應(yīng)用背景
2020年12月10日4時14分，中國在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用長征十一號運載火箭，以“一箭雙星”方式將引力波暴高能電磁對應(yīng)體全天監(jiān)測器衛(wèi)星（Gravitational wave high-energy Electromagnetic Counterpart All-sky Monitor，簡稱：GECAM衛(wèi)星，又稱：懷柔一號）送入預(yù)定軌道。
GECAM衛(wèi)星由中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項“空間科學(xué)(二期)”部署，2顆小衛(wèi)星采用共軛軌道星座布局，將對引力波伽馬暴、快速射電暴高能輻射、特殊伽馬暴和磁星爆發(fā)等高能天體爆發(fā)現(xiàn)象進(jìn)行全天監(jiān)測，研究中子星、黑洞等致密天體及其并合過程。此外，衛(wèi)星還將探測太陽耀斑、地球伽馬閃和地球電子束等空間高能輻射現(xiàn)象，為進(jìn)一步研究其物理機(jī)制提供科學(xué)觀測數(shù)據(jù)。
中國科學(xué)院A類戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項“空間科學(xué)(二期)”已經(jīng)于2018年7月4日正式啟動，執(zhí)行周期為五年，牽頭單位為中科院國家空間科學(xué)中心。在“悟空”“墨子”“慧眼”和實踐十號等科學(xué)衛(wèi)星相繼取得重大科學(xué)成果和社會影響后，專項二期瞄準(zhǔn)宇宙和生命起源與演化、太陽系與人類的關(guān)系兩大科學(xué)前沿，在時域天文學(xué)、太陽磁場與爆發(fā)的關(guān)系、太陽風(fēng)-磁層相互作用規(guī)律、引力波電磁對應(yīng)體等方向開展衛(wèi)星研制。此外，專項還部署了一批概念研究、預(yù)先研究、背景型號、科學(xué)衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃與數(shù)據(jù)分析等項目。
存在挑戰(zhàn)
地面支撐系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)是確保空間科學(xué)衛(wèi)星工程地面段任務(wù)順利實施的基礎(chǔ)設(shè)施，用于支持空間科學(xué)衛(wèi)星任務(wù)的指令上行、數(shù)據(jù)地面?zhèn)鬏斉c交換、公共資源與服務(wù)訪問、存儲災(zāi)備、通信與調(diào)度、任務(wù)協(xié)調(diào)等任務(wù)的執(zhí)行。
基于此項目的衛(wèi)星地面支撐系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)需要建立以懷柔園區(qū)為交換樞紐，依托中國科技網(wǎng)，連接測控系統(tǒng)、地面接收系統(tǒng)、各衛(wèi)星科學(xué)用戶中心、地面試驗平臺站點和國際合作機(jī)構(gòu)的通信與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。隨著科研測和示范應(yīng)用需求的不斷發(fā)展，對科研網(wǎng)絡(luò)平臺提出了更高的要求。
首先，作為空間科學(xué)衛(wèi)星地面支撐系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)，它要求國內(nèi)國際多個網(wǎng)絡(luò)運營商實現(xiàn)互聯(lián)互通，聯(lián)合提供跨域的端到端的有帶寬保證的連接，并盡可能延伸到分布廣泛的設(shè)備終端。由于網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，接入方式不一，業(yè)務(wù)應(yīng)用多樣化，項目任務(wù)運行期間任何不確定因素所造成的影響都可能為衛(wèi)星運控、觀測任務(wù)帶來較為嚴(yán)重的后果。因此，保障網(wǎng)絡(luò)運行穩(wěn)定可靠顯得尤為緊迫和重要。
此外，由于衛(wèi)星控制指令傳輸?shù)陌踩燃壖翱煽啃院芨?，出于安全考慮，要求使用獨立的信道。為支持各衛(wèi)星任務(wù)能夠順利進(jìn)行，保證關(guān)鍵科學(xué)數(shù)據(jù)不丟失，需要進(jìn)行異地災(zāi)備，這樣對網(wǎng)絡(luò)鏈路的安全性和帶寬質(zhì)量提出了更高的要求。
解決方案
根據(jù)衛(wèi)星任務(wù)需求，中國科技云為本次GECAM衛(wèi)星集成聯(lián)網(wǎng)提供了基于中國科技云網(wǎng)絡(luò)環(huán)境建設(shè)的IPSEC虛擬專網(wǎng)，連接國家空間科學(xué)中心、GECAM科學(xué)衛(wèi)星應(yīng)用中心（中科院高能所）、地面接收分系統(tǒng)（中科院空天院）、數(shù)據(jù)災(zāi)備中心（昆明、東莞數(shù)據(jù)中心），為衛(wèi)星科研數(shù)據(jù)傳輸提供高速科研數(shù)據(jù)專網(wǎng)。并且提供了主備雙線、物理隔離的數(shù)字專線連接到國家衛(wèi)星測控系統(tǒng)，為衛(wèi)星的運行和工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視，生成控制指令，虛擬專網(wǎng)鏈路圖如圖1所示。
圖1. 虛擬專網(wǎng)連接示意圖
各衛(wèi)星科學(xué)用戶與國際合作者依托中國科技云支持建設(shè)的中歐之間萬兆陸纜以及中美之間高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)據(jù)高速交換。
成效與展望
目前，在中國科技云為GECAM衛(wèi)星提供的IPSEC虛擬專網(wǎng)上，衛(wèi)星科研數(shù)據(jù)每日峰值流量為800Mbps左右。
中國科技云擁有多條高速國際科研網(wǎng)絡(luò)出口，可以為科研工作者提供大帶寬、低延遲的科研數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，還組織和推動多學(xué)科交叉的應(yīng)用開發(fā)、資源共享，高性能的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和7×24小時專業(yè)技術(shù)服務(wù)，保障用戶訪問暢通，網(wǎng)絡(luò)運行安全、穩(wěn)定，海量科研數(shù)據(jù)傳輸順暢。
今后，中國科技云將繼續(xù)發(fā)揮自身的優(yōu)勢，加強(qiáng)與各院屬單位的合作，積極參與空間科學(xué)領(lǐng)域的項目，力爭為空間科學(xué)領(lǐng)域重大產(chǎn)出做出更大的貢獻(xiàn)。
撰稿人：馬彤宇、余寧
