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对准前沿 修建消息“天路” 编者案 作为国度主要的消息根本举措措施，空间消息收集以卫星、无人机、飞艇等天基平台或邻近空间平台为首要载体，经由过程将各类空间平台和地面收集一体化互联，实现海量数据的收集、传输和处置等功能。 2013年，国度天然科学基金严重研究打算“空间消息收集根本理论与要害手艺”启动，展开了长达8年的攻坚克难，并完成竣事评估。 该严重研究打算周全完成了既定使命，使我国空间消息收集相干范畴实现快速成长，研究程度从跟踪并行提高到部门功效跻出身界进步前辈行列。 最近几年来，把实现手机无线通讯的基站搬上天，修建笼盖全球规模、全天候、全天时的消息“天路”成为世界列国竞相干注的热门。在这一范畴，我国科学家超前结构，率先提出通讯、遥感、导航三年夜功能一体化、收集化的斗胆假想。 自2013年起，在国度天然科学基金严重研究打算“空间消息收集根本理论与要害手艺”的撑持下，来自分歧学科范畴的科学家协同作战，对准消息收集学科成长前沿，环绕要害科学问题展开了长达8年的攻坚克难，并完成竣事评估。 业内专家认为，在该严重研究打算撑持下，科学家们成长出原创的空间收集和空间消息传输处置新理论与新手艺，晋升了我国空间消息收集成长程度。 超前结构 人们在平常糊口中离不开的手机依托基站接入互联网，基站经由过程数据高速传输实现林林总总的通讯和社交功能。但是，在近海航行、应急救济、深空探测等特定场景下，因为地面基站不敷用，手机没法实现联网。 对此，科学家脑洞年夜开：把基站搬上天，消息办事能力就可以获得极年夜提高，人就不会掉联。20世纪90年月，发财国度接踵提出一系列“空间消息收集打算”，测验考试展开一些演示验证，首要依托卫星实现天基收集的通讯。 早在2005年前后，中国科学院、中国项目院院士李德仁率领一批专家在国内率先提出通讯、遥感、导航三年夜功能一体化、收集化的假想。 “对天基收集要传输哪些消息，一最先，专家们的假想不只局限在通讯上，还包罗多媒体、传感器的消息等。”近日接管采访时，该严重研究打算指点专家组副组长、中国科学院院士龚健雅告知《中国科学报》，“我国科学家提早洞见了这个范畴的手艺成长趋向。” 颠末持久钻研，科学家们提出了“空间消息收集”的界说。他们认为，空间消息收集是国度主要的消息根本举措措施，它以卫星、无人机或飞艇等天基平台或邻近空间平台为首要载体，经由过程将各类空间平台和地面收集一体化互联，实现海量数据的收集、传输和处置等功能。 科学家们的共鸣是，只要从根本研究做起，改变这一范畴无普适模子、缺少理论系统的近况，才有可能真正实现把基站搬上天的斗胆假想。“我国也要在空间消息收集范畴超前结构，把握自立可控的焦点手艺，力争在空间消息收集范畴实现手艺冲破。”龚健雅暗示。 2013年，国度天然科学基金委员会启动严重研究打算“空间消息收集根本理论与要害手艺”，旨在冲破空间消息收集理论与手艺的诸多科学困难。酝酿8年、履行8年，共16年时候，该严重研究打算周全完成既定使命，到达预定科学方针，使我国空间消息收集相干范畴的研究实现了从跟踪并行到部门功效跻出身界进步前辈行列的快速成长，对此，专家们深感高傲。 功效丰富 在该严重研究打算实行之初，科学家们集思广益，凝炼出三年夜要害科学问题，即“空间消息收集模子与高效组网机理”“空间动态收集高速传输理论与方式”“空间消息稀少表征与融会处置”。 这三年夜要害科学问题慎密相连，具有一脉相承的清楚逻辑关系。简单地说，第一是若何建立动态收集，包管卫星、无人机等空间“基站”之间联通；第二是这些基站之间若何进行高速传输；第三是对基站取得的年夜容量遥感数据若何进行智能处置与高倍紧缩，以便用户可以或许及时利用。 在该严重研究打算实行的8年里，来自分歧学科的科学家协同作战，环绕上述科学问题进行攻关，获得了丰富功效。