深度｜空天元宇宙的关键技术及应用研究

文摘 2024-11-21 17:59 山东

摘要通过充分的调研和对比总结，梳理了20世纪60年代以来，元宇宙概念以及航天领域相关技术的发展趋势和代表性工作，指出多星组网以及数字化、虚拟化成为未来空天科技发展的重要方向。针对这一发展态势提出了“空天元宇宙”的概念，围绕这一概念对其数理基础进行了分析，提出航天数字孪生、广域超高速智能感知等构建空天元宇宙所需的关键技术并对其实现途径进行了阐述；进一步地，结合航天科技蓬勃发展的蓝图，预判了可能首先获得应用的场景，分析了构建空天元宇宙的现有困难，并提出了解决建议，为空天技术的发展提供了新思路，最后对空天元宇宙未来的发展进行了展望。

关键词空天元宇宙；虚拟化；多星组网；航天数字孪生；全光感知

引言

随着科技的进步和认知水平的发展，地面观测已经不能满足人们对探索宇宙的渴望，1957年前苏联利用R7运载火箭将Sputnik卫星送入地球轨道，标志着人类对宇宙的探索进入新的纪元，之后，空间和航天科技发展之迅猛出乎意料。2022年世界航天发射次数和发射质量均创新高，2022年全球共实施186次发射任务，完全成功率95.7%，送入轨道的有效载荷达到2 497个；人们在地球环境监测^［1］、地外行星探索^［2］、引力波探测^［3］、暗物质探测^［4］等诸多领域取得了重大突破。日益增长的空天领域需求与先进的社会生产强耦合，成为推动航天科技迅猛发展的底层逻辑。

随着航天技术、虚拟现实、人工智能等领域的迅速发展，存在一个将这些技术融合以创新航天应用的需求。“空天元宇宙”正是这种融合的产物，旨在探索和利用这些技术在航天领域的新应用。

一方面，元宇宙概念原本多用于描述虚拟世界的构建和交互，而将其扩展到空天领域，可以探索元宇宙技术在更广泛、更高技术层面的应用。

另一方面，航天领域面临的挑战复杂多样，包括远程操作、环境模拟、数据处理等。空天元宇宙提供了一个新的平台和方法，以应对这些挑战。

本文首先对未来空天技术发展的方向和趋势进行了分析，提出了“空天元宇宙”这一概念；接着对空天元宇宙的数理基础和核心技术进行了综述；然后设想了空天元宇宙的主要应用场景，最后进行了总结和展望。

1 空天元宇宙的概念和发展概况

当前空间技术已经由单星单器时代迈向多星多器时代，一星多用、多星组网、分布协同成为趋势；同时随着当前人工智能、虚拟现实以及超级计算机等技术的发展，空间技术也正向着虚拟化、数字化的方向发展。本章节将对空天元宇宙概念和相关技术的发展概况进行展开叙述。

1.1　空天元宇宙的概念

空天元宇宙，是各节点（如科研机构、企业、个人）以数字身份参与科研、生产、航天、军事、教育等活动的去中心化的数字空间，它与真实宇宙虚实共生、迭代演化。具体来说，是借助物联网、区块链、超高速网络与计算、人机交互等技术，将物理世界中人类已掌握的宇宙运行规律以及所进行的航空航天有关的各项活动映射到数字空间，所构建的空天技术数字孪生平台，可以在其中进行大规模空间实验、航天器设计制造、卫星监测与维护、航天模拟训练、全域联合军事行动和航天文化教育等活动，同时元宇宙会作用于物理世界，实现虚实交互。

