下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
天地一体化信息网络覆盖海洋远边疆、太空高边疆和网络新边疆，其地位十分重要，世界强国纷纷制定发展战略并投入巨资，布局以高轨道高通量卫星通信星座、低轨卫星互联网星座为重点的天基通信网络建设，谋求在新技术、新产业和空间频率轨位资源方面的领先优势。面对新形势，自主创新发展天地一体化信息网络、发展自主可控的空间信息基础设施是我国实现全球信息服务的必然选择。
自20世纪60年代第一颗GEO商用通信卫星（晨鸟号）升空以来，GEO卫星通信系统的技术已经非常成熟。GEO 卫星节点在赤道上空距地面35800km 的轨道上运行，从理论上讲，用3颗GEO卫星节点即可实现全球覆盖，因此，基于GEO卫星节点构建天地一体化信息网络是最简单的一种模式。
（1）Inmarsat
Inmarsat 是国际上最早提供覆盖全球的商用卫星移动通信业务的运营商。Inmarsat始建于1979年，早期主要从事全球海事卫星通信服务，后来其运营范围逐渐扩展到了航空通信和陆地移动通信，1994年，“国际海事卫星组织”改名为“国际移动卫星组织”，但其英文缩写不变，仍为“Inmarsat”。
Inmarsat是典型的“天星地网”形态，由空间段、地面段和用户段组成。
Inmarsat的空间段由其在空间运行的各种卫星节点组成。目前，Inmarsat已经发展到第5代系统，在轨运行的共13颗GEO卫星节点，分别是5颗使用L频段的Inmarsat第4代（I4）卫星节点、5颗使用Ka频段的第5代（GX5）卫星节点（GX5卫星于2019年11月26日发射升空），以及3颗用于局部区域增强的卫星节点，如服务于欧洲航空网络（EAN）的S频段卫星I-S节点，覆盖欧洲、中东和非洲的L频段卫星Alphasat节点。Inmarsat空间段的这些卫星节点之间没有星间链路。
Inmarsat的地面段由网络运维中心（NOC）、汇接点（MMP）中心和分布在世界各地的卫星关口站组成。网络运维中心设在英国伦敦Inmarsat的总部，用于完成对Inmarsat卫星节点和地面网络的管理与控制。Inmarsat有3个地面信息汇接点中心，分别位于美国的纽约、荷兰的阿姆斯特丹和中国的香港，用于汇接附近区域地面关口站的信息并接入地面光缆网，实现 Inmarsat 业务与地面互联网和移动通信网业务的互联互通。Inmarsat在全球设有11个关口站，分别部署于美国、加拿大（2个）、意大利、荷兰、希腊、澳大利亚（2个）、新西兰（2个），以及太平洋上的夏威夷（美国）。
Inmarsat的用户段由各类船载站、机载站、LEO星载站，以及陆地岸站和用户手持终端站等组成，为世界各地的用户提供卫星电话和数据服务。
（2）美国先进极高频（AEHF）卫星通信系统
随着美国“军事星”（Milstar）系统的退役，AEHF卫星通信系统成为了美军新一代的受保护卫星通信系统，可以为美军及盟军提供安全、受保护和抗干扰的全球军事卫星通信服务。AEHF 卫星通信系统比 Milstar 系统具有更大的传输容量和更高的数据速率，每颗AEHF卫星的总通信容量比由5颗卫星构成的整个Milstar系统还要大，同时响应时间也更短，能够更好地支持美军的带宽需求，并快速反映服务需求。
AEHF 卫星通信系统是典型的“天基网络”形态，由空间段、任务控制段和用户终端段组成。
空间段由6个GEO上的AEHF卫星节点构成，2020年3月AEHF-6卫星发射升空，完成全系统组网。AEHF 卫星节点具有星上处理和星间链路能力，其上行链路采用EHF频段（44GHz），下行链路采用SHF频段（20GHz），数据速率范围为75bit/s～8.192Mbit/s。这些卫星节点通过V频段（60GHz）双向的60Mbit/s星间链路互联构成AEHF卫星星座，提供的通信服务覆盖范围从地球北纬65°到南纬65°，使得AEHF卫星星座具有覆盖全球（除了南北极之外）的端到端全程信息处理与传送能力，而无须地面固定关口站和网络的参与。这就减少了卫星通信系统对地面支持系统的依赖，使 AEHF 卫星通信系统在地面控制站被毁坏后至少还能自主工作6个月。
