电磁感知低轨星座系统 各领域各行业用户提供数据服务和行业应用服务

2021-01-08 14:41:44

党的十九届五中全会审议通过了《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十四个五年规划和二0三五年远景目标的建议》,提出要瞄准空天科技等前沿领域,实施一批具有前瞻性、战略性的国家重大科技项目。卫星系统被广泛应用于通信、监测、勘探、导航、科学研究等各个领域,与国家经济命脉和国家安全息息相关,一直是空天科技的重要发展方向。近年来,随着一网(OneWeb)计划、星链(StarLink)计划的提出与实施,在全球范围内掀起了一波低轨卫星星座发展的热潮。那么,我国如何发展低轨星座?发展什么样的低轨星座?

以史为鉴探寻低轨星座发展方向

自上世纪80年代起,在全球范围内陆续出现了以铱星(Iridium)、全球星(GlobalStar)、轨道通信(Orbcomm)等系统为代表的低轨星座计划,但由于市场、技术等多方面原因,尤其是地面蜂窝移动通信的兴起,这些项目大都未完成部署或发展艰难。近年来,低轨星座的发展热潮再度袭来,其中最具代表性的就是星链与一网计划。其中,马斯克的Space X既是卫星制造商,也是火箭制造商,他提出规模庞大的星链计划,首先看到的是大规模卫星发射带来的巨额利益,并通过“跑马圈地”的方式来抢占稀缺的卫星频率轨道资源,然而马斯克的神话能否继续目前还不明朗;一网计划在发射了74颗卫星后宣布破产保护,近期英国政府介入才得以续命。

综合以上情况可以看到,在现有技术条件下低轨通信星座建设发展依然面临着许多方面的问题与挑战:一是低轨星座的物理特性决定了较低的效费比。地球70%以上的面积是海洋、沙漠、森林等人口非常稀少的地区,如果利用全球覆盖的星座系统解决通信问题,就意味着始终有70%至80%的资源处于闲置状态,造成整个系统的资源浪费。二是低轨星座的频带资源限制了建设运营的可行性。频率资源是稀缺的不可再生资源,适用于低轨卫星移动通信的低频段频率资源目前已消耗殆尽,现有系统均采用更高频段解决用频问题,但同时也带来了技术复杂度及成本的增加,进一步带来地面推广应用的效费比问题。三是低轨星座面临着巨大的市场竞争压力。

低轨星座系统所能提供的通信能力,大都可通过同步轨道移动卫星、高通量卫星实现;我国现有3G、4G、5G移动通信系统以及地面有线网络快速发展,在人口密集区域高度发达,目前低轨星座通信系统在这些地方还没有不可或缺的“杀手级”业务应用可与地面系统“分庭抗礼”。技术进步与产业链逐步建立可以在一定程度上解决效费比低的问题,但不可或缺的“杀手级”核心应用还需进一步探索,按照传统思路发展低轨星座将极易陷入困局。

转变思路发展电磁感知“天行星座”

发展低轨星座首先要解决需求牵引的问题。人类社会已进入信息时代,当前几乎所有人类活动都伴随着电磁信号的产生,电磁空间的实时感知与有效掌控已日渐成为世界各国全方位竞争的制高点。“十四五”期间,建议在突破低轨通信星座相关技术的同时,把建设的重点转移到电磁感知上来,充分利用卫星系统“高边疆”优势,面向信息时代万物互联、电磁空间安全掌控及频谱资源高效利用等重大应用需求,打造天行星座系统,通过低成本微小卫星星座开展全球范围宽频带高动态电磁频谱感知,基于广域分布式协同探测技术,结合地面多源大数据处理,实现全球实时电磁感知、航班与船舶跟踪和物联网数据采集等功能,提升我国电磁空间掌控能力、支撑社会经济创新发展,为构建“数字地球”提供信息服务基础设施支撑。

(一)功能设想

全球实时电磁感知。电磁频谱数据中包含了大量信息,可有效地反映信息时代的人类活动特征。通过天行星座,实现全球范围的时、空、频域的持续覆盖,系统将全球电磁态势实时数据与历史数据结合进行处理,构建电磁空间知识图谱,为频谱管理、干扰检测、电离层/平流层探测,以及掌控电磁空间安全,实现频谱资源高效利用奠定基础。

