近年來，把實現(xiàn)手機(jī)無線通信的基站搬上天，構(gòu)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(guān)注的熱點。在這一領(lǐng)域，我國科學(xué)家超前布局，率先提出通信、遙感、導(dǎo)航三大功能一體化、網(wǎng)絡(luò)化的大膽設(shè)想。

自2013年起，在國家自然科學(xué)基金重大研究計劃“空間信息網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)”的支持下，來自不同學(xué)科領(lǐng)域的科學(xué)家協(xié)同作戰(zhàn)，瞄準(zhǔn)信息網(wǎng)絡(luò)學(xué)科發(fā)展前沿，圍繞關(guān)鍵科學(xué)問題開展了長達(dá)8年的攻堅克難，并完成結(jié)束評估。

業(yè)內(nèi)專家認(rèn)為，在該重大研究計劃支持下，科學(xué)家們發(fā)展出原創(chuàng)的空間網(wǎng)絡(luò)及空間信息傳輸處理新理論與新技術(shù)，提升了我國空間信息網(wǎng)絡(luò)發(fā)展水平。

(相關(guān)資料圖)

科研人員在青海大柴旦開展在軌衛(wèi)星、臨近空間氣球、系留氣球、無人機(jī)等多類平臺協(xié)同的天臨空地一體空間信息網(wǎng)絡(luò)快速響應(yīng)應(yīng)用試驗。（研究團(tuán)隊供圖）

超前布局

人們在日常生活中離不開的手機(jī)依靠基站接入互聯(lián)網(wǎng)，基站通過數(shù)據(jù)高速傳輸實現(xiàn)各式各樣的通信和社交功能。然而，在遠(yuǎn)洋航行、應(yīng)急救援、深空探測等特定場景下，由于地面基站不夠用，手機(jī)無法實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)。

對此，科學(xué)家腦洞大開：把基站搬上天，信息服務(wù)能力就能得到極大提高，人就不會失聯(lián)。20世紀(jì)90年代，發(fā)達(dá)國家相繼提出一系列“空間信息網(wǎng)絡(luò)計劃”，嘗試開展一些演示驗證，主要依靠衛(wèi)星實現(xiàn)天基網(wǎng)絡(luò)的通信。

早在2005年前后，中國科學(xué)院、中國工程院院士李德仁帶領(lǐng)一批專家在國內(nèi)率先提出通信、遙感、導(dǎo)航三大功能一體化、網(wǎng)絡(luò)化的設(shè)想。

“對于天基網(wǎng)絡(luò)要傳輸哪些信息，一開始，專家們的設(shè)想不只局限在通信上，還包括多媒體、傳感器的信息等?！苯战邮懿稍L時，該重大研究計劃指導(dǎo)專家組副組長、中國科學(xué)院院士龔健雅告訴《中國科學(xué)報》，“我國科學(xué)家提前洞見了這個領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展趨勢。”

經(jīng)過長期研討，科學(xué)家們提出了“空間信息網(wǎng)絡(luò)”的定義。他們認(rèn)為，空間信息網(wǎng)絡(luò)是國家重要的信息基礎(chǔ)設(shè)施，它以衛(wèi)星、無人機(jī)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(wǎng)絡(luò)一體化互聯(lián)，實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的采集、傳輸和處理等功能。

科學(xué)家們的共識是，只有從基礎(chǔ)研究做起，改變這一領(lǐng)域無普適模型、缺乏理論體系的現(xiàn)狀，才有可能真正實現(xiàn)把基站搬上天的大膽設(shè)想。“我國也要在空間信息網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域超前布局，掌握自主可控的核心技術(shù)，力爭在空間信息網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)技術(shù)突破?！饼徑⊙疟硎?。

