太空互联网发展及应用

2016-05-24王亚朱立东电子科技大学通信抗干扰技术国家级重点实验室

国际太空 2016年3期

王亚朱立东（电子科技大学通信抗干扰技术国家级重点实验室）

太空互联网发展及应用

王亚朱立东（电子科技大学通信抗干扰技术国家级重点实验室）

Development and Application of Space Internet

对当今大众来说，互联网不只是一个耳熟能详的名词，更是一个不可缺少的工具。然而，越来越多的人投身互联网的同时，还有大约40亿人口无法连上互联网。这些人大部分处于地面互联网无法覆盖的偏远地区、山区、沿海岛屿等众多地方。于是，人们将视线伸向天空，从新的视角寻找新的方法，也就是太空互联网。从20世纪90年代开始，人们就提出了建立太空互联网的构想，21世纪初期，太空探索和航天应用又加速了太空互联网领域研究与工程实践的步伐。近年来，以谷歌公司（Google）、脸谱公司（Facebook）、太空探索技术公司（SpaceX）和一网公司（OneWeb）等为代表的科技巨头开始计划借助热气球、无人机和卫星实现全球互联网覆盖，期望为全球偏远地区的数十亿人提供可靠的互联网连接。

1　揭开太空互联网的神秘面纱

基本概念

早在20世纪90年代，人们就勾画出了太空互联网的蓝图，但至今为止，业界还没有给太空互联网一个统一、权威的定义。一般认为，太空互联网是将地面互联网概念向空间的延伸。通过卫星、气球、无人机等在天空中飞行的设备作为传输媒介，按照高效利用、综合集成的原则，将太空中不同轨道的各种卫星、星座及高空飞行器进行有机连接，形成一个与地面具有良好互联互通性能的大型复杂网络，并提供与地面互联网类似的应用服务。

简而言之，太空互联网是卫星等空间飞行器与互联网相结合的庞大网络，它基于小型卫星或近空间飞行器，以因特网协议为网络服务平台，以互联网应用为服务对象，能够完成与地面互联网类似的功能。地面互联网通过电信运营商提供的有线或无线宽带线路进行信息联网传输，而太空互联网则是通过高吞吐量的卫星或飞行器的链路实现信息联网传输功能，在全球范围内提供互联网服务。

特点及优势

太空互联网利用高空链路实现网络连接，因此自身具有鲜明的特点。

1）传输时延受轨道高度影响。传统卫星通信具有较大的延迟，那是为了增加覆盖面积，卫星运行在较高的中轨或高地球轨道上，造成传输时延较长，而深空探测则时延更大。若太空互联网采用低轨卫星或近空间飞行器，将大大减小信号延时，但是同时又减少了网络的覆盖面积。

2）受天气和地理环境影响。由于太空互联网信号的暴露性，有风有雨的日子可能会影响网速，而雨雪天气或电闪雷鸣则几乎会完全中断网络。地理环境也可能会左右联网的效果，数目众多的大山和成片的树林也有可能会阻碍网络的传播。

3）设备要求高。太空互联网设备没有地面设备易管理，长距离传输的信号误码率更高，因此，对芯片的处理能力、存储器的容量以及通信传输能力要求更高。

4）链路带宽不对称。太空互联网的空间段与地面段的传输带宽不对称，地面段速率高，空间段速率低。

5）成本较高。理论上，3颗同步轨道卫星就能实现除两极地区以外的全球覆盖，但太空互联网若要提供与地面网络类似的网速，就需要部署大型的星座或发射成百上千的气球和无人机，这意味着它的成本较地面网络要高得多。

6）规则与监管是需要考虑的问题。卫星使用寿命有限，必须在它们超出使用寿命后进行销毁，比如让它们进入大气层焚毁，无人驾驶飞机和气球则有可能坠落，都需要实施监控和管理，而且存在航空安全以及领空申请等问题。

早在20世纪90年代，当人们第一次开始了解这种“互联网”时，太空互联网就代表着未来的发展方向。近年来，太空互联网更是广受关注，它的主要优势有：

1）不受地面条件约束，具有全球覆盖能力。它通过运行在地球上空的卫星或飞行器来实现信息传输，只要有足够数量，就可以做到全球覆盖，其服务区域可以囊括世界任何一个角落。通信距离远，且成本与距离无关，能够实现对海洋、山区和高原等地区近乎无缝的覆盖。

