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編者按
作為國家重要的信息基礎設施，空間信息網絡以衛星、無人機、飛艇等天基平臺或臨近空間平臺為主要載體，通過將各類空間平臺和地面網絡一體化互聯，實現海量數據的采集、傳輸和處理等功能。
2013年，國家自然科學基金重大研究計劃“空間信息網絡基礎理論與關鍵技術”啟動，開展了長達8年的攻堅克難，并完成結束評估。
該重大研究計劃全面完成了既定任務，使我國空間信息網絡相關領域實現快速發展，研究水平從跟蹤并行提高到部分成果躋身世界先進行列。
近年來，把實現手機無線通信的基站搬上天，構筑覆蓋全球范圍、全天候、全天時的信息“天路”成為世界各國競相關注的熱點。在這一領域，我國科學家超前布局，率先提出通信、遙感、導航三大功能一體化、網絡化的大膽設想。
自2013年起，在國家自然科學基金重大研究計劃“空間信息網絡基礎理論與關鍵技術”的支持下，來自不同學科領域的科學家協同作戰，瞄準信息網絡學科發展前沿，圍繞關鍵科學問題開展了長達8年的攻堅克難，并完成結束評估。
業內專家認為，在該重大研究計劃支持下，科學家們發展出原創的空間網絡及空間信息傳輸處理新理論與新技術，提升了我國空間信息網絡發展水平。
超前布局
人們在日常生活中離不開的手機依靠基站接入互聯網，基站通過數據高速傳輸實現各式各樣的通信和社交功能。然而，在遠洋航行、應急救援、深空探測等特定場景下，由于地面基站不夠用，手機無法實現聯網。
對此，科學家腦洞大開：把基站搬上天，信息服務能力就能得到極大提高，人就不會失聯。20世紀90年代，發達國家相繼提出一系列“空間信息網絡計劃”，嘗試開展一些演示驗證，主要依靠衛星實現天基網絡的通信。
早在2005年前后，中國科學院、中國工程院院士李德仁帶領一批專家在國內率先提出通信、遙感、導航三大功能一體化、網絡化的設想。
“對于天基網絡要傳輸哪些信息，一開始，專家們的設想不只局限在通信上，還包括多媒體、傳感器的信息等。”近日接受采訪時，該重大研究計劃指導專家組副組長、中國科學院院士龔健雅告訴《中國科學報》，“我國科學家提前洞見了這個領域的技術發展趨勢。”
經過長期研討，科學家們提出了“空間信息網絡”的定義。他們認為，空間信息網絡是國家重要的信息基礎設施，它以衛星、無人機或飛艇等天基平臺或臨近空間平臺為主要載體，通過將各類空間平臺和地面網絡一體化互聯，實現海量數據的采集、傳輸和處理等功能。
科學家們的共識是，只有從基礎研究做起，改變這一領域無普適模型、缺乏理論體系的現狀，才有可能真正實現把基站搬上天的大膽設想。“我國也要在空間信息網絡領域超前布局，掌握自主可控的核心技術，力爭在空間信息網絡領域實現技術突破。”龔健雅表示。
2013年，國家自然科學基金委員會啟動重大研究計劃“空間信息網絡基礎理論與關鍵技術”，旨在突破空間信息網絡理論與技術的諸多科學難題。醞釀8年、執行8年，共16年時間，該重大研究計劃全面完成既定任務，達到預定科學目標，使我國空間信息網絡相關領域的研究實現了從跟蹤并行到部分成果躋身世界先進行列的快速發展，對此，專家們深感自豪。
成果豐碩
在該重大研究計劃實施之初，科學家們群策群力，凝練出三大關鍵科學問題，即“空間信息網絡模型與高效組網機理”“空間動態網絡高速傳輸理論與方法”“空間信息稀疏表征與融合處理”。
這三大關鍵科學問題緊密相連，具有一脈相承的清晰邏輯關系。簡單地說，第一是如何構建動態網絡，保證衛星、無人機等空間“基站”之間聯通；第二是這些基站之間如何進行高速傳輸；第三是對于基站獲得的大容量遙感數據如何進行智能處理與高倍壓縮，以便用戶能夠實時使用。
