第 3 期 单超等：卫星互联网应用与挑战

穿越多个中继站和光缆，地面网络通信存在较高的传输

时延，对于某些实时应用，如跨境金融、在线游戏、远

程医疗和虚拟会议，这种高时延不能满足行业应用需求。

第四，地面互联网的移动性受到限制。对于移动用

户，若乘坐如船舶、飞机和车辆，在远洋、万米高空、

山区等地，接入地面网络变得困难，可能导致通信中断

和不稳定的连接。

第五，当前的地面网络已无法满足公众不断拓展和

日益增长的网络需求。一方面用户已经习惯了网络实时

在线，越来越难以忍受没有网络连接的时刻；另一方面

地面网络已将能够创造最大利润的区域覆盖完毕，剩下

需要覆盖的区域，基本上都是产出投入比很低或者地面

移动网络无法触及的区域[2]

。

2　卫星互联网概述

卫星互联网是实现全球范围内随遇接入互联网的新

型信息基础设施，能为各种应用提供泛在、智能、协同、

高效的广域空间网络支撑和保障[3]

。卫星互联网极大促

进了移动设备向全场景协同、高可靠互联的方向迈进，

进一步实现了全球信息网络的高效互联与深度融合。

目前，按卫星轨道高度和星座规模划分，卫星互联

网主要以高轨卫星组网和低轨星座组网两种途径实现。

高轨卫星互联网系统以少量的高通量卫星组网为主要特征，

典型代表有美国的ViaSat-3卫星以及我国的中星16号、亚

太6D和中星26号卫星等，这些高轨卫星运行在地球静止

轨道 （Geostationary Earth Orbit， GEO），仅需几颗卫星

即可实现对地面人口密集区域的全域覆盖[4]

。

低轨卫星互联网系统以大量小型卫星构成星座为主

要特征，典型代表有 Starlink、OneWeb 和 O3b 等，这些

低轨卫星互联网系统运行在几百到上千千米的低地球轨

道 （Low Earth Orbit，LEO）。其中，Starlink V2.0将配置

光学星间链路，以确保持续通信能力，为海上提供服务

覆盖和抵消干扰效应。地面段包含测控站、网关天线和

用户终端；测控站采用直径5 m 的天线；网关和用户终

端则采用相控阵技术。O3b卫星网络拥有20颗中地球轨

道（MEO）卫星，建立为1 500 多万终端用户提供服务的

移动网络，为全球4家超大油气企业提供服务，为全球4

家邮轮公司提供服务，开创面向全球百万级别客户数量

的云服务时代。

由于单颗卫星的覆盖范围有限，需要数量众多的卫

星组成星座以实现全球覆盖。相较于高通量卫星，低轨

卫星的质量较小、性能相对较弱，但由于轨道高度低，

享有较低的信号传输时延和更高的信号落地功率，使得

低轨卫星互联网系统各型谱终端可以实现与卫星的直连

通信，从而赋予更多应用场景的高速通信和快速接入能

力。此外，借助载荷搭载和星座规模优势，低轨卫星互

联网系统还具备“通导感算”融合应用潜力，小卫星的

快速迭代与优化能力也使低轨卫星互联网代表了未来卫

星互联网的发展方向[5]

。

低轨卫星互联网系统主要包括空间段、地面段和用

户段3部分[6]

