当前,信息网络技术持续进步,已经成为创新驱动发展的先导力量,对政治、军事、经济、文化等领域产生深远影响,驱动着社会体系的变革和重塑。作为支撑社会发展的重要信息基础设施,地面信息网络天基信息网络长久以来独立发展,局限性日益凸显,难以满足全球网络全域覆盖、安全自主可控、各类用户灵活接入的需求。近年来,信息网络逐步融合发展,相关研究提出了天地一体化信息网络 [1~4]、基于第六代移动通信技术(6G)的空天地海一体化无线通信网络的发展愿景 [5];陆海空天一体化信息网络的技术发展思路已逐渐清晰。
陆海空天一体化信息网络是以地面网络为基础、以天基网络为延伸,覆盖太空、天空、陆地、海洋等自然空间,为天基、空基、陆基、海基等各类用户的各类活动提供信息保障的信息基础设施;相关研制建设不仅反映了一个国家的科技和经济综合实力,更是推动我国重大领域自主创新发展、满足国家战略需求、提升国家网络空间竞争力的重要支撑。
陆海空天一体化信息网络技术的研究难点在于,利用基于卫星平台的网络节点,构建覆盖全球的天基信息网络,实现陆、海、空、天各层次网络的高效深度融合。
政策、技术等多因素共振,低轨卫星建设进入爆发期。1)频轨资源的稀缺,低轨卫星频段和轨道资源的激烈争夺将成为卫星通信高效催化剂;2)中国星网自2021年成立以来,加速整合各方资源与优势攻克产业基础难题,航天科技和航天科工集团分别提出了“鸿雁”和“虹云”低轨卫星通信星座计划。国家及各省份出台相关支持政策使卫星通信产业迎来新的发展机遇;3)卫星制造、火箭发射和通信等方面的技术进步,降本增效;4)商业航天的快速发展,目前,银河航天已构建了中国首个低轨宽带星地融合通信试验系统,并完成了5G星地融合传输关键技术 验证。引入民营资本力量有助于低轨卫星建设由国家战略向民用化,带动上下游产业链共同发展,促进万亿规模市场的增长。
三大内在需求驱动低轨卫星通信快速发展。1)低轨卫星宽带通信与地面网络互补,推动偏远地区通信、海洋作业及科考宽带、航空飞机、应急救灾等场景的宽带连接;2)23年2月,工信部表示我国正在不断总结5G发展经验,通过搭建“产学研用”工作机制,全面推进6G技术研发。手机直连低轨卫星将成为6G时代NTN的新亮点和必备能力之一,在此催化下,卫星通信渗透率有望快速提升;3)终端应用卫星物联网市场规模可观,根据Berg Insight数据,2021年全球卫星物联网用户群为390万,预计2026年达到2120万,CAGR为40.3%。
1.卫星应用行业稳步发展,低轨通信卫星建设蓄势待发
1.1、通信卫星应用广泛,商用属性强
卫星按技术领域和服务方式可以分为通信卫星、遥感卫星和导航卫星。卫星通信是指利用人造地球卫星作为中继站来转发无线电波,从而实现多个地球站、航天器、空间站之间的单向或双向通信。根据UCS数据,截至2022年 4月30日,全球目前在轨卫星数量为5465颗,中国目前在轨卫星数量为541颗,其中通信卫星数量为67颗,占比达12.4%。
通信卫星按照用户群体可分为民用、军用、政府和商用通信卫星。民用涉及通讯服务、互联网接入服务等;军用通信主要运用各类通信手段进行军事信息传递,以网络形式连接各个子系统,发挥态势感知的作用;政府通信卫星主要为飞船、空间实验室、空间站等载人航天器提供数据中继和测控服务;商用通信卫星是利用商业资本以盈利为目的发射的卫星。
根据UCS官网提供的数据,我国拥有的通信卫星中,军用卫星有3颗,占比5%;民用卫星有6颗,占比9%;政府用卫星有21颗,占比31%;商业用途卫星有37颗,占比达55%。
1.2、发展历程:卫星通信系统技术与应用
国际通信卫星发展起步早,美国处于领先水平,欧洲紧随其后。1958年,美国发射了世界上第一颗通信卫星“斯科尔号”。1965年,美国主导Intelsat发射了通信卫星Intelsat 1,标志着通信卫星进入实用阶段。2011年,美国 Viasat发射ViaSat-1高通量卫星,容量达到140Gbps;2017年发射的ViaSat-2容量则达到300Gbps,为世界上容量最大的卫星;正在研制中的ViaSat-3星座每颗卫星则有望提供1000Gbps的容量。欧洲方面,全球固定通信卫星 运营按业务收入规模排名,SES与Eutelsat分列第一和第三。目前SES已拥有超过66颗通信卫星。Eutelsat 2010年发射了欧洲第一颗高通量卫星KA-SAT,总容量达90Gbps。
