“互联网+卫星通信”:加速“一带一路”融合互通

Space Exploration - - 太空探索 |【中国航天】 - 文/ 李嵩

随着网络和信息技术与人类社会生产和与生活的联系愈发紧密,全球范围内卫星通信宽带化、移动化和个人化已成必然趋势。这与我国“一带一路”信息化建设需求,以及我国相继实施的“三网融合”“宽带中国”等发展策略的整体趋势相契合。

我国的卫星通信既可以在这个黄金机遇期内为经济文化交流、信息化建设和基础设施建设提供强力支撑,也可以以此为驱动实现技术升级和涵盖上下游产业的全面发展。

“一带一路”引领市场需求

“一带一路”贯通中亚、南亚、东南亚等亚洲区域,连接欧洲与亚太地区两大经济圈,随着建设的推进,经济、文化合作和交流的加深,人员、资金流动的增加,组织、企业及个人实时、准确、稳定的进行多媒体信息交互式通信的需求将越来越迫切,通信总量将呈几何级数增长。

作为丝绸之路经济带上重要中转站的中亚和西亚地区,人口分布不均匀,地形地貌复杂,通信等基础设施欠发达,通过地面光纤或蜂窝通信网络普及多媒体通信,其成本高、周期长、起效慢,加上生态环境恶化造成的自然灾害频发以及不稳定的政治环境导致的军事冲突, 都可能引起地面通信网络的失效,因此,宽带卫星通信是实现这一地区信息化和网络化的可行途径。

海上运输方面,卫星移动通信应用已经十分成熟,但目前还没有覆盖“一带一路”海上和陆路的区域通信卫星系统。目前,在轨运营的只有我国的“天通一号”、印尼的“亚洲蜂窝”和阿联酋的“瑟拉亚一号”等几个独立的区域卫星移动通信系统,不仅覆盖区域面积有限,而且受容量限制,为客户提供宽带多媒体通信业务的能力不足。

伴随卫星和通信技术发展,卫星移动通信在自然资源监测和勘探、能源、交通物流信息和调度、远洋运输、渔业、 海洋及气象调查、远端设备的遥测遥控、应急通信、个性化旅游以及荒野山区通信、远程教育和医疗等方面都将在“一带一路”信息化建设中发挥独特作用。

个人通信方面,无时、无处、无限制多媒体交互式实时通信已经成为人们日常生活的一部分。从世界发展趋势来看,能够向高铁、民航客机等提供“动中通”等多媒体通信服务,以及向地面网络覆盖不到的区域提供互联网接入业务的地球同步轨道宽带通信卫星发展迅猛。

截至 2016年,世界在轨运营的宽带通信卫星达到56颗,而目前亚洲国家运营的宽带通信卫星仅有我国的“中

星十六号”和泰国的“ipstar”,不仅在单星容量上与欧美国家新一代宽带卫星差距明显,更无法满足“一带一路”区域未来10年内商业移动通信100Tbps的市场需求。

2015年,卫星互联网组网建设成为新热点,世界多家公司向全球无线电频率协调委员会提出了动辄数千颗卫星的频率轨位申请表,发展以面向个人互联网接入服务的低轨道通信卫星星座。据统计,全球互联网流量每隔5年翻4倍,智能手机问世后,移动智能终端的流量占全部流量的69%。“一带一路”区域庞大的市场和需求,将成为未来商业卫星通信增长最快的市场,预计将会占全球 1/4的份额。

目前,我国拥有全球最多的互联网用户,但每100万人平均占有卫星空间段带宽量仅是美国的1/50。大力发展宽带通信卫星网络,首先要解决国内“高铁无法打电话、飞机无法上网”的实际问题,再填补国内不同地区的“数字鸿沟”,实现宽带网络覆盖所有行政村,建立一个有中国特色的立足于服务国内,惠及“一带一路”地区的大型宽带卫星互联网系统,这不仅利于我国抢占频率和轨位等珍稀战略资源,也对维护国家信息安全,保持空间信息领域的国家竞争力具有重要作用。

“三网融合”驱动融合发展

近年来,随着卫星固定通信、卫星移动通信、卫星直接广播三种业务融合,地面电信网、互联网和广播电视网三网融合,各种卫星通信网与各种地面通信网、互联互通,以及未来的通信网,必将是一个包含地下的光缆、地面的微波和蜂窝移动通信,低轨道、中轨道以及地球同步轨道卫星通信系统组成的服务于全球的混合通信网。

它们之间既可以单独组成通信系统,也可以在不同的系统间互联互通真正构成全球无缝覆盖天地一体化的能够提供各种宽带和多种业务的综合信息网。在未来综合信息网中,任何个人可在任何地点、任何时间、与任何人互通任何种类的信息。

此外,融合的发展趋势也将影响卫星通信技术的发展,宽带多媒体卫星通信将成为地面信息高速公路的一个重要组成部分,将为正在到来的信息化社会提供各种服务。卫星移动通信业务将成为个人通信业务不可缺少的组成部分,第三代移动通信业务将由地面和卫星移动通信共同组成,卫星网络提供干线传输和蜂窝回程业务,成为地面网络的补充,解决“最后一公里问题”。

另外,卫星通信载荷会朝两个方向发展:一是继续发展地球同步轨道卫星载荷,二是发展低轨小卫星载荷。卫星载荷由透明转发器向处理转发器变化,使用的频段由低向高变化,转发器的带宽在逐渐变大,转发器的数量在逐渐增多,天线向多波束点波束变化,且数量也在增加。

