天基信息网络发展与应用

庞立新，冯建元,2,4*，李 杰，周志成

(1.亚太卫星宽带通信(深圳)有限公司，深圳 518126； 2.武汉大学 电子信息学院，湖北 武汉 430072；3.中国空间技术研究院，北京 100094; 4.深圳市鹏城实验室，深圳 518052)

0 引言

自1901年马可尼发明无线电报以来，地面无线通信系统历经百余年发展，演进到当前能够支持每平方千米百万链接终端数、流量密度每平方千米数十Tbit/s、用户峰值速率数十Tbit/s的5G时代，通信容量、网络用户数量和单用户通信速率前所未有地提升，支撑了移动互联、工业互联、物联网蓬勃发展。然而，时至今日，地面无线通信系统覆盖地球表面的面积不足10%。在航空、海事及陆地偏远区等无陆地通信系统覆盖的区域，天基信息网络有着不可替代的作用，保障了最后的通信连接。

随着航天技术不断进步，新一代的天基信息网络由高、中、低轨卫星共同构成，其中，高轨卫星是指轨道高度大于20 000 km的卫星，通常使用地球静止轨道(GEO)卫星；中轨(MEO)卫星是指介于1 000～20 000 km之间的卫星；低轨(LEO)卫星是指轨道高度小于1 000 km的卫星。

不同轨道卫星各有优劣势，彼此协同组网具有互补性。高轨卫星虽然覆盖广、只用极少数量的卫星就能够实现全球组网，但是由于距地面远，传播损耗大，终端尺寸大，传播时延大；低轨卫星由于轨道高度低，传播损耗小，能够实现小尺寸终端、小时延的目标，但劣势是组网需要的卫星多，工程浩大，而这一点可以被高轨卫星所弥补。中轨卫星则是具有介于高、低轨卫星特点之间特性的卫星。

根据高中低轨卫星各自的特点，在未来天基信息网络中，高轨卫星承担天基骨干网功能，用于广域覆盖和连通不同卫星星座；中低轨卫星则作为接入网，承担天基信息网与用户终端间的数据传输。

天基信息网络通过整合不同轨道卫星群，可以辐射全球并在重点区域增强传输能力，最终向海陆空终端用户提供宽带互联网接入，实现全球覆盖、随遇接入、按需服务的新一代网络通信能力。

天基信息网络是利用空间基础设施数据互联互通建设的信息网络，有利于实现全天时、全天候、全地域服务国民经济和国防建设，是未来通信网络天地互联和一体化的重要组成部分和发展方向。

同时，天基信息网络也是贯通我国空间基础设施、融合通导遥系统的骨干网络基础。我国现有通信、导航、遥感各类卫星，然而由于互相封闭，各系统数据无法融合形成满足社会需求的高价值复合信息服务；同时，导航和遥感数据有效实时回传一直不能很好地解决，这种情况既无法满足新时代融合信息服务需求，也不利于发挥太空基础设施优势并构建未来天地互联信息网络。因此，迫切需要借助高中低轨通信卫星，着眼于构建中国新一代空间信息网络，以网络化、一体化为理念，以天基高通量通信网为核心，以各类卫星资源融合共享应用为目的，从天基信息获取、传输、融合和处理各个环节进行系统性创新与攻关。从而实现数据互联互通的天基信息网络服务[1-2]。

2015年国家科技战略座谈会上，孙家栋院士向李克强总理建议推进“互联网+天基综合信息”系统建设，得到了中央和与会专家的高度重视。通过建设高通量天基通信网络为骨架，融合导航、遥感数据服务的集成天基信息网络，打通与地面通信网络连接，实现“天网”与“地网”的深度耦合，从而将广大用户所需的天基数据信息送达手机和便携终端上，更好地服务用户需求[3]。可见，建设天基信息网络具有重大意义。

1 国内外技术基础与现状

1.1 国内外空间网络发展现状

地球静止轨道通信卫星经过数十年发展，市场应用已经较为成熟。近年来，随着低轨卫星技术的不断突破，逐渐满足批量化、大规模制造标准，由于其传输时延较小、传播损耗较低、发射方便、建造成本较低，非常适合天基信息网络建设，因此低轨卫星星座成为天基信息网络的热点。

