衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)在智慧海洋領(lǐng)域的應(yīng)用展望

郭溪

摘要：利用信息化手段建設(shè)智慧海洋是實現(xiàn)海洋強國的必經(jīng)之路，海洋的特殊環(huán)境對海上通信網(wǎng)絡(luò)提出較高的需求。衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)因其全覆蓋、大容量、低時延等優(yōu)勢，被納入新基建范圍，成為智慧海洋通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的重要趨勢。該文針對智慧海洋通信能力不足的問題，分析了現(xiàn)有海上通信方式的優(yōu)缺點，論述了衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)在智慧海洋通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用，并對衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展提出展望。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng);智慧海洋;通信網(wǎng)絡(luò);全覆蓋;高速率;大帶寬

中圖分類號：TP393? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）13-0211-02

Abstract： Using information technology to build intelligent ocean is the necessary way to achieve ocean power. The oceans special environment puts forward higher demand for ocean communication network. Satellite internet has been included in the scope of new infrastructure because of its advantages of full coverage， large capacity and low delay， and it has become a new trend in the development of intelligent ocean communication network. Focused on the problem of insufficient communication ability of intelligent ocean， this paper analyzes the advantages and disadvantages of the existing ocean communication methods. Finally， it discusses the application of satellite internet in intelligent ocean communication network， and puts forward the prospect of the development of satellite internet.

Key words： satellite internet; intelligent ocean; communication network; full coverage; high rate; broadband

進(jìn)入 21 世紀(jì)以來，隨著陸地資源的消耗，開發(fā)海洋資源、探索海洋環(huán)境成為必然趨勢。完善的海洋通信網(wǎng)絡(luò)可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速實時傳輸，極大地提高海上科考、海上作業(yè)的效率。在海洋通信網(wǎng)絡(luò)中，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)在覆蓋范圍、通信速率、接入帶寬等方面具有顯著的優(yōu)勢。本文重點闡述了衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)在智慧海洋領(lǐng)域的應(yīng)用，以及衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展展望。

1 智慧海洋概述

近年來，我國一直致力于海洋事業(yè)的發(fā)展，提出建設(shè)海洋強國的重大戰(zhàn)略部署。我國是海洋大國，擁有 310 萬平方公里管轄海域、1.8 萬公里大陸海岸線，壯大海洋經(jīng)濟、加強海洋資源環(huán)境保護、維護海洋權(quán)益事關(guān)國家安全和長遠(yuǎn)發(fā)展，因此必須堅持陸海統(tǒng)籌，扎實推進(jìn)海洋強國建設(shè)。以信息化為依托的智慧海洋工程將海洋傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)與人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等新一代數(shù)字技術(shù)相融合，不斷提高海洋開發(fā)利用和保護的智慧化水平。智慧海洋一定程度上可實現(xiàn)信息深度融合、互聯(lián)互通、信息共享，是生產(chǎn)方式與思維方式的變革，將幫助人類更好地認(rèn)識海洋、經(jīng)略海洋，為海洋強國建設(shè)增添新動能。

智慧海洋架構(gòu)體系主要包括數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)傳輸層、數(shù)據(jù)存儲與分析層、數(shù)據(jù)應(yīng)用層。整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

基礎(chǔ)通信網(wǎng)絡(luò)是發(fā)展智慧海洋的基石。智慧海洋的信息覆蓋范圍大、空間地理位置差異大、數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)傳輸實時性要求高，因此必須建立高質(zhì)量的通信傳輸網(wǎng)絡(luò)，才能實現(xiàn)信息互聯(lián)互通、共建共享。從智慧海洋架構(gòu)看，當(dāng)前發(fā)展瓶頸在于基礎(chǔ)通信能力不足，形成沙漏型結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)傳輸層能力較弱，使得數(shù)據(jù)采集層采集的數(shù)據(jù)無法快速實時傳輸至數(shù)據(jù)存儲與分析層。基礎(chǔ)通信能力不足將制約智慧海洋發(fā)展，加強智慧海洋基礎(chǔ)通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)是打破智慧海洋發(fā)展瓶頸的首要工作。

