我國如何發(fā)展自主可控的空間互聯(lián)網(wǎng)星座系統(tǒng)?
《衛(wèi)星與網(wǎng)絡(luò)》雜志
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空間互聯(lián)網(wǎng)包括由各類在軌運(yùn)行的飛行器、衛(wèi)星或衛(wèi)星星座構(gòu)成的空間信息處理及通信設(shè)施,各類地面站、核心網(wǎng)等相關(guān)地面基礎(chǔ)設(shè)施,各類應(yīng)用系統(tǒng)融合構(gòu)成的高性能全球網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施,是新一代全球互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的重點(diǎn)方向、新一輪空間競爭的焦點(diǎn)??臻g互聯(lián)網(wǎng)星座系統(tǒng)是國家空間信息基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分,目前我國尚處于空間互聯(lián)網(wǎng)星座系統(tǒng)構(gòu)建的籌備階段,起步較晚,面臨諸多風(fēng)險因素,距離支撐經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的長遠(yuǎn)目標(biāo)存在明顯差距。因此,亟需盡快開展多方位的頂層分析論證,為后續(xù)空間互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)體系發(fā)展提供規(guī)劃建議。
中國工程院周志成院士科研團(tuán)隊在中國工程院院刊《中國工程科學(xué)》2021年第4期撰文指出,發(fā)展自主可控的空間互聯(lián)網(wǎng)星座系統(tǒng)是網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國建設(shè)的重要內(nèi)容,可有效提升全球覆蓋、安全可控的信息網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力,搶占空間信息領(lǐng)域發(fā)展制高點(diǎn)和主動權(quán)。
文章開展了空間互聯(lián)網(wǎng)星座系統(tǒng)發(fā)展的綜合性研究,分析了空間互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的宏觀需求,研判了國內(nèi)外空間互聯(lián)網(wǎng)星座系統(tǒng)的發(fā)展趨勢,提出了我國空間互聯(lián)網(wǎng)星座系統(tǒng)建設(shè)的發(fā)展思路、重點(diǎn)任務(wù)、技術(shù)路線。文章研究認(rèn)為,在推進(jìn)我國空間互聯(lián)網(wǎng)星座系統(tǒng)的論證設(shè)計、工程建設(shè)過程中,應(yīng)著重加強(qiáng)國家頂層統(tǒng)籌規(guī)劃,加快衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)制定,加大關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)力度,促進(jìn)融合創(chuàng)新應(yīng)用并構(gòu)建安全防護(hù)體系,以此全面提升我國空間信息網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力,建設(shè)彈性空間體系。

一、前言
空間互聯(lián)網(wǎng)包括由各類在軌運(yùn)行的飛行器、衛(wèi)星或衛(wèi)星星座構(gòu)成的空間信息處理及通信設(shè)施,各類地面站、核心網(wǎng)等相關(guān)地面基礎(chǔ)設(shè)施,各類應(yīng)用系統(tǒng)融合構(gòu)成的高性能全球網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施,是新一代全球互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展重點(diǎn)方向、新一輪空間競爭的焦點(diǎn)。
國際衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)龍頭企業(yè)均在積極開展空間互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)投資,力求搶占衛(wèi)星空間網(wǎng)絡(luò)高地,爭奪空間寶貴資源。以Starlink、Oneweb等為代表的低軌巨型星座工程已經(jīng)進(jìn)入實(shí)際部署階段,新一代“千星星座”乃至“萬星星座”的空間互聯(lián)網(wǎng)低軌星座系統(tǒng)啟動建設(shè)。在我國,空間互聯(lián)網(wǎng)作為國家空間信息基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分,納入了“新基建”范疇。
已有研究從空間互聯(lián)網(wǎng)的體制、架構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)等方面著手,對我國相關(guān)領(lǐng)域的建設(shè)與發(fā)展進(jìn)行探討:提出天地一體的空間互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu),分析網(wǎng)絡(luò)發(fā)展趨勢與關(guān)鍵技術(shù);闡述空間互聯(lián)網(wǎng)與地面第五代移動通信(5G)技術(shù)融合的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)、應(yīng)用場景;研究5G與衛(wèi)星通信融合的空中接口設(shè)置與標(biāo)準(zhǔn)化策略;從技術(shù)及產(chǎn)業(yè)的角度論述衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)與5G/第六代移動通信(6G)的協(xié)同發(fā)展趨勢。于此同時,我國的國有企業(yè)、民營企業(yè)、初創(chuàng)公司紛紛開展空間互聯(lián)網(wǎng)的試驗(yàn)摸索和建設(shè)嘗試;相關(guān)管理部門依托國家科技創(chuàng)新專項先期推動星座系統(tǒng)論證,面向迫切需求、整合優(yōu)勢力量、推動工程建設(shè)。
