5月12日,快舟一号甲运载火箭将“行云二号”01/02星两颗卫星送入预定轨道,意味着作为中国航天科工天基物联网星座的首发星——“行云二号”正式展开在轨技术验证和应用测试。“行云工程”作为我国首个宣布自主投资建设的天基物联网星座,计划分α、β、γ三个阶段,在2023年前后建成由80颗低轨通信卫星组成的天基物联网星座,以期解决目前地面物联网业务因蜂窝通信网络覆盖率严重不足而导致的“通信盲区”难题。

近日,国家发改委明确“新基建”范围,卫星互联网也首次被纳入,同5G、物联网、工业互联网一起并列为通信网络基础设施。

而在大洋的彼岸,美国的SpaceX公司已发射了400余颗“星链”低轨通信卫星,这个号称将向全世界提供卫星互联网服务的低轨星座项目,同样受到广泛关注。

什么是卫星互联网?它和5G有何关系?能用普通手机搜到“太空WiFi”吗?就卫星互联网的种种疑问,南方日报记者采访了多位通信专家。

●南方日报驻京记者 王诗堃 实习生 郭柏

◆焦点1◆

卫星互联网

适用偏远地区

根据轨道高度,高度500千米至2000千米的低地球轨道(LEO)卫星,因传输延迟更短、路径损耗更小,因而受到广泛关注。上世纪90年代建立的“铱星计划”,是历史上首个低轨通信卫星星座——它的业务是语音通信而非现在的互联网。不过,随着地面通信系统快速发展,在通信质量、资费价格等方面全面占优,“铱星”最终黯然收场。

更成熟、应用更广的通信卫星是高轨卫星。南京大学电子科学与工程学院副教授周海波介绍,轨道越高,覆盖越广。他举例说,部署在地球同步轨道的卫星,基本上3颗就可以做到全球覆盖。

据悉,我国的“天通一号”高轨卫星通信系统已经实现了覆盖我国领土,并已向民众开放服务。

随着卫星发射技术、通信技术等发展,低轨卫星星座重新成为热点。主要业务也不同于“铱星”的语音,而是以互联网服务为主。“高轨道通信卫星时延大概在500毫秒以上,低轨卫星时延能够在15毫秒左右,一些通信指标跟我们的3G、4G已经接近了。”周海波说。

而SpaceX的“星链”是其中最为“野心勃勃”:按照SpaceX最初的说法,其将发射1.2万颗卫星组成“星链”,后又增加到4.2万颗。

不过,在城市等人口密集区,光纤和无线蜂窝网络始终是更经济更高速的选择。正如马斯克所言,他并非要抢传统通信公司的生意,由于卫星通信容量有限,星链网络只适用于人口密度低的地区。

西安电子科技大学通信工程学院教授田斌介绍,虽然卫星通信一般来说成本比地面网络高得多,但它最大好处在于覆盖广,不受地表状况的约束。低轨卫星构成的星座,可以覆盖地球几乎任意角落,包括沙漠、海洋、高山甚至航空场景中。

北京邮电大学信息与通信工程学院副教授王珂也认为,低轨卫星通信的首要作用是“填补空洞”。目前全球欠发达地区仍有30亿用户由于缺少通信手段而无法接入互联网,低轨卫星的首要应用场景就是完成全球化的语音业务和互联网接入。

“随着通信技术发展,全人类实现上网和互联是必然要实现的客观实际。”王珂说,“卫星通信作为人类已知科学技术中,唯一在可承担的成本下完成这一目标的手段,引起了全球通信界的关注。”

◆焦点2◆

无法取代5G,但可以互补融合

5G有哪些优势?田斌表示,5G具有高速度、低功耗、低时延、支持万物互联的特点,“尽管低轨通信卫星也能趋向于这些技术指标,但需非常多的卫星、超大星座来实现,往往还是比5G的指标差一些。这是由用户和卫星的距离决定的。”

“虽然技术指标和地面网络有量级的差距,但卫星星座可以跟地面网络形成很好的互补。”周海波说。

田斌举了一个例子:预先在飞机、高铁、轮船等交通工具上安装具有星座接入能力的终端系统,当有地面网络时,优先接入地面网络;当无地面网络时,终端接入低轨卫星通信网,这样就能保证移动终端用户“永远在线”。

