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低轨道卫星：竞争、机遇与风险

2023-04-13 中国教育网络

　　当下，SpaceX、OneWeb、亚马逊和Telesat等科技公司正竞相发射大型低地轨道（LEO）卫星群以提供互联网接入。卫星可以帮助缩小数字鸿沟，但它们也可能带来新的安全问题与隐患。那么，这些低地轨道卫星系统最终能否帮助我们连接未连接的人，并为每个人建立一个开放、安全、全球化和可信赖的互联网？

低地轨道卫星与互联网接入

　　多年以来，互联网接入一直由Eutelsat、Hughes、Inmarsat、Intelsat、Viasat等公司运营的地球静止轨道（GEO或GSO）卫星提供。这些系统是为缺乏其他网络连接的地区提供互联网接入的一种选择。地球同步轨道卫星大小如同一辆公共汽车，建造和发射成本较高，但其优点是只需几颗卫星就能提供全球覆盖。同时，由于地球静止轨道卫星的移动方向与地球自转方向相同，因此它总是出现在天空中的同一位置，配置地面天线也非常简单。

　　然而，地球同步轨道系统有一个难以跨越的门槛：信号从地球到同步轨道需要很长的时间。用专业术语来说，这些连接有很长的“延迟”。这种延迟，或称“滞后”，通常超过600毫秒（ms），对许多应用都会造成影响，包括实时和视频通信、游戏、直播、金融交易以及新兴的VR/AR（元宇宙）通信。在地球同步轨道系统存在延迟的情况下，人们很难进行线上会议或在VR世界中活动。

　　相比之下，由于卫星距离地球更近（在160至2000公里之间），低地轨道系统可以提供低延迟、高速度的互联网连接。但低轨道卫星：竞争机遇与风险在如此近的轨道上，低地轨道卫星的移动速度极快，无法在单一地点的上空停留，而且在绕地过程中，仅能短时间（通常不到2小时）暴露在固定地点视野内。因此，低轨道系统连接需要一个由数百或数千颗低地轨道卫星组成的“星座”，以及当卫星从头顶经过时跟踪它们的地面天线。

　　目前，低地轨道卫星互联网接入行业仍处于起步阶段，仅有一个卫星供应商以相对较大的规模提供互联网接入——SpaceX的Starlink，其轨道上已有3000多颗卫星。但是，它的竞争对手正陆续出现。OneWeb已发射400多颗卫星，也已经提供了一些商业服务。其他如Telesat和亚马逊的Kuiper项目也正在进行测试，或将在未来两年内发射其低地轨道卫星群。现有信息表明，到2024年，将有几个供应商同时提供服务，而其中一些将覆盖相同的国家或地理区域。

机遇

　　低地轨道互联网接入系统为连接未连接者提供了潜在的好处，为服务不足的社区提供了有竞争力的连接选择，增强了现有接入的弹性。来自低地轨道系统的互联网接入可以极大地改善，甚至改变人们的生活。

　　个人消费者

　　在社交论坛上，农村或偏远地区的人们发出了他们的声音，表示终于有了可靠和快速的互联网连接。自驾游的人们也发现，LEO系统可以让他们在任何地方接入互联网，无论是在营地、停车场还是在偏远的野外。

　　社区中心

　　农村地区图书馆表示LEO互联网接入改善了社区状况，使学生的生活变得更好。与学校合作的试点项目也强调了改进后的互联网接入将极大地帮助学生。

　　船只和飞机

　　当下，在海洋或空中使用运动中的LEO系统已得到批准。多家游轮公司正使用LEO系统，为他们的乘客提供低延迟连接。同样，多家航空公司正评估LEO系统的机上连接可行性。

