龐立新，馮建元,2,4*，李 杰，周志成

(1.亞太衛(wèi)星寬帶通信(深圳)有限公司，深圳 518126； 2.武漢大學 電子信息學院，湖北 武漢 430072；3.中國空間技術研究院，北京 100094; 4.深圳市鵬城實驗室，深圳 518052)

0 引言

自1901年馬可尼發(fā)明無線電報以來，地面無線通信系統(tǒng)歷經(jīng)百余年發(fā)展，演進到當前能夠支持每平方千米百萬鏈接終端數(shù)、流量密度每平方千米數(shù)十Tbit/s、用戶峰值速率數(shù)十Tbit/s的5G時代，通信容量、網(wǎng)絡用戶數(shù)量和單用戶通信速率前所未有地提升，支撐了移動互聯(lián)、工業(yè)互聯(lián)、物聯(lián)網(wǎng)蓬勃發(fā)展。然而，時至今日，地面無線通信系統(tǒng)覆蓋地球表面的面積不足10%。在航空、海事及陸地偏遠區(qū)等無陸地通信系統(tǒng)覆蓋的區(qū)域，天基信息網(wǎng)絡有著不可替代的作用，保障了最后的通信連接。

隨著航天技術不斷進步，新一代的天基信息網(wǎng)絡由高、中、低軌衛(wèi)星共同構成，其中，高軌衛(wèi)星是指軌道高度大于20 000 km的衛(wèi)星，通常使用地球靜止軌道(GEO)衛(wèi)星；中軌(MEO)衛(wèi)星是指介于1 000～20 000 km之間的衛(wèi)星；低軌(LEO)衛(wèi)星是指軌道高度小于1 000 km的衛(wèi)星。

不同軌道衛(wèi)星各有優(yōu)劣勢，彼此協(xié)同組網(wǎng)具有互補性。高軌衛(wèi)星雖然覆蓋廣、只用極少數(shù)量的衛(wèi)星就能夠實現(xiàn)全球組網(wǎng)，但是由于距地面遠，傳播損耗大，終端尺寸大，傳播時延大；低軌衛(wèi)星由于軌道高度低，傳播損耗小，能夠實現(xiàn)小尺寸終端、小時延的目標，但劣勢是組網(wǎng)需要的衛(wèi)星多，工程浩大，而這一點可以被高軌衛(wèi)星所彌補。中軌衛(wèi)星則是具有介于高、低軌衛(wèi)星特點之間特性的衛(wèi)星。

根據(jù)高中低軌衛(wèi)星各自的特點，在未來天基信息網(wǎng)絡中，高軌衛(wèi)星承擔天基骨干網(wǎng)功能，用于廣域覆蓋和連通不同衛(wèi)星星座；中低軌衛(wèi)星則作為接入網(wǎng)，承擔天基信息網(wǎng)與用戶終端間的數(shù)據(jù)傳輸。

天基信息網(wǎng)絡通過整合不同軌道衛(wèi)星群，可以輻射全球并在重點區(qū)域增強傳輸能力，最終向海陸空終端用戶提供寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入，實現(xiàn)全球覆蓋、隨遇接入、按需服務的新一代網(wǎng)絡通信能力。

天基信息網(wǎng)絡是利用空間基礎設施數(shù)據(jù)互聯(lián)互通建設的信息網(wǎng)絡，有利于實現(xiàn)全天時、全天候、全地域服務國民經(jīng)濟和國防建設，是未來通信網(wǎng)絡天地互聯(lián)和一體化的重要組成部分和發(fā)展方向。

同時，天基信息網(wǎng)絡也是貫通我國空間基礎設施、融合通導遙系統(tǒng)的骨干網(wǎng)絡基礎。我國現(xiàn)有通信、導航、遙感各類衛(wèi)星，然而由于互相封閉，各系統(tǒng)數(shù)據(jù)無法融合形成滿足社會需求的高價值復合信息服務；同時，導航和遙感數(shù)據(jù)有效實時回傳一直不能很好地解決，這種情況既無法滿足新時代融合信息服務需求，也不利于發(fā)揮太空基礎設施優(yōu)勢并構建未來天地互聯(lián)信息網(wǎng)絡。因此，迫切需要借助高中低軌通信衛(wèi)星，著眼于構建中國新一代空間信息網(wǎng)絡，以網(wǎng)絡化、一體化為理念，以天基高通量通信網(wǎng)為核心，以各類衛(wèi)星資源融合共享應用為目的，從天基信息獲取、傳輸、融合和處理各個環(huán)節(jié)進行系統(tǒng)性創(chuàng)新與攻關。從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)互聯(lián)互通的天基信息網(wǎng)絡服務[1-2]。

