第1章绪论
在当今信息化和全球化的时代背景下，卫星作为支撑众多领域发展的关键要素，正经历着前所未有的发展和变革。随着卫星星座规模的不断扩大，以及卫星边缘计算技术的兴起，人类逐步迈向一个全新的卫星通信和数据处理时代。本章将从卫星通信技术发展现状、卫星边缘计算发展现状，以及卫星安全威胁三个方面展开。
1.1卫星通信技术发展现状
近年来，大型商业卫星公司纷纷推出了庞大的低轨星座计划如SpaceX的Starlink、一网公司的OneWeb等，旨在通过由成百上千颗乃至上万颗卫星组成的天基网络，实现全球无缝覆盖的高速互联网接入。低轨卫星距离地面较近，信号传输延迟更低，且能提供更高速的数据传输速率，这对于推动远程教育、远程医疗、应急通信等领域的发展具有重要意义。本节*先介绍卫星通信技术的发展历程；其次简述低轨巨型星座的近期发展，分析卫星互联网的发展现状。
1.1.1卫星通信技术
卫星通信技术是现代通信技术的一个重要分支，它利用人造地球卫星作为中继站，极大地扩展了通信的覆盖范围，实现了全球无缝连接。卫星通信系统主要包括卫星、地面站和用户终端三个部分。
（1）卫星：卫星位于太空中的特定轨道上，其携带的转发器能够接收来自地面站或用户终端的无线电波信号，经过放大、变频等处理后，再将信号转发回地面站或其他卫星，从而完成信息的远距离传输。
（2）地面站：地面站负责将用户信号上传到卫星，还负责接收从卫星转发回来的信号，并将其转换为用户可识别的形式。地面站通常具有强大的天线系统以确保信号的准确传输和接收，同时配备有先进的通信设备、控制系统和辅助设施，以确保通信的连续性和稳定性。
（3）用户终端：用户终端是用户接入卫星通信网络的接口设备，可以是卫星电话、计算机、甚小口径天线终端（very small aperture terminal，VSAT）等。用户通过终端设备发送和接收信息，实现与全球各地的通信联系。随着技术的发展，用户终端逐渐趋于小型化、便携化和智能化。
由于卫星通信不受地理环境的限制，全球范围内的无缝覆盖是卫星通信的*大优势。同时，由于卫星通信系统通常采用冗余设计和备份机制，使得通信业务的连续性和稳定性得以保证。然而，随着通信卫星节点的增多，频谱资源变得越来越紧张。同时，由于卫星制造、发射和运营成本高昂，限制了卫星通信的普及和应用。另外，基于空间环境的复杂性，卫星信号在传输过程中容易受到干扰和衰减的影响。
卫星通信的*初设想是阿瑟？克拉克在1945年提出的，即在地球静止轨道上每隔120°放置1颗通信卫星来实现除两极之外全球范围内的通信。斯普特尼克1号（Sputnik1），也被称为人造地球卫星1号，是1957年苏联研制并发射的世界**颗人造地球卫星，也是人类历史上的**颗人造地球卫星。1965年发射的Intelsat-Ⅰ是世界上**颗商业通信卫星，具有里程碑式的意义，它不仅推动了国际通信的发展，也为后续卫星通信技术的进步奠定了基础。随着数字技术和微电子技术的发展，自20世纪70年代起，卫星通信技术进入了一个新的阶段。卫星通信系统开始使用数字信号处理和调制解调技术，提高了通信质量和效率。卫星通信技术在20世纪80年代和90年代得到了进一步发展和应用。卫星通信系统的容量和带宽逐渐增大，信号的传输速度也得到了显著提升。同时，多波束天线和频率重复器等新技术的出现，使得卫星通信系统能够支持更多的用户和数据流量。我国在卫星通信领域的探索始于20世纪60年代。1984年，我国成功发射了**颗试验通信卫星东方红二号，标志着我国正式进入卫星通信领域。随后，我国陆续发射了多颗通信卫星，包括“中星”系列、“亚太”系列等，构建了较为完善的卫星通信网络。
根据轨道高度的不同，卫星可以分为地球同步轨道（geosynchronous orbit，GSO）卫星、中地球轨道（middle earth orbit，MEO）卫星和低地球轨道（low earth orbit，LEO）卫星（简称为低轨卫星）。
