智能利用“太空碎片” 成功开展天基物联网实验

上海12月4日电(记者黄鑫、通讯员韩云如)2017年11月15日北京时间凌晨2点35分，中国的风云三号04卫星(FY-3D)由长征四号丙运载火箭从太原卫星发射中心成功发射，将卫星送入预定轨道。复旦大学自主研发的“核心云”智能芯片首次随长征4c运载火箭进入太空。

新突破:太空垃圾变宝藏

过去每次发射火箭后，随着第一级火箭、第二级火箭和整流罩脱落并返回地面，最后一个子级火箭将携带有效载荷进入轨道，并长期占用宝贵的空间轨道资源，对在轨航天器构成安全威胁。这是目前最大的空间碎片数量，也是国际社会共同关心的问题。

为了解决这一问题，由信息科学与技术学院微纳系统中心、上海智能电子与系统研究所、复旦大学电磁波信息科学教育部重点实验室、上海航天系统研究所及其下属的上海爱思航天科技有限公司组成的研究团队，经过两年多的共同研究，已经形成了高度集成、基于芯片的常规微纳卫星功能模块。 可重构硬件资源和智能设计使其重量减少到30克以下，整体结构重量减少到1.1公斤。复旦大学无锡研究所参与了该项目的实施。

据团队负责人、项目总专家、信息科学与技术学院郑丽荣教授介绍，通过在末级安装这种轻便、便携的智能芯片系统，该团队将原火箭末级改造成一个成本非常低的科学实验和通信平台，实现了“变废为宝”。

在这次发射中，复旦大学和第八航天研究院的研究人员巧妙地安装了几组这样的芯片系统，为最后一个子级轨道预留搭建了第一个智能应用平台，并开展了天基物联网实验。在火箭发射任务相对频繁的时候，这种方法具有发射周期短、在轨任务多、载荷成本低等优点。这对未来多轨道天基信息网络的建设具有重要价值。

新实验:自主容错能量自主

火箭末级加载板采用复旦大学设计的“核心云1”片上智能系统芯片。SoC集成了传感器接口、数字采样、高可靠性处理器、各种信息加密技术、智能电源管理技术以及丰富的数据接口和网络通信协议。它是一款高集成度、功能齐全、自主控制的芯片卫星SoC。

复旦大学的R&D团队长期以来致力于建立一个具有类似大脑的自主容错能力的计算模型和拓扑结构。受大脑可塑性原理的启发，该团队在世界上第一个提出了类大脑自主容错的概念，并将其应用于高可靠性系统芯片的研发。研究表明，这种架构比传统的多模冗余技术更可靠，但功耗和芯片面积可以大大降低。同时，该团队通过定制和优化特殊指令集、重构计算单元阵列和内存访问级别，大大提高了数据重用率，减少了数据移动，从而提高了片上资源的整体效率，降低了系统功耗。相关的研究成果已经发表在《电气和电子工程师学会电路和系统交易》和《电气和电子工程师学会国际系统芯片会议》上。

本次在轨测试将验证芯片的自主容错、动态重构、能量自主等功能。信息科学与技术学院微纳系统中心的团队成员兼研究员邹卓说:“如果实验成功，该系统有望完全摆脱备用电池，只有几厘米大小的太阳能电池板才能实现能源自主。”。

目前，该研究项目得到了上海市科委等部门的大力支持。

新应用:有效监控所有事物的互联

复旦大学和第八航天研究所利用火箭末级平台，联合进行了低功耗天基广域物联网实验。物联网用于精确监测火箭末级飞行轨迹，测量周围空间环境和长期在轨姿态演化规律，并对系统芯片自身功耗和平台能量管理进行一系列实验和验证。

“截至2017年12月4日，该系统已经在轨道上运行了430小时。运行期间，物联网测试节点与地面网络通信稳定，返回空间监测数据、接收地面控制命令等功能运行正常，运行状况良好。”信息科学与技术学院微纳系统中心团队成员、副教授秦亚杰兴奋地说。按照预定计划，该小组已完成在轨关键技术的测试和验证，并已转入长管在轨阶段。然后双方的研究团队将进一步开展一系列实验，如组网与路由、传输控制协议、流媒体分发等。验证了芯片的自主容错、动态重构、能量自主等功能，并分析了空间碎片的行为模型。

中国科学院院士、复旦大学电磁波信息科学教育部重点实验室主任金根据项目指导意见，随着我国倡议和海洋强国战略的实施，越来越迫切需要利用广域物联网对我国的边远地区、周边海域和热点进行识别和监测。然而，由于地球曲率的影响，地面和岸基物联网系统的覆盖面积相对较小。我们的“核心云”技术可以覆盖视线之外的广阔区域，就像延伸一条巨大的手臂，控制和延伸的范围可以大大增加。

据介绍，复旦大学和第八航天学院利用各自的优势资源创建的新型物联网加载系统，作为地面物联网的有益补充，可以实现大规模低成本的空中、空中、地面和海上的物联网，提供大数据应用和相关服务，为我国后续的天基物联网、空间碎片监测研究奠定坚实的技术基础。 空间环境探测、高空地磁测绘，也是回收火箭和处理空间碎片这一国际公共问题的一个巧妙而重大的尝试。