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衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)是什么?

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng):低軌道衛(wèi)星組成空中基站實現(xiàn)互聯(lián)

圖1衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)體系架構

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)好比將地面的基站搬到了太空中,每一顆衛(wèi)星就是一個移動的基站。衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)是指多次發(fā)射數(shù)百顆乃至上千顆小型衛(wèi)星,組成衛(wèi)星星座,以這些衛(wèi)星作為“空中基站”,從而達到與地面移動通信類似的效果,實現(xiàn)太空互聯(lián)網(wǎng)。這是基于高通量衛(wèi)星(HTS)發(fā)展的新一代衛(wèi)星通信網(wǎng)絡,是為地面、海上和空中用戶提供寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入等通信服務的新型網(wǎng)絡。從系統(tǒng)架構組成來看,衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)可以劃分為空間段、地面段和用戶段三個部分。

資料來源:《全球衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)應用服務及我國的發(fā)展策略》,研究所

衛(wèi)星軌道可分為低中高軌,發(fā)展衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)主要依靠低軌衛(wèi)星。按照軌道高度劃分,衛(wèi)星星座主要分為低軌、中軌、高軌三類;按照吞吐容量分為高通量衛(wèi)星和常規(guī)衛(wèi)星。其中低軌衛(wèi)星具有低時延、鏈路損耗小、發(fā)射靈活、覆蓋范圍廣、應用場景豐富、成本低等特點,最適合發(fā)展衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務。

表1不同軌道衛(wèi)星組網(wǎng)優(yōu)缺點

全球覆蓋所需衛(wèi)星

星際鏈路

傳輸時延/ms

抗干擾

鏈路冗余

切換

GEO(高軌道)

幾顆

容易

250

MEO(中軌道)

十幾顆

容易

~100

較弱

相對較少

較少

LEO(低軌道)

幾十顆

復雜

10~40

頻繁

單層星座系統(tǒng)由相同軌道高度衛(wèi)星組成,多層星座系統(tǒng)由不同軌道高度衛(wèi)星組成。單層星座系統(tǒng)的空間段衛(wèi)星部署于相同軌道高度,由一個或多個軌道面構成。每顆衛(wèi)星一般配有星間鏈路,可與同軌面及異軌面的相鄰衛(wèi)星進行通信。同時,衛(wèi)星可通過饋電鏈路和用戶鏈路分別與地面關口站和用戶站進行信息交互,從而構成了一個具有多種鏈路的復雜天地通信系統(tǒng)。多層星座系統(tǒng)的空間段由不同軌道高度的衛(wèi)星組成,不同的系統(tǒng)可能會有不同的組合,如多層LEO、LEO/GEO、GEO/MEO/LEO混合星座等。

圖2單層星座衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)結(jié)構 圖3多層星座衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)結(jié)構

資料來源:《衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)路由技術現(xiàn)狀及展望》,研究所

資料來源:《衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)路由技術現(xiàn)狀及展望》,研究所

國內(nèi)外衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展情況

國外已發(fā)展多年,其中“星鏈”衛(wèi)星系統(tǒng)規(guī)模最大。20世紀80年代至2000年前后,以摩托羅拉公司“銥星”計劃為代表的多個衛(wèi)星計劃(全球星、軌道通信、泰利迪斯、天空之橋)提出,“銥星”計劃通過發(fā)射66顆低軌衛(wèi)星構建一個覆蓋全球的衛(wèi)星通信網(wǎng),此階段主要以語音、低速數(shù)據(jù)、短消息等業(yè)務為主,后因技術不成熟等原因項目宣告終止。在2000年至2014年,以新銥星、全球星、軌道通信系統(tǒng)公司的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)為主,在極端條件下向航空、航海等用戶提供移動通信服務,作為地面通信手段的補充。2014年至今,多家公司相繼推出OneWeb、Starlink、O3b等星座計劃。其中SpaceX公司實施的Starlink星座計劃是全球迄今為止部署在軌衛(wèi)星最多的成功案例,累計已發(fā)射超過3000顆星鏈衛(wèi)星;O3b星座系統(tǒng)是全球唯一一個成功投入商業(yè)運營的中軌衛(wèi)星計劃。

圖4低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)演進階段

表2國外主要中低軌衛(wèi)星計劃

星座計劃

計劃衛(wèi)星數(shù)量(顆)

軌道高度

頻段

目前在軌數(shù)(顆)

業(yè)務范圍

Starlink

4425

低軌

Ku/Ka

538

語音、數(shù)據(jù)、寬帶互聯(lián)網(wǎng)

