卫星互联网：从科幻到现实，未来的改变者

卫星互联网是基于卫星通信的互联网，是对传统地面通信的重要补充，是未来重要的通信方式之一。其具备广覆盖、低延时、宽带化、低成本等特点，是空天一体网络的必要组成部分，在国防军事和民用领域有着极为广泛的应用和巨大的潜在价值。因此，卫星互联网的发展受到了广泛关注和重视。

本刊特邀请中国科学院微小卫星创新研究院副院长林宝军担任本期《论场》的主持人，与国际欧亚科学院院士、北京邮电大学教授邓中亮，工信部赛迪研究院无线电管理研究所（未来产业研究中心）所长韩健，国家广播电视总局广播电视科学研究院电视所副所长胡军，中国电信研究院6G研究中心总监夏旭共同探讨卫星互联网的发展现状、应用场景、技术难点等问题。希望通过这次的探讨，让人们把目光聚焦于卫星互联网，助力其发展。

特邀主持人：

中国科学院微小卫星创新研究院副院长林宝军

嘉宾介绍：

中国科学院微小卫星创新研究院副院长林宝军

国际欧亚科学院院士、北京邮电大学教授、灾备技术国家工程中心主任邓中亮

工信部赛迪研究院无线电管理研究所（未来产业研究中心）所长、副研究员韩健

国家广播电视总局广播电视科学研究院电视所副所长胡军

中国电信研究院6G研究中心总监夏旭

主持人：

5G构建起万物互联的核心基础能力，带来了更快更好的网络通信。而卫星互联网也正以追赶之势走向人类的现实生活。请谈一下国内外为什么如此重视卫星互联网发展，以及给人们的生产、生活带来了哪些改变。

林宝军

众所周知，传统无线通信由于电磁波在空间传输的损耗特性，决定了无线信号的覆盖距离受限，要想实现远距离覆盖则需要加建基站，而有些地区，如海洋、深山、森林、沙漠、高原、无人区等，建设通信基站的费用与收入极不成比例，此时，利用卫星通信则能扩大基站的覆盖距离。作为地面网络的补充和延伸，卫星互联网可以实现全球宽带无缝通信，实现延时与地面网络相当，且建设成本低于地面通信设施。

邓中亮

地面通信网络的建设在我国的“十二五”“十三五”规划中都是重中之重，卫星通信网络是人类对于近地空间利用的必然发展结果，可以认为是地面通信网络的延伸，并不是一个完全崭新的产物。因此，当前国际上传统的地面网络主要标准化组织——“第三代伙伴计划”（3GPP）组织也将包括卫星在内的非地面网络（NTN）纳入5G的标准化内容之中。目前，业内认为卫星网络将是6G网络的一个重要组成部分。卫星通信可以在偏远地区覆盖、远洋巡航、无人机群管控、飞机Wi-Fi等多个方面产生重要作用，真正做到全球无缝覆盖。

韩健

一方面，加快建设卫星互联网正成为缩减数字鸿沟的重要举措。卫星互联网是地面通信网络的有力补充。卫星互联网的部署将成为解决“无互联网”问题的重要方式。另一方面，卫星互联网在应急通信、公共安全、海洋科考等特定场景需求突出。打造“星链”可以有力保障国家通信安全，确保在遇险呼救、应急救灾等紧急情况下的通信畅通；在海洋通信等场景中，卫星互联网可作为传统地面基站的有效替代，实现船载设备、科考设备之间信息高效互通，进一步提升海洋作业等工作效率。此外，卫星互联网成为各国抢抓6G发展先机的重要手段。卫星互联网是6G网络架构重要环节，有望开启并引领下一轮通信板块基础设施建设，成为实现6G泛在通信愿景的重要支撑。

