低轨卫星互联网:发展、应用及新技术展望.pdf
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1、 年 无线电工程 第 卷 第 期:引用格式:禹华钢,方子希低轨卫星互联网:发展、应用及新技术展望无线电工程,():,:,():低轨卫星互联网:发展、应用及新技术展望禹华钢,方子希(中国人民解放军部队,北京;中国电科网络通信研究院,河北 石家庄)摘要:传统以人为中心的通信模式正在逐步向以服务为中心的通信模式转移,未来的时代,将是空天地海一体化的泛在网络。为了解决互联网的“最后一公里”问题、实现全球无差别的信息覆盖,低轨卫星互联网应运而生。从互联网的概念入手,介绍了低轨卫星的发展,并由此衍生出低轨卫星互联网的概念;概述了国内外在低轨卫星互联网建设中的项目进展情况;详细阐述了低轨卫星互联网在陆地、海
2、洋及空中的典型应用场景和业务接入需求;梳理了低轨互联网发展过程中面向用户的个关键技术,即抗干扰技术、感传算一体化技术、多星多波束联合传输技术和免授权接入技术,希望对低轨卫星互联网的工程推广产生一定的积极意义。关键词:卫星通信;互联网;空天地一体化;无线通信中图分类号:文献标志码:开放科学(资源服务)标志码():文 章 编 号:():,(,;,):,:;收稿日期:引言卫星通信的设想最早于年由英国青年军官克拉克在 上发表的“”(地球外的中继)论文中提出。他提出,只要在地球上空特定的轨道等间隔布置颗静止卫星,并利用无线电定向天线连接这些卫星,就可实现全球信息的互达。这里,克拉克提出的卫星衍生出了最早
3、的卫星形态,即地球同步静止轨道()卫星。随着年世界上第一颗实验通信卫星“斯科尔”()的发射,卫星通信已历经近年的发展,除了卫星,还先后出现了中高度轨道()卫星、低高度轨道()卫星、倾斜地球同步轨道()卫星以及极轨卫星()。得益于卫星通信全球覆盖、不受距离限制、快速布设等优工程与应用 点,实现了为跨洲际、海洋等用户提供全球通信的能力。在时间、地点及强度不可预测的地区突发事件中,卫星提供了有效的信息传输手段,卫星通信已然成为当今社会不可或缺的核心通信技术之一。近年来,为了避免静止轨道卫星引起的信号衰减和时延,研究人员越来越关注卫星的建设和使用。卫星指轨道高度在 以下的卫星通信系统。由于卫星高度低,
4、为了实现地球表面的全覆盖,需要发射大量的卫星。从单星角度来讲,卫星质量轻、结构简单、成本较低,但从星座来看,是非静止轨道卫星,一颗卫星在要求实时连接时,地面用户可能需要将波束和天线切换到其他卫星指向上,星座拓扑、星间路由等也会使系统设计复杂度增加。年,美国科学家等开发了一个用于连接美国国防部合作研究机构台计算机的标准通信协议,并命名为“传输控制协议和网间协议”(),它被认为是互联网的雏形。随着谷歌、微软、百度在网站搜索、社交网络以及地面移动通信的发展,互联网迅速成为人们日常生活中最息息相关的网络,各式各样的电子信息产品和多样化业务井喷式出现。卫星通信作为互联网接入的一种重要方式,事实上,已然成
5、为一种为全球用户提供网络服务的最佳方案。世纪末,互联网服务提供商为了和骨干网建立直接连接,采用通过国际卫星通信组织的卫星链路连接到美国服务器,正式开启了采用卫星接入互联网的用户应用模式。与其他通信技术类似,卫星通信也在从话音业务向数据通信转变。一方面,基于频段和频段的卫星网络已无法满足日益增长的大数据量实时业务传输;另一方面,传统依赖高轨道卫星的海上、偏远地区等特殊用户,也亟需通过新的手段来降低通信资费。低轨卫星被越来越多的互联网提供商、网络内容提供商和电信运营商作为提供优质传输通道的全新手段。由此,低轨卫星互联网理念应运而生。本文依托国内外低轨卫星互联网领域的最新发展动向,从低轨卫星互联网概
