衛星網際網路：讓全球處處有信號

　　有了衛星網際網路，就意味著天上成百上千顆衛星，能時刻與地球上的手機、輪船、飛機、汽車等交換資訊——身處大山裏，也不必發愁沒信號，仍然可以盡情地網上“沖浪”，無論是在陸地、海上或者空中，都可以準確獲取貨物的位置、溫度等資訊，船舶在哪兒、飛機實時動態都可“一目了然”；甚至全球農作物長的怎麼樣、有沒有發生病蟲害，也都能盡在掌握。隨著衛星網際網路的不斷發展，未來，不論何時、你身在何處，都能與世界永不失聯。

　　航太領域“明珠”，各國角逐方向

　　航太産業既包含火箭製造、衛星製造、衛星發射、衛星測控、衛星運營、衛星應用等傳統領域，也有新興的太空採礦、太空旅遊、商業返回等方向。火箭和衛星是實現航太夢想的載體，經過60多年的發展，我國已經完成了各個品質大小衛星和不同噸量運載火箭的技術和産品積累。未來，商業衛星和商業火箭將向高整合度、低成本和個性化方向發展，新技術將會被大量採用。

　　當前我們所使用的衛星，包括通信衛星、導航衛星、遙感衛星和氣象衛星等。新興的衛星網際網路，則是可以提供寬頻接入業務的衛星通信系統。

　　衛星網際網路使用的衛星，其軌道高度有大約在36000公里的高軌道，8000～20000公里的中圓軌道、350~1400公里的低軌道等。當前的商業衛星網際網路，大部分是低軌道巨型星座系統。整個衛星網際網路産業，包含衛星製造、衛星發射、衛星運營和衛星應用等。

　　由於衛星網際網路可能帶來顛覆性應用，使得這一領域已成為國際上角逐的重要方向之一，而其大規模商業應用所存在的星座技術難度與系統實施難度，也讓它逐漸成為航太領域關注的“明珠”。

　　當前，知名的衛星網際網路要數美國SpaceX公司的星鏈星座，截至今年3月29日，他們已累計發射81批，共4217顆星鏈衛星。SpaceX的最新計劃顯示：第一代星鏈星座由五個軌道層組成，運作軌道540～570公里，總共部署4408顆衛星，有望在2023年全部完成。第二代星鏈星座由9個軌道層組成，運作軌道340～614公里，總計部署29988顆衛星；不過，目前得到正式批准的只有先行部署的7500顆，暫命名為Starlink Gen2A，已部署其中的兩個軌道層。

　　北京時間3月26日，印度使用GSLV MK3火箭成功發射OneWeb第一代網際網路星座的最後36顆衛星，使該星座在軌衛星達到618顆，工作軌道1200公里。根據印度空間研究組織的任務説明，本次發射的36顆OneWeb衛星總重量為5805公斤。這是OneWeb第一代寬頻星座的第18次，也是最後一次發射。OneWeb代表稱，OneWeb星座將於今年年底前提供全球服務解決方案。近年來，我國也在大力發展衛星網際網路，多個部門陸續發佈了一系列政策。2020年4月，國家發改委將衛星網際網路首次納入“新基建”，是通信網路基礎設施的範疇。2021年4月，中國衛星網路集團有限公司(簡稱“星網公司”)成立，主要從事衛星網際網路的論證設計、研究試驗、工程設計、工程建設、工程服務、運作控制、運營管理等業務，目前已有試驗衛星在軌進行技術驗證。在此之前，中國航太科技集團有限公司的“鴻雁”星座、中國航太科工集團有限公司的“虹雲”星座以及中國電子科技集團有限公司的“天地一體化”星座都曾經開展全球低軌通信星座的設計論證併發射試驗衛星，為“星網”星座打下了一定的技術基礎和頻率軌道資源基礎。

　　目前，北京、上海、深圳、安徽、河南、四川和重慶等多地均出臺政策支援衛星網際網路相關産業的發展。國內在衛星製造、衛星發射、衛星運營和衛星終端研製及創新應用等多個方向，向衛星網際網路全面推進。

　　高原、沙漠、空中和海洋，手機隨時直連衛星

　　衛星網際網路是衛星通信發展的高級階段。早期的衛星通信，是專線時代，以點到點通信為主，主要用於跨洋電視轉播和長途電話；之後是衛星通信發展到專網時代，中小企業用戶租用衛星轉發器可以構建專用網路，滿足內部通信需要；現在已進入到向個人寬頻接入為主的衛星網際網路時代。不過，專網時代仍在繼續，其當初得以興起，主要是依託高功率轉發器、整合電路技術和VSAT技術的日益成熟，使用戶終端天線口徑可以降到米級。如今軌道高度進一步降低，衛星和終端的整合度進一步提升，衛星和運載火箭研製成本大幅降低，使得面向個人用戶的衛星網際網路時代有了實現的可能。

　　面向個人的衛星網際網路具有這些特點：要有海量的衛星，其衛星星座由成百上千顆，甚至數萬顆衛星組成；軌道為非地球靜止軌道，這些衛星的軌道主要是離地球300公里到1400公里之間的低地球軌道；能提供寬頻網際網路接入；具有信號覆蓋範圍廣、通信容量大、信號傳輸延遲低的特點；商業運營，衛星網際網路的造價昂貴，需要採用特定的商業模式才能使業務長期延續。

