在璀璨星河织就中国“天网”！网通院突破低轨星座大规模空间组网技术

网通院突破低轨星座大规模空间组网技术

在璀璨星河织就中国“天网”

在人迹罕至的荒漠，还能到网络世界冲浪；在通信基站损毁的灾区，手机也能时刻在线……

在河北，中国电科网络通信研究院攻克了这一技术。9月2日，在全省科技大会、河北省科学技术奖励大会上，网通院“低轨卫星星间星地互联网关键技术及应用”项目获特等奖，这是我省首次颁发该奖项。该项目实现低轨星座大规模空间组网技术从0到1的突破，攻克了星座高速运动状态下星间和星地组网路由以及可靠传输等技术瓶颈，填补了我国低轨卫星星间组网通信的空白。

把“基站”搬到卫星上

近日，记者走进网通院卫星通信专业部7楼实验室，网通院研究员级高级工程师、项目主要完成人张亚生在电脑上打开一张“星图”，每一个白点代表一颗卫星，他们围绕地球分布，密密麻麻，形成一张大网。

这张“网”，就是卫星互联网。

“地面网络通信主要依靠基站，而卫星互联网则是基于卫星，每一颗卫星都是一个移动的基站。”张亚生说，有了这张“网”，人们无论是在海洋、深山、沙漠，还是在无人区，都能通信。

这项技术，欧美国家比我国起步早几十年。

2008年汶川发生大地震，地面基站损毁，灾区打不出电话、发不出短信、上不了网，只能靠不受地面环境影响的卫星联络。“那时咱们国家还没有自己的卫星通信系统，只能租用国外的，被人‘卡脖子’的滋味太难受了！”张亚生说。

“国家安全不能受制于人！”2013年，网通院下定决心，把“基站”搬到卫星上，建设自主可控的低轨卫星互联网。

“空间频率资源是有限的，并且低轨接入网技术十分复杂、建设难度大。”张亚生介绍，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，却是系统能否正常运行的关键。

2014年，项目组召开第一次碰头会。

“路由协议怎么设计？如何克服拓扑缺陷？那是一次真正激烈的思想碰撞，问题都摆在了桌面上。”张亚生回忆，小到一项功能开发，大到完整的系统，讨论异常激烈。

从那天起，研发团队从零开始，一项项攻关。

让卫星“聊”起来

通过星间链路，让卫星“聊”起来，数据就可以直接在卫星之间传输，减少对地面站的依赖。

但打通链路并不容易。低轨卫星高速移动，给研发带来了不小的挑战。

由于离地球近，低轨卫星受向心力的影响，相对地面接收机的移动速度高达7.9公里每秒。

“在这种情况下，卫星通信就会产生多普勒效应。”网通院高级工程师周士雷用坐火车打了个比方，当火车接近通信基站，基站接收到来自手机的电磁波频率会变高，远离时，电磁波频率变弱，这种频移会导致传输速率降低，出现通信卡顿。

要实现稳定连续的通信，终端就必须频繁地切换到距离最近的卫星上，但切换越频繁，失败的可能性就越大。

“我们几乎每天都在争论。”周士雷告诉记者，在他们的办公桌下，除了一摞摞资料，几乎每人都有一张加班用的折叠床。

白天做试验，晚上凑到一起分析问题、总结经验。经过不断摸索，团队终于想到办法：通过持续对低轨卫星主动引导信号进行测量，生成矫正载波和补偿载波，使整个系统抗多普勒效应的能力大大提升。

多普勒效应的问题解决了，但团队又遇到另一个难关——提高星载处理能力，实现系统扩容。

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，资源消耗量大，并且受太空中的高能粒子、辐照影响，地面高性能器件不能直接用在卫星上。

“一开始，我们的系统容量只能支持十几个用户同时使用。”张亚生意识到，只能通过更高水平的算法、更高性能的软件，弥补硬件方面的不足。

扩容的关键，是寻找新架构和新协议簇。

屡次试验失败后，一次头脑风暴时，有人提出，能不能将路由计算和数据转发分离？路由计算由地面负责，减轻卫星算力负担。

“可行！”经过一番论证，大家惊喜地发现，星地分离的架构，能屏蔽大量的地面用户IP路由信息的扩散，降低路由表规模。

基于此，他们又通过研究对比多种技术路线，提出适用于高动态低轨卫星互联网的组网架构与协议簇。

再一次试验，新架构和新协议簇让地面卫星终端接入规模提高10倍以上。“这看似简单的‘协同优化’设计思路，是在多少次通宵达旦后，才换来的灵感啊！”张亚生兴奋地说。

把路由器送上天

技术难题一个个被攻克，但大家心里还是有无数个问号：上天以后能不能完成任务？天地差异的计算是否精准……

“能不能先造两个小卫星，把路由器送上天？”这个提议一出来，团队立即行动起来。

理论上，把天基路由器装进卫星送到天上就行，然而，每颗卫星仅重65公斤，刨去燃料、太阳能板、外结构等，留给路由器的有效载荷不足15公斤。“试验任务设计有多种功能需要实现，如果每种功能都打造一个硬件平台，卫星就会严重超重。”网通院高级工程师王薇说。

在这个有限的空间，实现功能的有效集成，让团队伤透了脑筋。

一次次将技术方案推倒重来的过程中，研究团队发现，每种功能的实现都需要进行数字信号处理。针对这个共同点，他们设计出“N合1”的一机多能核心处理载荷。

王薇拿起手机，翻出一张天基路由器的照片说：“盒子仅5公斤重，一个硬件平台就实现了所有功能。”

2019年6月5日，长征十一号海射运载火箭成功将作为试验卫星的“天象”1、2星送入预定轨道。

用卫星做试验，得追着“星星”跑。

从探测到卫星出现到消失，只有8分钟，每天卫星最多出现6次。在这短暂的时间里，研究团队要从分系统到单机、从电路板再到微小器件逐一测试。

“整个系统牵一发而动全身。”王薇说，每一个细小的改动，都要经过不断地平衡、复盘和测试。

一个多月后的一天，当卫星信号再次到来，王薇在位于石家庄市桥西区的网通院，向30公里外的鹿泉测试基地拨出电话。

“喂？”

“通了！通了！”大家齐声欢呼。

技术创新带来广阔的市场空间。如今，该项目成果已全面应用于卫星互联网规模化系统建设中，近三年经济效益达30多亿元。

2023年1月8日，中国电子科技集团有限公司组织院士专家召开成果鉴定会，大家一致认为，该项目整体技术达到国际先进水平，其中，高动态星座组网机制和架构、标签路由协议技术国际领先。

目前，研究团队还在持续迭代低轨卫星组网技术，拓展应用场景。“原以为全球通联是个遥远的梦，如今已近在眼前。”张亚生说。（河北日报记者 刘荣荣 王璐丹）