当前，国外正在积极部署低轨卫星星座，其低轨卫星星座计划主要包括OneWeb、O3b、Starlink等。其中，O3b中轨道卫星星座是目前全球唯一一个已经投入商业运营的中低轨卫星通信系统；SpaceX公司由于具有大批量制造和发射卫星的能力，后来居上成为拥有卫星数量最多的商业卫星公司[4-5]。

国外的星座计划总体如下：OneWeb计划建设720颗LEO卫星和1 280颗MEO卫星；O3b计划建设60颗MEO卫星；Starlink计划建设4 425颗LEO卫星及7 518颗极低轨道卫星；波音公司计划建设2 956颗LEO卫星；LEOSat计划建设108颗LEO卫星。此外，还有一些已建成的星座，如35颗LEO卫星构成的Orbcomm、75颗LEO卫星组成的Iridium系统和56颗LEO卫星组成的Globalstar等。

国内方面，近年来低轨星座也呈现再次崛起的趋势，从顶层政策支持、一线研发投入全方位推进。2015年《国家民用空间基础设施中长期发展规划(2015—2025年)》公布，从顶层为天基网络做出了规划，2016年天基信息网络写入《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》。此外，工信部和广电总局也针对低轨卫星使用的Ka频段，对原有动中通和地球站进行了规范，在频率使用方面为低轨卫星部署提供便利。

国内正在实施的低轨星座部署计划有：航天科技集团300颗LEO卫星组成的鸿雁星座，航天科工集团156颗LEO卫星组成的虹云工程及80颗LEO卫星组成的行云工程，中国电科集团120颗LEO卫星组成的天象星座。此外，我国民营低轨星座也蓬勃发展，目前已在规划中的有九天微星72颗LEO卫星组成的天基物联网星座，国电高科38颗LEO卫星和MEO卫星组成的天启星座，欧科微28颗LEO卫星组成的翔云星座，以及银河航天650颗LEO卫星组成的银河Galaxy卫星星座等[6]。

1.2 天基信息网络技术基础

由高中低轨卫星组成的天基信息网络的发展，其技术基础离不开以下几方面。

1.2.1 新一代高通量卫星技术

目前，我国成熟商用的高通量GEO卫星容量为几十Gbit/s，随着实践二十号通信试验卫星成功发射，该容量提升至百Gbit/s，并向Tbit/s级前进。卫星通信容量的提升需要有效载荷的增加，而增加载荷离不开新一代的卫星平台。

我国自主研制的新一代卫星平台——东方红五号平台很好地支撑了新一代高通量卫星的发展。该卫星平台具有以下几项突破。

首先是远高于以往的承载能力。使用该平台的实践二十号卫星整星发射质量达到8 000 kg，有效载荷达到15 000 kg，是目前世界上最重的通信卫星，也是我国自主研制发射质量最大的卫星，转发器布局能力达到120路以上，为扩大通信容量提供了基础。

二是功率大。该平台使用了二维二次展开半刚性太阳能板以及锂离子蓄电池等技术，整星额定功率达28 kW以上，有效载荷功率达18 kW。功率能力大，可以为提高发射能力提供保障。

三是散热好。通过主动、被动热控相结合的方式，有效散热能力达到9 kW以上，保障了卫星系统的稳定性。

四是扩展能力强。该卫星平台可扩展至9 000 kg的整星质量，载荷功率扩展至22 kW，转发器数量扩展至150路，为后续能力提升做好铺垫。

该新一代高轨高通量卫星能够满足我国未来十年高通量卫星的需求，有力保证了天基信息网络组网[7-8]。

1.2.2 低成本小卫星制造技术

小卫星的概念是依照卫星整星质量而言，一般将小于1 000 kg的卫星称为广义的小卫星，500～1 000 kg的是狭义上的小卫星，而100～500 kg的则可称为微小卫星，再往下又包括显微卫星和纳米卫星。与大卫星相比，小卫星突出特点是单星成本低廉且制造速度快，可在不到1年内实现研制、运输和发射,这大大降低了卫星通信的门槛[9]。

