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【聚焦虹云工程】虹云工程开启发射时间 荒漠上网不再是梦

发布时间:2018-12-24    【来源:二院空间工程公司】

 

20181222日,航天科工集团自主研制的虹云工程首星在酒泉卫星发射中心成功发射并进入预定轨道,标志着我国低轨宽带卫星互联网建设迈出了从无到有的关键一步,正式进入世界低轨宽带卫星通信领先行列。

起航:迈入低轨宽带新时代

在当今信息时代,数据与石油、电能一样,成为工业生产不可或缺的生产资料,随时随地按需的互联网接入将成为“互联网+”产业构建和持续发展的重要支撑。无论是内陆边远地区,还是空中、海上,无论是人与人、人与物还是物与物之间的信息互联,都是人民美好生活的重要体现。

以服务全球、造福人类为目标,2014年,航天科工启动卫星互联网星座系统项目论证,拟建设一套以卫星互联网接入能力为基础,融合低轨导航增强、多样化遥感为一体的综合信息服务系统,让全球任何地方具备互联网接入能力。整个工程分为三个阶段:第一阶段,2018年底发射首星,开展技术验证与应用示范;第二阶段,2020年完成业务试验系统建设,开展业务试运营;第三阶段,预计“十四五”期间完成星座部署,具备全面运营条件,实现全球连续、无缝覆盖的宽带卫星互联网接入。

作为虹云工程的“先手棋”,虹云工程首星攻克了多项关键技术,承载了多个“第一”:国内首颗采用Ka频段作为用户链路的低轨通信卫星,国内首个低轨宽带卫星通信系统,国内首个采用低成本毫米波相控阵技术、实现基于相控阵智能波束通信的低轨宽带通信卫星,国内首套低轨宽带卫星通信协议,国内首个配合完成在轨试验的Ka频段低轨相控阵卫通用户站……该星成功入轨后,将首次在真实的空间环境和天地信道条件下,对低轨宽带卫星通信系统、通信载荷、通信协议、用户站等进行技术验证并开展应用示范。

优势:把脉用户需求

虹云工程首星的成功发射,不仅标志着毫米波多波束相控阵通信载荷、低轨宽带通信协议等先进技术首次实现在轨试验,也标志着我国航天技术向商业化、产业化发展迈出重要一步。

虹云工程首星采用2017年成功发射的“天鲲一号”卫星平台,主载荷为Ka频段透明转发体制宽带通信载荷。该载荷采用多波束相控阵天线,具备波束智能赋形能力,可以实现灵动、高速的互联网接入,基于此,卫星能够在普遍服务和容量增强两种业务模式间按需转换,既能够满足用户广域分布的服务需求,也能适应热点区域用户数量激增引发的应急服务需求。

“新技术的应用使得虹云工程将形成一个兼顾均匀覆盖和热点区域增强两种用户分布模型的网络,系统能够感知地面用户分布情况并自适应做出调整。”研发人员称。

作为通导遥结合的特色体现,虹云首星还搭载了光谱测温仪和3SAIS/ADS-B/DCS)一体化载荷,光谱测温仪能够持续获取高层大气的温度数据,为大气科学研究、临近空间环境研究提供支撑。3S一体化载荷则通过在轨实时采集船舶自动识别系统(AIS)信息、飞机广播式自动相关监视(ADS-B)信息和传感器数据(DCS)信息,广泛应用于科学研究、环境、海事、空管等领域。

研制:始终选择“困难”模式

开创性的事业总会历经磨难坎坷,虹云工程的研制也不例外。虹云工程低轨宽带通信的概念一经提出,便受到了社会各界的广泛关注。这其中的声音,有期待,有认可,也有一些质疑……当前,国外已在轨运行的铱星、全球星系统等均属于低轨窄带卫星通信系统,大量宽带卫通系统是同步轨道卫通系统,低轨宽带星座通信系统尚处于起步阶段,这无疑给研制带来诸多难题。

“地球同步轨道时延较长,且在中高纬度的山区会因地形遮挡导致无法通信,低轨宽带可以有效解决这一问题,但是也让我们不得不面对卫星高速运动带来的多普勒频移大、时延抖动、信号强度动态变化等难题。”研发人员称,“地球同步轨道卫星相对地球是静止的,天线指向可固定不动,只需要时频对上即可传输信号,而低轨宽带卫星通信由于卫星运动,需要星地波束互相指得准、对得正、跟得上。”

为此,型号团队分别从天线伺服控制、信号波形设计、时频统一设计、帧结构设计等部分开展工作,通过精准预报、快速响应、多模冗余等方式有效解决了这一难题,并通过大量的实验室调试、外场测试对其稳定性进行了验证,为此还开发了国内首套适于低轨宽带卫星通信调试使用的信道模拟器。

多普勒、时延抖动、信号动态变化的问题解决了,如何有效提高信息速率,实现超小型终端的应用?