2015年國家科技戰(zhàn)略座談會上，孫家棟院士向李克強總理建議推進“互聯(lián)網(wǎng)+天基綜合信息”系統(tǒng)建設，得到了中央和與會專家的高度重視。通過建設高通量天基通信網(wǎng)絡為骨架，融合導航、遙感數(shù)據(jù)服務的集成天基信息網(wǎng)絡，打通與地面通信網(wǎng)絡連接，實現(xiàn)“天網(wǎng)”與“地網(wǎng)”的深度耦合，從而將廣大用戶所需的天基數(shù)據(jù)信息送達手機和便攜終端上，更好地服務用戶需求[3]?？梢?，建設天基信息網(wǎng)絡具有重大意義。

1 國內(nèi)外技術基礎與現(xiàn)狀

1.1 國內(nèi)外空間網(wǎng)絡發(fā)展現(xiàn)狀

地球靜止軌道通信衛(wèi)星經(jīng)過數(shù)十年發(fā)展，市場應用已經(jīng)較為成熟。近年來，隨著低軌衛(wèi)星技術的不斷突破，逐漸滿足批量化、大規(guī)模制造標準，由于其傳輸時延較小、傳播損耗較低、發(fā)射方便、建造成本較低，非常適合天基信息網(wǎng)絡建設，因此低軌衛(wèi)星星座成為天基信息網(wǎng)絡的熱點。

當前，國外正在積極部署低軌衛(wèi)星星座，其低軌衛(wèi)星星座計劃主要包括OneWeb、O3b、Starlink等。其中，O3b中軌道衛(wèi)星星座是目前全球唯一一個已經(jīng)投入商業(yè)運營的中低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)；SpaceX公司由于具有大批量制造和發(fā)射衛(wèi)星的能力，后來居上成為擁有衛(wèi)星數(shù)量最多的商業(yè)衛(wèi)星公司[4-5]。

國外的星座計劃總體如下：OneWeb計劃建設720顆LEO衛(wèi)星和1 280顆MEO衛(wèi)星；O3b計劃建設60顆MEO衛(wèi)星；Starlink計劃建設4 425顆LEO衛(wèi)星及7 518顆極低軌道衛(wèi)星；波音公司計劃建設2 956顆LEO衛(wèi)星；LEOSat計劃建設108顆LEO衛(wèi)星。此外，還有一些已建成的星座，如35顆LEO衛(wèi)星構成的Orbcomm、75顆LEO衛(wèi)星組成的Iridium系統(tǒng)和56顆LEO衛(wèi)星組成的Globalstar等。

國內(nèi)方面，近年來低軌星座也呈現(xiàn)再次崛起的趨勢，從頂層政策支持、一線研發(fā)投入全方位推進。2015年《國家民用空間基礎設施中長期發(fā)展規(guī)劃(2015—2025年)》公布，從頂層為天基網(wǎng)絡做出了規(guī)劃，2016年天基信息網(wǎng)絡寫入《“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》。此外，工信部和廣電總局也針對低軌衛(wèi)星使用的Ka頻段，對原有動中通和地球站進行了規(guī)范，在頻率使用方面為低軌衛(wèi)星部署提供便利。

國內(nèi)正在實施的低軌星座部署計劃有：航天科技集團300顆LEO衛(wèi)星組成的鴻雁星座，航天科工集團156顆LEO衛(wèi)星組成的虹云工程及80顆LEO衛(wèi)星組成的行云工程，中國電科集團120顆LEO衛(wèi)星組成的天象星座。此外，我國民營低軌星座也蓬勃發(fā)展，目前已在規(guī)劃中的有九天微星72顆LEO衛(wèi)星組成的天基物聯(lián)網(wǎng)星座，國電高科38顆LEO衛(wèi)星和MEO衛(wèi)星組成的天啟星座，歐科微28顆LEO衛(wèi)星組成的翔云星座，以及銀河航天650顆LEO衛(wèi)星組成的銀河Galaxy衛(wèi)星星座等[6]。

