巨型星座將不再是曲高和寡、

高高在上的科研項(xiàng)目，

它將走入大眾的生活中，

成為日常消費(fèi)品。

大家好，我是田豐，來自中國(guó)科學(xué)院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院。今天我的分享是《讓互聯(lián)網(wǎng)無處不在》。

大家看到這個(gè)題目可能覺得奇怪，現(xiàn)在的互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)融入到了我們每個(gè)人的生活中了?。繛槭裁催€要說讓互聯(lián)網(wǎng)無處不在呢？

其實(shí)，如果我們離開城市、離開人海，去到荒蕪人煙的地方，就會(huì)發(fā)現(xiàn)在那里沒有網(wǎng)絡(luò)是一件很正常的事情，更別說去到極地、荒漠等一些更遠(yuǎn)的地方了，網(wǎng)絡(luò)根本覆蓋不到那里。

目前，我們地面網(wǎng)絡(luò)只覆蓋了全球大概10%的面積。而根據(jù)國(guó)際電信聯(lián)盟統(tǒng)計(jì)，全球還有30億人口仍未接入互聯(lián)網(wǎng)，沒辦法享受互聯(lián)網(wǎng)普惠的業(yè)務(wù)，他們主要來自發(fā)展中國(guó)家。但互聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)主旨思想就是——讓世界變得更公平。

還有，當(dāng)我們離地球表面超過1000米的時(shí)候，地面基站就很難把信號(hào)傳到這么高的位置上了。比如我們坐飛機(jī)的時(shí)候，每次都會(huì)感覺自己有幾個(gè)小時(shí)和世界斷聯(lián)了，沒有任何信號(hào)。現(xiàn)在雖然有的大型飛機(jī)上有網(wǎng)絡(luò)，但那些大部分還是局域網(wǎng)，而不是真正的互聯(lián)網(wǎng)。

斷網(wǎng)的感覺非常不好，有時(shí)候人們?yōu)榱松暇W(wǎng)甚至?xí)龀鲆恍┓艘乃嫉男袨?。比?020年8月15日，有一艘日本的油輪運(yùn)行到印度洋島國(guó)毛里求斯的時(shí)候突然擱淺了，造成了大范圍的原油污染。究其原因，其實(shí)是船上有船員想去“蹭網(wǎng)”，所以把船開得離岸非常近。當(dāng)時(shí)正好是一個(gè)霧天，所以就擱淺了。大家想想，如果有更便宜、更方便的網(wǎng)絡(luò)，這種事情還會(huì)發(fā)生嗎？

那我們?cè)趺床拍茏尰ヂ?lián)網(wǎng)無處不在呢？如果只是讓運(yùn)營(yíng)商去全球各個(gè)地方建站，顯然是不可能的。比如在海上，就沒有辦法去建鐵塔建基站。所以我們有一個(gè)很直接的想法，就是把通信設(shè)備放在衛(wèi)星上，打到天上，通過衛(wèi)星通信給地面和空中提供網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋.

其實(shí)，衛(wèi)星通信在很早的時(shí)候就有了，但是大眾一直沒有享受到衛(wèi)星通信帶來的服務(wù)。原因是什么呢？

因?yàn)槲覀冊(cè)瓉淼男l(wèi)星通信主要靠的是高軌的同步衛(wèi)星，這種高軌衛(wèi)星的信號(hào)很容易被大樹和高樓遮擋。另外，高軌衛(wèi)星運(yùn)行在赤道上空36000公里的地方，比如我們國(guó)家位于北半球，在一些山的北面衛(wèi)星信號(hào)就非常弱，這就是高軌通信的北坡效應(yīng)。同時(shí)，高軌衛(wèi)星的帶寬也比較窄，所以用高軌衛(wèi)星提供商業(yè)化的互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)比較難落地實(shí)現(xiàn)。?

從理論上講，有一個(gè)比較可行的辦法就是，在靠近地球的低軌道處，也就是在大概在離地球表面300-1200公里的地方去構(gòu)建巨型低軌通信衛(wèi)星星座。這張星座里有數(shù)千甚至上萬顆衛(wèi)星，信號(hào)無縫覆蓋全球，不會(huì)再有南坡或者北坡效應(yīng)的問題。

因此，我們希望通過衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)來讓網(wǎng)絡(luò)無處不在。

異想天開還是未來趨勢(shì)？已完成：20%?//////////

2014年，我還在上海交通大學(xué)讀博士的時(shí)候，就有幸參與了國(guó)家自然基金重大研究計(jì)劃“空間信息網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)”，這個(gè)課題主要就是研究衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的一些基礎(chǔ)理論和一些體系架構(gòu)的知識(shí)。?2017年博士畢業(yè)之后，我進(jìn)入了中國(guó)科學(xué)院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院。當(dāng)時(shí)我信心滿滿，想把學(xué)到的知識(shí)用到衛(wèi)星上。但那個(gè)時(shí)候，我們國(guó)家的衛(wèi)星包括國(guó)際上的衛(wèi)星主要還是單星作業(yè)，多星組網(wǎng)并非主流的發(fā)展方向。?

