我國空間互聯網星座系統發展戰略研究

李峰 ，禹航 ，丁睿 ，王寧遠 ，王雨琦 ，周志成

（1.中國空間技術研究院，北京 100094；2.鵬城實驗室，廣東深圳 518000；3.中國衛星網絡集團有限公司，北京 100029）

一、前言

空間互聯網包括由各類在軌運行的飛行器、衛星或衛星星座構成的空間信息處理及通信設施，各類地面站、核心網等相關地面基礎設施，各類應用系統融合構成的高性能全球網絡基礎設施，是新一代全球互聯網的發展重點方向、新一輪空間競爭的焦點。國際衛星產業龍頭企業均在積極開展空間互聯網業務投資，力求搶占衛星空間網絡高地，爭奪空間寶貴資源。以Starlink、Oneweb等為代表的低軌巨型星座工程已經進入實際部署階段 [1,2]，新一代“千星星座”乃至“萬星星座”的空間互聯網低軌星座系統啟動建設。在我國，空間互聯網作為國家空間信息基礎設施的重要組成部分，納入了 “新基建”范疇 [3]。

已有研究從空間互聯網的體制、架構、關鍵技術等方面著手，對我國相關領域的建設與發展進行探討：提出天地一體的空間互聯網架構，分析網絡發展趨勢與關鍵技術 [4,5]；闡述空間互聯網與地面第五代移動通信（5G）技術融合的網絡架構、關鍵技術、應用場景 [6,7]；研究5G與衛星通信融合的空中接口設置與標準化策略 [8]；從技術及產業的角度論述衛星互聯網與5G/第六代移動通信（6G）的協同發展趨勢 [9]。于此同時，我國的國有企業、民營企業、初創公司紛紛開展空間互聯網的試驗摸索和建設嘗試 [5]；相關管理部門依托國家科技創新專項先期推動星座系統論證，面向迫切需求、整合優勢力量、推動工程建設。

也要注意到，目前我國依然缺乏有關空間互聯網星座系統的全面綜合分析，統籌規劃和建設步驟也有待深入研究；在后續建設過程中，將面臨通信標準、信息安全、產業應用等諸多難題。因此，盡快開展多方位的頂層分析論證、形成后續空間互聯網產業體系發展規劃建議顯得尤為 迫切。

二、我國空間互聯網建設需求分析

發展自主可控的空間互聯網星座系統是網絡強國建設的重要內容，可有效提升全球覆蓋、安全可控的信息網絡服務能力，搶占空間信息領域發展制高點和主動權?？臻g互聯網星座建設，一方面要聚焦國家需求，建設全球可通、自主可控的衛星互聯網，另一方面要推動形成“互聯網+”航天的新興產業。

（一）服務國家重大戰略，支撐網絡強國建設

空間互聯網作為國家戰略性基礎設施，對支撐和推動經濟、政治、文化、社會各領域發展的作用顯著。發展我國自主的空間互聯網星座系統，是占據空間信息網絡發展制高點、實現網絡強國戰略目標的重要舉措，是構建國家重大能力、維護空間資源和地位的集中反映；作為航天強國建設的標志性工程，是牽引商業航天全面發展、引領信息產業和宇航技術升級的重要舉措。

（二）保障安全通信，建設天基通信彈性空間體系

面對復雜、嚴峻的全球網絡信息安全形勢，加快構建獨立自主的空間互聯網星座系統，可顯著提高我國天基通信體系的生存能力，形成維護國家信息安全的有效手段，對構建我國彈性空間通信體系意義重大。通過多功能結合的創新應用，快速增強我國自主安全的通信保障能力，保障國家長遠戰略利益。

（三）綜合一體化應用，拓展信息網絡覆蓋范圍

隨著我國“走出去”戰略的不斷深化，信息網絡的全球能力覆蓋勢在必行。優先在海洋、極地、“一帶一路”沿線等區域實現寬、窄帶結合的通信保障能力，進而形成全球覆蓋、功能共用的空間信息基礎設施。智慧海洋工程、航空器全球追蹤與安全監控等行業應用規劃的推進，促進導航增強、廣域監視及數據采集分發等行業服務的產業化發展。

