国际空间信息网络发展计划对我国的启示

[《移动通信》2017年第12期], 中国电子科技集团公司第七研究所 吴砚锋 童业平 发布于 2017/9/28


在“天地一体化信息网络”建设被上升为国家战略之际,通过简要综述国际空间信息网络发展的一些具体情况,结合相关专业方向的研究实践,分析了几项相关的关键技术,并提出了一些思考,为相关专项的论证提供参考。

摘要:天地一体化信息网络建设被上升为国家战略之际,通过简要综述国际空间信息网络发展的一些具体情况,结合相关专业方向的研究实践,分析了几项相关的关键技术,并提出了一些思考,为相关专项的论证提供参考。

关键词:天地一体化,高通量技术,临近空间,天网地网

1 引言

2016年是我国十三五规划开局之年,天地一体化信息网络建设正式成为十三五国家战略百大工程的第九项。这距离2006年沈荣骏院士最早提出我国天地一体化航天互联网的概念及总体构想已有十年之久,在此之后的2007年和2012年,中国宇航学会飞行器测控专业委员会先后两次召开学术年会,对航天互联网相关技术进行了专题研讨。20139月,我国召开了首届天地一体化信息网络的高峰论坛,取得了丰厚的成果。2015年,张乃通院士发表了《对建设我国天地一体化信息网络的思考》,提出了天地一体化信息网络的基本架构设想,并对今后的建设工作提出了建议。20163月,中国电子科技集团公司首席科学家吴曼青院士综合了前期研究成果,进一步提出了天地一体化信息网络的总体架构设想,梳理了网络技术体系,并重点论述了天网地网架构、天地一体网络协议、天地融合移动接入、保密安全、运维管控等方面的设想。经过长期广泛的思考和讨论,以及随着技术的发展和市场需求的日益迫切,业界专家对于构建我国天地一体化信息网络的必要性已经取得共识,即在天地一体化信息网络上升为国家战略的机遇下,在我国的理论研究和技术基础已经初步具备建立天地一体化信息试验网的条件下,行业内应尽快进行可行性论证和立项申请。

2 国外研究成果和发展计划

卫星通信、导航和遥感是卫星商业应用三大主要领域。天地一体化信息网络主要就是讨论这三大天基网络(包括其地面段,如通信地球站、地面导航增强系统、地面传感信息网络)与地面其他信息系统(如蜂窝移动网络、有线宽带网络等)的一体化与深度融合。与领先全球的地面光纤宽带基础设施和4G5G蜂窝通信技术相比,我国在天基信息网络建设和技术方面与世界发达国家有着不小的差距。可以先看一下其他天基信息技术领先国家的部分具有代表性的商业卫星计划。

美国的03B计划。GoogleSES、汇丰、Liberty GlobalJohn Malone投资成立的03B计划发射16MEO卫星,每颗卫星重量约680 kg,通过载有空间路由器的卫星对全球发展中国家和地区进行无线宽带网络覆盖,初步计划提供10 Gb/s的带宽。使得其他30亿人口(other 3 billion-03B)享受廉价的互联网宽带服务。至20149月,03B宣布已经发射的8颗卫星全面运营,提供时延不超过150 ms600 Mb/s中继带宽。临近空间,如平流层也正在成为大家争夺的阵地。Google发布了“Loon”项目(潜鸟计划),希望利用热气球为农村和欠发达地区提供廉价互联网服务。Loon气球飞行在20 km的平流层,直径15 m,使用聚乙烯塑料制成,加上特殊涂层防止填充的氦气泄漏,载荷10 kg,覆盖半径为40 km,约2个纽约市的面积。气球载荷包括气象传感器、定位装置和信道收发机,可以与其他邻近气球和地面基站通信。这些带有定位装置的聪明气球可以通过调整高度捕捉平流层稳定的多层多方向气流进行运动,通过海量的历史风向和气象数据计算进行实时飞行路径优化使得几百个气球能按照一定的队形环球飞行,可以提供下载速度达10 Mb/sLTE移动通信服务。这与轨道卫星利用KuKa提供的固定IP业务不同,它可以支持手持移动用户的接入。去年,Google首次提出测试该项目,但遭到了包括电信、航空、国防在内的多家政府部门的反对。电信运营商担忧的是Loon项目会干扰到信号传输,而航空部门则担心其会对航线产生影响,国防部门担心气球会跨越军事设施。看来如果要利用临近空间,这些都是必须要考虑的。Google在遥感领域也作出了大胆的探索,收购了Skybox Imaging,布置了24颗冰箱大小的低轨卫星拍摄对地高分照片,利用大量的地理空间数据、机器学习能力及专家经验将原始影像资料转化为数据来帮助人们和组织作出更明智决策的目标。以后可以看到高清直播版的Google EarthLoon计划如图1所示:

