衞星互聯網，把“基站”搬到太空

原標題：衞星互聯網，把“基站”搬到太空（新技術 新進展⑤）

7月上旬，國內首架高速衞星互聯網飛機完成首航，利用一顆高通量衞星在萬米高空完成了百兆以上速度的聯網，並實現了流暢的空中直播。

早在今年4月，衞星互聯網就被明確列入新型基礎設施的範圍。作為新一代信息技術演化生成的信息基礎設施，從構想到發射組網，衞星互聯網的藍圖正一步步變為現實。

衞星互聯網是什麼？

以衞星為接入手段的互聯網寬帶服務模式

“衞星互聯網主要是指以衞星為接入手段的互聯網寬帶服務模式，它屬於新基建中的信息基礎設施。”中國航天科工集團“虹雲工程”總設計師向開恆説，目前衞星互聯網較多的是指利用地球低軌道衞星實現的低軌寬帶衞星互聯網。相比高軌衞星，它具有低時延、易於實現全球覆蓋的特點。

中國航天科技集團五院全球低軌衞星移動通信與空間互聯網系統中心副主任黃華介紹説，地面網絡靠基站通信，衞星互聯網則是基於衞星通信技術接入互聯網，好比將地面的基站搬到了太空中，每一顆衞星就是一個移動的基站。

根據通信衞星所處軌道的不同，衞星互聯網可分為高軌和低軌兩類。

高軌衞星的軌道距離地面約3.6萬公里，也叫作對地靜止軌道。儘管都在高速運動，但該軌道上的衞星軌道週期和地球自轉週期嚴格一致，相對地面保持“靜止”，其覆蓋的地區也是固定，因此建立通信服務比較容易。利用這個特點，可以通過高軌衞星實現寬帶通信，而且所需的衞星數量不用太多。但高軌衞星互聯網也存在天然的侷限。地球半徑只有6378公里，用高軌衞星實現通信服務，相當於從地球表面發信號到3.6萬公里以外，一來一回，再加上信號處理等過程，導致時延不小。對於一般的通話或訪問網頁來説還可接受，但對即時性要求高的應用如聯網遊戲、無人機遙控等則無法滿足需求。此外，地面接收高軌衞星信號的終端必須做得比較大，才能良好接收如此遠距離的信號。

因此，人們把目光投向了500—2000公里範圍內的近地軌道。在這個軌道上，地面和衞星之間的通信傳輸時延達毫秒，足夠滿足車聯網、自動駕駛等需求，接收終端可做成手持的，智能手機都能接入。

“衞星互聯網的興起，是由需求和技術的可能性共同驅動的。”黃華説，將衞星互聯網納入新基建，反映了數字化、信息化帶來的需求。而隨着航天和通信技術的進步，又使得提供這種服務成為可能。

專家認為，從發展趨勢看，數字化、信息化已深刻改變人們生活，手機用户希望隨時隨地都能聯網。儘管地面網絡發達，但許多特定場景下靠地面網絡覆蓋代價太大，難以收回成本。相關數據也顯示，目前全球仍有35億人不能上網，7億人沒有通信服務。於是，將“基站”佈設到近地太空成了一個選擇。而且，與上世紀90年代的銥星等窄帶低速衞星互聯網不同，新的衞星互聯網要實現的是和地面類似的寬帶網絡服務，也就是低軌寬帶衞星互聯網。

低軌寬帶衞星互聯網如何實現？以1000公里的近地軌道為例，衞星繞地球一圈100多分鐘，通過成百上千個衞星在這個軌道高度組成星座，從而實現對全球的無縫覆蓋。對用户來説，儘管衞星始終在運動，但每時每刻都有衞星飛過頭頂，網絡信號始終保持穩定覆蓋。

衞星互聯網能幹什麼？

無論身處沙漠還是海上、飛機上，都能享受到像家裏一樣的上網體驗

隨着低軌寬帶衞星互聯網概念的興起，近年來國際上出現了星鏈、OneWeb等相應計劃。

在國內，2018年12月22日，“虹雲工程”首發星即技術驗證衞星被送入軌道，標誌着我國低軌寬帶通信衞星系統建設邁出實質性步伐。“虹雲工程”是由中國航天科工集團有限公司牽頭研製的覆蓋全球的低軌寬帶通信衞星系統，通過搭建由156顆小衞星組成的衞星互聯網系統，實現全球無死角的自由接入寬帶互聯網。幾乎同時，2018年12月29日，“鴻雁”星座首發星也成功發射並進入預定軌道。“鴻雁”星座是由中國航天科技集團自主建設的低軌衞星通信系統，其目標也是在太空構建一條四通八達、覆蓋全球的信息通路，計劃用60顆核心骨幹衞星和數百顆寬帶通信衞星組成系統，實現全球任意地點的互聯網接入。

