基信息網絡設置了極高的行業準入門檻[22-23]。
同樣,對于國際其他國家,相似的法規和管理辦法也同樣存在。對于天基信息網絡的運營而言,其不同于陸地通信網最大的特點就是要全球覆蓋。因此,天基信息網絡的運營必然需要沖破其他國家對電信的重重法規限制。
在這種背景下,需要天基信息網絡的運營者具備豐富的衛星網絡運營和國際合作經驗、開放的國際視野和可被國際接受的背景身份。合適的網絡運營者關系到天基信息網絡運營的成敗。
通信網絡的運營目標是盈利,反過來說,就是要降低成本[24-25]。然而,相對于靜止軌道衛星而言,發射大量的低軌衛星組成星座,其組網成本遠遠高于前者。一個由700~1 000顆衛星組成的低軌衛星星座,按照目前每年100~150顆的發射速度,也需要7~8年完成,而小衛星的普遍壽命是5~8年,也就是說,低軌星座剛完成組網,第一批發射的低軌衛星壽命就到期,需要新發射的衛星進行替換,如此往復下去。
雖然低軌衛星和火箭都在低成本化,但是這種循環的發射模式仍然讓低軌星座的組網成本居高不下。如何在這種高成本條件下找到合適的經營模式,將會是天基信息網絡盈利的重點。這將需要不斷發掘新的應用場景和應用模式,應用方面創新的重要性絕不亞于低軌星座本身的技術創新。
相對于陸地通信網絡,天基信息網絡具有廣域覆蓋的優勢,能夠提供天空、海洋和偏遠地區無縫的通信服務。然而,天基信息網絡由于組網成本較高,在價格敏感的個人消費市場中,天基信息網絡服務產品天生存在競爭劣勢,且由于頻段、傳輸距離等限制,天基信息網絡的用戶終端難以做到如陸地移動通信終端那樣小巧而方便。同時,天基信息網絡也難以像陸地通信網絡那樣超高密度組網,提供單位面積內的大容量覆蓋。
以上這些都是天基信息網絡相對于陸地移動通信網絡的劣勢,這些劣勢確實會導致在普通消費者市場中,天基信息網絡競爭力不足。因此,天基信息網絡運營者需要挖掘市場空白,以優異補充者的身份進行差異化競爭,并發揮天基信息網絡的優勢,吸引和增加用戶的粘性。
對于通信業而言,行業的發展趨勢是依靠技術進步,使得單位信息量傳輸成本不斷降低。近年來對通信行業提出的“提速降費”要求也反映了這個行業發展的大趨勢[26]。未來,隨著陸地通信系統資費不斷降低,天基信息網絡的流量資費也會呈現不斷下降的趨勢,甚至未來不排除出現“零”資費流量的產品。面對這種行業趨勢,如何迎接流量資費降低、通信服務單位產出能力下降的挑戰,也將是天基信息網絡運營面臨的巨大挑戰。
天基信息網絡因廣域無縫覆蓋的優勢,在航空與航海方面有著廣闊的應用前景。在航空方面,根據中國商飛發布的《2019-2038民用飛機中國市場預測年報》,2019年中國航空旅客運輸量達到6億人次,并且年增長率平均達到8%。中國民航業目前共擁有飛機3 818架,年均增長率為5%,預計到2038年飛機數量將達到8 678架。以同時執飛的航班數為總飛機數的60%計算,同時在飛行中的飛機數量將有5 000余架[27]。
航空對于天基信息網絡的需求主要分為兩方面,一是航空管制通信需求,二是后艙乘客通信需求。在航空管制通信需求方面,每架飛機的前艙空管通信大約為200 kbit/s,則5 000架飛機共計至少需要1 Gbit/s用于航空管制通信。同時,隨著未來空管運行方式的變革,考慮到對飛機飛行狀態與設備健康的數據收集與分析,將有大量數據需要依靠天基信息網絡回傳,以波音787飛機為例,單架飛機平均每個航程產生約500 GB飛行數據。同時,實時記錄黑匣子數據未來也將成為普遍需求,其大量數據對鏈路帶寬的需求將進一步加大。
同時,后艙乘客通信需求也在快速增長,根據海事衛星組織調查統計,90%的中國旅客傾向選擇提供網絡服務的航空公司,65%的旅客愿意為通信服務支付費用。以每架飛機平均50 Mbit/s下載帶寬計算,客機需要的總帶寬將達到250 Gbit/s。
此外,我國目前通航機隊規模超過2 000架,無人機數量已達100 000架,未來幾年增長速度都將達到近20%,預計2023年通航飛機數量將達到近8 000架,無人機約430 000臺,這將是天基信息網絡極為廣大的應用市場。
航海方面,截至2014年底,全國船舶共計230 883艘,其中海船22 801艘,河船208 082艘,按照10%的船只(即23 000萬艘)需要上網,需求中涵蓋船員上網和公司航行運營管理對網絡的需求,每艘船預計需要10 Mbit/s的上網帶寬,按照航運業同時上線率20%的帶寬使用水平,則航海的天基信息網絡帶寬需求約為46 Gbit/s。如果考慮到未來智慧航運的發展,對船舶航行狀態與設備健康的數據進行收集與分析,則數據量又會大大增加,據測算,一艘貨船每天產生約20 GB的運行數據。巨大的數據傳輸需求將使天基信息網絡在航海方面的應用市場潛力巨大[28-30]。
從當前市場應用需求和未來預期不難預測,市場對于天基信息網絡的通信容量需求巨大,而目前已具備的衛星通信資源遠遠不能滿足這些通信需求,因此天基信息網絡具有很好的應用前景。然而,對于市場而言,需要的是成本低廉的衛星通信資源,只有實現低成本的衛星通信,才能真正開發出這些市場需求。因此,對于天基信息網絡運營商而言,機遇和挑戰并存。如何克服困難實現低價優質的衛星通信服務,是天基信息網絡最終成功的關鍵。
天基信息網絡在海洋信息化、建設海洋空間信息網絡方面有著無可替代的作用,也是建設航空互聯網最主要的技術手段。在我國民航業和航運業疾速發展的今天,天基信息網絡的應用有著重要地位和廣闊前景。發揮天基信息網絡的優勢,使其具備強大的生命力,其關鍵是提供優質而低成本的天基信息服務。完成這個目標,需要在小到低成本衛星和火箭,大到空間信息組網、衛星與5G系統融合方面有所突破[31]。通過技術的推動以及合理的運營,天基信息網絡必將在國防安全及更多更廣的民商用領域發揮重要作用。