在該重大研究計劃實施的8年里，來自不同學科的科學家協同作戰，圍繞上述科學問題進行攻關，取得了豐碩成果。這些成果包括提出動態網絡建模和容量計算、空間動態組網機理和協議、網絡體系結構和管理控制等理論與技術，空間網絡新型編碼和調制、空間動態鏈路的高效傳輸、空間網絡多波束多址接入等理論與技術，在軌空間數據的實時感知認知和智能遙感影像服務的新理論，并應用于我國高分、資源、遙感等三大系列衛星影像處理系統。
在該重大研究計劃實施中，學科交叉在科學研究中得到高度重視。龔健雅介紹，主要涉及信息、地球與數理學科的交叉。
例如，在地球與信息學科的交叉中，研究人員將地球科學中的衛星遙感、導航定位等科學技術與信息科學中的動態組網和高速傳輸等優勢相結合，極大提升了地學信息的時效性和氣象觀測及災害預測的精確性。
而在數理與信息學科的交叉融合中，研究人員將物理學中的太赫茲高速調制器件設計、太赫茲相位調控與信息學的太赫茲傳輸理論相結合，使得當時國際最快調制速率提高了1個數量級，在空間太赫茲波透射式相位調控問題上實現了原理性突破。
這些研究成果得到了學界的認可。該重大研究計劃實施期間，科學家共發表論文超過3000篇，獲得國際相關學術獎23項。
不僅如此，更令科學家們感到欣慰的是，多項基礎研究成果“上了天”。“對于通信，因為目前天上沒有網絡，我們最初的計劃只是想提出理論，在地面開展驗證。”龔健雅說。隨著項目的推進，他們對基于基礎研究的解決方案把握越來越大，開始面向全國廣泛征求意見，尋找衛星試驗的機會。
沒想到的是，大名鼎鼎的北斗衛星導航系統拋來橄欖枝。“‘北斗’的專家告訴我們，盡管‘北斗’是導航衛星，但有一些衛星是具有通信功能的，希望采用一些先進的通信技術，便同意我們在‘北斗’上開展試驗。我們最終獲得成功。”龔健雅表示。
此外，2023年1月發射的“雙清一號”科學實驗衛星也是計劃外的產物。龔健雅介紹，科學家們對遙感影像稀疏表征與融合處理難題的技術突破引起了航天東方紅衛星有限公司的興趣。該公司與其他單位主動提出合作意向，完成衛星的設計、制造和發射。目前，這顆衛星已經作為重大科研基礎設施為全國科研單位提供開放式衛星在軌實驗驗證環境。
項目研究的經歷讓科學家們堅信，只有基礎理論和關鍵技術足夠先進、高效、可靠，應用單位才會敢用、能用并且想用。
組織保障
該重大研究計劃實施期間，指導專家組、秘書組與管理工作組互相配合、通力合作，為各個項目取得科學突破提供了堅實的組織保障。
總體而言，指導專家組的工作始終貫徹“兩個結合”原則，即“頂層設計的目標導向與科學家自由探索相結合”“遴選新項目與整合集成在研項目相結合”。據悉，指導專家組在項目指南擬制，組織學術交流會、集中研討、調研等方面開展了大量細致的工作。
龔健雅坦言，指導專家組遇到的一個困難是，在基礎研究自由探索的原生文化下，如何進行有組織、有目標的大型研究。對此，他們的解決方案是，從基礎理論創新階段開始，指導專家組就廣泛聽取各方意見，深入、細致地參與方向布局，發揮好“舵手”的作用。
“在討論一個支持方向時，我們指導專家組都要邀請相關領域的專家或正在承擔課題的科學家一起先開兩三天的會，討論這個課題的現狀及將來的發展方向。”龔健雅回憶說，“大家形成一些想法后，由我們指導專家組召開閉門會來決定未來支持的方向，我們會隨時監控這些方向進展的狀態。”
同時，該重大研究計劃還通過年度學術論壇、遙感影像解譯大賽、專題組織交流等形式，不斷牽引各個課題組圍繞既定目標開展工作，把指導專家組的主張、意圖傳遞、貫徹下去，探索國家自然科學基金重大研究計劃的研究組織模式。
