低轨卫星通信被视为下一代网络技术之一,可将网络覆盖扩展至地面通信网络难以覆盖的区域。图片来源:Shutterstock

在智能手机信号普及、家庭和办公场景广泛接入高速互联网的当下,人们已经习惯了随时随地使用网络。不过,一旦离开地面通信网络覆盖较完善的区域,连接能力仍会明显下降。深山、偏远岛屿、远海及空中等场景,长期以来都是通信服务相对薄弱的区域;在自然灾害导致地面网络受损时,原本通信顺畅的地区也可能迅速沦为盲区。

填补这一空白的关键方案之一,正是低轨卫星通信。与依赖地面基站和光纤的传统网络不同,低轨卫星通信通过在距地面更近的轨道部署小型卫星构建通信网络,将连接能力延伸至地面网络难以覆盖的区域,因此也被视为“太空互联网”的核心基础设施之一。

从高轨到低轨,卫星互联网加速升温

卫星通信并非新事物。长期以来,地球同步轨道卫星一直被广泛应用于广播传输、国际电话和气象观测等领域。这类卫星位于赤道上空约3.6万公里处,运行速度与地球自转基本一致,因此从地面看几乎固定在同一位置,能够覆盖较大范围。

但地球同步轨道卫星距离地面过远,信号往返路径较长,时延也随之增加。相比之下,低轨卫星通常运行在距地面约200至2000公里的轨道上,信号传播路径更短。韩国电子通信研究院(ETRI)整理的轨道特性数据显示,低轨卫星通信的往返时延约为2至27毫秒,而地球同步轨道卫星约为477毫秒。

不过,轨道越低,单颗卫星的覆盖范围也越小,而且卫星绕地飞行速度更快,无法长时间停留在同一地区上空。因此,若要实现连续通信服务,就必须部署由数百颗乃至数千颗卫星组成的“星座”系统。当某颗卫星离开覆盖区域后,下一颗卫星需要立即接替,原理类似于手机在移动过程中在不同基站之间切换。

在通信链路上,通常由用户终端先向卫星发送信号,再由卫星转发至地面通信设施。近年来,卫星间直接传输数据的技术也开始投入应用,这意味着即便地面设施不足,也可以通过多颗卫星接力完成互联网连接。卫星在这一过程中不仅承担信号转发功能,也逐步成为通信路径中的中继节点。

低轨卫星通信之所以快速升温,背后重要原因是发射成本下降,以及小型卫星批量制造能力提升。过去,低轨卫星网络也曾被视为潜在方向,但由于卫星制造和发射成本高企,始终难以建立可持续的商业模式。随着可重复使用火箭和卫星量产技术成熟,一次发射数十颗卫星、并持续补充替换到期卫星的运营方式开始成为现实。

目前,最具代表性的运营商是SpaceX旗下Starlink。该公司通过在数百公里高度部署数千颗卫星,为家庭和企业用户,以及船舶、航空器等场景提供互联网服务。英国的Eutelsat OneWeb则被视为Starlink的重要竞争对手,目前运营卫星超过600颗,重点布局企业、政府以及航空、海事通信市场。

韩国市场也已对相关服务开放。韩国科学技术信息通信部已批准Starlink Korea与SpaceX签署的跨境服务协议,以及Hanwha Systems、KT SAT分别与Eutelsat OneWeb签署的相关协议。此后,Starlink于12月正式在韩国提供服务。

海上与空中应用有望率先落地

从应用场景看,海上可能是最先出现明显变化的领域。地面通信基站距离海岸越远,信号通常越弱;而引入低轨卫星通信后,远海船舶也有望更稳定地使用视频通话和在线内容服务。对航运企业而言,航行信息、发动机状态及货物数据也可实时传回陆上监控中心。

航空互联网体验同样可能改善。即便飞机在跨越海洋和大陆的过程中高速移动,低轨卫星网络也有望提升机上Wi-Fi质量。随着城市空中交通(UAM)和无人机配送市场扩大,低轨卫星通信还可覆盖地面网络相对难以触达的空域。

在岛屿和山区,低轨卫星通信也可在一定程度上替代光纤铺设。用户既可以自行安装卫星天线,也可以将当地通信基站接入卫星网络。也就是说,基站到用户手机之间仍沿用现有移动通信网络,而基站对外的互联网回传链路则改为卫星连接,从而在铺设光纤成本较高的地区提升网络覆盖效率。

灾害现场同样是低轨卫星通信的重要应用场景。当山火、洪水等灾害导致基站供电中断或有线网络受损时,可借助便携式卫星天线和供电设备迅速搭建临时通信网络,将救援位置、现场视频及受灾信息传回指挥中心,并向居民提供Wi-Fi服务。这也意味着灾害通信系统的部署门槛有望进一步降低。

从更长期看,“Direct to Device”技术也被寄予厚望,即手机无需外置天线即可直接连接卫星。初期相关服务预计将主要集中在通信盲区内的紧急短信、位置上报等低流量业务,随着技术演进,未来有望进一步扩展至语音通话和数据通信。

难以取代地面网络,成本与容量仍是现实挑战

不过,低轨卫星通信并不意味着将全面取代地面基站和光纤网络。尤其在人口密集的城市,有限的卫星容量需要由更多用户共享;与此同时,建筑物和树木对天空的遮挡也可能削弱信号质量。在终端和天线成本、能耗等方面,卫星通信也未必优于地面网络。对于追求超高速、超低时延的城市场景而言,光纤通信和5G移动通信仍然更加高效。

此外,卫星高速运行本身也带来更高技术难度。终端需要持续跟踪卫星位置,并频繁完成卫星切换;同时还必须校正卫星高速移动所引发的频率变化,并在有限频谱和通信容量条件下实现高效分配。

轨道和频谱资源竞争也在持续加剧。随着卫星数量快速增加,碰撞风险、太空碎片、无线电干扰以及对天文观测的影响等问题都更加突出。与此同时,在灾害或安全事件中,能否持续使用海外运营商网络,也成为必须评估的问题。正因如此,低轨卫星通信已不仅是单纯的通信技术议题,也与通信主权和国家安全密切相关。

韩国瞄准2035年,自主低轨卫星通信网络建设提速

在引入海外服务的同时,韩国政府也在推进核心技术国产化,并提出到2035年前依靠本国技术建成自主低轨卫星通信网络的目标。为此,韩国计划在2030年前投入约3000亿韩元推进相关研发项目,并计划在约888公里高度发射2颗试验卫星,以验证核心技术。

不过,要真正建成自主网络,韩国仍面临多重挑战。除需要持续发射数百颗卫星外,还必须完善地面站、用户终端以及星间通信等关键技术体系。与此同时,巨额资金投入、频谱和轨道资源获取,以及如何吸引民间运营商参与并建立可持续商业模式,也都是绕不开的课题。韩国科学技术信息通信部提出的阶段性目标,是率先发射200颗以上低轨卫星。

即便韩国版低轨卫星通信网络最终建成,市场普遍预期其定位仍将是弥补通信盲区,而非完全替代地面网络。换言之,城市地区仍主要依赖光纤和移动通信网络,而海上、空中、山区及灾害现场等场景,则由卫星网络承担补充覆盖角色。

从商业化路径看,低轨卫星通信也更可能优先切入传统通信网络难以覆盖的领域。随着船舶互联网、航空互联网、山区与岛屿通信,以及灾害现场应用案例逐步增多,相关服务范围再进一步扩展至面向普通用户的手机直连卫星等能力,或将是更现实的发展路线。

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