空间资源科学利用已成为全球需要共同面对的新问题
自1957年前苏联发射第一颗人造地球卫星，人类开启了太空竞争时代，空间轨道资源成为世界各国重要的战略资源。人类对空间轨道资源的竞争首先发生在距地球约36000公里的同步轨道(GEO)上[1]，欧美等国家在GEO部署了大量的通信、气象和军事卫星，占据了绝大部分的GEO资源。新一轮的太空竞赛始于铱星系统，在美国SpaceX等公司掀起的低轨道(LEO)巨星座浪潮中不断被推向高峰。截至2024年10月7日，SpaceX的“星链”系统在轨卫星共发射卫星超过7000颗[2]，虽然已有超过2 000颗卫星失效或坠毁，但在低轨道空间资源的夺占中对世界其他国家形成了压倒性优势。
空间轨道资源并没有想象的那么多，相反是非常有限的。由于空间轨道和卫星频率是绑定使用的关系，卫星高速运行在相同或不同的空间轨道上，同时受到轨道保护间隔及频率干扰保护的约束，空间轨道频率资源的利用率通常很受限制。在1000公里以下的低地球轨道空间，目前已公布的卫星互联网星座计划的卫星总数已超过十万颗，与地球表面可布设的千万乃至数亿以上基础设施(如移动通信基站)数量相比，虽然不在一个数量级，但是受卫星天线口径和卫星轨道控制能力等约束，可以容纳的星座系统数量仍是很有限的。在距离地球1000公里以上的中高轨道乃至深空空间，受运载能力和空间转移能力等约束，空间轨道资源的开发利用也是非常受限的。
对空间轨道资源的科学利用应得到充分的重视。当前，国际上已有多个“万星”巨星座计划，对空间轨道(特别是LEO)资源的抢占愈演愈烈。无序抢占导致盲目追求系统规模，缺乏对轨道频率资源的秩序化管理、调控，导致频谱冲突愈演愈烈，宝贵的空间轨道资源被过度消费，严重制约空间轨道资源利用的可持续发展，空间飞行物体碰撞的风险急剧增加，对空间环境、地球生态也将产生不可估量的影响。对空间轨道资源的科学利用需要跳出简单的“规模换能力”的思维模式，探索构建卫星网络的新范式。通常，通信卫星星座通过“服务区拼接、接续服务”的“平铺式”方式，形成全球均匀连续时间覆盖。由于业务需求分布不均，这种模式不可避免带来较大的资源浪费。随着星座系统规模不断增大，不同星座系统之间、断增高，星座安全管控的难度加大，空间资源的利用效率不断降低，反过来进一步加剧对空间资源的抢占。为此，如何建立空间轨道资源协同利用的秩序性，实现空间轨道频率资源的有序管理、高效利用，成为亟待解决的关键问题。
智慧天网探索空间资源利用新范式
秩序出效率 。通信领域一个经典案例是时隙ALOHA比纯ALOHA理论上效率高一倍[3]，即按照时间对齐的方式秩序利用资源就可以大幅度提高利用率。为探索空间资源高效利用的新范式，清华大学的青年学者团队通过有组织地科研，参考经典物理与现代物理中对结构、秩序的探究，在轨道、时间、空间、频率等维度上构建空间轨道频率资源秩序利用准则，发明了泛同步轨道按需覆盖星座设计方法。
众所周知，宇宙亿万年演化形成恒星、行星及卫星有秩序的运行，在空间和时间维度上呈现出显著的稳定性。在空间上，同一星系内恒星、行星等天体的运行轨道平面一般非常接近；在时间上，部分天体的公转存在轨道共振现象[4](公转周期为简单分数比)。受此启发，面向空间频率轨道资源的秩序化利用，在空间维度上，泛同步轨道形成地球坐标系下稳定不变的卫星空间轨迹；在时间维度上，各轨道周期与地球自转周期具有固定比例关系，从而可形成时空周期有序的结构，具有节律性。这种轨道的节律性为在时间、空间、频率等维度上构建空间轨道频率资源秩序利用奠定了关键基础，可以最大程度地缓解不同星座间、星座内的资源冲突，有助于降低星座系统建设及管控的复杂度，也有助于多运营商卫星网络的共享、共建和可持续发展。
基于泛同步轨道星座设计方法，清华大学团队进一步创新设计了智慧天网宽带通信(底座)系统，以8颗部署于中轨泛同步轨道(约2万公里高度)的宽带通信网络卫星为一组，覆盖全球，并可按需扩展为16星、32星，乃至144星及更多卫星的多重覆盖网络，规模弹性，支持与同步轨道卫星频率共存、与低轨道卫星星座协同发展。智慧天网将实验验证非静止轨道空间资源利用的新模式，突破空间频率轨道资源科学利用关键技术，支撑形成“结构化定义、秩序化管控”的空间资源开发利用新方法，探索太空多系统共享共建和可持续发展的新路径。
智慧天网还从按需覆盖与天基交换两方面重点开拓创新，显著提高空间网络通信的效率。首先，发展了基于星载相控阵技术的跳波束通信体制，构建卫星动态按需覆盖通信新模式。传统的空间网络覆盖通常是基于全景波束或固定点波束的预定式覆盖，波束自由度被束缚在一维空间，资源利用模式单一，难以匹配广域覆盖场景下用户的复杂多样性通信需求，覆盖效率难以从根本上得到提升。智慧天网通过扩展卫星通信波束的大小(阵元变化)、强度(功率分级)、数量(同时多波束)、空间(灵活指向)、时隙(覆盖分时)等自由度，以及卫星和地面控制的精细化匹配，充分利用卫星通信波束对用户服务过程中的位置特征等先验信息，有效解决卫星通信长期以来面临的覆盖广度与覆盖强度之间的突出矛盾，从而提高卫星通信的效率。