也要注意到,目前我國依然缺乏有關(guān)空間互聯(lián)網(wǎng)星座系統(tǒng)的全面綜合分析,統(tǒng)籌規(guī)劃和建設(shè)步驟也有待深入研究;在后續(xù)建設(shè)過程中,將面臨頻率軌道、通信標(biāo)準(zhǔn)、信息安全、產(chǎn)業(yè)應(yīng)用等諸多難題。因此,盡快開展多方位的頂層分析論證、形成后續(xù)空間互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)體系發(fā)展規(guī)劃建議顯得尤為迫切。
二、我國空間互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)需求分析
發(fā)展自主可控的空間互聯(lián)網(wǎng)星座系統(tǒng)是網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國建設(shè)的重要內(nèi)容,可有效提升全球覆蓋、安全可控的信息網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力,搶占空間信息領(lǐng)域發(fā)展制高點(diǎn)和主動權(quán)。空間互聯(lián)網(wǎng)星座建設(shè),一方面要聚焦國家需求,建設(shè)全球可通、自主可控的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng),另一方面要推動形成“互聯(lián)網(wǎng)+”航天的新興產(chǎn)業(yè)。
空間互聯(lián)網(wǎng)作為國家戰(zhàn)略性基礎(chǔ)設(shè)施,對支撐和推動經(jīng)濟(jì)、政治、文化、社會各領(lǐng)域發(fā)展的作用顯著。發(fā)展我國自主的空間互聯(lián)網(wǎng)星座系統(tǒng),是占據(jù)空間信息網(wǎng)絡(luò)發(fā)展制高點(diǎn)、實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國戰(zhàn)略目標(biāo)的重要舉措,是構(gòu)建國家重大能力、維護(hù)空間資源和地位的集中反映;作為航天強(qiáng)國建設(shè)的標(biāo)志性工程,是牽引商業(yè)航天全面發(fā)展、引領(lǐng)信息產(chǎn)業(yè)和宇航技術(shù)升級的重要舉措。
面對復(fù)雜、嚴(yán)峻的全球網(wǎng)絡(luò)信息安全形勢,加快構(gòu)建獨(dú)立自主的空間互聯(lián)網(wǎng)星座系統(tǒng),可顯著提高我國天基通信體系的生存能力,形成維護(hù)國家信息安全的有效手段,對構(gòu)建我國彈性空間通信體系意義重大。通過多功能結(jié)合的創(chuàng)新應(yīng)用,快速增強(qiáng)我國自主安全的通信保障能力,保障國家長遠(yuǎn)戰(zhàn)略利益。
隨著我國“走出去”戰(zhàn)略的不斷深化,信息網(wǎng)絡(luò)的全球能力覆蓋勢在必行。優(yōu)先在海洋、極地、“一帶一路”沿線等區(qū)域?qū)崿F(xiàn)寬、窄帶結(jié)合的通信保障能力,進(jìn)而形成全球覆蓋、功能共用的空間信息基礎(chǔ)設(shè)施。智慧海洋工程、航空器全球追蹤與安全監(jiān)控等行業(yè)應(yīng)用規(guī)劃的推進(jìn),促進(jìn)導(dǎo)航增強(qiáng)、廣域監(jiān)視及數(shù)據(jù)采集分發(fā)等行業(yè)服務(wù)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。
空間互聯(lián)網(wǎng)既可保障海外通信需求、服務(wù)國家經(jīng)濟(jì)活動、促進(jìn)高質(zhì)量“走出去”,又是信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新引擎,對推動產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級、實(shí)現(xiàn)新興產(chǎn)業(yè)布局起到關(guān)鍵作用。空間互聯(lián)網(wǎng)作為仍在快速發(fā)展的互聯(lián)網(wǎng)升級方向之一,可為我國老少邊窮地區(qū)提供普遍的互聯(lián)網(wǎng)服務(wù),是帶動地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展、縮小城鄉(xiāng)發(fā)展差距、彌合數(shù)字鴻溝、提升居民生活質(zhì)量的重大基礎(chǔ)設(shè)施。
空間互聯(lián)網(wǎng)星座系統(tǒng)建設(shè),將促進(jìn)我國航天產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級:催生衛(wèi)星模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、國際化設(shè)計理念轉(zhuǎn)變,帶動衛(wèi)星、運(yùn)載火箭的批產(chǎn)能力與生產(chǎn)線建設(shè),實(shí)施地面系統(tǒng)與地面運(yùn)營的國際化推廣。通過面向世界一流的空間互聯(lián)網(wǎng)能力建設(shè),引領(lǐng)我國航天裝備、信息服務(wù)領(lǐng)域的全面發(fā)展,推動我國戰(zhàn)略新興技術(shù)躋身國際先進(jìn)行列。
