海上卫星通信技术应用发展研究

关键词：卫星通信；卫星星座；物联网；典型应用

一、引言

卫星通信不受地面遮挡影响、通信距离远等特点，在海洋、沙漠、高原、边疆等人烟稀少的地区作为一种重要通信手段得到广泛的应用。在国家安全管理领域，卫星通信在深空探测、情报预警、应急通信等方面发挥了重要的作用。据国外专家预测，太空领域未来将成为继陆地、海洋、大气层之后人类生存发展的第四空间，谁先抢得太空制导权，谁就取得了竞争优势。随着5G通信技术的兴起，以物联网、人工智能技术为代表的新兴产业迎来了爆发式增长，但卫星通信存在的可用频谱资源少、终端价格高、通信带宽低、通信时延大等天然劣势，使其在面对高吞吐量、低延时为目标的通信需求时暴露出诸多不足，严重制约了在边远海疆地区的应用。鉴于此，国内外针对新业务的特殊需求，在卫星通信领域不断探索研发新技术，以提高卫星实用化功能拓展能力。

二、国内外卫星通信技术应用发展情况

（一）高轨卫星发展情况

高轨卫星主要指部署在地球同步轨道的通信卫星，其绕着地球同步自转，理论上部署3 颗卫星即可满足全球漫游通信要求（南北极除外）。

1. 国外方面

在以窄带应用为主的移动业务上，目前主要有工作在L 频段的Inmarsat（英国）、Thuraya（阿联酋）等卫星系统，如第四代国际海事卫星（Inmarsat4）在地球同步轨道部署有4 颗卫星，可为用户提供覆盖全球的语音、数据等移动通信业务，其作为全球海上遇险与安全救生系统的重要装备，能够满足船舶在海上航行期间的应急通信需求。高通量卫星主要利用多点波束和频率复用等技术，可在占用频带资源较少的前提下，实现单颗卫星波束覆盖区域内的高吞吐量数据通信，主要工作在Ka 频段。目前国外典型高轨高通量卫星系统主要有ViaSat（美国）、Ipstar（泰国）、Horizons-3e（美国）、Amos-17（以色列）等，如最新的ViaSat-3 计划由3 颗卫星组成，单颗卫星即可提供1Tbps 以上容量，可满足4K 视频、人工智能、卫星互联网等宽带通信业务需求。

2. 国内方面

我国于2016 年7 月和2020 年11 月分别发射天通卫星01 星和02 星，其作为中国版的国际海事卫星，全面建成后可实现全球移动通信，并支持最高384Kbps 的通信速率。目前，其信号已覆盖了中国及周边、中东、非洲等地区以及太平洋、印度洋大部分海域，能够提供全天候、全天时、稳定可靠的话音、短消息和数据等业务。目前已在海上抢险救援、应急通信等方面发挥了重要的作用。为满足新业务、新应用带来的高带宽需求，我國于2017 年4 月发射了第一颗自主设计的高通量通信卫星“中星16 号”，其具有20G 以上的通信容量，采用Ka 频段多波束通信，能够满足中国大部分陆地及近海海域高带宽通信需求。如中国卫通利用海上宽带卫星开展的通信服务“海星通”，可为远洋作业船舶提供高达数兆的宽带通信接入，其应用目前已覆盖全球90%航线，5000 余艘船只已加入使用行列。随着未来更多自主高通量卫星的部署，边远海疆地区宽带通信需求将能够得到极大的满足。

（二）中低轨卫星发展情况

低轨卫星系统是指由一系列分布在距离地球两千公里以内太空轨道中的卫星组成的卫星星座，其由于距离地面较近，中继通信距离短，能够弥补高轨卫星因距离地面遥远而存在的高时延等问题。但由于单颗卫星覆盖范围有限，且相对于地面始终处于运动状态，如需实现全球信号覆盖，其卫星需求总量多，且具备星上数据处理和星间交换能力，系统建设难度较大。

1. 国际方面

20世纪90年代建设的第一代铱星系统曾在全球抢险救援等领域发挥了重要作用，其主要由分布在近地极轨道的66 颗卫星组成，可提供含南极、北极在内的全球无缝通信业务。近年来，随着商业卫星互联网概念的兴起，美、英等西方国家正在大力布局低轨宽带卫星建设。目前正在建设的有OneWeb、StarLink、O3b、Iridium Next 等星座系统，其中最有代表性的为美国太空探索技术公司（SpaceX）投资建设的星链（StarLink）系统，其由分布在340km、550km 和约1200km 三个轨道面上的约12000 颗卫星组成。一期计划发射4400 颗卫星，截至2022 年11 月，已有2400 余颗卫星在轨道上运行，2100 余颗卫星正在提供服务。因其具有全球无缝接入、通信时延较小、通信容量较大、运营成本较低等四大特点，在计划发布之初就引起了全球的关注和追捧。在2022 年2 月爆发的俄乌冲突中，以美国为首的北约国家为乌克兰政府武装提供了数千套“星链”通信设备，其被用于协助乌克兰军队操作无人机、持续接收重要情报，以及在没有其他安全网络的地区保持通信。在“星链”系统的精确信息推送下，乌克兰获取了足够多的情报进行机动进攻，战场上实现了打得准、跑得快的目标，乌克兰得以在装备、人员均不占优势的前提下，仍然能够与俄罗斯继续周旋，“星链”系统在其中发挥了重要作用。