胡军

首先，卫星互联网提供了重要的通信解决方案，突破了距离限制与地理环境限制，使区域性“地表覆盖”逐渐演变成“全球空间覆盖”，这使得卫星互联网成为推动全球信息一体化的重要工具。其次，卫星互联网的发展可以为各类行业应用提供更广泛、更高效的连接服务。再次，卫星互联网能够带动卫星产业的发展，引领航天产业的升级，是国际航天领域角逐的重要方向。最后，从战略层面来说，各国战略竞争加剧导致在卫星互联网领域形成了竞相发展的特殊格局。卫星互联网给人们的生产、生活带来各种改变。在生产上，卫星互联网提供了新的通信方式；在生活上，卫星互联网使得全球范围内的信息交流更加便捷，使人们随时随地都可以与世界保持联接，实时在线。

夏旭

卫星互联网成为国内外新赛道主要有优势、需求、竞争、技术这四重因素驱动。第一，卫星互联网具有独特的上帝视角优势，可实现全球立体无缝的超级连接，弥合数字鸿沟。第二，时代的发展对通信服务的覆盖性提出了更高的要求。地面移动通信行业已将能够创造最大利润的区域覆盖完毕，剩下的区域基本上是基础设施投入和产出比较低或者是地面移动网络由于地形等原因而无法触及，需要更加合适的解决方案。第三，从国家层面出发，空间轨道和频段资源是有限的，遵循先到先得的原则，假如落后于其他国家发展卫星互联网，我国的6G空天地一体化信息网络建设乃至国防安全都将会受到挑战和威胁。第四，智能制造、火箭发射等相关技术取得了一定的发展，降低了卫星互联网实现的难度，卫星互联网也会反过来推动航天信息、新材料等领域的技术创新。

主持人：低轨卫星应用于卫星互联网有诸多优势。目前，我国正积极布局低轨宽带星座，跻身卫星互联网世界强国。请简单介绍下我国正在建设或拟建设的低轨卫星星座，并以其中某个低轨卫星星座为例，详细介绍其带来的影响。

韩健

对比发达国家，我国卫星互联网起步晚但发展速度快，目前以中国卫星网络集团有限公司（简称“星网”）为代表的国家队为主导，各细分领域国企和民企广泛参与的格局基本形成。以银河航天为代表的民营企业，为我国构建巨型星座提供了重要技术支撑。2023年7月，银河航天成功发射的灵犀03星是我国首款使用柔性太阳翼的平板式卫星，这也是我国首次在轨对多星堆叠发射技术进行验证。未来，随着星上大能源、数字处理载荷等核心技术攻关的不断突破，我国低轨卫星互联网建设将有望进一步提速，高速泛在的“太空信息高速公路”不再遥远。

胡军

我国低轨卫星星座的设计者和建设者中最著名的是星网。星网在整合了“鸿雁”“虹云”等星座的基础之上规划了规模达1.3万颗低轨卫星的“GW”星座，其不仅具备宽带通信能力，而且具备导航增强功能用于加强北斗系统覆盖和提高精度。另外，高科技民营企业的表现也十分突出。以垣信卫星为例，其规划建设的宽带卫星通信星座称为“千帆”星座，计划分三代系统、两个阶段进行建设。第一代系统采用透明转发（TP）模式，为我国境内和“一带一路”的陆地/近海提供服务，该系统正在火热建设中。第二代系统采用星上转发（OBP）模式，和TP模式相比，除了延续透明转发的能力，还具有星上处理能力，可向全球陆地/海洋/空中全域提供服务。第三代系统设计规模达14000颗卫星，可实现多业务、多层组网部署，全球区域星地融合。