SpaceX也不甘心只当搬运工,Elon Musk向联邦通信委员会(FCC)申请了一个4 000颗近地轨道卫星的计划,星座高度1 200 km,每颗卫星重量约100 kg,采用相控阵天线。若一切顺利,5年后开始提供服务,届时这家火箭公司转型为巨量高速天基网络运营商,为数十亿的终端提供服务。

SpaceX宣布计划仅仅两天后,OneWeb宣布了一个648颗低轨卫星星座的计划,并得到QualcommVirgin的投资。它的卫星重量和轨道高度都与SpaceX的计划星座几乎相同,但是它的东家Virgin拥有自己的频率资源,国际电联已经批给一个Ku波段。而且如果一切顺利,将来可能增加到2 400颗卫星。OneWeb可以提供小型终端,上网速度50 Mb/sOnWeb计划如图2所示:

2017223日,铱星官网宣布第一颗“Iridium NEXT”卫星正式启动运行。自2017114日第一批10“Iridium NEXT”卫星成功发射和部署以来,铱星团队已经完成了一系列严格的测试和验证。

3 轨道与频率

2016427日,美国空军向SpaceX授予8 300万美元的卫星发射合同,主要原因是合同价格大约比之前的估算低了40%Elon Musk开启了一个低成本火箭发射时代,在全球产生了巨大影响,这刺激了欧美人的雄雄野心,动辄宣布几千颗卫星规模的星座建设计划,并且借助金融市场拥有非常灵活的融资手段来保障计划的顺利实施。这些星座都宣称其担负着解决落后地区互联网覆盖,实现全球普遍服务的义务。于是所有的机构和专家都倾向于分析其盈利前景和回收成本的可能,反思铱星计划的失败教训。实际上,这完全有可能冲着一个重要的战略资源——轨道和频率而来。

关于轨道和频率的使用,国际规则就是先占先得。当中国发展北斗的时候,就已经有了L频段拥挤不堪的教训。如果现如今我国的天基信息网络发展计划,尤其是商业卫星应用计划继续纠结于是否能通过资费实现盈利,继续就理论是否完善,技术是否成熟不停地打嘴仗。当万物互联时代瞬间扑面而来,我们会发现头顶飞过的都是他国卫星和飞行器,无论轨道还是频率,优质地段已无插足之地,届时即使有再先进的网络覆盖技术,也要先给欧美企业交场租。就像没有土地不能成为大开发商,没有轨道和频率,天地一体化信息网络的宏伟战略就只能建在纸上。因此,建议在轨道和频率的争夺战中,中国不能落后,必须加快制定对各个轨道和频率的利用计划,行动起来,才能立于不败之地。

4 高通量技术

卫星通信系统的容量是制约卫星通信系统普遍应用的一个重要因素。地面蜂窝通信系统由许多的小蜂窝和微小蜂窝组成,每一个蜂窝的容量虽然不大,但通过频分复用技术,在一定带宽内分出无数的蜂窝覆盖整个地面,系统容量非常巨大,可以满足全球用户的接入需求。而卫星的一个波束就覆盖整个地区或者整个国家,在Ku或者Ka频段,一个波束可以提供很高的带宽,但其多址能力毕竟是有限的,因此卫星系统无法满足大容量节点的接入需求。用户节点过少,用户成本就高,因此,卫星通信的成本居高不下,只能为不计成本的特殊用户提供服务。

高通量卫星(High Throughput SatelliteHTS)一词最早由北方天空研究公司(NSR)于2008年提出。高通量一词是相对于同等轨道和频谱的常规卫星而言的,主要体现在高水平的频谱复用和点波束技术上,通过上述技术使其总容量比传统卫星提高数十倍甚至上百倍。当前全球最新的高通量技术应用主要集中在Ka频段,提供卫星宽带通信业务,例如Hughes网络、ExedeTooway等。我国201686日发射的天通一号移动通信卫星01星,首次在S波段使用64馈源阵的平板阵列天线产生108个通用波束的多波束技术,可以在我国本土及周边地区形成100万用户容量的卫星网络覆盖。2017412日,我国首颗Ka频段高通量卫星中星16顺利发射升空,该卫星配备了26Ka转发器,通信容量达到20 G以上。作为天地一体化网络的重要组成部分,天通一号中星16都是我国在使用高通量技术方面的有益尝试。

