卫星互联网如何将“基站”搬到太空？

导读：7月初，中国首架高速卫星互联网飞机完成了首航，利用一颗高吞吐量卫星在1万米高空以100多兆的速度完成了组网，实现了平稳的空中直播。早在今年4月，卫星互联网就被明确纳入新基础设

7月初，中国首架高速卫星互联网飞机完成了首航，利用一颗高吞吐量卫星在1万米高空以100多兆的速度完成了组网，实现了平稳的空中直播。早在今年4月，卫星互联网就被明确纳入新基础设施的范围。作为新一代信息技术演进所产生的信息基础设施，卫星互联网的蓝图正从构想到启动网络化逐步成为现实。

卫星互联网示意图

照片由中国航天科工集团第二研究院提供

什么是卫星互联网？

以卫星为接入手段的互联网宽带服务模式

“卫星互联网主要是指以卫星为接入手段的互联网宽带服务模式，属于新基础设施中的信息基础设施。”中国航天科工集团“红云工程”总设计师向凯恒表示，目前，更多的卫星互联网是指由低轨卫星实现的低轨宽带卫星互联网。与高轨道卫星相比，它具有低时延和易于全球覆盖的特点。

中国航天科技五院全球低轨卫星移动通信与空间互联网系统中心副主任黄华表示，地面网络依赖于基站通信，而卫星互联网基于卫星通信技术接入互联网，就像将地面基站移动到太空，每颗卫星就是一个移动基站。

根据通信卫星轨道的不同，卫星互联网可分为高轨道和低轨道。

高轨道卫星的轨道距离地面约36000公里，也称为地球静止轨道。虽然它们都在高速运动，但卫星在这个轨道上的轨道周期与地球自转周期是严格一致的，它相对于地面保持“静止”，其覆盖区域也是固定的，因此建立通信服务相对容易。有了这个特点，宽带通信就可以通过高轨道卫星来实现，所需的卫星数量也不会太多。然而，高轨道卫星互联网也有天然的局限性。地球半径只有6378公里长，利用高轨道卫星实现通信服务相当于从地球表面向36000公里以外发送信号，而且时间延迟不小，再加上信号处理等过程。一般呼叫或访问网页是可以接受的，但实时性要求高的应用，如在线游戏和无人机遥控，不能满足需求。此外，接收高轨道卫星信号的地面终端必须做得相对较大，以便很好地接收这种远距离信号。

因此，人们关注500-2000公里内的近地轨道。在该轨道上，地面与卫星之间的通信传输延迟达到毫秒级，足以满足车辆联网、自动驾驶等需求。接收终端可以是手持的，并且可以被智能电话访问。

"卫星互联网的兴起是由需求和技术的可能性推动的."黄华表示，卫星互联网纳入新的基础设施，反映了数字化和信息化带来的需求。随着空间和通信技术的发展，提供这种服务是可能的。

专家认为，从发展趋势来看，数字化和信息化深刻地改变了人们的生活，手机用户希望随时随地连接到互联网。虽然地面网络得到了发展，但在许多特定情况下，地面网络覆盖成本太高，而且很难收回成本。相关数据还显示，世界上仍有35亿人无法上网，7亿人没有通信服务。因此，将“基站”部署到近地空间是一种选择。此外，与20世纪90年代的铱星和其他窄带低速卫星互联网不同，新的卫星互联网需要实现与地面类似的宽带网络服务，即低轨道宽带卫星互联网。

如何实现低轨宽带卫星互联网。以1000公里低地球轨道为例，卫星环绕地球100多分钟，数百颗卫星在这个轨道高度形成星座，实现了对整个世界的无缝覆盖。对于用户来说，虽然卫星总是在运动，但有卫星一直在头顶飞行，网络信号被始终保持稳定覆盖。

卫星互联网能做什么？

无论你是在沙漠中，在海上还是在飞机上，你都可以像在家一样享受在线体验

随着低轨宽带卫星互联网概念的兴起，近年来，世界上出现了相应的计划，如卫星链和OneWeb。

在中国，2018年12月22日，“红云工程”的第一颗卫星——技术验证卫星——进入轨道，标志着中国低轨道宽带通信卫星系统建设迈出了实质性的一步。“鸿运工程”是由中国航天科工集团公司牵头的全球低轨道宽带通信卫星系统。通过建立一个由156颗小卫星组成的卫星互联网系统，实现了全球免费接入宽带互联网的无死角。几乎与此同时，2018年12月29日，红岩星座的第一颗恒星成功发射并进入预定轨道。“红岩”星座是中国航天科技集团公司自主研发的低轨卫星通信系统。它的目标是建立一个向四面八方延伸并覆盖整个太空世界的信息渠道。计划使用60颗核心骨干卫星和数百颗宽带通信卫星组成一个系统，实现世界任何地方的互联网接入。