工作后我參與的第一個(gè)項(xiàng)目其實(shí)不是通信星座，而是對(duì)地遙感星座。我加入了“遙感三十號(hào)”衛(wèi)星團(tuán)隊(duì)，大家可能沒有聽說過我們這個(gè)團(tuán)隊(duì)，也對(duì)“遙感三十號(hào)”知之甚少，為什么呢？因?yàn)槲覀兤鋵?shí)是一個(gè)“三無”團(tuán)隊(duì)。

這個(gè)“三無”不是說我們的商品沒有保障、沒有服務(wù)、沒有售后，而是無私奉獻(xiàn)、無名英雄、無上光榮。

我今天沒法講這個(gè)工作的具體內(nèi)容，但是通過參與到這個(gè)團(tuán)隊(duì)里，我知道了一顆衛(wèi)星從設(shè)計(jì)、到集成、再到測(cè)試、最終發(fā)上天的每一步是怎么走的。也因?yàn)閰⒓恿诉@個(gè)項(xiàng)目，我從一個(gè)學(xué)生變成了一個(gè)航天工作者，對(duì)航天精神和航天人的理解也更具像化了。同時(shí)我還感覺到，基礎(chǔ)理論和工程應(yīng)用之間還是有一段距離的。如果想把自己的研究成果應(yīng)用到工程上，還有很多的路要走。?

說到衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)，我們就不得不提到馬斯克。馬斯克在2015年提出了“星鏈”計(jì)劃，當(dāng)時(shí)就提出要用4萬多顆衛(wèi)星覆蓋整個(gè)地球，為全球提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。但是大家都覺得這個(gè)想法太超乎現(xiàn)實(shí)了，因?yàn)樵?015年，全球在太空運(yùn)行的航天器總量只有1300多個(gè)。

而且航天器的造價(jià)非常高。一個(gè)500公斤左右的衛(wèi)星造價(jià)就是幾千萬人民幣，也就是1000萬美元左右。發(fā)射成本也很高，和衛(wèi)星成本基本上是1∶1的。除此之外，它的生產(chǎn)周期也很長(zhǎng)，一顆衛(wèi)星的生產(chǎn)周期最快要幾個(gè)月，慢的話大概要一年甚至是好幾年。

在全球只有1300多顆衛(wèi)星，同時(shí)衛(wèi)星的制造成本和時(shí)間成本都這么高的情況下，很多人都覺得幾萬顆衛(wèi)星是一個(gè)不靠譜的想法。但是，因?yàn)槲乙恢笔菍W(xué)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)通信的，從技術(shù)層面上講，我覺得用衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)去給全球提供互聯(lián)網(wǎng)，肯定是中國(guó)航天乃至國(guó)際航天發(fā)展的一個(gè)大趨勢(shì)。

?果然，從2019年發(fā)射了第一組衛(wèi)星“一箭60星”，到2024年4月為止，馬斯克的“星鏈”（StarLink）在軌衛(wèi)星已經(jīng)有6800多顆了。而且它的迭代速度非?？?，從2019年到2024年差不多5年之內(nèi)，它已經(jīng)迭代了五六個(gè)版本，從0.9版本到了現(xiàn)在2.0的mini版本。更重要的是，它已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了全球230萬個(gè)衛(wèi)星終端，開始去盈利了，實(shí)現(xiàn)了收支平衡。除民用之外，眾所眾知，星鏈也有重要的軍用潛力，比如在烏克蘭沖突上也發(fā)揮了很重要的作用。

先從試驗(yàn)衛(wèi)星開始已完成：40%?//////////

因此，我們國(guó)家從2017年開始，也慢慢嘗試著去建設(shè)我們自己的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)。我們中國(guó)科學(xué)院和上海市科委聯(lián)合投資的低軌試驗(yàn)衛(wèi)星就是做這個(gè)的。