（四）促進經濟社會發展，提升居民生活質量

空間互聯網既可保障海外通信需求、服務國家經濟活動、促進高質量“走出去”，又是信息產業發展的新引擎，對推動產業轉型升級、實現新興產業布局起到關鍵作用?？臻g互聯網作為仍在快速發展的互聯網升級方向之一，可為我國老少邊窮地區提供普遍的互聯網服務，是帶動地區經濟社會發展、縮小城鄉發展差距、彌合數字鴻溝、提升居民生活質量的重大基礎設施。

（五）帶動衛星產業發展，引領航天產業升級

空間互聯網星座系統建設，將促進我國航天產業轉型升級：催生衛星模塊化、標準化、國際化設計理念轉變，帶動衛星、運載火箭的批產能力與生產線建設，實施地面系統與地面運營的國際化推廣。通過面向世界一流的空間互聯網能力建設，引領我國航天裝備、信息服務領域的全面發展，推動我國戰略新興技術躋身國際先進行列。

三、國內外空間互聯網發展趨勢研判

（一）星座巨型化、衛星寬帶化

新型空間互聯網星座動輒成千上萬顆，如Starlink（4425~41 943顆）、Oneweb（720~6372顆）、Lightspeed（298~1671顆）、Kuiper（3236顆)；廣泛采用Ku/Ka/Q/V頻段點波束來實現全球覆蓋 [10~13]。該發展趨勢既是頻率、軌道資源激烈競爭的結果，也是面向未來業務增長空間的必然選擇。批量化衛星制造能力、低成本進入空間能力，也為巨型星座發展提供了現實可行的技術途徑。

（二）星間組網成為技術潮流

新型空間互聯網星座系統普遍支持星間鏈路，以此構建全球無縫連接、低時延的空間網絡系統。國外在建的星座系統，星間鏈路應用與否不僅是技術問題，也受到成本、安全等因素限制。從技術角度看，星間鏈路存在路由、移動性管理、干擾抑制、輕量化等諸多挑戰，新技術的突破、驗證、應用還需要時間來檢驗。從成本方面看，現有的高通量星間載荷價格不菲，裝備于成千上萬顆衛星則難以負擔，需要在控制載荷成本的同時盡量精簡部署結構（數量）。

（三）高低軌衛星結合發展

針對低軌通信星座的迅猛發展勢頭，國際上的地球靜止軌道（GSO）通信衛星運營商也迅速作出反應，綜合考慮GSO和低地球軌道（LEO）系統的優缺點，啟動了GSO-非地球靜止軌道（NGSO）混合系統的建設 [14]。目前主要存在兩種模式：一是GSO、LEO系統聯合運營，基于兩者系統特性上的差別，實現服務能力互補，改善用戶服務體驗；二是GSO衛星處理LEO星座的測控操作，通過配置星間中繼鏈路，利用廣域覆蓋的GSO衛星來提升LEO星座的測控效率。高、低軌通信衛星優勢互補、協同發展，可進一步提升混合系統的服務多樣性。

（四）工程研制模式顯著革新

現有的空間互聯網星座系統研制模式主要有3種：以Oneweb為代表的生態圈資源整合、以Starlink為代表的自主垂直整合、以Blackjack為代表的項目分包。OneWeb公司通過全球資源整合來建立產業鏈生態圈，采取融資方式籌集資金；自身主要負責星座運營，衛星制造依靠與空中客車防務及航天公司合作實現。SpaceX公司依靠自主完整的商業航天產業鏈來建設Starlink，集衛星、運載火箭、地面站制造，火箭發射與回收，衛星運營與服務于一身，實現產業鏈自主閉環。Blackjack分階段劃分項目任務，不斷篩選和縮減承研單位的數量，選擇最優的承包商團隊（大型宇航制造商、小型初創企業均有涉及）。立足自身狀態并最大化自身優勢，充分調動已有資源，保障設計、制造、發射、運營等全產業鏈的快速、安全、高效運行。