随着互联网时代对数据的大量需求,低轨卫星系统再迎新一轮发展高潮。以OneWeb、SpaceX等为代表的低轨卫星系统与地面通信系统进行更多的互补合作、融合发展。卫星工作频段进一步提高,向着高通量方向持续发展, 卫星互联网建设逐渐步入宽带互联网时期,低轨卫星迎来产业发展新浪潮。
1.3、发展趋势:低轨化,高通量,小型化
通信卫星按照轨道高度可分为低轨卫星,中轨卫星以及地球静止轨道卫星。低轨卫星:高低轨卫星传输距离对比轨卫星是指运行在低地球轨道(轨道高度700-1500km,LEO)的卫星,中轨卫星是指运行在中地球轨道(轨道高度8000-20000km,MEO)的卫星,静止轨道是指运行在地球同步轨道(轨道高度固定35786km,GEO)的卫星。
低轨卫星星座优势明显,成为卫星通信发展新趋势。相比于地面通信,卫星星座通信可实现广域无缝隙覆盖,成本优势明显;相比于中高轨卫星,低轨卫星具有链路损耗小、发射功率小、传输时延低、频率复用更有效等优势。
根据UCS提供的数据,截至2022年5月1日,低轨卫星数量达4700颗,占比86%。我们认为,虽然低轨卫星需要通过组网实现全球覆盖,卫星数量需求多,组网和控制切换等相对复杂,但仍是最具有发展前景的卫星通信技术。
典型的低轨星座系统包括空间段、用户段和地面段3个部分。空间段由低轨卫星和星间链路组成,形成空间传输主干网络。卫星在空间中均匀排布,普遍采用均匀对称的星座构型。卫星作为空间网络的接入节点,起到天基移动基站的功能。卫星间可建立微波或激光星间链路,实现数据包中继转发。用户段包括各类用户终端、综合信息服务平台以及业务支撑系统等。用户终端也可作为接入点(AP,Access Point)建立局域网络,将通用用户设备接入网络。综合信息服务平台和业务支撑系统用于对用户业务提供支撑和 应用层高级服务。地面段包括信关站、综合运控管理系统以及连接地面核心网的基础设施。信关站起到连接卫星网络和地面网络的网关功能。综合运控管理系统包括网络、星座、数据、运营、数据等管理系统以及卫星测控站等,对全网进行综合管理和监控。
1.4、产业链:制造/发射/运营服务/应用
卫星通信网络建设率先发展,价值量集中在应用侧。根据卫星应用期刊援引美国卫星产业协会(SIA)的数据,2021年全球卫星产业收入为2790亿美元,卫星服务、地面设备属于卫星通信应用侧,其中卫星服务业收入1183亿美元,地面设备制造收入1420亿美元,合计占比达93%。我们认为,得益于组网前期卫星发射增量需求,产业链上游的卫星通信网络建设(卫星制造+火箭发射+地面设备)将率先受益。随着组网的成熟,下游应用需求释放,产业链价值重心将逐渐向运营服务及终端应用转移。削减我国卫星制造和发射成本迫在眉睫,运营服务市场集中度高。
1)卫星制造:根据立鼎产业研究网援引《2018中 国商业航天产业投资报告》的数据披露,我国卫星批产后预期制造成本为429万美元/颗。作为对比,根据立鼎产业研究网援引SpaceX CEO马斯克和COO格温·肖特维尔提供的信息,StarLink单颗卫星的制造成本已经远低于50万美元。
2)卫星发射:我国最具商业优势之一的快舟一号甲火箭卫星发射成本为1万美元/kg,美国猎鹰9号单颗发射成本仅为我国的1/24,产业链各环节成本的较大差距对该行业提出更为紧迫的发展要求。
3)运营服务:目前,我国卫星通信运营商包括中国卫通、中国电信、中国联通等,由于资质许可等原因,行业垄断显著,竞争格局较稳定。
1.5、卫星发射数量稳步增长,市场空间较大。
