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卫星互联网面面观——访国家无线电频谱管理中心副主任黄颖

【字体: 2022年06月24日 11:06 来源:人民邮电报 作者:张金然

当前,卫星通信系统由于其广域覆盖、高可靠等优势,在社会发展、国民生活各方面发挥着越来越重要的作用,而卫星通信系统与互联网的深度融合成为近几年的热点。尤其是马斯克“星链”系统的快速布置,引起了国际广泛关注,掀起了新一轮卫星互联网技术应用讨论热潮。针对卫星互联网发展现状、趋势及“星链”系统等热点话题,近日《人民邮电》报记者采访了国家无线电频谱管理中心副主任黄颖。

记者:卫星与互联网的结合成为近几年的热点,能否请您首先介绍一下国际卫星互联网发展的背景与现状?

黄颖:卫星互联网并非新鲜事物,通过对地静止轨道或中高轨道卫星提供的高通量卫星,一颗卫星就可以为地球表面较大面积上的用户提供互联网服务,通过多颗卫星组网可以实现全球卫星互联网的应用需求。以铱星系统为代表的卫星移动系统则是通过多颗低轨星座组网提供低速率的通信连接,也可以视为初期的卫星互联网系统。当前的热点在于将两者结合起来,用较大规模的星座系统(包括纯低轨卫星星座,也包括高低轨结合星座)提供不依赖于地面连接的卫星互联网服务。

卫星通信的发展紧跟地面通信的发展,既因技术也因需求驱动。地面通信网络从固定通信发展到移动通信,后又将互联网大容量数据通信作为应用的不断拓展,现已非常成熟。卫星通信网络也是从固定通信发展至移动通信,如动中通和卫星移动通信系统,当前也进一步将互联网大容量数据传输的需求作为主要应用驱动因素。

早在1987年,美国摩托罗拉公司就已提出铱星计划。铱星系统设计在 6个轨道面部署66颗卫星构建系统星座,向全球商业用户提供移动通信业务,业务应用中既有话音也有数据、图像,存在一定的互联网因素,只是系统能够提供的数据传输带宽依然较窄。铱星系统在项目运行一年后,因相关技术不完善、国际市场响应平淡及运维成本过高等原因宣告破产。

我国在卫星互联网领域选择了先发展对地静止轨道卫星的方式。2017年4月发射的中星16号高通量通信卫星,首次应用Ka频段实现多波束宽带通信,可覆盖中国及东南亚地区,提供区域卫星互联网服务。较传统对地静止轨道卫星,该卫星不仅可以服务广播电视、骨干网政府用户、企业用户、大用户,也可以服务于普通个人用户。目前在轨的还有亚太6D等卫星,近几年还将陆续发射几颗对地静止轨道高通量卫星。

记者:马斯克的“星链”受到广泛关注。能否请您介绍一下“星链”系统?星链系统所使用的卫星轨道与频率资源是否有限?能否支撑多个巨型星座系统?

黄颖:近年来迅速推进的Starlink、OneWeb 等大规模卫星星座系统都是卫星互联网的典型代表。2015 年,美国太空探索技术公司 (SpaceX) 提出低轨卫星互联网计划—Starlink,即“星链”系统,一个巨型对地非静止低轨道高通量卫星星座。“星链”系统预计共部署42000余颗卫星,按照目前SpaceX每月部署2-3批卫星的速度,预计部署周期为9年。

无线电频率资源是有限的自然资源,具有排他性,在一定的时间和空间范围内,一旦某个无线电系统使用了某段无线电频率,那么其他无线电系统就不能以相同的技术体制使用该段频率。“星链”系统申报的Ku、Ka、Q/V和E频段,基本囊括了未来卫星互联网的主流频段,由于其星座系统规模巨大并对地球进行多重覆盖,其他星座系统几乎不可能与“星链”系统在没有有害干扰的情况下共用频率。

