低轨卫星互联网系统应用服务的研究

方应勇，李晴飞

(南京熊猫汉达科技有限公司，江苏 南京 210014)

0 引言

传统的静止轨道卫星通常是独立的卫星组网系统，与地面互联网之间不能进行互联互通。随着近些年互联网的蓬勃发展，人们对通信的体验效果要求越来越高；针对地面网络通信受限于覆盖区域、用户种类以及自然灾害条件等因素，卫星互联网[1]概念应运而生。卫星互联网通过卫星通信网络与地面互联网络相结合，作为地面互联网络的一个补充部分，既可以作为独立的卫星通信网络服务于卫星系统，也可以与地面网络互联互通，服务于地面网络。卫星互联网系统作为卫星通信与互联网相结合的产物，实现了边缘地区、海上空等用户的接入；具备了高通量、低成本、低延时、全球无缝覆盖、频率资源丰富等诸多优势，近年来备受运营商青睐。

1 低轨卫星互联网组成

低轨卫星互联网系统主要包括空间段、地面段和用户段3部分，系统架构如图1所示。空间段主要指分布

图1 低轨卫星互联网系统组成

在低轨空间的卫星构成的卫星星座[4]，具有相似功能的卫星分布在同一轨道或者多个轨道面上，按照预先规划的分布规则运行，相邻卫星之间可通过透明转发、星上处理以及星上路由等技术实现数据传输，整个空间段卫星相互协作而形成“一张网”的网络系统。地面段作为卫星互联网系统的重要组成部分，由运控中心和信关站组成，主要完成卫星星座的管理、业务处理、网络运维管理等功能，同时负责卫星互联网系统与其他系统的互联互通。应用段由各类卫星互联网终端组成。

2 典型卫星互联网系统应用服务

2.1 铱星系统

2.1.1 系统概述

Iridium下一代系统是铱星公司针对低地球轨道而设计出的下一代移动通信卫星系统。该系统主要由空间卫星段、地面段和用户段部分组成；空间段主要由66颗主用卫星和6颗备份卫星构成，轨道面为780km高度的6个极轨道组成。Iridium卫星工作在L波段，星上均配备可再生处理载荷，通信制式采用时分双工；卫星与用户之间采用相控阵点波束方式覆盖，形成48个用户点波束，单星覆盖面积约为4500km(直径)。同时，星上还专门配置两幅可移动的Ka频段馈电链路天线，用于与地面信关站之间进行通信。由于下一代铱星系统卫星配置可再生处理载荷，因此该系统支持星间链路路由传输功能，通过配置相应的天线即可实现与相邻轨道面左、右的4颗卫星之间实现数据交互。[2]

Iridium下一代系统主要应用于军事海陆空以及为政府提供专门服务，部署后速率可支持1.5Mbit/s，便携式可达10Mbit/s，服务性能有了大幅提升。

2.1.2 应用场景及服务

Iridium系统应用领域非常宽广，既具备最基本的话音和数据业务，也可以为海陆空、政府部门、遥测遥感提供专门服务。Iridium系统典型的应用场景及服务如下：

(1)陆基应用服务主要针对陆地地面用户群体。包括针对车辆的移动、管理和跟踪；针对医疗的应急支援；针对基本的移动通信业以及针对位置定位服务等。

(2)空基应用服务主要针对空域机载用户群体，包括机载基本的话音/数据业务、飞机的位置报告和定位服务、军事政府机载保密服务等。

(3)海基应用服务主要针对海域各类舰船用户群体。包括船只的应急求救、船只的数据服务、船只的跟踪定位服务、海域执法领域服务等。

2.2 Oneweb系统

2.2.1 系统概述

OneWeb星座系统由900颗小卫星组成，分布于18个极地圆轨道面，对地天线呈“倒八字形”向下。[3]星卫高度为1 200km，卫星至地面单向传输延时约为50ms，单星覆盖区域为1 080km×1 080km方形状。单星通信容量可达7.5Gbit/s，卫星天线主要有16幅Ku频段用户天线和2幅Ka频段可移动信关波束天线组成，16幅用户天线构成16个波束为用户服务，2个移动信关站天线为地面信关站服务。用户段设备可用于地面蜂窝通信、地面动中通通信、海域空域等多个场景。

