關鍵詞：衛(wèi)星通信；衛(wèi)星星座；物聯(lián)網(wǎng)；典型應用

一、引言

衛(wèi)星通信不受地面遮擋影響、通信距離遠等特點，在海洋、沙漠、高原、邊疆等人煙稀少的地區(qū)作為一種重要通信手段得到廣泛的應用。在國家安全管理領域，衛(wèi)星通信在深空探測、情報預警、應急通信等方面發(fā)揮了重要的作用。據(jù)國外專家預測，太空領域未來將成為繼陸地、海洋、大氣層之后人類生存發(fā)展的第四空間，誰先搶得太空制導權，誰就取得了競爭優(yōu)勢。隨著5G通信技術的興起，以物聯(lián)網(wǎng)、人工智能技術為代表的新興產(chǎn)業(yè)迎來了爆發(fā)式增長，但衛(wèi)星通信存在的可用頻譜資源少、終端價格高、通信帶寬低、通信時延大等天然劣勢，使其在面對高吞吐量、低延時為目標的通信需求時暴露出諸多不足，嚴重制約了在邊遠海疆地區(qū)的應用。鑒于此，國內(nèi)外針對新業(yè)務的特殊需求，在衛(wèi)星通信領域不斷探索研發(fā)新技術，以提高衛(wèi)星實用化功能拓展能力。

二、國內(nèi)外衛(wèi)星通信技術應用發(fā)展情況

（一）高軌衛(wèi)星發(fā)展情況

高軌衛(wèi)星主要指部署在地球同步軌道的通信衛(wèi)星，其繞著地球同步自轉，理論上部署3 顆衛(wèi)星即可滿足全球漫游通信要求（南北極除外）。

1. 國外方面

在以窄帶應用為主的移動業(yè)務上，目前主要有工作在L 頻段的Inmarsat（英國）、Thuraya（阿聯(lián)酋）等衛(wèi)星系統(tǒng)，如第四代國際海事衛(wèi)星（Inmarsat4）在地球同步軌道部署有4 顆衛(wèi)星，可為用戶提供覆蓋全球的語音、數(shù)據(jù)等移動通信業(yè)務，其作為全球海上遇險與安全救生系統(tǒng)的重要裝備，能夠滿足船舶在海上航行期間的應急通信需求。高通量衛(wèi)星主要利用多點波束和頻率復用等技術，可在占用頻帶資源較少的前提下，實現(xiàn)單顆衛(wèi)星波束覆蓋區(qū)域內(nèi)的高吞吐量數(shù)據(jù)通信，主要工作在Ka 頻段。目前國外典型高軌高通量衛(wèi)星系統(tǒng)主要有ViaSat（美國）、Ipstar（泰國）、Horizons-3e（美國）、Amos-17（以色列）等，如最新的ViaSat-3 計劃由3 顆衛(wèi)星組成，單顆衛(wèi)星即可提供1Tbps 以上容量，可滿足4K 視頻、人工智能、衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)等寬帶通信業(yè)務需求。

2. 國內(nèi)方面

我國于2016 年7 月和2020 年11 月分別發(fā)射天通衛(wèi)星01 星和02 星，其作為中國版的國際海事衛(wèi)星，全面建成后可實現(xiàn)全球移動通信，并支持最高384Kbps 的通信速率。目前，其信號已覆蓋了中國及周邊、中東、非洲等地區(qū)以及太平洋、印度洋大部分海域，能夠提供全天候、全天時、穩(wěn)定可靠的話音、短消息和數(shù)據(jù)等業(yè)務。目前已在海上搶險救援、應急通信等方面發(fā)揮了重要的作用。為滿足新業(yè)務、新應用帶來的高帶寬需求，我國于2017 年4 月發(fā)射了第一顆自主設計的高通量通信衛(wèi)星“中星16 號”，其具有20G 以上的通信容量，采用Ka 頻段多波束通信，能夠滿足中國大部分陸地及近海海域高帶寬通信需求。如中國衛(wèi)通利用海上寬帶衛(wèi)星開展的通信服務“海星通”，可為遠洋作業(yè)船舶提供高達數(shù)兆的寬帶通信接入，其應用目前已覆蓋全球90%航線，5000 余艘船只已加入使用行列。隨著未來更多自主高通量衛(wèi)星的部署，邊遠海疆地區(qū)寬帶通信需求將能夠得到極大的滿足。

