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  • 关于卫星互联网的最强入门科普

    本文来自微信公众号 “鲜枣课堂”(微信号:xzcalsscom),作者:小枣君,泽酷网经授权发布。

    小枣君:今天这篇文章,是《风雨沧桑50年:中国卫星通信的发展历程》系列文章的最后一篇(下篇)。

    最近十年以来,整个社会对卫星通信的关注度不断提升,各种新闻报道层出不穷。

    究其原因,有两个方面。一,来自市场和用户对卫星通信的旺盛需求;二,卫星通信技术发生演进,让以前不可能的事情,变成了可能。

    今天这篇文章,我们就详细了解一下,卫星互联网的那些事儿。

    卫星通信的技术演进

    上世纪70-80年代,卫星通信刚刚诞生的时候,主要用于电视和广播信号转播,还有一些电话、电报和传真需求。

    那时候,国际互联网(Internet)都还没有成型,所以,也没有什么卫星上网的概念。

    80年代末90年代初,美国摩托罗拉开始搞铱星计划,就是卫星电话为主,业务速率仅有2.4Kbps(铱星一代)。这种速率,根本谈不上什么用户体验,能听清楚对方说话就不错了。

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    铱星一代和二代的速率参数对比

    我们国家卫星通信起步较晚。如前篇文章所说,1984年,我们才发射了第一颗有实用价值的通信卫星(东方红2号)。1986年,我们建成了第一张卫星公用传输网(主要基于国外购买的设备)。

    最早的时候,卫星通信所使用的技术,以SCPC(单路单载波)、FDM/FM(频分复用/频率调制)为主,都是模拟通信技术。

    随着80年代国内程控电话业务大爆发,加上90年代初国内开始接触互联网,行业专家们发现:当时卫星通信采用的模拟技术,没办法适应地面公共通信网络的数字通信技术升级,落伍了。

    于是,卫星通信,开始转向了IDR(中速数据速率)技术。

    IDR业务是由Intelsat在1980年代中期提供的一种新型数据通信业务。相对于传统的FDM/FM,IDR是一种数字制式升级,属于TDM/FDMA(时分复用/频分多址)体制。

    IDR有1.544、2.048、6.312和8.448Mbps四种信息速率。它与DCME(数字电路倍增设备)组合使用,可将卫星专线传输能力提高到原来的5倍。例如,8.448Mbps电路可传600路话音。

    1993年5月,原邮电部引进加拿大Spar公司的IDR设备,对国内各地的卫星地面站进行升级和新建。

    尽管IDR实现了数字信号升级,也提升了带宽,但对于日益增长的用户需求来说,还是杯水车薪。

    于是,一种新型技术开始崛起并迅速普及,那就是大名鼎鼎的VSAT。

    VSAT,全名叫做Very Small Aperture Terminal,甚小孔径终端。请注意,VSAT通常是指系统,并不仅仅是一个终端。

    一套完整的VSAT系统,由通信卫星上的转发器、地面大口径主站(中枢站)以及众多小口径的小站共同构成。

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    VSAT的基本架构

    VSAT解决的是卫星通信“平民化”的问题。

    首先是地面站的小型化。所谓的“甚小孔径”,到底有多小?0.3-2.4米。这就很轻便了,一个人都能背着到处走。稍微大一点的,也可以车载,开着车到处走。

    除了轻便之外,VSAT还有组网灵活、成本低、应用多、安装操作简单等特点,非常有利于卫星通信的普及。

    1984年,Intelsat首次开设了VSAT业务。我国很快跟进,1988年,原中国通信广播卫星公司引进国外通信设备,建成我国第一个VSAT通信网。它包括1个主站和35个端站,为我国铁道部、能源部、地震局、海洋局、民航局、海关总署、经济信息中心和农业银行等8个行业部门提供通信服务。

    后来,我们国家建设无线寻呼网、证券信息广播、村村通/户户通工程,都大量采用了VSAT。还有很多远洋船用通信、飞机通信、企业和政府专网,也采用了VSAT。

    2008年汶川地震之后,电信运营商为了应对自然灾害,引进了大量的VSAT设备,作为地面光纤网络的备份,以及应急通信的工具。

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    高通量通信卫星

    进入21世纪后,Internet互联网继续蓬勃发展。无处不在的网络连接需求,刺激了卫星互联网的能力演进。卫星通信星想要发展,就必须像地面蜂窝移动通信网络一样,进行带宽容量升级。

    很多读者听说过三种轨道:GEO(地球同步轨道)、MEO(中地球轨道)、LEO(低地球轨道)。

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    通信卫星主要在前三个轨道

    以前,发射卫星的成本极高。所以,就希望一颗卫星能覆盖很大的范围。想要覆盖范围大,就必须把卫星放得更高,也就是GEO高地球轨道。

    如下图所示,三颗就能覆盖整个地球:

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    高轨道卫星,虽然覆盖面积大,但距离远,通信就更困难。那个时候,通信技术也不是很成熟,所以,无线信道的带宽比较低,通信速率比较慢。

    后来,卫星通信技术开始逐渐升级,终于开始出现了新一代通信卫星,那就是——高通量通信卫星(HTS,High Throughput Satellite)。

    所谓“高通量”,是指这种卫星的带宽能力比传统卫星(低通量,1-2Gbps以内)多了几倍甚至几十倍。

    它是如何做到的呢?

