衛星互聯網發展的挑戰

郝才勇，張 琪，蔡鴻昀

（國家無線電監測中心深圳監測站，深圳 518120）

近年來，傳統的衛星通信和廣播業務正在逐漸轉向寬帶互聯網業務，非對地靜止軌道（NGSO，包括低軌道或中軌道）衛星系統迅速發展。2017年6月美國聯邦通信委員會（FCC）批準了OneWeb 公司提出的利用720顆低軌道衛星提供寬帶互聯網接入服務的請求[1]。OneWeb 是第一個獲得批準的新一代NGSO 衛星星座，標志著衛星通信進入互聯網時代。

衛星互聯網是利用位于非對地靜止軌道上的數量龐大的衛星組成的星座網絡，提供互聯網接入服務。NGSO 衛星系統具有覆蓋范圍廣、通信容量大、傳輸延遲低的優點，正在改變當今的網絡通信。

數量龐大的NGSO 衛星互聯網星座將在2020年前后相繼部署，這對衛星監管帶來了嚴峻的挑戰。首先，衛星頻率管理將會越來越復雜。NGSO 衛星星座使用的頻率具有全球性覆蓋，衛星互聯網的發展需要更多的頻率資源，如何利用頻率以實現最大的使用效率并提高本國的衛星通信競爭力，是衛星管理面臨的一大挑戰。然后，隨著衛星數量的急速增加，衛星頻率和軌道將會變得日益擁擠，衛星干擾將會越來越頻繁。解決衛星干擾問題是衛星管理面臨的關鍵性挑戰，需要開發新的通信技術和制定新的無線電規則來發減輕NGSO 衛星造成的干擾。此外，衛星互聯網系統具有天然的跨境覆蓋和全球通信的特性，這將帶來空間網絡信息安全的問題。最后，衛星互聯網部署的數量龐大的巨型星座顯著增加了產生軌道碎片的風險。如何制定和實施防止軌道碎片的規則，以確保全人類有安全和可持續發展的空間環境也是衛星管理面臨的另一嚴峻挑戰。

1 衛星互聯網的發展現狀

目前，全球至少有十多家衛星公司提出了NGSO 衛星星座計劃，以利用衛星網絡提供與地面通信網絡相媲美的互聯網接入服務，并且大多數衛星公司計劃在未來五年內將第一批衛星送入軌道。我國也提出了由幾百顆衛星組成的“鴻雁”、“虹云”等星座計劃。表1為近三年內美國FCC 授權和許可的NGSO 衛星星座，衛星總數達到13，000多顆。

目前，全球具有代表性的衛星互聯網星座是O3b 衛星系統、OneWeb 的衛星系統和Starlink 衛星系統。

1.1 O3b 衛星系統

表1 FCC授權和許可的NGSO星座

SES 衛星公司擁有的O3b 星座系統是目前全球唯一成功投入商業運營的中軌道衛星系統，從2014年開始運營，主要提供寬帶互聯網接入服務。O3b 衛星星座位于赤道上空的圓軌道，高度為8062km，工作在Ka 頻段。截至目前，O3b 星座包括20顆在軌衛星，能夠覆蓋全球南北緯45°之間的所有地方，包括我國絕大部分地區。用戶可以通過O3b 衛星接入地面衛星網關站，進而連接到地面互聯網。O3b 已于2018年獲得美國FCC 批準，后續將繼續部署傾斜軌道的衛星，衛星總數達到42顆，以實現向全球提供寬帶衛星互聯網接入[3]。

1.2 OneWeb 的衛星系統

OneWeb 公司于2013年提出低軌道衛星星座計劃，衛星數量為720顆（后來調整為650顆），軌道高度為1200km，工作在Ku/Ka 頻段，目的是向全球提供寬帶互聯網接入服務，已于2017年得到FCC 批準[2]。OneWeb 的每顆衛星容量為7.5Gb/s，有16個用戶波束（Ku 頻段）和2個網關波束（Ka 頻段），計劃在全球部署55 ～75個網關站。OneWeb 已在2019年2月發射了星座的前期的6顆衛星，計劃將在2019年底發射完成150顆衛星并啟動有限區域運營，整個衛星網絡將在2023年6月份之前全面運營。

