從“星鏈”看我國衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展

Labs 導(dǎo)讀

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)作為地面移動基站和光纖網(wǎng)絡(luò)的有效補充，可以覆蓋傳統(tǒng)通信難以觸及的地域和場景，是未來6G體系中構(gòu)建空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)；2020年，我國從政策層面首次將衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)列入“新基建”中的通信網(wǎng)絡(luò)信息基礎(chǔ)設(shè)施，明確其重大戰(zhàn)略意義；2022年“星鏈”系統(tǒng)在某戰(zhàn)場指揮體系中發(fā)揮了重要作用，再次印證了衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展迫在眉睫。

Part 01●“星鏈”系統(tǒng)●

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展從上世紀(jì)80年開始，歷經(jīng)三個主要階段：2000年前，主要是窄帶通信，以低速語音業(yè)務(wù)為主；2000至2014年，同樣是窄帶通信，具備低速話音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)；2014年以后，主要是寬帶互聯(lián)網(wǎng)，主要特點是高速率、低時延和海量數(shù)據(jù)，比較代表性的星座就是美國的“星鏈”系統(tǒng)。

“星鏈”系統(tǒng)是美國SpaceX公司于2015年開始啟動的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)項目，計劃于2019至2024年前部署1.2萬顆、2027年前部署4.2萬顆低軌道衛(wèi)星[1]，組建全球最大的巨型星座網(wǎng)絡(luò)，提供覆蓋全球的高速、低時延的互聯(lián)網(wǎng)接入，其初衷是為了在全球范圍內(nèi)提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，尤其是目前網(wǎng)絡(luò)不可及的偏遠(yuǎn)地區(qū)。截至目前，“星鏈”已升空4600余顆衛(wèi)星[2]，并已經(jīng)為至少46個國家和地區(qū)提供相關(guān)服務(wù)[3]；實際測試中，其最大下載速度達(dá)到了400Mbps、最大上傳速度約為18 Mbps，并且延遲只有27ms，明顯優(yōu)于傳統(tǒng)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)[4]。2022年某指揮系統(tǒng)集成了“星鏈”設(shè)備，用于信息傳輸、情報收集和無人機控制，確保在有線網(wǎng)絡(luò)被摧毀的情況，依然能構(gòu)建內(nèi)部通信網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)不間斷指揮[5]。

Part 02●衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)資源爭奪●

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)建，必須需要有一定數(shù)量的衛(wèi)星才能實現(xiàn)。對于衛(wèi)星，軌道和頻段資源屬于稀缺資源，國際慣例通常是“先占永得”。

對于衛(wèi)星軌道，有高軌道（GEO）、中軌道（MEO）、低軌道（LEO）等等，其中，LEO軌道相比GEO、MEO軌道，雖然單星覆蓋能力弱，但是通過星座組網(wǎng)可實現(xiàn)廣域無縫覆蓋，并且其鏈路損耗最小、傳輸時延最?。?0ms以內(nèi)），對終端的處理能力要求也低，更加適合未來衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的要求?！靶擎湣毕到y(tǒng)一期星座由軌道高度550KM左右的4408顆衛(wèi)星組成、二期星座由軌道高度在340KM左右的7518顆衛(wèi)星組成，三期星座計劃發(fā)射的3萬顆衛(wèi)星，都使用LEO低軌道。據(jù)推算，地球LEO軌道預(yù)計可容納約6萬顆衛(wèi)星，“星鏈”衛(wèi)星即將占用大半，這引發(fā)了航天強國之間強烈的爭奪戰(zhàn)[][6]。我國在“十三五”期間，提出了“鴻雁”、“虹云”等低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)計劃，衛(wèi)星數(shù)量僅400多顆；2021年4月，我國又成立中國星網(wǎng)公司，專門從事衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)計、建設(shè)和運營，其星座計劃“星網(wǎng)工程”預(yù)計發(fā)射12992顆低軌衛(wèi)星（6080顆軌道高度500-600KM，6912顆高度1145KM），構(gòu)建龐大的星座系統(tǒng)。