（二）中低軌衛(wèi)星發(fā)展情況

低軌衛(wèi)星系統(tǒng)是指由一系列分布在距離地球兩千公里以內(nèi)太空軌道中的衛(wèi)星組成的衛(wèi)星星座，其由于距離地面較近，中繼通信距離短，能夠彌補高軌衛(wèi)星因距離地面遙遠而存在的高時延等問題。但由于單顆衛(wèi)星覆蓋范圍有限，且相對于地面始終處于運動狀態(tài)，如需實現(xiàn)全球信號覆蓋，其衛(wèi)星需求總量多，且具備星上數(shù)據(jù)處理和星間交換能力，系統(tǒng)建設難度較大。

1. 國際方面

20世紀90年代建設的第一代銥星系統(tǒng)曾在全球搶險救援等領域發(fā)揮了重要作用，其主要由分布在近地極軌道的66 顆衛(wèi)星組成，可提供含南極、北極在內(nèi)的全球無縫通信業(yè)務。近年來，隨著商業(yè)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)概念的興起，美、英等西方國家正在大力布局低軌寬帶衛(wèi)星建設。目前正在建設的有OneWeb、StarLink、O3b、Iridium Next 等星座系統(tǒng)，其中最有代表性的為美國太空探索技術公司（SpaceX）投資建設的星鏈（StarLink）系統(tǒng)，其由分布在340km、550km 和約1200km 三個軌道面上的約12000 顆衛(wèi)星組成。一期計劃發(fā)射4400 顆衛(wèi)星，截至2022 年11 月，已有2400 余顆衛(wèi)星在軌道上運行，2100 余顆衛(wèi)星正在提供服務。因其具有全球無縫接入、通信時延較小、通信容量較大、運營成本較低等四大特點，在計劃發(fā)布之初就引起了全球的關注和追捧。在2022 年2 月爆發(fā)的俄烏沖突中，以美國為首的北約國家為烏克蘭政府武裝提供了數(shù)千套“星鏈”通信設備，其被用于協(xié)助烏克蘭軍隊操作無人機、持續(xù)接收重要情報，以及在沒有其他安全網(wǎng)絡的地區(qū)保持通信。在“星鏈”系統(tǒng)的精確信息推送下，烏克蘭獲取了足夠多的情報進行機動進攻，戰(zhàn)場上實現(xiàn)了打得準、跑得快的目標，烏克蘭得以在裝備、人員均不占優(yōu)勢的前提下，仍然能夠與俄羅斯繼續(xù)周旋，“星鏈”系統(tǒng)在其中發(fā)揮了重要作用。

2. 國內(nèi)方面

我國目前已經(jīng)開展的低軌衛(wèi)星建設計劃有“鴻雁星座”、“虹云工程”、“天象星座”、“行云工程”等。如中國航天科技集團正在布局建設的鴻雁星座，計劃由三百多顆低軌衛(wèi)星和數(shù)據(jù)業(yè)務處理中心組成。由于其工作軌道低，受天氣、電磁風暴等影響較小，其通信效果可媲美地面移動網(wǎng)絡，能夠形成任意地域及復雜地形的全天候全時段雙向通訊能力，可為用戶提供全球無縫覆蓋通信業(yè)務。此外，衛(wèi)星因搭載有高精度GNSS 接收設備，還能為用戶提供基于處理運算的增強型導航功能，在復雜地形環(huán)境和復雜電磁環(huán)境下的導航定位能力將大大增強。系統(tǒng)建成后，其將在衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)、高精度導航、物聯(lián)網(wǎng)等應用領域爆發(fā)出巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