1.3 Starlink 衛星系統

Starlink 衛星系統是SpaceX 公司于2016年提出的NGSO 衛星計劃，是有史以來衛星數量最多的衛星星座系統，目標是在全球范圍提供寬帶衛星互聯網接入服務，已于2018年得到FCC批準。Starlink 衛星系統的部署分為兩個階段：第一階段將在低軌道上部署4，425顆衛星，軌道高度為1100km ～1325km，工作在Ku/Ka 頻段；第二階段將在甚低軌道上部署7，518顆衛星，軌道高度為 340km，工作在V 頻段。Starlink 衛星系統將采用激光星間鏈路，星載天線、網關站和用戶終端都將使用相控陣技術[4][5]。Space X 于2019年5月發射了60顆衛星，該星座的初期商業運作可能在2020年開始。最終在2024年3月份之前啟動全面運營。

2 衛星監管的挑戰

由于傳統的衛星管理主要針對的是數量相對較少的靜止軌道衛星，衛星的使用范圍也往往限制在特定的有限區域內。衛星互聯網的發展帶來衛星數量的急劇增加，采用星間鏈路或關口站面向全球廣泛地區建立通信網絡，這對衛星網絡的監管提出了新的挑戰，主要包括衛星頻率資源管理、衛星干擾問題、空間網絡安全和軌道碎片問題。

2.1 頻率資源管理

衛星互聯網的發展需要額外的頻率資源，頻率資源正成為各國和衛星公司發展衛星系統競爭的焦點。各衛星公司提出的星座包含成百上千顆衛星，按照當前國際規則，星座中只需要有一顆在軌衛星，就相當于激活了整個NGSO 網絡資料，并獲得頻率和軌道資源的優先權。一旦這些巨型星座系統建成，將對后建的其他衛星星座造成很高的協調難度。這很容易演變成了通過發展衛星互聯網來搶占衛星頻率資源。

為了防止過度搶占頻率資源，國際電信聯盟（ITU）很有可能在2019年召開的WRC-19大會上，對衛星網絡投入使用期限的規則進行調整[6]，要求衛星公司必須在申請批準之后的規定期限內完成指定數量的星座部署。例如，FCC 要求衛星公司在批準后的6年之內發射申報衛星最大數量的50%，并在隨后3年內部署完成所有的衛星。

衛星系統的頻率管理通過國際和國內兩層監管。在國際上，ITU 為協調和登記衛星系統頻率使用制定了規則和技術建議，主要的規則是先到先得，即誰先申報并被批準了衛星網絡資料，誰就獲得優先權，在衛星頻率協調中占主要地位；在國內，國家無線電管理部門對希望在本國開展業務的衛星頻率使用進行監管，采取的手段是頻率使用許可和業務運營許可。

隨著對有限的衛星頻率資源需求的不斷增長，制定和實施衛星頻率管理規則和技術標準，對于促進衛星通信的發展和競爭力至關重要。復雜而耗時的頻率管理正在成為衛星互聯網系統發展和落地運營的關鍵因素，并且最好在衛星系統完成部署之前盡早解決。

2.2 衛星干擾問題

近幾年提出的NGSO 衛星星座包含數量龐大的衛星并覆蓋全球，使用了與傳統地球同步軌道（GSO）衛星相重疊的Ku 和Ka 頻段。衛星互聯網的發展很可能會導致頻率干擾問題，可以預見隨著大規模衛星星座的部署，衛星間干擾問題會越來越多。當NGSO 衛星經過GSO 衛星和地球站之間的路徑時，NGSO 對GSO 衛星干擾的風險將會增加。干擾的產生一方面是NGSO 衛星和GSO 衛星之間的干擾，另一方面是NGSO 星座系統之間的干擾。

根據ITU 規則第22 條，GSO 衛星具有頻率使用優先權，NGSO 衛星系統不可對GSO 衛星系統中的衛星固定業務和衛星廣播業務造成不可接受的干擾[7]。為了避免對GSO 衛星系統造成干擾，NGSO 衛星系統必須采取措施以符合等效功率通量密度（EPDF）的限制，如降低發射功率、調整天線指向角度等[8]。OneWeb 開發的Progressive Pitch 技術[9]，在NGSO 衛星進入低緯度區域時逐步傾斜調整天線指向角度，以消除對GSO 衛星的干擾。但多家衛星公司對其干擾避讓效果表示質疑。