另外,在地面网络欠发达地区,也存在地面基站和卫星互联网融合的可能。王珂介绍,通信界有一个折中的方案是,在欠发达地区可以建立孤立的基站,所谓“孤立”指基站并不通过光纤连接,而是采用卫星中继代替光纤,实现当地地面网络的覆盖。

在标准层面,全球的卫星通信厂商正努力将卫星通信并入到地面5G通信标准中。王珂介绍,3GPP标准组织已经成立了非地面网络(NTN)的分支方向,来解决卫星进入地面通信系统的问题。在国际电联(ITU)关于6G的文件中,也将卫星和地面通信网络的融合作为6G网络的一个重要特征。

田斌认为,低轨卫星通信可以是6G的有机组成部分。“6G是空、天、海、地全方位覆盖的网络技术,将融合陆地无线移动通信、高中低轨卫星移动通信以及短距离直接通信等技术,融合通信与计算、导航、感知、智能等技术,通过智能化移动性管理控制。”

低轨卫星通信也同“万物互联”的物联网理念相当切合。王珂表示,卫星物联网是目前全球商用卫星星座的热点发展领域。卫星的广域覆盖特点,使其可对超大范围内的大量设备提供通信链路,这就为大型的物联网应用提供了基础。“例如,可以通过卫星对全国的主干供电网络、配电网络等能源网络完成信息的收集,实现资源的优化配置。”

◆焦点3◆

太空WiFi无法直接使用

关于卫星互联网经常有一种误解:通过手机可以像搜WiFi一样搜到低轨通信卫星,然后联网。

这种误解或许来自于SpaceX有意无意的宣传:马斯克在推特上曾做过“广告”,称“星链”的WiFi用户名是 Tintin A和Tintin B,密码为“martians”(火星人)。显然,并没有人能用手机搜到这个“太空WiFi”,但谣言却不胫而走。

公开资料显示,“星链”使用的是Ku和Ka频段,未来还将拓展至V频段——它们都不是普通手机的工作频段。因此,需要使用一个“天线”转换信号。

事实上,后来马斯克也曾辟谣说,要想用普通手机接收卫星信号,还需要一个披萨饼盒大小带有天线的接收器,用来接收卫星信号,再连接手机。其他低轨星座的接收器也大同小异。

王珂介绍,目前国际上也有普通手机终端直接连接卫星的商业项目,但尚不成熟,还需进一步论证。

◆焦点4◆

会影响天文观测吗?

并非所有人都喜欢低轨卫星星座,意见最大的要属天文学家。中科院国家天文台苟利军研究员等人曾以《虚假星光带来天文学的大灾难》为题,撰文批评“星链”,指出其给全球天文观测带来了更大的难题。

苟利军等人认为,“星链”卫星大部分时间亮度在5等左右,虽然肉眼几乎不可见,但不管是对于星空拍摄者而言,还是对于专业的天文观测(主要观测目标为10—20星等的暗星)研究人员而言,这些卫星依然实在是太亮了。因为“星链”卫星的数量实在太多,所以导致爱好者和专业的天文观测都因为这些星链卫星入镜而产生了大量废片。

他们还指出,不仅是可见光波段,即使是在射电波段,“星链”卫星依旧会造成严重的观测干扰。为了避免“星链”卫星所带来的不良影响,地面上的射电望远镜必须避开卫星过境的时间段来进行观测。“如果星链卫星全部进入近地轨道,或许我们将不得不放弃一些波段的观测,无疑这对于射电天文学来说是一种损失。”

怎样解决这一矛盾?田斌认为,低轨通信卫星可以避开天文观测特定的频段;如在相邻的频段通信,可以采用滤波等技术减少对天文观测的影响。

王珂则建议,天文站的选址需要考虑卫星星座的设计,反之亦然;还可以发展天外观测站,如哈勃望远镜系统。

●名词解释●

根据轨道高度,卫星可以分为高度500千米至2000千米的低地球轨道(LEO)卫星,高度2000千米至36000千米的中地球轨道(MEO)卫星和高度约36000千米的对地静止轨道(GEO)卫星。

与中高轨道卫星相比,低轨卫星传输延迟更短、路径损耗更小,因而受到广泛关注。