盘点全球“当红”小卫星通信星座及应用前景
基于小卫星星座的
移动互联网系统及应用发展
作者 | 王晓海（空间电子信息技术研究院 空间微波技术重点实验室）
本文刊登于《卫星与网络》杂志2017年6月刊
随着智能移动终端功能日渐丰富和成本降低，互联网应用服务发展蓬勃，新形态的全球互联网业务纷纷涌现，蒸蒸日上。集语音、信息、多媒体、游戏和互联网广播及双向通信于一体的移动互联网应用服务丰富多彩，互联网对传统通信广播渠道的渗透和市场抢占趋势更加迅猛。
以多媒体通信为代表的网络新技术和新业务的出现及爆炸式增长，对互联网接入传输能力提出了更高的要求，移动互联网已成为人类文明进步和社会发展的最有力平台。建设覆盖广泛、经济实用的卫星互联网，成为世界各国为推动经济增长而大力构建的重要基础设施。
自20世纪90年代以来，小卫星星座通信系统开始受到各国广泛关注，特别是以全球无缝卫星覆盖、可手持终端和大容量为主的移动卫星通信系统发展尤为迅速。多家企业提出打造由低轨小卫星组成的卫星星座，为全球提供互联网接入服务，在短期内迅速聚集人气，引发全球强烈关注。
铱星（Iridium）系统是世界上第一个全球覆盖的无线数字通信系统，采用低轨（LEO）解决了地球静止轨道（GEO）的大延时问题，铱星全球网络是唯一能真正提供全球化非对称通信的系统，并且具有高可靠性，也是第一个采用大规模星际链路的卫星通信系统，具有复杂的星上处理能力，可为手持机用户提供全球个人移动通信服务。
铱星公司于2007年提出铱星下一代（Iridium Next）计划，第二代铱星系统具有更宽的带宽潜力，更加灵活的带宽分配，更多的增强服务和更高的数据速率，单星质量为800kg，计划于2015年开始发射，2017年完成部署。
铱星下一代卫星提供L频段1.5Mbit/s和Ka频段8Mbit/s的高速服务，采用48个L频段相控阵天线，覆盖地球表面直径达4700km，可提供蜂窝模式卫星通信。Iridium Next移动用户的最高数据速率可达128kbps，数据用户可达1.5Mbps，Ka频段固定站不低于8Mbps，Iridium Next主要瞄准IP宽带网络化和载荷能力的可扩展、可升级，这些能力使得它能够适应未来空间信息应用的复杂需求。
图1 Iridium Next卫星
全球星系统是由美国劳拉高通卫星服务公司LQSS(Loral Qualcomm Satellite Service)运营的低轨道卫星移动通信系统。
Globalstar-2于2010年开始建设，并随着2013年2月6日最后6颗星的成功发射，从而完成了由24颗卫星组成的低轨移动卫星通信星座的部署。Globalstar-2卫星质量为700kg，采用2片3联太阳能帆板，初始功率为2.2kW，末级功率为1.7kW。卫星轨道高度为1414km，轨道倾角52°。卫星采用简单、高效、可靠性强的“弯管式”转发器设计，装载多台C-S 频段和L-C 频段转发器。
Globalstar-2卫星系统除南北极以外在全球范围内可实现无缝覆盖，提供低价的卫星移动通信业务，包括话音、传真、数据、短信息、定位等；提供的服务包括一键通与广播、先进的短报文能力（MSS）、移动视频、GEO 定位、多频段与多模手机、GPS集成数据设备等。
Globalstar-2卫星系统推出了基于卫星的WiFi服务，也叫Sat-Fi。Sat-Fi路由器与卫星相连形成热点，用户直接通过智能手机安装APP连接后就能上网，可以实现话音、邮件、短消息等业务，一台Sat-Fi设备最多允许8名用户同时接入，可提供最大发射功率为100mW，有效覆盖范围为100英尺（约30.48m）。
图2 Globalstar-2卫星