GSO是一种特殊的卫星轨道，其特点在于卫星的轨道周期与地球自转周期相同，即约为23h56min4s。地球静止轨道（geostationary earth orbit，GEO）是一种特殊的GSO，其轨道平面位于赤道平面上。GEO卫星相对于地面观察者来说是完全静止不动的，地球静止轨道周期与地球自转周期相等。由于GEO卫星的轨道周期与地球自转周期相匹配，从而GEO卫星能够相对于地面保持相对静止，这使得其能够持续地对特定区域进行观测或提供通信服务。同时，GEO卫星位于地球赤道平面的特定高度，其覆盖范围几乎可以涵盖地球表面的三分之一，因此，单颗GEO卫星就能够实现广泛的通信覆盖，尤其是在海洋、偏远地区等地面通信设施难以到达的地方。基于GEO卫星覆盖范围广的特点，通过GEO卫星不仅可以将电视信号传输到全球各地，实现跨国界的电视广播服务，还可以在地面设施被破坏等突发事件情况下，利用GEO卫星通信系统提供应急通信服务。卫星轨道类型如图1.1所示。
图1.1卫星轨道类型示意图
国际海事卫星组织（International Maritime Satellite Organization，INMARSAT）成立于1979年，是领先的全球卫星通信服务提供商之一，INMARSAT系统是*早的GEO卫星移动通信系统之一，利用位于地球赤道平面上空的GEO卫星提供全球范围内的通信服务。INMARSAT系统不仅服务于海事领域，还逐渐扩展到陆地和航空领域，成为全球海上、空中和陆地商用及遇险安全卫星移动通信服务的重要提供者。区别于其他导航系统，我国的北斗导航卫星系统具备短报文通信功能。在自然灾害、事故灾难等紧急情况下，地面通信网络可能会瘫痪，北斗短报文可以提供可靠的通信手段。用户可以向救援中心报告位置和状况，请求支援或传递简要的应急指令。通过北斗短报文通信功能，气象部门可以及时向偏远地区发送天气预报信息，帮助当地居民做好防灾准备。在交通运输领域，北斗短报文通信功能可以用于车辆调度、货物追踪等方面，提高运输效率和管理水平。由于GEO卫星的轨道高度较高，信号在传输过程中需要经历较长的路径，因此会产生较大的传输时延和传输损耗。一般来说，GEO卫星的传输时延大约为500ms。这种时延对于实时性要求较高的应用（如在线游戏、视频会议等）来说可能会造成一定的影响。
MEO卫星，其轨道的高度一般在2000km至20000km之间。相比位于更高轨道的GEO卫星，MEO卫星可以实现较低的信号延迟和衰减，能够提供更为迅速的通信服务；与LEO卫星相比，MEO卫星可以用更少的数量实现全球覆盖。它的覆盖范围和链路损耗比LEO卫星大，传输时延大概为140ms。奥德赛（Odyssey）系统是典型的MEO卫星系统之一，由美国TRW空间技术集团公司推出。该系统采用了12颗MEO卫星来提供全球覆盖的移动通信服务。这些卫星分布在高度约为10000km的轨道上，并分布在倾角为55°的三个轨道平面上。这种设计使得卫星网络能够灵活地覆盖全球范围，同时保持较低的信号延迟和衰减。
LEO卫星的轨道高度一般在160km到2000km之间，这是其被称为“低地球轨道”的原因。这种轨道上的卫星绕地球运行的速度非常快，完成一圈的时间大约为90～120min。由于LEO卫星距离地面较近，信号传输的时间较短，因此具有较低的延迟，适用于实时通信和互动应用。同时，LEO卫星的数量较多，可以实现全球范围的覆盖，无论是在陆地、海洋还是空中，都可以实现通信。LEO卫星通信系统具有较高的灵活性和可扩展性。通过增加卫星数量，可以增加系统的容量和覆盖范围，满足不断增长的通信需求。相比传统的地球静止轨道（GEO）卫星通信系统，LEO卫星通信系统的建设和运营成本较低，这使得LEO卫星通信系统成为许多国家和地区发展卫星通信的*选方案。基于LEO卫星的特点，LEO卫星通信系统可以提供全球范围的高速互联网接入服务，尤其是在偏远地区和发展中国家。这将为人们提供更广泛的互联网接入机会，推动数字化和信息化进程。