夏旭

低轨卫星会给人们带来较大的改变，但高轨卫星带来的影响同样不可小觑。以华为Mate 60 Pro为例，其一大亮点便是支持卫星通话功能，即在无地面网络时，也能通过拨打和接听卫星电话与外界联系，这对于在偏远地区作业或遭遇突发事件的用户来说，具有重要意义。而该功能实现所依赖的正是我国自主研制的天通一号卫星移动通信系统，该系统包含了空间段、地面段和用户终端，空间段是由多颗地球同步轨道移动通信卫星组成的高轨卫星星座，拥有安全可控、售后无忧、低成本、稳定可靠的优势，能提供全天时、全天候的话音、短消息和数据等移动通信服务，已经广泛应用于应急通信、海洋运输、消防林草、旅游科考等行业，为生产生活带来更多的便利和安全保障。此外，天通一号卫星移动通信系统有力支撑了“一带一路”沿线的繁荣发展，填补了国内自主卫星移动通信系统的空白，也让我国摆脱了长期对国外卫星移动通信服务的依赖，对于我国卫星互联网建设有重要的战略意义。

主持人：

7月12日，中国航天科工集团宣布正式启动超低轨通遥一体卫星星座建设；7月22日，我国第一颗超低轨道试验卫星发射升空。现如今，我国正致力于打造卫星直接服务于大众的新型产业生态。请介绍下超低轨卫星星座的优势及其建设面临的难点与挑战。

林宝军

低轨卫星的轨道高度一般在200~2000千米之间，不同高度的轨道对应不同的应用场景。超低轨的概念主要还是从距离地面的高度来划分的。以地面跟卫星通信为例，光在真空中1纳秒仅传播30厘米（1纳秒等于10-9秒，即十亿分之一秒），因此要想通话无延迟，轨道肯定是越低越好。轨道越低，延迟越小。轨道高会影响传输，传输有延迟，则会造成一系列问题。轨道低，卫星则会受到大气阻力的影响。大气阻力是低地卫星轨道高度衰减的主要原因。卫星运行高度越低，大气密度就越稠密，卫星在轨寿命也就越短。此时，就要通过卫星星座不停地补发卫星。

邓中亮

超低轨卫星的轨高一般在100~300千米，也即在卡门线（100千米）以上的临近空间。从空气动力学角度看，这个空间一个固有的特点是仍然存在稀薄的大气导致卫星虽然在太空中，但是会受到一定的空气阻力。此外，根据机械能守恒，卫星处于低轨道时，势能小、动能大，而这会使线速度增大，导致阻力进一步提升。因此，在携带同等能源的前提下，超低轨道卫星的寿命将是低轨卫星的一半以下，一般为3~5年。但是，超低轨道卫星因为速度快，周期短，可以非常灵活地进行全球调配，在需要监测的区域内完成迅捷、频繁的遥感遥测。超低轨卫星由于其轨道高度低造成信号传输时延短，可以使得双向延时控制在10毫秒之内，支持无人机、车联网等时敏业务，进一步拓宽卫星互联网的应用场景。

韩健

超低轨道卫星与地面用户之间的距离较近，可大大缩短通信时延，实现实时或者近实时的数据传输和服务；超低轨道卫星距离地面更近，路损也相应减小，用户终端可以更加小型化和便携化，不需要安装大型的天线或者放大器；超低轨卫星能够处理一些微弱信号，可实现0.5米甚至更高的空间分辨率；超低轨卫星能实现同等分辨率下光学载荷重量、成本降低50%的效果，应用前景广泛。

但面临以下难点和挑战：在卫星设计和制造方面，运行产生的阻力较大，卫星运行周期和有效载荷重量设计等技术需持续优化；在星座运维和组网方面，相较于传统轨道，超低轨道卫星需要面对复杂的动力学环境，这些会对卫星轨道和姿态产生扰动，在星座运行和组网时需重点考虑增稳设计等技术，长期运行还需考虑更加精密和高效的控制算法以及高成本运维等诸多挑战；在通遥一体技术融合方面，需考虑卫星之间的通信和数据传输，包括星间传输、星上智能处理和关键信息提取等技术突破，以便实现星间链路快速分发，高效支撑应急救援和辅助决策。

