我国空间互联网星座系统发展战略研究丨中国工程科学
作者：李峰，禹航，丁睿，王宁远，王雨琦，周志成
来源：我国空间互联网星座系统发展战略研究[J].中国工程科学,2021,23(4).
编者按
空间互联网包括由各类在轨运行的飞行器、卫星或卫星星座构成的空间信息处理及通信设施，各类地面站、核心网等相关地面基础设施，各类应用系统融合构成的高性能全球网络基础设施，是新一代全球互联网发展的重点方向、新一轮空间竞争的焦点。空间互联网星座系统是国家空间信息基础设施的重要组成部分，目前我国尚处于空间互联网星座系统构建的筹备阶段，起步较晚，面临诸多风险因素，距离支撑经济社会发展的长远目标存在明显差距。因此，亟需尽快开展多方位的顶层分析论证，为后续空间互联网产业体系发展提供规划建议。
中国工程院周志成院士科研团队在中国工程院院刊《中国工程科学》2021年第4期撰文指出，发展自主可控的空间互联网星座系统是网络强国建设的重要内容，可有效提升全球覆盖、安全可控的信息网络服务能力，抢占空间信息领域发展制高点和主动权。文章开展了空间互联网星座系统发展的综合性研究，分析了空间互联网建设的宏观需求，研判了国内外空间互联网星座系统的发展趋势，提出了我国空间互联网星座系统建设的发展思路、重点任务、技术路线。文章研究认为，在推进我国空间互联网星座系统的论证设计、工程建设过程中，应着重加强国家顶层统筹规划，加快卫星互联网标准制定，加大关键技术攻关力度，促进融合创新应用并构建安全防护体系，以此全面提升我国空间信息网络服务能力，建设弹性空间体系。
一、前言
空间互联网包括由各类在轨运行的飞行器、卫星或卫星星座构成的空间信息处理及通信设施，各类地面站、核心网等相关地面基础设施，各类应用系统融合构成的高性能全球网络基础设施，是新一代全球互联网的发展重点方向、新一轮空间竞争的焦点。
国际卫星产业龙头企业均在积极开展空间互联网业务投资，力求抢占卫星空间网络高地，争夺空间宝贵资源。以Starlink、Oneweb等为代表的低轨巨型星座工程已经进入实际部署阶段，新一代“千星星座”乃至“万星星座”的空间互联网低轨星座系统启动建设。在我国，空间互联网作为国家空间信息基础设施的重要组成部分，纳入了“新基建”范畴。
已有研究从空间互联网的体制、架构、关键技术等方面着手，对我国相关领域的建设与发展进行探讨：提出天地一体的空间互联网架构，分析网络发展趋势与关键技术；阐述空间互联网与地面第五代移动通信（5G）技术融合的网络架构、关键技术、应用场景；研究5G与卫星通信融合的空中接口设置与标准化策略；从技术及产业的角度论述卫星互联网与5G/第六代移动通信（6G）的协同发展趋势。于此同时，我国的国有企业、民营企业、初创公司纷纷开展空间互联网的试验摸索和建设尝试；相关管理部门依托国家科技创新专项先期推动星座系统论证，面向迫切需求、整合优势力量、推动工程建设。
也要注意到，目前我国依然缺乏有关空间互联网星座系统的全面综合分析，统筹规划和建设步骤也有待深入研究；在后续建设过程中，将面临频率轨道、通信标准、信息安全、产业应用等诸多难题。因此，尽快开展多方位的顶层分析论证、形成后续空间互联网产业体系发展规划建议显得尤为迫切。
二、我国空间互联网建设需求分析
发展自主可控的空间互联网星座系统是网络强国建设的重要内容，可有效提升全球覆盖、安全可控的信息网络服务能力，抢占空间信息领域发展制高点和主动权。空间互联网星座建设，一方面要聚焦国家需求，建设全球可通、自主可控的卫星互联网，另一方面要推动形成“互联网+”航天的新兴产业。
（一）服务国家重大战略，支撑网络强国建设
