從經(jīng)濟(jì)角度看，通過(guò)空地協(xié)同，構(gòu)建功能完備的智能化體系，為各個(gè)領(lǐng)域提供高效、安全、可靠的信息傳輸和協(xié)同工作能力，可以滿足軍事、民用、商業(yè)等多領(lǐng)域需求，創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。從社會(huì)角度看，通過(guò)信息資源的綜合利用和共享，尤其在地面通信難以有效應(yīng)對(duì)的領(lǐng)域，為政府決策、社會(huì)服務(wù)、科學(xué)研究等方面提供全面支持，提高公共服務(wù)水平和質(zhì)量，促進(jìn)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展。
總之，空天地一體化作為 6G 網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，是未來(lái)通信技術(shù)的發(fā)展方向，具有廣泛的應(yīng)用前景和卓越價(jià)值。
一、國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀
空天地一體化作為 6G 核心組成已列入多國(guó)創(chuàng)新戰(zhàn)略，成為全球搶占的戰(zhàn)略制高點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外加速衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)部署，以推動(dòng)空天地一體化進(jìn)程。截至 2021年，全球至少有 20 家公司對(duì)外公布了覆蓋全球低軌星座計(jì)劃。最典型的如SpaceX 公司的 Starlink 計(jì)劃。衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，低軌衛(wèi)星及其采用的Ku及Ka通信頻段，因其成本、增益效果等因素，成為戰(zhàn)略稀缺性資源。歐美憑借強(qiáng)大的衛(wèi)星制造和發(fā)射能力，搶得先機(jī)。預(yù)計(jì)到 2029 年，近地軌道空間以及Ku及Ka通信頻段資源將所剩無(wú)幾。
近年來(lái)，我國(guó)已建立了較為完整的衛(wèi)星制造和發(fā)射體系，但在衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)方面，與歐美較有差距，主要體現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍有限，空間基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)成本偏高，產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)化程度不高幾個(gè)方面。鑒于衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的緊迫性要求，我國(guó)自 2017 年相繼啟動(dòng)多個(gè)近地軌道衛(wèi)星星座計(jì)劃。2020 年，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)首次納入新基建范疇，上升為國(guó)家戰(zhàn)略性工程。2021年 4 月底，中國(guó)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)集團(tuán)有限公司成立，以“國(guó)家隊(duì)”身份進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃及運(yùn)營(yíng)，加速我國(guó)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈上下游協(xié)同發(fā)展。目前已完成兩個(gè)低軌衛(wèi)星星座的申報(bào)，并將于 2027 年完成共計(jì) 12992 顆衛(wèi)星的發(fā)射和信號(hào)驗(yàn)證工作。
二、空天地一體化關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展情況
空天地一體化是一種創(chuàng)新的計(jì)算架構(gòu)，涉及航天、通信、計(jì)算機(jī)、電子等多領(lǐng)域技術(shù)。當(dāng)前發(fā)展重心聚焦在多網(wǎng)融合、組網(wǎng)優(yōu)化、高效運(yùn)控、超大容量等方面。典型技術(shù)包括切換接入技術(shù)、星上轉(zhuǎn)發(fā)器技術(shù)、星間鏈路技術(shù)、與地面融合技術(shù)等。
1.切換接入技術(shù)。切換接入技術(shù)是實(shí)現(xiàn)在空網(wǎng)與地網(wǎng)、不同衛(wèi)星系統(tǒng)、不同頻率之間平滑切換的關(guān)鍵技術(shù)，用以確保高動(dòng)態(tài)下的服務(wù)連續(xù)性。當(dāng)前，歐美國(guó)家在衛(wèi)星與地面基站切換等方面已有一定進(jìn)展，而國(guó)內(nèi)還處于起步階段。中國(guó)衛(wèi)通集團(tuán)與電信運(yùn)營(yíng)商已合作開展衛(wèi)星和 5G 之間切換技術(shù)的研發(fā)工作。
該領(lǐng)域面臨的主要挑戰(zhàn)包括：切換延遲大、切換策略優(yōu)化、兼容性與標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一等。
2.星上轉(zhuǎn)發(fā)器技術(shù)。星上轉(zhuǎn)發(fā)器是設(shè)置在衛(wèi)星上的信息中繼負(fù)載，其工作模式主要有以下兩種：a). 透明轉(zhuǎn)發(fā)工作模式，轉(zhuǎn)發(fā)器僅當(dāng)作信號(hào)中繼，不進(jìn)行業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)處理。優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)簡(jiǎn)單，成本低；缺點(diǎn)是不支持星間協(xié)作，智能化程度低。b).“再生式”星上轉(zhuǎn)發(fā)工作模式，又稱作基站上星，此模式下轉(zhuǎn)發(fā)器具備數(shù)據(jù)星上處理能力，實(shí)現(xiàn)更智能的路由轉(zhuǎn)發(fā)與業(yè)務(wù)調(diào)度。國(guó)內(nèi)外新興巨型星座大多采用此種工作模式。