1.1.2低轨巨型星座
近年来，低轨巨型星座在全球范围内得到了广泛关注和发展，低轨巨型星座是指由大量LEO卫星组成的庞大卫星网络，并具有以下特点。
（1）传输实时性高：由于LEO卫星的轨道高度较低（160～2000km），通信信号的传输距离较短，使得传输信号的时延较低。
（2）冗余性强：与GEO卫星和MEO卫星相比，LEO卫星的制造和发射成本较低；同时，随着可重复使用火箭技术的成熟以及卫星设计和制造成本的进一步降低，使得卫星网络的快速部署和调整成为可能，以适应不同的应用需求和场景。
（3）传输容量大：随着LEO卫星的大规模发射，大批量并行运营的LEO卫星结合先进天线技术和通信载荷，提供更高的系统容量并满足不断发展的通信需求。
（4）覆盖范围广：单个LEO卫星的地面覆盖范围通常可达几百千米至几千千米直径的面积；为了实现全球覆盖，通常会部署由多颗LEO卫星组成的星座；另外，随着卫星的轨道运动和地球的自转，精确的轨道规划和星座可以弥补卫星覆盖范围的不断变化。
铱系统（Iridium）是美国摩托罗拉公司在1987年提出并设计的全球移动通信系统。该系统通过低地球轨道（LEO）卫星网络实现全球通信，旨在突破基于地面的蜂窝无线通信的局限，为地球上任何地区、任何人提供语音、数据、传真及寻呼信息。铱系统由66颗运作中的通信卫星（外加备用卫星）组成，这些卫星分布在6个圆形极地轨道上，每个轨道上有11颗卫星。卫星间隔约2800mi，以时速16832mi（约27088km）围绕地球旋转，每100min绕地球一圈。这种布局确保了地球上任何位置在任何时间至少被一颗卫星覆盖。这些卫星在约800km的高度运行，每颗卫星都能与相邻的卫星进行交叉链路通信，从而实现全球覆盖。铱系统通过地面站与用户终端进行通信。地面站负责将卫星信号转换为公共交换电话网络（PSTN）或互联网信号，以及将来自地面的电话和数据信号上传至卫星。铱系统支持多种类型的用户终端，包括卫星电话、数据模块和短消息设备。这些终端能够直接与卫星通信，无需任何地面基础设施。由于经济问题和技术挑战，项目经历了多次延迟，*终由于经营决策失误，铱系统在2000年宣布停止运营。
2007年，新的铱公司在美国国防部的支持下成立，启动了第二代铱系统（Iridium Next）计划，由于各种原因，直到2017年才完成*批卫星的发射任务，2019年SpaceX公司的猎鹰9号（Falcon9）火箭发射升空，*后10颗卫星进入轨道位置。IridiumNext由81颗卫星构成，包括66颗工作卫星、9颗在轨备份卫星和6颗地面备份卫星。这种设计确保了星座的高可靠性和灵活性，即使部分卫星发生故障，系统仍能保持连续的服务。IridiumNext卫星位于780km的轨道上，倾角为86.4°，卫星分布在6个轨道平面上，每个轨道平面均匀分布11颗卫星，其中轨道1和轨道6是反向轨道，间距为22°，其余轨道均为同向轨道，间距为31.6°。在通信有效载荷方面，卫星上搭载再生型处理转发器，这种转发器能够对信号进行处理和再生，提高通信质量，卫星配备的L频段相控阵天线能够产生48个口径为400km的点波束，这有助于提高信号的定向性和覆盖范围。同时Iridium Next也同**代一样具备Ka频段星间链路（inter-satellite link，ISL），具有2副可控、2副固定的星间链路天线。测控链路为Ka频段，通过全向天线实现。IridiumNext是**个搭载有效载荷（hosted payload）的商业系统，比如搭载Aireon公司的广播式自动相关监视（automatic dependent surveillance broadcast，ADS-B），提供航空交通管制服务；以
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