郝才勇，張 琪，蔡鴻昀

（國家無線電監(jiān)測中心深圳監(jiān)測站，深圳 518120）

近年來，傳統(tǒng)的衛(wèi)星通信和廣播業(yè)務正在逐漸轉向寬帶互聯網業(yè)務，非對地靜止軌道（NGSO，包括低軌道或中軌道）衛(wèi)星系統(tǒng)迅速發(fā)展。2017年6月美國聯邦通信委員會（FCC）批準了OneWeb 公司提出的利用720顆低軌道衛(wèi)星提供寬帶互聯網接入服務的請求[1]。OneWeb 是第一個獲得批準的新一代NGSO 衛(wèi)星星座，標志著衛(wèi)星通信進入互聯網時代。

衛(wèi)星互聯網是利用位于非對地靜止軌道上的數量龐大的衛(wèi)星組成的星座網絡，提供互聯網接入服務。NGSO 衛(wèi)星系統(tǒng)具有覆蓋范圍廣、通信容量大、傳輸延遲低的優(yōu)點，正在改變當今的網絡通信。

數量龐大的NGSO 衛(wèi)星互聯網星座將在2020年前后相繼部署，這對衛(wèi)星監(jiān)管帶來了嚴峻的挑戰(zhàn)。首先，衛(wèi)星頻率管理將會越來越復雜。NGSO 衛(wèi)星星座使用的頻率具有全球性覆蓋，衛(wèi)星互聯網的發(fā)展需要更多的頻率資源，如何利用頻率以實現最大的使用效率并提高本國的衛(wèi)星通信競爭力，是衛(wèi)星管理面臨的一大挑戰(zhàn)。然后，隨著衛(wèi)星數量的急速增加，衛(wèi)星頻率和軌道將會變得日益擁擠，衛(wèi)星干擾將會越來越頻繁。解決衛(wèi)星干擾問題是衛(wèi)星管理面臨的關鍵性挑戰(zhàn)，需要開發(fā)新的通信技術和制定新的無線電規(guī)則來發(fā)減輕NGSO 衛(wèi)星造成的干擾。此外，衛(wèi)星互聯網系統(tǒng)具有天然的跨境覆蓋和全球通信的特性，這將帶來空間網絡信息安全的問題。最后，衛(wèi)星互聯網部署的數量龐大的巨型星座顯著增加了產生軌道碎片的風險。如何制定和實施防止軌道碎片的規(guī)則，以確保全人類有安全和可持續(xù)發(fā)展的空間環(huán)境也是衛(wèi)星管理面臨的另一嚴峻挑戰(zhàn)。

1 衛(wèi)星互聯網的發(fā)展現狀

目前，全球至少有十多家衛(wèi)星公司提出了NGSO 衛(wèi)星星座計劃，以利用衛(wèi)星網絡提供與地面通信網絡相媲美的互聯網接入服務，并且大多數衛(wèi)星公司計劃在未來五年內將第一批衛(wèi)星送入軌道。我國也提出了由幾百顆衛(wèi)星組成的“鴻雁”、“虹云”等星座計劃。表1為近三年內美國FCC 授權和許可的NGSO 衛(wèi)星星座，衛(wèi)星總數達到13，000多顆。

目前，全球具有代表性的衛(wèi)星互聯網星座是O3b 衛(wèi)星系統(tǒng)、OneWeb 的衛(wèi)星系統(tǒng)和Starlink 衛(wèi)星系統(tǒng)。

1.1 O3b 衛(wèi)星系統(tǒng)

表1 FCC授權和許可的NGSO星座

SES 衛(wèi)星公司擁有的O3b 星座系統(tǒng)是目前全球唯一成功投入商業(yè)運營的中軌道衛(wèi)星系統(tǒng)，從2014年開始運營，主要提供寬帶互聯網接入服務。O3b 衛(wèi)星星座位于赤道上空的圓軌道，高度為8062km，工作在Ka 頻段。截至目前，O3b 星座包括20顆在軌衛(wèi)星，能夠覆蓋全球南北緯45°之間的所有地方，包括我國絕大部分地區(qū)。用戶可以通過O3b 衛(wèi)星接入地面衛(wèi)星網關站，進而連接到地面互聯網。O3b 已于2018年獲得美國FCC 批準，后續(xù)將繼續(xù)部署傾斜軌道的衛(wèi)星，衛(wèi)星總數達到42顆，以實現向全球提供寬帶衛(wèi)星互聯網接入[3]。