胡军

一是发射成本低；二是运行轨道高度低，通信时延大大缩短；三是在轨重访周期短；四是观测效果好；五是压缩了卫星成本和能耗。

超低轨道是一片动力学环境极其复杂的空间：从600千米下降到300千米以下，大气密度会增加数千倍，空气阻力骤增；卫星还受到地球引力更强烈的“拉扯”，很容易失控坠入大气。在以上情况下，保持卫星在超低轨道上长期稳定运行，在客观上存在非常高的技术门槛，在超低轨道控制维持、卫星平台姿态控制、卫星持续变轨、防热防蚀材料等技术环节上都有更高的要求。同时，因为传输效率更高，延迟更短，所以资源调度需要更加快速和复杂。此外，超低轨卫星的移动速度更快还将引发一系列移动性功能相关难题。

主持人：未来，将会有更多种类的卫星发射入轨，手机直连卫星、与工业领域结合等卫星应用也在不断丰富，融合了通信、计算、感知等功能的空、天、地、海一体化网络，将推动人类社会进入泛在智能的新时代。请对卫星互联网产业应用场景进行相关分析。

林宝军

卫星互联网是解决地球“无互联网”人口数字鸿沟的重要手段。此外，在野外科考、应急救援等场景下，航海、航空等区域有强烈的网络接入需求。传统地面通信技术尽管拥有巨大的传输能力，但骨干网在海洋、沙漠及山区偏远地区等苛刻环境下，铺设难度大且运营成本高，需要通过卫星互联网来进行补充。

韩健

伴随卫星互联网持续深度赋能垂直行业，各领域细分场景打造进程不断加快，成为培育太空新经济新业态的重要途径。业界普遍认为，伴随通信、导航、遥感卫星的综合应用以及与新一代人工智能、大数据、先进计算等技术融合，除传统的宽带通信，如手机直连卫星、船载/机载通信、应急救灾、生态环境监测、通导遥一体化国防应用等场景将更为丰富，空间应用的模式及形态将不断拓展。2022年国务院新闻办公室《2021中国的航天》白皮书也提出，未来五年我国将“培育发展太空旅游、太空生物制药、空间碎片清除、空间试验服务等太空经济新业态，提升航天产业规模效益”。

胡军

低轨卫星的卫星物联网可应用于智能制造、智能零售、智能农业、智慧安防、智慧城市、智能家居、智慧医疗等场景。目前，“铱星”“全球星”等低轨卫星系统均可提供物联网业务，商业应用范围包括交通运输、油气田、水利、海运、资源勘探等多个行业领域。此外，卫星互联网还可以提供高分辨率的气象观测服务，为天气预报和气候变化研究提供精确的数据支持；提供可靠而及时的灾害预警和应急通信服务，为灾害管理提供帮助；提供精确的定位导航服务和保密通信服务，在军用领域提高作战效率和安全性。

目前，我国正在探索的应用服务场景包括移动通信、宽带连接、遥感与成像、卫星导航、紧急响应与灾害救援、广播电视、物联网&机器与机器通信、卫星远程医疗等。

夏旭

卫星互联网首先应当瞄准孤岛、海洋、空中、偏远地区等严苛环境和应急通信紧急救援场景中的应用。其次是应用于军事国防领域。再次是在有地面网络覆盖的区域进行辅助增强。最后是标准引领赋能下一代网络6G的发展。6G的六大支柱之一即为星地融合，卫星互联网能实现星上搭载6G部分网元功能，迅速推动6G基站按需部署，为6G通信技术提供实验验证和应用场景，增强ITU为6G定义的覆盖能力，从而有效支撑6G泛在通信的愿景，帮助6G实现全球无缝覆盖的空天地海一体化网络，并影响6G通信协议、技术架构和体系的制定以及服务模式、终端形态的确定。反过来，6G也会带来更强的通信能力、更低的传输时延，为卫星互联网的安全高效提供更先进的架构支持。在拥抱卫星互联网产业方面，运营商选择卫星不仅要考虑5G卫星服务，还要考虑6G网络和业务的前瞻性计划。

