黨的十九屆五中全會審議通過了《中共中央關於制定國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和二0三五年遠景目標的建議》，提出要瞄準空天科技等前沿領域，實施一批具有前瞻性、戰略性的國家重大科技項目。衛星系統被廣泛應用於通信、監測、勘探、導航、科學研究等各個領域，與國家經濟命脈和國家安全息息相關，一直是空天科技的重要發展方向。近年來，隨著一網(OneWeb)計劃、星鏈(StarLink)計劃的提出與實施，在全球範圍內掀起了一波低軌衛星星座發展的熱潮。那麼，我國如何發展低軌星座?發展什麼樣的低軌星座？
以史為鑑探尋低軌星座發展方向
自上世紀80年代起，在全球範圍內陸續出現了以銥星(Iridium)、全球星(GlobalStar)、軌道通信(Orbcomm)等系統為代表的低軌星座計劃，但由於市場、技術等多方面原因，尤其是地面蜂窩移動通信的興起，這些項目大都未完成部署或發展艱難。近年來，低軌星座的發展熱潮再度襲來，其中最具代表性的就是星鏈與一網計劃。其中，馬斯克的Space X既是衛星製造商，也是火箭製造商，他提出規模龐大的星鏈計劃，首先看到的是大規模衛星發射帶來的巨額利益，並通過「跑馬圈地」的方式來搶佔稀缺的衛星頻率軌道資源，然而馬斯克的神話能否繼續目前還不明朗；一網計劃在發射了74顆衛星後宣布破產保護，近期英國政府介入才得以續命。
綜合以上情況可以看到，在現有技術條件下低軌通信星座建設發展依然面臨著許多方面的問題與挑戰：一是低軌星座的物理特性決定了較低的效費比。地球70%以上的面積是海洋、沙漠、森林等人口非常稀少的地區，如果利用全球覆蓋的星座系統解決通信問題，就意味著始終有70%至80%的資源處於閒置狀態，造成整個系統的資源浪費。二是低軌星座的頻帶資源限制了建設運營的可行性。頻率資源是稀缺的不可再生資源，適用於低軌衛星移動通信的低頻段頻率資源目前已消耗殆盡，現有系統均採用更高頻段解決用頻問題，但同時也帶來了技術複雜度及成本的增加，進一步帶來地面推廣應用的效費比問題。三是低軌星座面臨著巨大的市場競爭壓力。
低軌星座系統所能提供的通信能力，大都可通過同步軌道移動衛星、高通量衛星實現;我國現有3G、4G、5G移動通信系統以及地面有線網絡快速發展，在人口密集區域高度發達，目前低軌星座通信系統在這些地方還沒有不可或缺的「殺手級」業務應用可與地面系統「分庭抗禮」。技術進步與產業鏈逐步建立可以在一定程度上解決效費比低的問題，但不可或缺的「殺手級」核心應用還需進一步探索，按照傳統思路發展低軌星座將極易陷入困局。
轉變思路發展電磁感知「天行星座」
發展低軌星座首先要解決需求牽引的問題。人類社會已進入資訊時代，當前幾乎所有人類活動都伴隨著電磁信號的產生，電磁空間的實時感知與有效掌控已日漸成為世界各國全方位競爭的制高點。「十四五」期間，建議在突破低軌通信星座相關技術的同時，把建設的重點轉移到電磁感知上來，充分利用衛星系統「高邊疆」優勢，面向資訊時代萬物互聯、電磁空間安全掌控及頻譜資源高效利用等重大應用需求，打造天行星座系統，通過低成本微小衛星星座開展全球範圍寬頻帶高動態電磁頻譜感知，基於廣域分布式協同探測技術，結合地面多源大數據處理，實現全球實時電磁感知、航班與船舶跟蹤和物聯網數據採集等功能，提升我國電磁空間掌控能力、支撐社會經濟創新發展，為構建「數字地球」提供信息服務基礎設施支撐。
(一)功能設想
全球實時電磁感知。電磁頻譜數據中包含了大量信息，可有效地反映資訊時代的人類活動特徵。通過天行星座，實現全球範圍的時、空、頻域的持續覆蓋，系統將全球電磁態勢實時數據與歷史數據結合進行處理，構建電磁空間知識圖譜，為頻譜管理、幹擾檢測、電離層/平流層探測，以及掌控電磁空間安全，實現頻譜資源高效利用奠定基礎。
全球航班跟蹤。不間斷接收全球航班發射的1090MHz頻點信號，獲得飛機位置、高度、航速、航向等信息，擴展空管系統能力，提高航路規劃能力，為增強航空運力提供支持。
