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卫星互联网发展研究及建议

加强天基系统与地面网络系统之间有效传输链路的建设,形成不同轨道和同型轨道卫星之间的星间链路;
发布时间:2020-07-08 11:28        来源:赛迪顾问        作者:刘暾

一、卫星互联网产业发展概述

2020年4月20日,国家发改委将卫星互联网作为通信网络基础设施的代表之一,纳入新型基础设施——信息基础设施的范畴,这是卫星互联网首次被官方认定为新型基础建设的一部分。

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图1“新基建”三大主要设施 

作为信息通信产业的重要组成,卫星互联网的发展最早可以追溯到20世纪80年代。在早期发展阶段,卫星互联网主要以提供语音、低速数据和物联网等服务为主,扮演着对地面通信网络的补充和延伸的角色。此后,受到应用拓宽、技术进步、成本降低等因素的驱动,加之商业卫星企业和火箭发射企业不断涌入,目前卫星互联网进入了与地面通信系统互补合作、融合发展的宽带互联网时期。

卫星互联网正在朝着低轨化(轨道高度<2000km)、小体量化(重量<1000kg)的方向发展。 

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图2 卫星轨道分类 

低轨卫星具有传输时延小、链路损耗低、发射灵活、应用场景丰富等特点,而且可以通过增加卫星数量大幅提升系统容量,非常适合卫星互联网业务的发展,而采用小型化、轻量化的卫星则可以进一步降低制造和发射成本。

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图3 2016-2020Q1全球不同轨道通信卫星在轨数量占比

二、卫星互联网产业发展现状及应用前景

1.卫星互联网产业发展现状

1.1各国加快部署低轨星座计划

卫星互联网低轨化发展趋势明朗,但在星座组网数量方面,高轨卫星单星覆盖率大,最大可覆盖42%的地球面积,一般3~4颗即可完成除极地地区之外的全球覆盖;而低轨卫星单星覆盖范围小,加之为了达到更高的系统吞吐量,因此需要更多的卫星密集组网从而完成全球覆盖和提升系统容量,这对卫星轨道和频谱资源提出了新的要求。

卫星轨道和频谱资源是一种有限的使用资源。目前,国际规则中的轨道资源主要以“先占先得”的方式进行分配,后申报方不能对先申报国家的卫星产生不利干扰;申报者还必须在登记之后的七年内发射卫星,启用所申报的资源,否则预定的资源会失效。所以在低轨星座领域,轨道资源的竞争非常激烈。

频谱资源方面,较宽的信道频率带宽有助于提升通信容量。当前低轨卫星所主要采用的Ku及Ka通信频段资源逐渐趋于饱和状态,全球正在积极开拓Q、V频段,而频段更高的太赫兹频段也正处于规划阶段。

目前已有多个国家和地区制定产业政策以扶持先进卫星通信建设,争取先发优势,抢占资源高地。截至2020Q1,全球低轨通信卫星在轨数量为710颗。以SpaceX、亚马逊为代表的通信卫星企业制定了以发展高通量低轨卫星通信作为商业化核心方向的战略布局,纷纷提出低轨卫星“星座计划”,其中SpaceX公司是全球迄今为止拥有卫星数量最多的商业卫星运营商,星链第九批58颗卫星已于2020年6月13日成功入轨,目前在轨卫星数目高达540颗(含两颗测试星)。

我国自2017年以来也相继启动多个卫星星座计划,在宽带卫星互联网、窄带卫星物联网等领域开始积极布局,预计2029年我国低轨卫星入轨数量达到1900颗,低轨卫星数目将位列全球第二。

图4 2029年全球近地轨道卫星布局及占比

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1.2构建我国空间基础设施体系

我国空间基础设施发展已基本建成完整配套的航天工业体系,航天技术步入国际先进行列,初步建成了以卫星遥感、卫星通信广播、卫星导航定位为代表的空间基础设施体系系统工程。

卫星遥感领域,我国1975年首次发射可返回式遥感卫星,开启遥感卫星纪元。目前我国陆地观测、海洋观测、大气观测三个系列的卫星遥感空间系统正在加快建设。高分卫星方面,2013年4月26日,我国高分辨率对地观测系统的首发星高分一号卫星成功入轨,民用高分辨率遥感数据开始应用,2019年底高分十二号也已完成发射升空。持续推进建设的遥感卫星星座工程将增强我国在资源、海洋、气象、环境减灾等遥感领域的业务化服务能力。