（三）衛(wèi)星激光通信技術發(fā)展情況

衛(wèi)星激光通信技術是一種利用激光波束進行信息傳輸?shù)男滦屯ㄐ偶夹g，鑒于其在真空環(huán)境中具有信號波束指向性強，受外部環(huán)境干擾小，信道傳輸容量大的特點，已成為低軌衛(wèi)星系統(tǒng)星間組網(wǎng)的首選通信手段。大氣環(huán)境條件下的星地通信之間，其受大氣湍流、散射等因素干擾，對激光波束跟蹤捕獲帶來一定困難，但其抗干擾能力強、通信速率高、傳輸容量大的優(yōu)點也在部分領域呈現(xiàn)出越來越強的競爭力。

1. 國際方面

美國、歐洲、日本等國家和地區(qū)在衛(wèi)星激光通信研究方面走在了前列，如美國“星鏈”低軌衛(wèi)星系統(tǒng)最新發(fā)射的替代衛(wèi)星即采用激光通信技術實現(xiàn)了星間組網(wǎng)，而歐洲EDRS 是全球首個正式投入使用的空間高速激光中繼系統(tǒng)，其由3 顆高軌衛(wèi)星組成，可通過激光通信鏈路為低軌衛(wèi)星、空間站等提供數(shù)據(jù)中繼服務，而EDRS-D 可提供的通信速率最高可達3.6Gbps。2020 年日本數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星JDRS 的發(fā)射升空，標志著日本星間激光通信應用邁上了新臺階。星地激光通信方面，美國、歐洲、日本都先后成功開展了多次地月激光通信、微納衛(wèi)星、低軌衛(wèi)星與地面間激光通信試驗，取得了較為理想的成果。

2. 國內(nèi)方面

近年來，我國也在衛(wèi)星激光通信領域開展了一系列研究工作。2016 年，“墨子號”衛(wèi)星開展了我國首次星地激光通信試驗，通信速率最高可達5Gbps。2017 年，“實踐十三號”首次開展了高軌衛(wèi)星與地面的雙向激光通信試驗，標志著我國在星地激光通信技術方面已經(jīng)位于世界前列。2020 年，“實踐二十號”衛(wèi)星開展的超高速激光通信技術在軌試驗，刷新了10Gbit/s 的全球在軌驗證最高速率。同年，“行云二號”開展了低軌小型衛(wèi)星星間激光鏈路技術驗證，其雙向通信速率可達100Mbps，通信距離超過了3000 公里。

三、基于海洋活動特點的衛(wèi)星通信需求分析

在船舶遠洋航行或從事生產(chǎn)作業(yè)、各類活動時，僅能依靠無線通信方式達成聯(lián)絡。短波通信長期被用作海上與陸地遠程交流的主要通信手段，但其可用頻譜資源較少，受周邊電磁環(huán)境影響較大，主要用于語音通話且通信效果不佳；超短波通信受通視距離限制，僅能滿足與船舶間的近距離通信。隨著20 世紀60 年代美國第一顆通信衛(wèi)星的成功發(fā)射，衛(wèi)星以其通信距離遠、可用通信頻譜資源多的特點而逐步成為海上通信的重要手段。目前，全球海上航行中，衛(wèi)星通信網(wǎng)已經(jīng)成為承載業(yè)務功能多、通信類型全的骨干通信網(wǎng)絡，通信業(yè)務量占比達到80% 以上。

