國際空間信息網絡發展計劃對我國的啟示

吳硯鋒，童業平

國際空間信息網絡發展計劃對我國的啟示

吳硯鋒，童業平

（中國電子科技集團公司第七研究所，廣東 廣州 510310）

在“天地一體化信息網絡”建設被上升為國家戰略之際，通過簡要綜述國際空間信息網絡發展的一些具體情況，結合相關專業方向的研究實踐，分析了幾項相關的關鍵技術，并提出了一些思考，為相關專項的論證提供參考。

天地一體化 高通量技術 臨近空間 天網地網

1 引言

2016年是我國“十三五”規劃開局之年，“天地一體化信息網絡”建設正式成為“十三五”國家戰略百大工程的第九項。這距離2006年沈榮駿院士最早提出我國天地一體化航天互聯網的概念及總體構想已有十年之久，在此之后的2007年和2012年，中國宇航學會飛行器測控專業委員會先后兩次召開學術年會，對航天互聯網相關技術進行了專題研討。2013年9月，我國召開了首屆天地一體化信息網絡的高峰論壇，取得了豐厚的成果。2015年，張乃通院士發表了《對建設我國“天地一體化信息網絡”的思考》，提出了“天地一體化信息網絡”的基本架構設想，并對今后的建設工作提出了建議。2016年3月，中國電子科技集團公司首席科學家吳曼青院士綜合了前期研究成果，進一步提出了“天地一體化信息網絡”的總體架構設想，梳理了網絡技術體系，并重點論述了天網地網架構、天地一體網絡協議、天地融合移動接入、保密安全、運維管控等方面的設想。經過長期廣泛的思考和討論，以及隨著技術的發展和市場需求的日益迫切，業界專家對于構建我國“天地一體化信息網絡”的必要性已經取得共識，即在“天地一體化信息網絡”上升為國家戰略的機遇下，在我國的理論研究和技術基礎已經初步具備建立天地一體化信息試驗網的條件下，行業內應盡快進行可行性論證和立項申請。

2 國外研究成果和發展計劃

衛星通信、導航和遙感是衛星商業應用三大主要領域。天地一體化信息網絡主要就是討論這三大天基網絡（包括其地面段，如通信地球站、地面導航增強系統、地面傳感信息網絡）與地面其他信息系統（如蜂窩移動網絡、有線寬帶網絡等）的一體化與深度融合。與領先全球的地面光纖寬帶基礎設施和4G、5G蜂窩通信技術相比，我國在天基信息網絡建設和技術方面與世界發達國家有著不小的差距。可以先看一下其他天基信息技術領先國家的部分具有代表性的商業衛星計劃。

美國的O3B計劃。Google、SES、匯豐、Liberty Global和John Malone投資成立的O3B計劃發射16顆MEO衛星，每顆衛星重量約680kg，通過載有空間路由器的衛星對全球發展中國家和地區進行無線寬帶網絡覆蓋，初步計劃提供10Gb/s的帶寬。使得其他30億人口（other 3billion-O3B）享受廉價的互聯網寬帶服務。至2014年9月，O3B宣布已經發射的8顆衛星全面運營，提供時延不超過150ms的600Mb/s中繼帶寬。臨近空間，如平流層也正在成為大家爭奪的陣地。Google發布了“Loon”項目（潛鳥計劃），希望利用熱氣球為農村和欠發達地區提供廉價互聯網服務。Loon氣球飛行在20km的平流層，直徑15m，使用聚乙烯塑料制成，加上特殊涂層防止填充的氦氣泄漏，載荷10kg，覆蓋半徑為40km，約2個紐約市的面積。氣球載荷包括氣象傳感器、定位裝置和信道收發機，可以與其他鄰近氣球和地面基站通信。這些帶有定位裝置的“聰明氣球”可以通過調整高度捕捉平流層穩定的多層多方向氣流進行運動，通過海量的歷史風向和氣象數據計算進行實時飛行路徑優化使得幾百個氣球能按照一定的隊形環球飛行，可以提供下載速度達10Mb/s的LTE移動通信服務。這與軌道衛星利用Ku或Ka提供的固定IP業務不同，它可以支持手持移動用戶的接入。去年，Google首次提出測試該項目，但遭到了包括電信、航空、國防在內的多家政府部門的反對。電信運營商擔憂的是Loon項目會干擾到信號傳輸，而航空部門則擔心其會對航線產生影響，國防部門擔心氣球會跨越軍事設施。看來如果要利用臨近空間，這些都是必須要考慮的。Google在遙感領域也作出了大膽的探索，收購了Skybox Imaging，布置了24顆冰箱大小的低軌衛星拍攝對地高分照片，利用大量的地理空間數據、機器學習能力及專家經驗將原始影像資料轉化為數據來幫助人們和組織作出更明智決策的目標。以后可以看到高清直播版的Google Earth。Loon計劃如圖1所示：