三、國內(nèi)外空間互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展趨勢研判
新型空間互聯(lián)網(wǎng)星座動輒成千上萬顆,如 Starlink(4425~41 943顆 )、Oneweb(720~6372 顆 )、Lightspeed(298~1671 顆)、Kuiper(3236顆);廣泛采用Ku/Ka/Q/V頻段點(diǎn)波束來實(shí)現(xiàn)全球覆蓋。該發(fā)展趨勢既是頻率、軌道資源激烈競爭的結(jié)果,也是面向未來業(yè)務(wù)增長空間的必然選擇。批量化的衛(wèi)星制造能力、低成本的進(jìn)入空間能力,也為巨型星座發(fā)展提供了現(xiàn)實(shí)可行的技術(shù)途徑。
新型空間互聯(lián)網(wǎng)星座系統(tǒng)普遍支持星間鏈路,以此構(gòu)建全球無縫連接、低時延的空間網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。國外在建的星座系統(tǒng),星間鏈路應(yīng)用與否不僅是技術(shù)問題,也受到成本、安全等因素限制。從技術(shù)角度看,星間鏈路存在路由、移動性管理、干擾抑制、輕量化等諸多挑戰(zhàn),新技術(shù)的突破、驗(yàn)證、應(yīng)用還需要時間來檢驗(yàn)。從成本方面看,現(xiàn)有的高通量星間載荷價格不菲,裝備于成千上萬顆衛(wèi)星則難以負(fù)擔(dān),需要在控制載荷成本的同時盡量精簡部署結(jié)構(gòu)(數(shù)量)。
針對低軌通信星座的迅猛發(fā)展勢頭,國際上的地球靜止軌道(GSO)通信衛(wèi)星運(yùn)營商也迅速作出反應(yīng),綜合考慮GSO和低地球軌道(LEO)系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn),啟動了GSO-非地球靜止軌道(NGSO)混合系統(tǒng)的建設(shè)。
目前主要存在兩種模式:一是GSO、LEO系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)營,基于兩者系統(tǒng)特性上的差別,實(shí)現(xiàn)服務(wù)能力互補(bǔ),改善用戶服務(wù)體驗(yàn);二是GSO衛(wèi)星處理LEO星座的測控操作,通過配置星間中繼鏈路,利用廣域覆蓋的GSO衛(wèi)星來提升LEO星座的測控效率。高、低軌通信衛(wèi)星優(yōu)勢互補(bǔ)、協(xié)同發(fā)展,可進(jìn)一步提升混合系統(tǒng)的服務(wù)多樣性。
現(xiàn)有的空間互聯(lián)網(wǎng)星座系統(tǒng)研制模式主要有3種:以O(shè)neweb為代表的生態(tài)圈資源整合、以Starlink為代表的自主垂直整合、以Blackjack為代表的項目分包。OneWeb公司通過全球資源整合來建立產(chǎn)業(yè)鏈生態(tài)圈,采取融資方式籌集資金;自身主要負(fù)責(zé)星座運(yùn)營,衛(wèi)星制造依靠與空中客車防務(wù)及航天公司合作實(shí)現(xiàn)。SpaceX公司依靠自主完整的商業(yè)航天產(chǎn)業(yè)鏈來建設(shè)Starlink,集衛(wèi)星、運(yùn)載火箭、地面站制造,火箭發(fā)射與回收,衛(wèi)星運(yùn)營與服務(wù)于一身,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)鏈自主閉環(huán)。Blackjack分階段劃分項目任務(wù),不斷篩選和縮減承研單位的數(shù)量,選擇最優(yōu)的承包商團(tuán)隊(大型宇航制造商、小型初創(chuàng)企業(yè)均有涉及)。立足自身狀態(tài)并最大化自身優(yōu)勢,充分調(diào)動已有資源,保障設(shè)計、制造、發(fā)射、運(yùn)營等全產(chǎn)業(yè)鏈的快速、安全、高效運(yùn)行。
國外在建的空間互聯(lián)網(wǎng)星座系統(tǒng),均在加緊頻率資源爭奪,以用戶鏈路所用頻段爭奪最為激烈。在現(xiàn)階段,Ku頻率資源已基本被瓜分殆盡;Ka頻率資源雖已有低軌星座系統(tǒng)規(guī)劃,但尚無實(shí)際衛(wèi)星應(yīng)用;V頻率資源已成為多個星座系統(tǒng)作為規(guī)模擴(kuò)展階段擬申報儲備的目標(biāo)。在儲備頻率的同時,各大衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)都在積極開發(fā)Q/V頻段的應(yīng)用潛力,著手研究E頻段通信技術(shù)。相關(guān)企業(yè)在高效接入、星間鏈路組網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用、大規(guī)模干擾規(guī)避等關(guān)鍵技術(shù)方向都進(jìn)行了研發(fā)布局,逐步形成專利儲備。
四、我國空間互聯(lián)網(wǎng)星座系統(tǒng)發(fā)展基礎(chǔ)