6、念入手,首先详述了欧洲、北美等发达国家地区在低轨卫星互联网建设中的进展情况和我国的低轨卫星互联网发展现状。其次,结合应用和愿景,分别从陆地、海上和空中个场景全面梳理了低轨卫星互联网的实际及潜在应用。最后,考虑到低轨卫星互联网还处于建设初期,技术积累还不够全面,展望了个潜在的低轨卫星互联网新技术,并进行了详细解析,试图为下一代宽带卫星互联网的发展提供部分技术借鉴。低轨卫星互联网概念低轨卫星互联网是指基于大规模低轨卫星星座、以卫星中继通信为技术手段的互联网,其业务覆盖全球。低轨卫星互联网是空天地一体化信息网络中的重要组成部分,是解决互联网“最后一公里”以及延伸地面移动通信网络的关键天基网络。低轨卫
7、星互联网以构建具备实时信息传输的星群,向用户终端提供宽带互联网接入为主要任务。国内外低轨卫星研究现状 国外现状低轨移动通信星座发展在历经了世纪初的“没落”之后,现已“强势回归”,美国铱星()、全球星()、轨道通信卫星()目前正在开展向第二代星座的升级换代工作。基于互联网快速发展,年后,发达国家掀起了低轨互联网星座研究的高潮,典型的如一网()、低轨星()、星链()。及 年月,系统正式建成。至今,系统仍是目前世界上唯一一个支持全球无缝覆盖服务能力的低轨卫星移动通信系统。年 计划作为铱星二代系统正式启动,在保持原有星座架构(全球覆盖、近极轨颗星)的基础上提供更大容量和更高数据率的业务,其轨道高度为,
8、轨道倾角。在业务传输速率上,频段业务支持最高 ,频段业务支持最高 。采用泰雷兹阿莱尼亚航天公司的卫星平台,设计上提供 的搭载余量。星座及载荷示意如图所示。图 星座及载荷 工程与应用 年 无线电工程 第 卷 第 期 第二代系统第二代于年月开始建设,年完成颗卫星部署。星座轨道高度 ,无星间链,采用弯管透明转发器设计。因为需要依托关口站实现服务,所以服务区域受限于关口站部署位置。第二代卫星同样采用泰雷兹阿莱尼亚航天公司的卫星平台,搭载了广播式自动相 关 监 视(,)载荷。通过卫星链路,可以自动地从相关机载设备获取参数并向其他飞机或地面站播报飞机的高度、速度、位置、航向和识别号等信息,供管制员对飞机状
9、态进行监控。第二代卫星及服务区域如图所示。图第二代卫星及服务区域 第二代系统是第一个专注于物联网机器通信应用的卫星网络,工作在频段(、),采用了存储转发的双向通信机制,配置星上处理载荷。目前,第二代系统已完成颗高度约 的卫星星座部署,单星质量约。在第一代的基础上,第二代卫星增加了船舶自动识别系统(,),可用于海上交通管理。在个国家部署了个地面站。卫星示意如图所示。图卫星示意 公司首先提出以近地轨道卫星群来提供卫星互联网业务的设想,最初计划发射颗卫星,轨道高度 ,分布于个轨道面,工作于频段。可提供直接面向地面用户的互联网接入服务,后期可能会再发射 颗卫星以完成最终的星座。单星质量不大于,单星容量
10、可达 以上。可以为 口径天线的终端提供 的互联网接入服务。继承了全世界唯一一个成功投入商业运营的卫星通信系统 的发展脉络,同时吸取了的经验教训,避免与地面移动通信运营商的竞争。将服务重点集中在拓展现有的移动蜂窝网络,试图解决“最后一公里”的问题。此外,还将卫星终端设备发展成热点服务器,帮助用户在家中、工作区等室内环境中访问卫星互联网。星座构型及卫星示意如图所示。图星座构型及卫星示意 互联网星座计划发射颗卫星完成初期构建,轨道高度 ,采用个轨道面,每个轨道面上部署颗卫星。互联网使用频段来提供大容量业务传输服务。卫星之间具有星间激光链路,可实现星上处理和星上交换,为天基信息的按需全球速达奠定了技术
