1、1 引言随着美国太空探索公司（SpaceX）的宽带卫星项目“星链”（StarLink）项 目 的 持 续 发 射 和 组 网 推 进，由 卫 星 或者 巨 型 低 轨 卫 星 星 座 来 提 供 高 速 宽 带 接入 能 力 正 成 为 现 实。相 较 于 传 统 的 地 面通 信 系 统，基 于 新 型 巨 型 星 座 的 卫 星 宽【摘 要】本文分析了 Telesat、星链、一网和柯依伯等宽带卫星星座的发展历程、星座架构及通信系统架构，进而研究了其信息安全特性，并针对其存在的安全问题提出了相关建议，以期提高新的通信技术体系下的信息安全防护水平。【关键词】低轨卫星 巨型星座 信息安全【中图分
2、类号】TP927.2；TP393.08 【文献标识码】A带 接 入 系 统 具 有 全 球 化 覆 盖 能 力 强、服务 范 围 广 和 部 署 速 度 快 的 优 势，是 未 来通 信 系 统 的 重 要 发 展 方 向 之 一。然 而，基 于 巨 型 低 轨 卫 星 星 座 的 宽 带 接 入 网 络与 传 统 的 地 面 光 纤 通 信 网 络 和 基 于 高 轨高 通 量 卫 星 的 通 信 系 统 存 在 较 大 差 别。基 于 其 星 座 架 构、网 络 架 构 不 同，巨 型低 轨 宽 带 星 座 也 会 带 来 新 的 安 全 风 险巨型低轨宽带通信系统技术研究及其安全隐患 徐
3、佳康 王哓龙 /北京鹏鹄物宇科技发展有限公司12|保密科学技术|2022 年 10 月特别策划挑 战。要 研 究 巨 型 星 座 对 我 国 信 息 安 全体 系 的 影 响 就 需 要 充 分 了 解 巨 型 星 座 的体 系 架 构。然 而，由 于 各 个 星 座 的 通 信体 制 和 网 络 架 构 都 没 有 采 用 标 准 协 议，也 未 公 开 其 相 关 信 息，需 要 通 过 其 他 方法 来 研 究 其 系 统。本 文 基 于 加 拿 大 通信 卫 星 公 司（T E L E C o m m u n i c a t i o n S a t e l l i t e C a n
4、a d a，T e l e s a t）、StarLink、一网（OneWeb）和柯依伯（K u i p e r）这 几 个 主 要 的 宽 带 卫 星 星座 的 星 座 架 构 及 通 信 系 统 架 构 来 研 究 其信 息 安 全 特 性，并 针 对 其 存 在 的 安 全 问题提出应对建议。2 国外巨型星座介绍虽 然 用 低 轨 卫 星 星 座 来 实 现 全 球 通信 在 近 几 年 得 到 了 快 速 发 展，但 是 这 并不 是 一 个 全 新 的 概 念。2 0世 纪9 0年 代初，摩 托 罗 拉 公 司 就 提 出 了 铱 星 系 统，使 用6 6个 低 轨 卫 星 来 为
5、全 球 提 供 无 线语音同步服务。随后，欧三比（O3B）进 一 步 提 出 了 通 过 低 轨 卫 星 来 为 全 球3 0亿 没 有 接 入 互 联 网 的 人 群 提 供 宽 带接 入 服 务。近 三 十 年 来，全 球 宽 带 服务 的 低 轨 卫 星（L E O）星 座 一 直 是 卫星 运 营 商 的 目 标。在2 0世 纪9 0年 代，铱星和全球星（Globalstar）等星座希望 使 用 非 对 地 静 止 卫 星 轨 道（NGSO）从 太 空 提 供 通 信 服 务。然 而，由 于 项目 缺 乏 经 济 可 行 性，他 们 未 能 实 现 目标1。经 过 二 十 多 年 的
6、技 术 演 进 和 宽 带通 信 市 场 的 发 展，新 的 硬 件 和 软 件 技 术重 新 激 发 了 运 营 商 对 太 空 全 球 互 联 网 覆盖 的 兴 趣。近 年 来，多 家 公 司 向 美 国联 邦 通 信 委 员 会（F C C）提 出 申 请，要 求 在N G S O中 设 置 大 型 星 座。其 中规 模 和 开 发 成 熟 度 较 高 的 是Te l e s a t、OneWeb、SpaceX和亚马逊的星座。新 时 代 巨 型 星 座 的 财 务 可 行 性 取 决于3个 因 素：卫 星 性 能 的 提 升、发 射 和制 造 成 本 的 降 低、需 求 的 增 长。从