1.2 天基信息網(wǎng)絡技術基礎

由高中低軌衛(wèi)星組成的天基信息網(wǎng)絡的發(fā)展，其技術基礎離不開以下幾方面。

1.2.1 新一代高通量衛(wèi)星技術

目前，我國成熟商用的高通量GEO衛(wèi)星容量為幾十Gbit/s，隨著實踐二十號通信試驗衛(wèi)星成功發(fā)射，該容量提升至百Gbit/s，并向Tbit/s級前進。衛(wèi)星通信容量的提升需要有效載荷的增加，而增加載荷離不開新一代的衛(wèi)星平臺。

我國自主研制的新一代衛(wèi)星平臺——東方紅五號平臺很好地支撐了新一代高通量衛(wèi)星的發(fā)展。該衛(wèi)星平臺具有以下幾項突破。

首先是遠高于以往的承載能力。使用該平臺的實踐二十號衛(wèi)星整星發(fā)射質量達到8 000 kg，有效載荷達到15 000 kg，是目前世界上最重的通信衛(wèi)星，也是我國自主研制發(fā)射質量最大的衛(wèi)星，轉發(fā)器布局能力達到120路以上，為擴大通信容量提供了基礎。

二是功率大。該平臺使用了二維二次展開半剛性太陽能板以及鋰離子蓄電池等技術，整星額定功率達28 kW以上，有效載荷功率達18 kW。功率能力大，可以為提高發(fā)射能力提供保障。

三是散熱好。通過主動、被動熱控相結合的方式，有效散熱能力達到9 kW以上，保障了衛(wèi)星系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

四是擴展能力強。該衛(wèi)星平臺可擴展至9 000 kg的整星質量，載荷功率擴展至22 kW，轉發(fā)器數(shù)量擴展至150路，為后續(xù)能力提升做好鋪墊。

該新一代高軌高通量衛(wèi)星能夠滿足我國未來十年高通量衛(wèi)星的需求，有力保證了天基信息網(wǎng)絡組網(wǎng)[7-8]。

1.2.2 低成本小衛(wèi)星制造技術

小衛(wèi)星的概念是依照衛(wèi)星整星質量而言，一般將小于1 000 kg的衛(wèi)星稱為廣義的小衛(wèi)星，500～1 000 kg的是狹義上的小衛(wèi)星，而100～500 kg的則可稱為微小衛(wèi)星，再往下又包括顯微衛(wèi)星和納米衛(wèi)星。與大衛(wèi)星相比，小衛(wèi)星突出特點是單星成本低廉且制造速度快，可在不到1年內(nèi)實現(xiàn)研制、運輸和發(fā)射,這大大降低了衛(wèi)星通信的門檻[9]。

近年來小衛(wèi)星發(fā)展迅速，尤其是50 kg以下的微小衛(wèi)星增長尤為迅速。2013年，全球共發(fā)射小衛(wèi)星數(shù)量達146顆，同比增長148.28%；2014年，全球共發(fā)射小衛(wèi)星數(shù)量達162顆，同比增長22.7%；后續(xù)幾年年均發(fā)射數(shù)量均超過100顆。其中，微小衛(wèi)星的發(fā)射數(shù)量連續(xù)5年增長率超過50%[10]。

小衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量迅猛增加的背后是小衛(wèi)星制造技術不斷得到突破，衛(wèi)星研制成本不斷降低，目前，小衛(wèi)星的制造成本可低至200萬～400萬美元，這對于許多衛(wèi)星發(fā)射者而言，意味著可以跨過門檻，參與到衛(wèi)星網(wǎng)絡的建設中去[11-12]。

衛(wèi)星成本的降低得益于迭代研制的開發(fā)管理方法，以及在衛(wèi)星減重、大量采用商業(yè)器件和批量化生產(chǎn)方面做的改進，這些以民商用模式制造衛(wèi)星的思路也將會推動衛(wèi)星成本的持續(xù)降低。

1.2.3 低成本運載工具

運載工具是組建空間互聯(lián)網(wǎng)的重要一環(huán)，發(fā)射衛(wèi)星的主要運載工具是火箭，火箭的發(fā)射成本對于組網(wǎng)進程快慢與組網(wǎng)成本有巨大影響[13]。