主持人：尽管卫星互联网应用场景多、潜在市场大，但诸多技术有待突破。请从不同角度，如卫星制造、火箭发射、地面设备等，说明卫星互联网需要克服的技术难点。

林宝军

卫星互联网需要克服的技术难点主要包括星地宽带服务和星间激光通信两个方面。众所周知，卫星互联网使用微波频段进行通信，一个用户波束的覆盖范围约300千米，通信容量1Gbps，对于人口稠密地区，无法满足所有人并发的高速通信需求，当然，采用更智能的数字化载荷、更高效的编码技术等手段，可以增加卫星互联网的带宽。激光通信尽管解决了长远距离下的数据传输延迟、带宽和通信控制等难题，但涉及抗辐照高可靠元器件和空间对准精度的要求等问题。星间激光通信中使用的抗辐照高功率激光器、光调制器和光电探测器等是制约星间链路长寿命运行的关键。同时由于激光波束角窄，两颗通信的卫星处于高速相对运动的状态，需要极高精度的跟瞄捕获控制系统。

韩健

卫星制造方面，我国卫星互联网在卫星设计、卫星制造及批量化生产等方面与发达国家相比仍存在较大差距。同时，星载/地面相控阵天线、长时稳定高速星间激光载荷、高精稳长寿命卫星平台，以及多层星座构型保持、复杂星座组网控制等基础技术仍需优化。

火箭发射方面，目前我国卫星互联网仍需突破火箭发射成本控制、一箭多星和火箭回收等问题。

地面设备和终端方面，目前我国要想在芯片、模块、天线等关键技术方面加快突破，还需重视信关站、采用相控阵天线的高性能终端、采用平板/反射面天线的低成本终端、无人值守边境综合监测站等创新能力建设。

胡军

从卫星制造的角度来说，低成本和产能是组建海量卫星巨型星座的两大前提。

从火箭发射的角度来说，要发展低成本重型运载火箭技术，通过一箭多星和火箭回收等技术方式提供高资源利用率，降低发射成本。

从地面设备的角度来说，技术难点主要集中在卫星通信天线、卫星终端、射频芯片这些领域。

从对卫星的管理角度来说，需要发展巨型星座运行管理技术。

夏旭

卫星制造：在硬软件研制配备和集成测试时需兼顾低成本和高性能。进一步研发和应用轻量化材料和组件，开发高效的太阳能电池板和能源管理系统。

火箭发射：研发载荷容量更大、发射成本更低、可重复使用的火箭是需要克服的技术挑战。此外，部署高密度的卫星互联网也意味着高负荷的发射频率，如何加强火箭制造、发射设备和发射流程的稳定性和安全性也是不可回避的问题。

地面设备：低成本、低功耗、小型化、高性能的终端与芯片制造技术瓶颈亟须突破。与此同时，地面信关站的合理部署对于卫星服务的持续性至关重要，基站等地面移动通信基础设施也需要进行软件的升级和空口协议增强以促进星地融合。

卫星监管：包括频率和轨道资源的提前部署和申请及使用规则的制定、对于非本国卫星系统的管理、卫星碰撞规避和通信干扰控制等。

主持人：关于卫星互联网，您还有何其他补充的观点？请简单做个介绍。

林宝军

卫星互联网可以看作“天上的一张网”，它基于卫星通信技术，可以接入互联网，为全球范围内的用户提供高带宽、灵活便捷的互联网接入服务。因此，各国都在全力建设这张“网”。可以说，卫星互联网是发展大势之所趋，未来，大数据、云计算、边缘计算等都将与卫星互联网密不可分。此外，很多人认为卫星传输的数据有延迟，这对于有时间差的系统来说很难应用到卫星互联网，但其实不然。以自动驾驶为例，两个看似不相关的领域，但实际上存在一定联系。卫星互联网在自动驾驶领域具有广泛的应用前景，可以为自动驾驶车辆提供可靠的导航、交通信息和车联网服务，帮助实现更加安全、高效和智能的自动驾驶。

