基于低轨星座和多波束灵巧信关站的天基专网应用探索
基于低轨星座和多波束灵巧信关站的天基专网应用探索
专网是一种为特定行业或用户专用的通信网络。与互联网、4G/5G等公网相比，专网能够为用户提供更好的服务质量、安全性和定制服务，在社会和经济发展中发挥着重要作用。譬如旨在连接机器和设备，服务于工业生产的工业互联网，便是主要采用专网形式以满足企业的生产需求。
另一方面，公网主要服务于人，人口密集地区基础设施也较为发达；而许多专网的应用地点往往通信条件很差，如矿山往往远离城市，电力输送线路会跨越多个省市甚至荒漠地带。在这种情况下，利用卫星通信的广域覆盖优势，构建天基专网，便具备显著的经济优势和应用推广前景。
本文介绍了一种基于低轨通信卫星终端到终端（T2T）模式的天基专网方案，未来可为矿山、电力、海洋牧场等行业或场景提供低成本高质量的行业专网服务，并通过在轨测试验证了方案的可行性。
基于低轨星座和灵巧信关站的天基专网
低轨通信星座的概念和技术特点
低轨通信星座是指一定数量的低轨通信卫星按照预设的运行轨道组成星座，以提供连续的卫星通信服务。传统的地球同步轨道通信卫星相对地面静止，一颗即可实现对特定地点的全时覆盖；而低轨卫星为了缩短通信距离，采用较低的轨道高度，卫星相对地面高速运动，需要发射数十到数万颗卫星组成星座，才能实现对地面的无缝连续覆盖，并提供足够的通信容量。
与其他通信手段相比，低轨通信星座的技术难度和建设成本相对较高。但低轨通信不受地理条件的限制，在海洋、沙漠、高空等各种地面通信难以覆盖的地方均可提供通信服务；覆盖范围广，适合满足地广人稀地区的通信补盲需求；相对同步轨道卫星通信具有更好的通信性能。
低轨通信星座的发展概况
自2019年美国太空探索技术公司（SpaceX）首次发射星链卫星以来，全球的低轨通信迎来了一波发展热潮。SpaceX公司已发射了总数超过7000颗星链卫星，系统用户突破300万，落地国家已达到百个，是全球规模最大的低轨宽带通信星座系统。英国的一网公司发射了超过600颗低轨卫星，开始提供低轨宽带通信服务；美国亚马逊公司的Kuiper星座，于2023年下半年发射了2颗试验卫星，即将开始批量部署。
在国内，也有多家公司发布了低轨通信星座计划。商业航天公司银河航天已累计发射了8颗低轨宽带通信卫星，构建了我国首个Ka/Q/V频段的低轨宽带通信试验星座“小蜘蛛网”。
相比传统的地球同步轨道通信卫星，低轨通信卫星的轨道高度主要分布在500～1200km范围，距离地面更近，链路损耗和通信时延更小，能向用户提供速率更高、服务体验更好的通信服务。同时科技的进步和工业化量产也极大降低了超大型星座的生产和发射成本。低轨通信星座的大规模建设和天地融合通信，已成为通信发展的主流趋势。
银河航天灵犀03星的T2T设计
银河航天灵犀03星是银河航天自主研制的第2代低轨宽带通信试验卫星，于2023年7月发射，与银河航天首发星、02批卫星以及配套地面系统等共同构建了低轨宽带通信试验星座。2023年10月，银河航天公司在灵犀03号卫星上成功实现了我国首例终端到终端的低轨卫星通信测试。卫星上配置了数十吉比特每秒容量的毫米波多波束数字载荷，用于验证下一代低轨宽带卫星通信以及超大能源、主动热控、工业一体化成型结构、多星堆叠压紧释放等技术，这也是我国首次在轨对多星堆叠发射技术进行验证，将为后续我国巨型低轨通信星座的快速部署提供技术支撑。
终端到终端的低轨卫星通信测试是指卫星地面终端之间直接通过卫星上的交换设备进行通信，无需经过地面信关站进行数据中转（图1）。在这样的工作模式中，由于省去了信关站中转的环节，通信时延可以降低50%，同时也提高了整个系统的灵活性和可用性。
图1 T2T卫星通信工作原理示意
在轨测试时，银河航天灵犀03星将用户Ka波束中的2个配置为分别凝视天基专网用户终端和企业总部，为每个终端配置约5MHz带宽，通过数字透明转发（DTP）实现端（终端）到端（企业总部）的直接通信（无需经过信关站转发）。其中天基专网的用户终端选用银河航天的小口径便携型相控阵终端，终端仅有普通笔记本电脑大小，携带方便，可达到峰值10Mbit/s量级的通信速率，非常适合行业专网使用。
企业总部侧选用银河航天合作伙伴研制的双波束大口径相控阵终端作为灵巧信关站使用，可实现多星接续无缝切换，容量上可支持数十个用户终端同时连接，必要时可安装在汽车顶部作为机动通信中心使用，满足企业专网的需求。
