空間資源科學利用已成為全球需要共同面對的新問題
自1957年前蘇聯發射第一顆人造地球衛星，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略資源。人類對空間軌道資源的競爭首先發生在距地球約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、氣象和軍事衛星，占據了絕大部分的GEO資源。新一輪的太空競賽始于銥星系統，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”系統在軌衛星共發射衛星超過7000顆[2]，雖然已有超過2 000顆衛星失效或墜毀，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。由于空間軌道和衛星頻率是綁定使用的關系，衛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，目前已公布的衛星互聯網星座計劃的衛星總數已超過十萬顆，與地球表面可布設的千萬乃至數億以上基礎設施(如移動通信基站)數量相比，雖然不在一個數量級，但是受衛星天線口徑和衛星軌道控制能力等約束，可以容納的星座系統數量仍是很有限的。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移能力等約束，空間軌道資源的開發利用也是非常受限的。
對空間軌道資源的科學利用應得到充分的重視。當前，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。無序搶占導致盲目追求系統規模，缺乏對軌道頻率資源的秩序化管理、調控，導致頻譜沖突愈演愈烈，寶貴的空間軌道資源被過度消費，嚴重制約空間軌道資源利用的可持續發展，空間飛行物體碰撞的風險急劇增加，對空間環境、地球生態也將產生不可估量的影響。對空間軌道資源的科學利用需要跳出簡單的“規模換能力”的思維模式，探索構建衛星網絡的新范式。通常，通信衛星星座通過“服務區拼接、接續服務”的“平鋪式”方式，形成全球均勻連續時間覆蓋。由于業務需求分布不均，這種模式不可避免帶來較大的資源浪費。隨著星座系統規模不斷增大，不同星座系統之間、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同利用的秩序性，實現空間軌道頻率資源的有序管理、高效利用，成為亟待解決的關鍵問題。
智慧天網探索空間資源利用新范式
秩序出效率 。通信領域一個經典案例是時隙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，清華大學的青年學者團隊通過有組織地科研，參考經典物理與現代物理中對結構、秩序的探究，在軌道、時間、空間、頻率等維度上構建空間軌道頻率資源秩序利用準則，發明了泛同步軌道按需覆蓋星座設計方法。
眾所周知，宇宙億萬年演化形成恒星、行星及衛星有秩序的運行，在空間和時間維度上呈現出顯著的穩定性。在空間上，同一星系內恒星、行星等天體的運行軌道平面一般非常接近；在時間上，部分天體的公轉存在軌道共振現象[4](公轉周期為簡單分數比)。受此啟發，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系下穩定不變的衛星空間軌跡；在時間維度上，各軌道周期與地球自轉周期具有固定比例關系，從而可形成時空周期有序的結構，具有節律性。這種軌道的節律性為在時間、空間、頻率等維度上構建空間軌道頻率資源秩序利用奠定了關鍵基礎，可以最大程度地緩解不同星座間、星座內的資源沖突，有助于降低星座系統建設及管控的復雜度，也有助于多運營商衛星網絡的共享、共建和可持續發展。
基于泛同步軌道星座設計方法，清華大學團隊進一步創新設計了智慧天網寬帶通信(底座)系統，以8顆部署于中軌泛同步軌道(約2萬公里高度)的寬帶通信網絡衛星為一組，覆蓋全球，并可按需擴展為16星、32星，乃至144星及更多衛星的多重覆蓋網絡，規模彈性，支持與同步軌道衛星頻率共存、與低軌道衛星星座協同發展。智慧天網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利用關鍵技術，支撐形成“結構化定義、秩序化管控”的空間資源開發利用新方法，探索太空多系統共享共建和可持續發展的新路徑。
智慧天網還從按需覆蓋與天基交換兩方面重點開拓創新，顯著提高空間網絡通信的效率。首先，發展了基于星載相控陣技術的跳波束通信體制，構建衛星動態按需覆蓋通信新模式。傳統的空間網絡覆蓋通常是基于全景波束或固定點波束的預定式覆蓋，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。智慧天網通過擴展衛星通信波束的大小(陣元變化)、強度(功率分級)、數量(同時多波束)、空間(靈活指向)、時隙(覆蓋分時)等自由度，以及衛星和地面控制的精細化匹配，充分利用衛星通信波束對用戶服務過程中的位置特征等先驗信息，有效解決衛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，從而提高衛星通信的效率。
