巨型星座将不再是
曲高和寡、高高在上的科研项目，
它将走入大众的生活中，
成为日常消费品。
大家好，我是田丰，来自中国科学院微小卫星创新研究院。今天我的分享是《让互联网无处不在》。
大家看到这个题目可能觉得奇怪，现在的互联网已经融入到了我们每个人的生活中了啊？为什么还要说让互联网无处不在呢？
其实，如果我们离开城市、离开人海，去到荒芜人烟的地方，就会发现在那里没有网络是一件很正常的事情，更别说去到极地、荒漠等一些更远的地方了，网络根本覆盖不到那里。
目前，我们地面网络只覆盖了全球大概10%的面积。而根据国际电信联盟统计，全球还有30亿人口仍未接入互联网，没办法享受互联网普惠的业务，他们主要来自发展中国家。但互联网的一个主旨思想就是——让世界变得更公平。还有，当我们离地球表面超过1000米的时候，地面基站就很难把信号传到这么高的位置上了。比如我们坐飞机的时候，每次都会感觉自己有几个小时和世界断联了，没有任何信号。现在虽然有的大型飞机上有网络，但那些大部分还是局域网，而不是真正的互联网。断网的感觉非常不好，有时候人们为了上网甚至会做出一些匪夷所思的行为。比如2020年8月15日，有一艘日本的油轮运行到印度洋岛国毛里求斯的时候突然搁浅了，造成了大范围的原油污染。究其原因，其实是船上有船员想去“蹭网”，所以把船开得离岸非常近。当时正好是一个雾天，所以就搁浅了。大家想想，如果有更便宜、更方便的网络，这种事情还会发生吗？那我们怎么才能让互联网无处不在呢？如果只是让运营商去全球各个地方建站，显然是不可能的。比如在海上，就没有办法去建铁塔建基站。所以我们有一个很直接的想法，就是把通信设备放在卫星上，打到天上，通过卫星通信给地面和空中提供网络信号覆盖。其实，卫星通信在很早的时候就有了，但是大众一直没有享受到卫星通信带来的服务。原因是什么呢？因为我们原来的卫星通信主要靠的是高轨的同步卫星，这种高轨卫星的信号很容易被大树和高楼遮挡。另外，高轨卫星运行在赤道上空36000公里的地方，比如我们国家位于北半球，在一些山的北面卫星信号就非常弱，这就是高轨通信的北坡效应。同时，高轨卫星的带宽也比较窄，所以用高轨卫星提供商业化的互联网服务比较难落地实现。从理论上讲，有一个比较可行的办法就是，在靠近地球的低轨道处，也就是在大概在离地球表面300-1200公里的地方去构建巨型低轨通信卫星星座。这张星座里有数千甚至上万颗卫星，信号无缝覆盖全球，不会再有南坡或者北坡效应的问题。2014年，我还在上海交通大学读博士的时候，就有幸参与了国家自然基金重大研究计划“空间信息网络基础理论与关键技术”，这个课题主要就是研究卫星互联网的一些基础理论和一些体系架构的知识。2017年博士毕业之后，我进入了中国科学院微小卫星创新研究院。当时我信心满满，想把学到的知识用到卫星上。但那个时候，我们国家的卫星包括国际上的卫星主要还是单星作业，多星组网并非主流的发展方向。工作后我参与的第一个项目其实不是通信星座，而是对地遥感星座。我加入了“遥感三十号”卫星团队，大家可能没有听说过我们这个团队，也对“遥感三十号”知之甚少，为什么呢？因为我们其实是一个“三无”团队。这个“三无”不是说我们的商品没有保障、没有服务、没有售后，而是无私奉献、无名英雄、无上光荣。我今天没法讲这个工作的具体内容，但是通过参与到这个团队里，我知道了一颗卫星从设计、到集成、再到测试、最终发上天的每一步是怎么走的。也因为参加了这个项目，我从一个学生变成了一个航天工作者，对航天精神和航天人的理解也更具像化了。同时我还感觉到，基础理论和工程应用之间还是有一段距离的。如果想把自己的研究成果应用到工程上，还有很多的路要走。说到卫星互联网，我们就不得不提到马斯克。马斯克在2015年提出了“星链”计划，当时就提出要用4万多颗卫星覆盖整个地球，为全球提供网络服务。但是大家都觉得这个想法太超乎现实了，因为在2015年，全球在太空运行的航天器总量只有1300多个。而且航天器的造价非常高。一个500公斤左右的卫星造价就是几千万人民币，也就是1000万美元左右。发射成本也很高，和卫星成本基本上是1∶1的。除此之外，它的生产周期也很长，一颗卫星的生产周期最快要几个月，慢的话大概要一年甚至是好几年。在全球只有1300多颗卫星，同时卫星的制造成本和时间成本都这么高的情况下，很多人都觉得几万颗卫星是一个不靠谱的想法。