    首先,使用了更高的频段。

    传统卫星普遍使用4-8GHz的C波段,频率较低且太过拥挤。而高通量通信卫星,广泛使用Ku波段(12-18GHz)和Ka波段(27-40GHz)。频率资源丰富,带宽也就跟着上去了。

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    其次,卫星平台的升级。

    就像我们前篇介绍的东3、东4、东5,卫星平台体积越来越大,负载能力越来越强,而且升级了供电技术(电推动加化学推动,混合动力),使得电能上可以保证大带宽所需要的大功耗。

    第三,转发器数量的增加。

    这个也是平台负载能力升级带来的好处。信号转发器的数量直线上升,意味着车道增加,带宽也跟着增加。

    第四,天线波束技术的升级。

    天线技术提升,尤其是采用点波束,也可以增强信号能力。这相当于把光“聚焦”,不覆盖大面积,集中覆盖小面积,有利于速率提升。

    2005年8月11日发射的泰国Thaicom 4(又名IPSTAR)通信卫星,号称是世界上第一颗高通量卫星。

    这颗卫星由美国劳拉公司研制,重约6.5吨,功率14千瓦,是当时世界上最大的商业通信卫星,大到必须要由一枚法国阿丽亚娜5型火箭才能将它送入轨道。

    Thaicom 4 卫星的总带宽高达45Gbps,可为用户提供上行链接速度4Mbps,下行速度2Mbps的数据服务。

    我们国家的第一颗高通量卫星,是2017年4月12日发射的中星16(一开始叫实践十三,后来改名中星16)。这颗卫星采用Ka频段多波束宽带通信系统,总容量达20Gbps。

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    中星16

    2019年,我们发射了中星18号,不过失败了。2020年7月9日,我们成功发射了“亚太6D”,这是中国首颗Ku频段高通量宽带卫星,通信总容量达到50Gbps,单波束容量可达1Gbps以上。

    据悉,我国首颗超百Gbps容量的高通量卫星——中星26号,将于2023年初发射。

    目前,世界最强的高通量卫星,应该是美国Viasat公司的Viasat-3,据说通量达到Tbps级别,不过发射时间好像一直在延期。

    低轨通信卫星的崛起

    除了提升卫星通量之外,行业发现,随着卫星发射成本的逐步下降,我们还有另外一种提升卫星数据传输能力的途径——那就是向中轨和低轨发展。

    道理很简单:轨道低了,虽然覆盖范围小了,但是我们可以用数量来弥补覆盖。就像蜂窝小区一样,用大量的卫星,密集覆盖。

    对于卫星互联网,行业一般将其发展分为三个阶段。

    第一个阶段,是80-90年代,以铱星为代表。当时,卫星通信的自我定位存在问题。他们试图用卫星替代基站,步子迈得太大,很快就纷纷破产失败了。

    2000年以后,是第二个阶段。这次,他们的想法比较务实,就是打算“吃剩饭”。

    他们把自己定位为地面通信系统的补充,专门为海上、偏远地区等地方的用户,提供网络服务。虽然看上去比较边缘,但实际上蛋糕也很大。

    其中最具代表性的企业,是O3b。

    2007年,格雷格·怀勒(Greg Wyler)创立了O3b Networks卫星公司。他们通过与电信运营商合作,为岛屿或船舶提供宽带卫星通信服务。

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    格雷格·怀勒

    为了平衡成本和服务体验,O3b Networks选择了中轨道(MEO)来部署卫星。他们运营的卫星星群在赤道上空,距地球约8000公里。这个距离,使得O3b的地面站拥有更高的传输速率,更低的时延。

    2009年,O3b获得了SES(欧洲卫星公司)、谷歌、汇丰银行的投资。2013年,O3b经过多年努力,终于拥有了12颗卫星,正式启动服务。很快,他们就实现了盈利目标。后来,2016年8月,SES整体收购了O3b。

    格雷格·怀勒并没有停止折腾,早在2012年的时候,他就成立了另外一家英国公司,名字叫WorldVU Satellite。后来,这家公司的名字改成OneWeb。

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    除了格雷格·怀勒之外,另一位大佬也看中了互联互联网的潜力,决定入局,那就是大家都熟知的当代“钢铁侠”——埃隆·马斯克(Elon Musk)。

