衛星互聯網產業現狀綜述*

李 強,顧 芳，韓志軍

（中國電子科技集團公司第三十研究所，四川 成都 610041）

0 引言

互聯網作為20世紀最偉大的發明之一，深刻改變著人們的生產生活，有力推動著社會發展。目前互聯網信息傳輸方式主要依靠地面和海底光纖進行有線傳輸，受地理條件限制，在部分偏遠地區、航空、航海等領域，互聯網無法進行實際應用，因此衛星互聯網的提出，有效的拓展了互聯網的應用場景，是針對固定互聯網、移動互聯網的補充。衛星互聯網由于其特殊的戰略意義和商業價值，得到世界各國廣泛關注，各國爭先積極投入科研力量搶占目前稀缺的空間軌道和頻段資源，相繼將衛星互聯網作為國家重要發展戰略，并發布了衛星互聯網建設計劃。

2019年11月，科技部會同相關部委組織召開了6G技術研發工作啟動會，其中有專家提出6G網絡將是地面無線與衛星通信集成的全連接世界，通過將衛星通信整合到6G移動通信，實現全球無縫覆蓋，使網絡信號能夠抵達到世界的任何角落。2020年4月，國家發改委召開新聞發布會，會議首次明確將衛星互聯網作為通信網絡基礎設施的代表之一，納入新基建信息基礎設施的范疇，這將是我國低軌衛星互聯網迎來重大發展的歷史機遇，預計截止2022年發射完成在軌低軌衛星規模將達到800余顆[1-6]。

1 衛星互聯網概念

衛星互聯網是基于衛星通信的互聯網，通過一定數量的衛星組網實現全球覆蓋，構建空間網絡信息交換基礎設施，直接為地面、海洋和空中用戶提供寬帶互聯網接入等通信服務的新型網絡，具有廣覆蓋、低延時、寬帶化等特點[1]。

按照軌道高度劃分，衛星星座主要分為低軌、中軌、高軌三類；按照吞吐容量分為高通量衛星和常規衛星。其中低軌衛星具有低時延、鏈路損耗小、發射靈活、覆蓋范圍廣、應用場景豐富、成本低等特點，最適合發展衛星互聯網業務[1,4]。

2 衛星互聯網發展現狀

2.1 國際發展現狀

在2000年期間，以摩托羅拉公司“銥星”計劃為代表的多個衛星計劃（全球星、軌道通信、泰利迪斯、天空之橋）提出，“銥星”計劃通過發射66顆低軌衛星構建一個覆蓋全球的衛星通信網，此階段主要以語音、低速數據、短消息等業務為主[1]。但由于市場定位錯誤、技術復雜度高，投資過大，研發周期長及系統能力弱等多方面原因，項目宣告終止。

在2000年至2014年，以新銥星、全球星、軌道通信系統公司的衛星互聯網為主，為電信運營商提供一部分容量補充和備份，也在極端條件下向航空、航海等用戶提供移動通信服務，作為地面通信手段的補充。

在2014年至今，由于運載火箭、材料工藝、毫米波通信、天線射頻等技術的創新與進步，使得低中軌道衛星通信網絡建設進入了第二次發展浪潮，而且這次的成功與影響力不同于以往。以OneWeb、SpaceX、O3b等為代表的公司開始主導衛星互聯網建設，相繼推出OneWeb、Starlink、O3b等星座計劃。其中SpaceX公司實施的Starlink星座計劃是全球迄今為止部署在軌衛星最多的成功案例，累計發射了540顆星鏈衛星；O3b星座系統是全球唯一一個成功投入商業運營的中軌衛星計劃[1,2,5，6]。

表1 國外主要中低軌衛星計劃

2.2 國內發展現狀

近年來，工信部、國防科工局、國家航天局等密集出臺一系列支持性政策文件，為衛星互聯網行業發展提供政策支撐，我國衛星產業迎來快速發展，其中低軌通信衛星發展布局呈現快速發展態勢。

“十三五”期間，以中國航天科技、中國航天科工為主的兩大央企集團分別提出了“鴻雁星座”和“虹云工程”低軌衛星互聯網計劃，并發射了試驗衛星。隨著計劃相繼啟動，我國衛星互聯網產業迎來快速發展機遇，多地已在衛星互聯網產業領域開始積極布局。

