天基通信系统在智慧海洋中的应用研究

王权 刘清波 王悦 熊越 袁丽

(航天恒星科技有限公司,北京 100095)

海洋幅员辽阔、资源丰富,全球诸多国家纷纷认识到了海洋的重要性,都在积极开展海洋的建设应用,力争成为海洋强国。通信系统作为通信基础设施,在海洋建设应用中起着举足轻重的作用,而天基通信系统作为海洋通信的主力手段,也逐渐受到更多的重视。许多国家都在大量发射、应用覆盖海洋的通信卫星,结合使用地面系统与终端,保障海洋各级各类用户随遇接入、信息随处可达。国外使用较为广泛的是“海事卫星”(Inmarsat)通信系统(高轨)和“铱”(Iridium)卫星通信系统(低轨),高轨＋低轨基本可实现全球覆盖。

我国提出智慧海洋工程建设方案,其总体规划要实现海洋通信泛在随行,秉持军民融合、协同发展、自主可控、开放合作的建设原则,达到全要素全天候自主通信能力的建设目标,形成空天地海一体的海洋信息通信保障能力。目前,我国海洋通信已应用现有天基卫星和地面有线/无线等通信手段,能满足一定程度的服务应用,但在通信覆盖和容量上还存在严重不足,无法满足智慧海洋的发展需求,而海洋地域及环境的特性决定了天基通信是不可或缺的手段,因此急需天基通信系统的发展支撑。建设应用于智慧海洋的天基通信系统,可弥补现有通信手段的不足,解决其日益增长的信息传输需求,对海洋权益维护与安全保障、海洋政务管理利用、海洋经济开发与利用、海洋公共服务等能力提升具有重要意义。

本文通过研究智慧海洋对通信的需求与现状,结合我国天基通信的发展规划,提出高轨＋低轨的天基通信系统思路与架构,重点研究相关技术途径,结合海洋应用需求与技术发展分析可提供的应用服务种类,可为智慧海洋各通信节点提供宽带通信、航海监视、海洋信息分发、海洋万物互联等服务。

1 智慧海洋需求与通信能力现状

1.1 智慧海洋需求

智慧海洋需要提供各类服务应用,因而存在大量的数据传输需求,主要包括感知系统获取数据和人员通信数据。感知系统获取的数据包括目标识别、海洋环境监测(溢油、工业废水排放、海水悬浊物、大气污染物)、海洋鱼情监测、基础海情海况监测(海面水色、水温、风场、海浪、海流、潮汐)、海岛礁变化监测、海岛礁立体测绘等,可通过天基、空基、地基和海基的感知手段获得大量的数据信息。人员通信数据包括语音、视频和文件数据。感知系统获取的数据很大部分是要实时传输的,例如浮标、岸基站、船载等小数据量,以及视频监控、溢油雷达、无人机、卫星遥感等大数据量,再加上人员通信的数据量,对通信系统提出了非常高的要求。图1为天空地海一体化感知数据。

图1 天空地海一体化感知数据Fig.1 Perceptual data of space-based,sky,ground and sea-based

海洋通信节点众多,涉及的海域也从我国近海向远海发展,包括南海、远洋航线和“一带一路”海域。据相关工业部门分析,海上塔、岛固定节点约100个,每个节点的信息传输速率为30 Mbit/s,海上“一带一路”移动船2000艘以上,每艘船的信息传输速率为2 Mbit/s,因此,基本需求容量已达7 Gbit/s,再加上远洋商船及应急通信,通信容量、覆盖需求更大。

