作者:甘晓 来源:中国科学报 发布时间:2023/7/31 8:30:40
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瞄准前沿 构筑信息“天路”

 

编者按

作为国家重要的信息基础设施,空间信息网络以卫星、无人机、飞艇等天基平台或临近空间平台为主要载体,通过将各类空间平台和地面网络一体化互联,实现海量数据的采集、传输和处理等功能。

2013年,国家自然科学基金重大研究计划“空间信息网络基础理论与关键技术”启动,开展了长达8年的攻坚克难,并完成结束评估。

该重大研究计划全面完成了既定任务,使我国空间信息网络相关领域实现快速发展,研究水平从跟踪并行提高到部分成果跻身世界先进行列。

近年来,把实现手机无线通信的基站搬上天,构筑覆盖全球范围、全天候、全天时的信息“天路”成为世界各国竞相关注的热点。在这一领域,我国科学家超前布局,率先提出通信、遥感、导航三大功能一体化、网络化的大胆设想。

自2013年起,在国家自然科学基金重大研究计划“空间信息网络基础理论与关键技术”的支持下,来自不同学科领域的科学家协同作战,瞄准信息网络学科发展前沿,围绕关键科学问题开展了长达8年的攻坚克难,并完成结束评估。

业内专家认为,在该重大研究计划支持下,科学家们发展出原创的空间网络及空间信息传输处理新理论与新技术,提升了我国空间信息网络发展水平。

超前布局

人们在日常生活中离不开的手机依靠基站接入互联网,基站通过数据高速传输实现各式各样的通信和社交功能。然而,在远洋航行、应急救援、深空探测等特定场景下,由于地面基站不够用,手机无法实现联网。

对此,科学家脑洞大开:把基站搬上天,信息服务能力就能得到极大提高,人就不会失联。20世纪90年代,发达国家相继提出一系列“空间信息网络计划”,尝试开展一些演示验证,主要依靠卫星实现天基网络的通信。

早在2005年前后,中国科学院、中国工程院院士李德仁带领一批专家在国内率先提出通信、遥感、导航三大功能一体化、网络化的设想。

“对于天基网络要传输哪些信息,一开始,专家们的设想不只局限在通信上,还包括多媒体、传感器的信息等。”近日接受采访时,该重大研究计划指导专家组副组长、中国科学院院士龚健雅告诉《中国科学报》,“我国科学家提前洞见了这个领域的技术发展趋势。”

经过长期研讨,科学家们提出了“空间信息网络”的定义。他们认为,空间信息网络是国家重要的信息基础设施,它以卫星、无人机或飞艇等天基平台或临近空间平台为主要载体,通过将各类空间平台和地面网络一体化互联,实现海量数据的采集、传输和处理等功能。

科学家们的共识是,只有从基础研究做起,改变这一领域无普适模型、缺乏理论体系的现状,才有可能真正实现把基站搬上天的大胆设想。“我国也要在空间信息网络领域超前布局,掌握自主可控的核心技术,力争在空间信息网络领域实现技术突破。”龚健雅表示。

2013年,国家自然科学基金委员会启动重大研究计划“空间信息网络基础理论与关键技术”,旨在突破空间信息网络理论与技术的诸多科学难题。酝酿8年、执行8年,共16年时间,该重大研究计划全面完成既定任务,达到预定科学目标,使我国空间信息网络相关领域的研究实现了从跟踪并行到部分成果跻身世界先进行列的快速发展,对此,专家们深感自豪。

成果丰硕

在该重大研究计划实施之初,科学家们群策群力,凝练出三大关键科学问题,即“空间信息网络模型与高效组网机理”“空间动态网络高速传输理论与方法”“空间信息稀疏表征与融合处理”。

这三大关键科学问题紧密相连,具有一脉相承的清晰逻辑关系。简单地说,第一是如何构建动态网络,保证卫星、无人机等空间“基站”之间联通;第二是这些基站之间如何进行高速传输;第三是对于基站获得的大容量遥感数据如何进行智能处理与高倍压缩,以便用户能够实时使用。