2.2.2 应用场景及服务

OneWeb系统的用户终端和地面系统核心网能完全与3GPP 兼容，与地面网络之间实现了互联互通，能够与地面网络系统协同工作，弥补了地面网络覆盖不到的领域。所以OneWeb系统具备了非常宽广的应用领域和众多的用户群体。

典型的应用服务：

(1)卫星广播类服务，主要针对中小企业、集成蜂窝以及住宅用户。

(2)企事业单位，主要包括海军、空军、政府、石油天然气、车联网等方面。

(3)蜂窝服务，主要针对宏蜂窝卫星中继。

主要应用场景：

(1)应急通信服务、全球网络通信保障。

OneWeb卫星通信系统具备了全球覆盖能力，弥补了在台风、地震及洪灾等突发灾害情况下，地面网络无法进行有效通信的弊端，可快速部署应急通信保障。

(2)空中飞行器通信服务。

由于地面网络无法全覆盖低轨轨道空间网络，OneWeb卫星可作为空间信息转发节点，能够为空中飞行器提供实时服务，包括天气状况、导航信息及飞机的健康状况等方面信息。

(3)通过车载大天线终端提供热点服务。

(4)解决偏远地区固定网络成本问题。

OneWeb卫星系统能够通过低廉的用户终端为偏远地区医疗中心、学校、图书馆及家庭提供互联网服务，确保通信的有效性。

2.3 Starlink系统

2.3.1 系统概述

Starlink系统由SpaceX公司提出，其卫星星座由位于1 150km高度的4 425颗卫星组成。整个星座完全部署成功之后，系统的总容量可达到8～10Tbit/s；最高可达1Gbit/s单用户链路传输速率，单星可提供17～23Gbit/s的下行传输速率，链路传输时延约为35ms，可满足高速、低延时宽带应用服务。[4]

作为Starlink系统的补充，SpaceX公司在2017年3月提出了甚低轨道星座，主要由518颗工作于V频段的卫星组成。甚低轨道星座部署在高度为340km轨道上。StarLink卫星互联网系统最终组成天星天网，可通过星间链路直接为用户服务。

2.3.2 应用场景及服务

Starlink系统主要提供宽带接入服务，用户段终端主要采用指向性比较强的相控阵天线，具备良好发射性能，传输速率最高可达到1Gbit/s，远高于当前地面光纤网络的传输性能，传输时延可达到25～30 ms的水平。

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主要提供的服务包括专用卫星通信话音/数据服务、高速宽带接入服务以及卫星遥感遥测服务等。

3 应用服务总体建设思路

低轨卫星互联网是一个综合型的大型网络系统，作为地面网络和卫星网络的有机结合，形成了复杂的网络拓扑结构，具备了无缝的网络接入服务；并且拥有卫星特有的广播与多播通信能力。在全球通信、应急救生、航天探测、远洋航行等领域有着重大应用，从而将人类科学、文化、生产活动拓展至空间、远洋等。所以，卫星互联网系统主要针对航空航天用户、物联网用户以及航海远洋用户，在交通运输、应急救生、信息采集回传等方面重点发展。主要应用服务设想如下：

3.1 民用应用服务考虑

3.1.1 固定互联网服务应用

低轨卫星移动通信系统能够通过低廉的用户终端为偏远地区学校、医院及家庭提供互联网服务。地面大部分地区已经被地面高容量网络所覆盖，低轨卫星移动通信系统小型化终端和核心网与3GPP完全兼容；低轨卫星系统作为地面网络的一个补充，能够扩展这些网络到乡间地区，为这些地区提供低廉的互联网连接，能够为世界上任何一个角落的用户提供联网服务。

