巨型星座將不再是曲高和寡、

高高在上的科研項目，

它將走入大眾的生活中，

成為日常消費品。

大家好，我是田豐，來自中國科學(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)融入到了我們每個人的生活中了??？為什么還要說讓互聯(lián)網(wǎng)無處不在呢？

其實，如果我們離開城市、離開人海，去到荒蕪人煙的地方，就會發(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)國際電信聯(lián)盟統(tǒng)計，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)展中國家。但互聯(lián)網(wǎng)的一個主旨思想就是——讓世界變得更公平。

還有，當我們離地球表面超過1000米的時候，地面基站就很難把信號傳到這么高的位置上了。比如我們坐飛機的時候，每次都會感覺自己有幾個小時和世界斷聯(lián)了，沒有任何信號?，F(xiàn)在雖然有的大型飛機上有網(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行到印度洋島國毛里求斯的時候突然擱淺了，造成了大范圍的原油污染。究其原因，其實是船上有船員想去“蹭網(wǎng)”，所以把船開得離岸非常近。當時正好是一個霧天，所以就擱淺了。大家想想，如果有更便宜、更方便的網(wǎng)絡(luò)，這種事情還會發(fā)生嗎？

那我們怎么才能讓互聯(lián)網(wǎng)無處不在呢？如果只是讓運營商去全球各個地方建站，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)信號覆蓋.

其實，衛(wèi)星通信在很早的時候就有了，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？

因為我們原來的衛(wèi)星通信主要靠的是高軌的同步衛(wèi)星，這種高軌衛(wèi)星的信號很容易被大樹和高樓遮擋。另外，高軌衛(wèi)星運行在赤道上空36000公里的地方，比如我們國家位于北半球，在一些山的北面衛(wèi)星信號就非常弱，這就是高軌通信的北坡效應(yīng)。同時，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)比較難落地實現(xiàn)。?

從理論上講，有一個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，信號無縫覆蓋全球，不會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？已完成：20%?//////////

2014年，我還在上海交通大學(xué)讀博士的時候，就有幸參與了國家自然基金重大研究計劃“空間信息網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)”，這個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。?2017年博士畢業(yè)之后，我進入了中國科學(xué)院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院。當時我信心滿滿，想把學(xué)到的知識用到衛(wèi)星上。但那個時候，我們國家的衛(wèi)星包括國際上的衛(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項目其實不是通信星座，而是對地遙感星座。我加入了“遙感三十號”衛(wèi)星團隊，大家可能沒有聽說過我們這個團隊，也對“遙感三十號”知之甚少，為什么呢？因為我們其實是一個“三無”團隊。

這個“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、無名英雄、無上光榮。

我今天沒法講這個工作的具體內(nèi)容，但是通過參與到這個團隊里，我知道了一顆衛(wèi)星從設(shè)計、到集成、再到測試、最終發(fā)上天的每一步是怎么走的。也因為參加了這個項目，我從一個學(xué)生變成了一個航天工作者，對航天精神和航天人的理解也更具像化了。同時我還感覺到，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”計劃，當時就提出要用4萬多顆衛(wèi)星覆蓋整個地球，為全球提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。但是大家都覺得這個想法太超乎現(xiàn)實了，因為在2015年，全球在太空運行的航天器總量只有1300多個。

而且航天器的造價非常高。一個500公斤左右的衛(wèi)星造價就是幾千萬人民幣，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，一顆衛(wèi)星的生產(chǎn)周期最快要幾個月，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，同時衛(wèi)星的制造成本和時間成本都這么高的情況下，很多人都覺得幾萬顆衛(wèi)星是一個不靠譜的想法。但是，因為我一直是學(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)，肯定是中國航天乃至國際航天發(fā)展的一個大趨勢。

?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)實現(xiàn)了全球230萬個衛(wèi)星終端，開始去盈利了，實現(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。

先從試驗衛(wèi)星開始已完成：40%?//////////

因此，我們國家從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)。我們中國科學(xué)院和上海市科委聯(lián)合投資的低軌試驗衛(wèi)星就是做這個的。

低軌試驗衛(wèi)星主要是試驗什么呢？巨型衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)其實和地面互聯(lián)網(wǎng)之間有一個重要的區(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。但是這些基站有一個共性——它們都是固定在一個地方的。用戶無論是用電腦、用手機還是其他設(shè)備終端，它們之間的運動速度相對來說都比較小，基本上很長時間都是連著同一個基站的。即使運動那也是因為我們?nèi)藙恿耍艓砹嘶镜那袚Q，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，它的運行速度就會達到每秒7公里左右?；疽矔S著衛(wèi)星運動，這也就意味著通信的時候，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候通信時間會長一些，能達到11-12分鐘，其他情況下的通信時間會更短，總的來看一顆衛(wèi)星持續(xù)通信的時間可能只有6-12分鐘。?