OneWeb

720

低軌

Ku/Ka

74

語音、數(shù)據(jù)、寬帶互聯(lián)網(wǎng)

O3b

60

中軌

Ka

16

寬帶互聯(lián)網(wǎng)

銥星

75

低軌

L/Ka

75

語音、數(shù)據(jù)、窄帶移動通信

Orbcomm

64

低軌

-

36

數(shù)據(jù)通信、定位服務

我國高度重視衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng),已上升至國家戰(zhàn)略性工程地位。“十三五”期間,以中國航天科技、中國航天科工為主的兩大央企集團分別提出了“鴻雁星座”和“虹云工程”低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)計劃,并發(fā)射了試驗衛(wèi)星。2020年4月,衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)被列入新型基礎設施范圍并上升為國家戰(zhàn)略性工程,是我國天地一體化信息系統(tǒng)的重要組成部分。由于空間衛(wèi)星運行軌道和頻譜資源有限,當前采取“先申報就可優(yōu)先使用”的搶占方式,很多國家和組織出于自身利益考慮,先占領軌道位置及頻率而后發(fā)射衛(wèi)星,空間衛(wèi)星頻率與軌道資源日益成為各國搶占對象,因此衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)對外層空間主動權具有重要戰(zhàn)略意義。

表3國內(nèi)典型衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座參數(shù)情況

公司名稱

星座名稱

數(shù)量

軌道參數(shù)

主用頻率

發(fā)射數(shù)量

中國航天科技集團

鴻雁星座

864

1100km(86.4°)

L、S、Ka、V、星間激光通信

1顆在軌

1175km(86.5°)

中國航天科工集團

虹云工程

1728

1048km(80°)

L、S、Ka、V、E、星間激光通信

1顆在軌驗證

1040km(80°)

中國電子科技集團

天地一體化

240

880km(86°)

L、S、Ka、V、星間激光通信

2顆在軌驗證

銀河航天

銀河航天

2520

1165km(87.6°)

Ka、Q、V

1顆在軌驗證

九天微星

九天微星

720

700km(97.63°)

K

7顆在軌

支持政策頻出,發(fā)展力度加大。近年來我國頻頻出臺眾多針對性政策和指導意見,積極推進衛(wèi)星應用產(chǎn)業(yè)和商業(yè)衛(wèi)星發(fā)展。2022年7月12日,上海市人民政府辦公廳發(fā)布《上海市數(shù)字經(jīng)濟發(fā)展“十四五”規(guī)劃》?!兑?guī)劃》中提到,將建設空天一體的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng),瞄準中低軌路線,完善衛(wèi)星制造、衛(wèi)星發(fā)射、衛(wèi)星運營及服務產(chǎn)業(yè)鏈,探索天地一體化商業(yè)運營新模式。上海將在“十四五”期間啟動多媒體低軌衛(wèi)星系統(tǒng)初始組網(wǎng),分階段建設全球覆蓋、技術先進、高效運行的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)。

表4中國衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)領域相關政策

時間

政策文件

說明

2014

《關于創(chuàng)新重點領域投融資機制鼓勵社會投資的指導意見》

鼓勵民間資本研制、發(fā)射和運營商業(yè)遙感衛(wèi)星,提供市場化、專業(yè)化服務

2015

《國家民用空間基礎設施長期發(fā)展規(guī)劃(2015-2025)》

提出“利用空間資源,主要為廣大用戶提供遙感、通信廣播、導航定位以及其他產(chǎn)品與服務的天地一體化工程設施”

2016

《十三五國家信息化規(guī)劃》

提出“通過移動蜂窩光纖、低軌衛(wèi)星等多種方式,完善邊遠地區(qū)及貧困地區(qū)的網(wǎng)絡覆蓋”

2017

《關于推動國防科技工業(yè)軍民融合深度發(fā)展的意見》

提出“推進軍民結(jié)合、寓軍于民的武器裝備科研生產(chǎn)體系建設,推進軍民資源互通共享、相互支撐和有效轉(zhuǎn)化”

2019

《關于規(guī)范對地靜止軌道衛(wèi)星固定業(yè)務Ka頻段設置使用動中通地球站相關事宜的通知》

利用衛(wèi)星建立傳輸通道主要依賴于傳統(tǒng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器資源,用戶承載量和傳輸速率十分有限,而Ka頻段高通量衛(wèi)星尤其適用于航空、船舶等通信服務領域,該政策順應了Ka頻段高通量衛(wèi)星的發(fā)展趨勢以及國內(nèi)用戶對動中通地球站的迫切需求,也有利于引導相關產(chǎn)業(yè)合理有序發(fā)展