全球船舶跟蹤。接收海上船舶AIS(自動識別)系統的信號，掌握全球航運情況、船舶身份、位置、航行方向等，支撐國家「一帶一路」倡議和海洋強國戰略。
北鬥導航增強。天行星座提供額外測距信號，與北鬥系統混合使用，利用低軌星座信號都卜勒頻移大和強度高等特性，提高導航定位精度和抗幹擾能力，並有潛力將定位精度從米級提高到釐米級。
稀疏用戶通信服務。天行星座充分利用自身的覆蓋能力和特點，面向少數高端用戶提供就近接入通信服務，包括長航時無人機、平流層飛艇、民航飛機等特定平臺，成為拓展國家通信能力的基礎設施。
廣域物聯網數據採集。利用低軌星座全球覆蓋特性，支持廣域物聯網數據採集，例如海洋監測數據回傳和野外目標跟蹤等，從而服務於社會經濟發展和國家重大安全需求以及全球治理。
(二)系統組成
天行星座系統由空間分系統、應用分系統和運維管理分系統組成，綜合運用人工智慧、大數據、雲計算等技術，以期為全球任意地點的各類用戶提供實時、準確、智能的定製化信息服務。
空間分系統由數百顆低軌小衛星組成，衛星配置多種載荷，以電磁頻譜數據採集功能為主，導航增強和通信功能為輔。
應用分系統主要為各類用戶提供按需定製服務，主要由數據接入站點、大數據處理中心、行業應用服務系統以及各類終端組成。其中數據接入站點是在運維管理分系統站點一體化統籌基礎上的適當補充；大數據處理中心依託現有國家大數據中心等開展建設並增加部分處理節點；行業應用服務由各領域在統一的接口和標準規範下各自開發建設。
運維管理分系統主要完成系統的運行控制管理，包括各衛星的跟蹤測量和監視控制，各類衛星載荷資源調度，應用分系統各數據接收站點、大數據處理中心、行業應用服務等的管理控制以及接入訪問控制、數據加密、身份認證等安全管控。
(三)關鍵技術
天行星座系統改變傳統低軌通信星座設計思路，以電磁感知為突破口，採用低成本微小衛星實現廣域分布式協同探測，結合多源大數據處理，支持全球電磁頻譜無縫實時感知和各類傳感信息獲取。其中涉及的關鍵技術包括：基於軟體無線電(SDR)的寬頻段、高動態電磁頻譜檢測，廣域多星分布式協同感知，多源海量數據融合處理與挖掘，基於認知無線電(CR)的動態頻譜共享，物聯網大規模物端接入，星間寬帶雷射鏈路，星間高速交換與組網，毫米波、雷射寬帶移動接入。
(四)實施建議
「十四五」期間，重點開展電磁信號協同感知、廣域傳感信息高效獲取等基礎性研究；完成低成本、輕小型化低軌感知星座設計，發射試驗衛星，構建系統效能評估與演示平臺，進行關鍵技術驗證與展示，為實現星座後續建設發展提供支撐。
2030年前，分步開展星座建設，完成地面測控系統、數據接收站點、大數據處理中心等基礎設施建設，建成天行星座系統，為各領域各行業用戶提供數據服務和行業應用服務。
通過發展以電磁感知為主要功能的低軌星座，在科技創新、產業發展和社會效益方面都有重大意義。在科研創新方面，全球電磁感知星座的設計改變傳統低軌通信星座設計思路，以快速實現全球電磁頻譜態勢的時空連續感知為首要目標，填補全球範圍內持續電磁感知能力的空白，新的架構設計將牽引眾多新的技術問題及有關學科發展，推動「跟跑」向「領跑」轉變，同時兼顧可行性與效費比，極具研究價值。在潛在經濟效益方面，以天基物聯網為基礎，與地面5G物聯網融合，支撐廣域數據採集，帶動地面晶片、模塊、終端、傳感器等產業發展，形成百億量級的產業規模；同時構建天地一體物聯網信息中心，形成運營服務生態體系，為用戶提供天網和地網融合的物聯網信息增值服務，形成新的產業增長點；另外基於海量電磁信號挖掘將推動產生各類創新應用，培育新的經濟發力點。在社會效益方面，可基於該低軌星座建立全球海事、空事、應急搜救服務中心，為優化海上空中航線、保障航海航空安全提供基礎，提高應急情況下的處理能力；基於海量電磁數據的信息處理能力，提供國民經濟發展的宏觀和微觀信息，為產業布局、調整和優化提供參考。
作者於全為中國工程院院士，王敬超為國家高分專項專家組成員。