以長征三號乙運載火箭為例，發(fā)射一次普遍需要6 000萬美元以上的發(fā)射費用，這對于需要龐大發(fā)射次數(shù)的低軌星座而言是無法承受的。近年來，隨著面向低軌道小衛(wèi)星發(fā)射服務的針對性設計，與“小衛(wèi)星”相對應的“小火箭”的發(fā)射成本迅速降低，例如航天科技集團的捷龍系列火箭和航天科工集團的快舟系列火箭，發(fā)射費用降低到幾百萬至一千萬美元。此外，國內(nèi)大量的民營商業(yè)航天公司正在研制民用小型低成本火箭，一些公司的小型火箭產(chǎn)品已經(jīng)進入了試驗發(fā)射的階段[14-15]。

國外對于低成本火箭的研制進展迅猛。以美國SpaceX公司獵鷹九號重型運載火箭為例，由于其具有火箭重復利用的技術突破，因此不僅具有載重質量大的特點，而且單位運載質量成本也極大程度降低，使其在國際衛(wèi)星發(fā)射市場極具競爭力。如其單次發(fā)射費用約6 200萬美元，可發(fā)射60顆星鏈星座衛(wèi)星，平均單顆衛(wèi)星發(fā)射成本僅100萬美元[16]。低成本火箭掃除了空間互聯(lián)網(wǎng)建網(wǎng)的運載障礙，使得空間互聯(lián)網(wǎng)建網(wǎng)進程得到加速。例如星鏈計劃到目前已經(jīng)發(fā)射16批，共計895顆衛(wèi)星。

2 建設天基信息網(wǎng)絡需要解決的問題

2.1 網(wǎng)絡架構融合設計

建設天基信息網(wǎng)絡首先需要明確天基信息網(wǎng)絡架構的設計思路和組建方式。從簡單務實、滿足未來網(wǎng)絡需求、低成本快速建網(wǎng)的角度分析，天基信息網(wǎng)絡的架構設計應考慮以下兩方面。

2.1.1 高低軌衛(wèi)星聯(lián)合組網(wǎng)

由于中低軌衛(wèi)星星座存在軌道、頻率資源申報和協(xié)調(diào)困難大、組網(wǎng)周期長的問題，在現(xiàn)有空間互聯(lián)網(wǎng)星座計劃中，僅僅依靠低軌衛(wèi)星星座存在組網(wǎng)過程漫長的問題。同時，在組網(wǎng)過程中，由于國際上低軌星座計劃數(shù)量較多，互相間電磁兼容問題也不容忽略，最終的結果很可能由于頻率軌位兼容問題，使得低軌星座最終也無法實現(xiàn)全球無縫覆蓋。那么，在這種背景下，利用高軌衛(wèi)星(地球靜止軌道衛(wèi)星)具有成熟衛(wèi)星資源和網(wǎng)絡，以及廣域覆蓋的優(yōu)勢，在低軌衛(wèi)星星座建設過程中和建成后，都能為低軌星座提供極大地組網(wǎng)輔助[17]。

同時，由于低軌衛(wèi)星星座衛(wèi)星數(shù)量龐大，且不間斷進行大尺度高速運動，星間路由極度復雜，研究信息數(shù)據(jù)傳輸路由的優(yōu)化策略，降低重復數(shù)據(jù)對路由的占用，提高星間鏈路的傳輸效率將是一門重要課題。但不論采用何種路由優(yōu)化算法，利用高低軌衛(wèi)星多層次傳輸路徑的優(yōu)勢，都將是很好的技術方案。

高軌衛(wèi)星由于覆蓋廣，可以覆蓋大量低軌星座衛(wèi)星。利用這個特點，高軌衛(wèi)星可以承擔骨干核心網(wǎng)的功能，幫助遠距離的低軌衛(wèi)星間進行通信，從而將原本低軌星座中幾十跳甚至上百跳的信息傳輸降低為一跳傳輸，大大減少了數(shù)據(jù)信息在星間鏈路中的重復占用，提高了低軌衛(wèi)星星座星間鏈路的使用效率。