任务控制段提供AEHF卫星星座的控制和维护功能，由任务规划单元、测试和训练仿真单元、任务操作单元等组成。任务控制段分布在多个地面固定和移动站点。固定站点包括位于美国施里弗空军基地的AEHF卫星操作中心以及位于美国范登堡空军基地的AEHF卫星操作中心。3个移动站点包括1个指挥移动备用司令部和2个AEHF移动星座控制站。
AEHF系统支持的用户终端段主要包括：单信道抗干扰便携式（SCAMP）终端、保密移动抗干扰可靠战术终端（SMART-T）、先进超视距终端（FAB-T）和海军多波段终端（NMT）。这些可快速部署的机载、舰载、车载和便携式AEHF终端将连通全球范围的作战部队，为其提供任何时间和任何地点的通信能力。
LEO星座采用运行在低地球轨道（距离地球表面120～2000km）的卫星群提供宽带互联网接入等通信服务，具有低时延、信号强、可批量生产和成本低等特点，能够进一步满足人们对全球无缝覆盖的宽带网络服务需求。
早期的低轨通信星座主要有铱星、全球星和轨道通信卫星系统等，现在都已升级换代，其中铱星二代系统开始提供宽带数据服务。目前，国外多家企业提出了低轨互联网星座计划，以 SpaceX 公司为代表的企业开始主导低轨互联网星座建设，其“星链”星座已发射11批共计653颗卫星节点，进入密集部署阶段；“一网”星座已发射3批共74个卫星节点；电信卫星（Telesat）和柯伊伯（Kuiper）星座有待实施。国内“虹云”“鸿雁”“天象”“银河”等星座网络相继发射了验证卫星。目前，全球低轨互联网星座发展正在进入一个高潮期，下面简要介绍近年来发展较快的低轨互联网星座。
（1）铱星（Iridium）二代系统
美国摩托罗拉公司1987年提出了铱星全球移动通信系统，铱星一代系统1996年开始试验发射，1998年投入业务运营，其空间段由66个质量较轻的小型卫星节点和数个备用卫星节点组成，运行在780km的太空轨道上，使用Ka频段与关口站进行通信，使用L频段和终端用户进行通信交互。铱星系统经历了2001年的破产重组，为取代逐渐进入寿命终期的铱星一代星座，铱星公司2005年启动了铱星二代系统的部署。从2017年1月14日到2019年1月11日，75个铱星二代卫星节点（66个在轨工作卫星节点和9个在轨备份卫星节点）分8次成功部署，单个卫星节点的质量为860kg，设计在轨使用寿命为15年，运行在高度为780km、倾角为86.4°的低地球轨道，卫星节点提供L频段1.5Mbit/s和Ka频段8Mbit/s的高速数据服务。
2019年1月16日，铱星公司推出了Iridium Certus350宽带服务，可为用户提供352kbit/s的数据速率。2020年2月27日，Iridium Certus700正式上线，最高下载数据速率较上一代翻一番，已达702kbit/s。Iridium Certus可为申请购买该服务的企业和团队提供移动办公功能，并为自动驾驶汽车、火车、飞机等提供双向远程通信，还可以满足在蜂窝网络覆盖范围之外用户的关键信息搜索服务需求，用户主要包括急救人员和搜救组织。
（2）一网（OneWeb）
英国OneWeb公司的一网星座是一个由882个（648个在轨，234个备份）卫星节点组成，为全球个人消费者提供互联网宽带服务的低轨卫星星座。于2022年初步建成低轨卫星互联网系统，到2027年建立健全的、覆盖全球的低轨卫星通信系统。648个通信卫星节点的工作频谱为Ku波段，在距地面大约1200km的环形低地球轨道上运行。