其次，智慧天網構建了一種星載確定性網絡交換新體制，服務于多樣化業務需求。隨著用戶業務種類的不斷增加，接入網絡的業務流量將呈現多優先等級并伴隨較高的并發性與突發性，加之復雜的傳播環境、動態的拓撲結構、時變的資源狀態，空間網絡通信的信息傳播/交換過程具有顯著的動態復雜性。傳統的星載交換技術與用戶體制綁定，“一體制一交換”的盡力而為模式難以滿足“準時、準確、按需”的確定性轉發需求。智慧天網在創新實踐中開展了確定性星載交換技術的研究，研制了星載確定性網絡軟定義交換機，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議體制解耦，在星上資源受限條件下可實現多種體制信息的統一交換，并克服衛星網絡對海外信關站的依賴。
多年攻關——智慧天網創新發展
2016年，清華大學研究團隊在多年衛星網絡通信的研究基礎上，設計形成智慧天網創新方案。2018年，上海市政府出資設立“智慧天網創新工程”重大科技專項，由清華大學牽頭，與上海航天局共同組織實施智慧天網首星及配測星的研制和技術驗證試驗。2020年，智慧天網創新工程納入上海衛星互聯網“新基建”建設行動方案，旨在為我國衛星互聯網新基建發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星，也是國際上第一顆中軌道天基網絡衛星——智慧天網一號01星，由長征三號乙運載火箭在西昌衛星發射中心發射升空。隨后，衛星順利進入預定中軌泛同步軌道并建立在軌試驗構型。目前，試驗團隊已完成了星地微波通信組網、星間激光通信組網等多項技術試驗，在軌試驗星間激光鏈路實現了10Gb/s連續48小時穩定相干通信(誤碼率優于1×10-7)，星地微波鏈路最高測試速率突破2Gb/s。
未來展望
空間軌道資源是衛星網絡系統建設與運行的核心基礎，是國家安全、經濟發展和科學探索重要的戰略資源。隨著全球衛星星座建設的快速發展，空間軌道頻率資源利用的沖突將不可避免，也不可忽視，空間資源科學利用已成為需要全球共同面對的新問題。智慧天網創新工程肩負突破空間頻率軌道資源科學利用關鍵技術、發展新型的天基網絡與通信技術及裝備、探索空間多系統共享共建和可持續發展新路徑等重要任務。下一步，為賦能衛星互聯網及天地一體網絡通信發展，清華大學及其聯合團隊將持續推動智慧天網的創新研究及關鍵技術成果轉化應用，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，著力開發新的空間頻率軌道資源的利用技術，包括新頻段的開發和既有頻段重耕、頻譜動態感知、空間物體感知、軌道精確控制等。其次，發展抗強輻射材料、器件部件以及高可靠系統設計等關鍵技術，增強系統在強輻射帶和穿越輻射帶等惡劣環境下生存及穩定運行的能力。再次，研究低成本、高效率的空間轉移新技術，發展高性價比新型空間運輸系統技術。
二是持續發展空間資源科學利用的新模式。研究從地面蜂窩網絡向空間立體“蜂房”網絡跨越的基礎技術，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，發展不同軌道、不同星座之間資源的高效協同利用策略。
三是持續加強衛星通信領域關鍵技術攻關。在物理層技術方面，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、高能效模數轉換和計算芯片、高精度時空基準獲取維持和傳遞、低開銷極限條件通信技術等研究，迅速形成空間高速骨干互聯和隨遇靈活接入的通信底座核心技術群；在網絡層技術方面，構建智能樞紐中繼節點，按需形成用戶集群，打造多層次、分布式、自組織的結構化衛星網絡，突破云、邊、端一體化網絡協議架構設計和智慧內生算網融合架構設計技術，為滿足遠海、遠域通信機動組網和邊緣計算應用等需求奠定基礎。
參考文獻
[1] 央視網.太空競賽[EB/OL].[2024-08-12].https:/jishi.cctv.com/2012/12/10/VIDA1355147880492337.shtml
[2] 技經觀察.2024年"星鏈"系統發展回顧[EB/OL].[2024-08-15].https://baijiahao.baidu.com/s?id=1817052424585150045&wfr=spider&for=pc
[3] 程文青,趙夢欣,徐晶.改進的RFID動態幀時隙ALOHA算法[J].華中科技大學學報(自然科學版),2007(6):14-16
[4] 國家天文科學數據中心.天文學名詞——軌道共振現象[EB/OL].[2024-08-15].http://nadc.china-vo.org/astrodict/
