“天象”升空!天地一体化信息网络试验卫星成功发射

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《测绘学报》

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5G实现后，通信技术下一步发展是什么？我们把基站搬到卫星上，和地面网连在一起，让网络无处不在，通讯随处可行。

一箭七星海上来，碧海万顷天象腾。6月 5 日12时 06分，我国在黄海海域首次采取海上发射的形式，用长征十一号运载火箭一箭七星发射成功。科技创新2030—“天地一体化信息网络”重大项目“天象”试验 1星、2星通过搭载发射，成功进入预定轨道，重大项目建设取得实质性进展，对于我国未来建设“低轨接入网”，具有重要的意义。中国电科副总经理李立功亲赴海上观摩并指导发射。



此次发射的两颗卫星由中国电科牵头研制，是我国首个实现传输组网、星间测量、导航增强、对地遥感等功能的综合性低轨卫星，是未来低轨道星座系统建设的最简网络模型。卫星搭载了国内首个基于SDN(软件定义网络)的天基路由器，在国内首次实现了基于低轨星间链路的组网传输，并在国内首次构建了基于软件重构功能的开放式验证平台。

本次卫星技术验证成果将支撑天地一体化信息网络中的低轨接入网星座建设，未来将为政府、企业、大众提供宽带接入、移动通信、天基中继、天基物联等服务，支撑“一带一路”全球性倡议，保障雄安新区建设、粤港澳大湾区、海南自贸港等区域建设，助力脱贫攻坚、增强信息普惠、填补信息鸿沟，提供全天时全天候高精度的应急救灾、航空航海信息服务，面向民众提供全球覆盖、按需服务的移动多媒体信息接入，满足多样化应用需求。

天地一体化信息网络作为国家 “科技创新2030--重大项目”之一，是我国建设科技强国、网络强国的重要标志，将在高轨、低轨和地面建设相互联结的三张网络，并同时和地面的互联网、移动通信网进行互通互联，形成与我国新时代战略需求相适应的网络信息服务能力，实现“国家利益拓展到哪里，信息网络覆盖到哪里”。

“天象”卫星为建设低轨接入网提供技术验证

天象卫星项目总设计师、中国电科首席专家、54所副总工程师孙晨华说，随着全球空间信息网络技术的快速发展，以及“一带一路”建设的深入推进，基于国家发展的战略需求及国家安全的需要，建设“天地一体化信息网”是大势所趋。

孙晨华介绍，天地一体化信息网重大项目低轨接入网规划60颗综合星和60颗宽带星，采用星间链路和星间路由技术，实现极少数地面关口站支持下的全球无缝窄带和宽带机动服务。

低轨接入网也称低轨星座系统，目前，全球在轨运营的主要有铱星、全球星、OBCOMM星三大系统，我国在该领域仍是空白。“空间频率资源是有限的”，孙晨华说，低轨接入网技术非常复杂，建设难度大，尤其是高动态多轨道多星条件下的星地、星间传输组网协议体系，看不见，摸不着，却是系统的神经网络和灵魂，是系统能否正常运行的关键。“此次发射的两颗低轨试验小卫星，希望以微小型平台、微小型载荷、小代价的软件定义、软件重构等方式，为未来低轨接入网建设提供技术验证和支撑。”

双星组网：卫星虽小，但功能强大

两颗天象小卫星，是我国首个基于Ka频段星间链路的双星组网小卫星系统。

位于石家庄的中国电科54所的工程师们，进行了大量而深入的研究，着眼于未来低轨接入网建设，设计了一个极简的网络模型，代表了低轨接入网发展的方向。这意味着，建成覆盖全球的低轨接入网，需要发射的卫星数量最少，单颗卫星的功能却非常强大。天象卫星利用先进的技术，不仅能实现双星组网传输，包括各种信息数据、语音、视频、图片的高质量实时传输，还兼具星间测量、导航增强、ADS-B、对地遥感等多项功能。

星间测量旨在解决后期小卫星发射及在轨运行的测量控制问题。低轨星座要实现全球覆盖，必须发射足够数量的卫星。通常情况下，卫星发射和运行需要一定数量的地面测控站提供测量与控制保障，但是，天象卫星搭载的星间测量，能够实现多星之间的距离测量和时间统一，实现卫星的“自主导航”，通俗地说，就是靠卫星自己解决测量和控制，减省地面站的数量，以及建设、运行、维护成本。