（五）頻率及關鍵技術儲備布局

國外在建的空間互聯網星座系統，均在加緊頻率資源爭奪，以用戶鏈路所用頻段爭奪最為激烈。在現階段，Ku頻率資源已基本被瓜分殆盡；Ka頻率資源雖已有低軌星座系統規劃，但尚無實際衛星應用；V頻率資源已成為多個星座系統作為規模擴展階段擬申報儲備的目標。在儲備頻率的同時，各大衛星互聯網企業都在積極開發Q/V頻段的應用潛力，著手研究E頻段通信技術。相關企業在高效接入、星間鏈路組網、物聯網應用、大規模干擾規避等關鍵技術方向都進行了研發布局，逐步形成專利儲備。

四、我國空間互聯網星座系統發展基礎

（一）大規模星座工程建設

北斗衛星定位導航系統是我國目前在軌規模較大的星座系統 [15]，其成功研制和有效運營積累了衛星、運載火箭的中等規模批產與批次發射經驗，具備了長期管理、異常處置等在軌管理能力。與北斗系統相比，空間互聯網星座系統的規模更大、功能更加復雜，對產品的批量生產、質量保證提出了嚴峻挑戰；還需要進一步提高運載火箭批量化生產能力，改善測控條件和發射環境。目前，我國還缺少數百顆甚至上千顆衛星所構成星座的建設經驗。

（二）運載火箭能力

經過六十余年的發展，我國形成了以長征系列運載火箭為主的航天運輸系統，支撐了多項國家重大宇航任務的實施。綜合考慮經濟性、規劃整體性， CZ-2C、CZ-2D、CZ-5B、CZ-6A、CZ-8液體運載火箭均可承擔“一箭多星”發射任務，CZ-11A、KZ-11固體運載火箭可用于快速補網，新型重復使用運載火箭可逐步承擔2025年后更大規模的組網發射任務 [16]。新一代液體火箭發動機（液氧/煤油、液氫/液氧）的產能受限問題，可能為空間互聯網星座系統建設帶來一定的風險。

（三）發射場

現階段，國內具備運載火箭發射能力的主要有酒泉、太原、西昌、文昌等發射場，海陽海上發射平臺也具有一定規模的發射能力。綜合現有發射計劃，未來3年剩余工位的總運載能力不足150 t，保障空間互聯網星座的大規模發射任務風險較大；這是星座衛星規模的制約瓶頸，應予以突破 [17]。太原發射場CZ-6A發射工位計劃于2021年建成，短期內具備4發/年的發射能力。此外，文昌、象山、煙臺等地都在籌建新的商業發射工位。

（四）終端技術研制

目前，我國電子、航天領域的一些單位具備為衛星通信系統提供信關站、網絡主站、部分應用終端的生產能力。盡管隨著高軌高通量衛星的推廣應用，地面信關站、終端技術正在快速發展演進，但空間互聯網低軌系統所需的快速跟蹤、高集成、低成本相控陣天線，適應新體制的高集成基帶芯片，地面核心網產品及運控管理系統等，尚無成熟產品，需要盡快部署研制。

（五）標準化

地面移動通信的標準演進“十年一代”，我國在這一發展過程中實現了第三代移動通信（3G）跟隨、第四代移動通信（4G）趕超、5G領跑。地面移動通信的標準化過程，為我國空間互聯網標準突破提供了技術基礎和實施經驗 [18]。也要注意到，我國衛星通信標準化工作尚缺乏成熟經驗，中國通信標準化協會、全國宇航技術及其應用標準化技術委員會等均未開展相關工作，對國際衛星電視廣播標準（DVB-S2X）、第三代合作伙伴計劃（3GPP）非地面網絡（NTN）標準的跟蹤和參與都有所不足。

五、我國空間互聯網星座系統發展思路

我國空間互聯網星座系統的發展，應以航天強國、網絡強國戰略為牽引，秉持“創新、協調、綠色、開放、共享”的理念，通過創新驅動、融合發展，開展先進系統、新興技術的前瞻研發布局。以空間互聯網星座系統建設為依托，拓展空間信息服務的深度與廣度，把握網絡信息技術革命的歷史性機遇，贏得參與全球空間信息基礎設施競爭的獨特優勢。預計到“十四五”末期，形成高低軌協同、天地一體的空間互聯網星座系統總體布局，具備全球覆蓋、技術自主、安全可控的空間互聯網服務能力，成為全球衛星互聯網發展的重要主導力量。

