卫星互联网在智慧海洋领域的应用展望

郭溪

摘要：利用信息化手段建设智慧海洋是实现海洋强国的必经之路，海洋的特殊环境对海上通信网络提出较高的需求。卫星互联网因其全覆盖、大容量、低时延等优势，被纳入新基建范围，成为智慧海洋通信网络发展的重要趋势。该文针对智慧海洋通信能力不足的问题，分析了现有海上通信方式的优缺点，论述了卫星互联网在智慧海洋通信网络中的应用，并对卫星互联网的发展提出展望。

关键词：卫星互联网;智慧海洋;通信网络;全覆盖;高速率;大带宽

中图分类号：TP393        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）13-0211-02

Abstract： Using information technology to build intelligent ocean is the necessary way to achieve ocean power. The oceans special environment puts forward higher demand for ocean communication network. Satellite internet has been included in the scope of new infrastructure because of its advantages of full coverage， large capacity and low delay， and it has become a new trend in the development of intelligent ocean communication network. Focused on the problem of insufficient communication ability of intelligent ocean， this paper analyzes the advantages and disadvantages of the existing ocean communication methods. Finally， it discusses the application of satellite internet in intelligent ocean communication network， and puts forward the prospect of the development of satellite internet.

Key words： satellite internet; intelligent ocean; communication network; full coverage; high rate; broadband

進入 21 世纪以来，随着陆地资源的消耗，开发海洋资源、探索海洋环境成为必然趋势。完善的海洋通信网络可实现数据的高速实时传输，极大地提高海上科考、海上作业的效率。在海洋通信网络中，卫星互联网在覆盖范围、通信速率、接入带宽等方面具有显著的优势。本文重点阐述了卫星互联网在智慧海洋领域的应用，以及卫星互联网的发展展望。

1 智慧海洋概述

近年来，我国一直致力于海洋事业的发展，提出建设海洋强国的重大战略部署。我国是海洋大国，拥有 310 万平方公里管辖海域、1.8 万公里大陆海岸线，壮大海洋经济、加强海洋资源环境保护、维护海洋权益事关国家安全和长远发展，因此必须坚持陆海统筹，扎实推进海洋强国建设。以信息化为依托的智慧海洋工程将海洋传统产业与人工智能、大数据、物联网等新一代数字技术相融合，不断提高海洋开发利用和保护的智慧化水平。智慧海洋一定程度上可实现信息深度融合、互联互通、信息共享，是生产方式与思维方式的变革，将帮助人类更好地认识海洋、经略海洋，为海洋强国建设增添新动能。

智慧海洋架构体系主要包括数据采集层、数据传输层、数据存储与分析层、数据应用层。整体结构如图1所示。

基础通信网络是发展智慧海洋的基石。智慧海洋的信息覆盖范围大、空间地理位置差异大、数据量大、数据传输实时性要求高，因此必须建立高质量的通信传输网络，才能实现信息互联互通、共建共享。从智慧海洋架构看，当前发展瓶颈在于基础通信能力不足，形成沙漏型结构。数据传输层能力较弱，使得数据采集层采集的数据无法快速实时传输至数据存储与分析层。基础通信能力不足将制约智慧海洋发展，加强智慧海洋基础通信网络建设是打破智慧海洋发展瓶颈的首要工作。

2 通信网络在智慧海洋中的应用现状

卫星在智慧海洋通信网络中承担重要的角色，目前常用的通信卫星类型有VSAT、海事卫星、宽带通信卫星、铱星等[1]。VSAT（Very Small Aperture Terminal）卫星通信系统主要利用 C 频段或 Ku 频段同步卫星转发器，提供单向或双向的语音、数据、图像等通信业务，通信速率为 2-4Mbps。宽带通信卫星，又称为高通量卫星（High Throughput Satellite，HTS），基于 Ka 频段以及多点波束技术的运用，可实现超过 12Mbps 的通信速率。海事卫星系统采用 L、Ka 两个波段提供覆盖海、陆、空全方位的高速卫星通信网络，下行速率可达 50Mbps。铱星系统是由美国建设的卫星移动通信星座系统，可提供速率为 100kbps 的全球移动卫星通信服务。现有的卫星数量少，资源有限，单星覆盖范围有限[2]，使用费用高昂，同时因其很大程度上依赖国外卫星系统，存在数据安全隐患。