空间互联网作为国家战略性基础设施，对支撑和推动经济、政治、文化、社会各领域发展的作用显著。发展我国自主的空间互联网星座系统，是占据空间信息网络发展制高点、实现网络强国战略目标的重要举措，是构建国家重大能力、维护空间资源和地位的集中反映；作为航天强国建设的标志性工程，是牵引商业航天全面发展、引领信息产业和宇航技术升级的重要举措。
（二）保障安全通信，建设天基通信弹性空间体系
面对复杂、严峻的全球网络信息安全形势，加快构建独立自主的空间互联网星座系统，可显著提高我国天基通信体系的生存能力，形成维护国家信息安全的有效手段，对构建我国弹性空间通信体系意义重大。通过多功能结合的创新应用，快速增强我国自主安全的通信保障能力，保障国家长远战略利益。
（三）综合一体化应用，拓展信息网络覆盖范围
随着我国“走出去”战略的不断深化，信息网络的全球能力覆盖势在必行。优先在海洋、极地、“一带一路”沿线等区域实现宽、窄带结合的通信保障能力，进而形成全球覆盖、功能共用的空间信息基础设施。智慧海洋工程、航空器全球追踪与安全监控等行业应用规划的推进，促进导航增强、广域监视及数据采集分发等行业服务的产业化发展。
（四）促进经济社会发展，提升居民生活质量
空间互联网既可保障海外通信需求、服务国家经济活动、促进高质量“走出去”，又是信息产业发展的新引擎，对推动产业转型升级、实现新兴产业布局起到关键作用。空间互联网作为仍在快速发展的互联网升级方向之一，可为我国老少边穷地区提供普遍的互联网服务，是带动地区经济社会发展、缩小城乡发展差距、弥合数字鸿沟、提升居民生活质量的重大基础设施。
（五）带动卫星产业发展，引领航天产业升级
空间互联网星座系统建设，将促进我国航天产业转型升级：催生卫星模块化、标准化、国际化设计理念转变，带动卫星、运载火箭的批产能力与生产线建设，实施地面系统与地面运营的国际化推广。通过面向世界一流的空间互联网能力建设，引领我国航天装备、信息服务领域的全面发展，推动我国战略新兴技术跻身国际先进行列。
三、国内外空间互联网发展趋势研判
（一）星座巨型化、卫星宽带化
新型空间互联网星座动辄成千上万颗，如 Starlink（4425~41 943颗 ）、Oneweb（720~6372 颗 ）、Lightspeed（298~1671 颗）、Kuiper（3236颗)；广泛采用Ku/Ka/Q/V频段点波束来实现全球覆盖。该发展趋势既是频率、轨道资源激烈竞争的结果，也是面向未来业务增长空间的必然选择。批量化的卫星制造能力、低成本的进入空间能力，也为巨型星座发展提供了现实可行的技术途径。
（二）星间组网成为技术潮流
新型空间互联网星座系统普遍支持星间链路，以此构建全球无缝连接、低时延的空间网络系统。国外在建的星座系统，星间链路应用与否不仅是技术问题，也受到成本、安全等因素限制。从技术角度看，星间链路存在路由、移动性管理、干扰抑制、轻量化等诸多挑战，新技术的突破、验证、应用还需要时间来检验。从成本方面看，现有的高通量星间载荷价格不菲，装备于成千上万颗卫星则难以负担，需要在控制载荷成本的同时尽量精简部署结构（数量）。
（三）高低轨卫星结合发展
针对低轨通信星座的迅猛发展势头，国际上的地球静止轨道（GSO）通信卫星运营商也迅速作出反应，综合考虑GSO和低地球轨道（LEO）系统的优缺点，启动了GSO-非地球静止轨道（NGSO）混合系统的建设。
目前主要存在两种模式：一是GSO、LEO系统联合运营，基于两者系统特性上的差别，实现服务能力互补，改善用户服务体验；二是GSO卫星处理LEO星座的测控操作，通过配置星间中继链路，利用广域覆盖的GSO卫星来提升LEO星座的测控效率。高、低轨通信卫星优势互补、协同发展，可进一步提升混合系统的服务多样性。
（四）工程研制模式显著革新