近年来小卫星发展迅速，尤其是50 kg以下的微小卫星增长尤为迅速。2013年，全球共发射小卫星数量达146颗，同比增长148.28%；2014年，全球共发射小卫星数量达162颗，同比增长22.7%；后续几年年均发射数量均超过100颗。其中，微小卫星的发射数量连续5年增长率超过50%[10]。

小卫星发射数量迅猛增加的背后是小卫星制造技术不断得到突破，卫星研制成本不断降低，目前，小卫星的制造成本可低至200万～400万美元，这对于许多卫星发射者而言，意味着可以跨过门槛，参与到卫星网络的建设中去[11-12]。

卫星成本的降低得益于迭代研制的开发管理方法，以及在卫星减重、大量采用商业器件和批量化生产方面做的改进，这些以民商用模式制造卫星的思路也将会推动卫星成本的持续降低。

1.2.3 低成本运载工具

运载工具是组建空间互联网的重要一环，发射卫星的主要运载工具是火箭，火箭的发射成本对于组网进程快慢与组网成本有巨大影响[13]。

以长征三号乙运载火箭为例，发射一次普遍需要6 000万美元以上的发射费用，这对于需要庞大发射次数的低轨星座而言是无法承受的。近年来，随着面向低轨道小卫星发射服务的针对性设计，与“小卫星”相对应的“小火箭”的发射成本迅速降低，例如航天科技集团的捷龙系列火箭和航天科工集团的快舟系列火箭，发射费用降低到几百万至一千万美元。此外，国内大量的民营商业航天公司正在研制民用小型低成本火箭，一些公司的小型火箭产品已经进入了试验发射的阶段[14-15]。

国外对于低成本火箭的研制进展迅猛。以美国SpaceX公司猎鹰九号重型运载火箭为例，由于其具有火箭重复利用的技术突破，因此不仅具有载重质量大的特点，而且单位运载质量成本也极大程度降低，使其在国际卫星发射市场极具竞争力。如其单次发射费用约6 200万美元，可发射60颗星链星座卫星，平均单颗卫星发射成本仅100万美元[16]。低成本火箭扫除了空间互联网建网的运载障碍，使得空间互联网建网进程得到加速。例如星链计划到目前已经发射16批，共计895颗卫星。

2 建设天基信息网络需要解决的问题

2.1 网络架构融合设计

建设天基信息网络首先需要明确天基信息网络架构的设计思路和组建方式。从简单务实、满足未来网络需求、低成本快速建网的角度分析，天基信息网络的架构设计应考虑以下两方面。

2.1.1 高低轨卫星联合组网

由于中低轨卫星星座存在轨道、频率资源申报和协调困难大、组网周期长的问题，在现有空间互联网星座计划中，仅仅依靠低轨卫星星座存在组网过程漫长的问题。同时，在组网过程中，由于国际上低轨星座计划数量较多，互相间电磁兼容问题也不容忽略，最终的结果很可能由于频率轨位兼容问题，使得低轨星座最终也无法实现全球无缝覆盖。那么，在这种背景下，利用高轨卫星(地球静止轨道卫星)具有成熟卫星资源和网络，以及广域覆盖的优势，在低轨卫星星座建设过程中和建成后，都能为低轨星座提供极大地组网辅助[17]。

同时，由于低轨卫星星座卫星数量庞大，且不间断进行大尺度高速运动，星间路由极度复杂，研究信息数据传输路由的优化策略，降低重复数据对路由的占用，提高星间链路的传输效率将是一门重要课题。但不论采用何种路由优化算法，利用高低轨卫星多层次传输路径的优势，都将是很好的技术方案。

高轨卫星由于覆盖广，可以覆盖大量低轨星座卫星。利用这个特点，高轨卫星可以承担骨干核心网的功能，帮助远距离的低轨卫星间进行通信，从而将原本低轨星座中几十跳甚至上百跳的信息传输降低为一跳传输，大大减少了数据信息在星间链路中的重复占用，提高了低轨卫星星座星间链路的使用效率。