1.2 OneWeb 的衛(wèi)星系統(tǒng)

OneWeb 公司于2013年提出低軌道衛(wèi)星星座計劃，衛(wèi)星數量為720顆（后來調整為650顆），軌道高度為1200km，工作在Ku/Ka 頻段，目的是向全球提供寬帶互聯網接入服務，已于2017年得到FCC 批準[2]。OneWeb 的每顆衛(wèi)星容量為7.5Gb/s，有16個用戶波束（Ku 頻段）和2個網關波束（Ka 頻段），計劃在全球部署55 ～75個網關站。OneWeb 已在2019年2月發(fā)射了星座的前期的6顆衛(wèi)星，計劃將在2019年底發(fā)射完成150顆衛(wèi)星并啟動有限區(qū)域運營，整個衛(wèi)星網絡將在2023年6月份之前全面運營。

1.3 Starlink 衛(wèi)星系統(tǒng)

Starlink 衛(wèi)星系統(tǒng)是SpaceX 公司于2016年提出的NGSO 衛(wèi)星計劃，是有史以來衛(wèi)星數量最多的衛(wèi)星星座系統(tǒng)，目標是在全球范圍提供寬帶衛(wèi)星互聯網接入服務，已于2018年得到FCC批準。Starlink 衛(wèi)星系統(tǒng)的部署分為兩個階段：第一階段將在低軌道上部署4，425顆衛(wèi)星，軌道高度為1100km ～1325km，工作在Ku/Ka 頻段；第二階段將在甚低軌道上部署7，518顆衛(wèi)星，軌道高度為 340km，工作在V 頻段。Starlink 衛(wèi)星系統(tǒng)將采用激光星間鏈路，星載天線、網關站和用戶終端都將使用相控陣技術[4][5]。Space X 于2019年5月發(fā)射了60顆衛(wèi)星，該星座的初期商業(yè)運作可能在2020年開始。最終在2024年3月份之前啟動全面運營。

2 衛(wèi)星監(jiān)管的挑戰(zhàn)

由于傳統(tǒng)的衛(wèi)星管理主要針對的是數量相對較少的靜止軌道衛(wèi)星，衛(wèi)星的使用范圍也往往限制在特定的有限區(qū)域內。衛(wèi)星互聯網的發(fā)展帶來衛(wèi)星數量的急劇增加，采用星間鏈路或關口站面向全球廣泛地區(qū)建立通信網絡，這對衛(wèi)星網絡的監(jiān)管提出了新的挑戰(zhàn)，主要包括衛(wèi)星頻率資源管理、衛(wèi)星干擾問題、空間網絡安全和軌道碎片問題。

2.1 頻率資源管理

衛(wèi)星互聯網的發(fā)展需要額外的頻率資源，頻率資源正成為各國和衛(wèi)星公司發(fā)展衛(wèi)星系統(tǒng)競爭的焦點。各衛(wèi)星公司提出的星座包含成百上千顆衛(wèi)星，按照當前國際規(guī)則，星座中只需要有一顆在軌衛(wèi)星，就相當于激活了整個NGSO 網絡資料，并獲得頻率和軌道資源的優(yōu)先權。一旦這些巨型星座系統(tǒng)建成，將對后建的其他衛(wèi)星星座造成很高的協調難度。這很容易演變成了通過發(fā)展衛(wèi)星互聯網來搶占衛(wèi)星頻率資源。

為了防止過度搶占頻率資源，國際電信聯盟（ITU）很有可能在2019年召開的WRC-19大會上，對衛(wèi)星網絡投入使用期限的規(guī)則進行調整[6]，要求衛(wèi)星公司必須在申請批準之后的規(guī)定期限內完成指定數量的星座部署。例如，FCC 要求衛(wèi)星公司在批準后的6年之內發(fā)射申報衛(wèi)星最大數量的50%，并在隨后3年內部署完成所有的衛(wèi)星。