2.3 產業規模

2015年-2019年全球衛星產業規模穩步增長，2015年全球衛星產業規模為2548億美元，2019年全球衛星產業規模為2860億美元，年平均增長率達2.9%[1]。全球衛星產業鏈主要由衛星制造、衛星發射、衛星應用、地面設備四部分構成，其中衛星應用與地面設備是衛星產業的主要組成部分，近年來兩者占比超過90%，衛星制造占比約為7%，衛星發射占比最小，約2%。如圖1所示。

表2 我國相關政策文件

表3 我國衛星互聯網重點代表計劃

圖1 2015年-2019年全球衛星產業規模(億美元)

衛星應用主要包括衛星電視、衛星固定通信、衛星廣播、衛星移動通信、衛星寬帶、遙感遙測業務。衛星應用作為衛星運營服務價值最大環節，2019年衛星應用總收入為1304億美元。其中衛星電視收入占比高達75%，其次為衛星固定通信業務，占比約為14%。

從衛星發射情況來看，2019年共發射473顆衛星，其中通信衛星為178顆，科研衛星為163顆，對地觀測衛星119顆，導航衛星13顆。

2.4 典型應用場景

相對于傳統地面通信網絡面臨在海洋、荒漠、偏遠山區等地理條件限制下鋪設難度大，成本高等問題，衛星互聯網由于不受地理條件限制，是對傳統地面通信的有效補充和延伸，通過構建天地一體化信息網，實現網絡信息全球無縫隙覆蓋，應用于航空、航海、陸地、軌交等行業領域。典型應用場景如下：

第一類，寬帶接入。由于偏遠地區地形、環境影響，無法鋪設有線通信設施，通過衛星可以提供互聯網網絡接入、衛星電視、衛星電話等服務。

第二類，航空、航海、軌交。在飛機、動車上裝載衛星終端，可以提供機/車載WiFi互聯網服務；輪船上裝載衛星終端，可以提供衛星定位與海事衛星電話，實現船只與地面通信的互聯互通，滿足海洋作業、科學考察、數據交互等需求。

第三類，災備應急通信。在公共突發事件、自然災害、恐怖襲擊、大型賽事活動等情況下，可以采用衛星通信完成應急通信、數據備份與恢復、異地災備等，通過衛星互聯網將關鍵業務數據進行備份。

第四類，政企專網。主要滿足政府、企業的特定需求，例如電力、石油企業，涉及部分海外跨境業務，需要與總部企業內網互聯進行數據傳輸、網絡電話、視頻接入、OA辦公等相關業務。

3 關鍵技術-

（1）運載火箭

運載火箭按照所使用推進劑來分，可分為固體型、液體型、固液混合型。目前主流設計采用液體型，主要考慮可回收使用。但目前僅美國SpaceX公司實現了火箭發射可回收，已成功重復發射回收5次獵鷹9火箭，將衛星發射成本降低至最低。2020年6月，SpaceX公司用一枚獵鷹9火箭將第9批共61顆衛星送到太空，單顆發射成本低至50萬美元，而我國商業衛星單顆發射成本約為470萬美元。SpaceX公司已實現一箭61星發射記錄，而2015年我國成功發射的長征六號火箭僅搭載了20顆衛星。未來火箭設計將重點考慮可回收技術、運載能力、成本造價。

（2）推進系統

與傳統化學推進系統相比，電推進系統是新一代的衛星首選動力裝置，利用加速裝置將高速離子流噴出提供反沖力，用于衛星狀態調整控制和軌道修正，電推進系統具有長壽命、高比沖、推力調整范圍大等優點。目前離子推進劑主要采用氙和氪，由于制造成本的原因，綜合考慮性價比，逐步采用氪來替代氙。

