巨型星座系统发展与应用的若干思考
低地球轨道（LEO）小卫星以其成本低、研制周期短等特点，成为卫星产业发展的热门趋势。自2013年开始，全球卫星发射数量首次超过100颗，受益于以“星链”（Starlink）为代表的商业LEO巨型星座的建设，2017年以来全球LEO卫星产业发展迅猛，2020年巨型星座被麻省理工学院（MIT）评为“全球十大突破性技术”之一。据预测，到2031年全球发射LEO卫星数量将是2021年的近3倍。在军事、通信、政治、商业等市场应用需求的推动下,未来十年巨型LEO卫星星座的建设如火如荼。
随着巨型LEO卫星星座的建设部署，世界各国将部署超过40个巨型LEO卫星星座。然而，有限的轨道和频段资源使得巨型星座系统的发展面临着成本、容量、资源利用等困局。因此，如何评估巨型星座建设机理效用、应对资源受限带来的部署影响、合理规范地促进巨型卫星星座的可持续发展，并不断拓展创新应用市场、向下游服务拓展卫星垂直应用领域，这些问题至关重要。巨型星座发展趋势作为地面网络的有效补充，巨型LEO卫星网络为全球用户提供大容量、高覆盖、低时延的全时空连续通信服务。自2019年以来，全球LEO卫星产业飞速发展，LEO卫星在轨数量不断增加。以太空探索技术公司（SpaceX）为代表的新兴卫星公司在加速创新和控制成本的同时有效推动整个LEO卫星上下游产业的飞速发展，如表1所示，全球十多家公司已经发布了自己的LEO星座计划。预计到2029年，全球在轨LEO卫星数量将达到57000颗。
由于各国争相发射LEO卫星星座，巨型卫星星座由均匀稀疏分布变为非均匀密集分布，这为高容量的全球组网和多种通信服务带来商业应用前景，不仅为卫星通信、6G网络、智慧城市等通信领域提供覆盖全球的高速、低时延带宽接入应用服务，在智能应用领域也展现了巨大的应用潜力，智慧医疗、智能教育、智能交通、智能航海、智能购物等应用为各行各业的用户提供了诸多便利。此外，美国军方抓住了巨型LEO卫星星座的发展契机，利用商业巨型星座完成实时、高效、低成本的军事服务。其中，美国“星链”在俄乌冲突中，不仅作为乌方控制系统获取通信方式的主要设备，帮助乌克兰指导无人机或战机进行精准的军事打击，还通过“星链”网络摆脱陆基通信系统的限制，实时传输战场信息。这也为各国使用巨型星座在未来作战中发展军事化和国防服务提供了战略参考。
巨型星座系统在商业应用上的发展潜力不言而喻。然而，由于商业价值的吸引，巨型星座的发展越来越批量化、密集化，星座规模巨大、星座类型众多、爆炸式增长的在轨卫星数量使得构建成本、服务容量、地面站资源的调度等成为未来巨型星座系统构建面临的主要问题，且现有巨型星座类型众多，尚未有完善合理的星座评估机制对其星座构建的成本、容量、资源管理等进行统一有效地评估、设计和运维。
因此，需要设计完善的巨型星座评估机制和数据反演平台，通过获取星座构型、轨道设计、星座覆盖等星座参数，对现有星座设计进行服务评估与反演推算，为构建一个具备实时管控能力的低成本高容量巨型卫星服务平台提供数据支持和平台支撑。并依托此巨型卫星仿真服务平台的数据和软硬件平台支撑，进一步构建巨型星座服务评估系统、高容量巨型星座服务系统、巨型星座资源管控运维系统等数据仿真服务体系，利用此一站式星座服务监管模式，开展巨型星座系统的服务评估、低成本高容量星座构建、高效管理运维等数据处理分析决策，进而为各种巨型星座垂直应用提供服务数据支撑。巨型星座系统发展的关键是要对星座系统进行有效地评估、设计、运维，从而通过建立巨型星座系统服务评估体系，衡量巨型星座系统的服务质量，评估星座系统的优劣，指导设计更好的巨型星座系统。