在该重大研究计划实施的8年里,来自不同学科的科学家协同作战,围绕上述科学问题进行攻关,取得了丰硕成果。这些成果包括提出动态网络建模和容量计算、空间动态组网机理和协议、网络体系结构和管理控制等理论与技术,空间网络新型编码和调制、空间动态链路的高效传输、空间网络多波束多址接入等理论与技术,在轨空间数据的实时感知认知和智能遥感影像服务的新理论,并应用于我国高分、资源、遥感等三大系列卫星影像处理系统。

在该重大研究计划实施中,学科交叉在科学研究中得到高度重视。龚健雅介绍,主要涉及信息、地球与数理学科的交叉。

例如,在地球与信息学科的交叉中,研究人员将地球科学中的卫星遥感、导航定位等科学技术与信息科学中的动态组网和高速传输等优势相结合,极大提升了地学信息的时效性和气象观测及灾害预测的精确性。

而在数理与信息学科的交叉融合中,研究人员将物理学中的太赫兹高速调制器件设计、太赫兹相位调控与信息学的太赫兹传输理论相结合,使得当时国际最快调制速率提高了1个数量级,在空间太赫兹波透射式相位调控问题上实现了原理性突破。

这些研究成果得到了学界的认可。该重大研究计划实施期间,科学家共发表论文超过3000篇,获得国际相关学术奖23项。

不仅如此,更令科学家们感到欣慰的是,多项基础研究成果“上了天”。“对于通信,因为目前天上没有网络,我们最初的计划只是想提出理论,在地面开展验证。”龚健雅说。随着项目的推进,他们对基于基础研究的解决方案把握越来越大,开始面向全国广泛征求意见,寻找卫星试验的机会。

没想到的是,大名鼎鼎的北斗卫星导航系统抛来橄榄枝。“‘北斗’的专家告诉我们,尽管‘北斗’是导航卫星,但有一些卫星是具有通信功能的,希望采用一些先进的通信技术,便同意我们在‘北斗’上开展试验。我们最终获得成功。”龚健雅表示。

此外,2023年1月发射的“双清一号”科学实验卫星也是计划外的产物。龚健雅介绍,科学家们对遥感影像稀疏表征与融合处理难题的技术突破引起了航天东方红卫星有限公司的兴趣。该公司与其他单位主动提出合作意向,完成卫星的设计、制造和发射。目前,这颗卫星已经作为重大科研基础设施为全国科研单位提供开放式卫星在轨实验验证环境。

项目研究的经历让科学家们坚信,只有基础理论和关键技术足够先进、高效、可靠,应用单位才会敢用、能用并且想用。

组织保障

该重大研究计划实施期间,指导专家组、秘书组与管理工作组互相配合、通力合作,为各个项目取得科学突破提供了坚实的组织保障。

总体而言,指导专家组的工作始终贯彻“两个结合”原则,即“顶层设计的目标导向与科学家自由探索相结合”“遴选新项目与整合集成在研项目相结合”。据悉,指导专家组在项目指南拟制,组织学术交流会、集中研讨、调研等方面开展了大量细致的工作。

龚健雅坦言,指导专家组遇到的一个困难是,在基础研究自由探索的原生文化下,如何进行有组织、有目标的大型研究。对此,他们的解决方案是,从基础理论创新阶段开始,指导专家组就广泛听取各方意见,深入、细致地参与方向布局,发挥好“舵手”的作用。

“在讨论一个支持方向时,我们指导专家组都要邀请相关领域的专家或正在承担课题的科学家一起先开两三天的会,讨论这个课题的现状及将来的发展方向。”龚健雅回忆说,“大家形成一些想法后,由我们指导专家组召开闭门会来决定未来支持的方向,我们会随时监控这些方向进展的状态。”

同时,该重大研究计划还通过年度学术论坛、遥感影像解译大赛、专题组织交流等形式,不断牵引各个课题组围绕既定目标开展工作,把指导专家组的主张、意图传递、贯彻下去,探索国家自然科学基金重大研究计划的研究组织模式。