轨道通信（Orbcomm）是美国轨道通信公司开发的全球非实时、低速率数据传输系统。它是目前全球第一个，也是惟一一个广域、分组交换、双向数据通信的低轨小卫星通信系统，用于短数据通信，同时兼备定位能力,使用其通信服务的企业和政府机构能够有效跟踪、监测、控制拥有的固定或流动资产。该系统主要特点是业务类型单一、费用较低，是全球唯一专门从事窄带数据通信的商业通信系统。
2008年，Orbcomm公司与内华达山脉公司（SNC）签署了一份下一代卫星星座合同，建造18颗Orbcomm Generation-2（OG2）卫星。2014年7月，第一批9颗卫星已成功发射，2015年12月，第二批11颗卫星也已成功发射，完成组网。第二代卫星系统提供了更高的吞吐量、更快的数据传输速率和先进的技术，确保用户的通信性能比以往任何时候都高效、可靠和全球性。第二代Orbcomm卫星系统可支持用户数量是第一代卫星的12倍，数据传输速率更快，传输量更大。相对于目前的OG1星座，OG2卫星星座拥有先进的通信技术，每颗OG2卫星相当于6颗OG1卫星，在高纬度地区拥有更快的数据连接和传输能力，可用邮件容量更大，同时减小了终端天线的尺寸和功耗，电池具有更强的续航能力。第二代Orbcomm卫星星座具有向下兼容性，第一代用户通信终端设备可与第二代卫星实现无缝链接。
此外，第二代Orbcomm卫星配备自动识别系统（Automatic Identification System，AIS）有效载荷，接受与报告来自配备AIS的海上船只的信号，它将在海上船只避碰、助航、搜寻、救助等各方面有着广泛应用。OG2安装的AIS载荷，可为船只提供循迹追踪。大多数陆基AIS系统仅提供有限的岸基覆盖，因此在追踪和监视船只时不能实现全球性、开放性的覆盖，轨道通信系统克服了这个问题，利用其独特的卫星AIS数据服务，可以监控船舶的位置和状态范围远远超出了沿海地区，可协助导航并提高海上安全，其应用领域包括搜救、事故调查、反海盗和环境监测等。
图3 OG2卫星
谷歌近年一直在推动一项宏伟的计划—O3b计划，即无法享受常规互联网宽带接入服务的“其他30亿人”（Other three Billion）。O3b卫星由泰雷兹—阿莱尼亚公司设计研发，计划由16颗卫星构建全球星座通信系统，目前已发射12颗。单星质量低于700kg，设计寿命10年，运行于8062km的中圆轨道，覆盖南北纬45°内的区域，极限覆盖范围为62°。卫星运行轨道接近赤道平面，轨道倾角0.1°，轨道周期为360分钟。每颗卫星拥有12副Ka频段天线，可形成2个关口站波束和10个用户波束，每幅天线可±26°旋转，跟踪地面固定位置，波束覆盖直径为700km。星上拥有12个65W行波管放大器，点波束采用左旋和右旋圆极化技术，单波束可用带宽为2×216MHz，信息速率高达2×800Mbit/s。
O3b星座采用弯管式透明转发体制，没有复杂的星上处理，因此在全球建立了多个关口站，用于构建O3b地面骨干网，卫星与关口站互联形成全球网络，为用户提供灵活、可靠、安全的互联网接入服务。此外，O3b提供形式多样的终端以满足不同用户的需求，通过采用先进技术，使得终端带宽利用率高、布置简单、供应可靠、并且易于维护。
图4 O3b星座
OneWeb公司启动世界上最大的卫星互联网计划，将发射648颗卫星建立一个覆盖全球的低轨道卫星高速通信网络，后续还将发射2400颗卫星，以提供宽带互联网接入服务。
OneWeb的卫星可以实现36倍的通信速度提升。这些卫星使用Ku波段，微波通信范围在12-18GHz之间，每颗卫星的数据输出量约为6KMB/s。由于应用了“渐变间距”技术，OneWeb卫星可以避免与同处于Ku波段的地球静止轨道卫星的互相干扰。
