空間資源科學(xué)利用已成為全球需要共同面對的新問題
自1957年前蘇聯(lián)發(fā)射第一顆人造地球衛(wèi)星，人類開啟了太空競爭時代，空間軌道資源成為世界各國重要的戰(zhàn)略資源。人類對空間軌道資源的競爭首先發(fā)生在距地球約36000公里的同步軌道(GEO)上[1]，歐美等國家在GEO部署了大量的通信、氣象和軍事衛(wèi)星，占據(jù)了絕大部分的GEO資源。新一輪的太空競賽始于銥星系統(tǒng)，在美國SpaceX等公司掀起的低軌道(LEO)巨星座浪潮中不斷被推向高峰。截至2024年10月7日，SpaceX的“星鏈”系統(tǒng)在軌衛(wèi)星共發(fā)射衛(wèi)星超過7000顆[2]，雖然已有超過2 000顆衛(wèi)星失效或墜毀，但在低軌道空間資源的奪占中對世界其他國家形成了壓倒性優(yōu)勢。
空間軌道資源并沒有想象的那么多，相反是非常有限的。由于空間軌道和衛(wèi)星頻率是綁定使用的關(guān)系，衛(wèi)星高速運行在相同或不同的空間軌道上，同時受到軌道保護間隔及頻率干擾保護的約束，空間軌道頻率資源的利用率通常很受限制。在1000公里以下的低地球軌道空間，目前已公布的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座計劃的衛(wèi)星總數(shù)已超過十萬顆，與地球表面可布設(shè)的千萬乃至數(shù)億以上基礎(chǔ)設(shè)施(如移動通信基站)數(shù)量相比，雖然不在一個數(shù)量級，但是受衛(wèi)星天線口徑和衛(wèi)星軌道控制能力等約束，可以容納的星座系統(tǒng)數(shù)量仍是很有限的。在距離地球1000公里以上的中高軌道乃至深空空間，受運載能力和空間轉(zhuǎn)移能力等約束，空間軌道資源的開發(fā)利用也是非常受限的。
對空間軌道資源的科學(xué)利用應(yīng)得到充分的重視。當(dāng)前，國際上已有多個“萬星”巨星座計劃，對空間軌道(特別是LEO)資源的搶占愈演愈烈。無序搶占導(dǎo)致盲目追求系統(tǒng)規(guī)模，缺乏對軌道頻率資源的秩序化管理、調(diào)控，導(dǎo)致頻譜沖突愈演愈烈，寶貴的空間軌道資源被過度消費，嚴(yán)重制約空間軌道資源利用的可持續(xù)發(fā)展，空間飛行物體碰撞的風(fēng)險急劇增加，對空間環(huán)境、地球生態(tài)也將產(chǎn)生不可估量的影響。對空間軌道資源的科學(xué)利用需要跳出簡單的“規(guī)模換能力”的思維模式，探索構(gòu)建衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的新范式。通常，通信衛(wèi)星星座通過“服務(wù)區(qū)拼接、接續(xù)服務(wù)”的“平鋪式”方式，形成全球均勻連續(xù)時間覆蓋。由于業(yè)務(wù)需求分布不均，這種模式不可避免帶來較大的資源浪費。隨著星座系統(tǒng)規(guī)模不斷增大，不同星座系統(tǒng)之間、斷增高，星座安全管控的難度加大，空間資源的利用效率不斷降低，反過來進一步加劇對空間資源的搶占。為此，如何建立空間軌道資源協(xié)同利用的秩序性，實現(xiàn)空間軌道頻率資源的有序管理、高效利用，成為亟待解決的關(guān)鍵問題。
智慧天網(wǎng)探索空間資源利用新范式
秩序出效率 。通信領(lǐng)域一個經(jīng)典案例是時隙ALOHA比純ALOHA理論上效率高一倍[3]，即按照時間對齊的方式秩序利用資源就可以大幅度提高利用率。為探索空間資源高效利用的新范式，清華大學(xué)的青年學(xué)者團隊通過有組織地科研，參考經(jīng)典物理與現(xiàn)代物理中對結(jié)構(gòu)、秩序的探究，在軌道、時間、空間、頻率等維度上構(gòu)建空間軌道頻率資源秩序利用準(zhǔn)則，發(fā)明了泛同步軌道按需覆蓋星座設(shè)計方法。
眾所周知，宇宙億萬年演化形成恒星、行星及衛(wèi)星有秩序的運行，在空間和時間維度上呈現(xiàn)出顯著的穩(wěn)定性。在空間上，同一星系內(nèi)恒星、行星等天體的運行軌道平面一般非常接近；在時間上，部分天體的公轉(zhuǎn)存在軌道共振現(xiàn)象[4](公轉(zhuǎn)周期為簡單分?jǐn)?shù)比)。受此啟發(fā)，面向空間頻率軌道資源的秩序化利用，在空間維度上，泛同步軌道形成地球坐標(biāo)系下穩(wěn)定不變的衛(wèi)星空間軌跡；在時間維度上，各軌道周期與地球自轉(zhuǎn)周期具有固定比例關(guān)系，從而可形成時空周期有序的結(jié)構(gòu)，具有節(jié)律性。這種軌道的節(jié)律性為在時間、空間、頻率等維度上構(gòu)建空間軌道頻率資源秩序利用奠定了關(guān)鍵基礎(chǔ)，可以最大程度地緩解不同星座間、星座內(nèi)的資源沖突，有助于降低星座系統(tǒng)建設(shè)及管控的復(fù)雜度，也有助于多運營商衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的共享、共建和可持續(xù)發(fā)展。