11、基础。的发展理念是将自身视为地面固定运营商的容量补充,通过天基网络“填缝”大型企业和政府的大容量业务接入。按照的估计,其服务覆盖将超过 家企业和机构。单颗卫星配置有可移动点波束个、用户波束个。星座配置有星间链路个,能够实现 的点对点信息传输。馈电工程与应用 波束星地传输速率最高可达 。星座及卫星示意如图所示。图星座及卫星示意 公司的“星链”星座是一个包含 颗卫星的星座,分布在多组轨道面上。率先部署的核心星座包含 颗卫星,分布在个高度为 的轨道面上,轨道倾角。“星链”用户上行频率为 和 ,下行频率为 。馈电上行频率为 ,下行频率为 。“星链”将配置光学星间链路,以确保持续通信能力,为海上提供服务
12、覆盖和抵消干扰效应。地面段包含测控站、网关天线和用户终端。测控站采用直径 的天线;网关和用户终端则采用相控阵技术。在全球布设了大约个信关站,主要布设在靠近互联网接入点的地方。系统卫星载荷和地面终端如图所示。图系统卫星载荷和地面终端 国内现状我国低轨卫星互联网起步较晚,发展并非一帆风顺,先后出现了“虹云工程”、“鸿雁”星座和银河航天低轨卫星互联网等项目计划。“虹云工程”低轨卫星星座年提出了“虹云工程”低轨卫星星座计划,预期发射颗卫星实现全球覆盖。“虹云工程”星座以其低通信延时、高频率复用率,可满足全球互联网欠发达地区、规模化用户单元同时共享宽带接入互联网的需求,并且具备通信、导航和遥感一体化的特
13、点。年月,“虹云工程”技术验证星发射入轨,先后完成了多种工况下的功能与性能测试。值得注意的是,“虹云工程”的第一颗卫星是我国第一颗真正意义上的宽带低轨小卫星,具有标志性意义。“鸿雁”星座全球卫星通信系统年宣布,将在年建成“鸿雁”星座全球卫星通信系统。“鸿雁”星座包含一个宽带通信星座和一个移动通信星座,总计颗低轨道小卫星,可以为万移动用户、万宽带用户及近 万的物联网用户提供服务,并在导航、航空和航海等领域提供综合服务。年月,首颗“鸿雁”星座试验星发射成功,标志着全球低轨卫星移动通信与空间互联网系统的建设全面启动。但是,受到地面移动通信发展的制约,“鸿雁”星座的建设目前处于停滞状态。银河航天银河航
14、天计划建造由上千颗通信卫星,在 的近地轨道组成星座网络,使用户可以高速、灵活地接入网络。年月首发星成功开展通信能力试验,在国际上第一次验证了低轨 等频段通信。使用手机连接银河卫星终端提供的热点,通过这颗卫星实现了 视频通话。年月,首次批量研制的颗低轨宽带通信卫星 银河航天批卫星成功发射,验证了我国具备建设卫星互联网巨型星座所必须的卫星低成本、批量研制及组网运营能力。“天启”低轨星座“天启”星座计划由颗低轨道卫星组成,可以为、浮标和全球短数据集提供通信服务。截止年,已发射颗卫星。“天启”星座的功能是将分散在全球各地的终端上传信息进行采集、传输、汇集和处理。通过卫星回传给地面数据中心,经过分包处理
15、后再发送给有需要的客户,是一种可以在短时间内实现实时短数据收发的天基系统,能够为航空、海事、水利和气象等部门提供点对点服务。低轨卫星互联网的应用互联网应用蓬勃发展,卫星网络服务需求激增,低轨卫星互联网在陆地、海上、空中的应用前景巨大,示意如图所示。工程与应用 年 无线电工程 第 卷 第 期 图低轨卫星互联网示意 与地面移动通信网的融合应用随着商用牌照的发放,地面移动通信网已经进入时代。的研究也在稳步向前推进,并将继续扩展增强移动宽带()、大规模机器通信()和高可靠低时延通信()三类典型场景的应用范围。泛在、高速、低时延等特点的实现,离不开低轨卫星通信系统的助力,将更加依赖互联网化的卫星通信。以
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