低軌試驗(yàn)衛(wèi)星主要是試驗(yàn)什么呢？巨型衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)其實(shí)和地面互聯(lián)網(wǎng)之間有一個(gè)重要的區(qū)別，就是它的系統(tǒng)架構(gòu)和地面的互聯(lián)網(wǎng)是不一樣的。

地面的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)有很多種基站，有5G基站、4G基站，有大的基站，也有我們室內(nèi)毫米波的小基站，還有Wi-Fi熱點(diǎn)。但是這些基站有一個(gè)共性——它們都是固定在一個(gè)地方的。用戶無論是用電腦、用手機(jī)還是其他設(shè)備終端，它們之間的運(yùn)動(dòng)速度相對(duì)來說都比較小，基本上很長(zhǎng)時(shí)間都是連著同一個(gè)基站的。即使運(yùn)動(dòng)那也是因?yàn)槲覀內(nèi)藙?dòng)了，才帶來了基站的切換，切換規(guī)模總體上比較小。

但是低軌衛(wèi)星不一樣。假如低軌衛(wèi)星的軌道高度是1000公里，它的運(yùn)行速度就會(huì)達(dá)到每秒7公里左右?；疽矔?huì)隨著衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)，這也就意味著通信的時(shí)候，如果過頂?shù)男l(wèi)星超出視距，就沒辦法通信了，需要經(jīng)常切換。衛(wèi)星在經(jīng)過正頭頂?shù)臅r(shí)候通信時(shí)間會(huì)長(zhǎng)一些，能達(dá)到11-12分鐘，其他情況下的通信時(shí)間會(huì)更短，總的來看一顆衛(wèi)星持續(xù)通信的時(shí)間可能只有6-12分鐘。?

那么，如何解決這種衛(wèi)星快速運(yùn)動(dòng)帶來的大規(guī)模的終端切換呢？這種情況下就需要用多星多波束協(xié)同接力通信。以圖中為例，隨著衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)，這顆紫色的衛(wèi)星馬上就會(huì)切換到這顆綠色的衛(wèi)星的位置，代替它去覆蓋它的用戶。也就是說每顆衛(wèi)星都有點(diǎn)波束去對(duì)終端進(jìn)行接力式服務(wù)，同時(shí)衛(wèi)星之間也需要開展通信，保證服務(wù)不中斷。

這是我們發(fā)射的兩顆試驗(yàn)衛(wèi)星，主要用來驗(yàn)證我們的系統(tǒng)架構(gòu)以及星間鏈路的通信。這顆衛(wèi)星搭載了我們跳波束通信載荷，單顆衛(wèi)星可以通過波束的捷變?nèi)槎鄠€(gè)終端服務(wù)。同時(shí)，兩顆衛(wèi)星之間又有星間的激光鏈路，這也是我們國(guó)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)雙星在軌和地面10Gbps組網(wǎng)的驗(yàn)證。

之所以選用點(diǎn)波束，是因?yàn)樗牟ㄊ念l段非常高，是20GHz左右。它的雨衰（無線電波進(jìn)入雨層中引起的衰減）也非常大。如果我們用一個(gè)很寬的波束，它的衰減會(huì)更大，傳輸速率就比較低。我們把能量聚焦到一個(gè)點(diǎn)波束，就能提升它的服務(wù)需求。當(dāng)然，說是點(diǎn)波束，在地球上的覆蓋范圍依然很大，有大概100公里左右，足以覆蓋北京市或者上海市這么大的范圍。

衛(wèi)星打上去之后就需要去測(cè)試，當(dāng)時(shí)我們開始測(cè)試的時(shí)候正好是8月份。上海的8月份非常炎熱，而且還很悶，正好還是放高溫假的時(shí)候，我們就一起跑到單位的樓頂做測(cè)試。
測(cè)試的時(shí)候，因?yàn)樾l(wèi)星的軌道高度低，運(yùn)動(dòng)速度快，所以過境時(shí)間很短，不是每天每時(shí)每刻都能在我們頭頂上。有時(shí)候在中午的12點(diǎn)過境，有時(shí)候在晚上的12點(diǎn)，一天過境3-6次。這就需要我們拋開自己的作息時(shí)間，完全去跟著衛(wèi)星轉(zhuǎn)。
整個(gè)高溫假結(jié)束之后我發(fā)現(xiàn)，雖然我們并沒有出去旅游，但是皮膚比出去旅游的同事曬得還黑，連頭頂都曬黑了。但是測(cè)通之后，我們還是很有成就感的。