1.2 通信能力现状

海洋现有通信手段主要解决人员通信问题,受限于通信容量和传输速率的限制,并发通信路数较少,数据质量不高,而且基本无法满足感知系统获取数据的传输需求。现有通信手段主要为有线通信、短波通信、超短波通信、散射通信、自组网通信、4G通信、Wifi及天基通信(传统自主S、C、Ku频段卫星,“海事卫星”通信等)。其中,天基以外的通信手段只能解决近海通信问题,远海通信及远距离高速通信还要依靠天基通信实现。作为中国境内最大、唯一拥有卫星资源、自主运营管理的卫星运营企业,中国卫通集团股份有限公司现拥有15颗以上在轨商业通信卫星,其C、Ku频段卫星有“中星”和“亚太星”系列,覆盖范围包括亚太、中东、非洲、南美等地区[1]。但是,15颗卫星总容量只有几吉比特每秒,基本已租售完毕,无法满足智慧海洋的后续需求;S频段卫星天通一号01星覆盖区域主要为中国及周边、中东、非洲等相关地区,以及太平洋、印度洋部分海域,支持语音、短消息和小数据业务[2]。

国外天基通信卫星方面,“海事卫星”系统全球海上应用较为广泛,尤其美国“海事卫星”第5代具备宽带通信能力,每颗卫星有89个固定波束和6个大容量机动波束。固定波束可提供的最高速率为下行50 Mbit/s和上行5 Mbit/s[3];机动波束则可以提供下行100 Mbit/s和上行10 Mbit/s的速率;可支持天线口径在45～240 cm的终端。我国中星16号卫星是首颗高通量通信卫星,通信总容量超过20 Gbit/s,超过国内此前研制的通信卫星容量总和,可实现每户最高150 Mbit/s的宽带接入[4],比国外宽带卫星能力稍有欠缺,而且资费较高。

总之,我国海洋通信面临着覆盖范围、容量/速率、资费、核心技术装备国产化率等诸多掣肘。面对智慧海洋的迫切需求以及通信能力现状,我国急需发展建设满足海域覆盖和宽带容量的自主天基通信系统,支撑智慧海洋工程的建设。

2 天基通信系统

通过智慧海洋需求与通信能力现状的分析,结合我国通信卫星的发展规划,本文建议构建高轨＋低轨的天基通信系统,支撑智慧海洋工程建设。对于高轨通信卫星,我国已有多年的发展基础,2017年4月发射的中星16号高轨宽带通信卫星标志着我国进入了高通量宽带卫星时代。高通量卫星采用多点波束和频率复用技术,在同样的频谱资源情况下,容量是传统卫星固定业务(FSS)的数倍[5]。高轨宽带通信卫星容量大(少则几十吉比特每秒,多则几百吉比特每秒),可接入几十万甚至上百万用户使用。但是,单星覆盖范围有限,需要多颗卫星组合才能覆盖全部海域;另外,高轨卫星链路损耗大,无法支持手持终端使用,而且链路延时也较大,很难满足延时要求较高的业务需求。低轨卫星星座由于其低轨道、全球覆盖及低延时的优势,可弥补高轨卫星的不足。因此,高轨＋低轨的天基通信系统可满足智慧海洋工程对通信海域覆盖和宽带容量的需求。

2.1 高轨＋低轨天基通信系统架构

为了发挥出最大能力,高轨＋低轨天基通信系统需要形成一体化的网络,而不是高轨通信系统一张网、低轨通信系统一张网。如图2所示,高轨＋低轨天基通信系统在地面关口站进行网络融合,共建同一套运营支撑系统提供运营服务,采用同一套用户终端入网,这样,既可接入高轨通信系统,又可接入低轨通信系统。

图2 天基通信系统架构Fig.2 Architecture of space-based communications system

为了实现高轨＋低轨天基通信系统,地面关口站网络需要融合,地面宽带通信终端需要共型,按照国内外技术发展趋势,需要重点解决终端网络架构、波束切换和相控阵天线等关键技术。

2.1.1 终端网络架构

考虑到高轨、低轨终端共型,终端设计引入新的网络架构技术,借鉴软件定义网络(SDN)组网集中管控、灵活可配、扩展性强等特点,在卫星网络拓扑负载优化、精细化流量管控、卫星资源利用率提升等方面进行融合设计。图3为SDN组网架构。