2）大容量。太空互联网容量大，能够提供大范围多人上网服务，满足现代人上网需求。

3）避免重复建设。太空互联网能够共享信息资源，减少了空间资源的重复建设。

4）适应未来发展。随着地球资源的枯竭，太空将是一个新的利益增长点，必须利用互联网技术构建统一的太空互联网，以适应未来更加频繁和更加复杂的航天应用活动。

2　太空互联网的发展计划

铱星计划

1987年，摩托罗拉公司最早提出了铱星计划，历时12年，斥资超过50亿美元，将66颗近地轨道卫星送入太空，组成了覆盖全球的通信卫星系统，让使用卫星话机的用户可以在地球上的任何地方拨打和接收移动电话。然而，由于市场定位不当、价格过高、管理失控等原因，这个雄伟的计划在1998年11月投入使用后，仅仅运营了16个月便迅速夭折。直到2000年铱星公司宣布破产时，它只发展了5.5万用户，而如果要实现收支平衡甚至盈利，它至少需要65万用户。

“铱”星星座

最终，私募基金出手接盘了“铱”卫星系统，将它变身为“铱”星通信，并以向政府和工业部门等专业机构提供服务的方式蜃伏14年之后，重新回到公众市场。2014年7月28日，“铱”星通信宣布，其世界首个全球覆盖卫星热点服务“铱GO！”（IridiumGO！）正式投入使用。该服务可以在没有网络信号的地方，把“铱”星的卫星信号转变成WiFi热点。“铱”星通信进行市场转型，不再是争夺普通用户，而是为政府、机构提供专业服务，实现了稳定的运营与盈利。根据“铱”星通信2013年年报，过去5年，“铱”星通信公司的注册用户数量年复合增长率达到了18%，收入年复合增长率达到了8%，仅2013年的注册用户就达到了66.4万人，营业收入3.83亿美元，净收入达6250万美元。

O3b计划

O3b 就是其他30亿（Other 3 billion）的意思，由于地理、经济、科技等因素，造成全球还有30亿人未能接入互联网。在发达国家和城市里，光纤接入往往是高速互联网的主要技术实现方式。但是在一些地形复杂的地区，铺设光纤十分困难，而卫星技术则可以避开这些障碍。为此，谷歌公司、卫星运营商欧洲卫星公司（SES）、汇丰银行以及媒体巨头约翰·马隆(John Malone)旗下的海外有线电视运营商自由全球公司（Liberty Global）投资成立了O3b公司，提出了O3b太空互联网计划，旨在为无法享受地面互联网宽带服务的30亿人提供宽带互联网服务。

O3b计划发射12颗中地球轨道卫星，这些卫星质量约680.4kg，通过载有空间路由器的近地轨道卫星向全球发展中国家或地区发射无线上网信号，初步提供10Gbit/s的数据服务。使其他30亿人享受到廉价的地面互联网宽带服务。2013年6月25日，O3b计划的首批4颗卫星发射成功。2014年7月10日，第二批4 颗O3b卫星进入太空，与前4颗卫星一起组成一个由8颗卫星建立起来的全球互联网框架基础。2014年9月，O3b公司宣布，由8颗卫星组成的卫星群已全面运营，可以提供600Mbit/s的中继带宽，而时延不超过150ms，相关服务指标均达到或超出了协议要求。2014年10月18日，最后4颗卫星被发送入轨，形成12颗中地球轨道卫星网络。O3b太空互联网计划的目的是用该网络向全世界近180个国家和地区的数十亿用户提供高速、低成本的网络和通信服务。

谷歌公司高空气球计划

谷歌公司要用盘旋在大气层中的气球来提供网络接入。谷歌公司高空气球（Project Loon）漂浮于18～25km之间的平流层，该区域风速较低，大气湍流较小，适合气球飞行。这些气球都会随身携带一个太阳能供电的无线发射器，能够与其他的气球进行中继通信。通过释放数千个氦气球，理论上可以提供连续的、覆盖全球的互联网接入服务。谷歌公司这一壮志凌云的项目已经进行了两三年了，并在2014年2月创下热气球持续飞行50天的记录，该气球能够在空中飞行半年以上。

谷歌公司曾经有过卫星组网计划，还进行了泰坦航空航天公司（Titan Aerospace）和天空盒子成像公司（Skybox Imaging）两笔收购，以推动这方面的努力，但是由于发射和运营这样的星座困难大、风险高，谷歌公司最终还是作罢，转而投资太空探索技术公司。

实验中的谷歌热气球

脸谱公司无人机计划

脸谱公司一直在研究扩大新兴市场互联网接入以及使用其产品的途径，无人机计划是互联网普及计划（Internet.org）项目的延伸。脸谱公司采用太阳能动力的无人机，飞行高度约为18km，为地面用户提供互联网接入服务。该无人机翼展与波音767飞机相近，通过机翼上覆盖的太阳能电池板，能够为无人机提供约3个月的续航能力。