突破衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)已完成：60%?//////////

可是，雖然這兩顆衛(wèi)星已經(jīng)能夠通信了，但是還遠(yuǎn)遠(yuǎn)做不到商業(yè)化。因?yàn)槿魏我粋€(gè)用戶都不希望自己在接入互聯(lián)網(wǎng)后只通信個(gè)幾分鐘就斷了，然后等待很長(zhǎng)時(shí)間再通信幾分鐘再斷掉。這樣的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)是推廣不開的，所以我們要建設(shè)一個(gè)巨型的星座。

建設(shè)巨型星座和我們傳統(tǒng)的衛(wèi)星星座是不一樣的，它的規(guī)模是原來幾顆星的星座的好幾萬倍。因此，我們不能用傳統(tǒng)的衛(wèi)星制造模式，讓總體單位和外協(xié)單位共同去做。我們必須把從頂層的系統(tǒng)設(shè)計(jì)到底層的核心網(wǎng)絡(luò)單機(jī)全部打通，這樣才能把系統(tǒng)做到最優(yōu)，把單機(jī)成本做到最優(yōu)。以此來支撐后續(xù)一年發(fā)射幾百顆最終達(dá)到幾千顆、上萬顆衛(wèi)星的在軌驗(yàn)證。只有這樣，才能把這個(gè)巨型星座做起來，使它不再是曲高和寡、高高在上的科研項(xiàng)目，而將走入大眾的生活中成為日常消費(fèi)品。

于是，我就從原來的系統(tǒng)架構(gòu)轉(zhuǎn)而研制底層的空間網(wǎng)絡(luò)單機(jī)。其中研制的第一個(gè)單機(jī)就是路由器。

路由器分為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)面和控制處理面兩部分。地面路由器的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)面所用的芯片已經(jīng)商業(yè)化了，但是這些商業(yè)化的芯片卻不能直接用在天上，因?yàn)樘焐嫌泻芏嗖淮_定的環(huán)境。
而且還有很多單粒子，這些高能粒子打進(jìn)來之后會(huì)把我們的邏輯芯片打反轉(zhuǎn)。邏輯芯片里儲(chǔ)存的都是0和1，它會(huì)把1打成0，把0打成1，造成單粒子反轉(zhuǎn)。所以我們很難簡(jiǎn)單地用商業(yè)化的芯片去搭建空中路由器的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)面。

控制處理面相對(duì)來說要簡(jiǎn)單一些。因?yàn)榭刂泼娴臄?shù)據(jù)速率并不高。那么我們就可以用FPGA（Field Programmable Gate Array，現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列）去做一些宇航防護(hù)、三模冗余，開發(fā)我們空中路由器的數(shù)據(jù)面。

在開發(fā)過程中，交換速率和交換端口是首先要解決的問題。因?yàn)樾情g通信速率是10G，如果有4個(gè)端口的話，就能進(jìn)40G、出40G，通信速率達(dá)到80G。因此，我們就用了交換矩陣的思想，在衛(wèi)星上搭了一個(gè)高速交換、支持多個(gè)端口、多檔速率的交換架構(gòu)，來解決交換速率的問題。

第二個(gè)就是路由器和路由器之間需要連通。地面的網(wǎng)絡(luò)一般都是用光纖連通，但在衛(wèi)星上很難用光纖，因?yàn)樵谔绽饫w肯定是不現(xiàn)實(shí)的。于是，我們就使用了星間激光通信，也就是用激光鏈路來組網(wǎng)通信的方式。

我們的試驗(yàn)衛(wèi)星上就有星間的激光通信，在軌也驗(yàn)證這種通信成功了。但是同時(shí)，我們也發(fā)現(xiàn)了很多問題，比如太陽光干擾。我們的激光通信用的是850納米波長(zhǎng)的光，但是太陽光是全頻段的，它打到激光器的接收端之后會(huì)干擾我們，這個(gè)叫日凌干擾。還有就是單粒子的干擾，以及負(fù)載突然加上來之后也會(huì)對(duì)激光終端產(chǎn)生影響。

在不穩(wěn)定的鏈路中，我們要把網(wǎng)絡(luò)做成可用的，就得結(jié)合激光終端和路由器，把它們聯(lián)合起來做優(yōu)化。這就要求我們不但有系統(tǒng)設(shè)計(jì)，還要有底層的、核心的空間網(wǎng)絡(luò)單機(jī)。無論是軟件、代碼還是硬件的架構(gòu)，這些東西我們都要設(shè)計(jì)出來，才能讓它真正落地。

