衛星互聯網在智慧海洋領域的應用展望

郭溪

摘要：利用信息化手段建設智慧海洋是實現海洋強國的必經之路，海洋的特殊環境對海上通信網絡提出較高的需求。衛星互聯網因其全覆蓋、大容量、低時延等優勢，被納入新基建范圍，成為智慧海洋通信網絡發展的重要趨勢。該文針對智慧海洋通信能力不足的問題，分析了現有海上通信方式的優缺點，論述了衛星互聯網在智慧海洋通信網絡中的應用，并對衛星互聯網的發展提出展望。

關鍵詞：衛星互聯網;智慧海洋;通信網絡;全覆蓋;高速率;大帶寬

中圖分類號：TP393? ? ? ? 文獻標識碼：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

進入 21 世紀以來，隨著陸地資源的消耗，開發海洋資源、探索海洋環境成為必然趨勢。完善的海洋通信網絡可實現數據的高速實時傳輸，極大地提高海上科考、海上作業的效率。在海洋通信網絡中，衛星互聯網在覆蓋范圍、通信速率、接入帶寬等方面具有顯著的優勢。本文重點闡述了衛星互聯網在智慧海洋領域的應用，以及衛星互聯網的發展展望。

1 智慧海洋概述

近年來，我國一直致力于海洋事業的發展，提出建設海洋強國的重大戰略部署。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，壯大海洋經濟、加強海洋資源環境保護、維護海洋權益事關國家安全和長遠發展，因此必須堅持陸海統籌，扎實推進海洋強國建設。以信息化為依托的智慧海洋工程將海洋傳統產業與人工智能、大數據、物聯網等新一代數字技術相融合，不斷提高海洋開發利用和保護的智慧化水平。智慧海洋一定程度上可實現信息深度融合、互聯互通、信息共享，是生產方式與思維方式的變革，將幫助人類更好地認識海洋、經略海洋，為海洋強國建設增添新動能。

智慧海洋架構體系主要包括數據采集層、數據傳輸層、數據存儲與分析層、數據應用層。整體結構如圖1所示。

基礎通信網絡是發展智慧海洋的基石。智慧海洋的信息覆蓋范圍大、空間地理位置差異大、數據量大、數據傳輸實時性要求高，因此必須建立高質量的通信傳輸網絡，才能實現信息互聯互通、共建共享。從智慧海洋架構看，當前發展瓶頸在于基礎通信能力不足，形成沙漏型結構。數據傳輸層能力較弱，使得數據采集層采集的數據無法快速實時傳輸至數據存儲與分析層?；A通信能力不足將制約智慧海洋發展，加強智慧海洋基礎通信網絡建設是打破智慧海洋發展瓶頸的首要工作。

2 通信網絡在智慧海洋中的應用現狀

衛星在智慧海洋通信網絡中承擔重要的角色，目前常用的通信衛星類型有VSAT、海事衛星、寬帶通信衛星、銥星等[1]。VSAT（Very Small Aperture Terminal）衛星通信系統主要利用 C 頻段或 Ku 頻段同步衛星轉發器，提供單向或雙向的語音、數據、圖像等通信業務，通信速率為 2-4Mbps。寬帶通信衛星，又稱為高通量衛星（High Throughput Satellite，HTS），基于 Ka 頻段以及多點波束技術的運用，可實現超過 12Mbps 的通信速率。海事衛星系統采用 L、Ka 兩個波段提供覆蓋海、陸、空全方位的高速衛星通信網絡，下行速率可達 50Mbps。銥星系統是由美國建設的衛星移動通信星座系統，可提供速率為 100kbps 的全球移動衛星通信服務?，F有的衛星數量少，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星系統，存在數據安全隱患。

以海底光纜為代表的有線通信也可實現海島與大陸、海島與海島之間的信息通信。海底光纜通信系統的優勢是速率高、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 600～700km，而有中繼海底光纜通過采用海底中繼器，傳輸距離可達上萬公里。但是，目前海底光纜在國內的市場需求較小，應用場景不足，供電系統設計復雜，因此，我國海底光纜在智慧海洋領域的應用仍面臨巨大挑戰。

公共陸地移動網，簡稱公網，是近海領域的主要通信手段，具有穩定可靠、產業成熟、標準統一等顯著優勢，可覆蓋生產、旅游、監管、應急等場景需求。目前由運營商建設的移動通信網絡，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據通信業務需求[4]。下一步，隨著 5G 的大規模商用，將進一步推動 5G 在近海區域的應用和覆蓋，利用 5G 大帶寬、大容量、低時延等特性，助力智慧海洋生態旅游、智慧港航、智慧漁業等產業發展[5]。但是公網入海存在建設成本高、維護成本高、短期收益低等問題，導致運營商的投資建設意愿低，建設緩慢。同時由于建設難度高，無法覆蓋深遠海區域。

