低軌增強：連接數(shù)字生活的“上帝視角”

◎ 徐紅

● 國際歐亞科學(xué)院院士、北京郵電大學(xué)教授鄧中亮

在沒有傳統(tǒng)地面運營商網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地方，依靠衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)通信正在成為現(xiàn)實。據(jù)專家介紹，我國也在進行相關(guān)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)通信的測試試驗，加速衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)落地，產(chǎn)業(yè)鏈布局不斷完善。

據(jù)了解，自2020 年我國衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)正式納入新基建后，短短3年時間，網(wǎng)絡(luò)建設(shè)已經(jīng)實現(xiàn)重大突破，單顆衛(wèi)星變成了組網(wǎng)星座，利用衛(wèi)星通話時長也從3 分鐘提高至半個小時以上，還成功賦能工業(yè)與自動駕駛領(lǐng)域結(jié)合，增強車輛感知能力等。

國際歐亞科學(xué)院院士、北京郵電大學(xué)教授鄧中亮認為，從全球來看，天上的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)是張大網(wǎng)，地面的移動通信網(wǎng)也是一張大網(wǎng)，將通信和導(dǎo)航兩個大網(wǎng)融為一體，解決了信號服務(wù)覆蓋，將產(chǎn)生非常巨大的應(yīng)用前景。

黨的二十大和今年政府工作報告中明確提出,要“打造宜居、韌性、智慧城市”建設(shè)。通信與導(dǎo)航深度融合將如何促進智慧社會發(fā)展，幫助人們連接數(shù)字社會，讓所有人享受到數(shù)字化帶來的便利和福祉？低軌衛(wèi)星通導(dǎo)融合有哪些優(yōu)勢？隨著5G 與衛(wèi)星應(yīng)用融合技術(shù)的不斷完善，有哪些值得期待的前景？

鄧中亮一直專心致力于衛(wèi)星導(dǎo)航、無線定位、通導(dǎo)融合等方向的研究。“羲和”系統(tǒng)，就是他帶領(lǐng)團隊建設(shè)的世界首個室內(nèi)外無縫高精度導(dǎo)航位置服務(wù)平臺，并提出了TC-OFDM 定位與通信融合的新型信號體制。依靠這種技術(shù)，有效節(jié)約了室內(nèi)定位成本，把移動通信網(wǎng)變成了一張既能通信，又能高精度定位的網(wǎng)，定位精度也從米級、分米級到厘米級，甚至毫米級，助力數(shù)字經(jīng)濟、智慧城市發(fā)展。

低軌衛(wèi)星導(dǎo)航增強正在賦能位置服務(wù)，讓我們來聽一聽這位無線網(wǎng)絡(luò)定位專家的解讀。

低軌衛(wèi)星建設(shè)勢在必行戰(zhàn)略意義更大

“衛(wèi)星導(dǎo)航用的就是通信技術(shù)，沒有通信技術(shù)就沒有衛(wèi)星導(dǎo)航。”鄧中亮表示，美國GPS、中國北斗、歐洲Galileo、俄羅斯GLONASS，這四大全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，都是用通信手段來做高精度測量和定位。

近年來，隨著全球四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)提供全球服務(wù)，世界衛(wèi)星導(dǎo)航步入新時代。各個主要衛(wèi)星導(dǎo)航國家瞄準更高服務(wù)精度、更加多樣功能、更加可靠服務(wù)的目標，正在著手開展新一代系統(tǒng)建設(shè)和新一輪競技。

低軌衛(wèi)星（LEO）以其星座和信號的獨特優(yōu)勢，逐步受到世界衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域的關(guān)注和青睞，有望成為新一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展的新增量。而低軌衛(wèi)星制造和發(fā)射成本降低、速度加快，且具備大容量、低時延、低成本等特點，使得衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)成為衛(wèi)星通信重要的發(fā)展方向。

目前，國際衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域?qū)θ绾螒?yīng)用低軌衛(wèi)星技術(shù)實現(xiàn)PNT（定位、導(dǎo)航、授時）的增強、備份和補充的研發(fā)和實踐方興未艾。美國啟動了低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)工作，埃隆·馬斯克提出用低軌衛(wèi)星提供通信服務(wù)的“星鏈”計劃，最終將構(gòu)建起約4.2 萬顆的龐大星座。