卫星导航定位领域,北斗三号卫星系统最后一颗组网卫星已经成功发射,至此,北斗三号全球卫星导航系统星座部署全面完成。与美国的GPS、俄罗斯的GLONASS,欧盟的Galileo等导航系统以单一轨道卫星部署星座不同,我国北斗系统采用三种轨道卫星组成混合导航星座,能够为全球用户提供全天候、全天时高精度的定位、导航,精确授时,辅助安全驾驶,灾难搜救以及短报文通信等服务。随着组网完成,北斗产业将进一步加速发展。

卫星通信广播领域,我国已经基本形成完整的通信卫星产业链,固定通信广播等卫星通信基本保障体系初步形成,“天通一号”卫星发射则拉开了我国卫星移动通信序幕,随着中星十六号高通量卫星投入业务运行,我国开始进入宽带卫星通信时代。但是在通信卫星总体数量尤其是在低轨卫星数量方面我国依然有着巨大的增长空间。未来,全面融合的天基信息网和地面移动通信网将构成覆盖全球、无缝连接的天地一体化信息网络,对保障国家安全,提高国家综合竞争力具有重大战略意义。

图5 中国空间基础设施建设进程

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2.卫星互联网未来应用前景

卫星互联网的出现不会与5G等地面网络构成竞争关系。在时延方面,目前的卫星互联网能达到几十毫秒级别的延时,可以与4G网络媲美,但是与5G网络10毫秒以内的延时相比差距仍然巨大,无法满足自动驾驶、远程医疗等低延时场景应用;而在带宽方面,虽然目前单颗卫星带宽已能达到20Gbps,但与组网卫星数目相比,地面基站数量更加庞大,系统容量也更大,可满足大规模终端产品的高速网络连接,卫星互联网在海量终端接入方面受到限制。地面网络高速率、低延时、海量连接等特性使得其适合在人口密集的城镇铺设,但是在一些偏远地区地面网络的容量成本和覆盖成本却显著提高,且易受到自然地形与气候条件的影响,而卫星互联网可以突破地表条件限制,在更大时空尺度范围高速连接,因此它的典型商业应用场景主要包括偏远地区通信、海洋及科考作业、空域宽带通信、灾备应急通信等。

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图6 卫星互联网未来应用场景

三、卫星互联网产业发展建议

1.加快天地网络融合发展

加强天基系统与地面网络系统之间有效传输链路的建设,形成不同轨道和同型轨道卫星之间的星间链路;

加快星地融合的标准化设立,设计兼容的星地通信协议,统一空口技术体制,实现星地网络之间的互连互通;

推进动态频谱共享机制,解决频率干扰问题,提升频谱利用效率;

加快卫星网络与地面网络融合架构建设,实现便捷切换“天地”网络;

引入MEC技术,避免星地节点间不必要的通信交互,降低业务传输时延,节省带宽资源;

成立专门的天地网络融合服务运营商,不断探索天地网络一体化管理与运营方面的新模式、新方法。

2.推进示范应用基地建设

产业基础较好,政策优势显著的地区借助已经发布的低轨卫星星座计划,开展综合应用示范工程,吸引上下游企业集聚,并不断完善产业生态建设;

加强卫星互联网与5G、物联网、大数据、云计算、边缘计算等信息技术的贯通融合,不断催生新业态,提升卫星互联网技术应用水平。

3.积极寻求产业模式创新

积极吸纳民间资本不断完善全产业链,设立相关产业发展基金,做好资金保障,推进卫星互联网产业发展进程;

产业运作模式方面,产业链上下游环节企业明确分工,做好各环节生产过程的质量把控和成本控制,联合开展关键领域科技攻关,真正做到互利共赢,共同分享卫星互联网产业红利。

4.服务“一带一路”倡议

构建集卫星遥感、卫星通信广播、卫星导航与地理信息技术于一体的全球综合信息服务平台,提高与“一带一路”沿线国家在产业合作领域的层次和水平,带动提升我国空间信息产业市场化、国际化水平;增强卫星互联网在“一带一路”航运、工程建设、物流管理、生态环境监测、安全与应急管理等领域的应用渗透,为“一带一路”沿线国家及区域提供空间信息服务能力,助力实现信息互联互通。

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