    2014年初,马斯克和格雷格·怀勒曾经共同规划过WorldVu的星座计划。结果,几个月后,他就退出了,决定单干。

    2015年,他基于自己的太空探索技术公司 (SpaceX),正式提出了星链(Starlink)项目。

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    星链项目最初计划发射4425颗卫星,2018年11月增加7518颗,合计1.2万颗。2019年10月,SpaceX又增加3万颗,总数达4.2万颗。

    按照马斯克的规划,这些卫星将为全球范围内的客户,提供高速宽带互联网服务。

    星链的出现,标志着卫星互联网进入了第三个阶段,也就是低轨宽带卫星互联网时代。

    2020年3月30日,OneWeb申请破产保护。而马斯克的星链这边,目前进展还算顺利。截至2022年9月,SpaceX已经拥有超过2300颗星链卫星在轨运行,激活用户超过50万。

    OneWeb之所以玩砸了,是因为无法在资本市场募集到足够多的钱。而星链之所以成功,是因为SpaceX拥有可以回收的猎鹰火箭,同时借助一箭多星技术,能够大幅降低了发射成本。(OneWeb不具备卫星发射能力,之前让某国帮忙发射,就出现了对方拒绝发射的问题。马斯克的个人光环,也帮助星链搞到了更多的钱,可以放心烧。)

    除了星链和OneWeb之外,其实国外还有很多公司在搞低轨星座项目,例如韩国三星的太空互联网项目,亚马逊的Kuiper项目,Telesat的Telesat LEO项目等。

    国内的卫星互联网项目进展

    国外低轨卫星互联网项目搞得风生水起,我们自然也不能缺席。

    众所周知,我们国家通信基础设施非常强大,光纤、移动通信覆盖广泛,速率和带宽全球领先,能够满足绝大部分用户的需求。

    但是,我们仍然需要发展卫星通信。因为它非常、非常、非常重要。

    首先,我们国家幅员辽阔,很多偏远地区还是存在覆盖盲区。运营商所说的网络覆盖率达到99%,指的是“人口覆盖率”。而“国土覆盖率”,仅有30%左右。也就是说,大量的深山、沙漠、戈壁无人区等地区,是没有手机信号的。

    对于资源勘探、森林防火、抢险救灾、探险旅游、野生动物保护等用途,卫星是重要的通信手段,也是救命手段。

    这几年很火的物联网,也开始有卫星方面的需求,主要用于资产管理、地质灾害监测等。

    除了陆地之外,卫星通信的两个重要应用领域,就是船用通信和机载通信(飞机通信)。这些需求数量是极为庞大的,而且,都是高价值客户,愿意掏钱。

    如果没有自己的卫星互联网,我们不仅要把市场份额拱手让人,还可能在特殊情况下,受制于人。

    2008年汶川地震,我们使用的就是国外的卫星电话。结果,莫名其妙还中断服务了十多个小时。自那之后,国内就开始发力搞自己的卫星互联网系统。

    除了上述原因之外,我们要搞卫星互联网,尤其是低轨LEO卫星,还有资源抢占的因素。

    根据赛迪顾问研究报告数据,地球近地轨道可容纳约6万颗卫星。据预测,到2029年,地球近地轨道将部署总计5.7万颗低轨卫星。所以,再不抢,空间轨道资源就没了。

    除了空间轨道资源,我们还要抢频段资源。

    空间通信频段这个东西,国际原则是“要打先申请、先申请先用”。低轨卫星的主要通信频段(Ku 和 Ka)逐渐趋于饱和,这也是要赶紧下手的。

    接下来,我们看看,国内在低轨卫星互联网方面的进展。

    首先看国家队。

    星链计划推出不久后,我们国家的中国航天科技和航天科工集团,就分别提出了“鸿雁工程”和“虹云工程”低轨卫星通信星座计划。

    前者计划发射300颗低轨通信卫星,组建国内首套宽窄带结合的太空通信网。

    后者计划发射156颗卫星(距离地面1000公里),也建一个星载宽带全球移动互联网络,致力满足单颗卫星4Gbps的高速接入需求。

    两大计划公布后,都已发射了试验卫星。

    后来,情况有了一些变化。

    2020年4月20日,国家发改委首次将卫星互联网和5G、工业互联网等一起,列入信息基础设施,明确了建设卫星互联网的重大战略意义。

    2021年4月26日,中国卫星网络集团有限公司(星网集团)在雄安新区注册成立。行业普遍认为,这个新成立的大型央企,将会重新整合资源,致力于建设一个更加庞大的低轨卫星移动通信与空间互联网系统。