提供的业务服务方式主要有以下两种：

一是家庭直接安装小型化终端，进行接入服务。该终端具备低轨卫星信号收发能力；同时需要兼容地面3G/4G/WiFi等网络通信协议。

二是类似地面建设基站方式，通过塔式安装的系统天线，配备相应基站设备，实现卫星互联网用户的接入。

3.1.2 交通运输领域应用

目前，飞机上网络通信技术已基本实现，但是如何优化，各国都在提出解决方案。卫星互联网作为一个全球覆盖系统，具备全球通信能力，不受地域航线的影响，而且拥有稳定的宽带数据服务，也将会成为空中上网业务的主流技术手段。

现有地面网络没有很好解决高速列车上高质量通信服务问题，卫星通信作为地面通信的一种补充，在高速移动交通工具上也存在应用市场。另外，针对火车站，出行高峰期，乘客数量巨大。由于地面蜂窝网络服务容量的有限性，导致服务拥塞，地面蜂窝网络服务质量急速下降，此时，利用卫星通信，便可缓解地面网络通信压力。

当前地面网络还无法覆盖到远海领域，利用卫星互联网系统，可为远洋船只提供导航、定位、应急求救等服务。通过低轨卫星上搭载自动识别系统载荷，实现对远海海域航行船舶的实时监控。

3.1.3 突发应急救援应用

卫星互联网系统能够在应急救灾过程中发挥其特有的优势。在重大自然灾害情况下，地面网络通常处于瘫痪状态，外部救灾指挥人员无法实时掌握灾区灾情，给指挥部署工作带来很大不便；而卫星通信具备不受地域、覆盖等因素限制，可实现快速实时连接，把灾区灾情实时呈现在救灾指挥人员面前，而且还可以与地面网络互联互通，把灾情进一步向外部传递，汇聚更好的营救方案，实现应急救生。

3.1.4 遥测遥感领域应用

卫星互联网具备广域的广播与多播能力，可应用于侦察和数据采集回传。通过全球卫星互联网系统，可以比较方便快捷的实现全球性数据采集、处理和分发。基于卫星互联网的数据采集和通信中继服务，将会在农业、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发挥越来越重要的作用。

3.1.5 能源监视领域应用

利用低轨卫星星座全球无缝覆盖的优势，卫星互联网系统能够实现高压电力传输线、石油天然气管道等能源通道在广域范围内的实时无缝监测，有效解决现有地面通信网覆盖范围受限的问题，为我国能源生命线保驾护航。

3.1.6 物联网领域应用

通过把具备感知、信息采集功能的物联终端作为卫星用户终端的一种形式，实现卫星互联网与物联网相结合，可实现天地一体化的信息获取与传输。通过卫星互联网系统可实时获取全球态势感知信息，解决目前各类感知信息回传效能低下的问题。

3.2 特殊应用服务考虑

特殊应用方面可以考虑搭载专用载荷实现所需要的特殊应用服务，主要应用服务如下：

(1)在岸和离岸通信。

(2)飞机健康监测。

(3)特殊数据采集与回传。

(4)星载ADS-B，搭载ADS-B专用载荷，具有位置高远、广域覆盖的优势，其侦收信息在军事上可用于监视全球航空目标，配合重要目标详查。

(5)导航增强，通过在低轨卫星上配置高精度全球导航卫星系统监测接收机，实时接收中高轨导航卫星授时数据，传递到海外关口站，达到联合授时，从而解决了海外建站的不足。

(6)向特定区域内提供宽带单向军事信息广播业务，包括情报、图像、地图和视频等数据传输；提供全球范围的实用战场信息广播业务。

4 结语

在低轨卫星互联网系统应用服务建设方面，典型的国外OneWeb系统以及Starlink系统已经在提供应用服务。在当前全球卫星互联网建设热潮的形势下，我国应该充分借鉴国外成熟的建设经验，结合自身优势，建设完备的低轨卫星互联网应用服务，在全球服务的市场中占有一席之地。