圖1 Google的Loon Project部署方案

SpaceX也不甘心只當搬運工，Elon Musk向聯邦通信委員會（FCC）申請了一個4000顆近地軌道衛星的計劃，星座高度1200km，每顆衛星重量約100kg，采用相控陣天線。若一切順利，5年后開始提供服務，屆時這家火箭公司轉型為巨量高速天基網絡運營商，為數十億的終端提供服務。

在SpaceX宣布計劃僅僅兩天后，OneWeb宣布了一個648顆低軌衛星星座的計劃，并得到Qualcomm和Virgin的投資。它的衛星重量和軌道高度都與SpaceX的計劃星座幾乎相同，但是它的東家Virgin擁有自己的頻率資源，國際電聯已經批給一個Ku波段。而且如果一切順利，將來可能增加到2400顆衛星。OneWeb可以提供小型終端，上網速度50Mb/s。OnWeb計劃如圖2所示：

2017年2月23日，銥星官網宣布第一顆“Iridium NEXT”衛星正式啟動運行。自2017年1月14日第一批10顆“Iridium NEXT”衛星成功發射和部署以來，銥星團隊已經完成了一系列嚴格的測試和驗證。

3 軌道與頻率

2016年4月27日，美國空軍向SpaceX授予8300萬美元的衛星發射合同，主要原因是合同價格大約比之前的估算低了40%。Elon Musk開啟了一個低成本火箭發射時代，在全球產生了巨大影響，這刺激了歐美人的雄雄野心，動輒宣布幾千顆衛星規模的星座建設計劃，并且借助金融市場擁有非常靈活的融資手段來保障計劃的順利實施。這些星座都宣稱其擔負著解決落后地區互聯網覆蓋，實現全球普遍服務的義務。于是所有的機構和專家都傾向于分析其盈利前景和回收成本的可能，反思銥星計劃的失敗教訓。實際上，這完全有可能沖著一個重要的戰略資源——軌道和頻率而來。

關于軌道和頻率的使用，國際規則就是先占先得。當中國發展北斗的時候，就已經有了L頻段擁擠不堪的教訓。如果現如今我國的天基信息網絡發展計劃，尤其是商業衛星應用計劃繼續糾結于是否能通過資費實現盈利，繼續就理論是否完善，技術是否成熟不停地打嘴仗。當萬物互聯時代瞬間撲面而來，我們會發現頭頂飛過的都是他國衛星和飛行器，無論軌道還是頻率，優質地段已無插足之地，屆時即使有再先進的網絡覆蓋技術，也要先給歐美企業交“場租”。就像沒有土地不能成為大開發商，沒有軌道和頻率，“天地一體化信息網絡”的宏偉戰略就只能建在紙上。因此，建議在軌道和頻率的爭奪戰中，中國不能落后，必須加快制定對各個軌道和頻率的利用計劃，行動起來，才能立于不敗之地。

4 高通量技術

衛星通信系統的容量是制約衛星通信系統普遍應用的一個重要因素。地面蜂窩通信系統由許多的小蜂窩和微小蜂窩組成，每一個蜂窩的容量雖然不大，但通過頻分復用技術，在一定帶寬內分出無數的蜂窩覆蓋整個地面，系統容量非常巨大，可以滿足全球用戶的接入需求。而衛星的一個波束就覆蓋整個地區或者整個國家，在Ku或者Ka頻段，一個波束可以提供很高的帶寬，但其多址能力畢竟是有限的，因此衛星系統無法滿足大容量節點的接入需求。用戶節點過少，用戶成本就高，因此，衛星通信的成本居高不下，只能為不計成本的特殊用戶提供服務。

高通量衛星（High Throughput Satellite，HTS）一詞最早由北方天空研究公司（NSR）于2008年提出。“高通量”一詞是相對于同等軌道和頻譜的常規衛星而言的，主要體現在高水平的頻譜復用和點波束技術上，通過上述技術使其總容量比傳統衛星提高數十倍甚至上百倍。當前全球最新的高通量技術應用主要集中在Ka頻段，提供衛星寬帶通信業務，例如Hughes網絡、Exede和Tooway等。我國2016年8月6日發射的“天通一號”移動通信衛星01星，首次在S波段使用64饋源陣的平板陣列天線產生108個通用波束的多波束技術，可以在我國本土及周邊地區形成100萬用戶容量的衛星網絡覆蓋。2017年4月12日，我國首顆Ka頻段高通量衛星“中星16號”順利發射升空，該衛星配備了26個Ka轉發器，通信容量達到20G以上。作為天地一體化網絡的重要組成部分，“天通一號”和“中星16號”都是我國在使用高通量技術方面的有益嘗試。