2021

《國資委關于組建中國衛(wèi)星網(wǎng)絡集團有限公司的公告》

星網(wǎng)集團掛牌成立,有力地推動衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)空間段原材料雙邊市場建設、地面段通信網(wǎng)絡間融合運營、用戶端“通導謠”數(shù)據(jù)共享,助衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)全面快速發(fā)展

2022

《上海市數(shù)字經(jīng)濟發(fā)展“十四五”規(guī)劃》

建設空天一體的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng),瞄準中低軌路線,完善衛(wèi)星制造、衛(wèi)星發(fā)射、衛(wèi)星運營及服務產(chǎn)業(yè)鏈,探索天地一體化商業(yè)運營新模式。上海將在“十四五”期間啟動多媒體低軌衛(wèi)星系統(tǒng)初始組網(wǎng),分階段建設全球覆蓋、技術先進、高效運行的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)

“星鏈”計劃與衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)

“星鏈”計劃是什么?

“星鏈”是馬斯克的SpaceX公司制定的4.2萬顆衛(wèi)星發(fā)射計劃,目前已發(fā)射超3000顆?!靶擎湣保⊿tarlink)是美國太空探索技術公司(SpaceX)的一個項目,2015年1月,公司創(chuàng)始人埃隆·馬斯克宣布SpaceX計劃將約1.2萬顆通信衛(wèi)星發(fā)射到軌道,其中1584顆將部署在地球上空550千米處的近地軌道,并從2020年開始工作,這一項目被命名為“星鏈”。2018年3月,SpaceX用獵鷹九號火箭搭載2顆試驗用小衛(wèi)星成功發(fā)射并開展對地通信測試;2019年5月23日,公司利用獵鷹9號運載火箭成功

將“星鏈”首批60顆衛(wèi)星送入軌道。據(jù)有關文件顯示,SpaceX還準備再增加3萬顆,

使衛(wèi)星總量達到約4.2萬顆。截至2022年8月地日,該公司已累計發(fā)射超3000顆“星鏈”衛(wèi)星。

圖5SpaceX“星鏈”項目發(fā)展歷程

圖6“星鏈”系統(tǒng)示意圖 圖7單顆“星鏈”衛(wèi)星

圖8“星鏈”三個實施步驟

“星鏈”分三步走建設加強版全球組網(wǎng)衛(wèi)星系統(tǒng)?!靶擎湣庇媱澐譃槌醪礁采w、全球組網(wǎng)和能力增強三步,第一步發(fā)射1600顆衛(wèi)星到550km軌道(極低軌層)實現(xiàn)初步覆蓋;第二步發(fā)射2825顆衛(wèi)星到1110~1325km軌道(低軌層)實現(xiàn)全球組網(wǎng);第三步發(fā)射37518顆衛(wèi)星到328~580km軌道(極低軌層)增強“星鏈”星座的服務能力。

資料來源:《“星鏈”星座的軍事應用分析》,研究所

表5“星鏈”系統(tǒng)的特點

特點

說明

規(guī)模龐大

“星鏈”計劃分3期建成,總規(guī)模接近4.2萬顆衛(wèi)星,是目前為止最龐大的衛(wèi)星發(fā)射計劃。未來其建成后,也將是最大的近地軌道衛(wèi)星星座,由此將帶來近地軌道頻段資源競爭、空間擁擠等問題

發(fā)射成本低

“星鏈”計劃使用獵鷹9號火箭進行發(fā)射,并采用“一箭多星”發(fā)射方式?;鸺l(fā)射后還

可回收再利用,已達到“一箭9發(fā)9回收”水平,這些都大大降低了“星鏈”計劃的發(fā)射

成本。相比傳統(tǒng)火箭動輒上千萬美元的發(fā)射費用,“星鏈”計劃的單次發(fā)射成本僅120萬美元,未來還會有所降低

軍事用途廣

盡管“星鏈”計劃被定義為商業(yè)衛(wèi)星網(wǎng)絡,但其應用范圍包括通信傳輸、衛(wèi)星成像、遙感探測等,同樣適用于軍事領域,“星鏈”還可以解決美國本土與海外軍事基地的無縫連接問題,以及困擾美國防部許久的5G網(wǎng)絡建設中的既有頻譜占用和騰退問題等,今年3月份“星鏈”已實現(xiàn)為美軍F-35傳輸作戰(zhàn)數(shù)據(jù)和信息,速度相比傳統(tǒng)方式提高了30倍

