卫星互联网发展的挑战

郝才勇，张 琪，蔡鸿昀

（国家无线电监测中心深圳监测站，深圳 518120）

近年来，传统的卫星通信和广播业务正在逐渐转向宽带互联网业务，非对地静止轨道（NGSO，包括低轨道或中轨道）卫星系统迅速发展。2017年6月美国联邦通信委员会（FCC）批准了OneWeb 公司提出的利用720颗低轨道卫星提供宽带互联网接入服务的请求[1]。OneWeb 是第一个获得批准的新一代NGSO 卫星星座，标志着卫星通信进入互联网时代。

卫星互联网是利用位于非对地静止轨道上的数量庞大的卫星组成的星座网络，提供互联网接入服务。NGSO 卫星系统具有覆盖范围广、通信容量大、传输延迟低的优点，正在改变当今的网络通信。

数量庞大的NGSO 卫星互联网星座将在2020年前后相继部署，这对卫星监管带来了严峻的挑战。首先，卫星频率管理将会越来越复杂。NGSO 卫星星座使用的频率具有全球性覆盖，卫星互联网的发展需要更多的频率资源，如何利用频率以实现最大的使用效率并提高本国的卫星通信竞争力，是卫星管理面临的一大挑战。然后，随着卫星数量的急速增加，卫星频率和轨道将会变得日益拥挤，卫星干扰将会越来越频繁。解决卫星干扰问题是卫星管理面临的关键性挑战，需要开发新的通信技术和制定新的无线电规则来发减轻NGSO 卫星造成的干扰。此外，卫星互联网系统具有天然的跨境覆盖和全球通信的特性，这将带来空间网络信息安全的问题。最后，卫星互联网部署的数量庞大的巨型星座显著增加了产生轨道碎片的风险。如何制定和实施防止轨道碎片的规则，以确保全人类有安全和可持续发展的空间环境也是卫星管理面临的另一严峻挑战。

1 卫星互联网的发展现状

目前，全球至少有十多家卫星公司提出了NGSO 卫星星座计划，以利用卫星网络提供与地面通信网络相媲美的互联网接入服务，并且大多数卫星公司计划在未来五年内将第一批卫星送入轨道。我国也提出了由几百颗卫星组成的“鸿雁”、“虹云”等星座计划。表1为近三年内美国FCC 授权和许可的NGSO 卫星星座，卫星总数达到13，000多颗。

目前，全球具有代表性的卫星互联网星座是O3b 卫星系统、OneWeb 的卫星系统和Starlink 卫星系统。

1.1 O3b 卫星系统

表1 FCC授权和许可的NGSO星座

SES 卫星公司拥有的O3b 星座系统是目前全球唯一成功投入商业运营的中轨道卫星系统，从2014年开始运营，主要提供宽带互联网接入服务。O3b 卫星星座位于赤道上空的圆轨道，高度为8062km，工作在Ka 频段。截至目前，O3b 星座包括20颗在轨卫星，能够覆盖全球南北纬45°之间的所有地方，包括我国绝大部分地区。用户可以通过O3b 卫星接入地面卫星网关站，进而连接到地面互联网。O3b 已于2018年获得美国FCC 批准，后续将继续部署倾斜轨道的卫星，卫星总数达到42颗，以实现向全球提供宽带卫星互联网接入[3]。

1.2 OneWeb 的卫星系统

OneWeb 公司于2013年提出低轨道卫星星座计划，卫星数量为720颗（后来调整为650颗），轨道高度为1200km，工作在Ku/Ka 频段，目的是向全球提供宽带互联网接入服务，已于2017年得到FCC 批准[2]。OneWeb 的每颗卫星容量为7.5Gb/s，有16个用户波束（Ku 频段）和2个网关波束（Ka 频段），计划在全球部署55 ～75个网关站。OneWeb 已在2019年2月发射了星座的前期的6颗卫星，计划将在2019年底发射完成150颗卫星并启动有限区域运营，整个卫星网络将在2023年6月份之前全面运营。