2020 年，我國正式將衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)納入新基建范圍，并將在“十四五”期間，打造全球覆蓋、高效運行的遙感空間基礎(chǔ)設(shè)施體系，多項政策推動衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)與發(fā)展。

面對業(yè)界對衛(wèi)星更高分辨率、更短重訪周期和更快傳輸速度等的迫切需求，近年來，我國積極布局低軌星座，先后啟動了“鴻雁”和“虹云”低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)計劃，并發(fā)射了試驗衛(wèi)星。

2021 年，中國衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)集團有限公司（星網(wǎng)集團）掛牌成立，統(tǒng)籌國內(nèi)低軌通信衛(wèi)星發(fā)展。與此同時，以銀河航天為代表的民間資本低軌衛(wèi)星公司，也將有效推動我國衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)商業(yè)化進程，搶占市場競爭先機。

“雖然我們在低軌衛(wèi)星建設(shè)上起步稍晚一點，但也還來得及。”鄧中亮介紹說，“誰先提交申請，誰有優(yōu)先權(quán)”是目前國際對空間資源通用的指配原則，包括衛(wèi)星頻率和軌道資源。作為一個通信強國，這一資源我們不能不占，在這方面中國不能落后，落后就要挨打。我們必須努力突破一系列關(guān)鍵技術(shù)，發(fā)展中國自主的空中通信網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)能力。

“地面網(wǎng)有國界，太空沒有國界。想想看，天上全是人家的衛(wèi)星在飛著，你不恐慌嗎？他的信號比你的信號強，可以監(jiān)測國內(nèi)所有的國土，你覺得安全嗎？不安全。怎么辦？就要監(jiān)管，你有手段我也得有應(yīng)對手段。”鄧中亮語氣堅定地說，“發(fā)展低軌衛(wèi)星勢在必行！”

他強調(diào)，當前世界變革發(fā)展速度太快，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)技術(shù)加速演進。必須加快低軌衛(wèi)星布局，建設(shè)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)，這是國家安全的需要，迫在眉睫，勢在必行。所以，我們必須要行動起來，有相應(yīng)手段應(yīng)對才可以。

鄧中亮介紹，通過大量研究和探索，我們已經(jīng)論證了5G 網(wǎng)搬上衛(wèi)星是可行的，并正在進行相關(guān)技術(shù)實驗進行驗證。這樣一來，衛(wèi)星全球覆蓋就有了商業(yè)運營價值，而不只是一個國家戰(zhàn)略。

星地“握手”互聯(lián)導(dǎo)航不再“失聯(lián)”

布局衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)，形成全球覆蓋、無縫連接的天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)，是完成我國高速泛在、天地一體、集成互聯(lián)、高效安全信息基礎(chǔ)設(shè)施的重要舉措。同時，建好5G 網(wǎng)，對于國家構(gòu)建導(dǎo)航、通信、計算、控制一體化體系，服務(wù)社會發(fā)展、經(jīng)濟建設(shè)將發(fā)揮關(guān)鍵作用，具有重大戰(zhàn)略意義。

“5G 通信技術(shù)，為萬物互聯(lián)的智慧社會提供了更多的可能。”鄧中亮認為，要盡快把衛(wèi)星通信這張網(wǎng)建起來。中國及“一帶一路”沿線國家共有30 多億人，幾乎相當于劃走了“半個世界”市場，怎么才能把全球范圍內(nèi)這樣的互聯(lián)網(wǎng)潛在用戶吸納進來？這值得我們深入思考。

鄧中亮介紹說，衛(wèi)星軌道有高、中、低軌之分。低軌衛(wèi)星軌道高度一般為1000 千米左右，相較于20000 千米以上高度的中高軌導(dǎo)航衛(wèi)星，重量輕、軌道低的低軌衛(wèi)星，其信號傳輸路徑更短、信號時延和功率損耗更小，落地信號強度更高，可改善遮擋遮蔽條件下定位效果，提升可用性。

具體而言，第一，低軌衛(wèi)星信號比較強。因為天上的衛(wèi)星是一個功率受限的裝置，所以，衛(wèi)星功率既不能太低，也不能太高。另外，發(fā)射的信號是一個衰減過程。電磁波輻射強度與距離平方成反比，信號輻射能量落到1 平方厘米面積上的功率越遠就越小，信號強度越來越弱，甚至比噪聲還弱，這樣，遇到遮擋就收不到信號了。手機天線信號的輻射面積也是如此。就跟燈泡一樣，它負載的能量是守恒的，靠近了感覺到很熱，離得遠了就感覺不到它的溫度，一個道理。