空天元宇宙在继承了沉浸式、可持续性、去中心化和社交互动等元宇宙自身属性的基础上，将其概念进一步延伸到航空航天领域，涉及航天技术、遥感技术、高性能计算等，相比其他类型的元宇宙，具有技术高度集成、航天应用导向、多学科融合、创新科研协作模式等重要特点。另外，去中心化仍是其重要的属性，它破除了信息不对称，实现多个主体之间的协同信任与一致行动，保证隐私、安全和自治，避免单一实体垄断控制等问题。现阶段，各国的航天工业一般由政府主导，科研单位主要参与，这是中心化的体现，与空天元宇宙的去中心化宗旨相违背。然而，近年民用航天的兴起，证明企业在航天工程中发挥重要作用。航空航天已由国家主导逐渐向国家和企业共同主导转变。许多企业通过研发新技术和探索新方法，为航天工程带来了创新，例如，重复使用火箭技术的开发，大幅降低了航天发射成本；企业在探索商业航天的新模式方面也发挥着重要作用，他们不仅提供卫星发射服务，还涉足卫星通信、地面监测、太空旅游等多个领域，极大地丰富了航天产业的商业模式。这不仅有助于为航天事业提供更丰富的资金来源，还有助于航天科技的普及和航天文化的传播。大胆设想，未来的空天事业将由国家、企业和个人共同参与，企业和个人将成为中坚力量，与国有科研机构共同组成空天元宇宙中数以亿计的节点。未来的空天元宇宙是去中心化的，不再属于某个国家或者企业，而必须通过一个开源共享协议来共同维护，协议和规则的制定权、解释权不独属于任何一方，元宇宙的存续不受任何国家或企业的外力影响。任一空天元宇宙的节点既是服务端，也是客户端，都有同等权限参与区块链的记录和验证，这有助于促进用户创建内容，提高创新性和协作性。

数理基础方面，空天元宇宙的信任和安全建立在区块链的去中心化结构和密码学逻辑上，其建立依赖于网络理论和图论、通信原理以及加密算法等理论，它们共同构建了空天元宇宙的价值系统和身份系统；空天元宇宙的虚实映射建立在真实世界的物理逻辑之上，对于特定场景，虚拟世界中的孪生副本必须严格遵守现实世界的物理规律，如计算流体动力学，以保证空天元宇宙中科学实验、生产制造和军事活动的合理、可行和安全。空天元宇宙的数理基础将在文章第二章节进行详细论述。

技术方面，空天元宇宙的虚实映射基于航天数字孪生技术和空天物联网实现，虚实交互基于以脑机接口为代表的人机交互技术实现，海量数据的处理基于广域超高速智能感知技术实现，数据的传输基于天地一体化高速网络的建设。这些技术是构建空天元宇宙硬件系统的关键，将在文章第三章节进行详细论述。图1描绘了空天元宇宙的主要组成部分。其中，硬件系统是物理基础，包括以上述技术为核心构建的数据中心、通信卫星、空间站、地面基站、传感器等，价值系统处理交易、资源分配和激励机制，身份系统负责管理用户和设备的身份信息，包括科研人员、开发者、爱好者以及设备之间的身份验证、授权和访问控制。

图1 空天元宇宙的主要组成部分Fig.1 The main components of Aerospace Metaverse

硬件系统为价值系统和身份系统提供必要的物理平台和技术支持；价值系统通过激励机制和资源分配，促进硬件系统的发展和优化，同时依赖身份系统来保障交易的安全和有效性；身份系统确保了用户和设备的身份安全，为价值交换和硬件系统的有效运营提供了信任基础。综上所述，这三个系统在空天元宇宙中共同作用，形成了一个互联互通、高效安全的空天生态系统。

1.2　空天元宇宙的发展概况

Neal Stephenson在科幻小说《雪崩》中提出了“元宇宙”这一概念^［5］，近几十年科技的进步让元宇宙从科幻走向现实，人工智能、增强现实等技术的发展大大提高了人们在虚拟世界中的沉浸感。2021年元宇宙平台公司Roblox上市，Facebook宣布进军元宇宙并改名为Meta，引爆了元宇宙这一概念，2021年也被称为元宇宙元年。

数字化的浪潮同样对航天科技产生了深刻的影响，据美国《信号》杂志2022年2月报道，美国已制定政策发展以数字工程为基础的太空军体系；国内在近年来也开始了星地孪生平台的建设，其利用数字孪生和智能技术，以真实数据为驱动，构建与现实世界并行的数字全景映像。空天技术数字化、信息化、智能化成为发展趋势。

空天元宇宙是在元宇宙概念的基础上，结合空天科技的发展而形成的新概念。它不仅包含了元宇宙的虚拟性和沉浸感，还融入了空天科技的关键元素，如空间通信和高性能计算，这种结合为空天研发、航天器控制、甚至是太空探索提供了新的视角和工具。

空天元宇宙的实现依赖于高性能计算和空间通信技术的融合。高性能计算提供了处理大量数据的能力，而空间通信技术则保证了数据的高速、可靠传输。这两项技术的结合，为空天元宇宙中的数据处理和信息传递提供了坚实的基础。例如，通过高性能计算处理的数据可以通过空间通信技术快速传输到地面控制中心，实现对航天器的实时控制。