因此，在建設天基網(wǎng)絡時應重視高軌衛(wèi)星的作用，將高軌衛(wèi)星納入到整體網(wǎng)絡系統(tǒng)中來考慮。

2.1.2 衛(wèi)星與5G融合技術

未來信息網(wǎng)絡的發(fā)展趨勢是構建天地一體的信息網(wǎng)絡，通過天基網(wǎng)絡彌補地面網(wǎng)絡覆蓋的不足，但目前天基網(wǎng)絡并沒能與地面網(wǎng)絡進行融合。在目前各大組織，如ITU、3GPP等，提出的衛(wèi)星與地面網(wǎng)絡聯(lián)合組網(wǎng)架構模型中，衛(wèi)星起的作用大多為透明的傳輸管道。同時，衛(wèi)星網(wǎng)絡的管理系統(tǒng)與地面網(wǎng)絡的管理系統(tǒng)也各不相通，整體網(wǎng)絡無法做到衛(wèi)星與地面網(wǎng)絡資源統(tǒng)一調(diào)度，因此衛(wèi)星與地面網(wǎng)絡還無法有效融合[18]。

造成這一現(xiàn)象的原因是衛(wèi)星與地面5G空中接口技術的差異，衛(wèi)星普遍采用DVB-S2(X)技術體制，而5G采用的是極化碼、LDPC與大規(guī)模MIMO相結合的技術體制，這導致衛(wèi)星通信系統(tǒng)接入網(wǎng)絡部分并不能與5G核心網(wǎng)連通，從而與5G系統(tǒng)融合。而為了實現(xiàn)真正的天地一體化信息網(wǎng)絡服務，需要一張統(tǒng)一的網(wǎng)絡，這張網(wǎng)絡能夠對衛(wèi)星和5G系統(tǒng)進行統(tǒng)一的管理與資源調(diào)度，用戶在系統(tǒng)中能夠無感使用衛(wèi)星或者地面5G系統(tǒng)；同時，網(wǎng)絡運營者也能夠統(tǒng)籌天地一張網(wǎng)的網(wǎng)絡資源，從而實現(xiàn)真正的網(wǎng)絡優(yōu)化。

2.2 衛(wèi)星持續(xù)低成本化

低軌星座組網(wǎng)的特點是組網(wǎng)所需衛(wèi)星數(shù)量龐大，因此為了支撐如此龐大的建設計劃，小衛(wèi)星研制必須做到“多、快、好、省”，即制造成本低、制造周期短、適應大批量生產(chǎn)、衛(wèi)星可靠性高。做到這幾方面，需要從以下幾點尋求突破[19]。

一是發(fā)展通用型小衛(wèi)星平臺。以往研制衛(wèi)星一般是圍繞任務需求進行設計制造，一星一方案，一個型號衛(wèi)星上的專用技術很難應用到其他型號，因此開發(fā)新型號衛(wèi)星時方案改動大、研制周期長、所需資金多。如果設計開發(fā)出具有通用功能的衛(wèi)星平臺，那么不論是通導遙何種類型的衛(wèi)星，以及不同低軌星座的衛(wèi)星，都可以套用公共平臺進行開發(fā)，避免了再設計，既節(jié)約成本，又節(jié)省了時間。

二是采用集成設計方法進一步給小衛(wèi)星“瘦身”。以往在GEO衛(wèi)星的設計上，各星上系統(tǒng)獨立分開，浪費了大量寶貴空間，這對于體積較大的GEO衛(wèi)星沒有什么影響，但對制造周期、成本和質量(質量直接影響發(fā)射成本)敏感的小衛(wèi)星非常關鍵。如可以探索以功能抽取整合的方式代替目前的分立系統(tǒng)方式，將遙測系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、熱控系統(tǒng)和姿軌控制系統(tǒng)中的控制功能整合進行集成設計，另外也可以再優(yōu)化結構系統(tǒng)和推進系統(tǒng)的布局，以集成化思想進行排布，進一步省出空間。同時，研發(fā)采用軟件定義衛(wèi)星也是具有潛力的方向。