现有的空间互联网星座系统研制模式主要有3种：以Oneweb为代表的生态圈资源整合、以Starlink为代表的自主垂直整合、以Blackjack为代表的项目分包。OneWeb公司通过全球资源整合来建立产业链生态圈，采取融资方式筹集资金；自身主要负责星座运营，卫星制造依靠与空中客车防务及航天公司合作实现。SpaceX公司依靠自主完整的商业航天产业链来建设Starlink，集卫星、运载火箭、地面站制造，火箭发射与回收，卫星运营与服务于一身，实现产业链自主闭环。Blackjack分阶段划分项目任务，不断筛选和缩减承研单位的数量，选择最优的承包商团队（大型宇航制造商、小型初创企业均有涉及）。立足自身状态并最大化自身优势，充分调动已有资源，保障设计、制造、发射、运营等全产业链的快速、安全、高效运行。
（五）频率及关键技术储备布局
国外在建的空间互联网星座系统，均在加紧频率资源争夺，以用户链路所用频段争夺最为激烈。在现阶段，Ku频率资源已基本被瓜分殆尽；Ka频率资源虽已有低轨星座系统规划，但尚无实际卫星应用；V频率资源已成为多个星座系统作为规模扩展阶段拟申报储备的目标。在储备频率的同时，各大卫星互联网企业都在积极开发Q/V频段的应用潜力，着手研究E频段通信技术。相关企业在高效接入、星间链路组网、物联网应用、大规模干扰规避等关键技术方向都进行了研发布局，逐步形成专利储备。
四、我国空间互联网星座系统发展基础
（一）大规模星座工程建设
北斗卫星定位导航系统是我国目前在轨规模较大的星座系统，其成功研制和有效运营积累了卫星、运载火箭的中等规模批产与批次发射经验，具备了长期管理、异常处置等在轨管理能力。与北斗系统相比，空间互联网星座系统的规模更大、功能更加复杂，对产品的批量生产、质量保证提出了严峻挑战；还需要进一步提高运载火箭批量化生产能力，改善测控条件和发射环境。目前，我国还缺少数百颗甚至上千颗卫星所构成星座的建设经验。
（二）运载火箭能力
经过六十余年的发展，我国形成了以长征系列运载火箭为主的航天运输系统，支撑了多项国家重大宇航任务的实施。综合考虑经济性、规划整体性，CZ-2C、CZ-2D、CZ-5B、CZ-6A、CZ-8液体运载火箭均可承担“一箭多星”发射任务，CZ-11A、KZ-11固体运载火箭可用于快速补网，新型重复使用运载火箭可逐步承担2025年后更大规模的组网发射任务。新一代液体火箭发动机（液氧/煤油、液氢/液氧）的产能受限问题，可能为空间互联网星座系统建设带来一定的风险。
（三）发射场
现阶段，国内具备运载火箭发射能力的主要有酒泉、太原、西昌、文昌等发射场，海阳海上发射平台也具有一定规模的发射能力。综合现有发射计划，未来3年剩余工位的总运载能力不足150 t，保障空间互联网星座的大规模发射任务风险较大；这是星座卫星规模的制约瓶颈，应予以突破。太原发射场CZ-6A发射工位计划于2021年建成，短期内具备4发/年的发射能力。此外，文昌、象山、烟台等地都在筹建新的商业发射工位。
（四）终端技术研制
目前，我国电子、航天领域的一些单位具备为卫星通信系统提供信关站、网络主站、部分应用终端的生产能力。尽管随着高轨高通量卫星的推广应用，地面信关站、终端技术正在快速发展演进，但空间互联网低轨系统所需的快速跟踪、高集成、低成本相控阵天线，适应新体制的高集成基带芯片，地面核心网产品及运控管理系统等，尚无成熟产品，需要尽快部署研制。
（五）标准化
地面移动通信的标准演进“十年一代”，我国在这一发展过程中实现了第三代移动通信（3G）跟随、第四代移动通信（4G）赶超、5G领跑。地面移动通信的标准化过程，为我国空间互联网标准突破提供了技术基础和实施经验。也要注意到，我国卫星通信标准化工作尚缺乏成熟经验，中国通信标准化协会、全国宇航技术及其应用标准化技术委员会等均未开展相关工作，对国际卫星电视广播标准（DVB-S2X）、第三代合作伙伴计划（3GPP）非地面网络（NTN）标准的跟踪和参与都有所不足。
五、我国空间互联网星座系统发展思路