小卫星是卫星通信技术发展的重要方向。随着全球移动通信需求的增加和微电子、微机械和高级材料等新技术的迅速发展,卫星小型化和小卫星的发展正在蓬勃兴起。小卫星“好、快、省”的特点既可以单颗廉价快速完成专项任务,又可以组成分布式星座完成某些大

卫星的任务,是21世纪卫星技术发展的重要趋势。

“天地一体”实现技术突破

目前,我国宽带移动通信卫星与国际先进水平尚有较大差距,但也便于利用后发优势,少走弯路,基于现有载荷、平台技术水平与工程实现能力,以实现通信网络“天地一体化”为目标,开展技术攻关。

天地一体化卫星网络卫星间、卫星与地面间,以及地面各系统间交叉传输不断增多,要有一套统一兼容高效的空间通信协议标准来保障。由于地面网络协议不能直接用在卫星网络上,因此有必要为天地一体化卫星网络制定合适的协议。

对于宽带卫星系统,要着力解决天地一体化系统设计问题,面对的关键技术主要有:空中接口标准化设计、星上处理及交换、卫星IP技术、优化和提升服务质量、降低高频段传输雨耗,特别是对于我国南方经常下雨的地区具有重要研究价值。

地球同步轨道大型卫星平台方面,需要持续开展电源、推进、控制和热控制四个方面研究,提升功率和有效载荷质量,完善平台的标准化、模块化、系 列化设计和应用。有效载荷方面,关键技术主要有通信卫星天线、通信转发器、星上信号处理、卫星ATM、自适应调零天线等。从长远角度看,卫星上处理和交换方式的处理转发器是未来转发器的主流,应尽早开始预研。

卫星移动通信系统及关键技术主要包括空中接口技术,运行控制技术和移动性管理技术。从国外发展经验来看,地球同步轨道卫星系统由于前期部署成本较低,较为适宜系统部署市场需求较小、盈利模式不清晰的市场;中低轨卫星星座系统由于单颗部署成本较低,卫星数量庞大、系统容量较高,对于全球覆盖具有巨大优势。

目前,移动通信卫星上要解决的关键技术有星载多波束天线技术和星上处理及交换技术。小卫星有效载荷的关键技术包括微小型化、低功耗技术,综合一体化通信载荷技术和分布式载荷技术等。手持终端则要解决自主位置确定和小区快速搜索等技术问题。

低轨小卫星星座除了要解决复杂的协同飞行和星间链路问题,还需要在卫星飞过赤道上空时调整功率通量密度,避免对地球同步轨道卫星的地面服务造成干扰。另外,由于卫星在变轨过程中要频繁穿越高能粒子辐射带,提高抗辐射能力也十分关键。

“互联网+”带动产业成形

卫星通信产业主要包括卫星业务应用(移动通信、宽带通信、固定通信和广播电视等)、卫星制造、卫星发射和地面系统制造4个部分。根据近年来国外成熟卫星通信产业的营收额来看,卫星业务应用收入占整个卫星通信产业收入的一半以上,带动了整个卫星通信产业收入的增长。

目前,我国的卫星通信产业开发还处在起步阶段,卫星总体性能和技术水平与欧美强国相比差距明显,已入轨运行的移动通信卫星和宽带卫星都带有技

术验证性质,还无法满足国内外用户面向个人的移动、宽带等业务需求。

市场开发方面,缺乏推动卫星通信市场化运行的资源和顶层指导,专用网络多,商业开发少,产业链不健全,卫星业务应用不成体系,往往空间先建设,地面后应用,无法有效提高卫星通信的技术优势和资源效率。

为迎合市场需求,加快技术进步,应该形成机制,鼓励民间资本进入航天领域,采用“互联网+卫星通信”形成产业链健康发展。同时,卫星业务应用的市场开发可由互联网企业参与运营和推广,既带来创新的活力,也能加快卫星通信和互联网在市场和技术方面的双向融合。

卫星制造领域,鼓励民营企业进入,通过采用大量工业级元器件替代航天级产品、“三化”设计和批量生产,降低成本、缩短研制周期。“国家队”则专注于静止轨道大型卫星平台和载荷的高新技术创新,并对民营企业通过技术入股形式进行技术扶持,将成熟、通用技 术产业化。

卫星发射领域,“国家队”专注于大型卫星发射,并通过“一箭多星”形式集中发射小卫星,进行卫星星座组网;民营公司的小火箭则在星座的填隙和灵活部署时使用,最大限度地降低整个星座的发射成本。地面系统方面与电信运营商深度合作,可以解决通信网络的天地一体化问题。

总之,通过“互联网+”思维实现 卫星通信市场的成功开发,既可以打破行业壁垒和垄断,通过竞争加速创新并降低成本;外部资本的进入也可以改变单一国家投资模式,带来活力和动力,加速产业成形和快速发展。在“一带一路”大市场牵引下,天地一体的卫星通信网络一定会加速与“三网融合”,促进“互联网+卫星通信”产业健康发展,支撑“一带一路”互联互通信息化建设进程。★

卫星移动通信解决高铁上无法打电话问题

卫星通信网络

卫星互联网

▲卫星互联互通

2015 年8月,由中国航天科技集团公司承制的天津联通卫星通信应急指挥车紧急出动,抵达天津港,为“8·12”瑞海公司危险品仓库特别重大火灾爆炸事故灾情评估和救援指挥提供服务

通信卫星在轨运行示意图

中国航天有关单位研制的“动中通”

电信运营商应急通信车

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