統籌規劃，突出重點。加強天基網絡信息體系的頂層設計和綜合布局，融合威脅驅動、需求驅動、創新驅動三重要素，統籌實施我國高、低軌天基信息裝備體系協同發展；重點建設空間互聯網星座系統，實質性提升我國天基網絡信息體系彈性。

階段實施，持續演進。鑒于空間互聯網星座系統建設的持續性和復雜性，相關體系架構設計應支持分階段實施、持續演進，不斷挖掘技術進步帶來的能力提升；盡快實現基本應用能力，持續保持近地空間系統的競爭力與生命力，搶占近地空間新高地。

功能融合，彈性建設。把握國內相關系統建設進展，加強多功能融合與銜接，通過采購服務、寄宿搭載、波形加載，形成面向應用的增強服務能力；深度挖掘系統規模優勢，形成天地融合的低軌網絡與信息體系，加速在我國諸多領域的應用滲透。

創新驅動，體系帶動。瞄準世界航天和網絡領域發展前沿，創新包括研發、制造、應用在內的天基信息體系，牽引重點領域發展模式演進；加強衛星批量制造能力，提升運載火箭發射和測控能力，扭轉領域滯后發展局面，帶動重大裝備的供給側結構性變革。

六、我國空間互聯網星座系統建設的重點任務與技術路線

（一）空間互聯網星座系統規劃

空間互聯網星座系統主要包含空間段、地面段、用戶段（見圖1）。①空間段采用用戶靈活接入、星間高速互聯、系統彈性高效的空間混合星座網絡架構，按照“星箭一體化、平臺通用化、載荷模塊化、接口標準化、組合多元化”的衛星設計思路，實現全球寬帶互聯網和移動通信服務能力，按需提供應用服務和專用載荷搭載服務。②地面段面向多用戶、多業務、全球化的服務需求，主要完成星座運行管理、星地一體化網絡管理、全球站網管理、用戶終端管理、全球運營服務支撐等任務；細分為運行控制中心、網絡管理中心、運營服務中心、全球信關站網，通過地面通信網絡實現互聯互通。③用戶段按照“終端模塊設計、系統開放擴展”等設計原則，開展終端結構化設計、應用平臺化集成、數據云化配置等。

圖1 空間互聯網星座系統架構圖

關于建設計劃，分階段建成獨立自主、全球覆蓋、先進高效、安全可靠的空間互聯網星座系統。先期開展試驗衛星發射、地面段建設，實施通信體制、關鍵技術試驗驗證，初步形成具有自主知識產權的標準體系，突破衛星規模制造和發射瓶頸，基于典型場景開展應用示范。未來5年，實現全球覆蓋、全面服務，完成第一代系統建設，提升重點區域覆蓋能力和服務質量，增強時空信息體系能力。未來10年，完成拓展系統建設，實現增強覆蓋、優質服務，建設分層部署、協同分工、多重覆蓋的第二代星座系統，建成天地同步發展的全球綜合信息服務網絡，全面滿足國家戰略需求和智能化社會應用需求。

（二）空間互聯網標準策略

近年來，包括大型航天企業、民營企業在內，我國發布了10余個低軌星座計劃，從產業發展、商業利益的角度看，需要重點進行空間組網理論研究，及時建立關于空間互聯網的協議體系規范和標準。目前國內外的相關發展仍存在突出問題：空間網絡組網的基礎理論薄弱，標準網絡協議體系空白，對于巨型低軌衛星網絡的地面模擬測試環境欠缺。因此，一方面需要對網絡架構、業務場景、服務質量、接入網技術、承載網技術、核心網技術、網絡安全、設備與測試規范等制定相關標準，另一方面需要建設完整有效的地面測試與評估系統，支持系統研發質量提升，降低系統在軌故障風險。