这些功效包罗提出动态收集建模和容量计较、空间动态组网机理和和谈、收集系统布局和治理节制等理论与手艺，空间收集新型编码和调制、空间动态链路的高效传输、空间收集多波束多址接入等理论与手艺，在轨空间数据的及时感知认知和智能遥感影象办事的新理论，并利用在我国高分、资本、遥感等三年夜系列卫星影象处置系统。 在该严重研究打算实行中，学科交叉在科学研究中获得高度正视。龚健雅引见，首要触及消息、地球与数理学科的交叉。 例如，在地球与消息学科的交叉中，研究人员将地球科学中的卫星遥感、导航定位等科学手艺与消息科学中的动态组网和高速传输等劣势相连系，极年夜晋升了地学消息的时效性和蔼象不雅测和灾难猜测的切确性。 而在数理与消息学科的交叉融会中，研究人员将物理学中的太赫兹高速调制器件设想、太赫兹相位调控与消息学的太赫兹传输理论相连系，使适当时国际最快调制速度提高了1个数目级，在空间太赫兹波透射式相位调控问题上实现了道理性冲破。 这些研究功效获得了学界的承认。该严重研究打算实行时代，科学家共颁发论文跨越3000篇，取得国际相干学术奖23项。 不但如斯，更令科学家们感应欣慰的是，多项根本研究功效“上了天”。“对通讯，由于今朝天上没有收集，我们最后的打算只是想提出理论，在地面展开验证。”龚健雅说。跟着项目标推动，他们对基在根本研究的处理方案掌控愈来愈年夜，最先面向全国普遍收罗定见，寻觅卫星实验的机遇。 没想到的是，赫赫有名的斗极卫星导航系统抛来橄榄枝。“‘斗极’的专家告知我们，虽然‘斗极’是导航卫星，但有一些卫星是具有通讯功能的，但愿采取一些进步前辈的通讯手艺，便赞成我们在‘斗极’上展开实验。我们终究取得成功。”龚健雅暗示。 另外，2023年1月发射的“双清一号”科学尝试卫星也是打算外的产品。龚健雅引见，科学家们对遥感影象稀少表征与融会处置困难的手艺冲破引发了航天东方红卫星无限公司的爱好。该公司与其他单元自动提出合作意向，完成卫星的设想、制造和发射。今朝，这颗卫星已作为严重科研根本举措措施为全国科研单元供给开放式卫星在轨尝试验证情况。 项目研究的履历让科学家们深信，只要根本理论和要害手艺足够进步前辈、高效、靠得住，利用单元才会敢用、能用而且想用。 组织保障 该严重研究打算实行时代，指点专家组、秘书组与治理工作组相互共同、共同努力，为各个项目获得科学冲破供给了坚实的组织保障。 整体而言，指点专家组的工作一直贯彻“两个连系”准绳，即“顶层设想的方针导向与科学家自在摸索相连系”“遴选新项目与整合集成在研项目相连系”。据悉，指点专家组在项目指南拟制，组织学术交换会、集中钻研、调研等方面展开了年夜量注意的工作。 龚健雅坦言，指点专家组碰到的一个坚苦是，在根本研究自在摸索的原生文化下，若何进行有组织、有方针的年夜型研究。对此，他们的处理方案是，从根本理论立异阶段最先，指点专家组就普遍听取各方定见，深切、注意地介入标的目的结构，阐扬好“梢公”的感化。 “在会商一个撑持标的目的时，我们指点专家组都要约请相干范畴的专家或正在承当课题的科学家一路先开两三天����APP的会，会商这个课题的近况和未来的成长标的目的。”龚健雅回想说，“大师构成一些设法后，由我们指点专家组召开闭门会来决议将来撑持的标的目的，我们会随时监控这些标的目的进展的状况。” 同时，该严重研究打算还经由过程年度学术论坛、遥感影象解译年夜赛、专题组织交换等情势，不竭牵引各个课题组环绕既定方针展开工作，把指点专家组的主意、企图传送、贯彻下去，摸索国度天然科学基金严重研究打算的研究组织模式。 有了指点专家组的周密摆设，科学研究朝着既定方针一步步不竭推动。