　　高可用性和网络弹性

　　大型中断事件，如汤加因海底电缆断裂而连接中断，或乌克兰的互联网基础设施被破坏，都突出了卫星通信在提供备用的连接能力和增强连接弹性方面所发挥的作用。

　　低地轨道互联网接入系统的其他潜在用处包括远程监控（地震、丛林火灾和洪水的传感器）、物联网（IoT）设备、农业机械和偏远地区医疗中心的互联网接入。

政策与规定

　　轨道与太空物体

　　联合国外太空事务处（UNOOSA）对每一个发射进入太空的物体都登记在册。并且，该登记册已成为确定哪些国家对哪些空间物体（包括卫星碎片）负有国际责任和义务的手段。然而，有人担心该登记册并不完整；对于报告物体的方式，国际间也没有广泛认同的标准。

　　更重要的是，目前没有任何国际实体为低地轨道卫星和其他非地球同步轨道卫星分配或管理轨道位置。低地轨道系统运营商向未来服务接收国的监管机构申请频谱分配，并在申请中明确他们的预定轨道。

　　因此，低地轨道分配目前依旧基于“先到先得”原则，占用一个轨道也无需付费。由于最佳轨道位置是一种有限的资源，所以早期进入者希望迅速占领尽可能多的轨道，挤占后来者的位置。然而，为了避免轨道被占用，一些监管机构正在制定相关政策，要求低地轨道运营商必须满足某些部署时间表，以维持他们的频谱分配权。

　　频谱分配

　　虽然不具有约束力，但联合国和平利用外层空间委员会（COPUOS）的《太空活动长期可持续性准则》重申了《国际电信联盟（ITU）章程》第44和45条，强调促进太空活动的长期可持续性。

　　具体而言，为使各国或国家组织能公平地利用这些轨道和频谱，同时考虑到发展中国家的特殊需求和特定国家的地理状况，国际电联成员要求低地轨道卫星星座在开始部署的头两年后必须有10%在轨道上，五年内有50%，七年内达到100%。这一决定旨在防止未实现或失败的项目在受益于“先到先得”原则后，长期占用有限和宝贵的频谱资源。

　　空间碎片

　　随着数千甚至数万颗卫星汇入低地轨道，出现大量卫星碎片的可能性增加，其中包括生命周期结束的废弃卫星和碰撞后产生的卫星残骸，这些碎片可能会对低地轨道空间的其他接入系统造成物理损害和干扰，或对太空和地球带来未知的危险。因此，美国联邦通信委员会（FCC）要求低地轨道卫星运营商在结束运行的5年内使卫星脱离轨道。联合国和平利用外层空间委员会（COPUOS）的《空间碎片减少指南》中也有相应要求。

　　用户数量

　　虽然一个系统（以Starlink为例）大约可容纳80万用户，但是全部低地轨道系统的容量限制还尚未明确。网络分析公司Ookla报告称，2022年第二季度，某些地区Starlink连接速度下降，而SpaceX在法国、加拿大和美国也都推出了新的“优先与非优先流量”的服务模式，在线论坛上出现了一些传闻与抱怨。

　　但目前并不清楚这些变化是否是SpaceX继续建立其完整星座的必经之路。一些独立机构已就此开展科学模拟和研究。因此，随着部署增加，重要的是保证相关数据的开放性和可获取性，以便使独立的研究机构能够在支持的用户数量、延迟、吞吐量和可靠性方面具备衡量低地轨道系统的能力。

　　互操作性

　　与开放的、可互操作的原则相比，当下，低地卫星行业似乎正创建多个独立的、相互不兼容的低地轨道卫星星座。鉴于合适的轨道数量有限且运行成本很高，因此，低地轨道系统应当作为一个整体互通的网络在空间与地面上运行，而非相互割裂并陷入碎片化。

　　开放标准

　　理想情况下，人们从低地轨道系统获得的互联网接入应该提供地面宽带或移动连接上获得的同等类型连接。在地面部分，它应该使用由互联网工程任务组（IETF）和其他标准化机构发布的开放标准。经测试，Starlink系统支持大多数当前的协议，尽管用户报告称IPv6的可用性不一致，而IPv6对于互联网的未来容量极为重要。

