把“基站”建到太空——
衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)離我們還有多遠
【記者觀察】
12月5日，我國在太原衛(wèi)星發(fā)射中心以“一箭18星”方式，成功將千帆極軌03組衛(wèi)星的18顆低軌衛(wèi)星送入預(yù)定軌道。
這18顆衛(wèi)星，有一個共同使命——組成“千帆星座”。它們是這個星座的第三批組網(wǎng)星，未來將會有一萬多顆星與它們?yōu)榘椤?/p>
這只是我國正在建設(shè)的低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座計劃之一，還有更多星座正在點亮太空。它們，把通信“基站”建到太空，將為更多人提供互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。
衛(wèi)星上網(wǎng)是什么體驗
什么是衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)？一言以蔽之，基于衛(wèi)星通信的互聯(lián)網(wǎng)，衛(wèi)星就是移動的“基站”。
那么，為什么要通過衛(wèi)星來上網(wǎng)？
據(jù)國際電信聯(lián)盟數(shù)據(jù)，全球仍有大約三分之一的人處于“脫網(wǎng)”狀態(tài)。將“基站”建在太空的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)，比傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋度更廣，是讓人們“上網(wǎng)”的重要方式——衛(wèi)星通信可以為偏遠地區(qū)，以及海洋、航空等傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)較難接入的區(qū)域，提供高速穩(wěn)定的互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。
“無論身處沙漠還是海洋，抑或是飛機上，都能享受到與在家里一樣的上網(wǎng)體驗?！睅啄昵?，時任中國航天科工集團“虹云工程”總設(shè)計師的向開恒在展望衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)前景時指出，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)隨時隨地的互聯(lián)網(wǎng)接入，尤其是在高山荒漠、深海遠洋等傳統(tǒng)移動通信到達不了的偏遠地方，更具優(yōu)勢。
如今，快速發(fā)展的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)，已在一些場景得到實際應(yīng)用，比如，為汽車、船舶、飛機等交通工具提供網(wǎng)絡(luò)連接服務(wù)。對于普通消費者而言，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)帶來的最直觀的變化是，手機沒信號時可以打衛(wèi)星電話。目前，許多手機已支持直連衛(wèi)星通信服務(wù)，通過衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)發(fā)送圖片、語音和短信等。一些企業(yè)還面向個人用戶，推出了“設(shè)備終端+流量套餐”的收費服務(wù)。
通過衛(wèi)星上網(wǎng)刷視頻，是什么體驗？
不久前剛上市的一款衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)上網(wǎng)套餐可提供參考——今年11月，中國衛(wèi)通推出了高軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)上網(wǎng)終端和9GB的衛(wèi)星上網(wǎng)流量套餐。該上網(wǎng)終端開機2分鐘可以自動對星，完成上網(wǎng)操作，最高支持下行40M/s、上行6M/s的衛(wèi)星帶寬，實現(xiàn)語音通話、短視頻瀏覽、上網(wǎng)購物、視頻直播等功能。但也不便宜，套餐費用優(yōu)惠后仍需199元/天。
專家指出，與5G等地面通信網(wǎng)絡(luò)相比，當(dāng)前衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)速還不夠快，通信時延相對較高，服務(wù)費用也不低。相對老百姓日常上網(wǎng)的需求，還有一段距離。但從發(fā)展前景來看，這些差距會通過技術(shù)進步慢慢彌補，用戶使用體驗方面，未來與地面網(wǎng)絡(luò)將不會有太大差別。
當(dāng)然，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)也不會完全取代地面網(wǎng)絡(luò)，而是形成互補關(guān)系。在地面網(wǎng)絡(luò)信號較好的地方，仍然優(yōu)先使用地面網(wǎng)絡(luò)。在地面網(wǎng)絡(luò)較難覆蓋的地方，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)是一種補充。比如，對于愛好戶外旅行和探險的人來說，手機信號不太穩(wěn)定的野外就很需要衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。