（3）能源系統

目前90%以上的衛星都采用太陽能帆板加蓄電池組的組合構成其能源系統。傳統多晶硅太陽能帆板被三結砷化鎵太陽能帆板取代，與多晶硅相比，三結砷化鎵擁有更高的轉換效率，可達30%轉化功率、具有高可靠性、耐高溫、抗輻射能力強。蓄電池主要采用鋰離子，鋰離子電池具有高的比能量，充放電效率高、電壓高、重量輕、壽命長、無記憶。但是如何采用高效的電池管理應用系統提高在軌壽命是后續研究的重點。

（4）多波束天線

多波束技術是提高衛星通信能力的重要手段，多波束天線有透鏡式、反射面式和相控陣式三種形式，其中相控陣擁有較高的口面效率，無泄露損失和口面遮擋，可靠性高等優點，可對波束數目和形狀進行控制，并可控制波束實現快速電子掃描。通過利用相控陣技術、高速數字信息處理技術和電控有源元器件實現精準的波束指向控制和波束賦形。該項天線技術能夠在提高衛星天線增益的同時,覆蓋更加廣闊的地面區域，因此是未來發展的核心方向。

（5）星間鏈路通信

星間鏈路通信按照工作頻段分為微波（Ka頻段）、毫米波（部分Ka頻段和Q/V頻段）、太赫茲和激光。微波、毫米波鏈路技術成熟，可靠性高，具有波束較寬，瞄準、捕獲、跟蹤容易等優點。激光鏈路主要優點是頻段寬，鏈路通信容量大，設備功耗、質量、體積小巧，激光光束發散角極小，具有良好的抗干擾和抗截獲性能，安全性高。但缺點是由于波束窄，衛星上機械裝置的隨機振動會引發光學發射裝置產生擺動，導致發射信號光束晃動，所以瞄準、捕獲、跟蹤系統設計和制造復雜。但為了滿足星間通信的大業務量，鏈路通信勢必采用較高頻段或者激光鏈路。星間鏈路通信還需要考慮智能最佳路由選擇、跨軌星間通信、高可靠傳輸波形設計等關鍵技術[7-8]。

4 下一步待研究關鍵問題

（1）通信頻段向高頻段發展

衛星互聯網需要大帶寬接入能力，高更的數據速率。目前多數高通量衛星均采用C、Ku、Ka頻段，上述頻段資源已接近飽，由于頻段資源競爭和軌道資源的稀缺，為了滿足未來大帶寬的需求，進一步提高衛星通信容量，現有Q、V波段有大量連續大帶寬可選擇使用（帶寬可達5GHZ），因此推動衛星通信向頻率更高的Q、V頻段進行發展，是未來的必然之路。但由于雨衰現象的影響，對衛星上射頻器件的要求也更苛刻，高性能高頻器件的研發應用也是急需解決的問題[4]。

（2）構建空天地一體化網絡安全防護體系

通過地面站、移動站、不同軌道面上的衛星群有機融合，構成空天地一體化信息網絡[3]。由于此網絡存在跨空域、跨地域的特殊性，導致其面臨來自不同方面和層次的網絡安全威脅。天地一體化網絡不僅承載著社會經濟等相關業務，還具有多星協同探測、情報偵察等軍事任務。我國衛星互聯網應構建空天地一體化網絡安全防護體系，針對統一身份認證、訪問控制，安全智能路由、安全切換、安全傳輸等關鍵防護技術進行總體設計實施。

5 結語與展望

衛星互聯網作為新基建的代表之一，其戰略地位日益凸顯。面對未來廣闊的市場應用和不斷稀缺的空間軌道資源，衛星互聯網正成為世界各國關注的焦點，并相繼發布了系列星座建設計劃。預計到2029年，地球近地軌道將部署約57 000顆低軌衛星，軌道資源將所剩無幾[1]。搶占空間軌道和頻段資源，是目前的緊急任務，戰略意義重大。

衛星互聯網首次納入新基建范疇，已經上升為國家戰略性工程。我國將從整體戰略統籌部署，打造完善的衛星互聯網產業鏈。通過構建良好的產業生態，做好區域分工與協同，鼓勵企業不斷攻關突破核心關鍵技術，擁有自主知識產權。加快推進相關產業發展，企業自身加大科研創新力度和商業模式創新，推進衛星互聯和地面網絡的深度融合，實現6G技術的提前儲備與布局。