天象卫星项目副总设计师、中国电科首席科学家、54所导航国家重点实验室主任蔚保国说，未来导航日益向网络化体系演进发展，本次两颗组网的多功能综合低轨小卫星搭载的导航增强系统，是一次先行先试的有益探索。54所在国内率先按照“协同增强导航”的概念，成体系设计载荷和地面系统，集高精度接收、精密定轨与授时、信号发射、信号增强等于一体，在珞珈一号成果基础上，实现了基于星载GNSS观测的星间高精度相对测量，构建了低轨导航增强运控原型系统和地面监测评估系统，为后续低轨接入网实时精密定轨、星座构型保持、通导协同增强的科学试验提供关键技术支撑，未来对提升北斗导航增强以及广域高精度无人驾驶导航定位能力具有重要意义。

此次天象卫星的星载ADS-B载荷能够实时监视民航飞机飞行的位置状态，是面向民航飞行安全监控的应用示范，意在为构建航空安全星基监视网络提供技术验证，该网络被蔚保国命名为“天空之镜”。天象卫星首次实现了面向未来实际运行能力的航空监视信息在轨接收，星基ADS-B信号接收灵敏度相对当前国内水平提高了5db以上，达到国际先进水平，将大大提高有效监视的成功率，为建设自主的天地一体化全球航空星基监视网络提供有力支撑。据蔚保国介绍，比起目前国际通用的地面雷达监视，星基监视的优势显而易见的。雷达有很多盲区，不可能做到无缝覆盖，飞机一旦飞出雷达覆盖的范围，地面就会失去对飞机的监测。ADS-B能够实现飞机飞行路线的实时监测、记录，同时也具备回放功能，能够有效减少马航M370失踪事件的发生，避免飞机航班脱离监控。

此外，天象卫星配置光谱相机，能够为用户提供对地光学遥感服务。该相机除了具备传统相机的全色与红绿蓝近红外谱段之外，还增加了红边、水蒸气和气溶胶校正谱段，能更好获取植物长势、大气颗粒物、水汽含量等遥感数据。通过大区域范围内的高频次监测，能为用户提供工业污染排放监测、农业估产、林业和大气监测等服务。

应用场景展示

技术先进，天象小卫星“内涵不简单”

天象卫星每颗仅重65公斤。但是，它却倾注了中国电科技术人员的心血和智慧，突破了多项关键技术，实现了丰富的“内涵”。

不足15公斤的载荷，要实现多种功能的快速自如切换，中国电科54所的专家，突破了多功能重构的软件技术，构建了一个地面指令、地面上注、卫星软件重加载的开放的试验平台。孙晨华介绍，卫星一旦上天，不可能通过硬件集成的方式增加新的功能。开放平台具有重要意义，它意味着一旦有需要，就可以通过软件来定义新的功能，实现小卫星功能的拓展，或者实现新的功能组合。

“天象”卫星搭载了国内首个适应高动态条件的SDN天基路由器。孙晨华说，这是天象卫星关键的核心技术之一。天基路由器包含路由计算和数据转发两项技术。路由计算非常复杂，耗费资源多，对CPU（中央处理器）的要求也比较高，对于重量甚小的小卫星来说，是个比较大的负担。SDN技术的应用，实现了路由计算和数据转发的分离，这样，负责路由计算的控制器就可以从卫星上分离出来，在地面进行，大大减轻了小卫星的负担。

天象卫星另外一个关键的核心技术，是星间链路的设计。据介绍，天象卫星的星间链路采用了高动态的传输体制，通过较高速率的可靠的组网传输，实现各种数据、图片、语音、视频信息在星间、星地传输。通俗地说，两颗天象小卫星通过星间链路实现“信息共享”。

孙晨华指出，天基路由器和星间链路、天基网络控制各负其责，却又“密切合作”，实现星间组网传输。拿地面网络系统来打比方，天基路由器和天基网络控制的功能比较好理解，通过一定的协议保障数据层和控制面运行，而星间链路就好比是地面光纤，通过它，才能将一个个独立的小卫星联接成通联的网络系统。

无死角信息服务：“看得见”的应用效果

据专家介绍，此次“天象”卫星的相关技术将直接用于低轨接入网的研制建设，低轨接入网建成后，会给未来生活带来极大的便捷。可以预计，届时，卫星通信将更加普及，可以为用户提供成本更加低廉、信号更加优质、速率更高的数据传输服务，实现个人在移动通信困难的特殊场景中的“通信自由”。

此外，低轨卫星由于轨道低，信号衰减小，地面接收信号的终端就可以做得很小，甚至做到硬币那么大甚至更小。这样的话，通导遥一体的低轨接入网有可能为万物互联提供重要的技术基础。也许，在不远的将来，以物联网为基础的智慧家居系统将走进我们寻常的生活。

孙晨华指出，低轨接入网建成后，将填补我国低轨星座的空白。为我国以及一带一路沿线国家乃至全球用户，提供天基物联网、天基航空航海监视、移动宽带接入的无死角信息服务。

文章来源：“中国电科”微信公众号

编辑：天地一体化信息网络

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