5 高頻段

近年隨著毫米波器件的成熟，通信衛星的工作頻段已全面進入Ka時代，未來將向更高頻段發展，新一代的通信衛星大多帶有Ka轉發器。2011年歐洲發射了全球第一顆全Ka轉發器衛星Ka-Sat，這標志著Ka轉發器正式成為商業通信衛星的主要載荷。目前L、C、S波段已經非常擁擠且容量有限，隨著毫米波TR組件的發展，通信衛星必然向Ka和更高的V（美國的AEHF）頻段發展。高頻載波的信息容量更大，可以提供更高帶寬并實現終端小型化，WINDS衛星終端采用45cm天線完成了155Mb/s信息速率的傳輸。當然，高頻段技術在陰影和衰落方面將遇到更多挑戰，其應用場合也有自己特定的邊界，但無疑應當成為“天地一體化信息網絡”主要考慮的技術手段。我國剛剛成功發射“墨子”號量子通信衛星，但學術界對于其使用“量子”一詞還有爭議，因為它只是利用光量子的密鑰分發，離實現糾纏態量子信息傳輸的目標還有相當一段距離。在高帶寬通信方面，太赫茲技術仍然具有現實的應用價值，太赫茲技術兼具光通信和微波通信的優點，具有傳輸速率高、容量大、方向性強、安全性高及穿透性好等諸多優點。據相關報道，日本已經通過試驗驗證其速率可達100Gb/s，美國正在利用太赫茲技術研制通信距離為5km的近距離高速通信設備。國家對相關標準的制定和網絡規劃，都應該對這些未來技術的出現具有一定的前瞻性。

6 臨近空間

海拔20km到100km的空域稱為臨近空間，位于飛機飛行高度以上、衛星運行軌道以下。臨近空間大致包括了平流層的大部分區域（高度12km～50km）、中間層區域（高度60km～100km）和部分電離層區域（高度60km～100km）。臨近空間是航天和航空空間之間的過渡區域，除了火箭偶爾穿越以外，那里是尚未開發的一片空白空間，沒有被充分開發利用，世界各國的關注度越來越高，但大多數國家都還處在理論研究階段。

中國首個軍民通用新型臨近空間平臺“圓夢號”2015年10月在內蒙古錫林浩特成功放飛。這是全球首次具備持續動力、可控飛行、重復使用能力的臨近空間飛艇飛行。在軍事方面，美國已裝備部分低速（如“戰斗天星”高空氣球）和高速臨近空間裝備（如SR-71高空高速戰略轟炸機）。在民用領域，除了前面介紹的Google的Loon項目，正在進行中的有Facebook研制的無人機Aquila，如圖3所示，這種無人機有一對43m長的波音737翼展，采用高強度的碳纖維材料，重量僅為454kg。使用氦氣球提升到平流層，通過太陽能維持巡航動力。2016年6月28日，Aquila第一次試飛成功，但在隨后的降落試驗中發生事故受到損壞。其首飛的目標是為偏遠地區提供上網服務。Facebook的計劃是：地面基站將無線電波傳送到一架Aquila，與衛星可以建立星間鏈路的方法類似，Aquila之間通過激光進行通信，建立寬帶中繼鏈路，機群將激光光束向下發送到地面的收發器，收發器接入地面寬帶網絡，將信號轉化為Wi-Fi或者4G網絡，以收發器為圓心，信號可以覆蓋半徑為30英里的地區。目前Facebook還沒有確定數據套餐的類型，也沒有確定服務的價格。

圖3 Aquila飛行器形態

Aquila無人機有以下優勢和特點：

（1）可以輕易回收，進行保養維護和軟硬件升級，建設周期短，成本低，可全天候工作；

（2）可以旋繞特定區域飛行提供定點覆蓋，具有類似于靜止軌道衛星的覆蓋能力；

（3）容量大、傳播損耗小（比地球同步軌道衛星衰減少65dB）、時延短；

（4）使用太陽能，省電、發射功率低、功耗低。

一個30km高空的臨近空間飛行器，可覆蓋1.2× 107km2的地域，我國人口多、面積大、需求可觀，應盡快建立一套類似于Aquila的臨近空間飛行器方案和通信體制，發展出一套擁有自主知識產權的臨近空間飛行器中繼平臺，應用于軍事和民用通信。在軍事方面，可用于地面、海上、空中和太空的通信中繼。在民用方面，可用于都市、郊區、鄉村和邊遠地區數字電話、傳真、電子郵件、視頻視聽等通信中繼，并與地面民用互聯網對接。

如圖4所示，基于Aquila無人機群的方案，我們建議在組網中增加氣球類飛行器，雖然無人機速度快，機動性好，但是缺點是重量受限，無法搭載重量和體積較大的大型基站設備，氣球類飛行器載重更好。以氣球類飛行器為中心，通過和無人機集群共同組成一個有中心的臨近空間飛行器網絡，進一步擴展了臨近空間通信的帶寬、容量和覆蓋范圍。