對于頻段資源，衛(wèi)星通信中常用的有C、KU、KA等頻段：C頻段多用于地球靜止軌道，頻率低、增益低，天線尺寸大，抗干擾能力強，傳輸信道穩(wěn)點，目前可用資源趨于飽和；KU頻段頻率高，增益高，天線尺寸小，方便接收設(shè)備使用，是衛(wèi)星通信的黃金頻段，可用資源相對飽和；KA頻段頻率更高，頻段帶寬也大，是高速衛(wèi)星通信的黃金頻段，可用資源也相對飽和?！靶擎湣毕到y(tǒng)占用的頻率主要分布在KU、KA兩個黃金頻段上，三期星座使用更高的E頻段。我國的“星網(wǎng)工程”在2020年9月就向國際電信聯(lián)盟（ITU）遞交了“GW”寬帶星座計劃的頻率分配檔案，傳輸頻段主要分布在KA頻段和頻率更高的V頻段。

盡管如此，我們的眾多衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的星座計劃目前都處于起步測試階段，依然有一些難題尚未解決，然而資源爭奪戰(zhàn)的進(jìn)展速度并未降低，航天強國都在奮起直追，因此，我們?nèi)沃囟肋h(yuǎn)。

Part 03●發(fā)展啟示●

“星鏈”系統(tǒng)作為當(dāng)前全球規(guī)模最大、技術(shù)最先進(jìn)的星座，雖然在通信、遙感等許多場景下發(fā)揮了很好的作用，但是也存在許多問題，值得我們借鑒啟示。

一是容易對其它航天器造成威脅?！靶擎湣毕到y(tǒng)運行以來，曾經(jīng)多次發(fā)生與歐盟航天器和我國的空間站近距離接觸的情況，主要原因是“星鏈”衛(wèi)星的部署并不是“一步到位”，而是先送到極低軌道，再靠自己的動力推進(jìn)到目標(biāo)軌道，由于使用動力很弱的霍爾電推進(jìn)技術(shù)，所以推進(jìn)途中，遇到其它航天器，很難及時調(diào)整姿態(tài)。

二是低軌道導(dǎo)致維護(hù)成本大增?！靶擎湣毕到y(tǒng)為了提高容量，其運行軌道從最初的1150KM，降到了550KM和340KM（600KM以下的大氣中有空氣），有一定運行阻力，衛(wèi)星必須經(jīng)常調(diào)整軌道高度；因此，雖然衛(wèi)星設(shè)計壽命為7年，但實際上平均壽命僅有5年，所以“星鏈”部署完畢后，每年需要補充20%的衛(wèi)星（約8000顆衛(wèi)星），這極大增加了星座維護(hù)成本。

三是星間鏈路技術(shù)增加鏈路傳輸性能。“星鏈”衛(wèi)星先后經(jīng)歷了多個版本：V0.9版（重量227KG）、V1.0版（重量260KG）、V1.5版（重量277KG），直至現(xiàn)在的V2.0版（重量1.25T）；從V1.5版開始，“星鏈”使用了星間激光鏈路，這大幅減少了對地面網(wǎng)絡(luò)和信關(guān)站的依賴，降低了系統(tǒng)地面段的復(fù)雜度，同時空間段的接力傳輸，對信息傳輸損耗和時延都有很大的優(yōu)化作用。

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展過程中，美國始終走在國際前列，也在資源爭奪上占得了很多“先機”，希望通過分析學(xué)習(xí)，獲取一些我國衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的思考。另外，新版“星鏈”衛(wèi)星體積的明顯變大，無疑增加了其功能擴展的能力，未來的“星鏈”可能不再是單純的商業(yè)通信系統(tǒng)，預(yù)計其未來在軍事方面的應(yīng)用將會越來越具有攻擊性，因此，我們的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展刻不容緩。