未來5年，著重突破天地復雜環境下高可靠高速率傳輸技術、多時空尺度密集型巨星座信息組網技術、動態網絡頻率干擾規避及共享技術、面向多業務特性的空間網絡資源分配技術、通信/感知/定位一體化技術，形成相關標準規范。

未來10年，重點突破超大規模網絡跨域態勢感知與智能網絡協同傳輸技術、星地一體頻率感知與同頻共用技術、星地協同組網與融合共用技術、太赫茲高速傳輸技術，形成相應標準規范。

未來15年，著重發展空間邊緣計算與信息融合處理技術、天基智聯網絡構架技術、星地融合無感切換技術、天地智能協同組網技術，形成相應標準規范。

（三）空間互聯網安全體系

衛星節點暴露且信道開放，異構網絡互聯且網絡拓撲高度動態變化，高鏈路誤碼率對網絡性能造成負面影響，長時延和間歇性降低網絡反饋的及時性，星上資源受限影響計算能力，這些都是空間互聯網星座系統安全性受限的因素。國外的空間互聯網星座系統在國內落地應用后，將帶來一系列的安全問題。我國的空間互聯網在全球運營后也將面臨泄露敏感數據、威脅重要基礎設施和關鍵設備、竊取寬帶資源等安全風險。

在物理安全、運行安全、數據安全等層面開展空間互聯網網絡安全架構研究?？臻g互聯網星座系統在設計之初就應充分考慮網絡安全的要求，各個分層、各個系統的業務需求要與安全需求相互融合，安全能力要嵌入各個分層、各個系統的方方面面；有效阻斷外來惡意攻擊，有效遏制內部人員的違規和惡意行為，實現“數據拿不走、網絡擾不癱、應用阻不斷、蹤跡隱不掉”。

未來5年，對空間互聯網設計的安全協議、安全機制、安全措施進行聚合，實現對空間互聯網的全面安全監管和治理；構建涵蓋物理層、鏈路層、網絡層、傳輸層、應用層及跨層通訊安全的協議標準。

未來10年，重點網絡安全態勢感知可全方位、全流程把握空間互聯網的運行安全態勢，持續檢測各個尺度、維度、層次的安全威脅，結合歷史安全事故、威脅情報對未知威脅進行分析檢測，作出安全威脅預判和并啟動預置防護措施，保持安全事件應急的自動化響應。

未來15年，空間互聯網配置先進的安全防護技術和管理保障制度，將網絡安全防護能力全方位融入業務系統，為空間互聯網應用提供持續的安全服務保障。

（四）空間互聯網應用場景

我國空間互聯網采取分階段建設、彈性擴展、持續演進的策略，系統在應用層面上呈現循序漸進的特征。短期來看，受衛星數量、空間網絡技術的制約，系統建設初期支持的用戶數量、應用場景均有限，將主要面向政府機構、科學考察、救災應急、自然保護等重點領域提供服務；隨著系統能力提升，逐步開放面向民航、海上、偏遠地區的行業用戶服務；最終待系統服務能力充足后，面向普通消費者提供大規模服務。

未來5年，重點面向政府機構開展典型場景下的應用示范，面向海洋科考、極地勘探、搶險救災、應急保障、?；\輸、自然資源保護等領域推廣應用。

未來10年，面向行業用戶不斷拓展，重點開拓民航交通、海上交通及作業、無人機作業、石油開發、遠洋運輸、偏遠地區基建等應用市場。

未來15年，在網絡建設不斷成熟的基礎上，面向普通消費者市場拓展應用，采用新型通信技術，解決天地一體融合接入難題，提供天地無感切換的高質量網絡體驗。

七、對策建議

（一）加強頂層統籌規劃，促進產業協同發展

統籌我國衛星互聯網建設規劃，建立高、低軌星座協同發展機制；整合優勢力量與資源，形成新興領域發展合力，實質性推進我國空間互聯網星座系統的體系化發展。

構建關聯企業協同發展模式，倡導市場主導下的多元投入、多方合作，以產業聯盟、技術標準為紐帶，積極引導社會力量參與空間互聯網星座系統的建設、應用、維護。

有機整合我國現有的星座互聯網建設規劃，統籌優勢力量和資源，加強頻率軌道相關基礎研究，面向長期發展需求儲備空間頻率資源；瞄準產業全鏈條發展目標，優化低軌星座互聯網建設規劃，加快推進空間系統建設，積極參與全球資源協作與競爭。