1.3 Starlink 卫星系统

Starlink 卫星系统是SpaceX 公司于2016年提出的NGSO 卫星计划，是有史以来卫星数量最多的卫星星座系统，目标是在全球范围提供宽带卫星互联网接入服务，已于2018年得到FCC批准。Starlink 卫星系统的部署分为两个阶段：第一阶段将在低轨道上部署4，425颗卫星，轨道高度为1100km ～1325km，工作在Ku/Ka 频段；第二阶段将在甚低轨道上部署7，518颗卫星，轨道高度为 340km，工作在V 频段。Starlink 卫星系统将采用激光星间链路，星载天线、网关站和用户终端都将使用相控阵技术[4][5]。Space X 于2019年5月发射了60颗卫星，该星座的初期商业运作可能在2020年开始。最终在2024年3月份之前启动全面运营。

2 卫星监管的挑战

由于传统的卫星管理主要针对的是数量相对较少的静止轨道卫星，卫星的使用范围也往往限制在特定的有限区域内。卫星互联网的发展带来卫星数量的急剧增加，采用星间链路或关口站面向全球广泛地区建立通信网络，这对卫星网络的监管提出了新的挑战，主要包括卫星频率资源管理、卫星干扰问题、空间网络安全和轨道碎片问题。

2.1 频率资源管理

卫星互联网的发展需要额外的频率资源，频率资源正成为各国和卫星公司发展卫星系统竞争的焦点。各卫星公司提出的星座包含成百上千颗卫星，按照当前国际规则，星座中只需要有一颗在轨卫星，就相当于激活了整个NGSO 网络资料，并获得频率和轨道资源的优先权。一旦这些巨型星座系统建成，将对后建的其他卫星星座造成很高的协调难度。这很容易演变成了通过发展卫星互联网来抢占卫星频率资源。

为了防止过度抢占频率资源，国际电信联盟（ITU）很有可能在2019年召开的WRC-19大会上，对卫星网络投入使用期限的规则进行调整[6]，要求卫星公司必须在申请批准之后的规定期限内完成指定数量的星座部署。例如，FCC 要求卫星公司在批准后的6年之内发射申报卫星最大数量的50%，并在随后3年内部署完成所有的卫星。

卫星系统的频率管理通过国际和国内两层监管。在国际上，ITU 为协调和登记卫星系统频率使用制定了规则和技术建议，主要的规则是先到先得，即谁先申报并被批准了卫星网络资料，谁就获得优先权，在卫星频率协调中占主要地位；在国内，国家无线电管理部门对希望在本国开展业务的卫星频率使用进行监管，采取的手段是频率使用许可和业务运营许可。

随着对有限的卫星频率资源需求的不断增长，制定和实施卫星频率管理规则和技术标准，对于促进卫星通信的发展和竞争力至关重要。复杂而耗时的频率管理正在成为卫星互联网系统发展和落地运营的关键因素，并且最好在卫星系统完成部署之前尽早解决。

2.2 卫星干扰问题

近几年提出的NGSO 卫星星座包含数量庞大的卫星并覆盖全球，使用了与传统地球同步轨道（GSO）卫星相重叠的Ku 和Ka 频段。卫星互联网的发展很可能会导致频率干扰问题，可以预见随着大规模卫星星座的部署，卫星间干扰问题会越来越多。当NGSO 卫星经过GSO 卫星和地球站之间的路径时，NGSO 对GSO 卫星干扰的风险将会增加。干扰的产生一方面是NGSO 卫星和GSO 卫星之间的干扰，另一方面是NGSO 星座系统之间的干扰。

根据ITU 规则第22 条，GSO 卫星具有频率使用优先权，NGSO 卫星系统不可对GSO 卫星系统中的卫星固定业务和卫星广播业务造成不可接受的干扰[7]。为了避免对GSO 卫星系统造成干扰，NGSO 卫星系统必须采取措施以符合等效功率通量密度（EPDF）的限制，如降低发射功率、调整天线指向角度等[8]。OneWeb 开发的Progressive Pitch 技术[9]，在NGSO 卫星进入低纬度区域时逐步倾斜调整天线指向角度，以消除对GSO 卫星的干扰。但多家卫星公司对其干扰避让效果表示质疑。