卫星通信行业快速发展,市场空间较大。根据前瞻产业研究院援引美国卫星产业协会(SIA)数据,2021年,全球在轨运行卫星中,通信卫星市场规模占比达到65%。经测算,2021年全球卫星通信行业市场规模约为1816亿美元,同比增长24.28%,2017-2021年市场规模复合增速达11.98%。根据中商产业研究院数据,2019年,我国卫星通信市场规模约为682亿元,2020年我国卫星通信市场规模达到723亿元,预计2023年我国卫星通信市场规模将超过900亿元。2021年,我国卫星通信市场细分领域大众消费通信服务 市场规模为614.9亿元,卫星固定通信服务市场规模为113亿元,卫星移动通信服务市场规模为29.8亿元。
陆海空天一体化信息网络的需求分析
我国信息产业及其基础研究发展迅速,但“地强天弱”“内强外弱”等问题仍然存在。当前,天基信息网络主要服务于我国境内地域,境外地面网络因缺少安全可控条件而无法支撑外交、应急等方面的应用需求,因此建设陆海空天一体化信息网络,是应对国内国际复杂形势的重要信息基础保障。在民用领域,陆海空天一体化信息网络需要满足电子政务、能源水利、生产制造、海洋经济、交通运输、证券金融、教育科研、文化旅游、远程医疗等行业应用与公众应用需求。
(一)全球覆盖及地月空间延展能力
随着我国经济发展和综合实力增强,国家战略利益显著外延,需要在外交、应急等方面具备全球活动能力。就信息网络而言,需要将保障范围从传统的国土及周边地区向全球扩展,将保障对象从传统的陆地用户拓宽至海上、空基、天基等用户;还需进一步为月球和深空探索提供信息服务能力。
(二)重点和热点区域的多重覆盖能力
为满足我国在重点区域的发展与战略部署需求,信息网络应尽快覆盖东亚、南亚、“一带一路”沿线国家 / 区域、北极地区。对于热点区域,如南海地区,需要具备多重覆盖能力、按需增强保障能力。相较于全球覆盖的其他区域,重点和热点区域的信息网络应具食更强的覆盖能力、更多的服务用户数量、更高的数据传输带宽、更好的语音通信质量。
(三)一体化组网能力
陆海空天一体化信息网络需要保障关键用户在全球任何位置、任何时刻的通信需求,需要具备空间组网能力以实现全球随遇接入与境外信息有效回传;需要具备用户终端的多网接入能力,支持网络用户接入地面互联网和移动互联网服务,支持移动和宽带服务互通。
(四)空间骨干传输能力
地面骨干网络对境外、偏远地区、海域、空域的延展性有限,需要具备空间骨干传输能力。目前,我国民用领域的网络用户主要来自交通运输、水利、农业、地方政府、驻外企业 / 媒体、大众商业等;预计到 2025 年,公众用户约为 1×107 个,行业用户约为 3×106 个,空间骨干网络传输需求约为300 Gbps;预计到 2030 年,公众用户约为 3×107 个,行业用户约为 4×106 个,空间骨干网络传输需求约为 1 Tbps。空间骨干传输能力与地面骨干网络同步演进并协同发展,才能满足快速增长的民用需求。
(五)终端多样化能力
为适应多种场景需求,陆海空天一体化信息网络需要配置手持、嵌入式、台式等多样化的终端。手持终端应支持多种通信制式,具备导航定位、语音通信、信息传输功能,可作为灾害应急处理场景的主要应用终端。嵌入式终端一般用于提供天基物联网服务的海洋浮标、集装箱监控单元等,需具有多制式、小型化、低功耗特征。台式终端分为固定、车载、舰载、机载等类型,需具有语音通信、数据通信、视频图像传输等功能;作为网络节点将地面局域网接入天基网络,提供远程数据回传和宽带多媒体业务。
2、政策、技术等多因素共振,通信卫星迎来黄金发展期
2.1、频谱与轨道资源紧张,卫星产业战略价值凸显
卫星频轨资源具有重要的战略与商业价值,太空圈地运动推动低轨卫星加速建设。基于国际电信联盟(ITU)《无线电规则》“在有效时限内先占先得”的分配原则,运营商申请并获得频率和轨道位臵使用权后,需保证7年内投入运营。我们认为,为“占频保轨”,参与各方势必加速卫星发射进程,锁定卫星频轨资源,竞争将愈加激烈,低轨卫星频段和轨道资源的激烈争夺将成为卫星通信高效催化剂。