巨型星座系统的服务效能评估是构建低成本高容量的巨型星座系统的重要手段。随着卫星星座的发展，OneWeb、“星链”和Telesat等典型星座的通信运营服务已经相对成熟，对其核心业务、发展历程和运营策略的分析不能有效地对星座系统的服务水平进行有效评估，因此，必须要建立一个完善的服务容量评估机制，指导设计高容量的巨型星座系统。
目前，一个有效的设计方法是根据星座覆盖能力是否满足非均匀服务需求来建立服务容量评估机制。其中，信号覆盖是从覆盖区域的角度建立服务容量评估机制的依据。容量覆盖是增强巨型星座系统服务覆盖能力的重要参数。服务覆盖是单位面积上网络服务速率与业务需求之比，是评估巨型星座系统是否能够提供按需服务能力的最佳依据。因此，在设计巨型星座服务效能评估系统时，可考虑从信号覆盖、容量覆盖和服务覆盖等方面来衡量星座系统的多维服务能力，从而实现对星座容量的普适和无缝评估，以评估星座系统的服务能力优劣。
未来，卫星通信的一个主要目标是在成本可控范围内扩大容量，为网络提供低时延、高速的网络服务，并提高星座构建的弹性，使其具备在泛化场景中的应用能力。想要实现以上目标，必须从本质上对卫星星座系统的拓扑构架进行设计改造，并以较低的成本设计出满足容量需求的巨型星座。
为了以最小的成本发挥巨型星座的最大潜力，需要解决两个问题：一是如何以有限的卫星数量实现最大的容量；二是如何用最小的星间链路（ISL）数量达到最大的容量。在现有巨型星座中部署大量的卫星，并通过ISL进行连接，以此来为网络提供高容量服务。目前，在众多巨型星座中，以每颗卫星与相邻卫星建立4个星间链的二维-环形（2D-Tours）拓扑结构最为稳定典型。然而，其拓扑结构并不一定能为巨型星座提供最好的容量性能服务。研究发现，在超大卫星星座密集部署的情况下，每颗卫星可以选择多种建立拓扑连接的方式，通过调整平面间ISL的连通性可以构造不同的拓扑结构，从而获得比2D-Torus拓扑结构更好的性能。另一方面，通过研究2D-Torus拓扑结构发现，从2D-Torus拓扑中删除冗余的ISL，可以用更少的ISL实现更高的容量。因此，在以低成本构建高容量星座系统时，通过删除冗余ISL和尝试不同平面的ISL连接可以获得更高的星座容量。
实现卫星星座全部潜力的关键是对巨型卫星星座进行高效资源管控。对于巨型卫星星座的管控，目前主要采用的是集中控制的方法，这就依赖于地面站的部署以及是否具有全球布站权，但是受地理位置的限制，这对于许多国家来说是不切实际的。在我国，由于地面站部署受限，导致管控信令拥塞在局部的地面站上方，进而导致网络的控制时延增长、服务覆盖率降低。这引发了如何高效地设计资源管控模式，才能用有限的地面站更好地控制整个巨型卫星星座的思考。
调查研究发现，通过设计中地球轨道（MEO）控制器与LEO卫星之间的双层星座覆盖，可以构造出一种自适应的星座控制结构，该结构通过MEO控制器控制MEO多跳范围内覆盖的LEO节点，可以根据变换不同控制器覆盖模式的控制结构，实现自适应的星座控制，并获得不同星座系统下控制器的最优部署。此外，一个有趣的研究结果发现，盲目地提高MEO可控跳数不会促进最优控制器数量的快速和连续下降，要考虑控制器数量和控制延迟之间的权衡。因此，考虑将自适应星座控制结构应用在不同星座构型中分析控制星座系统资源的最优能力，是设计高效星座资源管控方法的重要参考。
巨型星座发展加速卫星应用商业化进程当前，在全球商业LEO卫星星座快速发展的趋势下，巨型星座已建立了庞大的商业用户群，其应用范围涉及国内外政府机构、企业、军事及大众服务市场，面向石油、电力、气象、农业、金融、电子商务、生态等垂直领域的用户。随着未来通信、导航、遥感一体化的技术发展，巨型星座的应用边界将不断拓展，有望为大众和商业应用用户打开更多的应用空间（图1）。（1）巨型星座提高成像精度和重访效率，丰富下游遥感应用场景