但是，因为我一直是学卫星网络通信的，从技术层面上讲，我觉得用卫星网络去给全球提供互联网，肯定是中国航天乃至国际航天发展的一个大趋势。果然，从2019年发射了第一组卫星“一箭60星”，到2024年4月为止，马斯克的“星链”（StarLink）在轨卫星已经有6800多颗了。而且它的迭代速度非常快，从2019年到2024年差不多5年之内，它已经迭代了五六个版本，从0.9版本到了现在2.0的mini版本。更重要的是，它已经实现了全球230万个卫星终端，开始去盈利了，实现了收支平衡。除民用之外，众所众知，星链也有重要的军用潜力，比如在乌克兰冲突上也发挥了很重要的作用。因此，我们国家从2017年开始，也慢慢尝试着去建设我们自己的卫星互联网。我们中国科学院和上海市科委联合投资的低轨试验卫星就是做这个的。低轨试验卫星主要是试验什么呢？巨型卫星互联网其实和地面互联网之间有一个重要的区别，就是它的系统架构和地面的互联网是不一样的。地面的移动互联网有很多种基站，有5G基站、4G基站，有大的基站，也有我们室内毫米波的小基站，还有Wi-Fi热点。但是这些基站有一个共性——它们都是固定在一个地方的。用户无论是用电脑、用手机还是其他设备终端，它们之间的运动速度相对来说都比较小，基本上很长时间都是连着同一个基站的。即使运动那也是因为我们人动了，才带来了基站的切换，切换规模总体上比较小。但是低轨卫星不一样。假如低轨卫星的轨道高度是1000公里，它的运行速度就会达到每秒7公里左右。基站也会随着卫星运动，这也就意味着通信的时候，如果过顶的卫星超出视距，就没办法通信了，需要经常切换。卫星在经过正头顶的时候通信时间会长一些，能达到11-12分钟，其他情况下的通信时间会更短，总的来看一颗卫星持续通信的时间可能只有6-12分钟。那么，如何解决这种卫星快速运动带来的大规模的终端切换呢？这种情况下就需要用多星多波束协同接力通信。以图中为例，随着卫星的运动，这颗紫色的卫星马上就会切换到这颗绿色的卫星的位置，代替它去覆盖它的用户。也就是说每颗卫星都有点波束去对终端进行接力式服务，同时卫星之间也需要开展通信，保证服务不中断。这是我们发射的两颗试验卫星，主要用来验证我们的系统架构以及星间链路的通信。这颗卫星搭载了我们跳波束通信载荷，单颗卫星可以通过波束的捷变去为多个终端服务。同时，两颗卫星之间又有星间的激光链路，这也是我们国内首次实现双星在轨和地面10Gbps组网的验证。之所以选用点波束，是因为它的波束的频段非常高，是20GHz左右。它的雨衰（无线电波进入雨层中引起的衰减）也非常大。如果我们用一个很宽的波束，它的衰减会更大，传输速率就比较低。我们把能量聚焦到一个点波束，就能提升它的服务需求。当然，说是点波束，在地球上的覆盖范围依然很大，有大概100公里左右，足以覆盖北京市或者上海市这么大的范围。卫星打上去之后就需要去测试，当时我们开始测试的时候正好是8月份。上海的8月份非常炎热，而且还很闷，正好还是放高温假的时候，我们就一起跑到单位的楼顶做测试。测试的时候，因为卫星的轨道高度低，运动速度快，所以过境时间很短，不是每天每时每刻都能在我们头顶上。有时候在中午的12点过境，有时候在晚上的12点，一天过境3-6次。这就需要我们抛开自己的作息时间，完全去跟着卫星转。整个高温假结束之后我发现，虽然我们并没有出去旅游，但是皮肤比出去旅游的同事晒得还黑，连头顶都晒黑了。但是测通之后，我们还是很有成就感的。可是，虽然这两颗卫星已经能够通信了，但是还远远做不到商业化。因为任何一个用户都不希望自己在接入互联网后只通信个几分钟就断了，然后等待很长时间再通信几分钟再断掉。这样的卫星互联网是推广不开的，所以我们要建设一个巨型的星座。建设巨型星座和我们传统的卫星星座是不一样的，它的规模是原来几颗星的星座的好几万倍。因此，我们不能用传统的卫星制造模式，让总体单位和外协单位共同去做。我们必须把从顶层的系统设计到底层的核心网络单机全部打通，这样才能把系统做到最优，把单机成本做到最优。以此来支撑后续一年发射几百颗最终达到几千颗、上万颗卫星的在轨验证。只有这样，才能把这个巨型星座做起来，使它不再是曲高和寡、高高在上的科研项目，而将走入大众的生活中成为日常消费品。于是，我就从原来的系统架构转而研制底层的空间网络单机。其中研制的第一个单机就是路由器。路由器分为数据转发面和控制处理面两部分。