因此，在建设天基网络时应重视高轨卫星的作用，将高轨卫星纳入到整体网络系统中来考虑。

2.1.2 卫星与5G融合技术

未来信息网络的发展趋势是构建天地一体的信息网络，通过天基网络弥补地面网络覆盖的不足，但目前天基网络并没能与地面网络进行融合。在目前各大组织，如ITU、3GPP等，提出的卫星与地面网络联合组网架构模型中，卫星起的作用大多为透明的传输管道。同时，卫星网络的管理系统与地面网络的管理系统也各不相通，整体网络无法做到卫星与地面网络资源统一调度，因此卫星与地面网络还无法有效融合[18]。

造成这一现象的原因是卫星与地面5G空中接口技术的差异，卫星普遍采用DVB-S2(X)技术体制，而5G采用的是极化码、LDPC与大规模MIMO相结合的技术体制，这导致卫星通信系统接入网络部分并不能与5G核心网连通，从而与5G系统融合。而为了实现真正的天地一体化信息网络服务，需要一张统一的网络，这张网络能够对卫星和5G系统进行统一的管理与资源调度，用户在系统中能够无感使用卫星或者地面5G系统；同时，网络运营者也能够统筹天地一张网的网络资源，从而实现真正的网络优化。

2.2 卫星持续低成本化

低轨星座组网的特点是组网所需卫星数量庞大，因此为了支撑如此庞大的建设计划，小卫星研制必须做到“多、快、好、省”，即制造成本低、制造周期短、适应大批量生产、卫星可靠性高。做到这几方面，需要从以下几点寻求突破[19]。

一是发展通用型小卫星平台。以往研制卫星一般是围绕任务需求进行设计制造，一星一方案，一个型号卫星上的专用技术很难应用到其他型号，因此开发新型号卫星时方案改动大、研制周期长、所需资金多。如果设计开发出具有通用功能的卫星平台，那么不论是通导遥何种类型的卫星，以及不同低轨星座的卫星，都可以套用公共平台进行开发，避免了再设计，既节约成本，又节省了时间。

二是采用集成设计方法进一步给小卫星“瘦身”。以往在GEO卫星的设计上，各星上系统独立分开，浪费了大量宝贵空间，这对于体积较大的GEO卫星没有什么影响，但对制造周期、成本和质量(质量直接影响发射成本)敏感的小卫星非常关键。如可以探索以功能抽取整合的方式代替目前的分立系统方式，将遥测系统、数据管理系统、供电系统、热控系统和姿轨控制系统中的控制功能整合进行集成设计，另外也可以再优化结构系统和推进系统的布局，以集成化思想进行排布，进一步省出空间。同时，研发采用软件定义卫星也是具有潜力的方向。

三是更高频射频组件的低成本化。未来小卫星星座将采用Q、V甚至W波段无线电传输，如何将高频率射频组件低成本化也是小卫星需要研究的重要课题[20]，包括突破高频段相控阵天线的技术瓶颈、研究新型天线材料等降低工艺难度、节约制造成本的方法。此外，由于高速率对高发射功率的需求，对于低成本Q/V/W频段高功率放大器的抗非线性失真性能也要着重研究，同时还要研究抗高频相位噪声技术。此外，也需扫清规管层面的障碍，在规定NGSO不得干扰GSO规则的同时，推动ITU 的NGSO 规则制定中涉及Q/V 波段NGSO 业务等效功率通量密度(Equivalent Power-Flux Density，EPFD)的限制，实现卫星系统电磁频谱兼容共存。

2.3 天基信息网络组网方式优化

随着自身的不断发展，低轨卫星星座成为建设天基信息网络的重要组成。然而，相对于高轨卫星而言，低轨星座存在数量庞大、相对运动速度快和运动空间范围巨大的特点，这使得低轨星座网络结构与高轨卫星大大不同，且复杂度较后者高得多。同时，由于在海外建设地面站较为困难，星间链路成为低轨卫星星座回传信息的解决方案，这给原本就复杂的低轨星座路由更增加了分配和使用难度[21]。