衛(wèi)星系統(tǒng)的頻率管理通過國際和國內兩層監(jiān)管。在國際上，ITU 為協調和登記衛(wèi)星系統(tǒng)頻率使用制定了規(guī)則和技術建議，主要的規(guī)則是先到先得，即誰先申報并被批準了衛(wèi)星網絡資料，誰就獲得優(yōu)先權，在衛(wèi)星頻率協調中占主要地位；在國內，國家無線電管理部門對希望在本國開展業(yè)務的衛(wèi)星頻率使用進行監(jiān)管，采取的手段是頻率使用許可和業(yè)務運營許可。

隨著對有限的衛(wèi)星頻率資源需求的不斷增長，制定和實施衛(wèi)星頻率管理規(guī)則和技術標準，對于促進衛(wèi)星通信的發(fā)展和競爭力至關重要。復雜而耗時的頻率管理正在成為衛(wèi)星互聯網系統(tǒng)發(fā)展和落地運營的關鍵因素，并且最好在衛(wèi)星系統(tǒng)完成部署之前盡早解決。

2.2 衛(wèi)星干擾問題

近幾年提出的NGSO 衛(wèi)星星座包含數量龐大的衛(wèi)星并覆蓋全球，使用了與傳統(tǒng)地球同步軌道（GSO）衛(wèi)星相重疊的Ku 和Ka 頻段。衛(wèi)星互聯網的發(fā)展很可能會導致頻率干擾問題，可以預見隨著大規(guī)模衛(wèi)星星座的部署，衛(wèi)星間干擾問題會越來越多。當NGSO 衛(wèi)星經過GSO 衛(wèi)星和地球站之間的路徑時，NGSO 對GSO 衛(wèi)星干擾的風險將會增加。干擾的產生一方面是NGSO 衛(wèi)星和GSO 衛(wèi)星之間的干擾，另一方面是NGSO 星座系統(tǒng)之間的干擾。

根據ITU 規(guī)則第22 條，GSO 衛(wèi)星具有頻率使用優(yōu)先權，NGSO 衛(wèi)星系統(tǒng)不可對GSO 衛(wèi)星系統(tǒng)中的衛(wèi)星固定業(yè)務和衛(wèi)星廣播業(yè)務造成不可接受的干擾[7]。為了避免對GSO 衛(wèi)星系統(tǒng)造成干擾，NGSO 衛(wèi)星系統(tǒng)必須采取措施以符合等效功率通量密度（EPDF）的限制，如降低發(fā)射功率、調整天線指向角度等[8]。OneWeb 開發(fā)的Progressive Pitch 技術[9]，在NGSO 衛(wèi)星進入低緯度區(qū)域時逐步傾斜調整天線指向角度，以消除對GSO 衛(wèi)星的干擾。但多家衛(wèi)星公司對其干擾避讓效果表示質疑。

采用天線指向角度隔離和發(fā)射功率限制可在一定程度上減輕衛(wèi)星互聯網星座造成的干擾，但隨著數量龐大的衛(wèi)星星座的部署，這些技術的實施也將變得困難。由于NGSO 衛(wèi)星處于移動狀態(tài)，地面衛(wèi)星終端天線也在不斷地進行波束和衛(wèi)星切換，NGSO 和GSO 系統(tǒng)之間的干擾隨著時間和空間發(fā)生動態(tài)改變，識別違反規(guī)則的NGSO 衛(wèi)星將變得更加困難（無論是意外發(fā)生還是故意發(fā)生的干擾）。并且將來從地面采用衛(wèi)星干擾源定位技術來解決NGSO 衛(wèi)星干擾將會變得不可能。因此，衛(wèi)星互聯網系統(tǒng)中干擾處理的復雜性將顯著增加。

衛(wèi)星干擾會導致已有的衛(wèi)星系統(tǒng)和新部署的衛(wèi)星系統(tǒng)的效率降低，是衛(wèi)星互聯網發(fā)展必須考慮的問題。對衛(wèi)星監(jiān)管來說，面臨的挑戰(zhàn)是如何采用衛(wèi)星信號監(jiān)測和干擾定位技術，識別、定位干擾信號并判定干擾產生的責任方。

2.3 空間網絡安全

衛(wèi)星互聯網的發(fā)展使空間領域成為一個更加復雜的網絡環(huán)境。衛(wèi)星互聯網系統(tǒng)具有天然的跨境覆蓋和全球通信的特性。在我國境內的衛(wèi)星通信終端可以通過軌道上的衛(wèi)星星座直接將數據信息在境外網關站落地。圖1為O3b 星座的關口站分布，覆蓋我國的關口站為位于澳大利亞西部的Perth 關口站。