5 高频段

近年随着毫米波器件的成熟,通信卫星的工作频段已全面进入Ka时代,未来将向更高频段发展,新一代的通信卫星大多带有Ka转发器。2011年欧洲发射了全球第一颗全Ka转发器卫星Ka-Sat,这标志着Ka转发器正式成为商业通信卫星的主要载荷。目前LCS波段已经非常拥挤且容量有限,随着毫米波TR组件的发展,通信卫星必然向Ka和更高的V(美国的AEHF)频段发展。高频载波的信息容量更大,可以提供更高带宽并实现终端小型化,WINDS卫星终端采用45 cm天线完成了155 Mb/s信息速率的传输。当然,高频段技术在阴影和衰落方面将遇到更多挑战,其应用场合也有自己特定的边界,但无疑应当成为“天地一体化信息网络”主要考虑的技术手段。我国刚刚成功发射“墨子”号量子通信卫星,但学术界对于其使用“量子”一词还有争议,因为它只是利用光量子的密钥分发,离实现纠缠态量子信息传输的目标还有相当一段距离。在高带宽通信方面,太赫兹技术仍然具有现实的应用价值,太赫兹技术兼具光通信和微波通信的优点,具有传输速率高、容量大、方向性强、安全性高及穿透性好等诸多优点。据相关报道,日本已经通过试验验证其速率可达100 Gb/s,美国正在利用太赫兹技术研制通信距离为5 km的近距离高速通信设备。国家对相关标准的制定和网络规划,都应该对这些未来技术的出现具有一定的前瞻性。

6 临近空间

海拔20 km100 km的空域称为临近空间,位于飞机飞行高度以上、卫星运行轨道以下。临近空间大致包括了平流层的大部分区域(高度12 km50 km)、中间层区域(高度60 km100 km)和部分电离层区域(高度60 km100 km)。临近空间是航天和航空空间之间的过渡区域,除了火箭偶尔穿越以外,那里是尚未开发的一片空白空间,没有被充分开发利用,世界各国的关注度越来越高,但大多数国家都还处在理论研究阶段。

中国首个军民通用新型临近空间平台“圆梦号”201510月在内蒙古锡林浩特成功放飞。这是全球首次具备持续动力、可控飞行、重复使用能力的临近空间飞艇飞行。在军事方面,美国已装备部分低速(如战斗天星高空气球)和高速临近空间装备(如SR-71高空高速战略轰炸机)。在民用领域,除了前面介绍的GoogleLoon项目,正在进行中的有Facebook研制的无人机Aquila,如图3所示,这种无人机有一对43 m长的波音737翼展,采用高强度的碳纤维材料,重量仅为454 kg。使用氦气球提升到平流层,通过太阳能维持巡航动力。2016628日,Aquila第一次试飞成功,但在随后的降落试验中发生事故受到损坏。其首飞的目标是为偏远地区提供上网服务。Facebook的计划是:地面基站将无线电波传送到一架Aquila,与卫星可以建立星间链路的方法类似,Aquila之间通过激光进行通信,建立宽带中继链路,机群将激光光束向下发送到地面的收发器,收发器接入地面宽带网络,将信号转化为Wi-Fi或者4G网络,以收发器为圆心,信号可以覆盖半径为30英里的地区。目前Facebook还没有确定数据套餐的类型,也没有确定服务的价格。

Aquila无人机有以下优势和特点:

1)可以轻易回收,进行保养维护和软硬件升级,建设周期短,成本低,可全天候工作;

2)可以旋绕特定区域飞行提供定点覆盖,具有类似于静止轨道卫星的覆盖能力;

3)容量大、传播损耗小(比地球同步轨道卫星衰减少65 dB)、时延短;

4)使用太阳能,省电、发射功率低、功耗低。

一个30 km高空的临近空间飞行器,可覆盖1.2× 107 km2的地域,我国人口多、面积大、需求可观,应尽快建立一套类似于Aquila的临近空间飞行器方案和通信体制,发展出一套拥有自主知识产权的临近空间飞行器中继平台,应用于军事和民用通信。在军事方面,可用于地面、海上、空中和太空的通信中继。在民用方面,可用于都市、郊区、乡村和边远地区数字电话、传真、电子邮件、视频视听等通信中继,并与地面民用互联网对接。