单以星间链路骨干信息回传来说，由于低轨卫星星座采用星间链路回传信息，再经地面站进入互联网。不同的两颗低轨卫星间信息的传输，信息往往经过几跳卫星的中继，才能最终达到目标卫星，且信息传输所需的跳数与两颗低轨卫星的距离正相关。这导致在低轨星座中，有大量的星间链路都传输着同样的信息，从而给低轨星座星间链路的使用效率带来了巨大挑战。

根据不同的路由算法和信息传输策略，低轨星座中星间链路传输相同信息的条数是0(n)～0(n2)，这将导致宝贵的星间链路资源被极大占用，星间链路看似总容量很大，但由于被重复占用，导致实际传输的信息量大打折扣。因此，如何设计优化的信息路由和传输策略，降低整网中重复传输的信息量是天基信息网络一个重要课题，也是天基信息网组网研究的重要方向。

3 天基信息网络运营面临的挑战

任何一张通信网络的建设、壮大成熟并具有强大生命力，其根本是具有应用场景、能够稳定运营、具备盈利能力。对于天基信息网络，不光是要解决如何建设的问题，同样也要解决如何使用和运营的问题。概括来说，天基信息网络运营面临的挑战分为如下4个方面。

3.1 政策法规挑战

电信作为极特殊的业务领域，事关国家战略安全，各国都对电信业做出了极为严格的约束与管制。例如，我国针对电信行业从业，颁布了《中华人民共和国无线电管理条例》《中华人民共和国无线电管理规定》《中华人民共和国电信条例》《无线电频率使用许可办法》《无线电台执照管理规定》《建立卫星通信网和设置使用地球站管理规定》《电磁辐射环境保护的管理规定》等一系列法律法规，详细且严格限制了从经营牌照、无线电频率使用到无线电台(含空间无线电台)设置的方方面面，这对运营天基信息网络设置了极高的行业准入门槛[22-23]。

同样，对于国际其他国家，相似的法规和管理办法也同样存在。对于天基信息网络的运营而言，其不同于陆地通信网最大的特点就是要全球覆盖。因此，天基信息网络的运营必然需要冲破其他国家对电信的重重法规限制。

在这种背景下，需要天基信息网络的运营者具备丰富的卫星网络运营和国际合作经验、开放的国际视野和可被国际接受的背景身份。合适的网络运营者关系到天基信息网络运营的成败。

3.2 成本挑战

通信网络的运营目标是盈利，反过来说，就是要降低成本[24-25]。然而，相对于静止轨道卫星而言，发射大量的低轨卫星组成星座，其组网成本远远高于前者。一个由700～1 000颗卫星组成的低轨卫星星座，按照目前每年100～150颗的发射速度，也需要7～8年完成，而小卫星的普遍寿命是5～8年，也就是说，低轨星座刚完成组网，第一批发射的低轨卫星寿命就到期，需要新发射的卫星进行替换，如此往复下去。

虽然低轨卫星和火箭都在低成本化，但是这种循环的发射模式仍然让低轨星座的组网成本居高不下。如何在这种高成本条件下找到合适的经营模式，将会是天基信息网络盈利的重点。这将需要不断发掘新的应用场景和应用模式，应用方面创新的重要性绝不亚于低轨星座本身的技术创新。

3.3 地面通信竞争

相对于陆地通信网络，天基信息网络具有广域覆盖的优势，能够提供天空、海洋和偏远地区无缝的通信服务。然而，天基信息网络由于组网成本较高，在价格敏感的个人消费市场中，天基信息网络服务产品天生存在竞争劣势，且由于频段、传输距离等限制，天基信息网络的用户终端难以做到如陆地移动通信终端那样小巧而方便。同时，天基信息网络也难以像陆地通信网络那样超高密度组网，提供单位面积内的大容量覆盖。

以上这些都是天基信息网络相对于陆地移动通信网络的劣势，这些劣势确实会导致在普通消费者市场中，天基信息网络竞争力不足。因此，天基信息网络运营者需要挖掘市场空白，以优异补充者的身份进行差异化竞争，并发挥天基信息网络的优势，吸引和增加用户的粘性。