据领会，该严重研究打算的研究过程年夜致可分为三个阶段：2013—2016年为第一阶段“根本理论立异阶段”，首要使命是环绕三年夜要害科学问题实时摆设方针需求导向研究工作，为后续研究奠基理论根本；2017—2018年为第二阶段“要害手艺冲破阶段”，经由过程项目结构成立空间消息收集模子，构成消息传输理论与方式，建立消息表征与处置方式系统，同时冲破相干要害手艺，构成根基的算法库和仿真测试平台；2019—2021年为第三阶段“集成演示验证阶段”，进一步完美仿真测试平台，完成集成演示验证，重点进行项目和功效的集成升华。 同时，除指点专家组的尽力外，一个具有学术认知力和科研组织力的壮大秘书组团队也阐扬了不成或缺的感化。另外，与指点专家组共同的治理工作组担任对该严重研究打算的实行进行整体审核、调和和组织评估。他们严酷依照相关治理划定，对项目帮助进行规范操作和治理，真正做到了公道、公允、公然。 面向将来，科学家们决定信念满满，在根本研究和要害手艺已获得冲破的今天，我国已预备好绘就“空间消息收集”蓝图的要害手艺，消息“天路”胡想指日可待。 ▲严重研究打算实行时代的比赛颁奖现场。 ▲科研人员在青海年夜柴旦展开在轨卫星、邻近空间气球、系留气球、无人机等多类平台协同的天临空位一体空间消息收集快速响应利用实验。 要害手艺冲破为抢险救灾快速响应供给消息撑持 天然灾难是典型突发事务，周全、正确、快速的消息撑持是包管抢险救灾措置效力的要害。 在国度天然科学基金严重研究打算“空间消息收集根本理论与要害手艺”撑持下，科研团队以典型突发事务快速响应为使命布景，展开空间消息收集要害手艺分析集成与演示验证。 中国项目院院士、航天遥感范畴专家江碧涛引见，科研人员环绕空间消息收集高效组网、高速传输和融会处置三年夜要害科学问题，研究了要害手艺集成与验证方式，研制或革新了包罗平台、载荷和仿真验证系统在内的焦点软硬件装备。 自2017年起，科研团队分阶段在内蒙古、北京、西藏和青海等地展开了演示实验，验证了空间消息收集高效组网、高速传输、融会处置等手艺功效，演示了空间消息收集在严重突发事务中的利用结果。 例如，2017年9月，在内蒙古展开的飞翔实验中，研究人员初次实现面向突发事务快速响应的卫星和飞艇协同不雅测，验证了星-地、空-地数据传输链路的可行性，初步成立了空间消息收集快速响应利用流程。 2020年1月，在北京展开的基在系留气球平台的高速激光传输实验初步实现了视频数据的高速激光传输能力，验证了空-地高速激光传输的可行性，为鞭策手艺功效转化利用供给了标的目的。 2020年12月，在西藏展开的在轨卫星、系留气球、无人机等多类平台协同的飞翔实验在国内初次实现了一对多高速激光传输能力，完成卫星、气球、无人机的协同不雅测，并初次展开基在空-地平台的光电夹杂组网传输，为鞭策空间消息收集利用奠基了实际根本。 2021年10月，在青海展开的在轨卫星、邻近空间气球、系留气球、无人机等多类平台协同的天临空位一体空间消息收集快速响应利用实验，初次实现了基在邻近空间平台的毫米波通讯传输。 专家们认为，一系列实验成功验证了根本研究和要害手艺的冲破，展现了摹拟实在场景下空间消息收集在天然灾难等严重突发事务中的庞大利用潜力。 科研人员在西藏展开飞翔实验。 “双清一号”卫星：供给遥感消息及时智能办事 在轨遥感影象消息提取和智能处置是空间消息收集的主要构成部门，也是实现空间消息收集情况下快速、正确、矫捷的遥感消息智能办事方针的主要环节。 为向全国科研单元供给开放式在轨尝试验证平台，在国度天然科学基金严重研究打算“空间消息收集根本理论与要害手艺”撑持下，武汉年夜学结合航天东方红卫星无限公司等单元结合设想研制了一颗智能遥感科学尝试卫星“双清一号”，又称“珞珈三号01星”。 2023年1月15日，“双清一号”在我国太原卫星发射中间搭载长征二号丁运载火箭升空。 武汉年夜学传授王密引见，“双清一号”是一颗集遥感与通讯功能在一体的智能遥感尝试卫星，具有“多模”“智能”“互联”“开放”四年夜特点，立异实现了亚米级多模式彩色成像、在轨智能处置、星地-星间及时传输和在轨利用法式上注更新，星下点空间分辩率达0.7米。 “双清一号”卫星还具有开放式在轨处置软硬件平台，经由过程利用法式可实现动态摆设展开遥感影象消息提取和智能处置的科学尝试。用户可按照分歧的使命需求对星上智能App算法进行矫捷的上注、更新与卸载，实现面向挪动终端用户多样化利用需求的遥感消息及时智能办事。 环绕该严重研究打算的科学方针，“双清一号”验证了多项要害手艺的可行性，包罗“星地协同的在轨高精度定位与智能处置手艺”“稀少表征与融会处置手艺”等；首创了互联网智能遥感卫星面向地面挪动终真个在轨处置与及时传输办事的新模式，打破了保守卫星遥感数据办事模式，缩短了卫星数据获得、处置、传输和分发的时候。 据领会，“双清一号”智能遥感科学尝试卫星自入轨以来，已为土耳其、叙利亚地动灾区评估，内蒙古阿拉善煤矿坍塌灾情评估等供给了数据办事，为兰州、日喀则等多个地域生成了实景三维地图，实现了迪拜机场、昆明机场的静态、动态飞机数目监测和尼日利亚卡洛市的车流量监控办事。在科研团队的不懈尽力下，卫星数据获得、处置、传输和分发的时候从数小时级缩短到了10分钟之内。 科研团队等候，在“双清一号”助力下，相干科学研究能为遥感数据公共化挪动终端办事供给无力支持。 “双清一号”取得的西藏日喀则实景三维地图。 兼顾六合！“斗极”完成多项进步前辈手艺在轨验证 国度天然科学基金严重研究打算“空间消息收集根本理论与要害手艺”实行时代，在前期撑持项目已获得根本理论立异功效的环境下，展开在轨验证势在必行。为此，“基在多功能卫星平台空间消息收集要害手艺集成验证”项目在斗极卫星导航系统上睁开。 斗极卫星导航系统项目副总设想师、斗极三号卫星首席总设想师谢军引见，科研团队操纵现有在轨卫星的系统架构、多功能平台、增量载荷，和星上软件可重构等资本，展开基在多功能卫星平台的空间消息收集要害手艺集成验证。 科研人员基在斗极导航卫星系统根本能力，操纵包罗3颗地球静止轨道卫星（GEO）、3颗倾斜地球同步轨道卫星（IGSO）和多颗中轨道卫星（MEO）平台，和增量载荷设置装备摆设、地面站资本和实验装备等在内的卫星系统平台资本，搭建了“多功能卫星集成验证平台与验证情况”，具有星间速度为1吉比特/秒（Gbps）、星地链路不低在300兆比特/秒（Mbps）的传输能力。 同时，科研团队研制了“基在在轨卫星星座的天基消息收集资本设置装备摆设管控与评估系统”。据领会，该系统以空间收集链路验证场景为根本，冲破了极窄波束、远距离、双端高动态指向与建链等焦点手艺，在19000～62000千米星间距离的前提下，在国际上初次成功实现中高轨卫星间激光建链通讯。 另外，科研团队还别离以空间收集和谈、空间收集路由、空间收集接入等验证场景为根本，获得了一系列功效。此中，以空间收集和谈验证场景为根本，初次完成了“互联网和谈第6版”（IPv6）空间组网利用实验，验证了高动态前提下高速星间星地收集中的IPv6手艺体系体例。 以空间收集路由验证场景为根本，科研团队初次成功展开“开放的最短路径优先和谈第3版”（OSPFv3）空间动态路由利用实验，实现了基在OSPFv3的空间收集动态路由功能。 以空间收集接入验证场景为根本，科研团队完成基在在轨卫星短报文的泛在接入手艺验证，低轨卫星用户经由过程在轨卫星系统“及时”将天基消息下传至运转中间，展现出导航/遥感天基消息一体化的利用结果和前景。 科研人员总结称，这一集成项目将理论根本研究功效与项目扶植功效进行无机连系，充实操纵各类空间实验资本并连结必然的低本钱投入，冲破且把握了空间组网的相干要害手艺，有用增进了理论功效向项目利用的转化，无望为我国下一代卫星导航系统成长堆集手艺和经验。 斗极三号全球导航系统示企图。 （本版内容由本报记者甘晓采写，图片由研究团队供给）
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