频段资源是空间业务的基础。经过多年的发展,能够单独使用、实现全球覆盖的L、S、C频段几乎被分配殆尽,目前广泛使用的Ku、Ka频段同样是同步轨道卫星的主用频段,星座之间需要留出一定频率间隔防止相互干扰,协调难度大。目前C、Ka频段面临5G网络的激烈争夺,EHF(Q/V/W)频段也已被巨头企业提前布局。轨道位臵资源有限,各国进入抢占轨道的关键阶段。根据赛迪顾问《中国卫星互联网产业发展研究白皮书》中的数据,目前轨道高度为400-2000公里的近地轨道可容纳约6万颗卫星,预计到2029年,地球近地轨道将部署约5.7万颗低轨卫星,轨位可用空间将所剩无几。
国外典型低轨卫星星座建设计划。SpaceX部署的Starlink星座计划第46批53颗“星链”卫星已于2022年5月14日成功发射。按照计划,StarLink分为三步,最终将基于由4.2万颗卫星组建的LEO星座系统向全球提供低延时宽带连接。英国通信公司Oneweb推出Oneweb星座计划,计划发射约650颗LEO卫星与1280颗MEO卫星,2022年初步建成低轨卫星系统,并于2027年实现全球覆盖。
国内主要低轨卫星星座建设计划。我们认为,我国近地轨道卫星星座计划虽起步较晚,但发展后势强劲。“GW” 星座计划发射1.3万颗卫星,“十三五”期间,中国航天科技和中国航天科工两大央企集团分别提出了“鸿雁星座” 和“虹云工程”低轨卫星互联网计划,此外还有时空道宇、银河航天等民营资本加入。
2.2、政策赋能,中国星网统筹规划卫星互联网建设
中国星网成立,专门负责统筹空间互联网建设的规划与运营。2021年4月22日,中国卫星网络集团有限公司在河北雄安新区成立,注册资本100亿元,由国务院国资委100%控股。中国星网的成立不仅是中国卫星通信、卫星应 用产业的又一个里程碑,也是航天产业对国家新型基础设施建设的响应和落定。
中国星网不断完善产业布局,加速卫星通信全面发展。自成立以来,中国星网陆续成立了中国星网网络系统研究院、中国星网共享服务有限公司、中国星网网络创新研究院、中国星网网络应用研究院,并直接控股中国星网网络应用有限公司,间接控股重庆星网网络系统研究院、上海卫星互联网研究院。此外,2021年12月,中国星网拟投资15.8亿元用于总部大楼建设。
2.3、技术发展日趋成熟,利好低轨卫星建设
技术进步具体体现在卫星制造、火箭发射和通信等方面,降本增效,利好低轨卫星星座建设。火箭发射技术进步:马斯克“星链”的颠覆性创新是火箭可回收技术,且一箭多星,可以低成本将上万颗卫星送到轨道平面。
集成电路和卫星制造技术进步:一是使卫星小型化、模块化和组件化成为可能,也为卫星的批量化、规模化制造提供了可能,有效降低卫星的研制和发射成本,生产周期大大缩短(1年左右)。二是增强了卫星的星上处理能力,降低叠加噪声,提升通信质量和组网灵活性。三是在提升终端性能的同时减少终端的体积、 功耗和成本,使终端小型化取得长足进步。
通信技术进步:先进的调制与编码、多天线波束成形及复杂的频率复用等技术可以提升卫星通信的系统性能;5G陆地移动通信的大规模多天线和波束成形技术的进步可用于卫星通信;基于毫米波、太赫兹、可见光通信的星际链路等逐渐成熟,可以实现卫星间大带宽直接组网,减少了地面信关站的数量,消除了地面与空中的多跳问题,降低了通信时延。
2.4、民营资本推动产业规模部署,军商跨界加速整合
民营资本涌入,商业航天迎来万亿规模蓝海。2020年4月,国家发改委首次明确“新基建”范围,将卫星互联网纳入通信网络基础设施的范围,积极引导民营资本进入商业航天领域。
2022年,“鸿雁”、“虹云”、“银河航天”等星座建设已完成初步部署,其中民营企业推动的“银河Galaxy”计划总共发射2800颗低轨互联网卫星,预计到2025年前发射约1000颗卫星,首颗试验星已于2020年1月发射成功,技术指标和通信能力国际领先。按照向ITU申报的计划,2022-2024年将是中国低轨卫星发射的集中窗口期,预估到2027年低轨卫星总规模达到3900多颗,至2030年有望突破6000颗。实现整体卫星通信系统综合一体化,军商跨界整合加速。