我国空间互联网星座系统的发展，应以航天强国、网络强国战略为牵引，秉持“创新、协调、绿色、开放、共享”的理念，通过创新驱动、融合发展，开展先进系统、新兴技术的前瞻研发布局。以空间互联网星座系统建设为依托，拓展空间信息服务的深度与广度，把握网络信息技术革命的历史性机遇，赢得参与全球空间信息基础设施竞争的独特优势。预计到“十四五”末期，形成高低轨协同、天地一体的空间互联网星座系统总体布局，具备全球覆盖、技术自主、安全可控的空间互联网服务能力，成为全球卫星互联网发展的重要主导力量。
统筹规划，突出重点。加强天基网络信息体系的顶层设计和综合布局，融合威胁驱动、需求驱动、创新驱动三重要素，统筹实施我国高、低轨天基信息装备体系协同发展；重点建设空间互联网星座系统，实质性提升我国天基网络信息体系弹性。
阶段实施，持续演进。鉴于空间互联网星座系统建设的持续性和复杂性，相关体系架构设计应支持分阶段实施、持续演进，不断挖掘技术进步带来的能力提升；尽快实现基本应用能力，持续保持近地空间系统的竞争力与生命力，抢占近地空间新高地。
功能融合，弹性建设。把握国内相关系统建设 进展，加强多功能融合与衔接， 通过采购服务、寄宿搭载、波形加载，形成面向应用的增强服务能力；深度挖掘系统规模优势， 形成天地融合的低轨网络与信息体系， 加速在我国诸多领域的应用渗透。
创新驱动，体系带动。瞄准世界航天和网络领域发展前沿，创新包括研发、制造、应用在内的天基信息体系，牵引重点领域发展模式演进；加强卫星批量制造能力，提升运载火箭发射和测控能力，扭转领域滞后发展局面，带动重大装备的供给侧结构性变革。
六、我国空间互联网星座系统建设的
重点任务与技术路线
（一）空间互联网星座系统规划
空间互联网星座系统主要包含空间段、地面段、用户段（见图1）。
①空间段采用用户灵活接入、星间高速互联、系统弹性高效的空间混合星座网络架构，按照“星箭一体化、平台通用化、载荷模块化、接口标准化、组合多元化”的卫星设计思路，实现全球宽带互联网和移动通信服务能力，按需提供应用服务和专用载荷搭载服务。
②地面段面向多用户、多业务、全球化的服务需求，主要完成星座运行管理、星地一体化网络管理、全球站网管理、用户终端管理、全球运营服务支撑等任务；细分为运行控制中心、网络管理中心、运营服务中心、全球信关站网，通过地面通信网络实现互联互通。
③用户段按照“终端模块设计、系统开放扩展”等设计原则，开展终端结构化设计、应用平台化集成、数据云化配置等。
关于建设计划，分阶段建成独立自主、全球覆盖、先进高效、安全可靠的空间互联网星座系统。先期开展试验卫星发射、地面段建设，实施通信体制、关键技术试验验证，初步形成具有自主知识产权的标准体系，突破卫星规模制造和发射瓶颈，基于典型场景开展应用示范。未来5年，实现全球覆盖、全面服务，完成第一代系统建设，提升重点区域覆盖能力和服务质量，增强时空信息体系能力。未来10年，完成拓展系统建设，实现增强覆盖、优质服务，建设分层部署、协同分工、多重覆盖的第二代星座系统，建成天地同步发展的全球综合信息服务网络，全面满足国家战略需求和智能化社会应用需求。
图 1 空间互联网星座系统架构图
（二）空间互联网标准策略
近年来，包括大型航天企业、民营企业在内，我国发布了10余个低轨星座计划，从产业发展、商业利益的角度看，需要重点进行空间组网理论研究，及时建立关于空间互联网的协议体系规范和标准。
目前国内外的相关发展仍存在突出问题：空间网络组网的基础理论薄弱，标准网络协议体系空白，对于巨型低轨卫星网络的地面模拟测试环境欠缺。因此，一方面需要对网络架构、业务场景、服务质量、接入网技术、承载网技术、核心网技术、网络安全、设备与测试规范等制定相关标准，另一方面需要建设完整有效的地面测试与评估系统，支持系统研发质量提升，降低系统在轨故障风险。