2. 国内方面

我国目前已经开展的低轨卫星建设计划有“鸿雁星座”、“虹云工程”、“天象星座”、“行云工程”等。如中国航天科技集团正在布局建设的鸿雁星座，计划由三百多颗低轨卫星和数据业务处理中心组成。由于其工作轨道低，受天气、电磁风暴等影响较小，其通信效果可媲美地面移动网络，能够形成任意地域及复杂地形的全天候全时段双向通讯能力，可为用户提供全球无缝覆盖通信业务。此外，卫星因搭载有高精度GNSS 接收设备，还能为用户提供基于处理运算的增强型导航功能，在复杂地形环境和复杂电磁环境下的导航定位能力将大大增强。系统建成后，其将在卫星互联网、高精度导航、物联网等应用领域爆发出巨大的发展潜力。

（三）卫星激光通信技术发展情况

卫星激光通信技术是一种利用激光波束进行信息传输的新型通信技术，鉴于其在真空环境中具有信号波束指向性强，受外部环境干扰小，信道传输容量大的特点，已成为低轨卫星系统星间组网的首选通信手段。大气环境条件下的星地通信之间，其受大气湍流、散射等因素干扰，对激光波束跟踪捕获带来一定困难，但其抗干扰能力强、通信速率高、传输容量大的优点也在部分领域呈现出越来越强的竞争力。

1. 国际方面

美国、欧洲、日本等国家和地区在卫星激光通信研究方面走在了前列，如美国“星链”低轨卫星系统最新发射的替代卫星即采用激光通信技术实现了星间组网，而欧洲EDRS 是全球首个正式投入使用的空间高速激光中继系统，其由3 颗高轨卫星组成，可通过激光通信链路为低轨卫星、空间站等提供数据中继服务，而EDRS-D 可提供的通信速率最高可达3.6Gbps。2020 年日本数据中继卫星JDRS 的发射升空，标志着日本星间激光通信应用迈上了新台阶。星地激光通信方面，美国、欧洲、日本都先后成功开展了多次地月激光通信、微纳卫星、低轨卫星与地面间激光通信试验，取得了较为理想的成果。

2. 国内方面

近年来，我国也在卫星激光通信领域开展了一系列研究工作。2016 年，“墨子号”卫星开展了我国首次星地激光通信试验，通信速率最高可达5Gbps。2017 年，“实践十三号”首次开展了高轨卫星与地面的双向激光通信试验，标志着我国在星地激光通信技术方面已经位于世界前列。2020 年，“实践二十号”卫星开展的超高速激光通信技术在轨试验，刷新了10Gbit/s 的全球在轨验证最高速率。同年，“行云二号”开展了低轨小型卫星星间激光链路技术验证，其双向通信速率可达100Mbps，通信距离超过了3000 公里。

三、基于海洋活动特点的卫星通信需求分析

在船舶远洋航行或从事生产作业、各类活动时，仅能依靠无线通信方式达成联络。短波通信长期被用作海上与陆地远程交流的主要通信手段，但其可用频谱资源较少，受周边电磁环境影响较大，主要用于语音通话且通信效果不佳；超短波通信受通视距离限制，仅能满足与船舶间的近距离通信。随着20 世纪60 年代美国第一颗通信卫星的成功发射，卫星以其通信距离远、可用通信频谱资源多的特点而逐步成为海上通信的重要手段。目前，全球海上航行中，卫星通信网已经成为承载业务功能多、通信类型全的骨干通信网络，通信业务量占比达到80% 以上。

通过对海上各类活动的通信业务和应用特点统计可见，卫星通信是能够满足多场景全业务通信要求的唯一手段。如利用高轨窄带通信卫星（天通卫星、Inmarsat 等）可以满足语音通话、电话传真等全球无缝低速通信需求，基于高通量通信卫星（中星16 号、Ipstar 等）可实现海上船队的高速宽带通信接入，利用低轨卫星星座网（鸿雁、StarLink 等）可满足各类人员/ 船舶等对宽带通信的随遇接入需求，而基于激光卫星通信技术则能够为有人海岛、无人岛礁、作业平台等提供大容量高速数据传输通道，采取跳扩频等调制方式的卫星通信技术则可提供特殊环境下的抗干扰通信服务，用户可以针对不同的应用场景及需求，通过组合选择加入不同的卫星网络，满足业务的全覆盖保障需求。

由于高、中、低轨卫星工作模式和所提供的服务能力均不同，而海上各类机动/ 固定平台面向航行保障、调度指挥、资源勘察、抢险救援、生产作业等任务时的通信需求复杂，业务形式多样，在实践中暴露出了现有卫星通信网功能类型单一、设备安装困难、操作维护复杂、使用成本较高、保密安全性差等一系列问题。为解决上述问题，应紧盯卫星通信新技术发展情况，在空天地海融合式通信、业务应用拓展、保密安全建設等方面加快建设步伐，才能让卫星通信更好地满足全球海洋经济发展需求。