基于泛同步軌道星座設(shè)計方法，清華大學(xué)團隊進一步創(chuàng)新設(shè)計了智慧天網(wǎng)寬帶通信(底座)系統(tǒng)，以8顆部署于中軌泛同步軌道(約2萬公里高度)的寬帶通信網(wǎng)絡(luò)衛(wèi)星為一組，覆蓋全球，并可按需擴展為16星、32星，乃至144星及更多衛(wèi)星的多重覆蓋網(wǎng)絡(luò)，規(guī)模彈性，支持與同步軌道衛(wèi)星頻率共存、與低軌道衛(wèi)星星座協(xié)同發(fā)展。智慧天網(wǎng)將實驗驗證非靜止軌道空間資源利用的新模式，突破空間頻率軌道資源科學(xué)利用關(guān)鍵技術(shù)，支撐形成“結(jié)構(gòu)化定義、秩序化管控”的空間資源開發(fā)利用新方法，探索太空多系統(tǒng)共享共建和可持續(xù)發(fā)展的新路徑。
智慧天網(wǎng)還從按需覆蓋與天基交換兩方面重點開拓創(chuàng)新，顯著提高空間網(wǎng)絡(luò)通信的效率。首先，發(fā)展了基于星載相控陣技術(shù)的跳波束通信體制，構(gòu)建衛(wèi)星動態(tài)按需覆蓋通信新模式。傳統(tǒng)的空間網(wǎng)絡(luò)覆蓋通常是基于全景波束或固定點波束的預(yù)定式覆蓋，波束自由度被束縛在一維空間，資源利用模式單一，難以匹配廣域覆蓋場景下用戶的復(fù)雜多樣性通信需求，覆蓋效率難以從根本上得到提升。智慧天網(wǎng)通過擴展衛(wèi)星通信波束的大小(陣元變化)、強度(功率分級)、數(shù)量(同時多波束)、空間(靈活指向)、時隙(覆蓋分時)等自由度，以及衛(wèi)星和地面控制的精細化匹配，充分利用衛(wèi)星通信波束對用戶服務(wù)過程中的位置特征等先驗信息，有效解決衛(wèi)星通信長期以來面臨的覆蓋廣度與覆蓋強度之間的突出矛盾，從而提高衛(wèi)星通信的效率。
其次，智慧天網(wǎng)構(gòu)建了一種星載確定性網(wǎng)絡(luò)交換新體制，服務(wù)于多樣化業(yè)務(wù)需求。隨著用戶業(yè)務(wù)種類的不斷增加，接入網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)流量將呈現(xiàn)多優(yōu)先等級并伴隨較高的并發(fā)性與突發(fā)性，加之復(fù)雜的傳播環(huán)境、動態(tài)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、時變的資源狀態(tài)，空間網(wǎng)絡(luò)通信的信息傳播/交換過程具有顯著的動態(tài)復(fù)雜性。傳統(tǒng)的星載交換技術(shù)與用戶體制綁定，“一體制一交換”的盡力而為模式難以滿足“準(zhǔn)時、準(zhǔn)確、按需”的確定性轉(zhuǎn)發(fā)需求。智慧天網(wǎng)在創(chuàng)新實踐中開展了確定性星載交換技術(shù)的研究，研制了星載確定性網(wǎng)絡(luò)軟定義交換機，充分利用有限的星載交換資源，有效解決交換粒度多樣與交換資源受限之間的矛盾，使得大容量交換與協(xié)議體制解耦，在星上資源受限條件下可實現(xiàn)多種體制信息的統(tǒng)一交換，并克服衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)對海外信關(guān)站的依賴。
多年攻關(guān)——智慧天網(wǎng)創(chuàng)新發(fā)展
2016年，清華大學(xué)研究團隊在多年衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)通信的研究基礎(chǔ)上，設(shè)計形成智慧天網(wǎng)創(chuàng)新方案。2018年，上海市政府出資設(shè)立“智慧天網(wǎng)創(chuàng)新工程”重大科技專項，由清華大學(xué)牽頭，與上海航天局共同組織實施智慧天網(wǎng)首星及配測星的研制和技術(shù)驗證試驗。2020年，智慧天網(wǎng)創(chuàng)新工程納入上海衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)“新基建”建設(shè)行動方案，旨在為我國衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)新基建發(fā)展提供重要參考和借鑒。
