【导读】11月26日下午，文汇讲堂“数字强国”系列163-5“卫星互联网：让天地一网来到身边”在上报集团成功举办。中国科学院微小卫星创新研究院资深研究员、北斗三号卫星总设计师林宝军与文汇讲堂工作室李念以问答形式展开主讲；嘉宾对话环节，中国电信上海公司总工程师助理许浩应邀就通信话题展开讨论。17位听友参与互动。
50位现场听众幸运获得本期NFT数字藏品。11月29日晚，作为延伸回温，听友微信群展开了语音问答，由许浩回答了听友12个问题。
本次讲座由文汇报社和上海树图区块链研究院联合主办。文汇报视频号和喜马拉雅·听两个渠道同步视频直播。上报集团融媒运营团队技术支持。
经整理，现分四篇发布以飨读者。此为主讲篇上。
林宝军深入浅出讲解，引发听众极大兴趣
何谓卫星互联网？
文汇讲堂：“卫星互联网”是个热词，也伴随着一连串新闻。刚才主持人已经说了，马斯克的SpaceX公司的星链当地时间22日发射了23颗星，23日您所在的中国科学院微小卫星创新研究院成功发射了互联网卫星技术试验卫星，同名的卫星在7月22日也发射过。
什么是卫星互联网？您此前有个形象的讲法，任何人在任何时间于任何地点打给任何地点任何时间里的任何人。今天可否用学术术语给一个定义？
*覆盖广带宽大时延低是主要特点
林宝军：我还是不想用特别学术的语言，这样大家听起来费劲。以大家熟悉的地面光纤网来看，用一句话说卫星互联网，就是以强大的计算机加光纤网络把全世界连起来了。
展开讲就是，卫星通过空间中的无线通信链路相互连接，并与地面站点配合，形成一个高效的通信网络，把现在地面光纤网络覆盖不到的地区，比如海洋、空中、沙漠以及其他传统光纤网络难以到达的区域都连起来，组成了天地一体的网络，这就是我们理想的卫星互联网。比如，现在东南亚地区有些地方还没有光纤，居民可以通过手机连接通信卫星，卫星再将信号传输到中国或韩国等地的接收站，从而实现与全球互联网的连通。
展开全文
但是，建立卫星互联网不仅仅是关于连接，卫星互联网有几个特点。
卫星互联网特点：覆盖广带宽大时延低
覆盖广，就是解决无处不在的问题，能够连接全球任何地方，包括空中区域，有效地解决了传统网络覆盖的局限性。
宽带大，指用户不仅能发信息、通话、看电影，还能够迅速访问大量的数据，比如从纽约图书馆里直接检索与访问大量的图像、视频资料等。
时延低，卫星和卫星之间通信是真空，距离600公里的卫星之间通信约2毫秒时延，从上海到纽约相距半个地球、大圆距离约1.5万公里，就有约50毫秒时延。光纤网通信比星际传播速度大约慢1.67倍，因为信号要通过地面的核心网传输。比如两个人在纽约通话，用的是中国移动，我的话会先传输到北京的核心网，然后再发送到北京的中国移动接收方，这个过程需要绕路。相反，在理想的卫星互联网通信过程中，这种通信可以直接在美国上空的卫星上进行处理，包括加密、合法性验证、计费等，从而使通信过程更加高效和迅速。
*高轨卫星覆盖广低轨卫星时延低
文汇讲堂：我这里有一个定义：卫星互联网是一种新型通讯方式，以卫星为接入手段的互联网宽带服务模式，指多次发射数百颗乃至上千颗小型卫星。在低轨组成卫星星座，以这些卫星作为空中基站，从而达到与地面移动通讯类似的效果，实现太空互联网。
这里特别指出了低轨组成的卫星星座。开篇讲到我们引以为豪的华为Meta60pro，可以启用卫星互联网，它接的是2017年发射、我国自主研发的“天通”一号通信卫星，距地3.6万公里，怎么理解？
高中低轨卫星工作示意图 来自网络
林宝军：为什么现在低轨卫星互联网这么火？因为“时延小”。距地面3.6万公里就要120毫秒，就是0.12秒吧。但俗话说“站得高看得远”，地球同步轨道就是3.6万公里的轨道上，三颗星就可以覆盖全球。中轨要6-7颗能覆盖，到五六百公里的轨道，就需要几百颗卫星才能全面覆盖，好处是时延少了。高轨卫星还有一个特点，因为距离远带宽小，无法满足高密度地区如上海2500万人口的需求，但低轨卫星有几百颗，就能实现大带宽就是通讯量大，实现低时延就是速度快。
文汇讲堂：高轨、中轨、低轨的具体范围？
林宝军：从卫星角度来讲，距地163公里到1100公里叫低轨，低于163公里，大气阻力大卫星容易被击落；距地1万到2万公里高度，称为中轨，像我做的北斗三号卫星就在2万公里轨道上。高轨特指地球同步轨道，距地3.6万公里，这是一个特定概念，卫星可以与地球的自转速度同步，相当于地球转一圈，卫星跟着转一圈。比如在赤道上方放一颗星，地心和卫星的连线在地面的相交点，从地球上看是不动的。从哲学上讲，不可能存在不动，“相对不动”的轨道就是高轨。再往高去比如月球、火星就是深空的概念了。