通過對海上各類活動的通信業(yè)務和應用特點統(tǒng)計可見，衛(wèi)星通信是能夠滿足多場景全業(yè)務通信要求的唯一手段。如利用高軌窄帶通信衛(wèi)星（天通衛(wèi)星、Inmarsat 等）可以滿足語音通話、電話傳真等全球無縫低速通信需求，基于高通量通信衛(wèi)星（中星16 號、Ipstar 等）可實現(xiàn)海上船隊的高速寬帶通信接入，利用低軌衛(wèi)星星座網(wǎng)（鴻雁、StarLink 等）可滿足各類人員/ 船舶等對寬帶通信的隨遇接入需求，而基于激光衛(wèi)星通信技術則能夠為有人海島、無人島礁、作業(yè)平臺等提供大容量高速數(shù)據(jù)傳輸通道，采取跳擴頻等調(diào)制方式的衛(wèi)星通信技術則可提供特殊環(huán)境下的抗干擾通信服務，用戶可以針對不同的應用場景及需求，通過組合選擇加入不同的衛(wèi)星網(wǎng)絡，滿足業(yè)務的全覆蓋保障需求。

由于高、中、低軌衛(wèi)星工作模式和所提供的服務能力均不同，而海上各類機動/ 固定平臺面向航行保障、調(diào)度指揮、資源勘察、搶險救援、生產(chǎn)作業(yè)等任務時的通信需求復雜，業(yè)務形式多樣，在實踐中暴露出了現(xiàn)有衛(wèi)星通信網(wǎng)功能類型單一、設備安裝困難、操作維護復雜、使用成本較高、保密安全性差等一系列問題。為解決上述問題，應緊盯衛(wèi)星通信新技術發(fā)展情況，在空天地海融合式通信、業(yè)務應用拓展、保密安全建設等方面加快建設步伐，才能讓衛(wèi)星通信更好地滿足全球海洋經(jīng)濟發(fā)展需求。

（一）空天地海一體化融合式通信服務

隨著各類型衛(wèi)星通信服務的迭代發(fā)展，通信業(yè)務平臺化、網(wǎng)絡寬帶化、標準全球化、終端易用化等發(fā)展趨勢愈加明顯。鑒于海洋環(huán)境的特殊性，開展面向一站式服務的融合式衛(wèi)星通信服務建設將變得越來越迫切，通過設計一種可自動選擇衛(wèi)星鏈路、接口標準統(tǒng)一、人機界面友好的移動式一體化衛(wèi)星通信終端，將海上、地面、空中通信網(wǎng)絡相融合，打造基于一體的泛在通信網(wǎng)絡，將能夠為海洋用戶提供更好的通信服務。該終端應至少具備天通衛(wèi)星、低軌衛(wèi)星星座以及高軌高通量衛(wèi)星信道接入能力，支持北斗短報文功能，同時，還具備自動接入地面移動通信網(wǎng)能力，形成網(wǎng)絡優(yōu)勢互補。此外，還應預留功能拓展接口，能夠支持在衛(wèi)星覆蓋不足或受到通信干擾等情況時，可通過長航時無人機、空中無人艇等中繼平臺實現(xiàn)接力通信，滿足應急保障需求。結合天線制造工藝的進步，通過開展共形天線設計、采用超導材料、由機械掃描向電子掃描、相控陣天線過渡等方式，進一步提升天線適裝性能。用戶不需關心采用什么類型通信模式，也不需關心應用的哪顆衛(wèi)星，只需基于融合式通信平臺，即可一鍵接入衛(wèi)星鏈路，自動選擇優(yōu)化衛(wèi)星通信信道，滿足語音、視頻和數(shù)據(jù)等海洋通信業(yè)務需求。