7、卫 星看，得 益 于 数 字 化 的 有 效 载 荷、可 数 字调 向 的 多 波 束 天 线、高 级 调 制 和 编 码（M O D C O D）方 案 及 频 率 复 用 策 略，低 轨 卫 星 的 单 星 服 务 能 力 持 续 增 加；随着 批 量 化 生 产 和 可 回 收 火 箭 的 发 展，卫星 的 生 产 和 发 射 成 本 快 速 降 低；数 字 化经 济 的 发 展，与 世 隔 绝的 农 村 地 区 对 宽带 接 入 的 需 求 不 断 增 长，加 上 航 空 和 海上 移 动 用 户 的 预 期 增 长，也 带 来 了 日 益强 化 的 经 济 吸 引 力。技 术 改 进
8、 使 运 营 商能 够 设 计 具 有1 0 0 0多 颗 卫 星 的 架 构，并 提 供 几 十 个T b p s的 总 容 量，市 场 的需 求 则 使 得 这 些 巨 型 卫 星 星 座 具 备 回 收成本的可行性。要 对 巨 型 低 轨 宽 带 卫 星 星 座 进 行 分析，首 先 需 要 针 对 星 座 的 星 座 架 构 开 展研 究，然 后 基 于 星 座 架 构 研 究 其 网 络 架构 和 在 信 息 安 全 方 面 的 隐 患。为 了 保 证研 究 的 准 确 性，本 文 将 通 过 部 分 星 座 在FCC中公开的信息来研究其星座架构。3 星座架构传 统 卫 星 一 般
9、是 高 轨 卫 星，工 作 在3 6 0 0 0千 米 的 地 球 同 步 轨 道 上，卫 星 与地 表 保 持 相 对 静 止，单 星 的 覆 盖 范 围 基本 不 变。在 合 理 部 署 的 情 况 下，3个 高轨 卫 星 就 能 实 现 全 球（除 南 北 极 以 外）覆 盖。而 低 轨 卫 星 轨 道 高 度 较 低，一 般在5 0 01 5 0 0千 米，卫 星 相 对 地 面 处 于2022 年 10 月|保密科学技术|13特别策划高 速 移 动 状 态，一 般 运 动 速 度 约 为7千米/秒，9 0分 钟 就 能 绕 地 球 一 圈，结 合地 球 自 转 来 实 现 全 球 的
10、“分 时”覆 盖，并 通 过 星 座 组 网 的 方 式，实 现 全 球 实 时覆 盖。低 轨 卫 星 星 座 的 工 作 方 式 和 技 术特 点 与 其 星 座 构 型 有 着 重 要 的 关 系，因此 本 文 基 于 公 开 资 料 对 一 些 星 座 的 构 型进行分析。3.1 Telesat星座的架构基 于T e l e s a t公 司 提 交 至F C C的网 络 资 料 看2，Te l e s a t的 星 座 部 署 包括2个 阶 段：第 一 阶 段 由2 9 8颗 卫 星 构成，第 二 阶 段 会 增 加 到1 6 7 1颗。所 有卫 星 分 布 在2组 轨 道 上：极 地
11、 轨 道（以下 简 称 极 轨），高 度1 0 1 5千 米，倾 角98.98；倾 斜 轨 道，高 度1325千 米，倾 角5 0.8 8。初 始 阶 段 包 括6个 极 轨平 面，每 个 平 面1 3颗 卫 星，外 加2 0个斜 面，每 个 平 面1 1颗 卫 星。完 成 此 阶段 所 有 卫 星 部 署 后 才 能 提 供 持 续 的 宽 带接 入 服 务。第 二 阶 段，星 座 从6个 极 平面 增 加 到2 7个，倾 斜 轨 道 方 面 则 从2 0个 增 加 到4 0个。第 二 阶 段 还 将 使 倾 斜轨 道 上 每 个 平 面 的 卫 星 数 量 增 加 到3倍（从11颗 增 加