图3 SDN组网架构Fig.3 SDN network architecture

通过SDN和网络功能虚拟化(NFV),将与终端网络服务密切相关的功能上移后进行云化,用户侧终端功能简化为2层,仅负责设备管理和终端接入;将增值业务和差异化服务等功能在云端进行集中管控,实现平台化管理,为未来业务能力的快速部署和设备运行维护等提供基于云技术的解决方案,并且为业务公用应用程序编程接口(API)和开放业务平台提供支撑。图4为地面终端架构。

图4 地面终端架构Fig.4 Ground terminal architecture

2.1.2 波束切换

由于高轨和低轨卫星点波束覆盖的特点,终端要能支持波束切换。目前,波束切换技术主要分为:①秒级切换,终端换载波登录,切换时间为6～10 s;②毫秒级切换,去掉终端登录流程,全系统时间同步,切换时间约为500 ms;③微秒级切换,配合跳波束技术实现微秒级切换。波束切换过程主要分为切换检测阶段、切换决策阶段及切换执行阶段。图5为波束切换各阶段功能描述。

图5 波束切换各阶段功能描述Fig.5 Function description of beam switching

(1)切换检测阶段是指终端和信关站对切换需求进行检测的阶段。在此阶段,终端通过周期性地检测相关参数,判断当前波束是否仍适合驻留,是否有切换需求。切换检测参数一般包括终端的地理位置、信道条件(如信噪比)等。

(2)切换决策阶段为波束切换的核心阶段。决策是否切换及如何切换,都要依赖于有效的切换决策机制。其中,由信关站对检测阶段的切换需求进行分析,根据当前系统波束内的资源和负载状况决策是否执行切换,以及何时执行切换。

(3)切换执行阶段即信关站决定执行切换后,通过与终端之间的切换信令交互,进行旧连接断开与新连接建立的阶段。期间,信关站根据切换决策的结果发出切换信令,终端收到切换命令后,断开与旧波束的连接,根据分配的信道资源在新波束中入网。

2.1.3 相控阵天线

低轨卫星具有移动特性,为了避免天线频繁机械转动,终端天线宜选用相控阵天线。目前,可形成规模化应用的相控阵天线大致分为模块化低轮廓相控阵天线和液晶相控阵天线2类。

模块化低轮廓相控阵天线是基于动态波束成型技术的电扫天线,使用具有电子波束成型功能的专用集成电路(ASIC)微芯片。这些芯片与非常小的贴片天线组合成一个单元,通过动态地控制每个单元的信号相位传输(或接收)任何方向的波束。这类天线的核心模块是由分布在经过射频优化面板上超过500个的单元构成的。核心模块可以组合成各种尺寸来构建所需要的相控阵天线。未来的发展趋势是将整个射频链转移到特定应用程序的集成电路芯片上,当一个信号在贴片天线上击中阵列时,能立即在ASIC上转换输出。图6为模块化低轮廓相控阵天线示意。

液晶相控阵天线使用超材料形成全息波束,基于液晶电控双折射性和闪耀光栅原理的可编程光束偏转器件,通过外电场变化控制液晶分子指向矢,以改变液晶层的双折射特性,从而对光波波前进行相位调制。当液晶层对光束的相位调制呈周期性改变的斜坡时,液晶层等效为闪耀光栅。这类天线支持360°的全球覆盖,因此可在视角极低的南北纬地区实现通信连接。图7为液晶相控阵天线示意。

相控阵天线规模化的市场应用主要受限于目前昂贵的价格,通过对国外一网(OneWeb)和太空探索技术(SpaceX)公司未来终端的分析[6],目前的成本还远远高于规划,因此,其低成本化还有很长的路要走。表1为相控阵天线成本。

图6 模块化低轮廓相控阵天线示意Fig.6 Schematic diagram of modular low profile phased array antenna