全球航班跟踪。不间断接收全球航班发射的1090MHz频点信号,获得飞机位置、高度、航速、航向等信息,扩展空管系统能力,提高航路规划能力,为增强航空运力提供支持。

全球船舶跟踪。接收海上船舶AIS(自动识别)系统的信号,掌握全球航运情况、船舶身份、位置、航行方向等,支撑国家“一带一路”倡议和海洋强国战略。

北斗导航增强。天行星座提供额外测距信号,与北斗系统混合使用,利用低轨星座信号多普勒频移大和强度高等特性,提高导航定位精度和抗干扰能力,并有潜力将定位精度从米级提高到厘米级。

稀疏用户通信服务。天行星座充分利用自身的覆盖能力和特点,面向少数高端用户提供就近接入通信服务,包括长航时无人机、平流层飞艇、民航飞机等特定平台,成为拓展国家通信能力的基础设施。

广域物联网数据采集。利用低轨星座全球覆盖特性,支持广域物联网数据采集,例如海洋监测数据回传和野外目标跟踪等,从而服务于社会经济发展和国家重大安全需求以及全球治理。

(二)系统组成

天行星座系统由空间分系统、应用分系统和运维管理分系统组成,综合运用人工智能、大数据、云计算等技术,以期为全球任意地点的各类用户提供实时、准确、智能的定制化信息服务。

空间分系统由数百颗低轨小卫星组成,卫星配置多种载荷,以电磁频谱数据采集功能为主,导航增强和通信功能为辅。

应用分系统主要为各类用户提供按需定制服务,主要由数据接入站点、大数据处理中心、行业应用服务系统以及各类终端组成。其中数据接入站点是在运维管理分系统站点一体化统筹基础上的适当补充;大数据处理中心依托现有国家大数据中心等开展建设并增加部分处理节点;行业应用服务由各领域在统一的接口和标准规范下各自开发建设。

运维管理分系统主要完成系统的运行控制管理,包括各卫星的跟踪测量和监视控制,各类卫星载荷资源调度,应用分系统各数据接收站点、大数据处理中心、行业应用服务等的管理控制以及接入访问控制、数据加密、身份认证等安全管控。

(三)关键技术

天行星座系统改变传统低轨通信星座设计思路,以电磁感知为突破口,采用低成本微小卫星实现广域分布式协同探测,结合多源大数据处理,支持全球电磁频谱无缝实时感知和各类传感信息获取。其中涉及的关键技术包括:基于软件无线电(SDR)的宽频段、高动态电磁频谱检测,广域多星分布式协同感知,多源海量数据融合处理与挖掘,基于认知无线电(CR)的动态频谱共享,物联网大规模物端接入,星间宽带激光链路,星间高速交换与组网,毫米波、激光宽带移动接入。

(四)实施建议

“十四五”期间,重点开展电磁信号协同感知、广域传感信息高效获取等基础性研究;完成低成本、轻小型化低轨感知星座设计,发射试验卫星,构建系统效能评估与演示平台,进行关键技术验证与展示,为实现星座后续建设发展提供支撑。

2030年前,分步开展星座建设,完成地面测控系统、数据接收站点、大数据处理中心等基础设施建设,建成天行星座系统,为各领域各行业用户提供数据服务和行业应用服务。

通过发展以电磁感知为主要功能的低轨星座,在科技创新、产业发展和社会效益方面都有重大意义。在科研创新方面,全球电磁感知星座的设计改变传统低轨通信星座设计思路,以快速实现全球电磁频谱态势的时空连续感知为首要目标,填补全球范围内持续电磁感知能力的空白,新的架构设计将牵引众多新的技术问题及有关学科发展,推动“跟跑”向“领跑”转变,同时兼顾可行性与效费比,极具研究价值。在潜在经济效益方面,以天基物联网为基础,与地面5G物联网融合,支撑广域数据采集,带动地面芯片、模块、终端、传感器等产业发展,形成百亿量级的产业规模;同时构建天地一体物联网信息中心,形成运营服务生态体系,为用户提供天网和地网融合的物联网信息增值服务,形成新的产业增长点;另外基于海量电磁信号挖掘将推动产生各类创新应用,培育新的经济发力点。在社会效益方面,可基于该低轨星座建立全球海事、空事、应急搜救服务中心,为优化海上空中航线、保障航海航空安全提供基础,提高应急情况下的处理能力;基于海量电磁数据的信息处理能力,提供国民经济发展的宏观和微观信息,为产业布局、调整和优化提供参考。

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