三是更高頻射頻組件的低成本化。未來小衛(wèi)星星座將采用Q、V甚至W波段無線電傳輸，如何將高頻率射頻組件低成本化也是小衛(wèi)星需要研究的重要課題[20]，包括突破高頻段相控陣天線的技術瓶頸、研究新型天線材料等降低工藝難度、節(jié)約制造成本的方法。此外，由于高速率對高發(fā)射功率的需求，對于低成本Q/V/W頻段高功率放大器的抗非線性失真性能也要著重研究，同時還要研究抗高頻相位噪聲技術。此外，也需掃清規(guī)管層面的障礙，在規(guī)定NGSO不得干擾GSO規(guī)則的同時，推動ITU 的NGSO 規(guī)則制定中涉及Q/V 波段NGSO 業(yè)務等效功率通量密度(Equivalent Power-Flux Density，EPFD)的限制，實現(xiàn)衛(wèi)星系統(tǒng)電磁頻譜兼容共存。

2.3 天基信息網(wǎng)絡組網(wǎng)方式優(yōu)化

隨著自身的不斷發(fā)展，低軌衛(wèi)星星座成為建設天基信息網(wǎng)絡的重要組成。然而，相對于高軌衛(wèi)星而言，低軌星座存在數(shù)量龐大、相對運動速度快和運動空間范圍巨大的特點，這使得低軌星座網(wǎng)絡結構與高軌衛(wèi)星大大不同，且復雜度較后者高得多。同時，由于在海外建設地面站較為困難，星間鏈路成為低軌衛(wèi)星星座回傳信息的解決方案，這給原本就復雜的低軌星座路由更增加了分配和使用難度[21]。

單以星間鏈路骨干信息回傳來說，由于低軌衛(wèi)星星座采用星間鏈路回傳信息，再經(jīng)地面站進入互聯(lián)網(wǎng)。不同的兩顆低軌衛(wèi)星間信息的傳輸，信息往往經(jīng)過幾跳衛(wèi)星的中繼，才能最終達到目標衛(wèi)星，且信息傳輸所需的跳數(shù)與兩顆低軌衛(wèi)星的距離正相關。這導致在低軌星座中，有大量的星間鏈路都傳輸著同樣的信息，從而給低軌星座星間鏈路的使用效率帶來了巨大挑戰(zhàn)。

根據(jù)不同的路由算法和信息傳輸策略，低軌星座中星間鏈路傳輸相同信息的條數(shù)是0(n)～0(n2)，這將導致寶貴的星間鏈路資源被極大占用，星間鏈路看似總容量很大，但由于被重復占用，導致實際傳輸?shù)男畔⒘看蟠蛘劭?。因此，如何設計優(yōu)化的信息路由和傳輸策略，降低整網(wǎng)中重復傳輸?shù)男畔⒘渴翘旎畔⒕W(wǎng)絡一個重要課題，也是天基信息網(wǎng)組網(wǎng)研究的重要方向。

3 天基信息網(wǎng)絡運營面臨的挑戰(zhàn)

任何一張通信網(wǎng)絡的建設、壯大成熟并具有強大生命力，其根本是具有應用場景、能夠穩(wěn)定運營、具備盈利能力。對于天基信息網(wǎng)絡，不光是要解決如何建設的問題，同樣也要解決如何使用和運營的問題。概括來說，天基信息網(wǎng)絡運營面臨的挑戰(zhàn)分為如下4個方面。

3.1 政策法規(guī)挑戰(zhàn)

電信作為極特殊的業(yè)務領域，事關國家戰(zhàn)略安全，各國都對電信業(yè)做出了極為嚴格的約束與管制。例如，我國針對電信行業(yè)從業(yè)，頒布了《中華人民共和國無線電管理條例》《中華人民共和國無線電管理規(guī)定》《中華人民共和國電信條例》《無線電頻率使用許可辦法》《無線電臺執(zhí)照管理規(guī)定》《建立衛(wèi)星通信網(wǎng)和設置使用地球站管理規(guī)定》《電磁輻射環(huán)境保護的管理規(guī)定》等一系列法律法規(guī)，詳細且嚴格限制了從經(jīng)營牌照、無線電頻率使用到無線電臺(含空間無線電臺)設置的方方面面，這對運營天基信息網(wǎng)絡設置了極高的行業(yè)準入門檻[22-23]。

同樣，對于國際其他國家，相似的法規(guī)和管理辦法也同樣存在。對于天基信息網(wǎng)絡的運營而言，其不同于陸地通信網(wǎng)最大的特點就是要全球覆蓋。因此，天基信息網(wǎng)絡的運營必然需要沖破其他國家對電信的重重法規(guī)限制。