北斗衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)是我國目前在軌規(guī)模較大的星座系統(tǒng),其成功研制和有效運(yùn)營積累了衛(wèi)星、運(yùn)載火箭的中等規(guī)模批產(chǎn)與批次發(fā)射經(jīng)驗(yàn),具備了長期管理、異常處置等在軌管理能力。與北斗系統(tǒng)相比,空間互聯(lián)網(wǎng)星座系統(tǒng)的規(guī)模更大、功能更加復(fù)雜,對產(chǎn)品的批量生產(chǎn)、質(zhì)量保證提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn);還需要進(jìn)一步提高運(yùn)載火箭批量化生產(chǎn)能力,改善測控條件和發(fā)射環(huán)境。目前,我國還缺少數(shù)百顆甚至上千顆衛(wèi)星所構(gòu)成星座的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)。
經(jīng)過六十余年的發(fā)展,我國形成了以長征系列運(yùn)載火箭為主的航天運(yùn)輸系統(tǒng),支撐了多項國家重大宇航任務(wù)的實(shí)施。綜合考慮經(jīng)濟(jì)性、規(guī)劃整體性,CZ-2C、CZ-2D、CZ-5B、CZ-6A、CZ-8液體運(yùn)載火箭均可承擔(dān)“一箭多星”發(fā)射任務(wù),CZ-11A、KZ-11固體運(yùn)載火箭可用于快速補(bǔ)網(wǎng),新型重復(fù)使用運(yùn)載火箭可逐步承擔(dān)2025年后更大規(guī)模的組網(wǎng)發(fā)射任務(wù)。新一代液體火箭發(fā)動機(jī)(液氧/煤油、液氫/液氧)的產(chǎn)能受限問題,可能為空間互聯(lián)網(wǎng)星座系統(tǒng)建設(shè)帶來一定的風(fēng)險。
現(xiàn)階段,國內(nèi)具備運(yùn)載火箭發(fā)射能力的主要有酒泉、太原、西昌、文昌等發(fā)射場,海陽海上發(fā)射平臺也具有一定規(guī)模的發(fā)射能力。綜合現(xiàn)有發(fā)射計劃,未來3年剩余工位的總運(yùn)載能力不足150 t,保障空間互聯(lián)網(wǎng)星座的大規(guī)模發(fā)射任務(wù)風(fēng)險較大;這是星座衛(wèi)星規(guī)模的制約瓶頸,應(yīng)予以突破。太原發(fā)射場CZ-6A發(fā)射工位計劃于2021年建成,短期內(nèi)具備4發(fā)/年的發(fā)射能力。此外,文昌、象山、煙臺等地都在籌建新的商業(yè)發(fā)射工位。
目前,我國電子、航天領(lǐng)域的一些單位具備為衛(wèi)星通信系統(tǒng)提供信關(guān)站、網(wǎng)絡(luò)主站、部分應(yīng)用終端的生產(chǎn)能力。盡管隨著高軌高通量衛(wèi)星的推廣應(yīng)用,地面信關(guān)站、終端技術(shù)正在快速發(fā)展演進(jìn),但空間互聯(lián)網(wǎng)低軌系統(tǒng)所需的快速跟蹤、高集成、低成本相控陣天線,適應(yīng)新體制的高集成基帶芯片,地面核心網(wǎng)產(chǎn)品及運(yùn)控管理系統(tǒng)等,尚無成熟產(chǎn)品,需要盡快部署研制。
地面移動通信的標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)“十年一代”,我國在這一發(fā)展過程中實(shí)現(xiàn)了第三代移動通信(3G)跟隨、第四代移動通信(4G)趕超、5G領(lǐng)跑。地面移動通信的標(biāo)準(zhǔn)化過程,為我國空間互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)突破提供了技術(shù)基礎(chǔ)和實(shí)施經(jīng)驗(yàn)。也要注意到,我國衛(wèi)星通信標(biāo)準(zhǔn)化工作尚缺乏成熟經(jīng)驗(yàn),中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會、全國宇航技術(shù)及其應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會等均未開展相關(guān)工作,對國際衛(wèi)星電視廣播標(biāo)準(zhǔn)(DVB-S2X)、第三代合作伙伴計劃(3GPP)非地面網(wǎng)絡(luò)(NTN)標(biāo)準(zhǔn)的跟蹤和參與都有所不足。
五、我國空間互聯(lián)網(wǎng)星座系統(tǒng)發(fā)展思路
我國空間互聯(lián)網(wǎng)星座系統(tǒng)的發(fā)展,應(yīng)以航天強(qiáng)國、網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國戰(zhàn)略為牽引,秉持“創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享”的理念,通過創(chuàng)新驅(qū)動、融合發(fā)展,開展先進(jìn)系統(tǒng)、新興技術(shù)的前瞻研發(fā)布局。以空間互聯(lián)網(wǎng)星座系統(tǒng)建設(shè)為依托,拓展空間信息服務(wù)的深度與廣度,把握網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)革命的歷史性機(jī)遇,贏得參與全球空間信息基礎(chǔ)設(shè)施競爭的獨(dú)特優(yōu)勢。預(yù)計到“十四五”末期,形成高低軌協(xié)同、天地一體的空間互聯(lián)網(wǎng)星座系統(tǒng)總體布局,具備全球覆蓋、技術(shù)自主、安全可控的空間互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)能力,成為全球衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的重要主導(dǎo)力量。
統(tǒng)籌規(guī)劃,突出重點(diǎn)。加強(qiáng)天基網(wǎng)絡(luò)信息體系的頂層設(shè)計和綜合布局,融合威脅驅(qū)動、需求驅(qū)動、創(chuàng)新驅(qū)動三重要素,統(tǒng)籌實(shí)施我國高、低軌天基信息裝備體系協(xié)同發(fā)展;重點(diǎn)建設(shè)空間互聯(lián)網(wǎng)星座系統(tǒng),實(shí)質(zhì)性提升我國天基網(wǎng)絡(luò)信息體系彈性。