1.2.1　高性能计算发展概况

2020年全球算力总规模达到429 EFlops（429×10¹⁸次浮点运算/秒），增速达到39%，据IDC预估到2025年全球算力总体规模将达到3 300 EFlops，但相比于构建空天元宇宙所需的算力仍然是不足的。基于电子的经典计算已经遇到了摩尔定律的瓶颈，光计算和量子计算将是解决这一算力困境的有效途径。

光计算技术在上世纪五六十年代就已经兴起，早期光计算技术是基于空间光计算方法而构建的，最典型的光计算技术是利用透镜的傅里叶变换性质实现的光学相关器，其通过在频谱平面的光学相乘操作，在4-f系统的输出平面实现了目标模式和空间滤波器的空间脉冲响应函数的卷积，进而可以实现并行逻辑运算、超短光脉冲整形等操作^［6］。另外一个典型应用是基于空间光调制器的光学向量-矩阵乘法器，由Goodman在1978年提出，其原理是将携带有光源信息的光束输入到信息处理部分，信息处理部分将输入的信息与预置在内的信息相乘，通过改变预置信息来改变输出结果^［7］。2017年Shen Y团队构建了一种基于硅基马赫-曾德干涉仪光开关阵列（MZI）的全光卷积架构，通过在这种纳米光子芯片上的深度学习编程实现了元音识别^［8］；2018年UCLA的Ozcan. A团队利用5层衍射神经网络完成了手写数字识别与时尚物品分类^［9］；2019年德国明斯特大学Feldmann团队提出的基于相变材料加级联微环结构的全光学突触神经网络芯片，可实现简单的英文字母识别^［10］。图2按时间概括了光计算的发展历程。

图2 光计算发展历程^［8-18^］Fig.2 Development history of optical computing

近年来国内外均加快了在量子计算领域的布局。值得阐明的是，量子计算的信息单位是量子比特，与量子计算相对应的是经典计算，本文所述的光计算是经典计算范畴内的，其信息单位是经典比特。我国在传统电子芯片方面的发展滞后于欧美日韩等国家，目前仅能实现14 nm芯片的量产，由于光刻机的限制难以实现进一步突破。但是我国在量子计算领域的发展处于世界前列。2017年世界首台光量子计算原型机在中国诞生，纠缠数目达到10个，2019年达到12个^［19］；2020年12月，潘建伟团队成功研制76个光子的量子计算原型机“九章”，处理高斯玻色取样的速度比当时最快的超级计算机“富岳”快10¹⁴倍；2021年10月，113个光子144模式的量子计算原型机“九章2号”处理高斯玻色取样的速度比当时最快的超算“富岳”快10²⁴倍，标志着我国实现了量子计算优越性^［20］；2021年10月，66比特可编程超导量子计算机“祖冲之二号” ，处理量子随机线路取样问题的速度比当时全球最快的超算“富岳”快7个数量级，计算复杂度比谷歌的超导量子计算原型机“悬铃木”高一百万倍^［21］；2021年11月，IBM推出127个量子比特的超导量子芯片“Eagle”^［22］；2022年11月，IBM推出433个量子比特的Osprey超导量子芯片^［23］。

1.2.2　空间通信发展概况

空天元宇宙的建立离不开超高速通信网络。低轨卫星互联网具有低时延、高通量、全球覆盖、应急响应能力强等优点^［24］，所以国内外都十分重视多星组网技术的发展。空间技术正在由单星单器时代迈向多星多器时代。