2022年12月,SpaceX公司正式发布了名为“星盾”的卫星互联网星座项目以提前布局国家安全业务,提供对地观测、卫星通信安全服务以及高度加密资讯负载。我们认为,该项目的推出表明商用卫星和运营商的参与度加深,军商跨界整合加速。
卫星通信与地面通信互补合作,融合发展,实现全区域无缝覆盖。传统地面通信骨干网在海洋、沙漠及山区偏远地区等苛刻环境下铺设难度大且运营成本高,通过部署传统通信骨干网络在互联网渗透率低的区域进行延伸普及存在现实障碍。
根据ITU数据,2021年全球约有66%人口使用互联网,但仍有27亿人无法上网。建设卫星互联网,利用卫星作为基站的传输中继是解决地球“无互联网”人口数字鸿沟问题的重要手段,是实现网络信息地域连续覆盖普惠共享的有效补充。其中,低轨卫星通信核心商业应用场景主要包括偏远地区通信、海洋作业及科考宽带、航空宽带和灾难应急通信等。
3.2、应用升级:紧急通信/5G融合/6G融合
手机作为消费型终端率先支持卫星通信功能,在此催化下,卫星通信渗透率有望快速提升。华为Mate50系列支持北斗卫星通信,可在荒漠无人区等无地面网络信号覆盖的情景下,通过卫星通信发出求助信号,并基于位臵信息形成轨迹地图;iPhone14系列在没有蜂窝网络和无线局域网信号时,可通过卫星发送SOS紧急联络并搭配 “查找”App进行户外定位。受限于卫星通信自身物理特性和当前技术的局限性,两者目前只能支持部分卫星通信功能,而且使用地域、发送内容和对象都有限制。华为Mate50“可发,不能收” 。iPhone14“可发,也可收”,但不能定向发给个人。我们认为,尽管短期以实现短报文或双向延迟短信和应急语音为主,后续在技术升级及应用升级下有望拓宽应用范围。
随着5G技术标准制定完成和商用启动,5G的先进技术和成熟的规模产业将对我国发展基于5G的低轨卫星通信产业大有裨益。卫星通信和5G的差异性,决定了其关系是互补而非替代。国际电信联盟ITU定义了5G的三大 场景:增强移动宽带(eMBB)、大规模机器类通信(mMTC)、低时延高可靠(uRLLC)。其中,在增强移动宽带场景下,卫星通信的优势在于向偏远地区的住户、空中的飞机乘客、海洋与大湖中船舶的船员和乘客、穿越荒漠的火车乘客、野外科考者等提供Wi-Fi接入或便携卫星终端通信的服务;在大规模机器类通信场景下, 针对沙漠与海洋等油井和天然气井、货运与交通长距离监测跟踪等行业应用场景,低轨卫星具有全球覆盖和成本比较优势。我国在卫星通信与5G兼容的前期探索,将为未来的6G有机融合高中低轨卫星通信与地面移动通信发展打下坚实的基础。卫星通信链路性能仅达3G水平,与5G尚存在一定差距。对比三个系统(Telesat、OneWeb、SpaceX)的用户下行链路性能,可以看出SpaceX下行链路平均频谱效率为2.7bit/s/HZ,只达到3G水平,而5G的下行链路平均频谱效率是10bit/s/HZ以上。
低轨卫星通信与5G的关系是互补而非替代。从通信系统角度分析低轨卫星通信的频率与轨道资源、系统容量、 建设和运维成本等,若其要服务全球网民还差距太大,与5G的关系只能是互补而非替代。卫星通信是6G时代的重要角色。6G,即第六代移动通信技术。根据IMT2030(6G)工作组《6G总体愿景与潜在 关键技术白皮书》,6G将在2030年实现商用,实现从万物互联到万物智联的跃迁。通过将卫星通信整合到6G移动通信,可实现全球无缝覆盖。与前五代移动通信以地面通信为主不同,6G时代卫星网络将承担重要角色。中国信科集团副总经理陈山枝提出了6G出现的两个标志:从需求的角度来看,6G要支持数字孪生、万物互联,特别是万物互联将涉及广域覆盖的问题。但目前全球现有的移动通信网络仅覆盖陆地20%、地球表面积6%,这是由技术经济学决定的。因此,通过卫星通信与地面移动通信融合发展,应用卫星对海洋、森林、沙漠、偏远地区进行覆盖,实现星地海融合的全球广域覆盖,这是6G的标志之一。我国已开始全面推进6G发展。2019年6月,IMT2030(6G)工作组由工信部推动成立。23年3月,工信部部长金壮龙在第十四届全国人民代表大会第一次会议“部长通道”中表示,我国正在不断总结5G发展经验,组建IMT2030(6G)工作组,并已经开展工作。工信部将搭建“产学研用”工作机制,加强国际合作和交流,加大核心技术攻关,全面推进6G技术研发。