测试时，测试人员将低轨卫星的星历数据下载进终端，启动终端对低轨卫星进行实时跟踪，并与企业总部侧的灵巧信关站进行了双向通信。测试结果表明，天基专网内的终端和灵巧信关站可通过低轨卫星的端到端模式实现灵活组网，终端跟踪稳定，链路信噪比与理论值相符，通信时延极小。试验验证了基于T2T和灵巧信关站的低轨专网架构的可行性，为后续天基低轨专网的建设和应用拓展奠定了基础。
为了实现终端到终端低轨卫星通信，灵犀03星配置了大容量的多波束数字载荷，可以通俗地理解为给卫星安装了智能“大脑”，使卫星能灵活调配自身的通信资源，根据业务需求，自动进行运算并进行波束调配，并通过数字透明转发技术实现星上传输数据通道的“自由组合”。
依赖于地面信关站的传统卫星通信方式，具备技术成熟稳定、通信容量大等优势，但存在发生故障时无法自主运行的风险。终端到终端卫星通信具有灵活便捷、安全可靠的优势，可以满足多种不同形式的通信需求，提升系统的服务能力。终端到终端的通信模式，还特别适合用于对等网络（P2P）的构建，承载对等网络的应用，使用户实现直接相互通信、共享资源和协同工作，无需依赖中心化的服务器。
T2T测试的成功完成，为卫星通信提供了一种更加灵活的通信模式。在极地、远海等偏远地区，即使没有信关站覆盖也能进行卫星通信。
基于T2T和灵巧信关站的低轨专网架构
容易看出，低轨宽带通信星座及其端到端的灵活通信模式，非常适合解决行业用户的天基专网需求。一方面，前言中提及，行业专网的应用地点往往通信基础设施较差，需要天基的卫星通信来提供通信保障，其中低轨星座具有更大的通信容量和更低的通信时延，可更好地满足行业用户工业互联的服务质量（QoS）需求；另一方面，低轨通信卫星配置的数字透明转发载荷和T2T通信模式，可在低轨星座系统中为特定行业用户快速构建出专属于该用户的网络切片，配合地面的灵巧信关站，为用户打造低成本、高服务质量、可快速部署的天基行业专网。
基于低轨通信星座和T2T模式的天基专网架构如图2所示。低轨通信卫星搭载的数字透明转发载荷，可以根据用户需求，对通信波束中的特定频带进行透明转发，转发至同一波束或指定其他波束的特定频带。这样一来，系统就可以根据行业用户需要通信的地点，如特定的矿区、输电线路所经过的区域、企业总部所在地等，以及用户所需的通信速率、用户站点数量等，规划天基专网所需的波束/频带资源以及组网方式。行业用户的专网与卫星互联网公网之间可实现信道的物理隔离，具有更好的数据安全性。天基专网的网络配置可动态更高，并通过随路测控链路实时上注到卫星中，实现灵活高效的网络配置管理。
图2 基于T2T和灵巧信关站的低轨专网架构
由于使用了T2T模式，天基专网的用户数据不再必须经过公网信关站的中转，而是可以直接由卫星转发到企业总部。若存在数据汇聚的需求，专网用户可通过大口径的多波束相控阵终端，同时接入专网所用的多颗低轨宽带通信卫星，后端连接企业专网基站、核心网和网管系统，构建逻辑上的专网信关站，进行专网的组网和内部管理，如图2中的左下部分所示。这种专网信关站无需像传统的馈电侧信关站一样建设多座大型馈电天线，建网成本低、部署快速灵活，可实现轻量级的信关站功能，我们称之为灵巧信关站，更加匹配行业专网的客户需求。
低轨天基专网的行业应用场景
矿业天基专网应用
中国地域辽阔，现有发达的通信基础设施主要集中在城市村镇等人口密集地区。而工业互联网和行业专网具有其行业特殊性，以矿业为例，一方面新的矿区往往位于偏僻的无人地区，几乎没有现成的通信基础设施可用；另一方面，由于矿区工作条件艰苦且存在一定危险性，导致矿区人力成本高昂且招工困难，因此矿业也在进行技术创新，通过远程遥控作业、无人矿卡等方式解决上述问题。而无论是远程操控设备还是无人矿卡，矿企都需要一个好的行业通信专网，来为其连接散布在各地的大小矿区提供低时延且安全的通信链路，保证设备远程操控的可靠性和安全性。
低轨行业专网凭借其覆盖广、时延低、部署快、成本低等优势，非常适合解决上述痛点。低轨通信星座天然就具有全域覆盖性，不论矿区是在沙漠还是海上，都可提供通信覆盖，而无需为其专门铺设光纤专线；低轨通信的时延很小，国内地域的时延约在数十毫秒量级，与地面网络相当，远低于传统的同步轨道通信卫星，能够满足矿卡无人驾驶应用中远程监控的时延需求；具备端到端通信模式的低轨通信星座组网方式灵活，一旦企业用户确定了其网络需求，包括其用网地点、终端数量、速率需求和组网方式，低轨星座系统可通过运控管理，快速为其规划出相应的专网切片，并通过随路测控上注实时生效；同时企业用户也无需专门建设周期长、成本高昂的信关站，按需选用多波束高性能终端即可作为灵巧信关站使用，网络部署快，使用成本低。同时这种星上的数字透明转发和专网切片技术也可实现企业专网数据与公网/其他专网的物理隔离，具备更好的服务质量和数据安全性。
