第1篇 星球大战2.0 — 太空互联网计划在行动 - AMORE STORIES - CHINESE
#张婷婷
2017.02.21
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第1篇 星球大战2.0 — 太空互联网计划在行动

介绍爱茉莉太平洋同事撰文的专栏

专栏作家 张婷婷
APC Purchasing Team


# 雄心勃勃的SpaceX

 2016年9月初随着一声巨响,SpaceX公司正处于静力点火实验中的猎鹰9号火箭发生爆炸,熊熊火焰带着它的乘客——通信卫星Amos-6一同化成了灰烬。爆炸前,大火从火箭的三分之一处喷涌而出的壮观场景还令人记忆犹新。
 本次事故中的卫星原本要为Facebook在非洲广大地区提供互联网信号覆盖,几年的研制成果在几分钟内被毁,这也意味着扎克伯格的Internet.org计划进度将被延缓。然而本次事故的"肇事方"SpaceX公司却并未停下它雄心勃勃的天基互联网计划,除了调查爆炸原因,马斯克更是琢磨出了一个更大的计划安慰了小扎——由 4425 颗卫星所组成的太空互联网项目。

 这个恐怖的数字足足是当前在轨卫星总数的三倍之多,该计划的规模"将超过人们迄今为止谈论的任何(卫星互联网)项目"。这不禁令人想起始于上世纪80年代的美国星球大战计划,只不过本次的主战场由军事转向了天基互联网的商业应用。

 实际上马斯克早在2015年就提出了七百颗卫星的最初设想,随后便向美国联邦通讯委员会(FCC)申请技术测试,他当时估计该项目大致需要五年的时间以及 100 亿美元的启动资金。此次提交给 FCC 的则是一份正式的商业申请,这就意味着 SpaceX 向前迈进了一大步,该计划将很快就能进入具体的实施阶段。该天基互联网系统将主要被用于全球的各种宽带和通讯服务。

 SpaceX 将首先向一个轨道高度发射 1600 颗卫星,然后再发射 2825 颗卫星并将它们安置在低、中、高直至同步轨道高度的 4 个壳层中。一旦经过最终部署的彻底优化,该系统续期就能为全球消费者和商业用户提供高带宽(最高每用户1Gbps)、低延时(25ms到35ms之间)的宽带服务。
  • SpaceX计划示意图

 SpaceX的计划是如此雄心勃勃,然而在高科技领域的发展上却从来不缺少对手。全球天基互联网系统的竞争已逐渐趋向于"白刃化"。

# 即将到来的天基互联网白刃战

 自从1957年人类的第一颗人造卫星进入太空,围绕着地球已有数以百计的卫星系统。在如此繁多的卫星中从业务划分,与天基宽带互联网直接相关的卫星通信系统总体上包括卫星固定通信系统、卫星移动通信系统和数据中继系统三大类。全球竞争也主要围绕着这三个领域展开。

 卫星固定通信系统包括宽带通信卫星系统、固定/直播卫星系统等,这些系统通常运行于中、高轨道,且一般采用C(4~8GHz)、Ku(12~18GHz)、Ka(27~40GHz) 等频段,向大气层内的固定用户提供宽带通信、电视直播等服务。随着本世纪全球互联网行业的快速发展,具有广覆盖、补盲区特点的宽带通信变得越来越重要,这种旺盛的需求使此类卫星的在轨和在研数量迅速增长。典型的高轨宽带通信卫星项目有美国卫讯公司的ViaSat计划,该公司正准备于近期发射通信容量达到350 Gbit/s的下一代宽带卫星ViaSat-2,可为250万用户提供最高可达25 Mbit/s 的宽带服务,这样强大的单星容量就能够满足国内一座大型城市的基本宽带需求。然而,该公司的野心并未止步于此,其Viasat-3"三星"计划已于2016年初公布,该计划中的单星容量将进一步飙升至1 Tbit/s。在中等高度轨道的宽带通信卫星方面,已经投入商业应用的项目有O3b 系统,它作为世界第一个中圆轨道通信星座,正在逐步由目前的12星座系统曼曼演进到2018年的20颗星,其单星容量也达到了12 Gbit/s。
  • ViaSat计划示意图

 在卫星移动通信系统方面,发展初期只要采用L(1~2GHz)、S(2~4GHz) 等较低的频段,用于向移动用户提供通信、广播和数据采集等服务,为了提高传输速率此类系统也有转向使用Ku、Ka等较高波段的趋势。在高轨方面,2015年8月发射的Inmarsat-5 F3卫星可面向陆地、海洋和航空器上的小口径终端提供下行50 Mbit/s的传输速率,一些国际航班上乘客能够享用的宽带服务便来自于该系统。未来,Inmarsat公司基于Ka 波段的第5 代宽带移动通信卫星系统,将实现移动通信向大容量、高带宽方向发展。低轨通信卫星的发展则更是百花齐放:Oneweb公司目前正在计划发展由648 颗卫星组成的低轨卫星星座,工作频段为Ku 频段,单星吞吐量大于8 Gbit/s,系统总吞吐量5~10 Tbit/s,系统建成后,可向偏远地区用户提供50 Mbit/s的互联网宽带接入服务,时延仅为20~30 ms。另一个无法跳过的低轨卫星计划则是铱星计划,成为摩托罗拉公司"滑铁卢"的第一代铱星计划虽然未能迎来商业的成功,但随着发射成本的逐年下降,下一代铱星系统也在快速推进中。下一代铱星系统将由泰雷兹-阿莱尼亚航天公司研制, 由 72 颗卫星和9颗备份星构成,它所采用的星上IP交换技术将帮助系统构建更高速、更灵活的宽带网络。