采用天线指向角度隔离和发射功率限制可在一定程度上减轻卫星互联网星座造成的干扰，但随着数量庞大的卫星星座的部署，这些技术的实施也将变得困难。由于NGSO 卫星处于移动状态，地面卫星终端天线也在不断地进行波束和卫星切换，NGSO 和GSO 系统之间的干扰随着时间和空间发生动态改变，识别违反规则的NGSO 卫星将变得更加困难（无论是意外发生还是故意发生的干扰）。并且将来从地面采用卫星干扰源定位技术来解决NGSO 卫星干扰将会变得不可能。因此，卫星互联网系统中干扰处理的复杂性将显著增加。

卫星干扰会导致已有的卫星系统和新部署的卫星系统的效率降低，是卫星互联网发展必须考虑的问题。对卫星监管来说，面临的挑战是如何采用卫星信号监测和干扰定位技术，识别、定位干扰信号并判定干扰产生的责任方。

2.3 空间网络安全

卫星互联网的发展使空间领域成为一个更加复杂的网络环境。卫星互联网系统具有天然的跨境覆盖和全球通信的特性。在我国境内的卫星通信终端可以通过轨道上的卫星星座直接将数据信息在境外网关站落地。图1为O3b 星座的关口站分布，覆盖我国的关口站为位于澳大利亚西部的Perth 关口站。

图1 O3b的关口站分布及其覆盖（来源：SES公司）

目前规划的大部分NGSO 卫星星座系统都采用了星间链路技术，包括SpaceX，LeoSat，Boeing，Telesat，Theia Holdings 等公司。星间链路是通过激光或微波链路建立一个空间骨干网，地面卫星终端可与星座中的任何一颗在可视范围内的卫星建立连接，数据能够从一个卫星传输到另外一个卫星[10]。

采用星间链路的NGSO 卫星系统使数据信息可以从起点跨越地球上任何区域直达终点。此外，将网关站建在境外的NGSO卫星同样可以实现无需经过境内的地面网络系统直接进行通信，突破了传统的地面互联网信息监管。OneWeb 公司在2018年表示其NGSO 卫星星座不会采用星间链路，而选择在全球各地部署55 ～75个网关站，其直接原因是各国的网络监管部门担心使用NGSO 卫星网络时，掌握不了本国通信业务的去向和重新落地的位置。

为了应对NGSO 卫星互联网带来的空间网络安全监管问题，大多数国家把卫星业务运营许可和频率许可作为管理国外卫星系统的手段。对于卫星互联网监管的具体措施，面临的挑战是如何通过卫星监测确定没有得到我国落地权许可的NGSO 卫星，在我国实际开展的业务运营的情况。

2.4 轨道碎片问题

卫星互联网的快速发展导致地球轨道上卫星数量的急剧增加。今天有近2，000颗活跃的卫星在地球轨道上运行，并且在不久的将来可能再发射20，000颗卫星。虽然这些前所未有的巨型卫星星座可能带来重要的利益，但是这些卫星可能会导致显著增加的轨道碎片。图2为轨道碎片情况。

轨道碎片是围绕地球运行的任何失效的人造物体。美国国防部与NASA 合作建立太空监视网可以探测、识别和跟踪绕地球轨道运行的物体，其在2018年公开目录包含19，000多个，其中只有2，000多颗是在轨卫星，剩下的都是轨道碎片，这些轨道碎片都可能导致严重的碰撞[11]。

图2 轨道碎片（来源：欧洲航天局）

如何发展技术和指定规则来减少产生轨道碎片的风险，以应对巨型星座带来的影响，也是卫星监管面临的严峻挑战。空间是一种共享的自然资源，所有的利益相关者制定防止轨道碎片的规则以减缓轨道碎片的增长，比以往任何时候都更加重要，从而确保全人类有安全和可持续发展的空间环境。

3 结束语

卫星通信正在从传统的视频广播业务向卫星互联网业务转变。卫星互联网的发展有效的扩展了全球互联网接入的范围。卫星互联网是一个全球性的网络，其业务运行产生的影响不局限于某个国家或地区。因此，卫星互联网的发展在带来利益的同时，也为卫星监管提出了新的挑战。这些挑战包括卫星频率管理、卫星干扰问题、空间网络安全和轨道碎片问题。针对这些挑战需要尽早提出应对措施，包括提升卫星监测技术和制定空间无线电使用规则，从而实现对卫星互联网进行有效的监管。