无人驾驶飞机之间可使用激光进行通信，传输中继数据，最终将信号传递到一个地面站以接入互联网。脸谱公司已经在英国进行了飞行试验，其无人驾驶飞机由阿森塔公司（Ascenta）提供。该公司在2014年以2000万美元收购了这家公司。通过太阳能供电，这些无人机能够在空中停留数月，然后进行针对性维修和保养。维护期提供了另一个优势，无人机将会比卫星更容易进行升级。卫星一旦发射就无法在太空中进行升级。虽然无人机的覆盖面比低轨道卫星要小得多，但是无人机可以环绕缺乏互联网接入的特定位置提供服务。

脸谱公司太阳能无人机示意图

太空探索技术公司

美国太空探索技术公司的创始人伊隆·马斯克在2015年1月宣布，其准备向太空发射700颗卫星自建全球互联网卫星网络的计划。6月，马斯克已向美国联邦通信委员会（FCC）就该计划提出测试申请，但计划发射的卫星已上升至4000颗，如今该计划得到进一步落实。9月，马斯克正式向美国联邦通信委员会提出申请，请求批准发射4000颗低地球轨道卫星，用于向全球提供免费的卫星互联网服务。据了解，如果一切顺利，该服务大约在未来5年内可以启动并运行，即可向全球提供免费的卫星互联网服务。

太空探索技术公司的星座将运行在约1100km的高度，避免赤道上空35786km的地球静止轨道卫星信号干扰。该公司的卫星预计发射时质量将达几百千克，并在机动方面使用霍尔效应离子电推进器，它是公司的卫星工厂自己建立的推进器，优点是可以相对容易掌握。太空探索技术公司的网络将配备装有相控阵天线。初始星座大约需要5年时间建造和发射，将覆盖除极地以外的地区。公司创始人马斯克说：“从长远来看，我们真正谈论的东西是在太空重建网络。”太空探索技术公司并不是唯一一家提供卫星互联网计划的公司，但作为卫星发射公司，太空探索技术公司拥有提供该项服务的硬件设施。

太空探索技术公司卫星计划蓝图

一网公司

在太空探索技术公司宣布仅仅两天后，一网公司宣布，伦敦和圣迭戈的高通公司（Qualcomm）和维珍银河公司（Virgin）已经同意投资一网公司的900颗小卫星组成的卫星星座（包括648颗运行卫星和其余备用星）。一网公司是由谷歌公司前员工格雷格·瓦勒建立的一个合资企业，它计划建造、发射和运营低地球轨道卫星，一网公司已经获国际电联批准，获得一个在海拔1200km、服务期限在2018－2020年的Ku频段网络。卫星的质量只是当前最小的商用通信卫星的1/2，初始星座的建设价格估计20亿美元左右。

2015年6月25日，一网公司再次宣布，空客防务与航天公司、可口可乐、巴蒂企业、萨林纳斯公司（Salinas）和国际通信卫星组织（INTELSAT）也将参与新一轮5亿美元的融资。一网公司此前已经与欧洲火箭发射服务商阿里安空间公司（Arianespace）签署协议，在2017～2019年之间进行至少21次卫星发射。由于需要发射大量卫星，因此一网公司将利用分散在全球的发射架。不过，阿里安公司还无法满足一网公司的全部需求，因此一网公司还与维珍大西洋航空公司（Virgin Atlantic Airways）签订协议，利用后者试验性的“发射者一号”（LauncherOne）进行39次卫星发射。

一网星座

三星公司

2015年8月，韩国三星公司（SAMSUNG）提出发射4600颗低成本微型卫星的太空互联网计划，将为全球还没有连接上网的2/3用户提供低成本的互联网接入。三星公司的这些微型卫星将在海拔160～2000km之间的轨道运行，每月可以最高处理1ZB流量，也就是相当于每月为50亿用户每人提供200GB的流量。三星公司提到，人们对数据的要求，遵循着每5年增加10倍的规律。因此，三星公司的卫星计划能够满足未来15年后用户对数据的需求。三星公司的计划最接近太空探索技术公司的版本。不过太空探索技术公司的创始人伊隆·马斯克已经申请了许可，明年可能就会开始测试。谷歌公司的气球和脸谱公司的无人机已经进入测试阶段，反观三星公司还在纸上谈兵。

3　太空互联网的应用

谷歌公司和脸谱公司等科技巨头们的参与让太空互联网项目在网络上引起了热议。太空互联网是一个大型复杂的网络，具有独特的三维覆盖能力：广域复杂网络拓扑构成能力、广域互联网交互连接能力和特有的广域广播与多播能力，能够支持全球联网、远洋航行、应急救援、航天测控等重大应用的同时，向下可支持对地观测的高动态、宽带实时传输，向上可支持深空探测的超远程、大时延可靠传输，从而将人类科学、文化、生产活动拓展至空间、远洋，乃至深空。因此，尽管太空互联网的建成困难重重，但是，一旦其中一个太空互联网计划获得成功，将具有非常重要的意义和广阔的应用前景。