在這種背景下，需要天基信息網(wǎng)絡的運營者具備豐富的衛(wèi)星網(wǎng)絡運營和國際合作經(jīng)驗、開放的國際視野和可被國際接受的背景身份。合適的網(wǎng)絡運營者關系到天基信息網(wǎng)絡運營的成敗。

3.2 成本挑戰(zhàn)

通信網(wǎng)絡的運營目標是盈利，反過來說，就是要降低成本[24-25]。然而，相對于靜止軌道衛(wèi)星而言，發(fā)射大量的低軌衛(wèi)星組成星座，其組網(wǎng)成本遠遠高于前者。一個由700～1 000顆衛(wèi)星組成的低軌衛(wèi)星星座，按照目前每年100～150顆的發(fā)射速度，也需要7～8年完成，而小衛(wèi)星的普遍壽命是5～8年，也就是說，低軌星座剛完成組網(wǎng)，第一批發(fā)射的低軌衛(wèi)星壽命就到期，需要新發(fā)射的衛(wèi)星進行替換，如此往復下去。

雖然低軌衛(wèi)星和火箭都在低成本化，但是這種循環(huán)的發(fā)射模式仍然讓低軌星座的組網(wǎng)成本居高不下。如何在這種高成本條件下找到合適的經(jīng)營模式，將會是天基信息網(wǎng)絡盈利的重點。這將需要不斷發(fā)掘新的應用場景和應用模式，應用方面創(chuàng)新的重要性絕不亞于低軌星座本身的技術創(chuàng)新。

3.3 地面通信競爭

相對于陸地通信網(wǎng)絡，天基信息網(wǎng)絡具有廣域覆蓋的優(yōu)勢，能夠提供天空、海洋和偏遠地區(qū)無縫的通信服務。然而，天基信息網(wǎng)絡由于組網(wǎng)成本較高，在價格敏感的個人消費市場中，天基信息網(wǎng)絡服務產(chǎn)品天生存在競爭劣勢，且由于頻段、傳輸距離等限制，天基信息網(wǎng)絡的用戶終端難以做到如陸地移動通信終端那樣小巧而方便。同時，天基信息網(wǎng)絡也難以像陸地通信網(wǎng)絡那樣超高密度組網(wǎng)，提供單位面積內(nèi)的大容量覆蓋。

以上這些都是天基信息網(wǎng)絡相對于陸地移動通信網(wǎng)絡的劣勢，這些劣勢確實會導致在普通消費者市場中，天基信息網(wǎng)絡競爭力不足。因此，天基信息網(wǎng)絡運營者需要挖掘市場空白，以優(yōu)異補充者的身份進行差異化競爭，并發(fā)揮天基信息網(wǎng)絡的優(yōu)勢，吸引和增加用戶的粘性。

3.4 行業(yè)發(fā)展趨勢的挑戰(zhàn)

對于通信業(yè)而言，行業(yè)的發(fā)展趨勢是依靠技術進步，使得單位信息量傳輸成本不斷降低。近年來對通信行業(yè)提出的“提速降費”要求也反映了這個行業(yè)發(fā)展的大趨勢[26]。未來，隨著陸地通信系統(tǒng)資費不斷降低，天基信息網(wǎng)絡的流量資費也會呈現(xiàn)不斷下降的趨勢，甚至未來不排除出現(xiàn)“零”資費流量的產(chǎn)品。面對這種行業(yè)趨勢，如何迎接流量資費降低、通信服務單位產(chǎn)出能力下降的挑戰(zhàn)，也將是天基信息網(wǎng)絡運營面臨的巨大挑戰(zhàn)。

4 天基信息網(wǎng)絡的應用展望

天基信息網(wǎng)絡因廣域無縫覆蓋的優(yōu)勢，在航空與航海方面有著廣闊的應用前景。在航空方面，根據(jù)中國商飛發(fā)布的《2019-2038民用飛機中國市場預測年報》，2019年中國航空旅客運輸量達到6億人次，并且年增長率平均達到8%。中國民航業(yè)目前共擁有飛機3 818架，年均增長率為5%，預計到2038年飛機數(shù)量將達到8 678架。以同時執(zhí)飛的航班數(shù)為總飛機數(shù)的60%計算，同時在飛行中的飛機數(shù)量將有5 000余架[27]。