階段實(shí)施,持續(xù)演進(jìn)。鑒于空間互聯(lián)網(wǎng)星座系統(tǒng)建設(shè)的持續(xù)性和復(fù)雜性,相關(guān)體系架構(gòu)設(shè)計應(yīng)支持分階段實(shí)施、持續(xù)演進(jìn),不斷挖掘技術(shù)進(jìn)步帶來的能力提升;盡快實(shí)現(xiàn)基本應(yīng)用能力,持續(xù)保持近地空間系統(tǒng)的競爭力與生命力,搶占近地空間新高地。
功能融合,彈性建設(shè)。把握國內(nèi)相關(guān)系統(tǒng)建設(shè) 進(jìn)展,加強(qiáng)多功能融合與銜接, 通過采購服務(wù)、寄宿搭載、波形加載,形成面向應(yīng)用的增強(qiáng)服務(wù)能力;深度挖掘系統(tǒng)規(guī)模優(yōu)勢, 形成天地融合的低軌網(wǎng)絡(luò)與信息體系, 加速在我國諸多領(lǐng)域的應(yīng)用滲透。
創(chuàng)新驅(qū)動,體系帶動。瞄準(zhǔn)世界航天和網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域發(fā)展前沿,創(chuàng)新包括研發(fā)、制造、應(yīng)用在內(nèi)的天基信息體系,牽引重點(diǎn)領(lǐng)域發(fā)展模式演進(jìn);加強(qiáng)衛(wèi)星批量制造能力,提升運(yùn)載火箭發(fā)射和測控能力,扭轉(zhuǎn)領(lǐng)域滯后發(fā)展局面,帶動重大裝備的供給側(cè)結(jié)構(gòu)性變革。
六、我國空間互聯(lián)網(wǎng)星座系統(tǒng)建設(shè)的重點(diǎn)任務(wù)與技術(shù)路線
空間互聯(lián)網(wǎng)星座系統(tǒng)主要包含空間段、地面段、用戶段(見圖1)。
①空間段采用用戶靈活接入、星間高速互聯(lián)、系統(tǒng)彈性高效的空間混合星座網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),按照“星箭一體化、平臺通用化、載荷模塊化、接口標(biāo)準(zhǔn)化、組合多元化”的衛(wèi)星設(shè)計思路,實(shí)現(xiàn)全球?qū)拵Щヂ?lián)網(wǎng)和移動通信服務(wù)能力,按需提供應(yīng)用服務(wù)和專用載荷搭載服務(wù)。
②地面段面向多用戶、多業(yè)務(wù)、全球化的服務(wù)需求,主要完成星座運(yùn)行管理、星地一體化網(wǎng)絡(luò)管理、全球站網(wǎng)管理、用戶終端管理、全球運(yùn)營服務(wù)支撐等任務(wù);細(xì)分為運(yùn)行控制中心、網(wǎng)絡(luò)管理中心、運(yùn)營服務(wù)中心、全球信關(guān)站網(wǎng),通過地面通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通。
③用戶段按照“終端模塊設(shè)計、系統(tǒng)開放擴(kuò)展”等設(shè)計原則,開展終端結(jié)構(gòu)化設(shè)計、應(yīng)用平臺化集成、數(shù)據(jù)云化配置等。
關(guān)于建設(shè)計劃,分階段建成獨(dú)立自主、全球覆蓋、先進(jìn)高效、安全可靠的空間互聯(lián)網(wǎng)星座系統(tǒng)。先期開展試驗(yàn)衛(wèi)星發(fā)射、地面段建設(shè),實(shí)施通信體制、關(guān)鍵技術(shù)試驗(yàn)驗(yàn)證,初步形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的標(biāo)準(zhǔn)體系,突破衛(wèi)星規(guī)模制造和發(fā)射瓶頸,基于典型場景開展應(yīng)用示范。未來5年,實(shí)現(xiàn)全球覆蓋、全面服務(wù),完成第一代系統(tǒng)建設(shè),提升重點(diǎn)區(qū)域覆蓋能力和服務(wù)質(zhì)量,增強(qiáng)時空信息體系能力。未來10年,完成拓展系統(tǒng)建設(shè),實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)覆蓋、優(yōu)質(zhì)服務(wù),建設(shè)分層部署、協(xié)同分工、多重覆蓋的第二代星座系統(tǒng),建成天地同步發(fā)展的全球綜合信息服務(wù)網(wǎng)絡(luò),全面滿足國家戰(zhàn)略需求和智能化社會應(yīng)用需求。
圖 1 空間互聯(lián)網(wǎng)星座系統(tǒng)架構(gòu)圖
近年來,包括大型航天企業(yè)、民營企業(yè)在內(nèi),我國發(fā)布了10余個低軌星座計劃,從產(chǎn)業(yè)發(fā)展、商業(yè)利益的角度看,需要重點(diǎn)進(jìn)行空間組網(wǎng)理論研究,及時建立關(guān)于空間互聯(lián)網(wǎng)的協(xié)議體系規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。