。空间段是通信的主要承载者，负责信息的

传输；地面段作为卫星互联网系统的重要组成部分，负

责信息接收和处理，以及对卫星的控制；用户段主要由

手持、便携、车载、船载、舰载、固定站等各类卫星互

联网终端组成。卫星互联网系统组成如图 1所示。

3　卫星互联网应用场景

近年来，卫星制造和运载发射成本大幅降低，星载

相控阵天线技术快速发展，地面通信终端芯片能力快速

提升，给传统卫星网络行业注入了新的活力，使具备无

处不在、泛在接入、连接可靠、高速传输等优势的卫星

互联网应运而生，并推动其广泛应用于各个领域，在更

多的应用场景下创造价值。

3.1　航天领域应用

当前航天市场处于快速发展阶段，但受到地面测控

网和信关站的覆盖限制，运载器和航天器对全时测控和

实施数据传输的需求难以得到有效满足。卫星互联网具

有广泛应用于航天领域的潜力，它可以通过混合星座和

星间网络实现低轨空间和全球范围的覆盖，提供稳定的

通信连接和高速的数据传输服务，并支持卫星之间的协

同作业和资源共享。

利用卫星互联网的覆盖优势、容量优势和星间链路，

构建以天基测控为主体、地基测控为补充的一体化测控

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图 1　卫星互联网系统组成

·97·

天地一体化信息网络 第 5 卷

通信体系，作为深空通信中继，大幅提升其实时回传、

在轨数据服务、导航增强服务等方面的能力，提高传输

效率和任务执行效率。

2024 年 3 月 14 日，马斯克借助星链卫星对第 3 次

“星舰”发射试验全程进行了高清直播，此次太空直播不

仅展示了卫星互联网在实时高清数据传输方面的巨大潜

力，更为航天领域提供了一种全新的、可靠的通信手段，

预示着未来深空探测和全球通信网络建设的新纪元。

3.2　航空领域应用

近年来，航空运输规模、航班数量和航线网络不断

增长，但是航空领域的快速发展暴露出一些问题。首先，

传统地空通信网络覆盖范围有限，已有的卫星通信系统

如铱星、海事卫星、天通卫星等容量有限，导致在某些

地区或海上飞行时通信信号的中断或不稳定，给飞行安

全和导航带来潜在风险。其次，后舱宽带上网日益成为

乘客的迫切需求，现有的卫讯、海事和中星等卫星受覆

盖范围 （高纬度地区无法覆盖） 和传输带宽的限制，乘

客上网的速度慢，上网时间受到限制，后舱宽带上网服

务质量不及预期。卫星互联网具备全球宽带覆盖的能力，

可以为航空器提供实时、高速率的通信连接，在上述应

用场景中将发挥重要作用。

利用卫星互联网的全球覆盖、低时延特性和高并发

优势，航空器在飞行过程中，能够全面、实时掌控飞行

过程中空地语音、飞行参数、气象数据、管制指令等数

据信息，大幅提高飞行安全性和运行效率；对于后舱乘

客能够提供流畅的网络连接和不间断的高速网络服务，

提升乘机体验；对活跃于低空空域的通航飞机、无人机

等提供远距离通信，全面提高低空空域的管理水平和管

理效率；通过对全空域的信号覆盖实现对高、中、低空

航空器的全空域监视与控制，全面提升航空安全水平、

空域容量和运行效率。

2022年10月，SpaceX公司的“星链”推出了“星链

航空”服务，为公务机、民航客机提供机上Wi-Fi服务，

平均下载速度达126 Mbit/s，上传速度7.6 Mbit/s，时延约

54 ms。“星链航空”服务的推出，不仅是卫星互联网技

术在航空领域的一次成功应用，也是对未来航空通信服

务潜力的一次有力证明。

3.3　海洋领域应用

海洋作为地球上最大的生态系统之一，在海洋交通

运输、海洋资源开发利用、海洋科学研究等多个方面对

人类的经济、社会和环境都具有重要意义。受限于广袤

的海域面积和稀疏的通信基础设施，海洋领域应用也面

临诸多痛点问题，如海上宽带服务、海洋资源观测、海

上安全与应急保障、全球海事交通管理等，传统的岸海

通信手段和有限的卫星通信容量均无法满足日益增长的

海洋应用需求。卫星互联网借助全球覆盖、高速传输、

海量连接和超大容量特性，以及基于星座的规模优势和