实现全球互联互通的基础支撑

太空互联网覆盖面广，不受地域限制，具有唯一的三维无缝隙覆盖普遍服务能力，成本与距离无关等优势均被各方看好，能够覆盖地面网络无法到达的海洋、沙漠等偏远地区，是实现全球互联互通的有效方法，甚至是唯一的方法。太空互联网在大区域稀路由、无缝隙覆盖方面有着无法比拟的优势，可以有效解决地面网络失效的盲点地区，实现用户在任何时间、任何地点高速地从因特网上获取信息，真正实现了“宽带无处不在”的理想，同时，太空互联网与地面网络的结合，对提高网络的通信能力和安全性有很大的帮助。太空互联网是实现全球互联互通的基础支撑，是未来互联网的发展方向，具有广阔的应用前景。

飞机上网测试

飞机、铁路、远洋航行领域的应用

除了偏远地区，客机也是互联网的空白之一。尽管飞机上网在技术层面上早已不是难题，但如何优化和普及，各国都在积极提出解决方案。太空互联网是一种可以覆盖全世界绝大部分区域、不受航路及地形影响，数据带宽较大，网络运行较为稳定的方式，也是全球航空公司空中上网业务的主流技术模式。在飞机上实现无线上网，是未来必然的发展趋势，并且将有可能为航空公司带来巨大的收益。据西方媒体报道，全世界平均每分钟都有大约1.1万架飞机在空中飞行。据西班牙《阿贝赛报》2015年3月24日报道， 2014年全世界日均航班数量首次超过10万次，为102465次，2013年为99700次。航空运输行动组织的报告显示，2014年全球总共有3740万次航班，2013年为3640万次。按照平均每个航班100个乘客计算，每年用户数约为37亿。如果这些用户都上网，按照每个用户收费10元计算，每天销售收入可达到370亿元。

传统地面网络也没有很好解决用户在高速运行的列车上网问题，因此，太空互联网在铁路领域也有潜在应用市场。中国的列车班次数量多，高铁及动车发展迅速，乘客数量巨大。由于乘车时间较长，为了提高舒适性，如果为乘客提供上网业务，很多乘客也愿意支付相应费用。

我国沿海地区有很多渔民，他们要长期外出到远洋地区捕鱼。据不完全统计，我国有渔船数十万艘，渔民上百万，同时还有大型的邮轮出海航行，太空互联网是满足海上用户上网的一种有效方式。

应急救援

在救灾、处理突发事件的应急救灾中，太空互联网显示出特有的优势。自然灾害难以防御，一旦发生，便会造成不同程度的损失，特别是发生重大自然灾害，例如地震发生后，大部分地面通信设施遭到破坏，外界与灾区通信中断，无法获得重灾区的灾情，进而直接影响抢险救灾工作的指挥部署。作为抢险救灾的总指挥部，必须要全面掌握灾区各方面的情况，而太空互联网具有不受地面条件限制、覆盖范围广等特点，可以快速建立通信链路，实现应急救灾，是人民生命财产安全的重要保障。

侦察、采集数据回传的平台

太空互联网是一个复杂的网络平台，广域复杂网络拓扑构成能力与广域互联网交互连接能力，特有的广域广播与多播能力，适合作为侦察、采集数据的平台。通过全球运行的太空互联网系统，可以很容易地构建起全球性数据采集、处理、分发和应用的系统，比其他任何手段都更快捷、更安全和更可靠。基于太空互联网的数据采集和通信中继服务，将会越来越多地应用于农业、林业、渔业、矿业、海洋监测以及边境巡逻等国防和国民经济建设的各个领域，如河流、交通等突发情况监测；石油、石化、电力等大型企业巡视油/气管线；公安、边防、林业等部门对大范围地域实时监控；海事、渔政等部门进行大范围海域巡查。

太空探索、星际间通信

太空互联网一旦实现，星际间通信将成为可能。过去，人们只能通过把航天员送到太空的方式去探索未知宇宙，通过太空互联网直播太空，今后普通公民也可以坐在家里，自由地欣赏外太空的图像和视频。同时，太空互联网可作为支持太空探索的重要手段，伴随太空技术在各个行业的应用，将发挥重要的运营保障作用。随着社会需求和通信技术的发展，卫星通信将是必不可少的通信手段，具有广阔的应用前景。