“传统通信系统采用广播模式进行通信,能量散布在所有覆盖空间内,存在巨大的浪费,如果能够在广覆盖的同时实现能量集中,那么用户站天线将小得多,更方便用户使用,也能极大程度降低用户站的成本”。研发人员解释,但这意味着对传统通信体制的颠覆,需要开发大量的新方法、新设备。在超小型终端的“诱惑”和巨大的难度之间,团队选择了迎难而上,经过大量的关键技术攻关,终于用智能波束通信技术解决了这一难题。这也标志着卫星通信终端超小型化时代的开启。

一项一项工作在项目团队的组织协调下,逐步走向了正轨,20181222日,虹云工程首星发射成功,航天科工不负众望,向浩瀚宇宙发出了一张印有我国首颗低轨宽带技术试验卫星的崭新名片。

应用: 绘制卫星互联网蓝图服务国计民生

随着虹云工程首星圆满入轨,航天科工也同步谋划着虹云工程未来的发展格局。

虹云工程已布局研发了多种类型的用户站,包括固定式、船载动中通、车载动中通三类用户站,并瞄准未来具有广阔应用前景的相控阵天线领域,据了解,首套相控阵用户站高度低于10cm,功耗低、重量轻,比肩国际先进水平。

虹云工程首星入轨后,将首先围绕武汉市需求开展应用示范,涉及林业、农业、环保、水利、气象、交通(含内河航运)等多个领域,这对于健全武汉市卫星及卫星应用上下游产业链,推动武汉市“空间+信息+互联网”相关产业的一体化发展将起到积极作用,将极大推动武汉市在“一带一路”、长江经济带、长江中游城市群建设中的作用。

而这只是虹云工程服务于国计民生的第一步。根据发展规划,系统建成后将以星座模式全球组网工作。同时,航天科工将为个人用户和企业用户带来车载、船载、机载、便携等多模式应用,带动低轨天基互联网星座系统下游千亿产值。届时,无论你身处何地,都可以享受在家一样的互联网接入体验。

空间工程公司负责人称,“目前,公司正在湖北武汉国家航天产业基地建设具备每年百颗卫星批产能力的智能化卫星生产线,为后续低轨宽带互联网星座建设建立保障条件,也将是“中国制造2025”的重要体现。”

团队:有信心迈向更广阔“星空”

低轨宽带卫星互联网系统是一项开创性的工程,在全世界都没有成功经验可以借鉴,只能靠自己摸索。项目团队一路摸着石头过河,在干中学,在学中干,在曲折与反复中砥砺前行。

回忆起整个研制历程,大家感受最多的是:世上无难事,只怕有心人。

比如形成了一套精简且完整的全周期研制思想。面临着紧张的周期,项目团队提出了把握研制关键、对研制流程进行高效精简的思路,虽然研制流程进行了精简与优化,产品的质量却没有“打折”。设计之初,项目团队就结合关键环节的风险识别与把控,深入思考流程优化的具体途径对试验充分性进行了完整的梳理,把每一个研制阶段的工作进行再确认,避免反复。同时结合本级组织特点和产品特点形成良性的质量工作持续改进机制。

比如形成了多个技术创新成果。团队成员经历过“天鲲一号”的锻炼,在此次型号任务中结合自己的思考,对流程进行了改进,对标准规范进行了完善,协作方式也变得更加老练。特别是在满足频率规避要求的任务规划技术方面,团队成员专心投入,经过大量的仿真分析、设计优化、算法改进,同时查遍了国内外与频率相关的资料,深入理解频率规避的内涵,最终形成了两份频率规避领域的专利,其中卫星网络协调资料是我国首份向国际电联提交的以Ka频段为卫星用户链路的低轨星座网络资料,为我国低轨宽带卫通的国际竞争奠定了基础。

“整个科研道路不可能是一帆风顺的,肯定是有这样和那样的崎岖和挑战,这些挑战,正是科研人员得以施展才能,体现以及提高能力水平的机会,实际上是一个动力。”项目总师说。

也正是这样的动力,从集结“人马”开始攻关,从初样到正样,从分系统测试、整星测试再到系统级测试,项目团队逐渐成长为了一支“能打仗、打胜仗”的队伍。

仰望星空,我们激情澎湃。脚踏实地,我们信心满怀。面对着一片片尚待开发的蓝海,项目团队的“星路”还在后头。

 

 

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