目前國內(nèi)外的相關(guān)發(fā)展仍存在突出問題:空間網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)的基礎(chǔ)理論薄弱,標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系空白,對于巨型低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的地面模擬測試環(huán)境欠缺。因此,一方面需要對網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、業(yè)務(wù)場景、服務(wù)質(zhì)量、接入網(wǎng)技術(shù)、承載網(wǎng)技術(shù)、核心網(wǎng)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)安全、設(shè)備與測試規(guī)范等制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),另一方面需要建設(shè)完整有效的地面測試與評估系統(tǒng),支持系統(tǒng)研發(fā)質(zhì)量提升,降低系統(tǒng)在軌故障風(fēng)險。
未來5年,著重突破天地復(fù)雜環(huán)境下高可靠高速率傳輸技術(shù)、多時空尺度密集型巨星座信息組網(wǎng)技術(shù)、動態(tài)網(wǎng)絡(luò)頻率干擾規(guī)避及共享技術(shù)、面向多業(yè)務(wù)特性的空間網(wǎng)絡(luò)資源分配技術(shù)、通信/感知/定位一體化技術(shù),形成相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。
未來10年,重點(diǎn)突破超大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)跨域態(tài)勢感知與智能網(wǎng)絡(luò)協(xié)同傳輸技術(shù)、星地一體頻率感知與同頻共用技術(shù)、星地協(xié)同組網(wǎng)與融合共用技術(shù)、太赫茲高速傳輸技術(shù),形成相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。
未來15年,著重發(fā)展空間邊緣計算與信息融合處理技術(shù)、天基智聯(lián)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架技術(shù)、星地融合無感切換技術(shù)、天地智能協(xié)同組網(wǎng)技術(shù),形成相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。
衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)暴露且信道開放,異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)且網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涓叨葎討B(tài)變化,高鏈路誤碼率對網(wǎng)絡(luò)性能造成負(fù)面影響,長時延和間歇性降低網(wǎng)絡(luò)反饋的及時性,星上資源受限影響計算能力,這些都是空間互聯(lián)網(wǎng)星座系統(tǒng)安全性受限的因素。國外的空間互聯(lián)網(wǎng)星座系統(tǒng)在國內(nèi)落地應(yīng)用后,將帶來一系列的安全問題。我國的空間互聯(lián)網(wǎng)在全球運(yùn)營后也將面臨泄露敏感數(shù)據(jù)、威脅重要基礎(chǔ)設(shè)施和關(guān)鍵設(shè)備、竊取寬帶資源等安全風(fēng)險。
在物理安全、運(yùn)行安全、數(shù)據(jù)安全等層面開展空間互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)安全架構(gòu)研究。空間互聯(lián)網(wǎng)星座系統(tǒng)在設(shè)計之初就應(yīng)充分考慮網(wǎng)絡(luò)安全的要求,各個分層、各個系統(tǒng)的業(yè)務(wù)需求要與安全需求相互融合,安全能力要嵌入各個分層、各個系統(tǒng)的方方面面;有效阻斷外來惡意攻擊,有效遏制內(nèi)部人員的違規(guī)和惡意行為,實(shí)現(xiàn)“數(shù)據(jù)拿不走、網(wǎng)絡(luò)擾不癱、應(yīng)用阻不斷、蹤跡隱不掉”。
未來5年,對空間互聯(lián)網(wǎng)設(shè)計的安全協(xié)議、安全機(jī)制、安全措施進(jìn)行聚合,實(shí)現(xiàn)對空間互聯(lián)網(wǎng)的全面安全監(jiān)管和治理;構(gòu)建涵蓋物理層、鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、應(yīng)用層及跨層通訊安全的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。
未來10年,重點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢感知可全方位、全流程把握空間互聯(lián)網(wǎng)的運(yùn)行安全態(tài)勢,持續(xù)檢測各個尺度、維度、層次的安全威脅,結(jié)合歷史安全事故、威脅情報對未知威脅進(jìn)行分析檢測,作出安全威脅預(yù)判和并啟動預(yù)置防護(hù)措施,保持安全事件應(yīng)急的自動化響應(yīng)。
未來15年,空間互聯(lián)網(wǎng)配置先進(jìn)的安全防護(hù)技術(shù)和管理保障制度,將網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)能力全方位融入業(yè)務(wù)系統(tǒng),為空間互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供持續(xù)的安全服務(wù)保障。