在卫星频率和轨道方面也是如此,太空看起来广袤无垠,但实际上可利用、“好用”的轨道有限,这些轨道上价值较高的“点位”更是紧缺。且卫星在太空中是不断运转的,为保证无线电频率和空间上的隔离,卫星之间必须保持一定的安全距离。“星链”系统的部署密度远超其他卫星系统,轨道高度又是极低地球轨道和低地球轨道,增加了同样运行在低地球轨道的卫星间的碰撞风险,以及在“穿行”时(如卫星发射到更高轨道的过程中)的碰撞风险。一旦碰撞,会产生大量空间碎片,进一步威胁到其他航天器的安全。近年来,关于各国卫星险遭“星链”卫星碰撞的新闻屡见报端。

世界各国要使用卫星频率和轨道资源需先向国际电信联盟申报卫星网络资料,其采用的原则是先占先得、协调共用。据不完全统计,国际电信联盟公布的世界各国申报的卫星网络资料中,中国、美国、英国、法国、德国等国家的主管部门申报了130余个由数十颗至数万颗非对地静止轨道卫星组成的星座,其中万颗以上卫星数量的巨型星座就有18个,频段覆盖国际电信联盟划分用于卫星固定业务和卫星移动业务的EHF以下几乎所有频段。其中,“星链”、一网、O3B等属其中翘楚,均已进入实际部署阶段。随着实际布置的卫星越来越多,无线电干扰隐患和碰撞风险也急剧增大,实际上可用卫星频轨资源支撑多个巨型星座的能力有限。4.2万颗星链系统布置完毕,其他类似如此大规模的星座系统是无法再部署成功的。

记者:“星链”系统发展非常迅猛,未来它能否实现手机通信或支持普通用户上网?其商业前景如何?

黄颖:从“星链”已经发布的两代终端来看,均带有直径0.48米的碟形天线,最高可以近300Mbps的速率支持普通用户上网。但“星链”暂时还不具备与普通手机直接通信的功能。

星地通信需要高发射功率和高增益天线,普通手机终端并不具备。目前已在轨运行的“星链”卫星使用的是12GHz以上的Ku和Ka频段,而普通的手机终端使用的是4GHz以下的频率,两者之间不能直接通信。未来,“星链”系统需要像铱星、海事卫星那样研制生产专用的手机终端,或者在普通手机终端上加装特殊的模块,才能实现与“手机终端”的直接通信。

“星链”的商业前景目标明朗,可认为是瞄准成为替代铱星的第一个宽带卫星专网。SpaceX公司具有自研的猎鹰系列运载火箭、大批量卫星生产能力和“一箭 60 星”的发射技术,已经形成了“火箭研制+卫星研制+发射服务”的垂直整合商业模式,与其他卫星互联网系统相比,具有较为明显的成本和速度优势。“星链”单颗卫星的发射和制造成本非常低,约是 “一网”(OneWeb) 的 46%,未来随着二级火箭再回收、卫星的轻量化生产,预计还能下降 30%以上。此外,Space X公司的垂直整合商业模式,提高了卫星研制与发射组网的速度与灵活性,有助于其不断扩大与主要竞争对手在时间上的优势。

记者:在当前国际卫星互联网快速发展的形势下,请问您对商业航天发展有哪些建议?

黄颖:卫星互联网的热度使得国内无论是传统卫星公司还是新兴的商业卫星公司都有兴趣研究和参与到这个发展过程中,但许多卫星公司既不了解需要履行的卫星频率和轨道资源的国际申报、协调和维护规则义务,又缺乏在国内与其他卫星系统、地面业务系统开展必要协调的能力,需加强相关能力建设。我国相关部门还需统筹国内各方面力量,加强对卫星网络申报、使用工作的指导,强化完善卫星频率和轨道资源可行性论证和风险评估,促进商业航天蓬勃发展。

专家简介

黄颖,国家无线电频谱管理中心副主任,高级工程师。从事无线电管理行政和技术工作30余年,曾参加我国无线电管理法律法规制修订工作、我国多个航天工程频率和轨道使用论证工作,多次参加国际电信联盟各类工作会议、与其他国家无线电主管部门的双/多边频率协调会谈。


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