“虹雲工程”技術驗證星發射入軌後，在2019年完成了不同天氣條件、不同業務場景等多種工況下的全部功能與性能測試。測試人員通過衞星用户終端接入互聯網，成功實現了網頁瀏覽、微信發送、電商購物、視頻聊天、高清視頻點播等典型互聯網業務，也可以正常使用短視頻APP。衞星在軌實測的所有功能與指標均滿足要求甚至超出預期。這顆試驗星用户體驗速率超過10兆。

“系統建成後，無論我們身處沙漠還是海洋，抑或是飛機上，都能享受到與在家裏一樣的上網速度和服務體驗。”向開恆説，衞星互聯網能夠實現隨時隨地的互聯網接入，尤其是在高山荒漠、深海遠洋等傳統移動通信到達不了的偏遠地方，更具優勢。

黃華認為，儘管衞星互聯網的最大網速比不過地面光纖，但用户實際使用體驗不會有太大差別。衞星互聯網和地面網絡如5G網絡將是互補關係。在大城市等地面通信發達地區，人們優先使用地面網絡。而在地面網絡不能到達的地區，包括南北極科考、户外探險等場景則更適合使用衞星互聯網。衞星互聯網能夠滿足信息基礎設施差的地方的需求，填補信息鴻溝，使網絡連接變得可能和便利。

衞星互聯網提供的服務並不限於寬帶，也包括能夠提高定位和授時精度的導航增強功能，可對航空、航海、遠洋貨物等進行跟蹤的物聯網等。例如“虹雲工程”就是一個通信、導航和遙感一體化的系統，可滿足應急通信、傳感器數據採集以及工業物聯網、無人化設備遠程遙控等即時性要求較高的應用需求。“鴻雁”星座是寬窄結合的系統，用户既可以使用手持終端打電話，也可以上網和使用導航增強功能。

北京九天微星科技發展有限公司首席執行官謝濤認為，通過和5G、工業互聯網、物聯網、大數據等緊密結合，衞星互聯網未來的應用場景會非常豐富。衞星互聯網更像是一個太空中的平台，搭載5G的載荷，可以滿足寬帶通信；搭載攝像頭就能實現遙感；加上導航增強，就能支持自動駕駛。

怎樣用好衞星互聯網？

關鍵核心技術要進行攻關，產業發展要實現良性循環

當下，商業航天發展迅速。作為衞星通信與互聯網結合的產物，衞星互聯網尤其是低軌寬帶衞星互聯網勾勒出一幅讓人嚮往的商業藍圖。不過，要真正搭建起系統並投入實際應用，尤其是讓用户獲得良好體驗，並不簡單。

“儘管我們對衞星和通信技術都有一定掌握，但衞星互聯網建設難度不小，不能一蹴而就，需要進一步創新。”黃華説。

相比高軌衞星相對地球靜止而容易“捕獲”，低軌衞星以每秒7公里多的高速繞地球轉動，這種快速移動所導致的頻率變化、衞星信號的動態切換等，和地面網絡不大相同。為了防止網絡中斷，從而讓用户有良好的體驗，需要對許多關鍵核心技術進行攻關。此外，為了降低地面維護成本，上千顆在軌衞星有必要通過智能化實現在軌自主運行，這也要通過技術創新來實現。

除了解決技術難題，專家認為，衞星互聯網真正用起來，關鍵還在於被普通大眾接受，要好用也能用得起。這就要求衞星組網實現低成本，地面終端也要實現低成本、小型化。“例如，通過批量生產，衞星互聯網的衞星會更便宜；通過技術攻關，把芯片越做越小，把天線從‘一塊磚’變成‘一片瓦’。”

謝濤認為，衞星互聯網這種複雜系統對於系統設計、技術路徑選擇、產業配套等都有非常高的要求，有必要在設計之初就考慮到成本、產業成熟度、地面情況以及實際應用需求等綜合性因素。“衞星互聯網納入新基建給產業的快速發展注入了信心和活力，推動產業鏈提供更高性價比的衞星、載荷和地面終端產品，讓全產業鏈降低成本。”

向開恆表示，一方面，隨着低軌寬帶衞星互聯網應用不斷拓展，通信容量會不斷擴大。而規模越來越大，成本也會隨之不斷下降；另一方面，通過政府層面的引導、市場層面的實踐，整合資源，通過產業化、商業化運作降本提效，形成產業發展良性循環。

專家預計，普通用户像打手機一樣用上衞星互聯網，可能還需要數年時間。