地面路由器的数据转发面所用的芯片已经商业化了，但是这些商业化的芯片却不能直接用在天上，因为天上有很多不确定的环境。而且还有很多单粒子，这些高能粒子打进来之后会把我们的逻辑芯片打反转。逻辑芯片里储存的都是0和1，它会把1打成0，把0打成1，造成单粒子反转。所以我们很难简单地用商业化的芯片去搭建空中路由器的数据转发面。控制处理面相对来说要简单一些。因为控制面的数据速率并不高。那么我们就可以用FPGA（Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）去做一些宇航防护、三模冗余，开发我们空中路由器的数据面。在开发过程中，交换速率和交换端口是首先要解决的问题。因为星间通信速率是10G，如果有4个端口的话，就能进40G、出40G，通信速率达到80G。因此，我们就用了交换矩阵的思想，在卫星上搭了一个高速交换、支持多个端口、多档速率的交换架构，来解决交换速率的问题，。第二个就是路由器和路由器之间需要连通。地面的网络一般都是用光纤连通，但在卫星上很难用光纤，因为在太空拉光纤肯定是不现实的。于是，我们就使用了星间激光通信，也就是用激光链路来组网通信的方式。我们的试验卫星上就有星间的激光通信，在轨也验证这种通信成功了。但是同时，我们也发现了很多问题，比如太阳光干扰。我们的激光通信用的是850纳米波长的光，但是太阳光是全频段的，它打到激光器的接收端之后会干扰我们，这个叫日凌干扰。还有就是单粒子的干扰，以及负载突然加上来之后也会对激光终端产生影响。在不稳定的链路中，我们要把网络做成可用的，就得结合激光终端和路由器，把它们联合起来做优化。这就要求我们不但有系统设计，还要有底层的、核心的空间网络单机。无论是软件、代码还是硬件的架构，这些东西我们都要设计出来，才能让它真正落地。巨型星座的规模非常大，传统的这种花好长时间好多钱去做一颗卫星的思路肯定是不行的，我们要用低成本但是高可靠的空间网络单机去搭建我们的卫星互联网。那我们怎么去做验证呢？航天跟地面有一个很不一样的地方，就是它一定要在轨验证。我们也是借鉴了互联网的思维，快速迭代、快速验证、快速型谱化。马斯克现在就是这样做的。于是我们中国科学院就创立了创新X系列卫星，它没有明确地说要在轨完成某一个特定的任务，而是大家众筹起来的。比如“创新X-01星”搭载了十几个载荷，这些载荷来自我们中国科学院和多家高校单位。后续我们还会形成航班化发射，一年7颗卫星，每颗卫星上搭载二十几个载荷，形成低成本空间试验的新范式。也欢迎有需求的单位跟我们多联系，把新技术通过这个平台发射上去。当然，卫星的迭代速度会越来越快。如果在轨验证的速度还是不能满足，那我们的迭代速度还能怎么突破呢？我们成立了卫星数字化技术重点实验室，搭建了数字孪生卫星网络。在数字孪生卫星网络里面，卫星的运行、功能、性能以及运行环境和真实的卫星是一模一样的。我们可以通过采集卫星上的一些真实数据，结合数字孪生网络里丰富的测试数据，来迭代下一代的网络、路由器和激光终端，以此加快我们的速度。最终，我们的空间网络设备将采用模块化设计。每一个单板都会形成路由、存储、星间通信、星地通信等各个功能。可以根据不同型号的需求加快迭代，来做到系统的最优。同时，我们也建立了批生产产线，包括贴片、自动化测试和集加工等等，实现了空间网络设备的批量化生产。在单机批量化生产之后，后续整机的组装也会做到批量化。现在，中国卫星互联网已经成为蓄势待发。我相信在未来它会带动、辐射很多产业的协同发展，比如远洋旅游、远洋货轮、飞机互联网等都会跟卫星关联。当整个地球的互联网全部打通之后，我们的思想就会达到更远的地方。这个行业充满了无限机遇，期待大家多多关注。最后打个广告，我们中国科学院微小卫星创新研究院目前形成了从系统设计到卫星集成，再到单机研制的全流程的创新性平台，欢迎大家加入我们，特别是欢迎大家报考我的研究生，我是田丰。文章和演讲仅代表作者观点，不代表格致论道讲坛立场。“格致论道”，原称“SELF格致论道”，致力于非凡思想的跨界传播，旨在以“格物致知”的精神探讨科技、教育、生活、未来的发展，由中国科学院计算机网络信息中心和中国科学院网络安全与信息化办公室主办，中国科普博览(中国科学院科普云平台)提供技术支持。欢迎关注格致论道官网: 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