低轨增强：连接数字生活的“上帝视角”

◎ 徐红

● 国际欧亚科学院院士、北京邮电大学教授邓中亮

在没有传统地面运营商网络覆盖的地方，依靠卫星互联网实现通信正在成为现实。据专家介绍，我国也在进行相关卫星互联网通信的测试试验，加速卫星互联网落地，产业链布局不断完善。

据了解，自2020 年我国卫星互联网正式纳入新基建后，短短3年时间，网络建设已经实现重大突破，单颗卫星变成了组网星座，利用卫星通话时长也从3 分钟提高至半个小时以上，还成功赋能工业与自动驾驶领域结合，增强车辆感知能力等。

国际欧亚科学院院士、北京邮电大学教授邓中亮认为，从全球来看，天上的卫星网络是张大网，地面的移动通信网也是一张大网，将通信和导航两个大网融为一体，解决了信号服务覆盖，将产生非常巨大的应用前景。

党的二十大和今年政府工作报告中明确提出,要“打造宜居、韧性、智慧城市”建设。通信与导航深度融合将如何促进智慧社会发展，帮助人们连接数字社会，让所有人享受到数字化带来的便利和福祉？低轨卫星通导融合有哪些优势？随着5G 与卫星应用融合技术的不断完善，有哪些值得期待的前景？

邓中亮一直专心致力于卫星导航、无线定位、通导融合等方向的研究。“羲和”系统，就是他带领团队建设的世界首个室内外无缝高精度导航位置服务平台，并提出了TC-OFDM 定位与通信融合的新型信号体制。依靠这种技术，有效节约了室内定位成本，把移动通信网变成了一张既能通信，又能高精度定位的网，定位精度也从米级、分米级到厘米级，甚至毫米级，助力数字经济、智慧城市发展。

低轨卫星导航增强正在赋能位置服务，让我们来听一听这位无线网络定位专家的解读。

低轨卫星建设势在必行战略意义更大

“卫星导航用的就是通信技术，没有通信技术就没有卫星导航。”邓中亮表示，美国GPS、中国北斗、欧洲Galileo、俄罗斯GLONASS，这四大全球卫星导航系统，都是用通信手段来做高精度测量和定位。

近年来，随着全球四大卫星导航系统提供全球服务，世界卫星导航步入新时代。各个主要卫星导航国家瞄准更高服务精度、更加多样功能、更加可靠服务的目标，正在着手开展新一代系统建设和新一轮竞技。

低轨卫星（LEO）以其星座和信号的独特优势，逐步受到世界卫星导航领域的关注和青睐，有望成为新一代卫星导航系统发展的新增量。而低轨卫星制造和发射成本降低、速度加快，且具备大容量、低时延、低成本等特点，使得卫星互联网成为卫星通信重要的发展方向。

目前，国际卫星导航领域对如何应用低轨卫星技术实现PNT（定位、导航、授时）的增强、备份和补充的研发和实践方兴未艾。美国启动了低轨卫星互联网建设工作，埃隆·马斯克提出用低轨卫星提供通信服务的“星链”计划，最终将构建起约4.2 万颗的庞大星座。

2020 年，我国正式将卫星互联网纳入新基建范围，并将在“十四五”期间，打造全球覆盖、高效运行的遥感空间基础设施体系，多项政策推动卫星互联网建设与发展。

面对业界对卫星更高分辨率、更短重访周期和更快传输速度等的迫切需求，近年来，我国积极布局低轨星座，先后启动了“鸿雁”和“虹云”低轨卫星互联网计划，并发射了试验卫星。

2021 年，中国卫星网络集团有限公司（星网集团）挂牌成立，统筹国内低轨通信卫星发展。与此同时，以银河航天为代表的民间资本低轨卫星公司，也将有效推动我国卫星互联网商业化进程，抢占市场竞争先机。

“虽然我们在低轨卫星建设上起步稍晚一点，但也还来得及。”邓中亮介绍说，“谁先提交申请，谁有优先权”是目前国际对空间资源通用的指配原则，包括卫星频率和轨道资源。作为一个通信强国，这一资源我们不能不占，在这方面中国不能落后，落后就要挨打。我们必须努力突破一系列关键技术，发展中国自主的空中通信网络和服务能力。