邓中亮

我国的通信网络是以运营商为主导力量完成建设的，国家对于卫星互联网也同样成立了中国卫星网络集团公司来主导建设。但是，借鉴我国在4G、5G时的建设经验，搞活民用市场是非常必要的。对此，需要尽快明确和公布我国的卫星通信规划频段以及通信体制，对于产业链中上游的企业需要扶持和引导，对于商业航天需要统筹和规划。在保证国家安全的前提下，释放民用资本的力量，对诸如工业互联网、物联网等垂直行业共享一定的载荷和频谱资源，充分发挥群智的效应和体制优势。

韩健

近年来，全球低轨卫星互联网发展提速，相继提出Starlink、OneWeb、Project Kuiper、Lightspeed、O3b等一系列星座计划。美国卫星互联网商用化代表企业SpaceX等已经抢占全球低轨卫星星座部署的制高点。当前，“星链”提供的卫星互联网服务已在个人消费领域取得成功，截至2023年5月，其“星链”全球用户数超过150万，卫星互联网服务已覆盖美国、加拿大、英国、德国、新西兰、澳大利亚、意大利等56个国家，事实上已形成相对明晰的标准及商用模式，这给我国卫星互联网产业发展以及下一代通信标准制定带来挑战。基于此，学习代表性企业的技术、业务及商业创新模式，充分发挥我国高轨、中轨和低轨互联网星座的特色与优势，统筹各方资源打造中国版“星链”，对于全面加快我国卫星互联网商用化进程意义重大。

胡军

实现卫星互联网突破和持续发展的重点在于全方位的应用。在国内地基互联网占据优势地位的情况下需要开辟更多特有的应用场景，支撑卫星互联网克服技术难点，为陆地、空中和海洋提供基于卫星的信息综合服务。在国际上，我国卫星互联网在海外运行还需克服来自海外企业的激烈竞争和复杂的地缘政治风险。为了落实和推进卫星互联网战略部署，需要加快相关标准体系建设，完善法规政令制定，充分调动国企、民企以及产学研用多方主体积极性，构建完备的产业链，培育自主可控的卫星互联网技术和产业生态，加快安全保障机制和全方位管控体系建设，制定低轨道卫星互联网与地基移动通信网、中高轨道卫星网协同发展策略，同时尽快布局卫星互联网“走出去”战略，加强国际合作，提高我国卫星互联网的全球业务水平。

夏旭

短期来看，卫星互联网并不能取代地面网络，两者是优势互补、相互支持的发展模式。一方面，卫星互联网尚处于应用初期，由于传输距离长、链路损耗大等原因，尚无法达到5G通信的性能要求，也不能完全适应高密度人群，而地面移动通信网络从1G迭代到5G，已经具备较为成熟完善的技术，在各行各业、各种复杂场景下都得到了应用；另一方面，地面网络能为卫星互联网提供先进的蜂窝网技术，助其解决容量、移动性等相似方面的问题，借助卫星互联网，地面网络基站则能实现按需低成本布站，二者合力将产生巨大的力量，为打造空天地一体化网络奠定基础。从国内外卫星互联网发展历程可以看出，总体趋势是通信形态从专用卫星电话采用专用协议通信转向与地面网络合作实现大众手机可直连卫星，业务模式从定位、短信发展到语音、数据，未来可能将进一步支持超高清图像和视频，以及卫星走向批量化生产，构建完备产业供应链。

主持人林宝军

本期，嘉宾围绕“卫星互联网”这一主题做了多方面的探讨，从卫星互联网给人们带来的改变到卫星互联网的应用场景再到卫星互联网技术突破难点，各位嘉宾从不同角度展现了卫星互联网的发展现状，使大众对卫星互联网有了进一步的了解。现如今，随着科技的发展，技术的进步，卫星互联网的发展和应用场景将会越来越广。虽然存在一些技术难点，但是随着科技的不断进步和优化，我们相信，卫星互联网将会在未来的发展中发挥更加重要的作用，为人们的生活和工作带来更多的改变和便利。

本文为（节选），更多观点请参阅《广播电视网络》2023年第9期《论场》