2019年2月，首批6个卫星节点成功升空；2020年2月7日、2020年3月21日第二批及第三批各34个卫星节点发射升空。至此，一网星座在轨运行卫星节点已有74个，展示了超过400Mbit/s的数据速率和32ms时延的系统性能。
OneWeb 公司原计划在2020年完成10次卫星发射任务，快速部署第一阶段648个卫星节点，2021年实现全球服务，最终实现1980多个卫星节点在轨运行，从而构建覆盖全球的宽带通信网络。然而，2020年3月27日，因受到新冠肺炎疫情影响，OneWeb公司及其最大投资者日本软银的20亿美元投资谈判破裂，OneWeb公司向美国破产法院申请破产保护。但2020年5月，OneWeb公司仍向美国联邦通信委员会（FCC）递交了卫星宽带服务申请书，将计划建设的星座提升到47844个卫星节点的量级，并对系统的轨道平面和部署特性进行调整，以完成全球网络的覆盖。
2020年7月3日，英国政府宣布，其主导的财团和印度移动网络运营商Bharti Global成功联合竞购了卫星运营商OneWeb公司，以帮助重组其星座业务。目前，OneWeb公司已经开始其新卫星的制造工作。
（3）星链（Starlink）
星链是美国SpaceX公司的一个项目，其计划在2019—2025年在太空搭建由约1.2万颗卫星组成的“星链”网络提供互联网服务。截至2022年3月，已累计发射2000多颗“星链”卫星，为美国、英国、加拿大、澳大利亚等国的25万名用户提供互联网接入服务。
美国SpaceX公司的卫星互联网项目星链于2018年3月得到FCC批准进入美国市场运营。根据SpaceX公司向FCC提交的文件，星链星座原计划共部署约12000个卫星节点，其中，4425个轨道高度为1100～1300km的中地球轨道卫星节点，7518个轨道高度不超过346km的近地轨道卫星节点。SpaceX公司预计在2025年最终完成约12000个卫星节点发射，能够为全球用户提供至少1Gbit/s的宽带服务，最高可达23Gbit/s的超高速宽带网络。此外，2019年10月，SpaceX公司又向FCC提交了额外发射3万个卫星节点的申请，轨道高度为328～580km。
在组网第一阶段，约1600个卫星节点将在550km高度处环绕地球运行。之后，2700多个卫星节点会进入1100～1325 km的较高轨道，完成全球组网。第二阶段的7000多个卫星节点将进入更低的300km高度，增加整个网络的带宽。
每个Starlink卫星节点重约227kg，装有多个高通量相控阵天线和一个太阳能电池组，使用以氪为工质的霍尔推进器提供动力，配备和“龙飞船”相似的星敏感器高精度导航系统，能够自动跟踪轨道附近的太空碎片并避免碰撞，卫星节点的在轨寿命为1～5年。每个卫星节点的生产和发射成本已经远远低于50万美元，60个卫星节点可提供1Tbit/s的带宽，即每个卫星节点的带宽接近17Gbit/s。
（4）电信卫星（Telesat）星座
加拿大卫星运营商电信卫星公司是世界五大商业卫星运营商之一。2016年，Telesat公司披露其低轨星座计划，该系统将包括在两个轨道上的至少117个卫星节点，之后方案更改为300个卫星节点或更多。Telesat公司计划在2023年开通全球服务。
卫星将分布在两组轨道面上：第一组轨道面为极轨道，由6个轨道面组成，轨道倾角99.5°，高度1000km，每个平面至少12个卫星节点；第二组轨道面为倾斜轨道，由不少于5个轨道面组成，轨道倾角37.4°，高度1200km，每个平面至少10个卫星节点。就功能而言，第一组极轨道提供了全球覆盖，第二组倾斜轨道更关注全球大部分人口集中区域覆盖。Telesat星座将在Ka频段（17.8～20.2GHz）的较低频谱中使用1.8GHz的带宽用于下行链路，而在上Ka频段（27.5～30.0GHz）使用2.1GHz的带宽用于上行链路。单个卫星节点重约800kg，设计寿命10年，并携带两个冗余的氪燃料电力推进系统，整个星座的总容量将达到16～24Tbit/s，其中约8Tbit/s用于销售，剩余的容量将覆盖海洋和无人居住的陆地，Telesat 星座系统架构如图1-2所示。