2 通信網(wǎng)絡(luò)在智慧海洋中的應(yīng)用現(xiàn)狀

衛(wèi)星在智慧海洋通信網(wǎng)絡(luò)中承擔(dān)重要的角色，目前常用的通信衛(wèi)星類型有VSAT、海事衛(wèi)星、寬帶通信衛(wèi)星、銥星等[1]。VSAT（Very Small Aperture Terminal）衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要利用 C 頻段或 Ku 頻段同步衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器，提供單向或雙向的語音、數(shù)據(jù)、圖像等通信業(yè)務(wù)，通信速率為 2-4Mbps。寬帶通信衛(wèi)星，又稱為高通量衛(wèi)星（High Throughput Satellite，HTS），基于 Ka 頻段以及多點波束技術(shù)的運用，可實現(xiàn)超過 12Mbps 的通信速率。海事衛(wèi)星系統(tǒng)采用 L、Ka 兩個波段提供覆蓋海、陸、空全方位的高速衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)，下行速率可達(dá) 50Mbps。銥星系統(tǒng)是由美國建設(shè)的衛(wèi)星移動通信星座系統(tǒng)，可提供速率為 100kbps 的全球移動衛(wèi)星通信服務(wù)。現(xiàn)有的衛(wèi)星數(shù)量少，資源有限，單星覆蓋范圍有限[2]，使用費用高昂，同時因其很大程度上依賴國外衛(wèi)星系統(tǒng)，存在數(shù)據(jù)安全隱患。

以海底光纜為代表的有線通信也可實現(xiàn)海島與大陸、海島與海島之間的信息通信。海底光纜通信系統(tǒng)的優(yōu)勢是速率高、容量大、可靠性高、抗干擾能力強、保密性能好[3]。目前無中繼海底光纜的傳輸距離最長可達(dá) 600～700km，而有中繼海底光纜通過采用海底中繼器，傳輸距離可達(dá)上萬公里。但是，目前海底光纜在國內(nèi)的市場需求較小，應(yīng)用場景不足，供電系統(tǒng)設(shè)計復(fù)雜，因此，我國海底光纜在智慧海洋領(lǐng)域的應(yīng)用仍面臨巨大挑戰(zhàn)。

公共陸地移動網(wǎng)，簡稱公網(wǎng)，是近海領(lǐng)域的主要通信手段，具有穩(wěn)定可靠、產(chǎn)業(yè)成熟、標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一等顯著優(yōu)勢，可覆蓋生產(chǎn)、旅游、監(jiān)管、應(yīng)急等場景需求。目前由運營商建設(shè)的移動通信網(wǎng)絡(luò)，可覆蓋近海 50km 左右的范圍，主要以 3G、4G 為主，可滿足基本的語音和低速數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)需求[4]。下一步，隨著 5G 的大規(guī)模商用，將進(jìn)一步推動 5G 在近海區(qū)域的應(yīng)用和覆蓋，利用 5G 大帶寬、大容量、低時延等特性，助力智慧海洋生態(tài)旅游、智慧港航、智慧漁業(yè)等產(chǎn)業(yè)發(fā)展[5]。但是公網(wǎng)入海存在建設(shè)成本高、維護成本高、短期收益低等問題，導(dǎo)致運營商的投資建設(shè)意愿低，建設(shè)緩慢。同時由于建設(shè)難度高，無法覆蓋深遠(yuǎn)海區(qū)域。

3 衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)在智慧海洋中的應(yīng)用

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)是指以衛(wèi)星為接入手段的寬帶互聯(lián)網(wǎng)，主要由太空的衛(wèi)星星座、地面的運營中心、關(guān)口站、測控站等和用戶的接入網(wǎng)、接入終端組成[6]。類比地面網(wǎng)絡(luò)通過基站接入，衛(wèi)星就是太空中移動的基站。衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)多利用低軌寬帶衛(wèi)星，因其運行于 500～2000 公里范圍內(nèi)的近地軌道，具有低時延、鏈路損耗小、易于實現(xiàn)全球覆蓋等優(yōu)勢。相比于銥星等窄帶低速衛(wèi)星通信系統(tǒng)，新的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)可實現(xiàn)與地面類似的寬帶網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，即低軌、寬帶、高速、全覆蓋衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)。

作為地面通信手段的補充，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)在地面通信網(wǎng)絡(luò)無法覆蓋的領(lǐng)域，將起到不可替代的重要作用。海洋則是其中最典型的應(yīng)用場景。衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的部署不受海洋上地理空間位置變化大、環(huán)境潮濕、氣候變化顯著的影響，并且大量衛(wèi)星組網(wǎng)后可實現(xiàn)全域的覆蓋和大容量的接入。因此衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)在智慧海洋通信中具有覆蓋范圍廣、通信容量大、接入速度快、靈活性能強的優(yōu)勢，可以打破智慧海洋通信網(wǎng)絡(luò)瓶頸，填補信息通信鴻溝，解決海上信息孤島問題，為遠(yuǎn)洋運輸、海上旅游、環(huán)境監(jiān)測、應(yīng)急救援等領(lǐng)域提供高效、安全、可靠、智能的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，成為智慧海洋的核心競爭力[7]。

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)在寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)起重要作用。通過衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)接口，用戶可以在手持終端上，進(jìn)行圖片、語音、視頻等數(shù)據(jù)信息的傳輸，穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)連接有助于將海上獲取的環(huán)境數(shù)據(jù)、科考數(shù)據(jù)等信息實時回傳至陸地，提高海上作業(yè)的高效性和安全性。因其低時延的特性，在一些對實時性要求高的場景，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)可提供高效的通信保障。此外，長期在海上作業(yè)的船員，可以通過衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)與家人通話、視頻，或是娛樂。

