五分钟技术趣谈 | 从“星链”看我国卫星互联网的发展

卫星互联网作为地面移动基站和光纤网络的有效补充，可以覆盖传统通信难以触及的地域和场景，是未来6G体系中构建空天地海一体化网络的关键环节；2020年，我国从政策层面首次将卫星互联网列入“新基建”中的通信网络信息基础设施，明确其重大战略意义；2022年“星链”系统在某战场指挥体系中发挥了重要作用，再次印证了卫星互联网的发展迫在眉睫。

Part 01●  “星链”系统  ●

卫星互联网的发展从上世纪80年开始，历经三个主要阶段：2000年前，主要是窄带通信，以低速语音业务为主；2000至2014年，同样是窄带通信，具备低速话音和数据业务；2014年以后，主要是宽带互联网，主要特点是高速率、低时延和海量数据，比较代表性的星座就是美国的“星链”系统。

“星链”系统是美国SpaceX公司于2015年开始启动的卫星互联网项目，计划于2019至2024年前部署1.2万颗、2027年前部署4.2万颗低轨道卫星[1]，组建全球最大的巨型星座网络，提供覆盖全球的高速、低时延的互联网接入，其初衷是为了在全球范围内提供网络服务，尤其是目前网络不可及的偏远地区。截至目前，“星链”已升空4600余颗卫星[2]，并已经为至少46个国家和地区提供相关服务[3]；实际测试中，其最大下载速度达到了400Mbps、最大上传速度约为18 Mbps，并且延迟只有27ms，明显优于传统卫星互联网接入服务[4]。2022年某指挥系统集成了“星链”设备，用于信息传输、情报收集和无人机控制，确保在有线网络被摧毁的情况，依然能构建内部通信网络，实现不间断指挥[5]。

Part 02●  卫星互联网资源争夺  ●

卫星互联网的构建，必须需要有一定数量的卫星才能实现。对于卫星，轨道和频段资源属于稀缺资源，国际惯例通常是“先占永得”。

对于卫星轨道，有高轨道（GEO）、中轨道（MEO）、低轨道（LEO）等等，其中，LEO轨道相比GEO、MEO轨道，虽然单星覆盖能力弱，但是通过星座组网可实现广域无缝覆盖，并且其链路损耗最小、传输时延最小（10ms以内），对终端的处理能力要求也低，更加适合未来卫星互联网的要求。“星链”系统一期星座由轨道高度550KM左右的4408颗卫星组成、二期星座由轨道高度在340KM左右的7518颗卫星组成，三期星座计划发射的3万颗卫星，都使用LEO低轨道。据推算，地球LEO轨道预计可容纳约6万颗卫星，“星链”卫星即将占用大半，这引发了航天强国之间强烈的争夺战[][6]。我国在“十三五”期间，提出了“鸿雁”、“虹云”等低轨卫星互联网计划，卫星数量仅400多颗；2021年4月，我国又成立中国星网公司，专门从事卫星互联网的设计、建设和运营，其星座计划“星网工程”预计发射12992颗低轨卫星（6080颗轨道高度500-600KM，6912颗高度1145KM），构建庞大的星座系统。

对于频段资源，卫星通信中常用的有C、KU、KA等频段：C频段多用于地球静止轨道，频率低、增益低，天线尺寸大，抗干扰能力强，传输信道稳点，目前可用资源趋于饱和；KU频段频率高，增益高，天线尺寸小，方便接收设备使用，是卫星通信的黄金频段，可用资源相对饱和；KA频段频率更高，频段带宽也大，是高速卫星通信的黄金频段，可用资源也相对饱和。“星链”系统占用的频率主要分布在KU、KA两个黄金频段上，三期星座使用更高的E频段。我国的“星网工程”在2020年9月就向国际电信联盟（ITU）递交了“GW”宽带星座计划的频率分配档案，传输频段主要分布在KA频段和频率更高的V频段。

尽管如此，我们的众多卫星互联网的星座计划目前都处于起步测试阶段，依然有一些难题尚未解决，然而资源争夺战的进展速度并未降低，航天强国都在奋起直追，因此，我们任重而道远。

Part 03●  发展启示  ●

“星链”系统作为当前全球规模最大、技术最先进的星座，虽然在通信、遥感等许多场景下发挥了很好的作用，但是也存在许多问题，值得我们借鉴启示。

一是容易对其它航天器造成威胁。“星链”系统运行以来，曾经多次发生与欧盟航天器和我国的空间站近距离接触的情况，主要原因是“星链”卫星的部署并不是“一步到位”，而是先送到极低轨道，再靠自己的动力推进到目标轨道，由于使用动力很弱的霍尔电推进技术，所以推进途中，遇到其它航天器，很难及时调整姿态。

二是低轨道导致维护成本大增。“星链”系统为了提高容量，其运行轨道从最初的1150KM，降到了550KM和340KM（600KM以下的大气中有空气），有一定运行阻力，卫星必须经常调整轨道高度；因此，虽然卫星设计寿命为7年，但实际上平均寿命仅有5年，所以“星链”部署完毕后，每年需要补充20%的卫星（约8000颗卫星），这极大增加了星座维护成本。

三是星间链路技术增加链路传输性能。“星链”卫星先后经历了多个版本：V0.9版（重量227KG）、V1.0版（重量260KG）、V1.5版（重量277KG），直至现在的V2.0版（重量1.25T）；从V1.5版开始，“星链”使用了星间激光链路，这大幅减少了对地面网络和信关站的依赖，降低了系统地面段的复杂度，同时空间段的接力传输，对信息传输损耗和时延都有很大的优化作用。

卫星互联网的发展过程中，美国始终走在国际前列，也在资源争夺上占得了很多“先机”，希望通过分析学习，获取一些我国卫星互联网发展的思考。另外，新版“星链”卫星体积的明显变大，无疑增加了其功能扩展的能力，未来的“星链”可能不再是单纯的商业通信系统，预计其未来在军事方面的应用将会越来越具有攻击性，因此，我们的卫星互联网发展刻不容缓。