图1-2 Telesat星座系统架构
2018年1月12日，Telesat的低轨高通量试验卫星LEO Vantage 1搭载印度极地卫星运载火箭（PSLV）发射入轨，用于验证低地球轨道星座的低时延宽带通信。2020年4月30日，Telesat公司表示由298个卫星节点组成的互联网星座的使能技术已足够成熟，将选择一家主要承包商研制低地球轨道卫星。Telesat 公司计划在2023年年初发射Thales Alenia Space公司制造的第一批298颗卫星，同年在高纬度地区提供部分服务，2024年提供全球服务。
（5）柯伊伯（Kuiper）星座
2019年，美国的亚马逊公司推出了柯伊伯星座计划，拟投入数十亿美元发射3236个Ka波段卫星节点，其中784个卫星节点位于590km高度的轨道，1296个卫星节点位于610km高度的轨道，1156个卫星节点位于630km高度的轨道，提供高速率、低时延的互联网宽带服务。
柯伊伯星座是目前所有低轨互联网星座中最低、最密集的一种，它在高度上与其他星座区分开，一方面避免了同轨道的拥挤和碰撞，另一方面占据最低的轨道可使通信性能达到最优、发射运输成本最低、发射可用的火箭也最广泛。但缺点是，对同样的地表范围需要的卫星数量会相对较多，以便覆盖到所有的目标区域（南北纬56°之间）。
亚马逊公司目前尚未披露其打算何时发射首批“柯伊伯”卫星节点，但需要在2026年之前发射至少一个卫星节点，才能达到国际电信联盟（简称国际电联）申请后7年内让频谱启用的时间要求。该公司是2019年3月向国际电联提出Ka波段频谱申请的。亚马逊公司2019年7月对FCC表示，它打算分5个阶段来发射柯伊伯项目卫星节点，卫星节点设计工作寿命为7年，2026年前将完成一半数量的卫星节点发射任务。
（1）“鸿雁”星座
“鸿雁”星座是中国航天科技集团有限公司规划并发布的LEO星座，由300 个低轨道小卫星节点组成，具有全天候、全时段且能在复杂条件下实时双向通信能力的全球系统，能实现对海域航行船舶的监控和管理、对全球航空目标的跟踪和调控，以保证飞行安全，还能增强北斗导航卫星系统，提高北斗导航卫星定位精度。2018年12月29日，“鸿雁”星座发射首个试验星节点“重庆号”，配置有L/Ka频段的通信载荷、导航增强载荷、航空监视载荷，可实现鸿雁星座关键技术在轨试验。
（2）“虹云”星座
“虹云”星座是由中国航天科工集团第二研究院规划发布的LEO星座，设计由156个卫星节点组成，在距离地面1000km 的轨道上组网运行，构建一个卫星宽带全球移动互联网实现全球互联网接入服务。2018年12月22日，虹云星座技术验证星在酒泉卫星发射中心成功发射入轨后，先后完成了不同天气条件、不同业务场景等多种工况下的全部功能与性能测试。
（3）“天象”星座
“天象”星座是中国电子科技集团公司按照“天地一体化信息网络”实施方案设计的LEO星座，由120～240个卫星节点组成，采用星间链路和星间处理交换技术，能够实现在国内布设极少数地面关口站支持下的全球无缝窄带和宽带通信与信息服务。2019年6月5日，“天象”试验1星、2星通过搭载发射成功进入预定轨道，卫星节点搭载了基于软件重构功能的开放式验证平台，实现了软件定义网络（SDN）天基路由器、星间链路、导航增强和 ADS-B 等设备功能，首次开展了基于低轨星间链路的天基组网信息传输、星间测量、导航增强、天基航空航海监视等技术试验。
（4）“银河Galaxy”星座
成立于2018年的银河航天公司，规划建设了由上千个卫星节点组成的“银河 Galaxy”星座，轨道高度1200km，系统建成后用户可以高速灵活地接入5G网络。2018年10月25日，银河航天试验载荷“玉泉一号”搭载长征四号乙运载火箭（CZ-4B）发射升空，进行星载高性能计算、空间成像、通信链路等试验验证。2020年1月16日，银河航天首发星发射升空，卫星质量200kg，采用Q/V和Ka等通信频段，具备10Gbit/s速率的透明转发通信能力，可通过卫星终端为用户提供宽带通信服务。