OneWeb的720颗低轨道卫星距地球表面1200km，在卫星飞越赤道的过程中，其专利“渐进俯仰（progressive pitch）”技术能逐步改变LEO卫星信号发射的方向和电平值，从而消除对GEO卫星的干扰。全系统工作频率如下表所列：
表1 OneWeb系统工作频率
注：12.75~13.25GHz的用户波束上行链路、19.7~20.2GHz的馈电波束下行链路仅在美国境外使用。
● 720 颗卫星（18个轨道面，每轨道面40颗卫星）。
● 每颗LEO卫星有16个椭圆形用户波束（工作在Ku频段）和2个馈电波束（工作在Ka频段）。
● Ka频段的馈电波束采用双圆极化。
● 全球共分布50多个地面Ka关口站（美国至少有4个）。每个关口站配置数量10副以上的天线，每副天线口径为2.4m或更大。
● 设计用户终端天线尺寸为30~75cm，或为机械式双抛物面天线、或为低成本相控阵天线。
图5 OneWeb星座
2014年，美国媒体发展投资基金（MDIF）发起了外联网（Outernet）项目，该项目计划借助数以百计的人造卫星为全球提供全天候的免费WiFi接入。MDIF计划向近地轨道发射150余颗立方体卫星，这些卫星在进入预定轨道后能够接收来自地面基站释放的网络数据，然后对这些数据进行解析，并转换成无线网络释放到地球上的接收方处。此外，计划要在地面建立基站向卫星发射数据流，在卫星上使用基于用户数据报（UDP）的WiFi多播技术，将解析后的数据转换为无线网络传播到世界各地。
SpaceX计划打造由4000多颗小卫星组成的互联网星座STEAM，在全球范围内提供互联网接入服务。目前，SpaceX已经通过挪威政府向ITU申报了频率和轨位，从申报的情况来看，卫星数量4257颗，使用Ku和Ka频段，运行在43个轨道面。此外，SpaceX还通过美国无线电通信委员会（FCC）向ITU申报了6~8颗Ku频段试验星，首发星MicroSat-1a和MicroSat-1b预计寿命1年，运行在轨道倾角为86.6°、轨道高度为625 km的圆轨道。
图6 STEAM星座
LeoSat致力于打造120~140颗高功率Ka频段卫星星座，提供全球数据传输服务。LeoSat星座的卫星研制与泰雷兹-阿莱尼亚公司（TAS）合作完成。根据目前签署的合同，TAS目前只负责卫星的设计评估。全部80颗卫星订单的归属还将通过招标来完成，最终根据星座设计的不同，卫星数量也有可能增至120颗。从系统设计看，LeoSat星座将会使用星间链路，甚至有可能采用光通信，因为光通信在空间会比地面光纤传输的速度还快。在单星设计方面，LeoSat将会使用高功率卫星平台，通过提高单星能力的方式减少卫星数量。
移动互联网是一个大型复杂的网络，具有独特的三维覆盖能力：广域复杂网络拓扑构成能力、广域互联网交互连接能力和特有的广域广播与多播能力，能够支持全球联网、远洋航行、应急救援、航天测控等重大应用的同时，向下可支持对地观测的高动态、宽带实时传输，向上可支持深空探测的超远程、大时延可靠传输，从而将人类科学、文化、生产活动拓展至空间、远洋，乃至深空。因此，尽管太空互联网的建成困难重重，但是，一旦其中一个移动互联网计划获得成功，将具有非常重要的意义和广阔的应用前景。
除了偏远地区，客机是互联网的空白之一。尽管飞机上网在技术层面上早已不是难题，但如何优化和普及，各国都在积极提出解决方案。移动互联网是一种可以覆盖全世界绝大部分区域、不受航路及地形影响，数据带宽较大，网络运行较为稳定的方式，也是全球航空公司空中上网业务的主流技术模式。在飞机上实现无线上网，是未来必然的发展趋势，并且将有可能为航空公司带来巨大的收益。