圖1 O3b的關口站分布及其覆蓋（來源：SES公司）

目前規(guī)劃的大部分NGSO 衛(wèi)星星座系統(tǒng)都采用了星間鏈路技術，包括SpaceX，LeoSat，Boeing，Telesat，Theia Holdings 等公司。星間鏈路是通過激光或微波鏈路建立一個空間骨干網，地面衛(wèi)星終端可與星座中的任何一顆在可視范圍內的衛(wèi)星建立連接，數據能夠從一個衛(wèi)星傳輸到另外一個衛(wèi)星[10]。

采用星間鏈路的NGSO 衛(wèi)星系統(tǒng)使數據信息可以從起點跨越地球上任何區(qū)域直達終點。此外，將網關站建在境外的NGSO衛(wèi)星同樣可以實現無需經過境內的地面網絡系統(tǒng)直接進行通信，突破了傳統(tǒng)的地面互聯網信息監(jiān)管。OneWeb 公司在2018年表示其NGSO 衛(wèi)星星座不會采用星間鏈路，而選擇在全球各地部署55 ～75個網關站，其直接原因是各國的網絡監(jiān)管部門擔心使用NGSO 衛(wèi)星網絡時，掌握不了本國通信業(yè)務的去向和重新落地的位置。

為了應對NGSO 衛(wèi)星互聯網帶來的空間網絡安全監(jiān)管問題，大多數國家把衛(wèi)星業(yè)務運營許可和頻率許可作為管理國外衛(wèi)星系統(tǒng)的手段。對于衛(wèi)星互聯網監(jiān)管的具體措施，面臨的挑戰(zhàn)是如何通過衛(wèi)星監(jiān)測確定沒有得到我國落地權許可的NGSO 衛(wèi)星，在我國實際開展的業(yè)務運營的情況。

2.4 軌道碎片問題

衛(wèi)星互聯網的快速發(fā)展導致地球軌道上衛(wèi)星數量的急劇增加。今天有近2，000顆活躍的衛(wèi)星在地球軌道上運行，并且在不久的將來可能再發(fā)射20，000顆衛(wèi)星。雖然這些前所未有的巨型衛(wèi)星星座可能帶來重要的利益，但是這些衛(wèi)星可能會導致顯著增加的軌道碎片。圖2為軌道碎片情況。

軌道碎片是圍繞地球運行的任何失效的人造物體。美國國防部與NASA 合作建立太空監(jiān)視網可以探測、識別和跟蹤繞地球軌道運行的物體，其在2018年公開目錄包含19，000多個，其中只有2，000多顆是在軌衛(wèi)星，剩下的都是軌道碎片，這些軌道碎片都可能導致嚴重的碰撞[11]。

圖2 軌道碎片（來源：歐洲航天局）

如何發(fā)展技術和指定規(guī)則來減少產生軌道碎片的風險，以應對巨型星座帶來的影響，也是衛(wèi)星監(jiān)管面臨的嚴峻挑戰(zhàn)?？臻g是一種共享的自然資源，所有的利益相關者制定防止軌道碎片的規(guī)則以減緩軌道碎片的增長，比以往任何時候都更加重要，從而確保全人類有安全和可持續(xù)發(fā)展的空間環(huán)境。

3 結束語

衛(wèi)星通信正在從傳統(tǒng)的視頻廣播業(yè)務向衛(wèi)星互聯網業(yè)務轉變。衛(wèi)星互聯網的發(fā)展有效的擴展了全球互聯網接入的范圍。衛(wèi)星互聯網是一個全球性的網絡，其業(yè)務運行產生的影響不局限于某個國家或地區(qū)。因此，衛(wèi)星互聯網的發(fā)展在帶來利益的同時，也為衛(wèi)星監(jiān)管提出了新的挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)包括衛(wèi)星頻率管理、衛(wèi)星干擾問題、空間網絡安全和軌道碎片問題。針對這些挑戰(zhàn)需要盡早提出應對措施，包括提升衛(wèi)星監(jiān)測技術和制定空間無線電使用規(guī)則，從而實現對衛(wèi)星互聯網進行有效的監(jiān)管。