“地面网有国界，太空没有国界。想想看，天上全是人家的卫星在飞着，你不恐慌吗？他的信号比你的信号强，可以监测国内所有的国土，你觉得安全吗？不安全。怎么办？就要监管，你有手段我也得有应对手段。”邓中亮语气坚定地说，“发展低轨卫星势在必行！”

他强调，当前世界变革发展速度太快，卫星网络技术加速演进。必须加快低轨卫星布局，建设卫星互联网，这是国家安全的需要，迫在眉睫，势在必行。所以，我们必须要行动起来，有相应手段应对才可以。

邓中亮介绍，通过大量研究和探索，我们已经论证了5G 网搬上卫星是可行的，并正在进行相关技术实验进行验证。这样一来，卫星全球覆盖就有了商业运营价值，而不只是一个国家战略。

星地“握手”互联导航不再“失联”

布局卫星互联网，形成全球覆盖、无缝连接的天地一体化信息网络，是完成我国高速泛在、天地一体、集成互联、高效安全信息基础设施的重要举措。同时，建好5G 网，对于国家构建导航、通信、计算、控制一体化体系，服务社会发展、经济建设将发挥关键作用，具有重大战略意义。

“5G 通信技术，为万物互联的智慧社会提供了更多的可能。”邓中亮认为，要尽快把卫星通信这张网建起来。中国及“一带一路”沿线国家共有30 多亿人，几乎相当于划走了“半个世界”市场，怎么才能把全球范围内这样的互联网潜在用户吸纳进来？这值得我们深入思考。

邓中亮介绍说，卫星轨道有高、中、低轨之分。低轨卫星轨道高度一般为1000 千米左右，相较于20000 千米以上高度的中高轨导航卫星，重量轻、轨道低的低轨卫星，其信号传输路径更短、信号时延和功率损耗更小，落地信号强度更高，可改善遮挡遮蔽条件下定位效果，提升可用性。

具体而言，第一，低轨卫星信号比较强。因为天上的卫星是一个功率受限的装置，所以，卫星功率既不能太低，也不能太高。另外，发射的信号是一个衰减过程。电磁波辐射强度与距离平方成反比，信号辐射能量落到1 平方厘米面积上的功率越远就越小，信号强度越来越弱，甚至比噪声还弱，这样，遇到遮挡就收不到信号了。手机天线信号的辐射面积也是如此。就跟灯泡一样，它负载的能量是守恒的，靠近了感觉到很热，离得远了就感觉不到它的温度，一个道理。

低轨卫星信号比高轨卫星强，原来山沟里、大桥下信号比较弱的地方也可以收到天上的卫星信号。卫星信号从离地面35000 千米的高轨卫星到350 千米的低轨卫星，距离相差了100 倍，意味着功率衰减1 万倍。碰到有信号遮挡的地方，比如墙体，信号过不去，这也就是为什么我们在室内收不到卫星信号的原因。可以穿墙的无线电波也要看它的波长，不同波长衰减不一样。当然这也和频率有关，遇到海水就没有信号波了。

第二，低轨卫星数量多。卫星越多辐射源就越多，信号能力越强。假如需要100 多颗卫星组网才能全球覆盖，3 万多颗星满足运营能力需求的话，卫星组网完成后，通过星间链路，让卫星“手拉手”形成合力，不仅每颗星的能力强了，整体服务能力也得到增强。假使有一颗星无法正常工作，也不会影响全局。这就是为什么马斯克要发几万颗卫星上天的原因。

低轨卫星除了信号能力强外，还增强了新的定位服务能力。业界都知道，4 颗卫星可以定位，多几颗卫星，就多一些定位测量手段，定位能力也就越强。低轨卫星数量众多，接收到的信号就会越多，提高了定位的稳定性。从卫星观测测量来看，星与星之间可以进行差分测量，可以修正一部分测量误差，定位精度也得到部分提高。