圖4 臨近空間組網示意圖

7 天網地網

把天地一體化網絡結構分為三類：天星地網、天基網絡和天網地網。

（1）天星地網：目前國內外主要采用“天星地網”方式來構建，包括國際通信衛星（Intelsat）、國際海事衛星（Inmarsat）、全球星（Globalstar）和Orbcomm衛星通信網絡等。衛星之間的互聯通過地面網絡完成，沒有星間鏈路。這類網絡復雜度較低，已得到了較好的商業應用，但是系統靈活度有限，網絡資源、通信速率都受限，已經不適應目前大數據、云計算和物聯網的發展。

（2）天基網絡：美國軍事星（Milstar 3-AEHF）系統和銥星系統（Iridium）則實現了天基網絡，每顆衛星都有網絡交換或路由功能，在不依賴地面信關站的情況下，能夠直接與地面終端組網。這類網絡星上系統較復雜、成本較高，除了軍事領域外，沒有很成功的商業應用。

（3）天網地網：由天基網絡和地面網絡共同構成，利用天基網絡實現全球覆蓋，利用地面網絡實現更廣泛的網絡接入，使天網地網融為一體，既解決了地面網絡覆蓋不足的問題，又降低了天網星上建設維護的成本。

天網地網是最符合我國國情的天地一體化網絡結構，到目前為止國內外仍處在設想和探索階段。2017年3月，中國衛通集團的閔士權研究員基于吳曼青院士的天地一體化信息網絡總體架構設想以及李德仁院士的PNTRC空間信息網絡方案，提出了“多層軌道天地一體化通信遙感導航網絡方案”，該方案提出了一個運用GEO星座骨干網絡和LEO星座接入網絡協同工作完成通信、遙感和導航三大功能的構想。

如圖5所示，建議在閔士權研究員的方案基礎上，強化臨近空間飛行器在天網地網中的作用，充分利用海拔20km～100km的空域，把目前的雙層網絡協同工作發展為三層網絡協同工作。第三層的臨近空間層負責上下行數據的中繼和部分遙感數據的采集工作，它的特點和優勢有：

（1）對地面信關站、各類用戶終端的低成本、小型化、低功耗都有很大幫助；

（2）臨近空間飛行器使用靈活、易回收，可以增強整個天地一體化系統抗毀性和安全性；

（3）雖然，LEO星座網已經能夠覆蓋全球，但是地球地表仍然會有很多覆蓋盲區，臨近空間飛行器的加入可以解決這個問題，可以使整個系統的覆蓋做到更細；

（4）臨近空間飛行器使得衛星遙感的數據更加立體和準確。

圖5 三網協同的天網地網架構

8 結束語

新時期，我國做出了“一帶一路”、“走出去”和科技強國、網絡強國等一系列戰略決策。隨著國家利益的擴展和延伸，更加需要運用創新的思維和方法建設“全球覆蓋、隨遇接入、按需服務、安全可信”的天地一體化信息網絡，為人民群眾和企事業單位提供可靠、穩定、豐富的信息服務，真正實現“國家利益在哪里，信息網絡覆蓋到哪里”的目標。我國天地一體化信息網絡建設剛剛起步，面臨技術難度大、涉及領域廣、應用需求多等諸多現實問題，應集思廣益、統籌規劃、周密實施。

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Enlightenment of Development Plan of International Space Information Network to China

WU Yanfeng, TONG Yeping
(C h i n a E l e c t r o n i c s T e c h n o l o g y G r o u p C o r p o r a t i o n No.7Re s e a r c h I n s t i t u t e, G u a n g z h o u 510310, C h i n a)

At present, the construction of “Integrated Space-Terrestrial Information Network” is raised to the national strategy of China. Some speci fi c situations of the development of the international space information network were reviewed brie fl y. Combined with the research practice related to our specialty, several key technologies were analyzed and some thought was presented to provide a reference to assessment of correspondingly special projects.

space-terrestrial integration high-throughput technology near space space and ground networks

吳硯鋒：現任中國電子科技集團公司第七研究所衛星通信應用研發中心工程師，主要研究方向為衛星移動通信終端軟硬件設計，衛星通信應用研發。

童業平：現任中國電子科技集團公司第七研究所衛星通信應用研發中心副總設計師，主要研究方向為移動通信系統空中接口物理層，衛星通信及應用。持有國家發明專利四項，新型實用專利兩項，曾獲省部級科技進步獎一項。

10.3969/j.i s s n.1006-1010.2017.12.008

T N927

A

1006-1010(2017)12-0038-06

吳硯鋒,童業平. 國際空間信息網絡發展計劃對我國的啟示[J]. 移動通信, 2017,41(12): 38-43.

2017-04-15

責任編輯：劉妙 l i u m i a o@m b c o m.c n