有了指导专家组的严密部署,科学研究朝着既定目标一步步不断推进。据了解,该重大研究计划的研究历程大致可分为三个阶段:2013—2016年为第一阶段“基础理论创新阶段”,主要任务是围绕三大关键科学问题及时部署目标需求导向研究工作,为后续研究奠定理论基础;2017—2018年为第二阶段“关键技术突破阶段”,通过项目布局建立空间信息网络模型,形成信息传输理论与方法,构建信息表征与处理方法体系,同时突破相关关键技术,形成基本的算法库和仿真测试平台;2019—2021年为第三阶段“集成演示验证阶段”,进一步完善仿真测试平台,完成集成演示验证,重点进行项目和成果的集成升华。

同时,除指导专家组的努力外,一个具有学术认知力和科研组织力的强大秘书组团队也发挥了不可或缺的作用。此外,与指导专家组配合的管理工作组负责对该重大研究计划的实施进行总体审核、协调及组织评估。他们严格按照有关管理规定,对项目资助进行规范操作和管理,真正做到了公正、公平、公开。

面向未来,科学家们信心满满,在基础研究和关键技术已经得到突破的今天,我国已准备好绘就“空间信息网络”蓝图的关键技术,信息“天路”梦想指日可待。

▲重大研究计划实施期间的竞赛颁奖现场。

▲科研人员在青海大柴旦开展在轨卫星、临近空间气球、系留气球、无人机等多类平台协同的天临空地一体空间信息网络快速响应应用试验。

关键技术突破为抢险救灾快速响应提供信息支持

自然灾害是典型突发事件,全面、准确、快速的信息支持是保证抢险救灾处置效率的关键。

在国家自然科学基金重大研究计划“空间信息网络基础理论与关键技术”支持下,科研团队以典型突发事件快速响应为任务背景,开展空间信息网络关键技术综合集成与演示验证。

中国工程院院士、航天遥感领域专家江碧涛介绍,科研人员围绕空间信息网络高效组网、高速传输和融合处理三大关键科学问题,研究了关键技术集成与验证方法,研制或改造了包括平台、载荷以及仿真验证系统在内的核心软硬件设备。

自2017年起,科研团队分阶段在内蒙古、北京、西藏和青海等地开展了演示试验,验证了空间信息网络高效组网、高速传输、融合处理等技术成果,演示了空间信息网络在重大突发事件中的应用效果。

例如,2017年9月,在内蒙古开展的飞行试验中,研究人员首次实现面向突发事件快速响应的卫星和飞艇协同观测,验证了星-地、空-地数据传输链路的可行性,初步建立了空间信息网络快速响应应用流程。

2020年1月,在北京开展的基于系留气球平台的高速激光传输试验初步实现了视频数据的高速激光传输能力,验证了空-地高速激光传输的可行性,为推动技术成果转化应用提供了方向。

2020年12月,在西藏开展的在轨卫星、系留气球、无人机等多类平台协同的飞行试验在国内首次实现了一对多高速激光传输能力,完成卫星、气球、无人机的协同观测,并首次开展基于空-地平台的光电混合组网传输,为推动空间信息网络应用奠定了现实基础。

2021年10月,在青海开展的在轨卫星、临近空间气球、系留气球、无人机等多类平台协同的天临空地一体空间信息网络快速响应应用试验,首次实现了基于临近空间平台的毫米波通信传输。

专家们认为,一系列试验成功验证了基础研究和关键技术的突破,展示了模拟真实场景下空间信息网络在自然灾害等重大突发事件中的巨大应用潜力。

科研人员在西藏开展飞行试验。

“双清一号”卫星:提供遥感信息实时智能服务

在轨遥感影像信息提取和智能处理是空间信息网络的重要组成部分,也是实现空间信息网络环境下快速、准确、灵活的遥感信息智能服务目标的重要环节。

为向全国科研单位提供开放式在轨实验验证平台,在国家自然科学基金重大研究计划“空间信息网络基础理论与关键技术”支持下,武汉大学联合航天东方红卫星有限公司等单位联合设计研制了一颗智能遥感科学实验卫星“双清一号”,又称“珞珈三号01星”。

2023年1月15日,“双清一号”在我国太原卫星发射中心搭载长征二号丁运载火箭升空。

武汉大学教授王密介绍,“双清一号”是一颗集遥感与通信功能于一体的智能遥感实验卫星,具备“多模”“智能”“互联”“开放”四大特征,创新实现了亚米级多模式彩色成像、在轨智能处理、星地-星间实时传输和在轨应用程序上注更新,星下点空间分辨率达0.7米。