如图4所示,基于Aquila无人机群的方案,我们建议在组网中增加气球类飞行器,虽然无人机速度快,机动性好,但是缺点是重量受限,无法搭载重量和体积较大的大型基站设备,气球类飞行器载重更好。以气球类飞行器为中心,通过和无人机集群共同组成一个有中心的临近空间飞行器网络,进一步扩展了临近空间通信的带宽、容量和覆盖范围。

7 天网地网

把天地一体化网络结构分为三类:天星地网、天基网络和天网地网。

1)天星地网:目前国内外主要采用天星地网方式来构建,包括国际通信卫星(Intelsat)、国际海事卫星(Inmarsat)、全球星(Globalstar)和Orbcomm卫星通信网络等。卫星之间的互联通过地面网络完成,没有星间链路。这类网络复杂度较低,已得到了较好的商业应用,但是系统灵活度有限,网络资源、通信速率都受限,已经不适应目前大数据、云计算和物联网的发展。

2)天基网络:美国军事星(Milstar 3-AEHF)系统和铱星系统(Iridium)则实现了天基网络,每颗卫星都有网络交换或路由功能,在不依赖地面信关站的情况下,能够直接与地面终端组网。这类网络星上系统较复杂、成本较高,除了军事领域外,没有很成功的商业应用。

3)天网地网:由天基网络和地面网络共同构成,利用天基网络实现全球覆盖,利用地面网络实现更广泛的网络接入,使天网地网融为一体,既解决了地面网络覆盖不足的问题,又降低了天网星上建设维护的成本。

天网地网是最符合我国国情的天地一体化网络结构,到目前为止国内外仍处在设想和探索阶段。20173月,中国卫通集团的闵士权研究员基于吴曼青院士的天地一体化信息网络总体架构设想以及李德仁院士的PNTRC空间信息网络方案,提出了多层轨道天地一体化通信遥感导航网络方案,该方案提出了一个运用GEO星座骨干网络和LEO星座接入网络协同工作完成通信、遥感和导航三大功能的构想。

如图5所示,建议在闵士权研究员的方案基础上,强化临近空间飞行器在天网地网中的作用,充分利用海拔20 km100 km的空域,把目前的双层网络协同工作发展为三层网络协同工作。第三层的临近空间层负责上下行数据的中继和部分遥感数据的采集工作,它的特点和优势有:

1)对地面信关站、各类用户终端的低成本、小型化、低功耗都有很大帮助;

2)临近空间飞行器使用灵活、易回收,可以增强整个天地一体化系统抗毁性和安全性;

3)虽然,LEO星座网已经能够覆盖全球,但是地球地表仍然会有很多覆盖盲区,临近空间飞行器的加入可以解决这个问题,可以使整个系统的覆盖做到更细;

4)临近空间飞行器使得卫星遥感的数据更加立体和准确。

8 结束语

新时期,我国做出了“一带一路”、“走出去”和科技强国、网络强国等一系列战略决策。随着国家利益的扩展和延伸,更加需要运用创新的思维和方法建设“全球覆盖、随遇接入、按需服务、安全可信”的天地一体化信息网络,为人民群众和企事业单位提供可靠、稳定、丰富的信息服务,真正实现“国家利益在哪里,信息网络覆盖到哪里”的目标。我国天地一体化信息网络建设刚刚起步,面临技术难度大、涉及领域广、应用需求多等诸多现实问题,应集思广益、统筹规划、周密实施。

参考文献:

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[4]闵士权.论天地一体化信息网络——兼论我国天地一体化信息网络构想[C].//第十一届中国卫星应用产业国际研讨会论文集.201511.

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[10]杨伟中.我国临近空间飞艇首度试飞华丽家族圆梦号梦圆十月[EB/OL].2015-10-13[2017-04-15].http//www.cs.com.cn/ssgs/gsxw/201510/t20151013_4814647.html.

作者简介:吴砚锋:现任中国电子科技集团公司第七研究所卫星通信应用研发中心工程师,主要研究方向为卫星移动通信终端软硬件设计,卫星通信应用研发。童业平:现任中国电子科技集团公司第七研究所卫星通信应用研发中心副总设计师,主要研究方向为移动通信系统空中接口物理层,卫星通信及应用。持有国家发明专利四项,新型实用专利两项,曾获省部级科技进步奖一项。

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