 数据中继系统卫星主要为航天器等空间用户、飞机等特殊的空基用户提供测控、数据的中继传输服务。目前各国的数据中继通信系统正面临着更新换代,其中美国跟踪与数据中继卫星(TDRS)已经发展至第3 代,这一代系统将通过Ka 频段提供更高的数据传输速率和更好的系统灵活性。欧洲人也希望发展独立的数据中继卫星系统,他们正通过采用激光通信等新技术在一步步实现更高的中继传输能力。

 从这一系列计划中可以明显的观察到全球的卫星通信系统总体上都在朝着宽带互联的方向发展,并倾向于使用越来越高的波段。近年来天基互联网平台的快速推进,一方面得益于发射成本的不断降低;另一方面,更多的商业组织已经清晰地认识到太空频谱资源将变得极为珍贵。众所周知在相同频谱上的不同信号将互相成为对方的干扰,所以在无线通信领域每个国家都对国土范围内的频谱资源进行严格管控,通常会以极高的价格出售给少数几家运营商使用。然而来自卫星的信号天生存在着跨越国界的特征,因此太空的频谱资源将不再是一国之资源,而目前国际电讯联盟采取的是"先到先得"之策略。因此,谁最先将自己的计划付之于行动,谁就将优先占有该资源,这也正是近年来该领域迅速发展的背后逻辑——大家都在试图抢占频谱这块高地。也正是因为该资源的稀缺性,这一领域的商业竞争实质上正在逐渐成为一种国家与国家之间的博弈。

# 这一次东方的声音并未缺席

 在卫星通信方面,目前中国在轨10 颗通信卫星频率多集中于C、Ku频段,覆盖集中于中国国土及亚太地区。其中为了满足一带一路沿线国家和地区的通信覆盖,中国即将发射中星16、中星18通信卫星。在数据中继卫星方面,中国已经建成第一代数据中继卫星系统,实现了对地球表面78%的覆盖率,对300 km以上高度的空间飞行器覆盖率则已达100%,相信第二代数据中继卫星会有更上乘的表现。

 在政策层面,为了推动中国天基宽带互联网的发展,中国《民用空间基础设施中长期发展规划》已明确提出:2020年的通信卫星将达到在轨20余颗,2025年进一步实现在轨25颗左右,以满足全球覆盖的需求。2016年国务院提出的《中国制造2025》中,关于航天装备方面也明确提出"发展新型卫星等空间平台与有效载荷、空天地宽带互联网系统,形成长期持续稳定的卫星遥感、通信、导航等空间信息服务能力"。

 在这些大背景下,国家自然科学基金委、科技部、中国工程院等均已开展了与天基宽带互联网相关的研究工作。随着技术推动和需求牵引的双重作用,作为未来天基系统信息流转的核心,天基宽带互联网必将在中国得到迅猛发展。但是对中国而言,由于政治、军事等限制不具备全球建立地面站的能力,因此必须发展卫星节点之间的宽带互联能力。这预示着中国的天基互联网将是一个从分立系统到逐步成为综合体系的复杂过程,整个发展之路必须依据中国实际情况渐进式发展:

 近期(今-2025年)。立足现状,面向网络化发展趋势,针对国家发展战略中明确的建设需求,通过构建必要的星间链路,推进卫星通信、中继系统的网络化建设,补齐短板,建设初级天基宽带互联网;

 中远期(2025年-)。随着天基通信、获取、导航等功能系统逐步完善,利用星间与星地网络,实现天基信息网络的空间贯通。在大多数卫星具备星上智能化处理和自主化能力的基础上,建设与地面网络完全融合的天基宽带互联网,提供全球化、标准化、智能灵活和安全可靠的服务。

 可喜的是,在近期中国的航天发展势头强劲,随着量子通信卫星、天宫二号等航天项目的发射与成功使用,它们所依赖的星地、星间高精度捕获、跟踪、指向(ATP)技术在国内已逐步走向成熟并达到世界领先水平。这一技术的突破,意味着对中国来说星地、星间光通信链路的建立已不再是幻想,也预示着东方版的高速率、大容量天基互联网络已在微微露出曙光。
  • 量子通信卫星与地面站建立星地光链路的瞬间

  • 光链路建立瞬间


# 结束语

 遥想星球大战1.0时代的结局,惨烈的竞争拖死了曾不可一世的苏联"帝国",成就的则是美国近半个世纪的独步天下。在星球大战2.0所处的商业时代,谁又将成为这个时代的弃儿,而谁又将成就一番霸业,让我们拭目以待。

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