低軌衛(wèi)星信號比高軌衛(wèi)星強，原來山溝里、大橋下信號比較弱的地方也可以收到天上的衛(wèi)星信號。衛(wèi)星信號從離地面35000 千米的高軌衛(wèi)星到350 千米的低軌衛(wèi)星，距離相差了100 倍，意味著功率衰減1 萬倍。碰到有信號遮擋的地方，比如墻體，信號過不去，這也就是為什么我們在室內(nèi)收不到衛(wèi)星信號的原因。可以穿墻的無線電波也要看它的波長，不同波長衰減不一樣。當然這也和頻率有關(guān)，遇到海水就沒有信號波了。

第二，低軌衛(wèi)星數(shù)量多。衛(wèi)星越多輻射源就越多，信號能力越強。假如需要100 多顆衛(wèi)星組網(wǎng)才能全球覆蓋，3 萬多顆星滿足運營能力需求的話，衛(wèi)星組網(wǎng)完成后，通過星間鏈路，讓衛(wèi)星“手拉手”形成合力，不僅每顆星的能力強了，整體服務(wù)能力也得到增強。假使有一顆星無法正常工作，也不會影響全局。這就是為什么馬斯克要發(fā)幾萬顆衛(wèi)星上天的原因。

低軌衛(wèi)星除了信號能力強外，還增強了新的定位服務(wù)能力。業(yè)界都知道，4 顆衛(wèi)星可以定位，多幾顆衛(wèi)星，就多一些定位測量手段，定位能力也就越強。低軌衛(wèi)星數(shù)量眾多，接收到的信號就會越多，提高了定位的穩(wěn)定性。從衛(wèi)星觀測測量來看，星與星之間可以進行差分測量，可以修正一部分測量誤差，定位精度也得到部分提高。

鄧中亮總結(jié)：“軌道，低了看得清，高了看得遠 ；遠了費時費力，近了省時省力。”其中的“看”就是感知地球，省時省力就是低時延低功耗。

鄧中亮進一步解釋說，低軌道衛(wèi)星資源更豐富，形成了一個新的空間衛(wèi)星體系。一是這么多衛(wèi)星播發(fā)信號，接續(xù)起來，信號的保障條件比原來好得多，可靠性也提高了，信號功率也增強了。所以，用低軌衛(wèi)星可以做定位導(dǎo)航。

二是低軌衛(wèi)星頻率資源更豐富。L 波段資源多用于導(dǎo)航衛(wèi)星，通信網(wǎng)的頻率資源相對更豐富，這樣就可以嵌入通信信號體制來做低軌衛(wèi)星的定位增強。

也就是說，除了定位導(dǎo)航衛(wèi)星以外，低軌衛(wèi)星相當于做了一套新的定位導(dǎo)航系統(tǒng)，彌補了高軌衛(wèi)星功率不足、頻率緊張、帶寬資源欠缺和覆蓋能力弱的問題，容錯能力也進一步提高。可以簡單理解為，長跑隊員從高軌經(jīng)過低軌再到地面，中間的低軌衛(wèi)星平臺就是補給站，這就是低軌導(dǎo)航增強。

鄧中亮表示，低軌增強是雙向增強，彼此賦能。他舉例說，目前，我國北斗衛(wèi)星有一個短報文通信能力，目的就是實現(xiàn)在應(yīng)急情況下也能把信息傳回來，通過北斗終端發(fā)送短報文求救。但是它的通信容量是有限的，中國及周邊地區(qū)短報文通信服務(wù)單次可以發(fā)送1000 個漢字，全球短報文通信服務(wù)單次可以發(fā)送40 個漢字。所以，受頻率帶寬影響，導(dǎo)航衛(wèi)星用戶群體數(shù)量不會太龐大。而通信衛(wèi)星服務(wù)能力很強，如上所說，通信衛(wèi)星也可以定位導(dǎo)航，這樣就解決了導(dǎo)航衛(wèi)星通信問題。

此外，低軌衛(wèi)星更強調(diào)保障安全，特別是國家安全。通過星鏈互聯(lián)和衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)，增強了衛(wèi)星數(shù)據(jù)下傳能力。隨著低軌衛(wèi)星通信時代的到來，增強的定位服務(wù)能力將不斷提高。星地如何互聯(lián)，從而更好地服務(wù)國家發(fā)展與經(jīng)濟建設(shè)，這也成為鄧中亮和團隊的新使命。