中国《国家民用空间基础设施中长期发展规划（2015~2025年）》中指出要通过跨系列、跨星座卫星和数据资源组合应用、多中心协同服务的方式，提供多类型、高质量、稳定可靠、规模化的空间信息综合服务能力，支撑各行业的综合应用^［25］；我国通信卫星星座虽然起步晚，但发展后势强劲。主要包括虹云工程、行云工程、鸿雁工程等。中国航天科工集团的“虹云”工程，计划发射156颗低轨卫星，构建星载宽带全球移动互联网络，实现无差别的全球覆盖。2018年12月，“虹云”工程首颗技术验证星成功发射，并且首次将毫米波相控阵技术应用于低轨宽带通信卫星^［26］。航天科工的“行云工程”，计划发射80颗低轨卫星，构建低轨窄带卫星通信系统，可为用户提供数据采集、信息实时传输、数据深度挖掘等综合物联网信息服务。2020年5月，“行云工程”α阶段双星成功发射入轨并圆满完成各项在轨测试，成功开展了低轨卫星星间激光通信试验，多项天基物联网核心技术得到有效验证^［27］。中国航天科技集团的“鸿雁”低轨移动通信及宽带互联网星座，计划发射324颗低轨卫星，具有全天候、全时段及在复杂地形条件下的实时双向通信能力，可为用户提供全球实时数据通信和综合信息服务，首颗试验卫星于2018年12月成功发射^［28］。银河航天提出的“银河Galaxy”卫星星座是国内规模最大的卫星星座计划，计划到2025年前发射约1 000颗卫星，首颗试验星已于2020年1月发射成功，成为我国首颗通信能力达10 Gbps的低轨宽带通信卫星^［29］。

国际上，规模较大的星座建设计划包括美国Starlink星链计划、Kuiper星座、英国OneWeb星座和加拿大Telesat星座等。Starlink计划在2018年推出，计划在2024年之前在太空搭建由约1.2万颗卫星组成的Starlink网络提供高速互联网服务^［30］，截至2023年2月1日， Starlink卫星总计升空数量3 822颗。2020年，美国Amazon公司的“Kuiper”星座获得美国联邦通信委员会FCC审批，将部署由约3 200颗卫星组网的互联网星座^［31］；英国OneWeb公司的卫星系统，使用Ku-Ka波段，为政府和企业提供商业通信服务^［31］。截至2022年12月，OneWeb公司累计发射超过450颗卫星，其计划是在其第一代星座中共部署648颗卫星。其他国家如加拿大、俄罗斯、韩国等也在着手开展通信星座的建设，其主要参数如表1所示。

表1 国外主要通信星座及其参数^[32, 33]Table 1 Main communication satellite constellations abroad and their parameters

除目前主流的无线电通信之外，空间激光通信和空间量子通信也是各国通信建设的重要任务。

相比无线电通信，空间激光通信具有更大吞吐、更低延迟等优点，能够满足空天元宇宙的庞大数据量交换需求，缓解通信频率资源日趋枯竭的现状。2001年欧洲航天局完成了史上第一次卫星间的光通信，地球同步轨道卫星Artemis与低轨地球观测卫星SPOT4建立起了长度40 000 km Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer，LADEE上搭载的激光通信设备实现了622 Mbps的月地数据传输^［35］；2021年NASA研制的激光通信中继验证系统（Laser Communications Relay Demonstration， LCRD）成为第一个应用到载人飞船上的实用性光通信系统，其光链路的上传速度能够达到1.2G/s^［36］；2022年后“Starlink”发射的卫星均配置激光星间链路（Laser Inter-Satellite Links， LISLs）^［37］。激光星间链路的开通对于实现全球无人区的覆盖至关重要。Starlink卫星地面站不再需要与用户终端位于同一颗卫星的覆盖范围内。这种链路允许将地面站的数量减至最少，并将覆盖范围扩展到没有地面站的偏远地区。

量子通信建立在量子不可克隆性基础上，在理论上绝对安全。我国在该领域处于世界领先地位。2016年，我国用于量子加密通信的“墨子号”卫星升空；2017年，“京沪干线”广域量子通信骨干网络工程建成开通并与“墨子号”成功对接，其总长超过2 000 km，成为世界上最远距离的基于可信中继方案的量子安全密钥分发干线；2021年，我国成功实现了跨越4 600 km的星地一体大范围、多用户量子密钥分发，构建了世界上首个集成700多条地面光纤量子密钥分发（QKD）链路和两个卫星对地自由空间高速QKD链路的广域量子通信网络^［38］；2022年5月，中国墨子号卫星实现1 200 km地表量子态传输新纪录^［39］。量子通信的星地一体密钥分发具有大范围、多用户的特点，与空天元宇宙高通量数据传输的特点相契合。

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深度｜空天元宇宙的关键技术及应用研究

引言

1 空天元宇宙的概念和发展概况

1.1 空天元宇宙的概念

1.2 空天元宇宙的发展概况

1.1　空天元宇宙的概念

1.2　空天元宇宙的发展概况