低轨卫星互联网络的发展与挑战

引言

随着乌克兰局势的不断升级，俄罗斯与西方围绕乌克兰问题在多个领域展开博弈，其中就包括网络领域。据2月25日消息称，全球最大的黑客组织“匿名者”（Anonymous）宣布对俄罗斯发起“网络战争”；2月26日，美国太空探索技术公司创始人的马斯克对外公开表示，starlink已经开始布局乌克兰，该项目的服务系统已在乌克兰启动，这意味着处于战火中的乌克兰可以利用“starlink”卫星来正常使用宽带服务。

Starlink是太空探索技术公司的一个卫星互联网项目，该项目将会在地球轨道上部署大约12000颗卫星，从而为至今仍然无法享受互联网的偏远地区的人们提供高速低延迟的互联网服务。从2014年开始，出现了一股新的卫星互联网络发展浪潮：大规模NGSO卫星（Non-GeoStationary Orbit））星座提供全球宽带接入服务，以O3b、OneWeb、Starlink为代表的NGSO宽带通信系统迅猛发展。

目前，全球NGSO领域正在进行一场深刻的产业、系统与技术变革，引发卫星制造、发射等核心技术发生颠覆式革命，卫星应用领域与模式拓展创新，全球开启了人人可“玩”卫星的时代。

低轨卫星互联网发展现状

国外低轨卫星互联网计划在政府和商业公司等力量的联合推动下，已经从概念构想迈入落地实施阶段，系统框架已经基本成形，比较有代表性的是O3b、OneWeb和Starlink。在此背景下，中国航天科技和中国航天科工两大集团都启动了各自的低轨通信项目“鸿雁”和“虹云”星座计划。

O3b

图-1 O3b星座组网图

O3b是由欧洲卫星公司SES拥有和运营的中地球轨道（MEO）卫星星座，旨在为移动网络运营商和互联网服务提供商、海事、航空、政府和国防提供远程位置的低延迟宽带连接。

O3b最初代表“other three billion”，即当时没有稳定互联网接入的其他30亿人，星座最初由O3b Networks建造、拥有和运营，2016年成为SES的全资子公司，星座于2014年3月开始提供服务。

O3b第一代星座采用中轨（MEO）卫星，共计16颗，已完成部署；正在推进部署第二代高通量中轨卫星，预计部署22颗，可成为一个全球性系统。这些卫星沿赤道以大约11755英里（18918公里/小时）的速度在8063公里（5010英里）的高度（中地球轨道）的圆形轨道上运行，每个卫星每天绕5圈；每颗卫星都配备了12个完全可控的Ka波段天线（两个波束用于网关，十个波束用于遥控器），使用4.3 GHz的频谱（每个波束2×216 MHz），每个波束的拟议吞吐量为1.6 Gbit/s（每个方向800 Mbit/s），从而每个卫星的总容量为16 Gbit/s [1]。

OneWeb

OneWeb星座由OneWeb公司在2015年提出，目的是为偏远地区或互联网基础设施建设落后地区提供价格适宜的网络连接，预计 2027 年建成健全的、覆盖全球的低轨卫星通信系统。OneWeb公司在一开始计划部署4.8万颗卫星，采用 Ku+Ka波段，星上采用透明转发器。在2021年1月12日向联邦通信委员会(Federal Communications Commission，FCC)提交的一份文件中，OneWeb请求修改去年5月份提交的“Phase 2”的星座目标，由原来的47844颗卫星减少为6372颗卫星。

图-2 OneWeb初期星座组网图

如上图所示，OneWeb星座初期由720颗Ku频段卫星组成，分布在高度1200千米、倾角87.9度的18个轨道面，每个轨道面部署40颗卫星，相邻轨道面间隔10度。第一期将增加716颗V频段卫星，高度在1200千米，轨道倾角分为87.9度和55度。在卫星高速运动过程中，不同卫星交替出现在上空，保障某区域的信号覆盖。截至2021年10月14日，OneWeb已经成功发射358颗卫星[2]。

Starlink

图-3 Starlink星座组网图

Starlink星座由Space X在2015年提出，目的是为个人用户提供低时延的低地球轨道卫星宽带互联网服务，预计2025年完成星座部署。为用户提供最小数据速率为 1Gbps 和最大速率为 23Gbps 的超高速通信，能提供类似光纤的网络速度，且覆盖面积大大提升。总共计划部署约1.2万颗卫星，由分布在1100~1300km高度的 4425 颗低轨星座和分布在高度不超过346km的7518颗甚低轨星座构成[3]。

虹云鸿雁

“虹云”星座是航天科工提出，由 156 颗低轨卫星组成，在轨道高度 1000km 上组网运行，采用Ka 波段通信，每颗卫星最大支持速率为 4Gbps。预计 2022 年完成星座部署后，以天基网为基础，融合导航、遥感，从而实现通信、导航、遥感一体化，构建一个宽带低轨卫星通信系统，为环境检测、移动通信等领域提供信息传输服务。