當(dāng)前，該領(lǐng)域面臨的主要挑戰(zhàn)包括：小型化設(shè)計(jì)、精確星間指向等。
3. 星間鏈路技術(shù)。星間鏈路技術(shù)是指星間的信息中繼和組網(wǎng)技術(shù)。當(dāng)前激光通信因其高吞吐、高帶寬、強(qiáng)抗干擾、高安全性等優(yōu)點(diǎn)，正成為星間鏈路的主要傳輸方式。
該領(lǐng)域發(fā)展面臨的主要挑戰(zhàn)包括：高動(dòng)態(tài)下對(duì)星捕獲與跟蹤、大容量信息傳輸以及星間網(wǎng)絡(luò)的智能化協(xié)同管理等。
4. 與地面融合技術(shù)。地空深度融合包括地空站資源的開放共享、地基云計(jì)算與天基平臺(tái)的結(jié)合、地面大數(shù)據(jù)與天基監(jiān)測(cè)的協(xié)同應(yīng)用等。SpaceX 已在全球部署了數(shù)百個(gè)地空站負(fù)責(zé)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)的對(duì)接。中國(guó)航天科技集團(tuán)聯(lián)合多家單位共同研發(fā)的“天地一體化衛(wèi)星應(yīng)用云平臺(tái)”，整合了遙感、通信、導(dǎo)航等多種空間信息資源，面向用戶提供空間數(shù)據(jù)服務(wù)。這些都是融合技術(shù)的典型案例。
該領(lǐng)域發(fā)展面臨的主要挑戰(zhàn)包括：管理體制的制約、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的缺失，以及天地協(xié)同機(jī)制建立等。
三、國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈布局及典型企業(yè)
1. 上游：包括空間基礎(chǔ)設(shè)施與載荷研制、地面設(shè)備制造與集成、通訊網(wǎng)絡(luò)建設(shè)與運(yùn)營(yíng)，以及算力與存儲(chǔ)設(shè)備制造與集成。
a.空間基礎(chǔ)設(shè)施與載荷研制：包括衛(wèi)星平臺(tái)的設(shè)計(jì)制造，載荷設(shè)備的研發(fā)生產(chǎn)，以及火箭的設(shè)計(jì)發(fā)射。典型企業(yè)有：航天科技、航天科工等。
b.地面設(shè)備制造與集成：包括地面站的設(shè)計(jì)制造，以及終端設(shè)備的研制與系統(tǒng)集成。典型企業(yè)有：中國(guó)衛(wèi)通、海格通信等。
c.通訊網(wǎng)絡(luò)建設(shè)與運(yùn)營(yíng)：包括地面網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)與運(yùn)營(yíng)。典型企業(yè)有：三大運(yùn)營(yíng)商、中國(guó)廣電等。
d.算力與存儲(chǔ)設(shè)備制造與服務(wù)：包括算力與存儲(chǔ)設(shè)備研制、云計(jì)算平臺(tái)等。典型企業(yè)有：浪潮、中科曙光等。
2.中游：包括衛(wèi)星通信系統(tǒng)建設(shè)與運(yùn)營(yíng)，以及空間數(shù)據(jù)傳輸與處理。
a.衛(wèi)星通信系統(tǒng)建設(shè)與運(yùn)營(yíng)：包括衛(wèi)星星座的設(shè)計(jì)和發(fā)射計(jì)劃制定，以及通信系統(tǒng)的建設(shè)與運(yùn)營(yíng)。典型企業(yè)有：中國(guó)衛(wèi)通、中電科等。
b.空間數(shù)據(jù)傳輸與處理：構(gòu)建時(shí)空大數(shù)據(jù)，提供數(shù)據(jù)服務(wù)和應(yīng)用落地。典型企業(yè)有：中國(guó)資源衛(wèi)星應(yīng)用中心、中國(guó)空間等。
3. 下游：主要包括空間信息服務(wù)和產(chǎn)品化應(yīng)用。
a.衛(wèi)星導(dǎo)航：用于交通運(yùn)輸領(lǐng)域的精準(zhǔn)導(dǎo)航、無(wú)人駕駛等場(chǎng)景?？仗斓匾惑w化下，可以大幅提升定位精度與覆蓋范圍，同時(shí)導(dǎo)航與通信的有機(jī)組合，增強(qiáng)了導(dǎo)航體驗(yàn)。典型企業(yè)有：北斗導(dǎo)航、百度地圖等。
b.衛(wèi)星通信：用于陸?？樟Ⅲw綜合通信保障、應(yīng)急救援、通信廣播等場(chǎng)景。空天地一體化下，將實(shí)現(xiàn)空地資源統(tǒng)一調(diào)度，支持移動(dòng)性和業(yè)務(wù)多樣性。典型企業(yè)有：中國(guó)衛(wèi)通、航天云網(wǎng)等。
c.遙感監(jiān)測(cè)：用于城市規(guī)劃、環(huán)境監(jiān)測(cè)、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)等場(chǎng)景。空天地一體化網(wǎng)絡(luò)將顯著提升監(jiān)測(cè)精度、密度、覆蓋范圍，大幅拓展應(yīng)用場(chǎng)景和經(jīng)濟(jì)效益。典型企業(yè)有：北斗云網(wǎng)、綠城智谷等。
面向萬(wàn)物互聯(lián)的大時(shí)代，天地資源的深度融合與協(xié)同應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)泛在智能連接的關(guān)鍵所在?？仗斓匾惑w化網(wǎng)絡(luò)充分利用天基高清視野與地面高密接入的優(yōu)勢(shì)，構(gòu)建起實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、按需分配的新型通信體系，是實(shí)現(xiàn)海量異構(gòu)終端可靠鏈接的基石。空天地一體化市場(chǎng)已經(jīng)成為一個(gè)充滿創(chuàng)新與機(jī)遇的領(lǐng)域，未來(lái)必將釋放巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。