图7 液晶相控阵天线示意Fig.7 Schematic diagram of liquid crystal phased array antenna

表1 相控阵天线成本Table 1 Cost for phased array antenna

2.2 通信卫星资源

高轨＋低轨天基通信系统可接入我国所有通信卫星资源。现有通信卫星主要侧重于陆地覆盖,海域覆盖欠缺较大,后续重点要加强覆盖海域通信卫星的发展,这与我国通信卫星的发展规划也较为契合。

2.2.1 高轨卫星资源

高轨卫星方面,我国传统C、Ku频段卫星资源覆盖主要集中于亚太地区,广泛应用于各个领域,资源较为紧张,目前已所剩无几,无法满足海洋应用需求,因此急需发射高通量卫星提供大数据量高速传输服务。传统C、Ku频段卫星资源覆盖如图8所示。

我国首颗Ka频段高通量卫星中星16号的总容量超过20 Gbit/s,提供26个用户点波束和3个馈电波束,覆盖中国中部、中西部、东部、南部、拉萨地区及中国近海近300 km海域。中星18号卫星作为我国第2颗高通量卫星,计划于2019年8月底发射,能提供14个Ka频段用户波束,整星容量为10 Gbit/s,覆盖东北和西北,与中星16号一起形成覆盖中国大陆和近海海域、超过30 Gbit/s容量的Ka频段宽带卫星通信能力。2颗卫星的覆盖[7]如图9所示。2019年中发射高通量卫星亚太星-6D,覆盖亚太海域,整星容量不低于40 Gbit/s,1/2的容量为海上提供宽带通信服务(移动和应急2种)。图10为亚太星-6D卫星覆盖。到2022年,通过东增强(中星26号)、西增强(中星27号)卫星和中星19号卫星,能够实现国土、海洋的覆盖增强和泛亚地区的覆盖能力,如图11所示。

图8 C、Ku频段卫星资源覆盖Fig.8 Covering of satellite resources to C-band and Ku-band

图9 中星16号和中星18号卫星覆盖Fig.9 Covering of ChinaSat 16 and 18

图10 亚太星-6D卫星覆盖Fig.10 Covering of APStar-6D satellite

图11 东、西增强卫星及中星19号卫星覆盖区域Fig.11 Covering area of increase in the east and west satellites and ChinaSat 19

从高轨卫星的发展规划来看,到2022年,高轨高通量卫星容量将达几百吉比特每秒,可覆盖南海、西太平洋、“一带一路”海上丝绸之路,基本可满足智慧海洋工程覆盖和容量的需求。

2.2.2 低轨卫星资源

一直以来,卫星运营商大多选择部署高轨卫星,率先进行技术和市场验证,之后增加卫星数量以扩展业务能力。随着市场需求的变化和发展,越来越多的航天企业计划部署低轨卫星星座,寻求全球范围内的服务能力。例如,美国OneWeb、SpaceX和低轨卫星(LEOSat)公司等都在计划部署低轨卫星星座系统[8]。

国内已经启动建造的有“鸿雁”和“虹云”等卫星星座。其中,低轨“鸿雁”星座系统将实现全球无缝覆盖,为海洋各类用户终端提供移动通信和宽带接入服务,同时还提供航空航海监视及导航增强服务。

2.3 地面终端

高轨＋低轨天基通信系统,需要对地面终端进行共型设计,解决以往终端种类繁多、通信体制各异、无法互联互通等问题。高轨、低轨终端形态包括固定终端、便携终端、车载终端、船载终端和机载终端等,支持宽带接入、高速数据传输和视频回传等业务。另外,还可根据海洋用户的需求,基于终端芯片和模块进行终端定制。

如前所述,高轨、低轨终端共型宜采用相控阵天线,避免天线频繁机械转动带来的寿命问题,这类终端市场需求的最大变量是消费者能为终端支付的费用,因此,宽带终端产品(见图12)的焦点在于低成本相控阵天线[6]。目前,相控阵天线技术已得到验证,但成本依然很高,未来终端价格有望控制在300美元以内。