以海底光缆为代表的有线通信也可实现海岛与大陆、海岛与海岛之间的信息通信。海底光缆通信系统的优势是速率高、容量大、可靠性高、抗干扰能力强、保密性能好[3]。目前无中继海底光缆的传输距离最长可达 600～700km，而有中继海底光缆通过采用海底中继器，传输距离可达上万公里。但是，目前海底光缆在国内的市场需求较小，应用场景不足，供电系统设计复杂，因此，我国海底光缆在智慧海洋领域的应用仍面临巨大挑战。

公共陆地移动网，简称公网，是近海领域的主要通信手段，具有稳定可靠、产业成熟、标准统一等显著优势，可覆盖生产、旅游、监管、应急等场景需求。目前由运营商建设的移动通信网络，可覆盖近海 50km 左右的范围，主要以 3G、4G 为主，可满足基本的语音和低速数据通信业务需求[4]。下一步，随着 5G 的大规模商用，将进一步推动 5G 在近海区域的应用和覆盖，利用 5G 大带宽、大容量、低时延等特性，助力智慧海洋生态旅游、智慧港航、智慧渔业等产业发展[5]。但是公网入海存在建设成本高、维护成本高、短期收益低等问题，导致运营商的投资建设意愿低，建设缓慢。同时由于建设难度高，无法覆盖深远海区域。

3 卫星互联网在智慧海洋中的应用

卫星互联网是指以卫星为接入手段的宽带互联网，主要由太空的卫星星座、地面的运营中心、关口站、测控站等和用户的接入网、接入终端组成[6]。类比地面网络通过基站接入，卫星就是太空中移动的基站。卫星互联网多利用低轨宽带卫星，因其运行于 500～2000 公里范围内的近地轨道，具有低时延、链路损耗小、易于实现全球覆盖等优势。相比于铱星等窄带低速卫星通信系统，新的卫星互联网可实现与地面类似的宽带网络服务，即低轨、宽带、高速、全覆盖卫星互联网。

作为地面通信手段的补充，卫星互联网在地面通信网络无法覆盖的领域，将起到不可替代的重要作用。海洋则是其中最典型的应用场景。卫星互联网的部署不受海洋上地理空间位置变化大、环境潮湿、气候变化显著的影响，并且大量卫星组网后可实现全域的覆盖和大容量的接入。因此卫星互联网在智慧海洋通信中具有覆盖范围广、通信容量大、接入速度快、灵活性能强的优势，可以打破智慧海洋通信网络瓶颈，填补信息通信鸿沟，解决海上信息孤岛问题，为远洋运输、海上旅游、环境监测、应急救援等领域提供高效、安全、可靠、智能的网络基础设施，成为智慧海洋的核心竞争力[7]。

卫星互联网在宽带互联网接入服务起重要作用。通过卫星互联网网络接口，用户可以在手持终端上，进行图片、语音、视频等数据信息的传输，稳定的网络连接有助于将海上获取的环境数据、科考数据等信息实时回传至陆地，提高海上作业的高效性和安全性。因其低时延的特性，在一些对实时性要求高的场景，卫星互联网可提供高效的通信保障。此外，长期在海上作业的船员，可以通过卫星互联网与家人通话、视频，或是娱乐。

卫星互联网在远程视频监控具有显著优势。利用卫星互联网大带宽、广覆盖的特点，将安装在渔船等移动平台的视频监控设备与陆地的控制显示中心连接，满足陆地对海洋的监控需求，可进行高清的远程视频会议。

卫星互联网可满足海上应急救援通信需求。当海上作业的船只或者人员发生突发事件需要应急救援时，可通过一键报警装置，通知陆地服务或管理中心。陆地管理人员通过卫星互联网，查看遇险船只的位置、航向、状态等信息，并调度附近船只或其他救援队伍。借助卫星互联网全海域覆盖、高传输速率的优势，大大提高了海上应急救援的可靠性和及时性。

