卫星互联网作为地面移动基站和光纤网络的有效补充,可以覆盖传统通信难以触及的地域和场景,是未来6G体系中构建空天地海一体化网络的关键环节;2020年,我国从政策层面首次将卫星互联网列入“新基建”中的通信网络信息基础设施,明确其重大战略意义;2022年“星链”系统在某战场指挥体系中发挥了重要作用,再次印证了卫星互联网的发展迫在眉睫。
“星链”系统
卫星互联网的发展从上世纪80年开始,历经三个主要阶段:2000年前,主要是窄带通信,以低速语音业务为主;2000至2014年,同样是窄带通信,具备低速话音和数据业务;2014年以后,主要是宽带互联网,主要特点是高速率、低时延和海量数据,比较代表性的星座就是美国的“星链”系统。
“星链”系统是美国SpaceX公司于2015年开始启动的卫星互联网项目,计划于2019至2024年前部署1.2万颗、2027年前部署4.2万颗低轨道卫星[1],组建全球最大的巨型星座网络,提供覆盖全球的高速、低时延的互联网接入,其初衷是为了在全球范围内提供网络服务,尤其是目前网络不可及的偏远地区。截至目前,“星链”已升空4600余颗卫星[2],并已经为至少46个国家和地区提供相关服务[3];实际测试中,其最大下载速度达到了400Mbps、最大上传速度约为18 Mbps,并且延迟只有27ms,明显优于传统卫星互联网接入服务[4]。2022年某指挥系统集成了“星链”设备,用于信息传输、情报收集和无人机控制,确保在有线网络被摧毁的情况,依然能构建内部通信网络,实现不间断指挥[5]。
卫星互联网资源争夺
卫星互联网的构建,必须需要有一定数量的卫星才能实现。对于卫星,轨道和频段资源属于稀缺资源,国际惯例通常是“先占永得”。
对于卫星轨道,有高轨道(GEO)、中轨道(MEO)、低轨道(LEO)等等,其中,LEO轨道相比GEO、MEO轨道,虽然单星覆盖能力弱,但是通过星座组网可实现广域无缝覆盖,并且其链路损耗最小、传输时延最小(10ms以内),对终端的处理能力要求也低,更加适合未来卫星互联网的要求。“星链”系统一期星座由轨道高度550KM左右的4408颗卫星组成、二期星座由轨道高度在340KM左右的7518颗卫星组成,三期星座计划发射的3万颗卫星,都使用LEO低轨道。据推算,地球LEO轨道预计可容纳约6万颗卫星,“星链”卫星即将占用大半,这引发了航天强国之间强烈的争夺战[][6]。我国在“十三五”期间,提出了“鸿雁”、“虹云”等低轨卫星互联网计划,卫星数量仅400多颗;2021年4月,我国又成立中国星网公司,专门从事卫星互联网的设计、建设和运营,其星座计划“星网工程”预计发射12992颗低轨卫星(6080颗轨道高度500-600KM,6912颗高度1145KM),构建庞大的星座系统。
对于频段资源,卫星通信中常用的有C、KU、KA等频段:C频段多用于地球静止轨道,频率低、增益低,天线尺寸大,抗干扰能力强,传输信道稳点,目前可用资源趋于饱和;KU频段频率高,增益高,天线尺寸小,方便接收设备使用,是卫星通信的黄金频段,可用资源相对饱和;KA频段频率更高,频段带宽也大,是高速卫星通信的黄金频段,可用资源也相对饱和。“星链”系统占用的频率主要分布在KU、KA两个黄金频段上,三期星座使用更高的E频段。我国的“星网工程”在2020年9月就向国际电信联盟(ITU)递交了“GW”宽带星座计划的频率分配档案,传输频段主要分布在KA频段和频率更高的V频段。
尽管如此,我们的众多卫星互联网的星座计划目前都处于起步测试阶段,依然有一些难题尚未解决,然而资源争夺战的进展速度并未降低,航天强国都在奋起直追,因此,我们任重而道远。
发展启示
“星链”系统作为当前全球规模最大、技术最先进的星座,虽然在通信、遥感等许多场景下发挥了很好的作用,但是也存在许多问题,值得我们借鉴启示。
一是容易对其它航天器造成威胁。“星链”系统运行以来,曾经多次发生与欧盟航天器和我国的空间站近距离接触的情况,主要原因是“星链”卫星的部署并不是“一步到位”,而是先送到极低轨道,再靠自己的动力推进到目标轨道,由于使用动力很弱的霍尔电推进技术,所以推进途中,遇到其它航天器,很难及时调整姿态。
二是低轨道导致维护成本大增。“星链”系统为了提高容量,其运行轨道从最初的1150KM,降到了550KM和340KM(600KM以下的大气中有空气),有一定运行阻力,卫星必须经常调整轨道高度;因此,虽然卫星设计寿命为7年,但实际上平均寿命仅有5年,所以“星链”部署完毕后,每年需要补充20%的卫星(约8000颗卫星),这极大增加了星座维护成本。
三是星间链路技术增加链路传输性能。“星链”卫星先后经历了多个版本:V0.9版(重量227KG)、V1.0版(重量260KG)、V1.5版(重量277KG),直至现在的V2.0版(重量1.25T);从V1.5版开始,“星链”使用了星间激光链路,这大幅减少了对地面网络和信关站的依赖,降低了系统地面段的复杂度,同时空间段的接力传输,对信息传输损耗和时延都有很大的优化作用。
卫星互联网的发展过程中,美国始终走在国际前列,也在资源争夺上占得了很多“先机”,希望通过分析学习,获取一些我国卫星互联网发展的思考。另外,新版“星链”卫星体积的明显变大,无疑增加了其功能扩展的能力,未来的“星链”可能不再是单纯的商业通信系统,预计其未来在军事方面的应用将会越来越具有攻击性,因此,我们的卫星互联网发展刻不容缓。
参考文献
[1] 百度百科:星链,https://baike.baidu.com/item/%E6%98%9F%E9%93%BE/15519513?fr=ge_ala,2023年04月27日.
[2] SpaceX猎鹰九号火箭成功发射47颗星链卫星『航天视窗』(539),https://mp.weixin.qq.com/s/xZt6XwLtBI3CFNYDNCiwtw,2023年06月24日.
[3] 2023年全球航天任务展望SpaceX在轨卫星突破4000颗,全球星链宽带现已进入53个国家,订阅用户100万+,https://www.shangyexinzhi.com/article/7985588.html,2023年05月07日.
[4] “星链”到底有什么可牛的?https://baijiahao.baidu.com/s?id=1754501993603071083&wfr=spider&for=pc,2023年01月09日.
[5] 新华网:“星链”升空“星战”打响:星链计划都有哪些军事用途?2022年01月18日.
[6] “新基建”之中国卫星互联网产业发展研究白皮书,2020年05月29日.
作者:桑金鑫
单位:中国移动智慧家庭运营中心
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