巨型星座依托其庞大的LEO卫星数量，能够提升卫星星座的覆盖区域、覆盖频次、成像精度等，实现卫星全域覆盖、高频重访、突发响应等应用需求，进一步丰富了下游的应用场景，尤其是遥感小卫星应用市场。
（2）巨型星座提供丰富观测手段，促进对地观测应用场景
随着新一代遥感观测卫星星座的建设，通过技术手段提高卫星分辨率和对地测量基线，从而提升全球全天时全天候观测、同步多目标跟踪观测等应用的能力。此外，通过融合多颗遥感卫星的多维资源，还能进一步提升卫星星座系统的应用服务能力，为对地观测应用提供广阔的服务空间。
（3）巨型星座提供更多垂直应用服务，促进商业应用蓬勃发展
在生态监测领域，巨型星座系统能够对生态监测数据全面感知和管理，开启“天眼”，守护碧水蓝天，促进生态环境可持续发展；并通过云计算、大数据等技术的加持，巨型星座系统协同时空大数据服务云平台对自然灾害进行实时预警与管理，为防灾防震提供服务支撑。在民用电力系统，除了智能电力输送外，未来巨型星座系统为电力输送网络提供厘米级巡航定位精度、毫米级安全监测、实时故障监管与预测服务，有效提升电力安全和管理水平。
大型地球静止轨道（GEO）/MEO卫星具备高性能计算以及作为轻量化核心网的天基数据中心能力，其与具备边缘计算和接入网络的大规模LEO卫星共同构成了高、中、低地球轨道和地面网络的分层网络架构，为空间算力网络的构建提供了物质基础。同时，大数据、云计算、人工智能与卫星通信等技术的深度融合，使得未来“网络+算力”的特征愈加明显。
2021年全球在轨运行卫星数量共计4852个，同比增长44%，相当于2012年的4.5倍。同时，资料显示卫星在轨数据量庞大，据统计，截至2021年7月，仅中国的生态环境遥感图像产生的数据量就高达39.02TB，全球的遥感数据体量更是不可估计。这将造成庞大的遥感数据计算落地需求难以通过全球有限的信关站和星地链路下传到地面的局面。面向如此大容量的计算数据落地需求，未来巨型星座卫星系统将部署天基算力网络，提供在轨数据计算以降低星地带宽压力。
此外，在轨卫星数量增加也带动了太空数据增加，太空数据中心的建设有助于实现卫星在轨计算和存储，降低卫星向地面传输的数据量，同时提高太空数据处理的效率。未来也将加速太空数据中心建设进程，推进天基算力资源部署，为大容量计算数据需求提供实时服务。
6G技术创新将促进网络从虚拟化向智能化发展，抢占通信行业的技术创新制高点，成为通信产业技术发展的重要抓手，进一步拉开万物智联应用序幕的新篇章。
未来，6G将会基于5G的发展，进一步拓展到服务人与物、物与物的智能高效互联领域，实现由万物互联到万物智能的跨越，以强连接、强计算、强智能和强安全的极致性能，持续提升人、物、机的多维感知能力和全人类生活水平，赋能人类社会数字化转型，促进全球商业生产方式转型升级。
高新技术层出不穷，空地一体的超高频波段、量子通信、智能材料使得卫星的性能和应用更加广泛。同时，巨型星座助力6G技术的发展，有望进一步打开融合应用的空间，开启万物智能互联新时代，为全球用户提供综合广域服务感知、全方位多域信息增强采集融合服务。巨型星座系统的建设有利于为全球的通信服务应用铸造新的商业高边疆。未来，依托低成本、高容量、能够实时管控运维的巨型星座系统的构建，通过融合大数据、云计算、人工智能等高新技术，可以实现各领域间的泛在智联，激发巨型星座系统广阔的应用场景，布局新的全球化垂直商业运营模式，以更好地服务于国内外多类型应用领域的通信需求，实现全球卫星通信应用市场的全面开拓。