2024年5月9日，我國第一顆中軌道寬帶通信衛(wèi)星，也是國際上第一顆中軌道天基網(wǎng)絡(luò)衛(wèi)星——智慧天網(wǎng)一號01星，由長征三號乙運載火箭在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空。隨后，衛(wèi)星順利進入預(yù)定中軌泛同步軌道并建立在軌試驗構(gòu)型。目前，試驗團隊已完成了星地微波通信組網(wǎng)、星間激光通信組網(wǎng)等多項技術(shù)試驗，在軌試驗星間激光鏈路實現(xiàn)了10Gb/s連續(xù)48小時穩(wěn)定相干通信(誤碼率優(yōu)于1×10-7)，星地微波鏈路最高測試速率突破2Gb/s。
未來展望
空間軌道資源是衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)建設(shè)與運行的核心基礎(chǔ)，是國家安全、經(jīng)濟發(fā)展和科學(xué)探索重要的戰(zhàn)略資源。隨著全球衛(wèi)星星座建設(shè)的快速發(fā)展，空間軌道頻率資源利用的沖突將不可避免，也不可忽視，空間資源科學(xué)利用已成為需要全球共同面對的新問題。智慧天網(wǎng)創(chuàng)新工程肩負(fù)突破空間頻率軌道資源科學(xué)利用關(guān)鍵技術(shù)、發(fā)展新型的天基網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)及裝備、探索空間多系統(tǒng)共享共建和可持續(xù)發(fā)展新路徑等重要任務(wù)。下一步，為賦能衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)及天地一體網(wǎng)絡(luò)通信發(fā)展，清華大學(xué)及其聯(lián)合團隊將持續(xù)推動智慧天網(wǎng)的創(chuàng)新研究及關(guān)鍵技術(shù)成果轉(zhuǎn)化應(yīng)用，重點開展以下三方面工作。
一是研究挖掘新的空間資源的新方法。首先，著力開發(fā)新的空間頻率軌道資源的利用技術(shù)，包括新頻段的開發(fā)和既有頻段重耕、頻譜動態(tài)感知、空間物體感知、軌道精確控制等。其次，發(fā)展抗強輻射材料、器件部件以及高可靠系統(tǒng)設(shè)計等關(guān)鍵技術(shù)，增強系統(tǒng)在強輻射帶和穿越輻射帶等惡劣環(huán)境下生存及穩(wěn)定運行的能力。再次，研究低成本、高效率的空間轉(zhuǎn)移新技術(shù)，發(fā)展高性價比新型空間運輸系統(tǒng)技術(shù)。
二是持續(xù)發(fā)展空間資源科學(xué)利用的新模式。研究從地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)向空間立體“蜂房”網(wǎng)絡(luò)跨越的基礎(chǔ)技術(shù)，進一步開展時、空、頻、軌等多維資源正交化劃分及利用的方法研究，發(fā)展不同軌道、不同星座之間資源的高效協(xié)同利用策略。
三是持續(xù)加強衛(wèi)星通信領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。在物理層技術(shù)方面，開展大口徑靈活相控天線、遠距離高速率激光通信、高功率效率光源/微波組件、高能效模數(shù)轉(zhuǎn)換和計算芯片、高精度時空基準(zhǔn)獲取維持和傳遞、低開銷極限條件通信技術(shù)等研究，迅速形成空間高速骨干互聯(lián)和隨遇靈活接入的通信底座核心技術(shù)群；在網(wǎng)絡(luò)層技術(shù)方面，構(gòu)建智能樞紐中繼節(jié)點，按需形成用戶集群，打造多層次、分布式、自組織的結(jié)構(gòu)化衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，突破云、邊、端一體化網(wǎng)絡(luò)協(xié)議架構(gòu)設(shè)計和智慧內(nèi)生算網(wǎng)融合架構(gòu)設(shè)計技術(shù)，為滿足遠海、遠域通信機動組網(wǎng)和邊緣計算應(yīng)用等需求奠定基礎(chǔ)。
參考文獻
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