有了指導專家組的嚴密部署，科學研究朝著既定目標一步步不斷推進。據了解，該重大研究計劃的研究歷程大致可分為三個階段：2013—2016年為第一階段“基礎理論創新階段”，主要任務是圍繞三大關鍵科學問題及時部署目標需求導向研究工作，為后續研究奠定理論基礎；2017—2018年為第二階段“關鍵技術突破階段”，通過項目布局建立空間信息網絡模型，形成信息傳輸理論與方法，構建信息表征與處理方法體系，同時突破相關關鍵技術，形成基本的算法庫和仿真測試平臺；2019—2021年為第三階段“集成演示驗證階段”，進一步完善仿真測試平臺，完成集成演示驗證，重點進行項目和成果的集成升華。
同時，除指導專家組的努力外，一個具有學術認知力和科研組織力的強大秘書組團隊也發揮了不可或缺的作用。此外，與指導專家組配合的管理工作組負責對該重大研究計劃的實施進行總體審核、協調及組織評估。他們嚴格按照有關管理規定，對項目資助進行規范操作和管理，真正做到了公正、公平、公開。
面向未來，科學家們信心滿滿，在基礎研究和關鍵技術已經得到突破的今天，我國已準備好繪就“空間信息網絡”藍圖的關鍵技術，信息“天路”夢想指日可待。
▲重大研究計劃實施期間的競賽頒獎現場。
▲科研人員在青海大柴旦開展在軌衛星、臨近空間氣球、系留氣球、無人機等多類平臺協同的天臨空地一體空間信息網絡快速響應應用試驗。
關鍵技術突破為搶險救災快速響應提供信息支持
自然災害是典型突發事件，全面、準確、快速的信息支持是保證搶險救災處置效率的關鍵。
在國家自然科學基金重大研究計劃“空間信息網絡基礎理論與關鍵技術”支持下，科研團隊以典型突發事件快速響應為任務背景，開展空間信息網絡關鍵技術綜合集成與演示驗證。
中國工程院院士、航天遙感領域專家江碧濤介紹，科研人員圍繞空間信息網絡高效組網、高速傳輸和融合處理三大關鍵科學問題，研究了關鍵技術集成與驗證方法，研制或改造了包括平臺、載荷以及仿真驗證系統在內的核心軟硬件設備。
自2017年起，科研團隊分階段在內蒙古、北京、西藏和青海等地開展了演示試驗，驗證了空間信息網絡高效組網、高速傳輸、融合處理等技術成果，演示了空間信息網絡在重大突發事件中的應用效果。
例如，2017年9月，在內蒙古開展的飛行試驗中，研究人員首次實現面向突發事件快速響應的衛星和飛艇協同觀測，驗證了星-地、空-地數據傳輸鏈路的可行性，初步建立了空間信息網絡快速響應應用流程。
2020年1月，在北京開展的基于系留氣球平臺的高速激光傳輸試驗初步實現了視頻數據的高速激光傳輸能力，驗證了空-地高速激光傳輸的可行性，為推動技術成果轉化應用提供了方向。
2020年12月，在西藏開展的在軌衛星、系留氣球、無人機等多類平臺協同的飛行試驗在國內首次實現了一對多高速激光傳輸能力，完成衛星、氣球、無人機的協同觀測，并首次開展基于空-地平臺的光電混合組網傳輸，為推動空間信息網絡應用奠定了現實基礎。
2021年10月，在青海開展的在軌衛星、臨近空間氣球、系留氣球、無人機等多類平臺協同的天臨空地一體空間信息網絡快速響應應用試驗，首次實現了基于臨近空間平臺的毫米波通信傳輸。
專家們認為，一系列試驗成功驗證了基礎研究和關鍵技術的突破，展示了模擬真實場景下空間信息網絡在自然災害等重大突發事件中的巨大應用潛力。
科研人員在西藏開展飛行試驗。
“雙清一號”衛星：提供遙感信息實時智能服務
在軌遙感影像信息提取和智能處理是空間信息網絡的重要組成部分，也是實現空間信息網絡環境下快速、準確、靈活的遙感信息智能服務目標的重要環節。
為向全國科研單位提供開放式在軌實驗驗證平臺，在國家自然科學基金重大研究計劃“空間信息網絡基礎理論與關鍵技術”支持下，武漢大學聯合航天東方紅衛星有限公司等單位聯合設計研制了一顆智能遙感科學實驗衛星“雙清一號”，又稱“珞珈三號01星”。
2023年1月15日，“雙清一號”在我國太原衛星發射中心搭載長征二號丁運載火箭升空。