2013年，國家自然科學(xué)基金委員會啟動重大研究計劃“空間信息網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)”，旨在突破空間信息網(wǎng)絡(luò)理論與技術(shù)的諸多科學(xué)難題。醞釀8年、執(zhí)行8年，共16年時間，該重大研究計劃全面完成既定任務(wù)，達(dá)到預(yù)定科學(xué)目標(biāo)，使我國空間信息網(wǎng)絡(luò)相關(guān)領(lǐng)域的研究實現(xiàn)了從跟蹤并行到部分成果躋身世界先進(jìn)行列的快速發(fā)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(xué)家們?nèi)翰呷毫?，凝練出三大關(guān)鍵科學(xué)問題，即“空間信息網(wǎng)絡(luò)模型與高效組網(wǎng)機(jī)理”“空間動態(tài)網(wǎng)絡(luò)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(guān)鍵科學(xué)問題緊密相連，具有一脈相承的清晰邏輯關(guān)系。簡單地說，第一是如何構(gòu)建動態(tài)網(wǎng)絡(luò)，保證衛(wèi)星、無人機(jī)等空間“基站”之間聯(lián)通；第二是這些基站之間如何進(jìn)行高速傳輸；第三是對于基站獲得的大容量遙感數(shù)據(jù)如何進(jìn)行智能處理與高倍壓縮，以便用戶能夠?qū)崟r使用。

在該重大研究計劃實施的8年里，來自不同學(xué)科的科學(xué)家協(xié)同作戰(zhàn)，圍繞上述科學(xué)問題進(jìn)行攻關(guān)，取得了豐碩成果。這些成果包括提出動態(tài)網(wǎng)絡(luò)建模和容量計算、空間動態(tài)組網(wǎng)機(jī)理和協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)和管理控制等理論與技術(shù)，空間網(wǎng)絡(luò)新型編碼和調(diào)制、空間動態(tài)鏈路的高效傳輸、空間網(wǎng)絡(luò)多波束多址接入等理論與技術(shù)，在軌空間數(shù)據(jù)的實時感知認(rèn)知和智能遙感影像服務(wù)的新理論，并應(yīng)用于我國高分、資源、遙感等三大系列衛(wèi)星影像處理系統(tǒng)。

在該重大研究計劃實施中，學(xué)科交叉在科學(xué)研究中得到高度重視。龔健雅介紹，主要涉及信息、地球與數(shù)理學(xué)科的交叉。

例如，在地球與信息學(xué)科的交叉中，研究人員將地球科學(xué)中的衛(wèi)星遙感、導(dǎo)航定位等科學(xué)技術(shù)與信息科學(xué)中的動態(tài)組網(wǎng)和高速傳輸?shù)葍?yōu)勢相結(jié)合，極大提升了地學(xué)信息的時效性和氣象觀測及災(zāi)害預(yù)測的精確性。

而在數(shù)理與信息學(xué)科的交叉融合中，研究人員將物理學(xué)中的太赫茲高速調(diào)制器件設(shè)計、太赫茲相位調(diào)控與信息學(xué)的太赫茲傳輸理論相結(jié)合，使得當(dāng)時國際最快調(diào)制速率提高了1個數(shù)量級，在空間太赫茲波透射式相位調(diào)控問題上實現(xiàn)了原理性突破。

這些研究成果得到了學(xué)界的認(rèn)可。該重大研究計劃實施期間，科學(xué)家共發(fā)表論文超過3000篇，獲得國際相關(guān)學(xué)術(shù)獎23項。

不僅如此，更令科學(xué)家們感到欣慰的是，多項基礎(chǔ)研究成果“上了天”?！皩τ谕ㄐ牛驗槟壳疤焐蠜]有網(wǎng)絡(luò)，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(jìn)，他們對基于基礎(chǔ)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(wèi)星試驗的機(jī)會。

沒想到的是，大名鼎鼎的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)拋來橄欖枝?！啊倍贰膶＜腋嬖V我們，盡管‘北斗’是導(dǎo)航衛(wèi)星，但有一些衛(wèi)星是具有通信功能的，希望采用一些先進(jìn)的通信技術(shù)，便同意我們在‘北斗’上開展試驗。我們最終獲得成功?！饼徑⊙疟硎尽?/p>

