从低轨互联网星座浅谈卫星通信新应用

文 | 夏云飞 程子敬 潘越 史府鑫航天恒星科技有限公司

一、引言

低轨互联网星座是指由少则上百颗、多则上万颗低轨道小卫星组成，能够在全球提供宽带互联网接入服务，消除地球“数字鸿沟”，实现地球任意角落高速联网的巨型通信卫星星座[1]。由于服务区域广，不受地球表面地理环境影响，且在老少边穷地区的通信覆盖成本较低，低轨互联网星座已成为全球通信系统的关键组成部分，也是弥补信息时代“数字鸿沟”的核心工具，更有望成为5G乃至6G时代实现全球网络覆盖的重要解决方案。

当前，低轨卫星互联网技术已经成为通信领域科技竞争的新焦点，巨头纷纷入局，全球已进入卫星互联网的竞赛时代。“星链”（Starlink）星座、一网（OneWeb）星座、虹云星座、鸿雁星座等低轨互联网星座的相继提出和组网卫星陆续发射，推动了由数百甚至上万颗卫星构成的巨型低轨宽带通信卫星星座的发展，成为卫星通信商业化的核心方向。摩根士丹利预测[2]，到2040年，全球太空经济将产生超过1万亿美元的收入。低轨互联网星座的建成将实现全球每个角落高速联网，或将引发一场新的互联网产业革命。从现有的一些应用可以窥见，低轨互联网星座前景可期。

二、卫星通信应用新场景

1.科学考察探险

一直以来，各国的科学考察探险活动从未停止。在南北两极、珠穆拉玛峰、非洲撒哈拉大沙漠等地，地理环境恶劣通信条件极差，很难保证外界的及时通信，利用低轨卫星通信系统不仅可以保证探险人员与外界的通信，而且可以实时回传数据，甚至进行网络直播，分享所见所感。

加拿大的小型通信卫星制造商开普勒通信公司（Kepler Communications）研发的低轨极地卫星能够通过Ku频段提供高数据速率的存储和转发服务，地面用户终端的信号被解码并存储在卫星上。此后，同样的信息通过下行链路传输到加拿大北部的Kepler网关。这样可以有效地利用带宽，并减少对多个地面站站点的需求，以便提供全球服务。例如，为驻扎在北极的德国极星号破冰船上的“北极气候多学科漂流冰站计划”（MOSAiC）探险队提供了基于卫星的宽带连接，其速度超过100Mbit/s，使得高速宽带连接首次到达北极[3]。船上的研究人员已使用超高速互联网将大量数据和文件传回陆上研究中心，进一步研究气候变化对北极地区的影响。利用低轨极地卫星提供快速、稳定的网络连接，可以将研究人员在有限的科考时间内采集到的研究数据实时数据回传和保存，为极地科学考察研究提供了新思路，具有深远的价值和意义。

2.渔船海上通信

在海事应用领域，低轨卫星通信系统目前主要应用于船只跟踪、浮标监测和跟踪、卫星船舶自动识别系统（AIS）等三个领域[4]。渔民出海时，在离开陆地一段距离后只能通过卫星电话与外界联系。卫星电话存在着资费贵、稳定性一般的缺陷。利用低轨互联网星座，不仅可以大大降低资费，而且可以随时随地进行文件传输、视频通话、网络直播等，满足广大渔民的海上网络通信需求，具有潜在的广阔市场。

3.边远自然保护区保护

位于可可西里腹地的卓乃湖保护站海拔近5000m，距离青藏公路180km，气候严寒，风大地湿，最低气温达零下41℃，8级以上大风日数每年在200天以上。由于自然条件恶劣、通信手段欠缺、通信质量较差，当地生态环境保护、环境监测等工作无法正常开展。通过卫星通信固定站建设和卫星通信设备应用，可可西里卓乃湖核心保护区已经接入了卫星互联网，基本上解决了保护站的通信问题，但网络时延较长，实时性有待改善，也对工作开展造成了一定困难。例如，发现盗猎、盗采等事件时，巡山队员无法立即向管理局进行汇报，采集的图片证据回传较慢；开展环境监测、地质勘探等科考工作时，无法实现高速稳定的数据传输；驻站、巡山工作中发生险情时，与外界联系的延迟很有可能耽误救援，难以保障生命安全。

我国西藏、青海、新疆、云南等边远省份有许多自然保护区也面临同样的问题。低轨互联网星座建成后，将显著改善保护站的工作条件，有效提高工作人员的工作效率，极大地促进边远自然保护区的生态环境保护和环境监测。

4.卫星导航增强

随着无人驾驶、移动物联网等新兴产业的发展，用户对于高精度、全球覆盖的定位需求越来越强。以无人驾驶为例，要实现真正的无人驾驶，汽车除了要安装激光雷达等传感器外，还必须要具备厘米级的定位能力。导航增强能够为无人驾驶汽车、无人机等场景提供高精度导航保障，新的导航定位服务也将成为自动驾驶和无人机等领域变革的基础。低轨卫星导航增强服务将作为卫星导航的重要补充，进一步增强导航服务，满足高精度定位的应用需求。

作为国内首家自主研发低轨卫星的汽车企业，吉利集团于2018年战略投资浙江时空道宇科技有限公司，布局天地一体化出行生态。吉利低轨卫星布局形成后,将提升导航高精度达厘米级,为高级别智能驾驶提供高精度定位服务，全面提升用户智能出行体验。同时该公司还计划开展商用低轨导航增强系统验证，此商用系统的空间段、地面段、应用段所有核心技术自主可控。可以预见，低轨互联网星座将与汽车制造、未来出行、大数据等行业深度融合，打造立体化智慧出行新生态。

5. 5G卫星网络

低轨卫星与5G通信融合，可以支持移动用户保持连续不间断的5G卫星网络，也可以为广大范围内的终端用户提供高清视频等分发服务，还可以为机器通信和物联网服务提供实时位置、状态等信息的传送[5]。5G卫星网络可与地面5G网络透明连接，让用户无感切换天地5G网络，同时也可为地面5G基站提供数据回传等服务。

银河航天5G星座是基于5G标准的低轨宽带通信星座，该星座计划由上千颗基于5G标准的通信卫星，在1200km的近地轨道组成星座网络，能无缝扩展地面通信网络，实现对陆地、海洋及天空的全覆盖，让用户可以高速灵活的接入5G网络。2020年1月，银河航天公司完成了首星的发射。银河航天首发星为我国首颗由商业航天公司研制的低轨宽带通信卫星，采用Q/V和Ka等通信频段，具备10Gbit/s速率的透明转发通信能力，可通过卫星终端为用户提供宽带通信服务。该卫星累计在轨30日后，成功开展了通信能力试验，完成了第一次低轨Q/V/Ka频段通信验证[6]。4月，该星实现了3分钟卫星互联网视频通话。

三、结语

近年来，随着卫星技术的快速进步，低轨互联网星座也在快速建设中。随着人类活动边界以及联网场景的持续拓展，科学考察探险、渔船海上通信、边远自然保护区的保护、卫星导航增强、5G卫星网络都将成为未来低轨互联网星座建成后的潜在应用场景。低轨互联网星座应用前景广阔，将为我国航天产业发展带来巨大的机遇。