3.4 行业发展趋势的挑战

对于通信业而言，行业的发展趋势是依靠技术进步，使得单位信息量传输成本不断降低。近年来对通信行业提出的“提速降费”要求也反映了这个行业发展的大趋势[26]。未来，随着陆地通信系统资费不断降低，天基信息网络的流量资费也会呈现不断下降的趋势，甚至未来不排除出现“零”资费流量的产品。面对这种行业趋势，如何迎接流量资费降低、通信服务单位产出能力下降的挑战，也将是天基信息网络运营面临的巨大挑战。

4 天基信息网络的应用展望

天基信息网络因广域无缝覆盖的优势，在航空与航海方面有着广阔的应用前景。在航空方面，根据中国商飞发布的《2019-2038民用飞机中国市场预测年报》，2019年中国航空旅客运输量达到6亿人次，并且年增长率平均达到8%。中国民航业目前共拥有飞机3 818架，年均增长率为5%，预计到2038年飞机数量将达到8 678架。以同时执飞的航班数为总飞机数的60%计算，同时在飞行中的飞机数量将有5 000余架[27]。

航空对于天基信息网络的需求主要分为两方面，一是航空管制通信需求，二是后舱乘客通信需求。在航空管制通信需求方面，每架飞机的前舱空管通信大约为200 kbit/s，则5 000架飞机共计至少需要1 Gbit/s用于航空管制通信。同时，随着未来空管运行方式的变革，考虑到对飞机飞行状态与设备健康的数据收集与分析，将有大量数据需要依靠天基信息网络回传，以波音787飞机为例，单架飞机平均每个航程产生约500 GB飞行数据。同时，实时记录黑匣子数据未来也将成为普遍需求，其大量数据对链路带宽的需求将进一步加大。

同时，后舱乘客通信需求也在快速增长，根据海事卫星组织调查统计，90%的中国旅客倾向选择提供网络服务的航空公司，65%的旅客愿意为通信服务支付费用。以每架飞机平均50 Mbit/s下载带宽计算，客机需要的总带宽将达到250 Gbit/s。

此外，我国目前通航机队规模超过2 000架，无人机数量已达100 000架，未来几年增长速度都将达到近20%，预计2023年通航飞机数量将达到近8 000架，无人机约430 000台，这将是天基信息网络极为广大的应用市场。

航海方面，截至2014年底，全国船舶共计230 883艘，其中海船22 801艘，河船208 082艘，按照10%的船只(即23 000万艘)需要上网，需求中涵盖船员上网和公司航行运营管理对网络的需求，每艘船预计需要10 Mbit/s的上网带宽，按照航运业同时上线率20%的带宽使用水平，则航海的天基信息网络带宽需求约为46 Gbit/s。如果考虑到未来智慧航运的发展，对船舶航行状态与设备健康的数据进行收集与分析，则数据量又会大大增加，据测算，一艘货船每天产生约20 GB的运行数据。巨大的数据传输需求将使天基信息网络在航海方面的应用市场潜力巨大[28-30]。

从当前市场应用需求和未来预期不难预测，市场对于天基信息网络的通信容量需求巨大，而目前已具备的卫星通信资源远远不能满足这些通信需求，因此天基信息网络具有很好的应用前景。然而，对于市场而言，需要的是成本低廉的卫星通信资源，只有实现低成本的卫星通信，才能真正开发出这些市场需求。因此，对于天基信息网络运营商而言，机遇和挑战并存。如何克服困难实现低价优质的卫星通信服务，是天基信息网络最终成功的关键。

5 结论

天基信息网络在海洋信息化、建设海洋空间信息网络方面有着无可替代的作用，也是建设航空互联网最主要的技术手段。在我国民航业和航运业疾速发展的今天，天基信息网络的应用有着重要地位和广阔前景。发挥天基信息网络的优势，使其具备强大的生命力，其关键是提供优质而低成本的天基信息服务。完成这个目标，需要在小到低成本卫星和火箭，大到空间信息组网、卫星与5G系统融合方面有所突破[31]。通过技术的推动以及合理的运营，天基信息网络必将在国防安全及更多更广的民商用领域发挥重要作用。