未来5年，着重突破天地复杂环境下高可靠高速率传输技术、多时空尺度密集型巨星座信息组网技术、动态网络频率干扰规避及共享技术、面向多业务特性的空间网络资源分配技术、通信/感知/定位一体化技术，形成相关标准规范。
未来10年，重点突破超大规模网络跨域态势感知与智能网络协同传输技术、星地一体频率感知与同频共用技术、星地协同组网与融合共用技术、太赫兹高速传输技术，形成相应标准规范。
未来15年，着重发展空间边缘计算与信息融合处理技术、天基智联网络构架技术、星地融合无感切换技术、天地智能协同组网技术，形成相应标准规范。
（三）空间互联网安全体系
卫星节点暴露且信道开放，异构网络互联且网络拓扑高度动态变化，高链路误码率对网络性能造成负面影响，长时延和间歇性降低网络反馈的及时性，星上资源受限影响计算能力，这些都是空间互联网星座系统安全性受限的因素。国外的空间互联网星座系统在国内落地应用后，将带来一系列的安全问题。我国的空间互联网在全球运营后也将面临泄露敏感数据、威胁重要基础设施和关键设备、窃取宽带资源等安全风险。
在物理安全、运行安全、数据安全等层面开展空间互联网网络安全架构研究。空间互联网星座系统在设计之初就应充分考虑网络安全的要求，各个分层、各个系统的业务需求要与安全需求相互融合，安全能力要嵌入各个分层、各个系统的方方面面；有效阻断外来恶意攻击，有效遏制内部人员的违规和恶意行为，实现“数据拿不走、网络扰不瘫、应用阻不断、踪迹隐不掉”。
未来5年，对空间互联网设计的安全协议、安全机制、安全措施进行聚合，实现对空间互联网的全面安全监管和治理；构建涵盖物理层、链路层、网络层、传输层、应用层及跨层通讯安全的协议标准。
未来10年，重点网络安全态势感知可全方位、全流程把握空间互联网的运行安全态势，持续检测各个尺度、维度、层次的安全威胁，结合历史安全事故、威胁情报对未知威胁进行分析检测，作出安全威胁预判和并启动预置防护措施，保持安全事件应急的自动化响应。
未来15年，空间互联网配置先进的安全防护技术和管理保障制度，将网络安全防护能力全方位融入业务系统，为空间互联网应用提供持续的安全服务保障。
（四）空间互联网应用场景
我国空间互联网采取分阶段建设、弹性扩展、持续演进的策略，系统在应用层面上呈现循序渐进的特征。短期来看，受卫星数量、空间网络技术的制约，系统建设初期支持的用户数量、应用场景均有限，将主要面向政府机构、科学考察、救灾应急、自然保护等重点领域提供服务；随着系统能力提升，逐步开放面向民航、海上、偏远地区的行业用户服务；最终待系统服务能力充足后，面向普通消费者提供大规模服务。
未来5年，重点面向政府机构开展典型场景下的应用示范，面向海洋科考、极地勘探、抢险救灾、应急保障、危化运输、自然资源保护等领域推广应用。
未来10年，面向行业用户不断拓展，重点开拓民航交通、海上交通及作业、无人机作业、石油开发、远洋运输、偏远地区基建等应用市场。
未来15年，在网络建设不断成熟的基础上，面向普通消费者市场拓展应用，采用新型通信技术，解决天地一体融合接入难题，提供天地无感切换的高质量网络体验。
七、对策建议
（一）加强顶层统筹规划，促进产业协同发展
统筹我国卫星互联网建设规划，建立高、低轨星座协同发展机制；整合优势力量与资源，形成新兴领域发展合力，实质性推进我国空间互联网星座系统的体系化发展。
构建关联企业协同发展模式，倡导市场主导下的多元投入、多方合作，以产业联盟、技术标准为纽带，积极引导社会力量参与空间互联网星座系统的建设、应用、维护。
有机整合我国现有的星座互联网建设规划，统筹优势力量和资源，加强频率轨道相关基础研究，面向长期发展需求储备空间频率资源；瞄准产业全链条发展目标，优化低轨星座互联网建设规划，加快推进空间系统建设，积极参与全球资源协作与竞争。