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)在遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控具有顯著優(yōu)勢。利用衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)大帶寬、廣覆蓋的特點，將安裝在漁船等移動平臺的視頻監(jiān)控設(shè)備與陸地的控制顯示中心連接，滿足陸地對海洋的監(jiān)控需求，可進(jìn)行高清的遠(yuǎn)程視頻會議。

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)可滿足海上應(yīng)急救援通信需求。當(dāng)海上作業(yè)的船只或者人員發(fā)生突發(fā)事件需要應(yīng)急救援時，可通過一鍵報警裝置，通知陸地服務(wù)或管理中心。陸地管理人員通過衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)，查看遇險船只的位置、航向、狀態(tài)等信息，并調(diào)度附近船只或其他救援隊伍。借助衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)全海域覆蓋、高傳輸速率的優(yōu)勢，大大提高了海上應(yīng)急救援的可靠性和及時性。

除了提供通信手段，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)同時也是太空中的平臺，通過與 5G、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的融合，可實現(xiàn)豐富多樣的智慧海洋應(yīng)用場景。

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融合，可將各類信息感知設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，提升海洋立體化觀測預(yù)測能力，實現(xiàn)海洋數(shù)據(jù)的監(jiān)測和系統(tǒng)化管理。例如在基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧船舶應(yīng)用中，船員的智能穿戴、船舶視頻監(jiān)控等設(shè)備通過衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和實時回傳。

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)搭載攝像頭或各類傳感器，可實現(xiàn)海洋遙感。經(jīng)過探測、傳輸、加工和處理等步驟，獲取海洋圖像或數(shù)據(jù)資料，多用于監(jiān)測海流、水質(zhì)、圍墾、懸浮沙、海洋水文、氣象、海洋污染等。典型應(yīng)用包括探測海底地形、觀測海洋動力現(xiàn)象、探測海底地層剖面，為海底潛水器提供導(dǎo)航、避碰、跟蹤等信息。通過衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)與海洋遙感技術(shù)的結(jié)合，可大幅縮短重訪周期，獲得大批量高頻次遙感數(shù)據(jù)，實現(xiàn)全海域、全天時、全天候工作能力[8]。

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)搭載定位導(dǎo)航設(shè)備，可實現(xiàn)無人水面艇（USV）、自主水下潛航器（AUV）、水下滑翔器、Argo 浮標(biāo)、遙控?zé)o人潛水器（ROV）等無人化設(shè)備的遠(yuǎn)程遙控和定位導(dǎo)航。借助衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)全覆蓋、全天候的優(yōu)勢，一方面可加快接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)的速率，提高定位精度，另一方面可實現(xiàn)全球覆蓋，消除定位盲區(qū)。

4 總結(jié)

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)在智慧海洋通信網(wǎng)絡(luò)中具有顯著優(yōu)勢，將有效解決智慧海洋基礎(chǔ)通信能力不足的問題。2020 年 4 月，國家發(fā)改委將衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)納入“新基建”范圍，標(biāo)志著衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)已上升為國家戰(zhàn)略性工程。相關(guān)研究指出，未來幾年，中國衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的總體市場可達(dá)千億規(guī)模。由此來看，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)具有廣闊的發(fā)展前景。

除了良好的外部優(yōu)勢，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)自身也需持續(xù)發(fā)力。緊緊把握智慧海洋發(fā)展契機，完善衛(wèi)星設(shè)計制造、發(fā)射、運營、服務(wù)的行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈，積極進(jìn)行產(chǎn)業(yè)模式創(chuàng)新，鼓勵科研機構(gòu)、高校、民營企業(yè)等各方加入，共同促進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。借助一帶一路和海上絲綢之路國家戰(zhàn)略，加強與其他國家的合作交流，逐步擴大內(nèi)部優(yōu)勢，在軌位和頻率資源上，應(yīng)搶抓機遇、主動爭取。加大研發(fā)力度，突破關(guān)鍵技術(shù)，降低生產(chǎn)成本。建立標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，加強頂層統(tǒng)籌規(guī)劃，為未來發(fā)展奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

當(dāng)前，國內(nèi)外衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)已紛紛展開部署，一場圍繞衛(wèi)星發(fā)射“通行證”的太空資源爭奪戰(zhàn)正在悄然展開。2020 年至 2030 年，將是衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展期，一批批衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)正蓄勢待發(fā)。我國衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)規(guī)模將持續(xù)擴大，產(chǎn)值穩(wěn)步增長，保持良好的發(fā)展態(tài)勢。衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展將深刻改變?nèi)祟惖纳a(chǎn)生活方式，為經(jīng)濟增長和社會進(jìn)步注入強大動力。

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