图12 宽带终端产品示意Fig.12 Sketch map of broadband terminal product

此外,射频终端的发展和低成本化也影响着用户对终端的接受度。射频终端的发展可分为3个阶段(见图13):①收发分离,低噪声放大器(LNB)和功率放大器(BUC)为分离器件;②收发一体,LNB和BUC合成到一起组成收发一体机(Transceiver);③射频收发一体且与终端调制解调器集成在一起。目前技术已发展到第3个阶段,结构形态和成本上都可进一步优化。

图13 射频终端发展阶段Fig.13 Development stages of RF terminal

3 应用服务模式

针对高轨＋低轨天基通信系统发展规划,地面终端的发展研究已先行,包括终端的网络架构、天线及射频的形态已有一定的研究成果,可满足智慧海洋用户的使用需求。应用服务方面,结合智慧海洋用户特点,高轨＋低轨天基通信系统可支持如下应用服务。

(1)智能终端通信:支持商业手机直接接入低轨卫星星座,系统支持数百万用户入网,提供高清晰语音服务、微信等即时通信服务、电子邮件服务等,服务于政府船只、海上渔民、远洋商船、旅游邮轮、科学考察、海底地质勘探、抢险救灾、海上应急保障等场景。

(2)宽带接入:提供高速数据接入服务能力,使海洋用户享受到与陆地地面网络近似的体验,系统容量支持百万级用户接入使用。

(3)基站中继:承担海上平台4G/5G基站中继,海上手机用户可随时享受陆地移动通信服务。

(4)物联网:天基通信系统与多种具备感知、信息采集功能的物联终端结合,可形成天、空、地、海一体化的信息获取与传输系统,能实现全球态势感知信息的实时回传,解决目前各类感知信息回传效能低下的问题,从而对物联网起到良好的支撑和融合作用,为我国乃至世界“感知中国、感知全球”战略实施提供有力支撑[9]。系统基于M2M的交互式物联网业务,可支持千万级数据采集终端,满足物流、交通运输等行业用户需求。

(5)热点信息推送:充分利用卫星广域覆盖的特性,针对热点区域,支持气象信息广播、渔业信息、海上灾害信息、安全信息广播、广告等信息广播推送业务,可为政府宣传部门、移动互联网企业提供流量入口。

(6)专网传输:支持海洋相关政府部门、企业单位内部网络数据交换,可支持数据容量大,能提供文件实时传输、大数据分发、OA交流等多种功能。

(7)应急通信:提供海上应急通信服务,满足全天候不间断应急通信需求。

(8)导航增强:能转发“北斗”差分改正信息,为船载定位终端和物联网终端提供更加精准可靠的位置服务。

(9)航空航海监视:支持AIS、ADS-B标准,能够实现全球飞机、船舶的全周期跟踪,提供统计数据增值服务,满足日益增长的航空航海市场发展需要,实现安全可靠的全球交通运输能力[10]。

智慧海洋要实现海洋通信泛在随行,天基通信系统不可或缺,建成后的天基通信系统可满足以上九大应用,再结合空基、地基和海基通信,形成空天地海一体的海洋信息通信保障能力,服务国家智慧海洋工程。

4 结束语

天基通信系统是我国智慧海洋工程建设不可或缺的通信传输基础设施,本文分析了智慧海洋需求和通信能力现状,在此基础上提出了高轨＋低轨天基通信系统的思路与架构,并对相关关键技术进行了分析,最后结合智慧海洋工程的应用需求提出了九大应用服务模式。通过卫星与地面相关技术的攻关,结合我国通信卫星发展规划,融合高轨高通量宽带通信卫星和全球低轨移动通信卫星星座,建设天基通信系统服务于智慧海洋工程,并配套与之相适应的商业模式和应用服务体系。建议智慧海洋工程后续建设继续秉持统筹规划与分步实施相结合、工程示范与商业应用相结合、商业发展与政策扶持相结合的方针,尽快实现海洋强国的目标。