“星鏈”工作方式有透明轉(zhuǎn)發(fā)信息和通過星間鏈路直接連接服務兩種。“星鏈”系統(tǒng)是天基網(wǎng),工作方式主要有兩種:1)透明轉(zhuǎn)發(fā)信息方式,即先在反向鏈路中實現(xiàn)用戶終端→衛(wèi)星→信關站,然后在前向鏈路中實現(xiàn)信關站→衛(wèi)星→用戶終端;2)通過星間鏈路直接連接服務和用戶,交換模為用戶1→衛(wèi)星1→信關站→衛(wèi)星1→衛(wèi)星2→用戶終端2(用戶鏈路→饋電鏈路→饋電鏈路→用戶鏈路)。

圖9透明轉(zhuǎn)發(fā)模式 圖10星上路由交換模式

資料來源:《“星鏈”衛(wèi)星系統(tǒng)及國內(nèi)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座發(fā)展思考》,研究所

資料來源:《“星鏈”衛(wèi)星系統(tǒng)及國內(nèi)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座發(fā)展思考》,研究所

表6“星鏈”網(wǎng)絡系統(tǒng)建設方案變化趨勢

趨勢特點

說明

衛(wèi)星數(shù)目不斷增加

從一期4408顆衛(wèi)星(原計劃4425顆),到二期7518顆衛(wèi)星,目前正在申請的三期已經(jīng)多

達3萬顆衛(wèi)星,總共計劃發(fā)射4.2萬顆星鏈衛(wèi)星,數(shù)量的增加反映了衛(wèi)星制造和發(fā)射技術的不斷成熟,最終能夠帶來系統(tǒng)傳輸容量的提升。

工作頻率逐步提高

Starlink系統(tǒng)從一期到三期的工作頻段分別設置于Ku/Ka波段、v波段和E波段,更高頻段的率先使用有利于SpaceX公司對其他競爭企業(yè)進行卡位。

軌道高度越來越低

最初申請一期時,軌道高度位于1100~1325km,2018年11月將其中1584顆衛(wèi)星降低至550km,2020年4月將剩余2824顆衛(wèi)星軌道降低至540~570km;二期大幅降低軌道高度,低至340km。軌道高度的降低一方面反映了Starlink系統(tǒng)對于系統(tǒng)低延時的極致追求,提高了用戶使用體驗,另一方面可以使全部衛(wèi)星迅速離軌,避免產(chǎn)生太空垃圾,滿足監(jiān)管要求。

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈主要包含了衛(wèi)星制造、衛(wèi)星發(fā)射、地面設備、衛(wèi)星運營及服務四大環(huán)節(jié)。其中衛(wèi)星制造環(huán)節(jié)主要包括衛(wèi)星平臺和衛(wèi)星載荷。衛(wèi)星平臺包含結(jié)構系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、推進系統(tǒng)、遙感測控系統(tǒng)、姿軌控制系統(tǒng)、熱控系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)等;衛(wèi)星載荷環(huán)節(jié)包括天線分系統(tǒng)、轉(zhuǎn)發(fā)器分系統(tǒng)以及其它金屬/非金屬材料和電子元器件等。衛(wèi)星發(fā)射環(huán)節(jié)包括火箭制造以及發(fā)射服務。

圖11衛(wèi)星平臺系統(tǒng) 圖12衛(wèi)星載荷系統(tǒng)與衛(wèi)星發(fā)射環(huán)節(jié)

圖13地面設備系統(tǒng) 圖14衛(wèi)星運營及服務

美國在軌衛(wèi)星數(shù)量居首,產(chǎn)業(yè)鏈收入集中在地面設備制造和衛(wèi)星運營服務環(huán)節(jié)。根據(jù)UCS數(shù)據(jù),2021年全球在軌衛(wèi)星數(shù)量4852顆,其中中國在軌衛(wèi)星數(shù)量為499個,占所有在軌衛(wèi)星比重的10.28,為世界第二大在軌有效衛(wèi)星的擁有國;而美國在軌衛(wèi)星數(shù)量為2944個,是中國的5.9倍。根據(jù)SIA數(shù)據(jù),2020年全球衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)收入主要來自于地面設備制造和衛(wèi)星服務業(yè),其中地面設備制造業(yè)2020年收入占比約為50,主要包括大眾消費設備和網(wǎng)絡設備;衛(wèi)星服務業(yè)收入約占比44,主要包括衛(wèi)星通信、衛(wèi)星遙感、空間科學和國家安全;衛(wèi)星發(fā)射和衛(wèi)星制造業(yè)分別占比2和5。