载荷搭载优势，可以为解决上述痛点问题提供支持，并

在以下场景发挥关键作用。

第一，利用各种类型直连卫星终端为海上渔民、渔

船、大型远洋船舶、海上平台、科考人员等提供随遇接

入的宽带信息服务，满足远离陆地的人员和设施对高速、

稳定的通信和互联网访问服务的需求。第二，通过星载

遥感载荷和直连卫星的物联设备获取高实时的海洋环境

信息，帮助行业专家和决策者更好地了解和管理海洋资

源。第三，可实现海上安全行动和应急保障行动任务地

点精确定位、远程视频指挥、多方信息协同、远海无人

智能装备控制等，通过卫星互联网建立骨干信息交换网

络实现跨域协同和多域信息融合。第四，利用卫星互联

网的广域覆盖和高并发接入能力，为全球范围内的各型

船舶提供海上交通信息播报和宽带数据交换服务，实时

监控船舶的位置、航向和速度等信息，增强船舶间、船

岸间的信息交互与安全保障能力，为船舶提供导航和航

行安全的决策支持，提高海上交通的安全性和效率。

2022年7月，SpaceX推出“星链海事”服务，面向

远洋邮轮、豪华游艇、货轮或海上资源勘探平台等用户，

提供覆盖全球的卫星宽带服务。“星链”一方面通过直销

业务与各邮轮公司签订合作协议；另一方面通过软件定

义广域网 （SD-WAN）、网络管理平台等手段融入分销商

海事通信解决方案，还通过完全托管服务的形式集成到

SES公司的海事卫星通信服务中，下载速度达77 Mbit/s，

上传速度15.72 Mbit/s。“星链海事”服务的推出不仅为海

上通信带来了革命性全球覆盖，为海上用户提供了高质

量的互联网接入，也为海洋领域的通信、安全、效率和

经济发展带来了深远的影响，预示着海洋通信新时代的

到来。

3.4　地面领域应用

随着互联网的普及和数字化技术的迅猛发展，地面

网络领域正在经历快速而持续的进步，人们对高速、可

靠的网络连接的需求不断增长。地面网络在某些场景中

仍面临一些痛点问题。首先，地面网络的覆盖范围有限，

偏远地区、山区、海洋和航空等特殊环境下的网络接入

困难，造成了数字鸿沟的进一步加剧。其次，地面网络

在自然灾害、紧急情况或网络故障等不可预见的事件中

·98·

第 3 期 单超等：卫星互联网应用与挑战

易受干扰，导致通信中断和信息无法及时传递。最后，

地面网络的建设和维护成本高昂，需要大量的基础设施

和人力资源投入，对于资源匮乏或经济发展相对滞后的

地区来说，部署地面网络是一项巨大的挑战。卫星互联

网具备全球覆盖、快速部署、灵活可靠的特点，可在地

面领域的下述场景中发挥独特作用。

第一，卫星互联网可以为地面网络无法覆盖的区域，

如偏远地区、岛礁、山区、草原的用户，提供随遇接入

服务，满足人们全时全域的网络信息服务需求；第二，

利用不受地面条件影响和大容量的优势，可以满足灾害

地区及时可靠的紧急通信需求，最大限度保障人民群众

生命财产安全；第三，利用星载遥感载荷和综合信息处

理技术为农民提供农作物管理和灾害预警，支持农村教

育、医疗和电子商务等领域的发展，促进农村地区的经

济增长和社会进步；第四，利用卫星互联网广覆盖、大

容量、低时延特性，为全球范围内的物联网设备提供稳

定、可靠、安全的通信连接，促进数字化社会的进步和

应用的推广。

2022年以来，随着卫星互联网蓬勃发展，利用低轨

卫星为地面智能手机提供直连服务的计划逐渐兴起，手

机直连卫星正在走向商业化应用阶段。美国 AST Spac‐

eMobile 和 Lynk Global 等公司发射了低轨试验卫星，验

证了普通手机不做任何改动直接接入卫星网络的能力。

苹果公司和全球星（Global Star） 公司合作，推出了支持

卫星紧急通信的商用手机，引起业界广泛关注。2023年

10 月，SpaceX 公司在“星链”官网正式上线“直连手

机”（Direct to Cell） 业务板块。2024年3月，“星链”利

用三星的安卓手机，完成了直接跟卫星通信的数据下载

达到 17 Mbit/s 的新纪录。另外，2022 年 10 月，“星链”