（二）加快标准制定，支持自主核心竞争力提升
统筹推进、加快建立统一的空间互联网星座系统标准体系。充分借鉴我国地面移动通信标准研制的成功经验，及时论证制定有关业务需求、网络、测试、信息安全、应用等系列标准，指导相关系统的建设与应用推广。
建立空间互联网星座系统知识产权服务平台，构建完备的知识产权保护体系，提升产业创新和知识产权综合运用能力，保障产业化过程的稳健发展。针对新应用、新业态，研究空间互联网星座系统的知识产权战略、标准开源协议、知识产权风险，构建标准体系知识产权保护全链条，支持形成空间网络核心竞争力。
推动自主标准体系的国际化进程，积极参与空间互联网星座系统的国际标准研究与制定，提升中国标准的国际影响力。加强我国相关标准体系在国际移动通信、民航组织、国际海事组织等重要行业的应用推广，支持我国空间互联网星座系统“走出去”。
（三）实施关键技术攻关，提速网络建设进程
加快空间互联网星座系统的核心元器件自主化进程，开展宇航级核心元器件、关键部组件的研制，打牢大型空间系统工程建设的基础条件。超前部署Q/V频段射频关键器件、高效率天线等核心部组件的自主研发计划，增强我国空间互联网星座系统的频率保障能力。
加强运载火箭关键前沿技术突破，提高大推力火箭发动机、运载火箭重复使用等技术的成熟度，提升我国运载火箭整体技术水平。优化制造工艺与生产模式，突破火箭发动机、箭体结构等大型部件的低成本、规模化制造关键技术，显著提高运载火箭发射性价比，保障空间互联网星座系统的规模化建设、可持续发展。
加快提升地面应用终端关键技术，实施用户终端先期研发计划，突破低成本相控阵天线、核心芯片、高频段器件、终端测试环境等技术，形成批量的原创性成果。改善卫星应用终端领域核心元器件、高性能部件的自主可控水平，尽快形成与空间互联网星座建设计划相匹配、具有较好性价比的用户终端规模化生产能力。
（四）促进融合创新应用，提升网络服务能力
加强空间互联网应用创新，依托于卫星星座、移动通信、新一代互联网、工业制造、智慧城市、智能交通等领域的技术发展，扩宽空间互联网的多元化、智能化应用。拓展空间互联网的应用广度和深度，提升我国空间互联网应用产业的国际竞争力，促进空间互联网的可持续发展；发挥产业带动力，支持金融、物流等现代服务业的快速发展与供给侧结构性改革。
推动空间互联网应用，发挥卫星网络全球覆盖的优势，以资源共享、功能互补、能力互备为目标，实施多类业务共同承载，实现低轨星座对现有通信系统能力的差异化补充，适应低延时、高带宽、全球覆盖的应用需求。
（五）构建先进防护体系，维护空间网络信息安全
合理加大空间互联网安全架构、安全协议、安全标准、密码算法及安全管理体系等方面的基础研究投入，在系统建设过程中规避安全隐患。加强网络安全态势与对抗分析，提升威胁评估与预警能力，支撑网络强国建设。着力建设高水平的空间网络安全人才队伍，培育“卫星+网络安全”跨领域技术人才，提升我国空间互联网星座系统的核心竞争力。
加快空间互联网新技术冲击下的网络安全防护体系建设，完善网络安全法规，加强国外卫星的过境信号监测、非法卫星通信终端管控分析能力，防止利用境外卫星信息进行跨境走私，固守网络信息安全阵地。
注：本文内容呈现略有调整，若需可查看原文。
作者介绍
周志成，卫星总体技术专家，中国工程院院士。
我国通信卫星工程、航天器动力学学术带头人之一。任我国新一代大型地球静止轨道卫星公用平台（东方红四号）总设计师，是我国通信卫星进入国际先进行列并打入国际市场的开拓者之一。30年来，长期工作在卫星研制一线，主持研制成功十余颗应用卫星。在东方红四号卫星平台的军用、民用和国际商业卫星研制过程中，主持攻克大容量、长寿命、高可靠等重大技术问题，为我国卫星工程技术跨越发展做出了创新性贡献。