邓中亮总结：“轨道，低了看得清，高了看得远 ；远了费时费力，近了省时省力。”其中的“看”就是感知地球，省时省力就是低时延低功耗。

邓中亮进一步解释说，低轨道卫星资源更丰富，形成了一个新的空间卫星体系。一是这么多卫星播发信号，接续起来，信号的保障条件比原来好得多，可靠性也提高了，信号功率也增强了。所以，用低轨卫星可以做定位导航。

二是低轨卫星频率资源更丰富。L 波段资源多用于导航卫星，通信网的频率资源相对更丰富，这样就可以嵌入通信信号体制来做低轨卫星的定位增强。

也就是说，除了定位导航卫星以外，低轨卫星相当于做了一套新的定位导航系统，弥补了高轨卫星功率不足、频率紧张、带宽资源欠缺和覆盖能力弱的问题，容错能力也进一步提高。可以简单理解为，长跑队员从高轨经过低轨再到地面，中间的低轨卫星平台就是补给站，这就是低轨导航增强。

邓中亮表示，低轨增强是双向增强，彼此赋能。他举例说，目前，我国北斗卫星有一个短报文通信能力，目的就是实现在应急情况下也能把信息传回来，通过北斗终端发送短报文求救。但是它的通信容量是有限的，中国及周边地区短报文通信服务单次可以发送1000 个汉字，全球短报文通信服务单次可以发送40 个汉字。所以，受频率带宽影响，导航卫星用户群体数量不会太庞大。而通信卫星服务能力很强，如上所说，通信卫星也可以定位导航，这样就解决了导航卫星通信问题。

此外，低轨卫星更强调保障安全，特别是国家安全。通过星链互联和卫星互联网建设，增强了卫星数据下传能力。随着低轨卫星通信时代的到来，增强的定位服务能力将不断提高。星地如何互联，从而更好地服务国家发展与经济建设，这也成为邓中亮和团队的新使命。

未来的卫星电话老百姓用得起

去年下半年，华为公司发布新品手机，引人注目的亮点是手机可以直连卫星。同期，苹果公司也发布了一款直连卫星手机。据最新消息，2023 年，马斯克创办的SpaceX 将开始测试其卫星到蜂窝的电话服务。

邓中亮表示，这对于普通大众来说很有意义，他们可以享受低轨卫星通信服务了，而且通信方便。将来，基于5G 信号体制的卫星电话，可以给5G 手机用，给车载终端用，而且既可以进城市地面通信网，也能直接进卫星网，在两网之间自由切换，尤其是在信号有遮挡的时候，卫星通信信号可以无缝对接（无感化），连续提供通信服务。“将来我们的卫星电话很便宜，老百姓都可以用得起。”

有消息说，研发6G 已是进行时。为此，有网友表示，“4G 已经够用了，5G 还没用上，现在又在推进6G，意义在哪里？”对此，邓中亮表示，对于老百姓来讲，上网浏览新闻、网络购物、看视频，包括掌上办公等，4G 已经能满足他们的日常工作生活需求。但是，从国家层面来说，中国4G 网络建设已经“领跑世界”，5G 还要不要发展？现在国家提出建设智慧社会，那么，什么样的城市、什么样的社会算是智慧的呢？

党的二十大报告和今年政府工作报告中明确提出“打造宜居、韧性、智慧城市”建设。常言道，知己知彼，才能百战不殆。邓中亮认为，建设智慧城市，实现社会治理能力现代化的前提就是要做到全社会透明，全域全空间透明感知，透明了以后才能讲安全。而现在还远远没有达到这样的要求，我们认知的时空空间还有好多东西值得研究探索。

邓中亮举例说：“你看咱们这个办公室里，有你我两部手机，它能告诉我房间里有多少东西吗？这个书架上有这么多书，它能知道哪个种类的书在什么地方吗？不知道就说明我们的设备还不够智能 ；一只鸡、一只鸭、一只鸟都是从哪儿来的，有没有病毒，都搞不清楚，说明我们的社会现在还不够智慧；正在大力开展的智慧城市建设，其社会智慧程度到底有多高？智能汽车，哪个路面有坑，哪条路有危险，都要能感知，全面了解，才能实现无人驾驶。无人机监控管理，智慧化后，机器能够管理机器，所有的状态都要监管，都要有ID 信息，这些4G 都做不到。”