我國空間互聯(lián)網(wǎng)采取分階段建設(shè)、彈性擴(kuò)展、持續(xù)演進(jìn)的策略,系統(tǒng)在應(yīng)用層面上呈現(xiàn)循序漸進(jìn)的特征。短期來看,受衛(wèi)星數(shù)量、空間網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的制約,系統(tǒng)建設(shè)初期支持的用戶數(shù)量、應(yīng)用場景均有限,將主要面向政府機(jī)構(gòu)、科學(xué)考察、救災(zāi)應(yīng)急、自然保護(hù)等重點(diǎn)領(lǐng)域提供服務(wù);隨著系統(tǒng)能力提升,逐步開放面向民航、海上、偏遠(yuǎn)地區(qū)的行業(yè)用戶服務(wù);最終待系統(tǒng)服務(wù)能力充足后,面向普通消費(fèi)者提供大規(guī)模服務(wù)。
未來5年,重點(diǎn)面向政府機(jī)構(gòu)開展典型場景下的應(yīng)用示范,面向海洋科考、極地勘探、搶險救災(zāi)、應(yīng)急保障、危化運(yùn)輸、自然資源保護(hù)等領(lǐng)域推廣應(yīng)用。
未來10年,面向行業(yè)用戶不斷拓展,重點(diǎn)開拓民航交通、海上交通及作業(yè)、無人機(jī)作業(yè)、石油開發(fā)、遠(yuǎn)洋運(yùn)輸、偏遠(yuǎn)地區(qū)基建等應(yīng)用市場。
未來15年,在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)不斷成熟的基礎(chǔ)上,面向普通消費(fèi)者市場拓展應(yīng)用,采用新型通信技術(shù),解決天地一體融合接入難題,提供天地?zé)o感切換的高質(zhì)量網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)。
七、對策建議
統(tǒng)籌我國衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)規(guī)劃,建立高、低軌星座協(xié)同發(fā)展機(jī)制;整合優(yōu)勢力量與資源,形成新興領(lǐng)域發(fā)展合力,實(shí)質(zhì)性推進(jìn)我國空間互聯(lián)網(wǎng)星座系統(tǒng)的體系化發(fā)展。
構(gòu)建關(guān)聯(lián)企業(yè)協(xié)同發(fā)展模式,倡導(dǎo)市場主導(dǎo)下的多元投入、多方合作,以產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為紐帶,積極引導(dǎo)社會力量參與空間互聯(lián)網(wǎng)星座系統(tǒng)的建設(shè)、應(yīng)用、維護(hù)。
有機(jī)整合我國現(xiàn)有的星座互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)規(guī)劃,統(tǒng)籌優(yōu)勢力量和資源,加強(qiáng)頻率軌道相關(guān)基礎(chǔ)研究,面向長期發(fā)展需求儲備空間頻率資源;瞄準(zhǔn)產(chǎn)業(yè)全鏈條發(fā)展目標(biāo),優(yōu)化低軌星座互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)規(guī)劃,加快推進(jìn)空間系統(tǒng)建設(shè),積極參與全球資源協(xié)作與競爭。
統(tǒng)籌推進(jìn)、加快建立統(tǒng)一的空間互聯(lián)網(wǎng)星座系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)體系。充分借鑒我國地面移動通信標(biāo)準(zhǔn)研制的成功經(jīng)驗(yàn),及時論證制定有關(guān)業(yè)務(wù)需求、網(wǎng)絡(luò)、測試、信息安全、應(yīng)用等系列標(biāo)準(zhǔn),指導(dǎo)相關(guān)系統(tǒng)的建設(shè)與應(yīng)用推廣。
建立空間互聯(lián)網(wǎng)星座系統(tǒng)知識產(chǎn)權(quán)服務(wù)平臺,構(gòu)建完備的知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)體系,提升產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新和知識產(chǎn)權(quán)綜合運(yùn)用能力,保障產(chǎn)業(yè)化過程的穩(wěn)健發(fā)展。針對新應(yīng)用、新業(yè)態(tài),研究空間互聯(lián)網(wǎng)星座系統(tǒng)的知識產(chǎn)權(quán)戰(zhàn)略、標(biāo)準(zhǔn)開源協(xié)議、知識產(chǎn)權(quán)風(fēng)險,構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)體系知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)全鏈條,支持形成空間網(wǎng)絡(luò)核心競爭力。
推動自主標(biāo)準(zhǔn)體系的國際化進(jìn)程,積極參與空間互聯(lián)網(wǎng)星座系統(tǒng)的國際標(biāo)準(zhǔn)研究與制定,提升中國標(biāo)準(zhǔn)的國際影響力。加強(qiáng)我國相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系在國際移動通信、民航組織、國際海事組織等重要行業(yè)的應(yīng)用推廣,支持我國空間互聯(lián)網(wǎng)星座系統(tǒng)“走出去”。
加快空間互聯(lián)網(wǎng)星座系統(tǒng)的核心元器件自主化進(jìn)程,開展宇航級核心元器件、關(guān)鍵部組件的研制,打牢大型空間系統(tǒng)工程建設(shè)的基礎(chǔ)條件。超前部署Q/V頻段射頻關(guān)鍵器件、高效率天線等核心部組件的自主研發(fā)計劃,增強(qiáng)我國空間互聯(lián)網(wǎng)星座系統(tǒng)的頻率保障能力。
