從“星鏈”看我國衛星互聯網的發展

Labs 導讀

衛星互聯網作為地面移動基站和光纖網絡的有效補充，可以覆蓋傳統通信難以觸及的地域和場景，是未來6G體系中構建空天地海一體化網絡的關鍵環節；2020年，我國從政策層面首次將衛星互聯網列入“新基建”中的通信網絡信息基礎設施，明確其重大戰略意義；2022年“星鏈”系統在某戰場指揮體系中發揮了重要作用，再次印證了衛星互聯網的發展迫在眉睫。

Part 01●“星鏈”系統●

衛星互聯網的發展從上世紀80年開始，歷經三個主要階段：2000年前，主要是窄帶通信，以低速語音業務為主；2000至2014年，同樣是窄帶通信，具備低速話音和數據業務；2014年以后，主要是寬帶互聯網，主要特點是高速率、低時延和海量數據，比較代表性的星座就是美國的“星鏈”系統。

“星鏈”系統是美國SpaceX公司于2015年開始啟動的衛星互聯網項目，計劃于2019至2024年前部署1.2萬顆、2027年前部署4.2萬顆低軌道衛星[1]，組建全球最大的巨型星座網絡，提供覆蓋全球的高速、低時延的互聯網接入，其初衷是為了在全球范圍內提供網絡服務，尤其是目前網絡不可及的偏遠地區。截至目前，“星鏈”已升空4600余顆衛星[2]，并已經為至少46個國家和地區提供相關服務[3]；實際測試中，其最大下載速度達到了400Mbps、最大上傳速度約為18 Mbps，并且延遲只有27ms，明顯優于傳統衛星互聯網接入服務[4]。2022年某指揮系統集成了“星鏈”設備，用于信息傳輸、情報收集和無人機控制，確保在有線網絡被摧毀的情況，依然能構建內部通信網絡，實現不間斷指揮[5]。

Part 02●衛星互聯網資源爭奪●

衛星互聯網的構建，必須需要有一定數量的衛星才能實現。對于衛星，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，但是通過星座組網可實現廣域無縫覆蓋，并且其鏈路損耗最小、傳輸時延最?。?0ms以內），對終端的處理能力要求也低，更加適合未來衛星互聯網的要求?！靶擎湣毕到y一期星座由軌道高度550KM左右的4408顆衛星組成、二期星座由軌道高度在340KM左右的7518顆衛星組成，三期星座計劃發射的3萬顆衛星，都使用LEO低軌道。據推算，地球LEO軌道預計可容納約6萬顆衛星，“星鏈”衛星即將占用大半，這引發了航天強國之間強烈的爭奪戰[][6]。我國在“十三五”期間，提出了“鴻雁”、“虹云”等低軌衛星互聯網計劃，衛星數量僅400多顆；2021年4月，我國又成立中國星網公司，專門從事衛星互聯網的設計、建設和運營，其星座計劃“星網工程”預計發射12992顆低軌衛星（6080顆軌道高度500-600KM，6912顆高度1145KM），構建龐大的星座系統。

對于頻段資源，衛星通信中常用的有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，方便接收設備使用，是衛星通信的黃金頻段，可用資源相對飽和；KA頻段頻率更高，頻段帶寬也大，是高速衛星通信的黃金頻段，可用資源也相對飽和?！靶擎湣毕到y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“星網工程”在2020年9月就向國際電信聯盟（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，我們的眾多衛星互聯網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，然而資源爭奪戰的進展速度并未降低，航天強國都在奮起直追，因此，我們任重而道遠。

Part 03●發展啟示●

“星鏈”系統作為當前全球規模最大、技術最先進的星座，雖然在通信、遙感等許多場景下發揮了很好的作用，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運行以來，曾經多次發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到目標軌道，由于使用動力很弱的霍爾電推進技術，所以推進途中，遇到其它航天器，很難及時調整姿態。

二是低軌道導致維護成本大增?！靶擎湣毕到y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，衛星必須經常調整軌道高度；因此，雖然衛星設計壽命為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%的衛星（約8000顆衛星），這極大增加了星座維護成本。

三是星間鏈路技術增加鏈路傳輸性能?！靶擎湣毙l星先后經歷了多個版本：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絡和信關站的依賴，降低了系統地面段的復雜度，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化作用。

衛星互聯網的發展過程中，美國始終走在國際前列，也在資源爭奪上占得了很多“先機”，希望通過分析學習，獲取一些我國衛星互聯網發展的思考。另外，新版“星鏈”衛星體積的明顯變大，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通信系統，預計其未來在軍事方面的應用將會越來越具有攻擊性，因此，我們的衛星互聯網發展刻不容緩。