（二）加快標準制定，支持自主核心競爭力提升

統籌推進、加快建立統一的空間互聯網星座系統標準體系。充分借鑒我國地面移動通信標準研制的成功經驗，及時論證制定有關業務需求、網絡、測試、信息安全、應用等系列標準，指導相關系統的建設與應用推廣。

建立空間互聯網星座系統知識產權服務平臺，構建完備的知識產權保護體系，提升產業創新和知識產權綜合運用能力，保障產業化過程的穩健發展。針對新應用、新業態，研究空間互聯網星座系統的知識產權戰略、標準開源協議、知識產權風險，構建標準體系知識產權保護全鏈條，支持形成空間網絡核心競爭力。

推動自主標準體系的國際化進程，積極參與空間互聯網星座系統的國際標準研究與制定，提升中國標準的國際影響力。加強我國相關標準體系在國際移動通信、民航組織、國際海事組織等重要行業的應用推廣，支持我國空間互聯網星座系統“走出去”。

（三）實施關鍵技術攻關，提速網絡建設進程

加快空間互聯網星座系統的核心元器件自主化進程，開展宇航級核心元器件、關鍵部組件的研制，打牢大型空間系統工程建設的基礎條件。超前部署Q/V頻段射頻關鍵器件、高效率天線等核心部組件的自主研發計劃，增強我國空間互聯網星座系統的頻率保障能力。

加強運載火箭關鍵前沿技術突破，提高大推力火箭發動機、運載火箭重復使用等技術的成熟度，提升我國運載火箭整體技術水平。優化制造工藝與生產模式，突破火箭發動機、箭體結構等大型部件的低成本、規?；圃礻P鍵技術，顯著提高運載火箭發射性價比，保障空間互聯網星座系統的規?；ㄔO、可持續發展。

加快提升地面應用終端關鍵技術，實施用戶終端先期研發計劃，突破低成本相控陣天線、核心芯片、高頻段器件、終端測試環境等技術，形成批量的原創性成果。改善衛星應用終端領域核心元器件、高性能部件的自主可控水平，盡快形成與空間互聯網星座建設計劃相匹配、具有較好性價比的用戶終端規模化生產能力。

（四）促進融合創新應用，提升網絡服務能力

加強空間互聯網應用創新，依托于衛星星座、移動通信、新一代互聯網、工業制造、智慧城市、智能交通等領域的技術發展，擴寬空間互聯網的多元化、智能化應用。拓展空間互聯網的應用廣度和深度，提升我國空間互聯網應用產業的國際競爭力，促進空間互聯網的可持續發展；發揮產業帶動力，支持金融、物流等現代服務業的快速發展與供給側結構性改革。

推動空間互聯網應用，發揮衛星網絡全球覆蓋的優勢，以資源共享、功能互補、能力互備為目標，實施多類業務共同承載，實現低軌星座對現有通信系統能力的差異化補充，適應低延時、高帶寬、全球覆蓋的應用需求。

（五）構建先進防護體系，維護空間網絡信息安全

合理加大空間互聯網安全架構、安全協議、安全標準、密碼算法及安全管理體系等方面的基礎研究投入，在系統建設過程中規避安全隱患。加強網絡安全態勢與對抗分析，提升威脅評估與預警能力，支撐網絡強國建設。著力建設高水平的空間網絡安全人才隊伍，培育“衛星+網絡安全”跨領域技術人才，提升我國空間互聯網星座系統的核心競爭力。

加快空間互聯網新技術沖擊下的網絡安全防護體系建設，完善網絡安全法規，加強國外衛星的過境信號監測、非法衛星通信終端管控分析能力，防止利用境外衛星信息進行跨境走私，固守網絡信息安全陣地。