在全球信息化应用需求的牵引和信息通信及航天领域技术发展推动的双重作用下，天地一体化信息网络将得到迅猛发展。为了面向不同行业用户提供覆盖全球的综合性信息服务，天地一体化信息网络将在多个独立建设的天基信息系统基础上逐渐发展起来，并将经历从分立系统到体系综合的复杂过程。
为了实现全球无缝覆盖，特别是覆盖超过地表70%面积的海洋，天地一体化信息网络将利用星间链路实现天基网络在空间的连通，并且在卫星节点上配置具有信号处理和路由交换能力的载荷。这样的天基网络就可以减少对地面设施的依赖。一方面，增强了其自主运行的能力；另一方面，只须在地面布设少量的地面关口站就可以实现全球的无缝覆盖。这种空间互联的天基网络方案非常适合我国。
目前已经建成的天基网络都是单层星座，例如，AEHF 系统是 GEO 单层星座网络，铱星系统是 LEO 单层星座网络。不同轨道高度的星座网络具有不同的特点，可提供的服务差异也很大。GEO 星座网络的结构简单，少量的卫星节点就可以实现全球覆盖，但是在信息传播时延和对地面终端要求等方面存在不足；LEO 星座网络的结构比较复杂，需要大量卫星节点才能覆盖全球，但是在信息传播时延和对地面终端要求等方面有优势。显然，多层星座（例如GEO+LEO）网络在综合性能以及网络抗阻塞和抗毁性等方面比单层星座网络具有更优越的性能。
随着信息通信及航天领域技术的发展，天基网络的功能将由原来单一的通信应用功能向通信、导航增强、对地观测和物联网等多应用功能拓展。例如，铱星一代系统仅具有通信应用功能，铱星二代系统除了提高其通信载荷的性能之外，还加装了具有其他应用功能的信息处理载荷，拓展了导航增强、低分辨率对地成像、全球航空监视（ADS-B）、全球航海监视（AIS）和气候变化监视等应用功能。随着天基网络节点通信与计算能力的增强，具有多种应用功能的“天基信息港”建设将成为现实。
激光链路具有通信容量大、安全性好、设备轻便等特点，另外在大气层外还具有传输损耗小、传输距离远、通信质量高的优点，因此天基网络的星间链路将采用以激光链路为主、微波链路为辅的技术方案。即无论是 GEO 星座的星间链路，还是LEO星座中同轨道面的星间链路，都将采用激光链路，而LEO星座中异轨道面之间节点的星间链路采用微波链路。对于星地链路，由于存在大气的影响，将采用以微波链路为主、激光链路为辅的方案。
在应用方面，天基网络与地面网络面对不同的应用场景具有各自优势，是互补关系。地面网络（包括地面移动网络）能够在人口密集区域提供大容量的通信与信息服务，但受制于技术和经济成本等因素，只覆盖了约20%的陆地面积，小于6%的地表面积。天基网络则可以解决地面网络解决不了的偏远地区、荒漠、山区、海洋、空中与太空等的通信问题，特别是偏远地区物联网应用的全球无缝覆盖问题，是地面网络的有益补充。另外，发生地震、海啸等严重自然灾害时，地面网络容易受损而导致通信中断，如汶川地震中，天基网络成为重要的应急通信手段。
在技术方面，天基网络与地面网络分别基于各自的特点和需求在不断进步，但总的来说，地面网络的技术进步快于天基网络，例如，软件定义网络技术、网络功能虚拟化（network functions virtualization，NFV）技术和网络切片（network slicing，NS）技术等。近年来，这些新的网络技术在经过适应空间环境的改进后将逐步应用于天基网络，出现了天基网络与地面网络技术融合发展的趋势。根据国际电信联盟的预测，未来的6G移动通信系统将融合地面移动通信系统、高中低轨卫星通信，以及短距离直接通信等技术，并融合通信与计算、导航、感知和人工智能等技术，为信息通信市场和应用提供更广阔的创新空间。