　　那麼，衛星網際網路有哪些用途呢？有了它，寬頻服務接入、高清視頻回傳、流媒體傳輸等都可以實現。最關鍵的是，衛星網際網路將彌補地面移動網際網路在山區、高原、沙漠、空中和海洋等空間的覆蓋不足。

　　未來，不論何時，你身在何處，都可以實時線上，而且第二代衛星網際網路將進一步增加衛星品質和體積，可以實現手機直連衛星業務，將有可能在更多應用場景替代地面行動通訊業務。

　　此外，這些衛星還可以搭載不同的有效載荷，能夠實現更多的衛星應用功能。例如，搭載數據採集載荷，可以實現衛星物聯網服務，讓你的物流産品無論是在陸地、海上或者空中，均可以準確獲取其位置資訊、溫度資訊和其他狀態資訊等。搭載船舶防碰撞系統載荷，衛星可以接收全球任意海域各類船舶的位置等資訊，再播發給各類船隻，使之可以感知周邊船舶資訊或者開展經濟資訊分析等。搭載民航廣播式自動相關監視載荷，可以接收全球民航客機廣播資訊，既有利於航空公司飛機的飛行安全，也有利於空域實時監控管理。搭載導航增強載荷，可實現高精度的導航定位功能，提供車道級導航和釐米級定位精度業務。搭載遙感觀測載荷，可以感知全球農作物生長態勢、病蟲害監測、森林火情監測、污染監測和違章建築識別等。

　　應用場景多、潛在市場大，但諸多技術有待突破

　　衛星網際網路雖然有足夠多的應用場景和巨大的潛在市場，但實現低軌道巨型星座，需要在衛星研製、火箭技術、可靈活使用的發射場、地面測運控、低成本終端技術等方面，克服技術難點，取得更多的突破。

　　從衛星研製的角度來説，低成本是組建海量衛星巨型星座的前提，衛星研製自身的硬體設備、軟體模組和整合測試要儘量考慮低成本研製模式。同時衛星設計階段還要考慮到與火箭的適配性，降低衛星發射成本。具備更多功能的衛星，其設計要從兩個角度來考慮：星上載荷是單一的，就要重點開發單一載荷的多功能用途和多場景應用；星上有多個載荷，就要重點關注每個載荷實現不同功能或者相互組合産生新的功能。

　　從火箭的角度來説，就要發展低成本重型運載火箭技術。這是因為，重型火箭比小火箭更適合衛星網際網路這類海量衛星組成的星座發射任務。而要降低運載火箭的發射成本，可以採用多次重復可利用的運載火箭技術，同時也需要從單個火箭的設計成本、研製成本和系統整合測試成本等多個維度降低成本。

　　從發射的角度來説，需要更靈活可控的衛星發射技術。在很多國家建設衛星網際網路星座都受限于發射場的發射能力。這是因為每顆衛星都有在軌壽命，長的可以到5年、8年，短的僅2到3年。而衛星網際網路服務需要足夠多的衛星同時在軌，才能實現寬頻接入服務，因此需要可以靈活使用的商業發射場或者發射塔架，和足夠多的大型商業運載火箭批量生産研製能力。

　　從對衛星的管理來説，需要發展巨型星座運作管理技術。衛星在軌穩定提供衛星網際網路業務，需要地面測運控系統支援。幾十顆量級的衛星星座，其測運控系統可以在傳統單個衛星測運控系統基礎上，通過設備疊加、軟體模組規模增加以及人員數量增加來完成。但是，當衛星數量提高到成千上萬顆的時候，傳統的運作管理技術就不再適應了。因此，巨型星座亟須通過設計高效的網路運維繫統，構建基於星地鏈路/星間鏈路的測運控支援系統，實現對巨型星座衛星的全時段狀態監測，同時設計高效的業務管理機制，穩定提供寬頻接入業務。

　　從用戶的角度來説，需要發展低成本用戶終端技術。巨型星座能否運營成功，很大程度上取決於有多少用戶願意買單。傳統的相控陣天線研製需要幾十萬甚至上百萬的研發成本，這需要降低到幾萬元甚至幾千元，與現有智慧手機價格相當或略貴，才能便於市場推廣。如果第二代衛星網際網路星座星載天線足夠大，可以實現手機直連衛星，那麼終端研製成本就較易下降，甚至可以實現用目前的智慧手機享用衛星網際網路寬頻業務。

　　衛星網際網路重點在應用，因此需要開闢更多特有的應用場景。例如通信、導航和遙感綜合應用場景，為陸地、空中和海洋提供基於衛星的資訊綜合服務。

　　奔赴太空，擺脫地球引力，是人類長期的夢想。中國航太事業起步至今，東方紅、神舟、嫦娥、北斗、天宮以及長征系列火箭，書寫了一個又一個輝煌。如今，當衛星網際網路成為新熱點，能切實改變生活、和工作方式的航太技術，已經觸手可及。

　　(光明日報 作者：何善寶，係北京資訊科技大學研究員)