　　互联网的开放标准确保了互操作性，并使全球互联网用户都拥有一致的用户体验。在太空部分，使用常规路由协议，如边界网关协议（BGP）更具挑战性，低地轨道卫星运营商实施专有的路由和带宽分配协议。其他一些标准制定组织（SDO）也积极参与和空间有关的标准建设，包括国际电联的无线电通信部门（ITU-R），以及空间数据系统协商委员会（CCSDS）。

　　隐私保护

　　低地轨道卫星系统用户至少应该拥有与普通宽带或无线互联网连接相同水平的私人通信支持，以防止窃听、篡改和未经授权的互联网流量的重新定向。应支持诸如传输层安全（TLS）等技术，以确保端到端加密。同时，叠加网络，如虚拟专用网络（VPN）、专用转接代理和其他类似的隐私服务应在没有干扰的情况下工作，所有低地卫星系统都应提供此类支持。

　　对等与互连

　　空间网络运营商需要连接到地面网络，以获得内容、云服务和其他互联网应用。以较低成本获得这些网络和服务的一个方法是连接到互联网交换中心（IXP）。IXP帮助网络运营商在本地互联和交换流量，并以较低的延迟向终端用户提供内容。IXP通常作为内容提供商和内容交付网络（CDN）的枢纽，使这些运营商能够在更接近终端用户的地方缓存内容。如果低地卫星组织利用好覆盖全球的互联网交换中心，那么卫星服务将在成本和性能方面都大大受益。

　　基础设施安全

　　低地轨道系统为现有的复杂互联网基础设施增加了新的复杂层次。与传统的地球同步轨道系统一样，它们涉及将卫星连接到互联网的地面站，以及用户用来连接卫星的地面终端。正如美国政府最近的一份文件显示，低地轨道系统带来了额外的挑战，卫星基础设施还有许多地方需要保护。

总结与建议

　　基于低地轨道的互联网接入是一个新兴行业，使用的是一种相对较新的资源——低地轨道，虽然目前只有少数实体可以使用，但原则上这种资源无人拥有，人人共享。如果我们不悉心合作，不考虑如何发展这种新的互联网接入形式，以扩大互联网的全球覆盖面，使其成为丰富人们生活的资源，就可能导致公地悲剧的发生。一个潜在结果是：环境将受到不可逆转的破坏。

　　无论采用何种传输方式——有线、无线、移动或卫星——网络都必须包含互联网的关键属性及其推动因素，这意味着：

　　支持最新的开放互联网标准和通用的、可互操作的协议，以保持互联网的开放。

　　使用行业中公认的最佳方式以支持互联网安全与弹性，如路由安全相互协议规范（MANRS）所采取的做法。

　　确保系统传输的信息是私有的、保密的，并且在传输过程中不被改变（尽可能支持端到端加密）。

　　鼓励通过本地化的互联网基础设施（如IXP）连接地面站，并允许终端用户以较低的成本和延迟访问其他网络。

　　实施保障物理与网络安全的最新做法，确保系统的设计安全，并实行深度防御。

　　确保卫星软件可以安全、远程升级，并鼓励安全研究人员调查和报告漏洞。

　　倡导公平使用频谱，明确分配并在所有运营商之间公平分享（避免频率干扰）。

　　使服务的容量、延迟和可靠性保持透明（并与其他形式的互联网接入进行比对）。

　　此外，在急于通过太空连接世界的过程中，我们需要限制低地轨道系统的环境影响。鉴于太空碎片一旦出现就几乎不可能清除，低地轨道系统供应商应采取必要步骤，在部署之前或部署早期阶段尽量减少其系统产生的碎片数量、体积和类型。

　　最后，如果我们想把互联网带给每个人，如果我们想让人们加入一个开放、全球化、安全和可信赖的互联网，本文中提出的问题都必须得到解决，确保低地轨道卫星系统提供所有人都需要的互联网体验，以促进全球尤其是发展中地区的繁荣发展。

　　来源：Internet Society

　　翻译：王雅静

　　责编：项阳

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