3.3、终端升级:卫星物联网
卫星物联网,指各类信息感知设备通过卫星与互联网连接起来的网络。相较于传统地面网络,卫星物联网具有低带宽、低功耗、大数量级、广覆盖、低频率、不受自然条件影响的优势。相比卫星通讯,卫星物联网对通信时延 有较高的容忍度。卫星物联网可以对地面网络不存在的地方提供服务。例如,对穿越太平洋的货物集装箱上配备的跟踪设备,监控该集装箱的唯一方法是通过卫星。另外,卫星物联网也适合于虽然存在地面基础设施覆盖,但必须跨越多个网络的情况,比如卡车运输等物流领域。卫星物联网在智能制造、智能零售、智慧农业、智慧安防、 智慧城市、智能家居、智慧医疗等场景都能发挥重大作用。卫星物联网发展前景广阔,市场规模可观。根据Berg Insight数据,全球卫星物联网用户群2021年为390万,预计2026年达到2120万,CAGR为40.3%。麦肯锡预测2025年卫星物联网行业规模可达5600~8500亿美元。只有约10%的地球表面可以使用地面连接服务,这为卫星物联网留下了较大的机会。
陆海空天一体化信息网络的发展现状
(一)国外发展现状
21 世纪以来,发达国家积极布局一体化信息网络建设规划,争夺网络制天、制空、制海权,推进天基网络与地面互联网络、移动通信网络融合。目前已经形成包括同步轨道和低轨星座在内的多个天基网络 [6](见表 1);不同系统的定位和服务用户各有侧重,既有民用系统如星链(Starlink)、一网(OneWeb),军用系统如先进极高频卫星通信系统(AEHF),也有融合共用系统如第二代铱星系统(Iridium Next)。
1. 信息传输
星间链路技术趋于成熟,容量不断提升,如Ka 频段链路已经成熟,激光链路进入试验阶段。发达国家致力于发展陆海空天一体化的空间信息系统。例如,美国强化星间链路和星上路由 / 交换能力,构建基于空间多星组网的太空通信网络,建设完整的全球信息栅格。基于空间组网的宽带卫星通信技术是陆海空天一体化信息网络发展的重要环节,对提升宽带卫星通信系统的通信容量、覆盖能力、系统抗毁生存能力具有重要意义。宽带卫星通信系统逐步向 Ka 频段多波束方向发展,并通过频率多重复用、极化复用等技术,提高系统的可用带宽和容量。
2. 网络架构
广泛采用的网络架构主要有天星地网、天基网络、天网地网等类型。天星地网架构技术比较成熟,应用广泛,但不适合在我国应用。天基网络架构在安全性、抗毁性、独立性方面有优势,但因脱离地面独立运行,提高了对星上处理和星间信息传输能力的要求,且技术复杂程度高、系统建设和维护成本高,难以在商业层面全面推广应用。天网地网架构通过天、地网络的配合,充分利用天基网络的广域覆盖能力和地面网络的强大传输与处理能力,降低了整个系统的技术复杂度和成本。
3. 业务分类
当前,空间业务朝着采用 IP 方式承载方向发展,单系统呈现出从单业务的到多业务发展趋势。宽带全球卫星(WGS)、Iridium Next 等系统的演进版本均逐渐支持多样化接入业务,构建实时通信、空间目标监视、导航定位等多种业务支持能力。天基网络和地面网络提供的服务业务也趋于同步。
(二)国内发展现状
我国正处于推进天基信息网、未来互联网、移动通信网全面融合发展的初级阶段。2016 年,天地一体化信息网络重大项目列入国家“十三五”规划纲要和《“十三五”国家科技创新规划》;2020 年,卫星互联网确定为“新型基础设施建设”的信息基础设施之一。科研院所和相关企业大力发展低轨小卫星星座,如鸿雁星座、虹云工程等,相关试验卫星已完成在轨关键技术验证。在积极发展天基网络的同时,我国继续发展新一代高通量通信卫星,先后发射了“实践十三号”“亚太 6D”以及新技术体制试验卫星“实践二十号”;高通量通信卫星对地覆盖范围越来越完善,通信容量越来越大,逐步成为我国地面网络基础设施的重要拓展形式。相关天基信息系统的基本情况如表 2 所示。