电力天基专网应用
再以电力行业为例。在许多偏远无人地区，电网系统的输电线路还有一些处于无信号区段。在这种地方，线路附近发生山火、外力破坏等情况时，无法掌握现场实时的情况，使用低轨卫星通信终端后就能及时了解线路附近的隐患信息，有利于线路维护工作，提高供电的可靠性。在这种需求场景下，在2023年4月，银河航天与南方电网云南公司联合在偏远地区进行了低轨卫星互联网在电力通信领域的测试应用。测试在云南丽江玉龙县的大山深处进行，在没有地面通信基站的情况下，依托低轨卫星通信系统，将正在巡检的电网设备信息、现场视频和电力控制指令等，实时、稳定地传回到远在500km外的监控中心。
测试时依托的就是上述便携型低轨相控阵终端，现场的巡检测试人员将便携型终端安装在电力铁塔上，成功连接到银河航天的低轨通信试验星座，现场完成了电力杆塔的视频信息回传，并与监控室进行了语音视频。在这次测试中，低轨卫星通信的传输速率达到了20Mbit/s，能大幅提升现有电力通信保障能力，验证了低轨卫星通信在广域电力物联网、应急救灾、杆塔通信补盲等电力泛在通信场景下的保障能力。
在此次电力场景测试时，采用的低轨通信卫星尚不具备T2T通信能力，因此通信仍需要通过信关站落地中转。在低轨卫星具备T2T通信能力后，结合灵巧信关站，未来的天基低轨专网将具备更好的快速网络部署能力，进一步赋能我国电力的数字化和智能化。
海洋天基专网应用
海洋应用一直是卫星通信的刚需场景，在茫茫大海上，卫星通信往往是唯一的通信手段。在海洋中，除了大家所熟知的各类船只以外，其实还有大量的钻井平台、海洋牧场、浮标等，也都需要专用的通信手段来传输数据（图3）。钻井平台上有大量的专业钻井设备，通过天基专网通信，可以实时远程监控设备状态，提高工作效率和安全性；同时，钻井平台上也常驻有少量工作人员，由于轮换周期长，活动场地有限，也存在大量的上网和娱乐休闲需求，低轨通信星座可以为散布在海上的钻井平台提供高速率低成本的通信链路，切实解决其行业通信痛点。
图3 海上典型应用场景示意
海洋牧场的应用需求与钻井平台非常类似。一方面，为了给养殖的海产提供适宜的养殖环境，海洋牧场需要配置大量传感器，实时监控网箱内外的海水溶解氧、盐度、温度、pH值、流速和气象参数等，低轨天基专网能够为其提供实时和高可靠性的数据回传汇总，保障养殖生物的健康生长；另一方面，海洋牧场同样会派驻有值守工作人员，也需要低成本的宽带卫星通信满足通信和娱乐需求。天基专网同样也能为海洋里的大量浮标提供传感器采集手段，据报道，仅全球海洋观测系统就已部署了数千个监测用浮标，各国的科研机构、环境监测组织和渔业公司等还有大量浮标未被计入统计，这都表明天基低轨专网在海洋领域存在广阔的应用前景。
面向低空经济的天基专网应用
低空经济，是以各种有人驾驶和无人驾驶航空器的各类低空飞行活动为牵引，辐射带动相关领域融合发展的综合性经济形态。随着2024年全国两会的召开，“低空经济”遽然进入大众视野。工业和信息化部等四部门联合印发《通用航空装备创新应用实施方案（2024—2030年）》也提出，到2030年，通用航空装备要全面融入人民生产生活各领域，成为低空经济增长的强大推动力，形成万亿级市场规模。
目前低空经济中较为典型的场景包括电动垂直起降飞行器（eVTOL）和无人机，它们在使用过程中，对卫星通信的需求越来越高，包括高精度定位导航、远程实时遥控等，都需要卫星通信为飞行器提供全域覆盖、宽带、低时延的通信网络。传统的无人机超短波飞控链路通信距离有限，采用地面蜂窝网络也难以覆盖eVTOL和无人机的全部飞行范围，而天基低轨专网由于卫星轨道低，可支持低成本、小型化和低功耗的终端天线模组，通信时延也更小，可方便地用在各类小型无人机上，助力未来低空经济的快速和安全发展。
结语
本文针对目前行业用户和工业互联对天基专网的通信需求，提出了一种基于低轨通信星座、端到端通信模式和灵巧信关站的天基专网方案，并通过在轨通信测试和行业测试应用，验证了上述天基专网方案的可行性和应用效果。测试和应用结果表明，天基低轨专网具备跨域、宽带、低时延的优势以及快速网络部署的能力，在工业互联、智慧矿山、智能电网以及场景和行业中都具有广阔的应用前景未来的低空经济等。
本文原文来自《卫星应用》2024年第10期