“鸿雁”星座由航天科技提出，是国内首套全 球低轨卫星通信系统。该系统的宽窄带融合通信系统， 由 300 多颗低轨卫星组成。整个星座计划在 2024 年后完成，将提供移动通信、宽带接入、物联网、 热点信息广播、导航增强、航空监视等六大业务， 可以在全球范围内实现宽带和窄带相结合的移动通信， 为用户提供实时双向通信。2019 年首发星“重庆号”完成了在轨飞行平台各组软件测试，馈电上下行链路和用户上下行链路的验证[4]。

虹云首发星                             鸿雁首发星

图-4 虹云鸿雁卫星结构图

卫星互联网带来的挑战

碰撞威胁

Starlink最近发射了第2000颗Starlink卫星进入轨道，这些设备的数量之多引发了人们对卫星与太空中其他物体碰撞的担忧。在我国的天宫空间站发生两次与starlink卫星有关的碰撞未遂事件后，我国在提交给联合国外层空间事务办公室的文件中指出：美国SpaceX公司发射的星链卫星，分别于2021的7月1日和10月21日，先后两次接近我国的天宫空间站，对空间站以及站内的我国航天员造成很大威胁，为了避免碰撞事故的发生，地面控制中心不得不调整空间站的运行姿态，也就是采取了“紧急避险”方式与躲开了starlink卫星。

为了避免太空碰撞事件的发生，一方面需要对星座构型仿真，研究精确的碰撞概率的算法；另一方面需要研究低轨互联网卫星星座的动态轨迹预测技术，以对其进行实时地监测，保证其他航天器的安全。

频率协调

受制于有限的频谱资源和空间轨道资源，巨型星座系统的大量部署，必然会面临频率轨道资源紧张这一重大问题。多星共轨、多星共频的现象已在现实的卫星部署中存在，通信频带变得愈加拥挤，从而造成严重的通信干扰，甚至使系统无法使用[5,6]。由于国际上对于频谱资源的使用规则是“先到先得”，起步较早且优先掌握了频谱资源的卫星运营商便在频率使用和协调过程中占据了有利地位[7]。对于想要使用同样频段的其他国家的卫星运营商来说，如果想要发射新的卫星，必须提供新发射的卫星系统对已有卫星系统的干扰分析，确保不会对已有卫星产生有害干扰，还要提出一套切实可行的频率干扰规避方法，来应对有害干扰产生的情况。

因此，在未来低轨卫星的发展中，有必要研究有效的频率资源共用理论，同时结合卫星系统发展现实，提出在工程上实际可行的频轨资源兼容评估方法。

信息安全

低轨通信星座将实现全球范围的网络覆盖,并且由于其终端和接入费用的低廉, 将很大程度上成为偏远和不发达地区的主要通信方式。对于我国而言, 虽然现有4G等无线通信基础设施建设已较为完善, 但仍存在大量偏远不发达地区适合使用星座解决通信网络问题。

与此相对的，星座网络的使用带来的安全问题。因为星座网络不同于现有传统地面通信设施, 它不受国界限制, 难以物理隔绝, 且无法监控，这将使我国现有国家防火墙形同虚设, 对我国的信息安全构成严重威胁, 政治隐患巨大[8]。

此外，低轨卫星互联网星座系统本身就可能隐藏了军用平台和系统, 其建成后也很可能进一步牵引产生新的军事用途, 甚至直接融入军事系统中, 这也将对我国的国家安全构成严重威胁。

总    结

低轨卫星互联网星座系统是重要的空间信息基础设施，也将成为未来全球网络以及5G和6G的重要组成部分，但是其带来的威胁和安全隐患也同样不可小觑。因此，我国应快速稳健推进低轨卫星互联网系统建设，提出其带来的安全隐患应对预案，在天基网络建设方面取得先机。

参考

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[1] https://en.wikipedia.org/wiki/O3b

[2] https://en.wikipedia.org/wiki/OneWeb_satellite_constellation

[3] 梁晓莉,陈建光,姚源,郑宇文. 国外低轨卫星互联网发展现状分析.

[4] 王艳峰、谷林海、刘鸿鹏. 低轨卫星移动通信现状与未来发展.

[5] 韩锐,石会鹏,李伟,刘珊杉,梁骁.我国Ka频段卫星固定业务系统间干扰特性分析研究.

[6] 靳瑾,李娅强,张晨,匡麟玲,晏坚.全球动态场景下非静止轨道通信星座干扰发生概率和系统可用性.

[7] 尹浩.军民融合建设国家空间信息网络.

[8] 赵秋艳, 胡朝斌, 陈川,等. 低轨大规模星座的机遇与挑战.

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作者：仇昭花  中国科学院信息工程研究所

责编：蔡北平

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