（二）基于衛(wèi)星通信的海洋物聯(lián)網(wǎng)應用

物聯(lián)網(wǎng)技術在人工智能快速發(fā)展浪潮中已體現(xiàn)出了越來越重要的地位，但傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)主要依托藍牙、紅外、移動蜂窩等通信手段進行信息交互，在邊遠山區(qū)、荒漠、遼闊海洋等海疆地區(qū)，因缺少有效的網(wǎng)絡覆蓋，信息不能互聯(lián)將極大制約物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。隨著高通量衛(wèi)星、低軌衛(wèi)星通信技術的運用，基于衛(wèi)星的物聯(lián)網(wǎng)技術將成為海疆地區(qū)人工智能應用的重要推手。從技術上來說，NBIOT 標準能夠有效降低對信號功率和通信速率的依賴，有助于基于衛(wèi)星通信實現(xiàn)低功率廣域覆蓋。在優(yōu)先選用低功耗傳感器的基礎上，充分運用太陽能等技術進行能源補充，可滿足全天時全天候應用需求。比如從海洋管理角度看，在我國470 萬公里管轄海域內(nèi)，基于衛(wèi)星的物聯(lián)網(wǎng)應用可以將部署在船舶、島嶼、平臺上的遠程監(jiān)控、入侵檢測傳感器信息實時回傳至指揮機構，因其信息采集質(zhì)量要遠遠優(yōu)于觀測衛(wèi)星獲取的信息，將在觀察預警等方面發(fā)揮重要的作用。在裝備物資、人員力量等方面采用衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)技術，將能夠為跨海域物資調(diào)配、人員優(yōu)化調(diào)整、船（機）平臺快速機動提供科學合理建議。

（三）基于衛(wèi)星信道的隱蔽通信技術

衛(wèi)星通信的特點決定了其通信性質(zhì)屬于公開信道通信，只要在衛(wèi)星波束覆蓋范圍內(nèi)，理論上都可以截獲到信息數(shù)據(jù)流，很容易遭受竊密或者通信干擾破壞。衛(wèi)星隱蔽通信技術就是在利用衛(wèi)星信道進行收發(fā)信的基礎上，盡可能使竊聽方無法探測到真實通信的存在，從而隱蔽通信行為，實現(xiàn)低檢測和低截獲，以提供更高安全水平的通信能力。目前常用的隱蔽通信技術主要有兩種，一是采取加密算法或專用安全傳輸協(xié)議實現(xiàn)的保密安全通信，但其信道隱蔽性差，容易被跟蹤干擾。二是基于跳頻、擴頻及編碼技術的衛(wèi)星隱蔽通信，其抗干擾能力較好，不易被發(fā)現(xiàn)跟蹤，但其占用的衛(wèi)星頻譜資源較多，由于衛(wèi)星通信頻譜資源緊張，在通信需求量巨大的前提下，很難全部滿足保密通信需求。而基于變換域的衛(wèi)星隱蔽通信技術，將是在應急條件下最低限度通信的一種有效解決手段。其主要利用公開的電視直播或衛(wèi)星通信鏈路，將需傳遞信息疊加于正常的廣播電視等信號中，如同寄生在宿主上、淹沒于噪聲中，與寄主系統(tǒng)共享衛(wèi)星轉發(fā)器資源，具有通信不易察覺、抗干擾、抗截獲能力強等特點。在通信過程中，需能夠對宿主系統(tǒng)的頻譜采樣情況準確感知和分析，并基于基帶頻譜幅值疊加需傳遞信號生成復合信號，其信干比最大可低于-30Db，能夠在不影響原業(yè)務信號的基礎上實現(xiàn)隱蔽傳輸，實現(xiàn)抗干擾通信目的。此外，隨著星地間衛(wèi)星激光通信技術的不斷成熟，其指向性強、信道傳輸速率高的特點將有助于提升信息安全水平，也將會在海洋態(tài)勢感知、資源綜合管理、氣象環(huán)境監(jiān)測等領域得到廣泛應用。

五、結束語

隨著衛(wèi)星通信新技術的迭代發(fā)展，以“互聯(lián)網(wǎng)+ 服務”模式為引領，依托先進技術實現(xiàn)海上衛(wèi)星通信保障能力的升級發(fā)展，將變得更加有前途。同時，這必將促進國家在和平利用海洋資源、維護國家海洋權益等方面職能作用實現(xiàn)跨越式提升，從而確保我國在全球海洋數(shù)字經(jīng)濟變革浪潮中搶得先機。

作者單位：劉錦超 中國海警局