“双清一号”卫星还具备开放式在轨处理软硬件平台,通过应用程序可实现动态部署开展遥感影像信息提取和智能处理的科学实验。用户可根据不同的任务需求对星上智能App算法进行灵活的上注、更新与卸载,实现面向移动终端用户多样化应用需求的遥感信息实时智能服务。

围绕该重大研究计划的科学目标,“双清一号”验证了多项关键技术的可行性,包括“星地协同的在轨高精度定位与智能处理技术”“稀疏表征与融合处理技术”等;开创了互联网智能遥感卫星面向地面移动终端的在轨处理与实时传输服务的新模式,打破了传统卫星遥感数据服务模式,缩短了卫星数据获取、处理、传输和分发的时间。

据了解,“双清一号”智能遥感科学实验卫星自入轨以来,已为土耳其、叙利亚地震灾区评估,内蒙古阿拉善煤矿坍塌灾情评估等提供了数据服务,为兰州、日喀则等多个地区生成了实景三维地图,实现了迪拜机场、昆明机场的静态、动态飞机数量监测及尼日利亚卡洛市的车流量监控服务。在科研团队的不懈努力下,卫星数据获取、处理、传输和分发的时间从数小时级缩短到了10分钟以内。

科研团队期待,在“双清一号”助力下,相关科学研究能为遥感数据大众化移动终端服务提供有力支撑。

“双清一号”获得的西藏日喀则实景三维地图。

统筹天地!“北斗”完成多项先进技术在轨验证

国家自然科学基金重大研究计划“空间信息网络基础理论与关键技术”实施期间,在前期支持项目已经取得基础理论创新成果的情况下,开展在轨验证势在必行。为此,“基于多功能卫星平台空间信息网络关键技术集成验证”项目在北斗卫星导航系统上展开。

北斗卫星导航系统工程副总设计师、北斗三号卫星首席总设计师谢军介绍,科研团队利用现有在轨卫星的系统架构、多功能平台、增量载荷,以及星上软件可重构等资源,开展基于多功能卫星平台的空间信息网络关键技术集成验证。

科研人员基于北斗导航卫星系统基础能力,利用包括3颗地球静止轨道卫星(GEO)、3颗倾斜地球同步轨道卫星(IGSO)和多颗中轨道卫星(MEO)平台,以及增量载荷配置、地面站资源和试验设备等在内的卫星系统平台资源,搭建了“多功能卫星集成验证平台与验证环境”,具备星间速率为1吉比特/秒(Gbps)、星地链路不低于300兆比特/秒(Mbps)的传输能力。

同时,科研团队研制了“基于在轨卫星星座的天基信息网络资源配置管控与评估系统”。据了解,该系统以空间网络链路验证场景为基础,突破了极窄波束、远距离、双端高动态指向与建链等核心技术,在19000~62000公里星间距离的条件下,在国际上首次成功实现中高轨卫星间激光建链通信。

此外,科研团队还分别以空间网络协议、空间网络路由、空间网络接入等验证场景为基础,取得了一系列成果。其中,以空间网络协议验证场景为基础,首次完成了“互联网协议第6版”(IPv6)空间组网应用试验,验证了高动态条件下高速星间星地网络中的IPv6技术体制。

以空间网络路由验证场景为基础,科研团队首次成功开展“开放的最短路径优先协议第3版”(OSPFv3)空间动态路由应用试验,实现了基于OSPFv3的空间网络动态路由功能。

以空间网络接入验证场景为基础,科研团队完成基于在轨卫星短报文的泛在接入技术验证,低轨卫星用户通过在轨卫星系统“实时”将天基信息下传至运行中心,展示出导航/遥感天基信息一体化的应用效果和前景。

科研人员总结称,这一集成项目将理论基础研究成果与工程建设成果进行有机结合,充分利用各种空间试验资源并保持一定的低成本投入,突破且掌握了空间组网的相关关键技术,有效促进了理论成果向工程应用的转化,有望为我国下一代卫星导航系统发展积累技术和经验。

北斗三号全球导航系统示意图。

(本版内容由本报记者甘晓采写,图片由研究团队提供)

 
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