传统地面网络也没有很好解决用户在高速运行的列车上网问题，因此，移动互联网在铁路领域也有潜在应用市场。中国的列车班次数量多，高铁及动车发展迅速，乘客数量巨大。由于乘车时间较长，为了提高舒适性，如果为乘客提供上网业务，很多乘客也愿意支付相应费用。
我国沿海地区有很多渔民，他们要长期外出到远洋地区捕鱼。据不完全统计，我国有渔船数十万艘，渔民上百万，同时还有大型的邮轮出海航行，移动互联网是满足海上用户上网的一种有效方式。
在救灾、处理突发事件的应急救灾中，移动互联网显示出特有的优势。自然灾害难以防御，一旦发生，便会造成不同程度的损失，特别是发生重大自然灾害，例如地震发生后，大部分地面通信设施遭到破坏，外界与灾区通信中断，无法获得重灾区的灾情，进而直接影响抢险救灾工作的指挥部署。作为抢险救灾的总指挥部，必须要全面掌握灾区各方面的情况，而移动互联网具有不受地面条件限制、覆盖范围广等特点，可以快速建立通信链路，实现应急救灾，是人民生命财产安全的重要保障。
我国自然环境监测正迈向立体监测时代，通过移动互联网获取遍布于国土和领海的多种功能传感器感知的数据信息，并及时、准确地送达指定的地面控制台进行数据融合处理，可在森林火灾、洪灾、泥石流、干旱、大气质量、海洋环境、土地荒漠化及辐射环境等灾害预警预报中发挥极其重要的作用。
移动互联网是一个复杂的网络平台，广域复杂网络拓扑构成能力与广域互联网交互连接能力，特有的广域广播与多播能力，适合作为侦察、采集数据的平台。通过全球运行的移动互联网系统，可以很容易地构建起全球性数据采集、处理、分发和应用的系统，比其他任何手段都更快捷、更安全和更可靠。基于移动互联网的数据采集和通信中继服务，将会越来越多地应用于农业、林业、渔业、矿业、海洋监测以及边境巡逻等国防和国民经济建设的各个领域，如河流、交通等突发情况监测；石油、石化、电力等大型企业巡视油/气管线；公安、边防、林业等部门对大范围地域实时监控；海事、渔政等部门进行大范围海域巡查。
随着国民经济的发展和能源战略的实施，保障能源通道的安全问题日益突出。本系统能够实现高压电力传输线、石油天然气管道等能源通道在广域范围内的实时无缝监测，有效解决现有通信网覆盖范围受限的问题，为我国能源生命线保驾护航。
物联网是继互联网之后全球范围又一规模庞大的新兴领域，低轨卫星星座通信系统与多种具备感知、信息采集功能的物联终端结合，可形成天、空、地一体化的信息获取与传输系统，能够实现全球态势感知信息的实时回传，解决目前各类感知信息回传效能低下的问题，从而对物联网起到良好的支撑和融合作用，为我国乃至世界“感知中国、感知全球”战略的实施提供有力支撑。
移动互联网一旦实现，星际间通信将成为可能。过去，人们只能通过把航天员送到太空的方式去探索未知宇宙，通过移动互联网直播太空，今后普通公民也可以坐在家里，自由地欣赏外太空的图像和视频。同时，移动互联网可作为支持太空探索的重要手段，伴随太空技术在各个行业的应用，将发挥重要的运营保障作用。随着社会需求和通信技术的发展，卫星通信将成为必不可少的通信手段，具有广阔的应用前景。
移动互联网本身具备的特点，使其成为地面互联网向空中、太空的延伸和拓展，是实现全球互联互通的基础支撑，是未来互联网的发展方向。随着信息技术和互联网技术的发展，特别是人类对空间应用的旺盛需求，将推动移动互联网技术快速稳步前进。
LEO移动互联网是未来5G时代的重要组成部分，弥补地面网络的覆盖性不足和传统卫星网络的容量不足，三者共同构成完整的天地一体化信息网络，共同服务于移动互联网和未来工业物联网。由于LEO移动互联网的特点，其构建需要精心整合全产业链，共同攻克政策、技术、市场、资本等多方面的壁垒，营造共同构建LEO移动互联网的和谐局面并分享利益。
参考文献 略（详见杂志）