3 衛星互聯網在智慧海洋中的應用

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

作為地面通信手段的補充，衛星互聯網在地面通信網絡無法覆蓋的領域，將起到不可替代的重要作用。海洋則是其中最典型的應用場景。衛星互聯網的部署不受海洋上地理空間位置變化大、環境潮濕、氣候變化顯著的影響，并且大量衛星組網后可實現全域的覆蓋和大容量的接入。因此衛星互聯網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、靈活性能強的優勢，可以打破智慧海洋通信網絡瓶頸，填補信息通信鴻溝，解決海上信息孤島問題，為遠洋運輸、海上旅游、環境監測、應急救援等領域提供高效、安全、可靠、智能的網絡基礎設施，成為智慧海洋的核心競爭力[7]。

衛星互聯網在寬帶互聯網接入服務起重要作用。通過衛星互聯網網絡接口，用戶可以在手持終端上，進行圖片、語音、視頻等數據信息的傳輸，穩定的網絡連接有助于將海上獲取的環境數據、科考數據等信息實時回傳至陸地，提高海上作業的高效性和安全性。因其低時延的特性，在一些對實時性要求高的場景，衛星互聯網可提供高效的通信保障。此外，長期在海上作業的船員，可以通過衛星互聯網與家人通話、視頻，或是娛樂。

衛星互聯網在遠程視頻監控具有顯著優勢。利用衛星互聯網大帶寬、廣覆蓋的特點，將安裝在漁船等移動平臺的視頻監控設備與陸地的控制顯示中心連接，滿足陸地對海洋的監控需求，可進行高清的遠程視頻會議。

衛星互聯網可滿足海上應急救援通信需求。當海上作業的船只或者人員發生突發事件需要應急救援時，可通過一鍵報警裝置，通知陸地服務或管理中心。陸地管理人員通過衛星互聯網，查看遇險船只的位置、航向、狀態等信息，并調度附近船只或其他救援隊伍。借助衛星互聯網全海域覆蓋、高傳輸速率的優勢，大大提高了海上應急救援的可靠性和及時性。

除了提供通信手段，衛星互聯網同時也是太空中的平臺，通過與 5G、工業互聯網、物聯網、大數據等技術的融合，可實現豐富多樣的智慧海洋應用場景。

衛星互聯網與物聯網技術融合，可將各類信息感知設備與互聯網連接起來，提升海洋立體化觀測預測能力，實現海洋數據的監測和系統化管理。例如在基于物聯網的智慧船舶應用中，船員的智能穿戴、船舶視頻監控等設備通過衛星互聯網可實現數據的采集和實時回傳。

衛星互聯網搭載攝像頭或各類傳感器，可實現海洋遙感。經過探測、傳輸、加工和處理等步驟，獲取海洋圖像或數據資料，多用于監測海流、水質、圍墾、懸浮沙、海洋水文、氣象、海洋污染等。典型應用包括探測海底地形、觀測海洋動力現象、探測海底地層剖面，為海底潛水器提供導航、避碰、跟蹤等信息。通過衛星互聯網與海洋遙感技術的結合，可大幅縮短重訪周期，獲得大批量高頻次遙感數據，實現全海域、全天時、全天候工作能力[8]。

衛星互聯網搭載定位導航設備，可實現無人水面艇（USV）、自主水下潛航器（AUV）、水下滑翔器、Argo 浮標、遙控無人潛水器（ROV）等無人化設備的遠程遙控和定位導航。借助衛星互聯網全覆蓋、全天候的優勢，一方面可加快接收衛星數據的速率，提高定位精度，另一方面可實現全球覆蓋，消除定位盲區。

4 總結

衛星互聯網在智慧海洋通信網絡中具有顯著優勢，將有效解決智慧海洋基礎通信能力不足的問題。2020 年 4 月，國家發改委將衛星互聯網納入“新基建”范圍，標志著衛星互聯網建設已上升為國家戰略性工程。相關研究指出，未來幾年，中國衛星互聯網的總體市場可達千億規模。由此來看，衛星互聯網具有廣闊的發展前景。

除了良好的外部優勢，衛星互聯網產業自身也需持續發力。緊緊把握智慧海洋發展契機，完善衛星設計制造、發射、運營、服務的行業產業鏈，積極進行產業模式創新，鼓勵科研機構、高校、民營企業等各方加入，共同促進產業發展。借助一帶一路和海上絲綢之路國家戰略，加強與其他國家的合作交流，逐步擴大內部優勢，在軌位和頻率資源上，應搶抓機遇、主動爭取。加大研發力度，突破關鍵技術，降低生產成本。建立標準規范，加強頂層統籌規劃，為未來發展奠定技術基礎。

當前，國內外衛星互聯網已紛紛展開部署，一場圍繞衛星發射“通行證”的太空資源爭奪戰正在悄然展開。2020 年至 2030 年，將是衛星互聯網的快速發展期，一批批衛星互聯網企業正蓄勢待發。我國衛星互聯網產業規模將持續擴大，產值穩步增長，保持良好的發展態勢。衛星互聯網的發展將深刻改變人類的生產生活方式，為經濟增長和社會進步注入強大動力。

參考文獻：

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