未來的衛(wèi)星電話老百姓用得起

去年下半年，華為公司發(fā)布新品手機，引人注目的亮點是手機可以直連衛(wèi)星。同期，蘋果公司也發(fā)布了一款直連衛(wèi)星手機。據(jù)最新消息，2023 年，馬斯克創(chuàng)辦的SpaceX 將開始測試其衛(wèi)星到蜂窩的電話服務(wù)。

鄧中亮表示，這對于普通大眾來說很有意義，他們可以享受低軌衛(wèi)星通信服務(wù)了，而且通信方便。將來，基于5G 信號體制的衛(wèi)星電話，可以給5G 手機用，給車載終端用，而且既可以進城市地面通信網(wǎng)，也能直接進衛(wèi)星網(wǎng)，在兩網(wǎng)之間自由切換，尤其是在信號有遮擋的時候，衛(wèi)星通信信號可以無縫對接（無感化），連續(xù)提供通信服務(wù)。“將來我們的衛(wèi)星電話很便宜，老百姓都可以用得起。”

有消息說，研發(fā)6G 已是進行時。為此，有網(wǎng)友表示，“4G 已經(jīng)夠用了，5G 還沒用上，現(xiàn)在又在推進6G，意義在哪里？”對此，鄧中亮表示，對于老百姓來講，上網(wǎng)瀏覽新聞、網(wǎng)絡(luò)購物、看視頻，包括掌上辦公等，4G 已經(jīng)能滿足他們的日常工作生活需求。但是，從國家層面來說，中國4G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)已經(jīng)“領(lǐng)跑世界”，5G 還要不要發(fā)展？現(xiàn)在國家提出建設(shè)智慧社會，那么，什么樣的城市、什么樣的社會算是智慧的呢？

黨的二十大報告和今年政府工作報告中明確提出“打造宜居、韌性、智慧城市”建設(shè)。常言道，知己知彼，才能百戰(zhàn)不殆。鄧中亮認為，建設(shè)智慧城市，實現(xiàn)社會治理能力現(xiàn)代化的前提就是要做到全社會透明，全域全空間透明感知，透明了以后才能講安全。而現(xiàn)在還遠遠沒有達到這樣的要求，我們認知的時空空間還有好多東西值得研究探索。

鄧中亮舉例說：“你看咱們這個辦公室里，有你我兩部手機，它能告訴我房間里有多少東西嗎？這個書架上有這么多書，它能知道哪個種類的書在什么地方嗎？不知道就說明我們的設(shè)備還不夠智能 ；一只雞、一只鴨、一只鳥都是從哪兒來的，有沒有病毒，都搞不清楚，說明我們的社會現(xiàn)在還不夠智慧；正在大力開展的智慧城市建設(shè)，其社會智慧程度到底有多高？智能汽車，哪個路面有坑，哪條路有危險，都要能感知，全面了解，才能實現(xiàn)無人駕駛。無人機監(jiān)控管理，智慧化后，機器能夠管理機器，所有的狀態(tài)都要監(jiān)管，都要有ID 信息，這些4G 都做不到。”

一是時延。4G 網(wǎng)絡(luò)時延不夠快，反應(yīng)速度在幾十毫秒，甚至上百毫秒，而5G 時延可以達到毫秒級，在10 毫秒以下，是4G 的1/5。所以，自動駕駛領(lǐng)域4G 肯定玩不轉(zhuǎn)。再比如煤礦行業(yè)，現(xiàn)在還有300 多萬礦工要到井下作業(yè)，將來井下掘進、打井、采煤、運輸全流程要由機器代人。井下掘進的巷道長達幾十千米，如果發(fā)現(xiàn)機器人在掘進工作中跑偏了，地面監(jiān)控中心工作人員要及時給機器人發(fā)出指令，假如中間傳導(dǎo)時間很長、響應(yīng)速度很慢的話，可能機器人已經(jīng)偏出很遠，再校正回來恐怕已經(jīng)來不及了。將來更多行業(yè)要機器代人，必然要向5G 發(fā)展。

二是連接能力。5G 每平方千米可以支持100 萬個連接（用戶），單個5G 基站至少必須具備20Gbps下行鏈路的處理能力，在10 萬級的連接用戶量層面，4G 響應(yīng)速度肯定比不上5G。就像我們當年用2G 上網(wǎng)很慢，后來用了4G 就好多了。用了5G 手機的人都知道，它比4G 上網(wǎng)速度更快。

