太空布局,卫星互联网再度“升温”

来源:《新华日报》2020年11月04日

距离地球200公里至2000公里的低空轨道上,数万颗卫星正计划发射升空,各国卫星互联网之争箭在弦上。满天“星座”,或是未来实现万物互联的重要一环。面对轨道与频谱先登先占的原则,我国也在积极布局低轨卫星互联网建设,国家发改委今年首次将卫星互联网纳入我国“新基建”范畴,卫星互联网再度升温。热度之下,不乏冷思考,科学界及产业界人士提醒,如何突破卫星互联网应用及盈利的空白和难点、系统化构建卫星互联网安全防御体系,值得深入探讨。

低轨道卫星星座将地面基站打到天上去

10月25日上午,美国民营企业太空探索技术公司(SpaceX)再次使用猎鹰9号火箭发射了60颗“星链计划”的卫星,至此,气势磅礴的“星链计划”已经累计发射893颗卫星,其未来目标是发射4.2万颗卫星,为全球数十亿用户提供卫星互联网服务。

“星链计划”搭建低轨道通信卫星星座的想法,其实并不是一个新概念。

“通俗地说,低轨通信卫星星座就是将地面基站打到天上去,实现全球无缝式的网络通信。”南京航空航天大学航天学院康国华教授告诉记者,早在1997、1998年,美国铱星公司发射了66颗用于手机全球通信的人造卫星,这些人造卫星就叫“铱星”,由于星座结构酷似化学元素铱(Ir)而得名,“目的是为了在无线情况下,直接接通卫星进行通信。”

可尴尬的是,当“铱星”花费了10年,在66颗卫星上天组网可以运营之际,地面蜂窝移动通信技术已经兴起,借助稳定信号、低廉价格,迅速占领了“铱星”本打算面向的市场。“地面每一个基站就像一盏灯照亮一个区域,只要信号覆盖的地方都可以实现无线通信。”康国华说,而与地面建设基站相比,整个星座的建设、维护成本显得过于庞大,“铱星”计划最终破产,低轨道卫星通信也逐渐淡出了人们的视线。

近年来低轨卫星星座组网的再次兴起,是因为航天技术在低成本重复使用方面取得重要突破。康国华表示,SpaceX实现火箭可重复利用技术后,卫星发射的成本大大降低,组网的周期迅速缩短,维护费用也随之降低。

“早期卫星发射成本居高不下,甚至可以达到卫星本身成本的一半。火箭一次一般发射一颗卫星,如打一吨重的卫星进入轨道,大约就需要1000万美元的成本。当火箭重复使用并且一箭多星发射后,每颗卫星发射成本大幅降低,甚至可以达到原来的1/10。”随着成本的降低,低轨卫星组网技术再次被激活。

“由于没有重复使用火箭来降低发射成本,同时由于星座投资的长期性,目前除了美国,各国的星座计划都进展缓慢。” 康国华举例,英国通信公司一网公司(OneWeb)于2012年就计划通过发射超过600个小卫星到低轨道创建覆盖全球的高速电信网络。但在发射部分卫星后,由于盈利不及预期,投资前景不明朗加上受到新冠肺炎疫情影响,OneWeb及其最大投资者日本软银的20亿美元投资谈判破裂,申请破产。

在我国,中国航天科技和中国航天科工两大集团于2015年都推出了自己的低轨通信项目“鸿雁星座”系统和“虹云工程”,与星链计划几乎同时起步,但目前还是仅发射了一些验证卫星。康国华认为,我们除了技术和成本的差距外,低轨卫星通信星座还面临着应用场景和盈利模式的空白和难点。

卫星组网和5G是互补而不是相互替代

“有市场需求存在,技术才能不断地迭代和演进。”康国华认为,基于低轨通信卫星星座的星基互联网,在美国、澳大利亚等地广人稀的国家更有迫切需要。

“卫星的优势是‘站得高,看得远’,卫星相比地面基站覆盖面积更大,用户更多。”康国华举例说,在美国有一些偏远地区人口密度很低,建设地面基站就很不经济,低轨卫星互联网可以作为一种灵活的、低成本的替代性无线接入手段。

那么卫星互联网和地面基站及海底光纤所组成的互联网是否存在竞争关系?康国华表示,两者应该是互补关系。目前星基互联网在航空、航海以及沙漠等无人区应用场景更具优势——无需铺设基站;但在人口众多的大城市,基站本身已铺设完善,且能覆盖室内、楼宇,信号更稳定,因此比星基互联网更具优势。

低轨卫星通信组网也存在带宽约束、信号延时等问题,“与北斗、GPS等导航卫星采取的信号广播、用户单向接收不同,低轨通信卫星与用户之间是双向通信,受限带宽限制,在保证一定码速率前提下,用户数量存在限制。”康国华说,简单说,当用户太多时,会影响网速。