2

5

50

44

地面設備制造 衛(wèi)星運營服務 衛(wèi)星制造 衛(wèi)星發(fā)射服務

1240

169

2994

499

美國 中國 俄羅斯 其他

圖15全球衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)收入分布(2020) 圖16各國在軌衛(wèi)星數(shù)(2021)

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的用途

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的四大用途:1)實現(xiàn)人口全覆蓋。歐美發(fā)達國家人口密度相對較低,進行固定寬帶尤其是光纖的鋪設成本高昂且收回時間較長,此外信息通信基礎設施同樣不夠完善的“一帶一路”沿線國家同樣有需求。2)實現(xiàn)區(qū)域全覆蓋。傳統(tǒng)地面通信服務很難覆蓋的航海、航空、島嶼等區(qū)域也有較強的網(wǎng)絡接入需求。3)與地面通信形成優(yōu)勢互補。早在2020年6月發(fā)布的5G標準R16中,就有衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的技術文檔納入其中,6G研發(fā)工作已經(jīng)將衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)納入其中并作為重要組成部分,未來衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)將與5G和6G等地面移動通信網(wǎng)絡平滑切換。4)占領稀缺軌道資源,維護國家安全。按照衛(wèi)星軌道資源先到先得的國際原則,先發(fā)國家發(fā)射的低軌道衛(wèi)星將會搶占更多軌道資源。同時衛(wèi)星在軌道運行難以受到有效監(jiān)控和管理,與國家安全也密切相關。

衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量近年來增速加快。2012年,全球新發(fā)射衛(wèi)星數(shù)量僅132顆,2021年全球新發(fā)射衛(wèi)星達到1827顆,期間年復合增長率為33.9,隨著衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)下游端的需求刺激,預計未來全球每年衛(wèi)星發(fā)射數(shù)還將持續(xù)增長。

增速()

新發(fā)射衛(wèi)星數(shù)量(顆)

2012201320142015201620172018201920202021

-50

0

0

132207261236222

500

568524

444

50

1000

100

1263

1500

150

2000 1827

圖17低軌衛(wèi)星通信核心應用場景 圖182012-2021年全球新發(fā)射衛(wèi)星數(shù)量及增速

火箭回收技術和“一箭多星”是衛(wèi)星高密度發(fā)射降本增效的有效途徑,兩種技術我國均自主掌握。作為目前世界上最便宜的獵鷹-9火箭總造價約為5000多萬美元,如果能回收并可低成本重復使用獵鷹-9火箭的第一級,可降低火箭成本80;如果第一二級火箭都能回收并低成本重復使用,則可降低火箭成本的99。另一種降本增效的有效方式就是“一箭多星”,單次火箭發(fā)射攜帶多顆衛(wèi)星的方式可以降低成本,大幅度提高研制效率、發(fā)射效率,滿足高密度發(fā)射的任務需求。今年2月,長征八號遙二

運載火箭搭載著22顆衛(wèi)星成功發(fā)射,創(chuàng)造了我國單次發(fā)射衛(wèi)星數(shù)量最多的紀錄。衛(wèi)星

回收方面,今年8月26日,由中國航天科技集團有限公司所屬中國運載火箭技術研究院自主研制的升力式亞軌道運載器重復使用飛行試驗獲得圓滿成功。

圖19長征八號一箭22星成功發(fā)射 圖20SPACEX火箭回收圖解

中國衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展前景

“虹云”系統(tǒng)和“鴻雁”系統(tǒng)為開啟中國版“星鏈”打下基礎。“虹云”系統(tǒng)是我國首個低軌星座衛(wèi)星移動通信系統(tǒng),由中國航天科工集團研制開發(fā),計劃發(fā)射156顆衛(wèi)星,軌道高度為1000km?!昂缭啤毕到y(tǒng)計劃分三步走,第一步計劃在2018年前,發(fā)射第一顆技術驗證星,實現(xiàn)單星關鍵技術驗證;第二步到“十三五”末,發(fā)射4顆業(yè)務試驗星,組建一個小星座,讓用戶進行初步業(yè)務體驗;第三步到“十四五”末,實現(xiàn)全部156顆衛(wèi)星組網(wǎng)運行,完成業(yè)務星座構建。

圖21虹云工程衛(wèi)星 圖22虹云工程規(guī)劃

“鴻雁”系統(tǒng)是航天科技集團研發(fā)的集通信、導航增強于一體的低軌衛(wèi)星星座。按照規(guī)劃,“鴻雁”星座分為兩步建設,一期工程將由60顆衛(wèi)星組網(wǎng),實現(xiàn)“一帶一

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