此外，2023年1月發(fā)射的“雙清一號”科學(xué)實驗衛(wèi)星也是計劃外的產(chǎn)物。龔健雅介紹，科學(xué)家們對遙感影像稀疏表征與融合處理難題的技術(shù)突破引起了航天東方紅衛(wèi)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(wèi)星的設(shè)計、制造和發(fā)射。目前，這顆衛(wèi)星已經(jīng)作為重大科研基礎(chǔ)設(shè)施為全國科研單位提供開放式衛(wèi)星在軌實驗驗證環(huán)境。

項目研究的經(jīng)歷讓科學(xué)家們堅信，只有基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)足夠先進(jìn)、高效、可靠，應(yīng)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(dǎo)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(xué)突破提供了堅實的組織保障。

總體而言，指導(dǎo)專家組的工作始終貫徹“兩個結(jié)合”原則，即“頂層設(shè)計的目標(biāo)導(dǎo)向與科學(xué)家自由探索相結(jié)合”“遴選新項目與整合集成在研項目相結(jié)合”。據(jù)悉，指導(dǎo)專家組在項目指南擬制，組織學(xué)術(shù)交流會、集中研討、調(diào)研等方面開展了大量細(xì)致的工作。

龔健雅坦言，指導(dǎo)專家組遇到的一個困難是，在基礎(chǔ)研究自由探索的原生文化下，如何進(jìn)行有組織、有目標(biāo)的大型研究。對此，他們的解決方案是，從基礎(chǔ)理論創(chuàng)新階段開始，指導(dǎo)專家組就廣泛聽取各方意見，深入、細(xì)致地參與方向布局，發(fā)揮好“舵手”的作用。

“在討論一個支持方向時，我們指導(dǎo)專家組都要邀請相關(guān)領(lǐng)域的專家或正在承擔(dān)課題的科學(xué)家一起先開兩三天的會，討論這個課題的現(xiàn)狀及將來的發(fā)展方向?！饼徑⊙呕貞浾f，“大家形成一些想法后，由我們指導(dǎo)專家組召開閉門會來決定未來支持的方向，我們會隨時監(jiān)控這些方向進(jìn)展的狀態(tài)?！?/p>

同時，該重大研究計劃還通過年度學(xué)術(shù)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(biāo)開展工作，把指導(dǎo)專家組的主張、意圖傳遞、貫徹下去，探索國家自然科學(xué)基金重大研究計劃的研究組織模式。

有了指導(dǎo)專家組的嚴(yán)密部署，科學(xué)研究朝著既定目標(biāo)一步步不斷推進(jìn)。據(jù)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(chǔ)理論創(chuàng)新階段”，主要任務(wù)是圍繞三大關(guān)鍵科學(xué)問題及時部署目標(biāo)需求導(dǎo)向研究工作，為后續(xù)研究奠定理論基礎(chǔ)；2017—2018年為第二階段“關(guān)鍵技術(shù)突破階段”，通過項目布局建立空間信息網(wǎng)絡(luò)模型，形成信息傳輸理論與方法，構(gòu)建信息表征與處理方法體系，同時突破相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)，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(jìn)一步完善仿真測試平臺，完成集成演示驗證，重點進(jìn)行項目和成果的集成升華。

同時，除指導(dǎo)專家組的努力外，一個具有學(xué)術(shù)認(rèn)知力和科研組織力的強(qiáng)大秘書組團(tuán)隊也發(fā)揮了不可或缺的作用。此外，與指導(dǎo)專家組配合的管理工作組負(fù)責(zé)對該重大研究計劃的實施進(jìn)行總體審核、協(xié)調(diào)及組織評估。他們嚴(yán)格按照有關(guān)管理規(guī)定，對項目資助進(jìn)行規(guī)范操作和管理，真正做到了公正、公平、公開。

面向未來，科學(xué)家們信心滿滿，在基礎(chǔ)研究和關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)得到突破的今天，我國已準(zhǔn)備好繪就“空間信息網(wǎng)絡(luò)”藍(lán)圖的關(guān)鍵技術(shù)，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(xiàn)場（研究團(tuán)隊供圖）

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