將來更多的監(jiān)測都要視頻監(jiān)控，用高清圖像傳輸，信息量非常大，對傳輸速度要求也非常高，顯然4G 也無法勝任。比如，現(xiàn)在醫(yī)院看病要排隊，為什么老百姓非要跑到北京這樣的大城市醫(yī)院來排隊？為什么非要把病人帶到北京的醫(yī)院來做手術(shù)？就是因為智力資源不共享，也沒有手段來支撐智力資源的共享。假如遠程醫(yī)療做手術(shù)，傳輸圖像要高清，網(wǎng)絡(luò)運行要穩(wěn)定，傳輸速度也要快。不然，那邊病人麻藥都過勁了，這邊圖像還沒有傳過來，這樣的手術(shù)誰敢做呢。沒有別的選擇，只能大老遠跑到北京來做手術(shù)。

所以，4G 對人們?nèi)粘Ｉ钚枨笫亲銐蛄耍菍τ谏鐣卫怼⒊鞘兄卫韥碇v，對于物聯(lián)網(wǎng)時代的萬物互聯(lián)來講，顯然不夠。5G 應(yīng)用非常廣泛，需求也非常大，而低軌衛(wèi)星覆蓋更廣。“我說地面網(wǎng)是有國界的，衛(wèi)星網(wǎng)沒有國界，就是因為通信技術(shù)與衛(wèi)星融合后，不需要太多資金投入就可以進行覆蓋全球。所以，我們要盡快把衛(wèi)星通信這張網(wǎng)建起來，也有助于商業(yè)航天的推動和發(fā)展。”鄧中亮如是說。

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展還有很長的路要走

“我也一直在思考，我們能跟螞蟻這樣的生物通信嗎？能通信就能定位，那么魚的通信又是啥？”“導(dǎo)航衛(wèi)星已經(jīng)實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，隨著商業(yè)航天時代的到來，導(dǎo)航衛(wèi)星商業(yè)化如何實現(xiàn)？”“低軌衛(wèi)星能不能取代地面基站？”鄧中亮表示，只有實現(xiàn)了天空地海全空域信號覆蓋能力，才有可能滿足衛(wèi)星商業(yè)化的條件。

實現(xiàn)萬物互聯(lián)的5G，在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、智慧城市、元宇宙、數(shù)字孿生等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。而正在探索研究的6G，將是構(gòu)建跨地域、跨空域、跨海域的空天地一體化網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)真正意義上的全球無縫覆蓋。將來，坐在家里就能通曉天下事。

無論是低軌衛(wèi)星導(dǎo)航增強，還是衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)，最終都是要用起來。鄧中亮表示，眼下還需要在幾個方面實現(xiàn)突破創(chuàng)新：

一是要盡快形成一系列應(yīng)用標準和規(guī)范，來支撐低軌衛(wèi)星應(yīng)用服務(wù)，一方面要構(gòu)建基礎(chǔ)平臺，建立統(tǒng)一的標準體系，一方面應(yīng)用服務(wù)也需要有一個標準體系支撐。萬物互聯(lián)時代，不同領(lǐng)域?qū)?yīng)用的需求和要求也會不一樣。如工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，定位精度要求達到厘米級，甚至毫米級，而人員定位可能1 米～3 米就能滿足需要。

二是要進一步分析整個體系建設(shè)，包括地圖精度是多少、法律法規(guī)和安全等一系列問題的研究。如何既能保障整個產(chǎn)業(yè)安全運營，又能保證國家安全，變得非常緊迫和重要。

三是在統(tǒng)一規(guī)范上的深入探索。此外，海底水下通信一直是我們要解決的一個難題。

科學(xué)家的想法永遠異于常人。“為人類和平作貢獻、為生態(tài)和諧作貢獻、為‘暗物質(zhì)’定位導(dǎo)航作貢獻”，這是鄧中亮為自己立下的人生目標，也是他帶領(lǐng)團隊砥礪前行的方向。

仰望星空，星不遠，夢也不遠。打開連接數(shù)字生活的“上帝視角”，讓“低軌增強”更多賦能數(shù)字經(jīng)濟，實現(xiàn)社會高質(zhì)量發(fā)展之路正在腳下延伸。