科普之窗

卫星互联网:让全球处处有信号

冯杰

2023-05-05 02:02

何善宝
光明日报( 2023年05月04日 16版)

有了卫星互联网,就意味着天上成百上千颗卫星,能时刻与地球上的手机、轮船、飞机、汽车等交换信息——身处大山里,也不必发愁没信号,仍然可以尽情地网上“冲浪”,无论是在陆地、海上或者空中,都可以准确获取货物的位置、温度等信息,船舶在哪儿、飞机实时动态都可“一目了然”;甚至全球农作物长的怎么样、有没有发生病虫害,也都能尽在掌握。随着卫星互联网的不断发展,未来,不论何时、你身在何处,都能与世界永不失联。

航天领域“明珠”,各国角逐方向

航天产业既包含火箭制造、卫星制造、卫星发射、卫星测控、卫星运营、卫星应用等传统领域,也有新兴的太空采矿、太空旅游、商业返回等方向。火箭和卫星是实现航天梦想的载体,经过60多年的发展,我国已经完成了各个质量大小卫星和不同吨量运载火箭的技术和产品积累。未来,商业卫星和商业火箭将向高集成度、低成本和个性化方向发展,新技术将会被大量采用。

当前我们所使用的卫星,包括通信卫星、导航卫星、遥感卫星和气象卫星等。新兴的卫星互联网,则是可以提供宽带接入业务的卫星通信系统。

卫星互联网使用的卫星,其轨道高度有大约在36000公里的高轨道,8000~20000公里的中圆轨道、350~1400公里的低轨道等。当前的商业卫星互联网,大部分是低轨道巨型星座系统。整个卫星互联网产业,包含卫星制造、卫星发射、卫星运营和卫星应用等。

由于卫星互联网可能带来颠覆性应用,使得这一领域已成为国际上角逐的重要方向之一,而其大规模商业应用所存在的星座技术难度与系统实施难度,也让它逐渐成为航天领域关注的“明珠”。

当前,知名的卫星互联网要数美国SpaceX公司的星链星座,截至今年3月29日,他们已累计发射81批,共4217颗星链卫星。SpaceX的最新计划显示:第一代星链星座由五个轨道层组成,运行轨道540~570公里,总共部署4408颗卫星,有望在2023年全部完成。第二代星链星座由9个轨道层组成,运行轨道340~614公里,总计部署29988颗卫星;不过,目前得到正式批准的只有先行部署的7500颗,暂命名为Starlink Gen2A,已部署其中的两个轨道层。

北京时间3月26日,印度使用GSLV MK3火箭成功发射OneWeb第一代互联网星座的最后36颗卫星,使该星座在轨卫星达到618颗,工作轨道1200公里。根据印度空间研究组织的任务说明,本次发射的36颗OneWeb卫星总重量为5805公斤。这是OneWeb第一代宽带星座的第18次,也是最后一次发射。OneWeb代表称,OneWeb星座将于今年年底前提供全球服务解决方案。近年来,我国也在大力发展卫星互联网,多个部门陆续发布了一系列政策。2020年4月,国家发改委将卫星互联网首次纳入“新基建”,是通信网络基础设施的范畴。2021年4月,中国卫星网络集团有限公司(简称“星网公司”)成立,主要从事卫星互联网的论证设计、研究试验、工程设计、工程建设、工程服务、运行控制、运营管理等业务,目前已有试验卫星在轨进行技术验证。在此之前,中国航天科技集团有限公司的“鸿雁”星座、中国航天科工集团有限公司的“虹云”星座以及中国电子科技集团有限公司的“天地一体化”星座都曾经开展全球低轨通信星座的设计论证并发射试验卫星,为“星网”星座打下了一定的技术基础和频率轨道资源基础。

目前,北京、上海、深圳、安徽、河南、四川和重庆等多地均出台政策支持卫星互联网相关产业的发展。国内在卫星制造、卫星发射、卫星运营和卫星终端研制及创新应用等多个方向,向卫星互联网全面推进。

高原、沙漠、空中和海洋,手机随时直连卫星

卫星互联网是卫星通信发展的高级阶段。早期的卫星通信,是专线时代,以点到点通信为主,主要用于跨洋电视转播和长途电话;之后是卫星通信发展到专网时代,中小企业用户租用卫星转发器可以构建专用网络,满足内部通信需要;现在已进入到向个人宽带接入为主的卫星互联网时代。不过,专网时代仍在继续,其当初得以兴起,主要是依托高功率转发器、集成电路技术和VSAT技术的日益成熟,使用户终端天线口径可以降到米级。如今轨道高度进一步降低,卫星和终端的集成度进一步提升,卫星和运载火箭研制成本大幅降低,使得面向个人用户的卫星互联网时代有了实现的可能。