其次，智慧天网构建了一种星载确定性网络交换新体制，服务于多样化业务需求。随着用户业务种类的不断增加，接入网络的业务流量将呈现多优先等级并伴随较高的并发性与突发性，加之复杂的传播环境、动态的拓扑结构、时变的资源状态，空间网络通信的信息传播/交换过程具有显著的动态复杂性。传统的星载交换技术与用户体制绑定，“一体制一交换”的尽力而为模式难以满足“准时、准确、按需”的确定性转发需求。智慧天网在创新实践中开展了确定性星载交换技术的研究，研制了星载确定性网络软定义交换机，充分利用有限的星载交换资源，有效解决交换粒度多样与交换资源受限之间的矛盾，使得大容量交换与协议体制解耦，在星上资源受限条件下可实现多种体制信息的统一交换，并克服卫星网络对海外信关站的依赖。
多年攻关——智慧天网创新发展
2016年，清华大学研究团队在多年卫星网络通信的研究基础上，设计形成智慧天网创新方案。2018年，上海市政府出资设立“智慧天网创新工程”重大科技专项，由清华大学牵头，与上海航天局共同组织实施智慧天网首星及配测星的研制和技术验证试验。2020年，智慧天网创新工程纳入上海卫星互联网“新基建”建设行动方案，旨在为我国卫星互联网新基建发展提供重要参考和借鉴。
2024年5月9日，我国第一颗中轨道宽带通信卫星，也是国际上第一颗中轨道天基网络卫星——智慧天网一号01星，由长征三号乙运载火箭在西昌卫星发射中心发射升空。随后，卫星顺利进入预定中轨泛同步轨道并建立在轨试验构型。目前，试验团队已完成了星地微波通信组网、星间激光通信组网等多项技术试验，在轨试验星间激光链路实现了10Gb/s连续48小时稳定相干通信(误码率优于1×10-7)，星地微波链路最高测试速率突破2Gb/s。
未来展望
空间轨道资源是卫星网络系统建设与运行的核心基础，是国家安全、经济发展和科学探索重要的战略资源。随着全球卫星星座建设的快速发展，空间轨道频率资源利用的冲突将不可避免，也不可忽视，空间资源科学利用已成为需要全球共同面对的新问题。智慧天网创新工程肩负突破空间频率轨道资源科学利用关键技术、发展新型的天基网络与通信技术及装备、探索空间多系统共享共建和可持续发展新路径等重要任务。下一步，为赋能卫星互联网及天地一体网络通信发展，清华大学及其联合团队将持续推动智慧天网的创新研究及关键技术成果转化应用，重点开展以下三方面工作。
一是研究挖掘新的空间资源的新方法。首先，着力开发新的空间频率轨道资源的利用技术，包括新频段的开发和既有频段重耕、频谱动态感知、空间物体感知、轨道精确控制等。其次，发展抗强辐射材料、器件部件以及高可靠系统设计等关键技术，增强系统在强辐射带和穿越辐射带等恶劣环境下生存及稳定运行的能力。再次，研究低成本、高效率的空间转移新技术，发展高性价比新型空间运输系统技术。
二是持续发展空间资源科学利用的新模式。研究从地面蜂窝网络向空间立体“蜂房”网络跨越的基础技术，进一步开展时、空、频、轨等多维资源正交化划分及利用的方法研究，发展不同轨道、不同星座之间资源的高效协同利用策略。
三是持续加强卫星通信领域关键技术攻关。在物理层技术方面，开展大口径灵活相控天线、远距离高速率激光通信、高功率效率光源/微波组件、高能效模数转换和计算芯片、高精度时空基准获取维持和传递、低开销极限条件通信技术等研究，迅速形成空间高速骨干互联和随遇灵活接入的通信底座核心技术群；在网络层技术方面，构建智能枢纽中继节点，按需形成用户集群，打造多层次、分布式、自组织的结构化卫星网络，突破云、边、端一体化网络协议架构设计和智慧内生算网融合架构设计技术，为满足远海、远域通信机动组网和边缘计算应用等需求奠定基础。
参考文献
[1] 央视网.太空竞赛[EB/OL].[2024-08-12].https:/jishi.cctv.com/2012/12/10/VIDA1355147880492337.shtml
[2] 技经观察.2024年"星链"系统发展回顾[EB/OL].[2024-08-15].https://baijiahao.baidu.com/s?id=1817052424585150045&wfr=spider&for=pc
[3] 程文青,赵梦欣,徐晶.改进的RFID动态帧时隙ALOHA算法[J].华中科技大学学报(自然科学版),2007(6):14-16
[4] 国家天文科学数据中心.天文学名词——轨道共振现象[EB/OL].[2024-08-15].http://nadc.china-vo.org/astrodict/