“红云工程”技术验证卫星于2019年发射入轨后，完成了不同天气条件、不同业务场景等各种工况下的所有功能和性能测试。测试人员通过卫星用户终端接入互联网，成功实现了网络浏览、微信发送、电子商务购物、视频聊天、高清视频点播等典型互联网服务。，也可以正常使用短视频应用。在轨卫星测量的各项功能和指标均满足要求，甚至超出预期。这个实验星的用户体验率超过10兆字节。

“系统完成后，无论是在沙漠、海洋还是飞机上，我们都可以享受到与在家一样的互联网速度和服务体验。”向凯恒表示，卫星互联网可以实现随时随地的互联网接入，特别是在传统移动通信无法到达的偏远地区，如山区、沙漠、深海和海洋。

黄华认为，虽然卫星互联网的最大速度无法与地面光纤相比，但实际用户体验不会有太大不同。卫星互联网和地面网络如5G网络将是互补的。在大城市和其他地面通信发达的地区，人们优先使用地面网络。然而，卫星互联网更适合用于地面网络无法到达的地区，包括南极和北极的科学研究和户外探险。卫星互联网可以满足信息基础设施差的地方的需要，填补信息空白，使网络连接成为可能和方便。

卫星互联网提供的服务不仅限于宽带，还包括可提高定位和定时精度的导航增强功能，以及可跟踪航空、导航和远洋货物的物联网。如“鸿运工程”是一个通信、导航、遥感一体化系统，能够满足应急通信、传感器数据采集、工业物联网、无人设备远程控制等实时性要求高的应用需求。“红岩”星座是一个宽而窄的系统。用户可以使用手持终端打电话、上网和使用导航增强功能。

北京九天MSI发展有限公司CEO谢涛认为，通过与5G、工业互联网、物联网和大数据的紧密结合，卫星互联网未来的应用场景将非常丰富。卫星互联网更像是一个空间平台，承载5G负载，可以满足宽带通信；遥感可以用照相机来实现；结合导航增强，它可以支持自动驾驶。

如何充分利用卫星网络？

关键核心技术应得到解决，工业发展应实现良性循环

目前，商业航空航天发展迅速。作为卫星通信和互联网相结合的产物，卫星互联网，尤其是低轨宽带卫星互联网，为展望的业务绘制了蓝图。然而，构建系统并将其投入实际使用并不容易，尤其是要给用户一个良好的体验。

“虽然我们对卫星和通信技术有一定的了解，但卫星互联网的建设并不困难，不可能一蹴而就，需要进一步创新。”黄华说道。

与相对静止且易于“捕获”的高轨道卫星相比，低轨道卫星以每秒7公里以上的高速绕地球旋转。这种快速移动引起的卫星信号的频率变化和动态切换与地面网络的频率变化和动态切换有很大不同。为了防止网络中断，给用户一个良好的体验，需要解决许多关键的核心技术。此外，为了降低地面维护的成本，有必要让轨道上成千上万颗卫星通过智能自主运行，这也应该通过技术创新来实现。

除了解决技术问题，专家们认为，真正使用卫星互联网的关键在于被公众所接受、易于使用和负担得起。这要求卫星网络的低成本和地面终端的低成本和小型化。“例如，通过大规模生产，卫星互联网的卫星将更便宜；通过技术研究，芯片变得越来越小，天线也从“一块砖”变成了“一块瓦”

谢涛认为，卫星互联网是一个复杂的系统，对系统设计、技术路线选择、产业支撑等都有很高的要求。在设计之初，有必要考虑成本、工业成熟度、地面条件和实际应用要求等综合因素。“卫星互联网融入新的基础设施，为行业的快速发展注入了信心和活力，推动产业链提供更具成本效益的卫星、负载和地面终端产品，使整个产业链能够降低成本。”

向凯恒表示，一方面，随着低轨宽带卫星互联网应用的不断扩大，通信容量将继续扩大。规模越来越大，成本将继续下降；另一方面，通过 ********* 引导、市场实践、资源整合、降低成本以及通过工业化和商业化提高效率，形成产业发展的良性循环。

专家预测，普通用户可能需要几年时间才能像手机一样使用卫星互联网。