04
网络的发展差距分析
(一)单颗卫星容量相对较小
卫星容量是卫星通信服务质量的重要指标,决定了卫星服务用户的数量和单用户的通信能力。“亚太 6D”卫星容量为 50 Gbps,是“实践十三号”卫星的 2.5 倍,但与美国同类卫星相比仍然差距明显。美国 ViaSat-2 宽带卫星的容量为300 Gbps,是“亚太 6D”卫星的 6 倍(体积和重量也是“亚太 6D”卫星的数倍)。美国拟在 2022 年发射的 ViaSat-3 卫星,容量将进一步提升至 1 Tbps。
(二)空间激光通信技术尚无工程化应用
空间激光通信具有丰富的带宽资源、较窄的波束发散、较低的载荷质量和功耗,是实现卫星节点间、卫星与地面节点间大容量传输的重要手段 [9]。近年来,我国空间激光通信技术取得长足进展,已实现高轨对地 5 Gbps 通信速率试验,达到国际一流水平;但在轨工程化应用时,出现链路无法连通、放大器烧毁、传输速率不达标等诸多问题,尚未达到长时间稳定使用状态。德国欧洲数据中继系统(EDRS)卫星在 2016 年实现了高低轨间星间激光通信的工程化应用,通信速率为 1.8 Gbps,至今仍正常工作 [10]。
(三)卫星生产制造和批量部署能力差距明显
在轨卫星数量是制约陆海空天一体化信息网络能力的重要因素。美国自 20 世纪 90 年代开始部署运营“铱星”“全球星”等星座,当前正在规模化建设 Starlink 星座,而我国尚未有大规模星座的工程建设与运营经验。Starlink 等新兴卫星互联网项目采用互联网思维,借鉴汽车制造理念,大幅降低生产成本,提高卫星制造能力;卫星的周产量可达16 颗,每颗小卫星成本降低至 50 万美元。反观我国,通信卫星仍采用传统工程研制模式,即使技术成熟后也需要两年的整星研制周期,不具备快速大规模的部署能力。
(四)天基网络体系化不足且融合难度大
我国现有的通信卫星、中继卫星,正在建设的宽带星座等均独立发展,尚未形成统一的标准体系,各系统技术体制不同,难以实现不同网络用户间的高效通联。天基信息网络与地面网络发展不均衡,难以形成“一张网”,陆海空天一体化需要深度融合发展。对比之下,美国提出以 TSAT 系统为基础来融合 AEHF 和地面栅格网等项目的规划;欧洲提出构建融合的 ISICOM 信息基础设施构想并启动先期工作。2018 年,国际电信联盟(ITU)成立了网络 2030 焦点组,将卫星接入作为未来网络的特征之一;2019 年,电气与电子工程师协会(IEEE)召开第一届全球 6G 无线峰会,促使空天地一体化立体网络覆盖成为学术与工程界的普遍共识。
05
陆海空天一体化信息网络的基础架构
我国迫切需要构建“全球覆盖、安全可控”的信息网络,然而限于基本国情,无法采用天星地网架构,通过全球建站的方式实现信息落地与交互。因此,陆海空天一体化信息网络宜采用天网地网的网络结构,主要包括核心层、接入层、用户侧(见图 1)。
(一)核心层
陆海空天一体化信息网络核心层采用天地双骨干架构。地基部分由传统地面核心网(如地面光纤网、海底光缆网等)和卫星地面站网组成,即地基卫星地面网和传统核心网融合骨干网(简称“地骨干”),是整个网络的核心部分,主要实现网络控制、资源管理、协议转换、信息处理、融合共享等功能,负责整个网络的管理控制和运行。天基部分指由高轨星座、中轨星座和低轨星座组成的天基高中低轨混合骨干网(简称“天骨干”),具备一定的接入控制、用户管理、信息处理及业务承载能力,提供宽带接入、骨干互联、中继传输、天基测管控等多种业务,也可拓展提供导航增强、星基监视等业务。陆海空天一体化信息网络的网络空间范围极大,涵盖海底、海面、陆地、空中、近地空间、地球空间、地月空间、深空,相应用户种类多样。采用天地双骨干构建核心层,建设“天地一张网”,发挥天地网络的互补优势,形成网络架构一体设计、频率资源协调使用、业务应用无缝融合、用户服务协同保障的一体化信息网络核心层,有效提升用户接入能力和异构网络融合能力,优化系统服务效能。