一是时延。4G 网络时延不够快，反应速度在几十毫秒，甚至上百毫秒，而5G 时延可以达到毫秒级，在10 毫秒以下，是4G 的1/5。所以，自动驾驶领域4G 肯定玩不转。再比如煤矿行业，现在还有300 多万矿工要到井下作业，将来井下掘进、打井、采煤、运输全流程要由机器代人。井下掘进的巷道长达几十千米，如果发现机器人在掘进工作中跑偏了，地面监控中心工作人员要及时给机器人发出指令，假如中间传导时间很长、响应速度很慢的话，可能机器人已经偏出很远，再校正回来恐怕已经来不及了。将来更多行业要机器代人，必然要向5G 发展。

二是连接能力。5G 每平方千米可以支持100 万个连接（用户），单个5G 基站至少必须具备20Gbps下行链路的处理能力，在10 万级的连接用户量层面，4G 响应速度肯定比不上5G。就像我们当年用2G 上网很慢，后来用了4G 就好多了。用了5G 手机的人都知道，它比4G 上网速度更快。

将来更多的监测都要视频监控，用高清图像传输，信息量非常大，对传输速度要求也非常高，显然4G 也无法胜任。比如，现在医院看病要排队，为什么老百姓非要跑到北京这样的大城市医院来排队？为什么非要把病人带到北京的医院来做手术？就是因为智力资源不共享，也没有手段来支撑智力资源的共享。假如远程医疗做手术，传输图像要高清，网络运行要稳定，传输速度也要快。不然，那边病人麻药都过劲了，这边图像还没有传过来，这样的手术谁敢做呢。没有别的选择，只能大老远跑到北京来做手术。

所以，4G 对人们日常生活需求是足够了，但是对于社会治理、城市治理来讲，对于物联网时代的万物互联来讲，显然不够。5G 应用非常广泛，需求也非常大，而低轨卫星覆盖更广。“我说地面网是有国界的，卫星网没有国界，就是因为通信技术与卫星融合后，不需要太多资金投入就可以进行覆盖全球。所以，我们要尽快把卫星通信这张网建起来，也有助于商业航天的推动和发展。”邓中亮如是说。

卫星互联网发展还有很长的路要走

“我也一直在思考，我们能跟蚂蚁这样的生物通信吗？能通信就能定位，那么鱼的通信又是啥？”“导航卫星已经实现了产业化，随着商业航天时代的到来，导航卫星商业化如何实现？”“低轨卫星能不能取代地面基站？”邓中亮表示，只有实现了天空地海全空域信号覆盖能力，才有可能满足卫星商业化的条件。

实现万物互联的5G，在工业互联网、智慧城市、元宇宙、数字孪生等领域有广阔的应用前景。而正在探索研究的6G，将是构建跨地域、跨空域、跨海域的空天地一体化网络，实现真正意义上的全球无缝覆盖。将来，坐在家里就能通晓天下事。

无论是低轨卫星导航增强，还是卫星互联网，最终都是要用起来。邓中亮表示，眼下还需要在几个方面实现突破创新：

一是要尽快形成一系列应用标准和规范，来支撑低轨卫星应用服务，一方面要构建基础平台，建立统一的标准体系，一方面应用服务也需要有一个标准体系支撑。万物互联时代，不同领域对应用的需求和要求也会不一样。如工业互联网，定位精度要求达到厘米级，甚至毫米级，而人员定位可能1 米～3 米就能满足需要。

二是要进一步分析整个体系建设，包括地图精度是多少、法律法规和安全等一系列问题的研究。如何既能保障整个产业安全运营，又能保证国家安全，变得非常紧迫和重要。

三是在统一规范上的深入探索。此外，海底水下通信一直是我们要解决的一个难题。

科学家的想法永远异于常人。“为人类和平作贡献、为生态和谐作贡献、为‘暗物质’定位导航作贡献”，这是邓中亮为自己立下的人生目标，也是他带领团队砥砺前行的方向。

仰望星空，星不远，梦也不远。打开连接数字生活的“上帝视角”，让“低轨增强”更多赋能数字经济，实现社会高质量发展之路正在脚下延伸。