“此外,每个卫星过境时间很短,大约只有几分钟;只有足够多的卫星不断接力,才能保持信号的持续。”康国华说,这有点类似于我们经常感觉高铁上打电话信号不好,这是因为高铁速度很快,当手机刚接上某个基站信号,很快高铁就超出了这个基站覆盖范围,需要与下一个基站连接,这就会导致手机频繁地切换基站,造成信号断续。要解决码速率和信号延时的问题,目前的办法就是打更多的卫星上天,把星座“织得更密”,“所以‘星链计划’原先是涉及1.2万个卫星,后期已经将计划修改到4.2万个卫星。”

对于低轨卫星互联网的未来前景,康国华表示,我国在卫星领域过去更重视技术突破,解决技术的有无问题;目前随着我国航天水平不断提升,应用服务能力得到提高,以“盈利为目的”的商业航天也开始发展,在我国“军民融合”政策推动的大背景下,目前国家组织了国网等公司来牵头低轨星座组网工作。通过市场和资本共同驱动,促进低轨卫星通信网络的建成,实现低轨星座的落地应用。

据了解,在南京江北的北斗产业园,目前已有一些公司通过以往在通信卫星领域技术的积累开始积极介入这一产业。低轨通信互联,还不仅是宽带上网这么简单,业界更看好的是卫星互联网与物联网相互结合,预计会形成数以千亿的市场,比如最近中国移动与吉利公司就签署了协议,共同推进低轨卫星通信、自动驾驶等领域合作。

未来,卫星网络业务的应用场景还将拓展到诸多领域,如政府通信与应急响应体系、远程教育和远程医疗、地面车辆交通互联等领域,还可以用于“一带一路”的建设等;此外,卫星互联网业务还能为跨国企业和其他机构用户提供移动互联网接入服务以及不同维度的全球化管理数据服务。卫星移动服务市场将呈现多样化发展,“缝隙”市场未来或将逐渐成长为大众市场。

热度下的冷思考 资源占用、安全防御问题待解

对于低轨卫星互联网,目前科学界也存在一定的忧虑。比如spaceX的“星链计划”的4.2万颗卫星,会不会造成严重的太空拥堵从而威胁其他航天器?

“每个卫星都有寿命限制,如果卫星轨道较高,卫星失效后又没有主动的离轨措施,那只能长时间滞留在轨道上。”康国华说,随着大规模卫星入轨,失效卫星数量将不断增加,相撞概率也随之上升,并且会产生链式反应,形成太空垃圾带。尽管spaceX已经提出保证,卫星都有离轨措施,到期后将主动坠入大气层烧毁,但即使如此,截至目前,已发射的800多颗星链卫星中仍有3%左右的失效卫星完全联系不上,成为“死星”。有人甚至预测,如果未来不对太空垃圾进行清除,放任这种情况下去,人类也许无法再发射航天器入轨,甚至有可能锁死了航天发展,这也许不是危言耸听。

除了资源占用造成太空拥堵,低轨卫星互联网的安全问题也引起了科学界和产业界的关注。

“近地轨道可容纳约6万颗卫星,到2029年地球近地轨道将部署约57000颗低轨卫星,各国抢占卫星互联网空间轨位和频谱资源态势逼人。”日前在无锡召开的2020物联网密码应用峰会上,北京计算机技术及应用研究所所长袁晓光对低轨卫星互联网安全防御问题进行了探讨。他介绍,截至目前,中国卫星互联网星座计划中组网数量在30颗以上的低轨卫星项目已达10个,项目规划卫星发射数量达到1900颗。在此背景下,卫星互联网的安全防御提上日程。

卫星网络失控会产生极大危害,卫星被恶意控制后将导致服务中断或造成太空垃圾。袁晓光说,2008年黑客控制了NASA的两颗卫星,导致一颗卫星被控约2分钟,另一颗被控约9分钟,就是典型的卫星安全事件。此外,卫星发射、运行受气候、空间环境等影响,安全保密、远程运维、监控升级等难度较大。他表示,这对密码技术的应用提出了新要求,“要主动防御,用密码支撑卫星互联网安全防护体系,提升卫星互联网数据共享和隐私保护能力,将密码技术贯穿卫星制造、卫星发射、地面设备制造、卫星运营和服务等垂直产业的整个过程,为卫星互联网赋能。”

袁晓光建议,建立低轨卫星互联网安全防御产业联盟,整合安全防御、卫星等领域的优势力量,由企业主导,科研院所、高校、民营企业、运营商等具体实施,多维创新驱动发展,推动知识向成果快速转化。建设低轨卫星互联网安全防御实验基地,由国家扶持,优势单位牵头,针对弹性动态、具有空域攻击特性网络,构建星际间兼容适配、攻防演练基地,为我国的低轨卫星互联网发展筑牢安全防线。

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