不僅僅是互補。專家指出，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)與地面通信網(wǎng)絡(luò)的融合，是未來移動通信網(wǎng)絡(luò)的重要發(fā)展方向。6G技術(shù)的支柱之一就是星地融合，有了衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的融入，6G可以成為覆蓋全球的空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)。
一個個衛(wèi)星星座開始組建
衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)前景很好，但要實現(xiàn)信號好、網(wǎng)速快，必須得成網(wǎng)，發(fā)射更多衛(wèi)星，組建衛(wèi)星星座。
以距離地球1000公里的近地軌道為例，衛(wèi)星繞地球一圈需要100多分鐘，如果這個軌道有足夠多的衛(wèi)星一起運行，便可以實現(xiàn)對全球的“無死角”覆蓋。也就是說，不管你在哪里，也不管什么時候，始終都有衛(wèi)星與你保持聯(lián)系，保證網(wǎng)絡(luò)信號的穩(wěn)定覆蓋。
“衛(wèi)星星座由成百上千顆，甚至數(shù)萬顆衛(wèi)星組成；衛(wèi)星軌道主要是離地球300公里到1400公里之間的低地球軌道；信號覆蓋范圍廣、通信容量大、信號傳輸延遲低。”北京信息科技大學(xué)研究員何善寶指出，面向個人的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)具備這些特點。
根據(jù)所處的軌道，衛(wèi)星可分為高軌和低軌。高軌衛(wèi)星的軌道距離地面約3.6萬公里，運行周期和地球自轉(zhuǎn)周期一致，與地面保持相對“靜止”狀態(tài)，覆蓋的地區(qū)是固定的，因此建立通信服務(wù)比較容易。但因為距離遠，信號傳輸?shù)臅r延和損耗也不小。相較而言，幾百到一千多公里的低軌道衛(wèi)星，具有傳輸時延小、鏈路損耗低等特點，更適合開展衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)。
目前，美國、英國、法國、俄羅斯、韓國等多國均提出或正在實施衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)計劃。據(jù)統(tǒng)計，截至2023年10月31日，全球申報的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座共52個，其中近地軌道星座46個。其中，最具代表性的可能是美國的“星鏈”。目前，“星鏈”已累計發(fā)射數(shù)千顆衛(wèi)星，但相對于其4.2萬顆的龐大部署計劃，只能說是才邁出“一大步”。
我國也在加快步伐。2020年，我國首次將衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)納入“新基建”范疇。此外，《“十四五”信息通信行業(yè)發(fā)展規(guī)劃》《“十四五”國家應(yīng)急體系規(guī)劃》等，對衛(wèi)星通信和衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展作出部署。近年來，多個衛(wèi)星星座計劃先后啟動，如航天科技的“鴻雁”星座、航天科工的“虹云工程”、中國電科的“天象”星座、國電高科的“天啟”星座等。
相關(guān)統(tǒng)計顯示，目前，我國向國際電信聯(lián)盟申請的低軌衛(wèi)星數(shù)量已達5.13萬顆，其中數(shù)量超過萬顆的星座計劃有三個——
中國星網(wǎng)的“GW星座”共計劃發(fā)射約1.3萬顆衛(wèi)星，目前已完成技術(shù)試驗衛(wèi)星的發(fā)射入軌；上海垣信衛(wèi)星的“千帆星座”未來將打造超過1萬顆衛(wèi)星組網(wǎng)系統(tǒng)，實現(xiàn)全球網(wǎng)絡(luò)覆蓋；鴻擎科技向國際電信聯(lián)盟提交“鴻鵠三號”星座申請備案，將發(fā)射1萬顆衛(wèi)星。這些龐大的星座要部署完成，還需要十來年。
“低軌衛(wèi)星星座有望成為新一代全球化信息基礎(chǔ)設(shè)施?！北本┯詈较到y(tǒng)工程研究所高級工程師于遠航指出。
搶抓發(fā)展空間和技術(shù)攻關(guān)
面對不斷加入的龐大星座計劃，我們?nèi)绾螒?yīng)對？
挑戰(zhàn)，首先來自越來越緊張的空間資源。在軌道容量和通信頻段有限的前提下，全球衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)注定是一場不進則退的激烈角逐。
國際電信聯(lián)盟規(guī)定，地球低軌道和通信頻段資源的獲取，遵循“先登先占、先占永得”原則。因此，衛(wèi)星星座建設(shè)存在明顯的“先發(fā)優(yōu)勢”。