12、 到3 3颗）。从Te l e s a t的星 座 架 构 设 计 看，其 极 轨 星 座 主 要 是 为了 实 现 南 北 极 的 覆 盖，而 倾 斜 轨 道 星 座主 要 为 了 在 人 口 稠 密 地 区 提 供 大 容 量 的接入服务。该 星 座 具 有 同 轨 道 面 内 和 不 同 轨道 面 间 的 卫 星 星 间 链 路 传 输 能 力。星载 有 效 载 荷 允 许 形 成4个 可 操 纵 馈 电波 束 用 于 和 地 球 站 骨 干 网 连 接，加 上2 4个 可 调 指 向 和 可 赋 形 的 用 户 波 束。每 个 波 束 的 发 射 功 率 和 带 宽 等 其 他 卫星
13、资 源 也 可 灵 活 调 配。馈 电 波 束 将 通过 天 线 将 信 号 传 输 给 全 球 分 布 的3.5米天 线 的 地 面 站，并 将 数 据 解 调 后 接 入骨 干 网。星 座 的 用 户 链 路 下 行 会 使 用1 7.82 0.2G H z共1.8G H z带 宽，上 行会 使 用2 7.53 0.0G H z共2.1G H z带 宽的Ka频段频谱资源。3.2 OneWeb星座的架构与Te l e s a t星 座 一 样，O n e We b系统 的 星 座 部 署 也 由2个 阶 段 构 成3：第一阶段有716颗卫星，第二阶段有6372颗 卫 星。2个 阶 段 所 有
14、 卫 星 都 将 在1 2 0 0千 米 的 轨 道 高 度 上 运 行。初 始 阶 段 由2组1 2个 和8个 平 面 组 子 星 座 组 成，分 别是 倾 角 为8 7.9 的 极 轨 组 和5 5 的 倾斜 轨 道 的 子 星 座。其 中 极 轨 子 星 座，每个 极 轨 面 包 含4 9颗 卫 星，而 每 个 倾 斜轨 道 面 则 包 含1 6颗 卫 星。第 二 阶 段 计划 主 要 覆 盖 人 口 较 多 的 区 域。为 此，星 座 的 极 轨 子 星 座 的 轨 道 面 从1 2个 平面 扩 大 到3 6个 平 面；低 倾 角 子 星 座 的轨 道 面 数 量 则 从8个 面 大
15、幅 增 加 到3 2个面，从 每 个 面1 6颗 卫 星 更 改 为7 2颗 卫星。并 且，在 此 基 础 上 新 增 一 个 倾 角 为4 0 的 子 星 座，其 特 性 与 前 面 的 倾 斜子 星 座 相 似，只 是 倾 角 进 一 步 降 低 到 了4 0。与Te l e s a t一 样，O n e We b在 极轨 轨 道 上 分 配 了 一 组 数 量 较 少 的 子 星座，以 提 供 全 球 覆 盖，同 时 将 其 大 部 分容 量 集 中 在 人 口 稠 密 的 地 区 以 满 足 广 泛人群接入的需求。O n e We b提 交F C C的 文 件 显 示，其在 初 期 运
16、 营 时 不 会 使 用 星 间 链，但 他们 可 能 会 考 虑“在 系 统 部 署 的 某 个 时候”启 用。如 果 他 们 选 择 不 使 用 星 间14|保密科学技术|2022 年 10 月特别策划链，他 们 的 系 统 将 只 允 许 服 务 与 网 关同 时 位 于 同 一 关 注 领 域 的 用 户，这 将需 要 更 多 的 网 关 才 能 提 供 全 球 覆 盖。在 初 始 星 座 中，每 颗 卫 星 将 有1 6个 长椭 圆 的 用 户 波 束。关 于 最 终 部 署，星座 中 的 每 颗 卫 星 都 可 形 成 多 达3 2个 可调 向 的 用 户 波 束。在 这2种 情 况 下，卫星 都 会 形 成 至 少2个 可 操 纵 的 圆 形 馈电 波 束。馈 电 波 束 将 通 过 连 接 到 全 球部 署 的 地 球 站 来 向 用 户 提 供 互 联 网 连接，地 面 站 会 配 置 直 径 为2.4米 或3.5米 的 天 线。频 率 上，卫 星 将 在 较 高K a频 段（27.530.0 GHz）使 用2.1GHz带 宽 用 于 馈 电 上 行 链 路，在 较