现在高轨卫星居多，包括电视卫星、通讯卫星等。“嫦娥”下一步要做载人登月了，地月通讯甚至到火星的通讯也在同步研究。深空概念会不断往外拓展，整个人类的视野会越来越宽广。有朝一日到月球、到火星，来回要上千天左右，但在不远的一天，一定会做到的。
卫星互联网为何火起来了？
文汇讲堂：我们小时候，都为“东方红”卫星而骄傲，以小卫星为主的卫星互联网为什么这几年突然火起来了？请林总从航天史的角度为我们梳理一下，小卫星是什么时候开始的？
现在起的低轨卫星在内的航天一定是规模化、智能化、网络化发展
*卫星发展四阶段，2003年中国发射第一颗微小卫星
林宝军：回顾卫星发展史，1957年左右，前苏联发射了第一颗人造卫星，我访俄时还看过那个卫星模型，直到1990年代，卫星发展第一阶段就是美苏争霸的结果。我上个世纪访俄时，俄罗斯科学家骄傲地说，当时世界上有40个第一，俄占32个。
第二阶段是1990年代到2010年代，最早是1981年英国商业大学发射了“UOSET-1”小卫星，虽然不太好使但造价特别低，开了小卫星概念先河，它的接续在1990年代末，1998年有了铱星星座和全球星星座。2003年中国首艘载人航天“神舟五号”飞船上天后，中国科学院上海小卫星工程部成立，中国发射了“创新一号”微小卫星，卫星仅100公斤重。
从2010年至2020年间是第三阶段，马斯克的SpaceX起了带动作用。首先是实现了低成本，原先航天是很费钱的事业，马斯克把传统的靠技术推动、专业队垄断才能实现的技术成果，引入了商业机制，最终实现低轨卫星的研发、生产、应用。有了马斯克的一些改革和观念突破，使得大家看到卫星这种技术还可以这样玩。在中国，像传统的五院（中国航天科技集团公司五院，即中国空间技术研究院）、八院（中国航天科技集团八院，即上海航天技术研究院）、中国科学院微小卫星创新研究院、中国航天科工集团等国家队之外，银河、天仪、微纳星空这些商业公司像雨后春笋一样起来了，整体带动了国外国内技术的发展。
从2020到2030年间，将是一个新的阶段，低轨卫星在内的航天一定是规模化、智能化、网络化。不久的将来，大家用卫星互联网可能会像用Internet一样方便好用。
探索暗物质的“悟空号”在创造着未来的需求
为什么会火起来呢？我认为一是需求二是技术驱动。首先是随着技术进步，大家的需求越来越广泛了。比如离不开手机和汽车。第二是技术越来越进步，以北斗为例，元器件包括计算机技术、微电子、材料、结构这些技术的进步才催生了北斗全球组网，目前已有200多个国家在使用，年产值达5000亿。
需求促动技术，技术催生需求。需求，不仅是眼前的需求，还要依据未来可能的需求，换句话，我们要创造需求，随后改善需求，无论任正非还是马斯克都是在创造未来的需求中有所创新。而人类诞生之日起始终在寻找未知的答案，目的还是为了改善自己的生活。有人问我，暗物质探测有什么用？我给他举例，当年发明二进制，0和1，看着很简单，谁能想到它会改变世界呢？现在所有的数字世界包括计算机、手机等这些数字技术，都是由0和1组成。它们推动了人类过去、现在、未来的发展。而卫星技术包括空间技术的发展，既是今天的成果，也是为未来做准备。
*全球态势：SpaceX,Oneweb,俄 “球体”，中国“星网”
SpaceX、OneWeb、“球体”、中国“星网”展开竞合
文汇讲堂：除了SpaceX公司以外，英国的OneWeb和俄罗斯的球体计划也占有一席之地，可否解读一下？
林宝军：英国的OneWeb是由几百颗卫星组成的卫星通讯网。特点是星和星之间不通。马斯克做的“星链”，距地面300到1100公里，第一代星已经发了5000多颗，也是没有星间链路，第二代星计划约3万颗，目前国际电信联盟（ITU）批准7000颗，加上第三代，这些最后要组成4.2万颗的连起来，组成强的通信卫星网链。
一般来讲，早期的卫星都是转转式或存储转发卫星，贡献在于以很低的成本把卫星做成了。UOSET-1是存储传发式卫星，OneWeb是透明转发式卫星；俄罗斯的“球体”卫星、中国国内“星网”早期也是这样。
“星网”公司成立于2021年，是一个以商业模式为主的国家互联网公司，将各机构的探索计划统筹起来，这是中国团结起来干大事的做法。它参考统筹了虹云、鸿雁等已有的低轨卫星方案，计划10年内发射约1.3万颗。民营的独角兽企业银河公司招标已成功，计划在2025年前发射1000颗。上海市也有很多计划。23日我们单位成功发射的就是“星网”的试验星之一，我们已经发了几颗星了，明年、后年还会提速。