与日本 KDDI 电信公司签订合同，为其公司远程站点提

供蜂窝回程服务，服务日本山区及岛屿地区的企业用

户。2023 年 5 月，“星链”宣布与美国城际铁路公司签

订服务采购协议，为美国佛罗里达州城市间运行的10列

火车 （最高速度 200 km/h） 开通“星链”宽带服务，开

创全球采用卫星宽带提供列车上网服务的先河。卫星互

联网在地面领域的应用不仅为全球用户提供了更广泛、

更可靠的网络连接，还为数字经济和社会发展注入了新

的动力。

3.5　其他领域应用

卫星互联网在其他领域，如政府和军事等领域也扮

演着关键角色，可为决策制定、通信联络、情报收集和

战场指挥等提供重要的支持。卫星互联网为政府通信和

紧急响应提供了高效可靠的全球通信网络，确保各级政

府的持续联系与协调；在情报、侦察和监视方面，卫星

互联网通过提供高分辨率的卫星图像与情报数据，为军

事机构的目标识别、情报分析与军事目标评估提供支

持；在战场指挥与控制方面，卫星互联网使指挥官能够

实时获取战场数据与情报信息，从而与部队和指挥中心

进行快速通信与指挥。此外，卫星互联网在基础设施保

护方面发挥关键作用，通过监测和保护关键基础设施，

确保国家的电力、水资源、通信网络等基础设施的

安全。

星链的军事化应用，生动展现了卫星互联网在现代

战场通信中的革命性潜力。这一技术不仅提供了平均

100 Mbit/s的高速连接，确保了指挥控制的实时性，而且

其低时延 （通常为20~40 ms） 特性为战术决策提供了近

乎即时的信息反馈，极大地增强了军事行动的灵活性和

响应速度。随着卫星互联网技术的不断成熟，预计其在

军事领域的应用将进一步扩展。

4　卫星互联网的挑战和应对策略

尽管卫星互联网在连接偏远地区、提供全球覆盖和

支持关键应用等多方面具有显著优势，但该技术在实现

高效稳定的网络运行中，也面临诸多新的挑战和问题，

尤其是在频谱拥塞和干扰、传输时延和带宽、卫星发射

与成本等方面[7-9]