    国内民营企业这边,也有所行动。

    2020年1月16日11时02分,民营公司银河航天成功发射了首颗低轨宽带通信卫星。执行本次发射任务的火箭,是快舟一号甲运载火箭。

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    该卫星是全球首颗Q/V频段的低轨宽带卫星。卫星升空运行后,可提供10Gbps带宽通讯能力,覆盖30万平方公里,相当于大约50个上海市的面积。

    除了低轨,我们也没有放弃高轨和中轨。

    前几篇里提到了中国卫通。

    2018年3月,工信部向中国卫通颁发了基础电信业务经营许可,批准中国卫通在全国范围内经营卫星移动通信业务和卫星固定通信业务。这意味着,中国卫通成了“第五大运营商”。

    这一变化,和国内外卫星互联网的蓬勃发展趋势密不可分。

    除了前面提到的高通量卫星中星16和26之外,中国卫通在卫星互联网上还有很多积极布局。

    海洋互联网方面,中国卫通的“海星通”,已经为6000艘中国船舶和海上平台提供了服务,覆盖了全球95%以上的航线。

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    海星通

    航空互联网方面,中国卫通也于2020年成立了星航互联,完成国产Ka宽带飞机商用首飞。

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    目前,中国卫通在沿着国际主要航线,不断扩大自己的覆盖范围。

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    另外一家在高轨和中轨布局的,是中国电信。 

    2008年,中国电信把中国卫通给了航天科技集团之后,并没有放弃对卫星通信的追求。2009年4月21日,中国电信集团有限公司设立卫星通信有限公司。2017年12月15日,中国电信股份有限公司设立了卫星通信分公司(以下简称中国电信卫星分公司),专门从事卫星通信业务。

    中国电信自己搞的卫星通信项目,叫做“天通一号”。

    2016年8月6日,天通一号01星发射升空,是项目的首星。目前,已经发射了3颗,分别是01、02、03星。2018年5月,中国电信的自主卫星电话实现商用放号,号段为1740。

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    天通一号的终端

    根据规划,天通一号覆盖的范围包括中国全境及领海、中国周边区域、中东、非洲等相关地区,以及太平洋、印度洋大部分海域。

    天通一号的手机大家在网上都能买到,便宜点的也就5000块一个。 在近几年的重大自然灾害中,天通一号均有不错的表现。

    最后一个要介绍的是中信卫星。

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    我在前几篇就介绍过,中信集团在1980年代参与组建了亚洲卫星,后来一直是亚洲卫星的股东。

    为了便于在我国境内合法合规地开展卫星通信业务,根据有关部门的要求,中信集团把亚洲卫星在中国的业务移交给中信网络有限公司,并专门组建了中信卫星(中信网络有限公司北京卫星通信分公司)。

    中信卫星的卫星数量不多,只有几颗,但也覆盖了亚洲、大洋洲、中东、俄罗斯以及非洲东北部地区,具备较强的卫星通信服务能力。

    结语

    好啦,洋洋洒洒说了那么多,该介绍的都介绍了。

    正如本文开头所说,全社会对卫星通信的关注度越来越高,手机厂商也开始打卫星通信的主意。也许不久后,我们的手机就能支持直接卫星通信,这也不是完全不可能。

    未来6G,对卫星通信也有规划布局。不过,主要是集中在空天一体化方面,研究如何让卫星和地面通信系统进行协作,并不是让卫星来取代地面基站。相信随着5G-Advanced的推进,后续会有更多的研究进展公布。

    总而言之,卫星通信的发展前景广阔。卫星互联网只是一个过程。人类的目标,是建设一个空天一体化的立体全维度网络平台,让通信真正实现无处不在。

    让我们期待这一天早日到来。

    ——全文完—— 

    参考文献:

    1、《我国卫星通信系统研制工作的历史回顾》,魏学兴;

    2、《70年70人“话”通信 | 闵士权:天上一颗星,人间几十载》,闵士权;

    3、《中国卫星通信产业发展白皮书》,赛迪智库;

    4、《卫星通信 见证中美邦交正常化》,人民邮电报;

    5、《中国卫星事业发展史》,陈筠力;

    6、《中国卫星通信新纪元的开辟》,汪春霆;

    7、《中国通信卫星发展历程》,B站,文曜星河;

    8、《通天盖地45年·中国卫星通信事业发展的伟大征程》,郭浩然 张钰伟 郭新哲 尹曙明;

    9、《卫星通信应用的历史回顾和未来展望》,沈永言,卫星与网络;

    10、《中国卫星互联网产业深度研究报告:浩瀚宇宙中的投资“蓝海”》,中航证券,张超、王宏涛;

    11、《中国卫星通信产业发展白皮书》,赛迪智库;

    12、《马斯克颠覆得了5G?回溯“卫星互联网”15年史》,戴辉。

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