目前，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)主要依靠低軌衛(wèi)星。低軌空間有多大，決定了可部署的衛(wèi)星數(shù)量。一般認(rèn)為，低軌衛(wèi)星應(yīng)距地球300公里到1400公里，或500公里到2000公里之間。如果取最大值，可在300公里到2000公里之間布局衛(wèi)星?！按致詼y算，在同層與跨層星間最小安全距離均為50公里的情況下，最多只有35個軌道殼層，總計可容納17.5萬顆衛(wèi)星。但考慮到頻譜分配等問題，最多只能容納6萬顆衛(wèi)星。”于遠航分析。
6萬，在一個又一個“萬顆級衛(wèi)星星座”的宏圖面前，顯得捉襟見肘。各國星座計劃加起來，規(guī)劃的低軌道衛(wèi)星數(shù)量早已超過6萬顆。而且，越往后，軌道頻段資源越少。太空越來越擁擠，星座部署的難度越來越大。
“為了我國通信領(lǐng)域的獨立自主以及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展通道考慮，我們需勇往直前，發(fā)展自己的互聯(lián)網(wǎng)星座，搶占低軌衛(wèi)星頻譜資源?！庇谶h航呼吁。
另一個挑戰(zhàn)，來自發(fā)射場和運載火箭。
衛(wèi)星星座建設(shè)帶來密集的發(fā)射需求，需要更靈活可控的衛(wèi)星發(fā)射技術(shù)。目前，國內(nèi)只有酒泉、西昌、太原、文昌四個發(fā)射場，發(fā)射場資源較為緊缺。商業(yè)航天發(fā)射場的重要性越來越凸顯，海南、寧波國際商業(yè)航天發(fā)射場讓人期待。
“很多國家建設(shè)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座都受限于發(fā)射場的發(fā)射能力?！焙紊茖氄f，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)需要足夠多的衛(wèi)星同時在軌，因此需要可以靈活使用的商業(yè)發(fā)射場或者發(fā)射塔架，和足夠多的大型商業(yè)運載火箭批量生產(chǎn)研制能力。
衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)要用得起，必須降低星座組網(wǎng)成本，地面終端也要實現(xiàn)低成本、小型化。作為成本的“大頭”，一旦火箭的制造和發(fā)射成本極大降低，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的服務(wù)費用會變得更容易接受。“可以采用多次重復(fù)可利用的運載火箭技術(shù)，同時也需要從單個火箭的設(shè)計成本、研制成本和系統(tǒng)集成測試成本等多個維度降低成本。”何善寶指出。
技術(shù)挑戰(zhàn)不僅僅來自火箭，還有星地融合、云網(wǎng)融合，以及網(wǎng)絡(luò)安全等。
目前，衛(wèi)星與地面網(wǎng)絡(luò)融合成為5G增強技術(shù)和6G技術(shù)研究的重點。星地一體化融合的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)，亟待突破。此外，大數(shù)據(jù)、云計算等與衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的融合也越來越重要。中國科協(xié)發(fā)布的2024“十大產(chǎn)業(yè)技術(shù)問題”，其中之一即“云網(wǎng)融合技術(shù)在衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用”，鼓勵廣大科技工作者對此集智攻關(guān)。
未來，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的觸角會伸向我們生活的每一處，其中帶來的信息安全和隱私問題，也應(yīng)提前應(yīng)對。衛(wèi)星終端可信接入、衛(wèi)星加密傳輸、抗干擾技術(shù)等，也是科技工作者需要關(guān)注的。
今年1月，工信部、教育部、科技部等七部門印發(fā)《關(guān)于推動未來產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的實施意見》提出，前瞻布局6G、衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)等關(guān)鍵技術(shù)研究。7月，工信部印發(fā)《關(guān)于創(chuàng)新信息通信行業(yè)管理 優(yōu)化營商環(huán)境的意見》提出，有序推進衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)準(zhǔn)入制度改革；8月，工信部相關(guān)負(fù)責(zé)人表示，我國將聚焦集成電路、工業(yè)軟件、衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域，更大力度補短板、鍛長板、樹新板……舉措頻頻，讓人對衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的未來充滿信心。
當(dāng)然，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)要好用，還需在應(yīng)用場景和商業(yè)模式上不斷突破。
“需要開辟更多特有的應(yīng)用場景，例如通信、導(dǎo)航和遙感綜合應(yīng)用場景，為陸地、空中和海洋提供基于衛(wèi)星的信息綜合服務(wù)。”何善寶建議。
(光明日報 本報記者 陳海波)