加強(qiáng)運(yùn)載火箭關(guān)鍵前沿技術(shù)突破,提高大推力火箭發(fā)動機(jī)、運(yùn)載火箭重復(fù)使用等技術(shù)的成熟度,提升我國運(yùn)載火箭整體技術(shù)水平。優(yōu)化制造工藝與生產(chǎn)模式,突破火箭發(fā)動機(jī)、箭體結(jié)構(gòu)等大型部件的低成本、規(guī)?;圃礻P(guān)鍵技術(shù),顯著提高運(yùn)載火箭發(fā)射性價比,保障空間互聯(lián)網(wǎng)星座系統(tǒng)的規(guī)?;ㄔO(shè)、可持續(xù)發(fā)展。
加快提升地面應(yīng)用終端關(guān)鍵技術(shù),實(shí)施用戶終端先期研發(fā)計劃,突破低成本相控陣天線、核心芯片、高頻段器件、終端測試環(huán)境等技術(shù),形成批量的原創(chuàng)性成果。改善衛(wèi)星應(yīng)用終端領(lǐng)域核心元器件、高性能部件的自主可控水平,盡快形成與空間互聯(lián)網(wǎng)星座建設(shè)計劃相匹配、具有較好性價比的用戶終端規(guī)模化生產(chǎn)能力。
加強(qiáng)空間互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用創(chuàng)新,依托于衛(wèi)星星座、移動通信、新一代互聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)制造、智慧城市、智能交通等領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展,擴(kuò)寬空間互聯(lián)網(wǎng)的多元化、智能化應(yīng)用。拓展空間互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用廣度和深度,提升我國空間互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用產(chǎn)業(yè)的國際競爭力,促進(jìn)空間互聯(lián)網(wǎng)的可持續(xù)發(fā)展;發(fā)揮產(chǎn)業(yè)帶動力,支持金融、物流等現(xiàn)代服務(wù)業(yè)的快速發(fā)展與供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革。
推動空間互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用,發(fā)揮衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)全球覆蓋的優(yōu)勢,以資源共享、功能互補(bǔ)、能力互備為目標(biāo),實(shí)施多類業(yè)務(wù)共同承載,實(shí)現(xiàn)低軌星座對現(xiàn)有通信系統(tǒng)能力的差異化補(bǔ)充,適應(yīng)低延時、高帶寬、全球覆蓋的應(yīng)用需求。
合理加大空間互聯(lián)網(wǎng)安全架構(gòu)、安全協(xié)議、安全標(biāo)準(zhǔn)、密碼算法及安全管理體系等方面的基礎(chǔ)研究投入,在系統(tǒng)建設(shè)過程中規(guī)避安全隱患。加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢與對抗分析,提升威脅評估與預(yù)警能力,支撐網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國建設(shè)。著力建設(shè)高水平的空間網(wǎng)絡(luò)安全人才隊伍,培育“衛(wèi)星+網(wǎng)絡(luò)安全”跨領(lǐng)域技術(shù)人才,提升我國空間互聯(lián)網(wǎng)星座系統(tǒng)的核心競爭力。
加快空間互聯(lián)網(wǎng)新技術(shù)沖擊下的網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)體系建設(shè),完善網(wǎng)絡(luò)安全法規(guī),加強(qiáng)國外衛(wèi)星的過境信號監(jiān)測、非法衛(wèi)星通信終端管控分析能力,防止利用境外衛(wèi)星信息進(jìn)行跨境走私,固守網(wǎng)絡(luò)信息安全陣地。
注:本文內(nèi)容呈現(xiàn)略有調(diào)整,若需可查看原文。
周志成,衛(wèi)星總體技術(shù)專家,中國工程院院士。
我國通信衛(wèi)星工程、航天器動力學(xué)學(xué)術(shù)帶頭人之一。任我國新一代大型地球靜止軌道衛(wèi)星公用平臺(東方紅四號)總設(shè)計師,是我國通信衛(wèi)星進(jìn)入國際先進(jìn)行列并打入國際市場的開拓者之一。30年來,長期工作在衛(wèi)星研制一線,主持研制成功十余顆應(yīng)用衛(wèi)星。在東方紅四號衛(wèi)星平臺的軍用、民用和國際商業(yè)衛(wèi)星研制過程中,主持攻克大容量、長壽命、高可靠等重大技術(shù)問題,為我國衛(wèi)星工程技術(shù)跨越發(fā)展做出了創(chuàng)新性貢獻(xiàn)。

本文轉(zhuǎn)載自“中國工程院院刊”,原標(biāo)題《我國空間互聯(lián)網(wǎng)星座系統(tǒng)發(fā)展戰(zhàn)略研究》,作者 |?李峰、禹航、丁睿、王寧遠(yuǎn)、王雨琦、周志成
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中國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的政策、路徑及推進(jìn) ——專訪工業(yè)和信息化部信息技術(shù)發(fā)展司副司長王建偉

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