* 中国的“星网”正在试验性阶段，核心技术已突破
中国商用航天蓬勃发展，银河公司将在2025年发射1000颗小卫星 来自网络
文汇讲堂：我们国家在2014年出台政策鼓励民营企业和社会力量参与航天卫星的科研、制作、发射，大量民间资本投入，也就迎来了商用航天的蓬勃发展，而“星网”整合了国家队和商业航天，目前进展如何？
林宝军：目前中国的“星网”还是在试验性阶段。从发展角度来讲，关键技术、核心技术都解决了，制约我们的发展因素是运载能力，马斯克的星链公司是一箭60星，我们打同类卫星可达20颗左右。因为处在实验阶段，整个体制等还没有最后完全成熟，多打也是浪费。实验成功之后，很快会大批量往上打。
从思路上来讲，马斯克的星链，英国的OneWeb，都还是弯管式上去下来，即透明转发，星和星之间还没有通讯，要连成网的话，星和星之间必须要通讯。我经常举例，最后中国的“星网”，相当于把地面强大的计算机搬到卫星上，每个卫星就是一个强大的计算机系统，用激光通讯把星和星连起来，这个激光相当于地面的光纤，整个天上连成一个网，地面和天上也可以很好地连起来，组成一个天地互连的强大的网。
*星和星之间联网技术，中国与世界在同一起点
林宝军：从这一点来讲，中国和美国、英国的起步都差不多，我们正在试验星间激光通讯，比微波难在哪儿？距离长达几千公里，像北斗组网中星和星之间要7万公里，微弧度是，毫弧度是，卫星需要的控制精度很高。天上有高能粒子，有太阳风暴产生的宇宙粒子，打到光纤上，它的性能会下降等等。要把一系列技术难点突破后，才能真正实现刚才我说的理想的天地一网。
文汇讲堂：可否理解，到目前为止卫星互联网还是一个未来互联网的概念。现在各国正在无限逼近它，最理想的是要星和星之间联网，这个马斯克也没有做到。我们人类作为一个整体向未来探知，中国和其他国家站在同一起点上，可以这么说吗？
林宝军：可以，现在我们都在为了人类共同便利在往前奔跑，从更高角度来讲，大家的整个方向是一致的。
文汇讲堂：方向是一致的，但是方式不一样。卫星互联网现在我们等于是半只脚在门口，已经看到前景了？
华为Meta60Pro手机直接连卫星 来自网络
林宝军：不是半只脚在门口，半只脚已经进去了，比如华为Meta60Pro手机,通过“天通”一号通信卫星实现卫星互联网了。这个跨度是比较大的。现在各国建立的星网，包括马斯克建的星链网，都要用一个终端接收。这个终端俗称“锅”，设计时希望半径在30cm、50cm，不超过1米，所以它们还做不到手机直连。但是Meta60Pro和“天通”一号卫星，实现了手机直连。手机把信号发到“天通”一号卫星上，“天通”一号要到地面核心网，核心网把要处理的东西处理完之后到天上再到目标通信对象那里去，实际上还有个过程的。目前核心网包括收费、安全管理、加密等等。
未来的互联网一定是高轨、中轨、低轨卫星，加地面的Internet，以后亚轨道飞行器如用起来，连亚轨道一起形成一个天地融合的网，这个网几乎无所不能。
*轨道、频段资源不可再生，各国存在竞争和创新
频段和轨道存在竞争，但也激发研发潜能 来自网络
文汇讲堂：2020年6月份，北斗三号组网最后一颗星发射成功时，我们做过一期题为《北斗走向全球》的文汇讲堂。专家讲到，高轨轨道资源、频谱资源都是有限的，即不可再生资源，国家和国家之间就有竞争，现在，各国都在蓬勃发展低轨卫星，我们在这方面是不是要加把劲？
林宝军：是有这个问题。轨道分低、中、高，一定有布满的时候。轨道运行过满要防止碰撞。频率划分上，因为都是电磁波，相互之间有干扰。比如北斗，GPS、格洛纳斯包括后来的伽利略。目前国际电信联盟（ITU）规定，轨道、频率是先申请先得到，申请之后如7年不用，就让给第二家。
从通信角度来讲，有L、S、Ka、Ku、C等频段。一开始3.6万公里高轨以C频段居多，后来是Ku和C几乎都占满了，现在开始启用Ka等频段了。从这个角度来讲，包括中轨、低轨是一样的，频段和轨位自然非常拥挤，一方面要用各种形式把频率分得更开，另一方面，要研发更高的频段，比如Ka频段就是新开发的。
现在原则是低让高。比如低轨卫星飞到赤道附近，如果它播的信号和高轨卫星播的信号一样，低轨要关掉让给高轨。
（李念整理）
（卫星互联网用途和产业挑战请关注主讲下）
作者：林宝军 李念
文：林宝军 李念 图：现场/周文强摄 部分来自PPT 胡杨编辑 编辑：李念 责任编辑：李念
转载此文请注明出处。