用互聯(lián)網(wǎng)的思維做衛(wèi)星已完成：80%?//////////

巨型星座的規(guī)模非常大，傳統(tǒng)的這種花好長(zhǎng)時(shí)間好多錢去做一顆衛(wèi)星的思路肯定是不行的，我們要用低成本但是高可靠的空間網(wǎng)絡(luò)單機(jī)去搭建我們的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)。

那我們?cè)趺慈プ鲵?yàn)證呢？航天跟地面有一個(gè)很不一樣的地方，就是它一定要在軌驗(yàn)證。我們也是借鑒了互聯(lián)網(wǎng)的思維，快速迭代、快速驗(yàn)證、快速型譜化。馬斯克現(xiàn)在就是這樣做的。?

于是我們中國(guó)科學(xué)院就創(chuàng)立了創(chuàng)新X系列衛(wèi)星，它沒有明確地說要在軌完成某一個(gè)特定的任務(wù)，而是大家眾籌起來的。比如“創(chuàng)新X-01星”搭載了十幾個(gè)載荷，這些載荷來自我們中國(guó)科學(xué)院和多家高校單位。后續(xù)我們還會(huì)形成航班化發(fā)射，一年7顆衛(wèi)星，每顆衛(wèi)星上搭載二十幾個(gè)載荷，形成低成本空間試驗(yàn)的新范式。也歡迎有需求的單位跟我們多聯(lián)系，把新技術(shù)通過這個(gè)平臺(tái)發(fā)射上去。

需要說明的是，搭載“創(chuàng)新X-01星”的火箭是“力箭一號(hào)”。“力箭一號(hào)”是我們中國(guó)科學(xué)院自己研制的火箭，現(xiàn)在的生產(chǎn)力也能支撐航班化發(fā)射的計(jì)劃。

當(dāng)然，衛(wèi)星的迭代速度會(huì)越來越快。如果在軌驗(yàn)證的速度還是不能滿足，那我們的迭代速度還能怎么突破呢？

我們成立了衛(wèi)星數(shù)字化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，搭建了數(shù)字孿生衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。

在數(shù)字孿生衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)里面，衛(wèi)星的運(yùn)行、功能、性能以及運(yùn)行環(huán)境和真實(shí)的衛(wèi)星是一模一樣的。我們可以通過采集衛(wèi)星上的一些真實(shí)數(shù)據(jù)，結(jié)合數(shù)字孿生網(wǎng)絡(luò)里豐富的測(cè)試數(shù)據(jù)，來迭代下一代的網(wǎng)絡(luò)、路由器和激光終端，以此加快我們的速度。

最終，我們的空間網(wǎng)絡(luò)設(shè)備將采用模塊化設(shè)計(jì)。每一個(gè)單板都會(huì)形成路由、存儲(chǔ)、星間通信、星地通信等各個(gè)功能?？梢愿鶕?jù)不同型號(hào)的需求加快迭代，來做到系統(tǒng)的最優(yōu)。
同時(shí)，我們也建立了批生產(chǎn)產(chǎn)線，包括貼片、自動(dòng)化測(cè)試和集加工等等，實(shí)現(xiàn)了空間網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的批量化生產(chǎn)。在單機(jī)批量化生產(chǎn)之后，后續(xù)整機(jī)的組裝也會(huì)做到批量化。

現(xiàn)在，中國(guó)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為蓄勢(shì)待發(fā)。我相信在未來它會(huì)帶動(dòng)、輻射很多產(chǎn)業(yè)的協(xié)同發(fā)展，比如遠(yuǎn)洋旅游、遠(yuǎn)洋貨輪、飛機(jī)互聯(lián)網(wǎng)等都會(huì)跟衛(wèi)星關(guān)聯(lián)。當(dāng)整個(gè)地球的互聯(lián)網(wǎng)全部打通之后，我們的思想就會(huì)達(dá)到更遠(yuǎn)的地方。

?這個(gè)行業(yè)充滿了無限機(jī)遇，期待大家多多關(guān)注。最后打個(gè)廣告，我們中國(guó)科學(xué)院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院目前形成了從系統(tǒng)設(shè)計(jì)到衛(wèi)星集成，再到單機(jī)研制的全流程的創(chuàng)新性平臺(tái)，歡迎大家加入我們，特別是歡迎大家報(bào)考我的研究生，我是田豐。謝謝大家！

文章來源于格致論道講壇，作者田豐