，还存在亟待解决的技术难题。

4.1　频谱拥塞和干扰

频谱拥塞和干扰问题是卫星互联网领域面临的重要

挑战之一，直接影响网络的质量和可用性。频谱作为有

限的资源，特别是Ka频段、Ku频段和C频段等广泛使用

的频段，需要被多个卫星运营商以及国家和地区合理分

配及利用。

为了应对频谱拥塞和干扰问题，可采取以下解决方

案。第一，采取频谱规划和管理手段提高频谱利用效率。

国家和地区应通过国际组织和相关协定来协商频谱的分

配与共享，确保全球范围内的频谱资源得到公平和均衡

的利用。第二，采用频谱共享技术，如动态频谱分配和

智能频谱管理技术，帮助不同用户或卫星在同一频段上

共存而互不干扰，实现更高效的频谱利用。第三，寻找

和开发新的频谱资源，如毫米波频段，以缓解频谱拥塞

问题。第四，通过技术创新提高频谱利用的效率，包括

提高数据传输速率、降低信号时延和增强抗干扰能力。

第五，建立监测系统和干扰管理机制，实时监测频谱的

使用情况，及时发现和解决干扰问题。

·99·

天地一体化信息网络 第 5 卷

4.2　传输时延和带宽

传输时延和带宽问题是卫星互联网领域的另一大突

出挑战，特别是在与5G网络体制融合的情境下，这一挑

战显得更加复杂。

首先是通信协议适应性问题。为了满足地面网络的

大规模用户需求，卫星互联网趋向于采用与地面5G网络

融合的技术体制。由于星地链路相对地面5G基站存在较

高的时延，因此需要在卫星端和地面端进行额外的协议

适配工作。其次是QoS保障困难。卫星互联网的拓扑结

构不断变化，星间链路变化带来的时延抖动使得QoS保

障更加困难，尤其是在高负载情况下，可能导致QoS的

不稳定。最后是带宽受限。尽管卫星互联网可以提供大

带宽和高速率传输，但与不断增长的数据需求相比，带

宽仍显不足。

为了克服这些挑战，可考虑采取如下解决方案。第

一，降低卫星轨道高度，可以有效减少用户到最近卫星

的距离，从而降低时延。例如，SpaceX的Starlink卫星采

用几百千米高度的低地球轨道，以获得较低的通信时延。

第二，采用先进的通信技术和天线技术，例如更密集的

点波束和更高效的星上处理算法，可以有效提升总带宽

和数据传输速率。第三，通过部署多层轨道高度的卫星

构建混合星座，提供更广泛的覆盖范围和更多的带宽资

源。第四，可通过优化地面站和信关站的部署，提供更

好的星地连接方案来减小数据传输时延。

4.3　发射和维护成本

尽管低轨卫星互联网代表了未来的发展方向，但其

巨量的卫星和随之而来的发射及运维成本给系统建设和

维护带来了巨大挑战。每颗卫星的发射成本包括火箭租

用、发射服务、地面设备、卫星制造和运输等费用，随

着卫星数量的增加，发射成本呈爆炸式增长。卫星在轨

道上需要进行定期的维护和控制，以确保其正常运行，

星座后期的维护和控制成本较高。卫星的寿命有限，低

轨卫星的寿命通常较短，随着卫星逐渐失效，需要不断

发射新的卫星来替代，持续的补星需求也增加了运营

成本。

针对这些挑战，有以下解决方案可供考虑。第一，

采用现代化的卫星制造技术和工艺以及规模化制造来降

低卫星的成本，采用模块化设计和3D打印技术等创新方

法提高卫星制造效率，减少制造时间和成本。第二，卫

星运营商可共享发射和维护资源以降低成本，通过建立

合作伙伴关系或联合发射计划分摊发射费用[10]

。第三，

火箭重复使用技术是降低卫星发射费用的关键措施之一，

通过回收和再次使用火箭的主要部件，如首级 （第一级）

和次级 （第二级），可以大幅降低每次发射的成本。第

四，“一星多能”也是一个有效的解决方案，利用“软件

定义卫星”技术让卫星根据任务的需要切换服务功能来

满足不同场景的需求，从而提高卫星的经济性。

5　总结与展望

卫星互联网作为“新基建”的重要组成部分，在促

进互联网普及、带动信息产业发展、应对网络霸权等方

面具有重要意义。我们应充分利用现有航天产业及智能

制造基础、信息基础设施先发优势，充分结合国内的制

度优势，加快布局我国空天地一体化的卫星互联网，充

分发挥中轨、低轨和高轨互联网星座的特色与各自

优势。

我们可以对卫星互联网的发展进行大胆预测：短期

（1~5年） 卫星互联网LEO卫星网络规模将不断扩展，有

望在未来几年看到卫星互联网提供更高速度和更广泛的

覆盖；中期 （5~10年） 卫星互联网借助LEO+MEO混合

星座组网，性能将进一步提高，可能会成为主要的互联

网接入方式之一，尤其是在偏远地区，以及自动驾驶、

物联网、远程医疗等领域将逐渐成熟；长期 （10~20年）

卫星互联网将在全球范围内实现广泛应用，成为不可或

缺的基础设施之一，继续为全球社会、商业和科学领域

带来深远影响并促进数字包容性，使更多人获得高速互

联网连接，实现全球通信的愿景，为未来的技术创新和

社会进步开辟更广阔的道路。

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tion, 2020(11): 35-40.

[作者简介]：

单超 （1977-），男，博士，中国星网网络创

新研究院有限公司高级工程师，主要研究方向

为卫星互联网系统总体、网络架构技术等。

马少煊 （1976-），男，硕士，中国星网网络

创新研究院有限公司战略规划管理岗，主要研

究方向为新一代网信体系总体架构、应用场

景等。

谷欣 （1980-），男，硕士，中国星网网络创

新研究院有限公司高级工程师，主要研究方向

为卫星互联网网络安全架构、网络安全标

准等。

王妮炜 （1987-），女，博士，中国星网网络

创新研究院有限公司高级工程师，网络技术研

究中心副主任，主要研究方向为卫星互联网、

5G／6G 移动通信等。

·101·

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　2024年9月20日出版　定价：60.00元