采用天線指向角度隔離和發射功率限制可在一定程度上減輕衛星互聯網星座造成的干擾，但隨著數量龐大的衛星星座的部署，這些技術的實施也將變得困難。由于NGSO 衛星處于移動狀態，地面衛星終端天線也在不斷地進行波束和衛星切換，NGSO 和GSO 系統之間的干擾隨著時間和空間發生動態改變，識別違反規則的NGSO 衛星將變得更加困難（無論是意外發生還是故意發生的干擾）。并且將來從地面采用衛星干擾源定位技術來解決NGSO 衛星干擾將會變得不可能。因此，衛星互聯網系統中干擾處理的復雜性將顯著增加。

衛星干擾會導致已有的衛星系統和新部署的衛星系統的效率降低，是衛星互聯網發展必須考慮的問題。對衛星監管來說，面臨的挑戰是如何采用衛星信號監測和干擾定位技術，識別、定位干擾信號并判定干擾產生的責任方。

2.3 空間網絡安全

衛星互聯網的發展使空間領域成為一個更加復雜的網絡環境。衛星互聯網系統具有天然的跨境覆蓋和全球通信的特性。在我國境內的衛星通信終端可以通過軌道上的衛星星座直接將數據信息在境外網關站落地。圖1為O3b 星座的關口站分布，覆蓋我國的關口站為位于澳大利亞西部的Perth 關口站。

圖1 O3b的關口站分布及其覆蓋（來源：SES公司）

目前規劃的大部分NGSO 衛星星座系統都采用了星間鏈路技術，包括SpaceX，LeoSat，Boeing，Telesat，Theia Holdings 等公司。星間鏈路是通過激光或微波鏈路建立一個空間骨干網，地面衛星終端可與星座中的任何一顆在可視范圍內的衛星建立連接，數據能夠從一個衛星傳輸到另外一個衛星[10]。

采用星間鏈路的NGSO 衛星系統使數據信息可以從起點跨越地球上任何區域直達終點。此外，將網關站建在境外的NGSO衛星同樣可以實現無需經過境內的地面網絡系統直接進行通信，突破了傳統的地面互聯網信息監管。OneWeb 公司在2018年表示其NGSO 衛星星座不會采用星間鏈路，而選擇在全球各地部署55 ～75個網關站，其直接原因是各國的網絡監管部門擔心使用NGSO 衛星網絡時，掌握不了本國通信業務的去向和重新落地的位置。

為了應對NGSO 衛星互聯網帶來的空間網絡安全監管問題，大多數國家把衛星業務運營許可和頻率許可作為管理國外衛星系統的手段。對于衛星互聯網監管的具體措施，面臨的挑戰是如何通過衛星監測確定沒有得到我國落地權許可的NGSO 衛星，在我國實際開展的業務運營的情況。

2.4 軌道碎片問題

衛星互聯網的快速發展導致地球軌道上衛星數量的急劇增加。今天有近2，000顆活躍的衛星在地球軌道上運行，并且在不久的將來可能再發射20，000顆衛星。雖然這些前所未有的巨型衛星星座可能帶來重要的利益，但是這些衛星可能會導致顯著增加的軌道碎片。圖2為軌道碎片情況。

軌道碎片是圍繞地球運行的任何失效的人造物體。美國國防部與NASA 合作建立太空監視網可以探測、識別和跟蹤繞地球軌道運行的物體，其在2018年公開目錄包含19，000多個，其中只有2，000多顆是在軌衛星，剩下的都是軌道碎片，這些軌道碎片都可能導致嚴重的碰撞[11]。

圖2 軌道碎片（來源：歐洲航天局）

如何發展技術和指定規則來減少產生軌道碎片的風險，以應對巨型星座帶來的影響，也是衛星監管面臨的嚴峻挑戰。空間是一種共享的自然資源，所有的利益相關者制定防止軌道碎片的規則以減緩軌道碎片的增長，比以往任何時候都更加重要，從而確保全人類有安全和可持續發展的空間環境。

3 結束語

衛星通信正在從傳統的視頻廣播業務向衛星互聯網業務轉變。衛星互聯網的發展有效的擴展了全球互聯網接入的范圍。衛星互聯網是一個全球性的網絡，其業務運行產生的影響不局限于某個國家或地區。因此，衛星互聯網的發展在帶來利益的同時，也為衛星監管提出了新的挑戰。這些挑戰包括衛星頻率管理、衛星干擾問題、空間網絡安全和軌道碎片問題。針對這些挑戰需要盡早提出應對措施，包括提升衛星監測技術和制定空間無線電使用規則，從而實現對衛星互聯網進行有效的監管。