武漢大學教授王密介紹，“雙清一號”是一顆集遙感與通信功能于一體的智能遙感實驗衛星，具備“多模”“智能”“互聯”“開放”四大特征，創新實現了亞米級多模式彩色成像、在軌智能處理、星地-星間實時傳輸和在軌應用程序上注更新，星下點空間分辨率達0.7米。
“雙清一號”衛星還具備開放式在軌處理軟硬件平臺，通過應用程序可實現動態部署開展遙感影像信息提取和智能處理的科學實驗。用戶可根據不同的任務需求對星上智能App算法進行靈活的上注、更新與卸載，實現面向移動終端用戶多樣化應用需求的遙感信息實時智能服務。
圍繞該重大研究計劃的科學目標，“雙清一號”驗證了多項關鍵技術的可行性，包括“星地協同的在軌高精度定位與智能處理技術”“稀疏表征與融合處理技術”等；開創了互聯網智能遙感衛星面向地面移動終端的在軌處理與實時傳輸服務的新模式，打破了傳統衛星遙感數據服務模式，縮短了衛星數據獲取、處理、傳輸和分發的時間。
據了解，“雙清一號”智能遙感科學實驗衛星自入軌以來，已為土耳其、敘利亞地震災區評估，內蒙古阿拉善煤礦坍塌災情評估等提供了數據服務，為蘭州、日喀則等多個地區生成了實景三維地圖，實現了迪拜機場、昆明機場的靜態、動態飛機數量監測及尼日利亞卡洛市的車流量監控服務。在科研團隊的不懈努力下，衛星數據獲取、處理、傳輸和分發的時間從數小時級縮短到了10分鐘以內。
科研團隊期待，在“雙清一號”助力下，相關科學研究能為遙感數據大眾化移動終端服務提供有力支撐。
“雙清一號”獲得的西藏日喀則實景三維地圖。
統籌天地！“北斗”完成多項先進技術在軌驗證
國家自然科學基金重大研究計劃“空間信息網絡基礎理論與關鍵技術”實施期間，在前期支持項目已經取得基礎理論創新成果的情況下，開展在軌驗證勢在必行。為此，“基于多功能衛星平臺空間信息網絡關鍵技術集成驗證”項目在北斗衛星導航系統上展開。
北斗衛星導航系統工程副總設計師、北斗三號衛星首席總設計師謝軍介紹，科研團隊利用現有在軌衛星的系統架構、多功能平臺、增量載荷，以及星上軟件可重構等資源，開展基于多功能衛星平臺的空間信息網絡關鍵技術集成驗證。
科研人員基于北斗導航衛星系統基礎能力，利用包括3顆地球靜止軌道衛星（GEO）、3顆傾斜地球同步軌道衛星（IGSO）和多顆中軌道衛星（MEO）平臺，以及增量載荷配置、地面站資源和試驗設備等在內的衛星系統平臺資源，搭建了“多功能衛星集成驗證平臺與驗證環境”，具備星間速率為1吉比特/秒（Gbps）、星地鏈路不低于300兆比特/秒（Mbps）的傳輸能力。
同時，科研團隊研制了“基于在軌衛星星座的天基信息網絡資源配置管控與評估系統”。據了解，該系統以空間網絡鏈路驗證場景為基礎，突破了極窄波束、遠距離、雙端高動態指向與建鏈等核心技術，在19000～62000公里星間距離的條件下，在國際上首次成功實現中高軌衛星間激光建鏈通信。
此外，科研團隊還分別以空間網絡協議、空間網絡路由、空間網絡接入等驗證場景為基礎，取得了一系列成果。其中，以空間網絡協議驗證場景為基礎，首次完成了“互聯網協議第6版”（IPv6）空間組網應用試驗，驗證了高動態條件下高速星間星地網絡中的IPv6技術體制。
以空間網絡路由驗證場景為基礎，科研團隊首次成功開展“開放的最短路徑優先協議第3版”（OSPFv3）空間動態路由應用試驗，實現了基于OSPFv3的空間網絡動態路由功能。
以空間網絡接入驗證場景為基礎，科研團隊完成基于在軌衛星短報文的泛在接入技術驗證，低軌衛星用戶通過在軌衛星系統“實時”將天基信息下傳至運行中心，展示出導航/遙感天基信息一體化的應用效果和前景。
科研人員總結稱，這一集成項目將理論基礎研究成果與工程建設成果進行有機結合，充分利用各種空間試驗資源并保持一定的低成本投入，突破且掌握了空間組網的相關關鍵技術，有效促進了理論成果向工程應用的轉化，有望為我國下一代衛星導航系統發展積累技術和經驗。
北斗三號全球導航系統示意圖。