（一）空天地海一体化融合式通信服务

随着各类型卫星通信服务的迭代发展，通信业务平台化、网络宽带化、标准全球化、终端易用化等发展趋势愈加明显。鉴于海洋环境的特殊性，开展面向一站式服务的融合式卫星通信服务建设将变得越来越迫切，通过设计一种可自动选择卫星链路、接口标准统一、人机界面友好的移动式一体化卫星通信终端，将海上、地面、空中通信网络相融合，打造基于一体的泛在通信网络，将能够为海洋用户提供更好的通信服务。该终端应至少具备天通卫星、低轨卫星星座以及高轨高通量卫星信道接入能力，支持北斗短报文功能，同时，还具备自动接入地面移动通信网能力，形成网络优势互补。此外，还应预留功能拓展接口，能够支持在卫星覆盖不足或受到通信干扰等情况时，可通过长航时无人机、空中无人艇等中继平台实现接力通信，满足应急保障需求。结合天线制造工艺的进步，通过开展共形天线设计、采用超导材料、由机械扫描向电子扫描、相控阵天线过渡等方式，进一步提升天线适装性能。用户不需关心采用什么类型通信模式，也不需关心应用的哪颗卫星，只需基于融合式通信平台，即可一键接入卫星链路，自动选择优化卫星通信信道，满足语音、视频和数据等海洋通信业务需求。

（二）基于卫星通信的海洋物联网应用

物联网技术在人工智能快速发展浪潮中已体现出了越来越重要的地位，但传统物联网主要依托蓝牙、红外、移动蜂窝等通信手段进行信息交互，在边远山区、荒漠、辽阔海洋等海疆地区，因缺少有效的网络覆盖，信息不能互联将极大制约物联网的发展。随着高通量卫星、低轨卫星通信技术的运用，基于卫星的物联网技术将成为海疆地区人工智能应用的重要推手。从技术上来说，NBIOT 标准能够有效降低对信号功率和通信速率的依赖，有助于基于卫星通信实现低功率广域覆盖。在优先选用低功耗传感器的基础上，充分运用太阳能等技术进行能源补充，可满足全天时全天候应用需求。比如从海洋管理角度看，在我国470 万公里管辖海域内，基于卫星的物联网应用可以将部署在船舶、岛屿、平台上的远程监控、入侵检测传感器信息实时回传至指挥机构，因其信息采集质量要远远优于观测卫星获取的信息，将在观察预警等方面发挥重要的作用。在装备物资、人员力量等方面采用卫星物联网技术，将能够为跨海域物资调配、人员优化调整、船（机）平台快速机动提供科学合理建议。

（三）基于卫星信道的隐蔽通信技术

卫星通信的特点决定了其通信性质属于公开信道通信，只要在卫星波束覆盖范围内，理论上都可以截获到信息数据流，很容易遭受窃密或者通信干扰破坏。卫星隐蔽通信技术就是在利用卫星信道进行收发信的基础上，尽可能使窃听方无法探测到真实通信的存在，从而隐蔽通信行为，实现低检测和低截获，以提供更高安全水平的通信能力。目前常用的隐蔽通信技术主要有两种，一是采取加密算法或专用安全传输协议实现的保密安全通信，但其信道隐蔽性差，容易被跟踪干扰。二是基于跳频、扩频及编码技术的卫星隐蔽通信，其抗干扰能力较好，不易被发现跟踪，但其占用的卫星频谱资源较多，由于卫星通信频谱资源紧张，在通信需求量巨大的前提下，很难全部满足保密通信需求。而基于变换域的卫星隐蔽通信技术，将是在应急条件下最低限度通信的一种有效解决手段。其主要利用公开的电视直播或卫星通信链路，将需传递信息叠加于正常的广播电视等信号中，如同寄生在宿主上、淹没于噪声中，与寄主系统共享卫星转发器资源，具有通信不易察觉、抗干扰、抗截获能力强等特点。在通信过程中，需能够对宿主系统的频谱采样情况准确感知和分析，并基于基带频谱幅值叠加需传递信号生成复合信号，其信干比最大可低于-30Db，能够在不影响原业务信号的基础上实现隐蔽传输，实现抗干扰通信目的。此外，随着星地间卫星激光通信技术的不断成熟，其指向性强、信道传输速率高的特点将有助于提升信息安全水平，也将会在海洋态势感知、资源综合管理、气象环境监测等领域得到广泛应用。

五、结束语

随着卫星通信新技术的迭代发展，以“互联网+ 服务”模式为引领，依托先进技术实现海上卫星通信保障能力的升级发展，将变得更加有前途。同时，这必将促进国家在和平利用海洋资源、维护国家海洋权益等方面职能作用实现跨越式提升，从而确保我国在全球海洋数字经济变革浪潮中抢得先机。

作者单位：刘锦超 中国海警局