除了提供通信手段，卫星互联网同时也是太空中的平台，通过与 5G、工业互联网、物联网、大数据等技术的融合，可实现丰富多样的智慧海洋应用场景。

卫星互联网与物联网技术融合，可将各类信息感知设备与互联网连接起来，提升海洋立体化观测预测能力，实现海洋数据的监测和系统化管理。例如在基于物联网的智慧船舶应用中，船员的智能穿戴、船舶视频监控等设备通过卫星互联网可实现数据的采集和实时回传。

卫星互联网搭载摄像头或各类传感器，可实现海洋遥感。经过探测、传输、加工和处理等步骤，获取海洋图像或数据资料，多用于监测海流、水质、围垦、悬浮沙、海洋水文、气象、海洋污染等。典型应用包括探测海底地形、观测海洋动力现象、探测海底地层剖面，为海底潜水器提供导航、避碰、跟踪等信息。通过卫星互联网与海洋遥感技术的结合，可大幅缩短重访周期，获得大批量高频次遥感数据，实现全海域、全天时、全天候工作能力[8]。

卫星互联网搭载定位导航设备，可实现无人水面艇（USV）、自主水下潜航器（AUV）、水下滑翔器、Argo 浮标、遥控无人潜水器（ROV）等无人化设备的远程遥控和定位导航。借助卫星互联网全覆盖、全天候的优势，一方面可加快接收卫星数据的速率，提高定位精度，另一方面可实现全球覆盖，消除定位盲区。

4 总结

卫星互联网在智慧海洋通信网络中具有显著优势，将有效解决智慧海洋基础通信能力不足的问题。2020 年 4 月，国家发改委将卫星互联网纳入“新基建”范围，标志着卫星互联网建设已上升为国家战略性工程。相关研究指出，未来几年，中国卫星互联网的总体市场可达千亿规模。由此来看，卫星互联网具有广闊的发展前景。

除了良好的外部优势，卫星互联网产业自身也需持续发力。紧紧把握智慧海洋发展契机，完善卫星设计制造、发射、运营、服务的行业产业链，积极进行产业模式创新，鼓励科研机构、高校、民营企业等各方加入，共同促进产业发展。借助一带一路和海上丝绸之路国家战略，加强与其他国家的合作交流，逐步扩大内部优势，在轨位和频率资源上，应抢抓机遇、主动争取。加大研发力度，突破关键技术，降低生产成本。建立标准规范，加强顶层统筹规划，为未来发展奠定技术基础。

当前，国内外卫星互联网已纷纷展开部署，一场围绕卫星发射“通行证”的太空资源争夺战正在悄然展开。2020 年至 2030 年，将是卫星互联网的快速发展期，一批批卫星互联网企业正蓄势待发。我国卫星互联网产业规模将持续扩大，产值稳步增长，保持良好的发展态势。卫星互联网的发展将深刻改变人类的生产生活方式，为经济增长和社会进步注入强大动力。

参考文献：

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[2] 王权，刘清波，王悦，等.天基通信系统在智慧海洋中的应用研究[J].航天器工程，2019，28（2）：126-133.

[3] 谢书鸿，薛驰，薛建凌.深海化、高压化背景下的我国海底光缆产业发展思考[C].中国通信学会 2017 年通信线路学术年会论文集，2017：25-31.

[4] 蒋冰，郑艺，华彦宁，等.海上应急通信技术研究进展[J].科技导报，2018，36（6）：28-39.（6）：28-39.

[5] 冯武锋，高杰，徐卸土，蒋军，等.5G应用技术与行业实践[M].北京：人民邮电出版社，2020.

[6] 王子剑，杜欣军，尹家伟，等.低轨卫星互联网发展与展望[J].电子技术应用，2020，46（7）：49-52.

[7]  林竹明.福建省海洋卫星互联网发展建议[J].海洋信息，2020，35（4）：58-61.

[8] 赵忠明，高连如，陈东，等.卫星遥感及图像处理平台发展[J].中国图象图形学报，2019，24（12）：2098-2110.

【通联编辑：代影】