那么，如何解決這種衛(wèi)星快速運動帶來的大規(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)星的運動，這顆紫色的衛(wèi)星馬上就會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)星都有點波束去對終端進行接力式服務(wù)，同時衛(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)射的兩顆試驗衛(wèi)星，主要用來驗證我們的系統(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€終端服務(wù)。同時，兩顆衛(wèi)星之間又有星間的激光鏈路，這也是我們國內(nèi)首次實現(xiàn)雙星在軌和地面10Gbps組網(wǎng)的驗證。

之所以選用點波束，是因為它的波束的頻段非常高，是20GHz左右。它的雨衰（無線電波進入雨層中引起的衰減）也非常大。如果我們用一個很寬的波束，它的衰減會更大，傳輸速率就比較低。我們把能量聚焦到一個點波束，就能提升它的服務(wù)需求。當然，說是點波束，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試，當時我們開始測試的時候正好是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候，我們就一起跑到單位的樓頂做測試。
測試的時候，因為衛(wèi)星的軌道高度低，運動速度快，所以過境時間很短，不是每天每時每刻都能在我們頭頂上。有時候在中午的12點過境，有時候在晚上的12點，一天過境3-6次。這就需要我們拋開自己的作息時間，完全去跟著衛(wèi)星轉(zhuǎn)。
整個高溫假結(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，但是還遠遠做不到商業(yè)化。因為任何一個用戶都不希望自己在接入互聯(lián)網(wǎng)后只通信個幾分鐘就斷了，然后等待很長時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)計到底層的核心網(wǎng)絡(luò)單機全部打通，這樣才能把系統(tǒng)做到最優(yōu)，把單機成本做到最優(yōu)。以此來支撐后續(xù)一年發(fā)射幾百顆最終達到幾千顆、上萬顆衛(wèi)星的在軌驗證。只有這樣，才能把這個巨型星座做起來，使它不再是曲高和寡、高高在上的科研項目，而將走入大眾的生活中成為日常消費品。

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。其中研制的第一個單機就是路由器。

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，因為天上有很多不確定的環(huán)境。
而且還有很多單粒子，這些高能粒子打進來之后會把我們的邏輯芯片打反轉(zhuǎn)。邏輯芯片里儲存的都是0和1，它會把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。

控制處理面相對來說要簡單一些。因為控制面的數(shù)據(jù)速率并不高。那么我們就可以用FPGA（Field Programmable Gate Array，現(xiàn)場可編程門陣列）去做一些宇航防護、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。因為星間通信速率是10G，如果有4個端口的話，就能進40G、出40G，通信速率達到80G。因此，我們就用了交換矩陣的思想，在衛(wèi)星上搭了一個高速交換、支持多個端口、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，因為在太空拉光纖肯定是不現(xiàn)實的。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。

我們的試驗衛(wèi)星上就有星間的激光通信，在軌也驗證這種通信成功了。但是同時，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干擾我們，這個叫日凌干擾。還有就是單粒子的干擾，以及負載突然加上來之后也會對激光終端產(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，還要有底層的、核心的空間網(wǎng)絡(luò)單機。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)的這種花好長時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)單機去搭建我們的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)。

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

于是我們中國科學(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”搭載了十幾個載荷，這些載荷來自我們中國科學(xué)院和多家高校單位。后續(xù)我們還會形成航班化發(fā)射，一年7顆衛(wèi)星，每顆衛(wèi)星上搭載二十幾個載荷，形成低成本空間試驗的新范式。也歡迎有需求的單位跟我們多聯(lián)系，把新技術(shù)通過這個平臺發(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”。“力箭一號”是我們中國科學(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)射的計劃。

當然，衛(wèi)星的迭代速度會越來越快。如果在軌驗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)重點實驗室，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)星的運行、功能、性能以及運行環(huán)境和真實的衛(wèi)星是一模一樣的。我們可以通過采集衛(wèi)星上的一些真實數(shù)據(jù)，結(jié)合數(shù)字孿生網(wǎng)絡(luò)里豐富的測試數(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。每一個單板都會形成路由、存儲、星間通信、星地通信等各個功能。可以根據(jù)不同型號的需求加快迭代，來做到系統(tǒng)的最優(yōu)。
同時，我們也建立了批生產(chǎn)產(chǎn)線，包括貼片、自動化測試和集加工等等，實現(xiàn)了空間網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的批量化生產(chǎn)。在單機批量化生產(chǎn)之后，后續(xù)整機的組裝也會做到批量化。

現(xiàn)在，中國衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為蓄勢待發(fā)。我相信在未來它會帶動、輻射很多產(chǎn)業(yè)的協(xié)同發(fā)展，比如遠洋旅游、遠洋貨輪、飛機互聯(lián)網(wǎng)等都會跟衛(wèi)星關(guān)聯(lián)。當整個地球的互聯(lián)網(wǎng)全部打通之后，我們的思想就會達到更遠的地方。

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

文章來源于格致論道講壇，作者田豐