航空對于天基信息網(wǎng)絡的需求主要分為兩方面，一是航空管制通信需求，二是后艙乘客通信需求。在航空管制通信需求方面，每架飛機的前艙空管通信大約為200 kbit/s，則5 000架飛機共計至少需要1 Gbit/s用于航空管制通信。同時，隨著未來空管運行方式的變革，考慮到對飛機飛行狀態(tài)與設備健康的數(shù)據(jù)收集與分析，將有大量數(shù)據(jù)需要依靠天基信息網(wǎng)絡回傳，以波音787飛機為例，單架飛機平均每個航程產(chǎn)生約500 GB飛行數(shù)據(jù)。同時，實時記錄黑匣子數(shù)據(jù)未來也將成為普遍需求，其大量數(shù)據(jù)對鏈路帶寬的需求將進一步加大。

同時，后艙乘客通信需求也在快速增長，根據(jù)海事衛(wèi)星組織調(diào)查統(tǒng)計，90%的中國旅客傾向選擇提供網(wǎng)絡服務的航空公司，65%的旅客愿意為通信服務支付費用。以每架飛機平均50 Mbit/s下載帶寬計算，客機需要的總帶寬將達到250 Gbit/s。

此外，我國目前通航機隊規(guī)模超過2 000架，無人機數(shù)量已達100 000架，未來幾年增長速度都將達到近20%，預計2023年通航飛機數(shù)量將達到近8 000架，無人機約430 000臺，這將是天基信息網(wǎng)絡極為廣大的應用市場。

航海方面，截至2014年底，全國船舶共計230 883艘，其中海船22 801艘，河船208 082艘，按照10%的船只(即23 000萬艘)需要上網(wǎng)，需求中涵蓋船員上網(wǎng)和公司航行運營管理對網(wǎng)絡的需求，每艘船預計需要10 Mbit/s的上網(wǎng)帶寬，按照航運業(yè)同時上線率20%的帶寬使用水平，則航海的天基信息網(wǎng)絡帶寬需求約為46 Gbit/s。如果考慮到未來智慧航運的發(fā)展，對船舶航行狀態(tài)與設備健康的數(shù)據(jù)進行收集與分析，則數(shù)據(jù)量又會大大增加，據(jù)測算，一艘貨船每天產(chǎn)生約20 GB的運行數(shù)據(jù)。巨大的數(shù)據(jù)傳輸需求將使天基信息網(wǎng)絡在航海方面的應用市場潛力巨大[28-30]。

從當前市場應用需求和未來預期不難預測，市場對于天基信息網(wǎng)絡的通信容量需求巨大，而目前已具備的衛(wèi)星通信資源遠遠不能滿足這些通信需求，因此天基信息網(wǎng)絡具有很好的應用前景。然而，對于市場而言，需要的是成本低廉的衛(wèi)星通信資源，只有實現(xiàn)低成本的衛(wèi)星通信，才能真正開發(fā)出這些市場需求。因此，對于天基信息網(wǎng)絡運營商而言，機遇和挑戰(zhàn)并存。如何克服困難實現(xiàn)低價優(yōu)質的衛(wèi)星通信服務，是天基信息網(wǎng)絡最終成功的關鍵。

5 結論

天基信息網(wǎng)絡在海洋信息化、建設海洋空間信息網(wǎng)絡方面有著無可替代的作用，也是建設航空互聯(lián)網(wǎng)最主要的技術手段。在我國民航業(yè)和航運業(yè)疾速發(fā)展的今天，天基信息網(wǎng)絡的應用有著重要地位和廣闊前景。發(fā)揮天基信息網(wǎng)絡的優(yōu)勢，使其具備強大的生命力，其關鍵是提供優(yōu)質而低成本的天基信息服務。完成這個目標，需要在小到低成本衛(wèi)星和火箭，大到空間信息組網(wǎng)、衛(wèi)星與5G系統(tǒng)融合方面有所突破[31]。通過技術的推動以及合理的運營，天基信息網(wǎng)絡必將在國防安全及更多更廣的民商用領域發(fā)揮重要作用。