面向个人的卫星互联网具有这些特点:要有海量的卫星,其卫星星座由成百上千颗,甚至数万颗卫星组成;轨道为非地球静止轨道,这些卫星的轨道主要是离地球300公里到1400公里之间的低地球轨道;能提供宽带互联网接入;具有信号覆盖范围广、通信容量大、信号传输延迟低的特点;商业运营,卫星互联网的造价昂贵,需要采用特定的商业模式才能使业务长期延续。

那么,卫星互联网有哪些用途呢?有了它,宽带服务接入、高清视频回传、流媒体传输等都可以实现。最关键的是,卫星互联网将弥补地面移动互联网在山区、高原、沙漠、空中和海洋等空间的覆盖不足。

未来,不论何时,你身在何处,都可以实时在线,而且第二代卫星互联网将进一步增加卫星质量和体积,可以实现手机直连卫星业务,将有可能在更多应用场景替代地面移动通信业务。

此外,这些卫星还可以搭载不同的有效载荷,能够实现更多的卫星应用功能。例如,搭载数据采集载荷,可以实现卫星物联网服务,让你的物流产品无论是在陆地、海上或者空中,均可以准确获取其位置信息、温度信息和其他状态信息等。搭载船舶防碰撞系统载荷,卫星可以接收全球任意海域各类船舶的位置等信息,再播发给各类船只,使之可以感知周边船舶信息或者开展经济信息分析等。搭载民航广播式自动相关监视载荷,可以接收全球民航客机广播信息,既有利于航空公司飞机的飞行安全,也有利于空域实时监控管理。搭载导航增强载荷,可实现高精度的导航定位功能,提供车道级导航和厘米级定位精度业务。搭载遥感观测载荷,可以感知全球农作物生长态势、病虫害监测、森林火情监测、污染监测和违章建筑识别等。

应用场景多、潜在市场大,但诸多技术有待突破

卫星互联网虽然有足够多的应用场景和巨大的潜在市场,但实现低轨道巨型星座,需要在卫星研制、火箭技术、可灵活使用的发射场、地面测运控、低成本终端技术等方面,克服技术难点,取得更多的突破。

从卫星研制的角度来说,低成本是组建海量卫星巨型星座的前提,卫星研制自身的硬件设备、软件模块和集成测试要尽量考虑低成本研制模式。同时卫星设计阶段还要考虑到与火箭的适配性,降低卫星发射成本。具备更多功能的卫星,其设计要从两个角度来考虑:星上载荷是单一的,就要重点开发单一载荷的多功能用途和多场景应用;星上有多个载荷,就要重点关注每个载荷实现不同功能或者相互组合产生新的功能。

从火箭的角度来说,就要发展低成本重型运载火箭技术。这是因为,重型火箭比小火箭更适合卫星互联网这类海量卫星组成的星座发射任务。而要降低运载火箭的发射成本,可以采用多次重复可利用的运载火箭技术,同时也需要从单个火箭的设计成本、研制成本和系统集成测试成本等多个维度降低成本。

从发射的角度来说,需要更灵活可控的卫星发射技术。在很多国家建设卫星互联网星座都受限于发射场的发射能力。这是因为每颗卫星都有在轨寿命,长的可以到5年、8年,短的仅2到3年。而卫星互联网服务需要足够多的卫星同时在轨,才能实现宽带接入服务,因此需要可以灵活使用的商业发射场或者发射塔架,和足够多的大型商业运载火箭批量生产研制能力。

从对卫星的管理来说,需要发展巨型星座运行管理技术。卫星在轨稳定提供卫星互联网业务,需要地面测运控系统支持。几十颗量级的卫星星座,其测运控系统可以在传统单个卫星测运控系统基础上,通过设备叠加、软件模块规模增加以及人员数量增加来完成。但是,当卫星数量提高到成千上万颗的时候,传统的运行管理技术就不再适应了。因此,巨型星座亟须通过设计高效的网络运维系统,构建基于星地链路/星间链路的测运控支持系统,实现对巨型星座卫星的全时段状态监测,同时设计高效的业务管理机制,稳定提供宽带接入业务。

从用户的角度来说,需要发展低成本用户终端技术。巨型星座能否运营成功,很大程度上取决于有多少用户愿意买单。传统的相控阵天线研制需要几十万甚至上百万的研发成本,这需要降低到几万元甚至几千元,与现有智能手机价格相当或略贵,才能便于市场推广。如果第二代卫星互联网星座星载天线足够大,可以实现手机直连卫星,那么终端研制成本就较易下降,甚至可以实现用目前的智能手机享用卫星互联网宽带业务。

卫星互联网重点在应用,因此需要开辟更多特有的应用场景。例如通信、导航和遥感综合应用场景,为陆地、空中和海洋提供基于卫星的信息综合服务。

奔赴太空,摆脱地球引力,是人类长期的梦想。中国航天事业起步至今,东方红、神舟、嫦娥、北斗、天宫以及长征系列火箭,书写了一个又一个辉煌。如今,当卫星互联网成为新热点,能切实改变生活、和工作方式的航天技术,已经触手可及。

(作者系北京信息科技大学研究员)


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2023-05-05 10:03
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