(二)接入层
陆海空天一体化信息网络接入层是核心层的拓展,负责用户的接入,包括地月空间延展网、天基无线专用网、空基无线专用网、海基无线专用网、地面局域网、移动通信接入网。①地月空间延展网是为提供地月空间信息服务而进行的拓展延伸,构建全天时、大尺度、宽带高速的地月空间通信网络,提供全天时不间断通信保障,实现地月间信息的高效可靠交互;②天基无线专用网由多颗卫星或星座组网构成,作为核心层的用户网络来承接其他各类用户的接入;③空基无线专用网通常由飞机、临近空间飞艇、无人机等组网构成,作为核心层的用户网络来承接其他各类用户的接入;④海基无线专用网通常由各类水面舰艇、水上浮台等组网构成,作为核心层的用户网络来承接其他各类用户的接入;⑤地面局域网与地骨干中的传统地面核心网、地面用户结合,即当前所使用的地面互联网;⑥移动通信接入网与地骨干中的传统地面核心网、地面用户结合,即当前所使用的地面移动网。
(三)用户侧
陆海空天一体化信息网络的天地双骨干架构、地月空间延展网等各类接入层网络,主要面向政府、军队、企业等领域开展应用,按照“网络拓展、服务延伸”思路,将传输组网、应用服务、安全防护、运维管控等功能向用户端延伸并与用户应用集成,形成满足地面、海基、空基、天基等不同用户需求的应用系统。
发展建议
(一)强化网络架构、技术体制、应用服务支撑体系的深度融合
①在网络架构融合方面,建议打破传统卫星和地面网络各自封闭发展的局面,从逻辑功能、功能部署、协同服务 3 个维度设计一体化多维融合的共用网络,使网络系统组件趋于通用化、接口趋于标准化、运营趋于集中化。②在技术体制融合方面,建议采用统一的核心网支持天基互联网、地面移动通信网的共管共享机制,借鉴 5G 接入网架构设计,按照软件定义、高低轨统一的思路来设计可变参数集的一体化空口接入技术体制。③在应用服务支撑体系融合方面,建议采用云网融合的设计思路,部署天基信息港、轻量化天基边缘计算平台,实现在轨云边协同处理;与地面信息港融合,为各垂直行业及融合应用提供能力开放、扁平高效、广域时敏的应用服务支撑平台。
(二)推进通信、导航、遥感等系统融合,建立综合化服务的空间信息网络
多种空间服务能力的融合应用,有助于提升对全球突发事件应急处置能力,促进天基信息商业化服务产业的发展,这是支撑我国实现制信息权的基础。建议以“一星多用、多星组网、多网融合、实时服务”为目标,通过跨系列、跨星座卫星的组网及与地面网络深度融合的方式,基于科学合理、按需服务的任务规划及多中心协同服务的模式,提供多类型、高质量、稳定可靠、规模化的空间数据、通信、导航、遥感等综合服务,支撑各行业的综合应用。
(三)推动天基网络技术自主可控和高端产业升级
陆海空天一体化信息网络是我国避免受制于人,实现网络强国的重要基础设施之一,应确保其设计、研制、建设、运营过程的自主可控。建议合理保持对天基交通信息管理、感知网络、空间通信等领域标准体系自主研发、基础器部件研制与产业化的投入,尽快改变标准靠国外、技术靠引进、产业受制约的现状;提高相关应用领域的国产化替代水平,通过产品替代升级拉动内需,促进国民经济的循环发展。
(四)加强系统安全防护能力建设
陆海空天一体化信息网络具有节点暴露、信道开放、异构网络互连、拓扑高度动态变化、星上处理能力受限等特点,加之与互联网进行融合,易受外部网络攻击,特别在测控链路、星地组网、应用服务系统、信息监管方面存在安全隐患。建议按照“体系弹性、安全内生、动态赋能”的思路,强化通信与安全防护一体化融合设计;采用新型抗干扰波形、频谱认知无线电、组网认证与接入鉴权、多安全等级的差异化网络安全互联与隔离、安全防护设备动态重构等技术,确保融合网络的安全可靠。
报告节选:
原文始发于微信公众号(太空安全):低轨通信卫星构建空天陆海信息一体化网络
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