1.3.3 工程问题

卫星通信网络是一个复杂的航天系统工程，需要面对多样化的需求以及相互制约的工程约束，在充分考虑性能、费用、进度和风险等因素的基础上，设计、建设和运行使用系统，使系统以最优的效费比安全实现其应用目标[28]。

按需服务卫星通信网络以“资源灵活配置、服务按需适变”为工程设计基本原则，传统航天工程的定制化工程设计方法将面临新的挑战，如何在灵活性、复杂度和可靠性之间找到合理的平衡至关重要。相关工程技术挑战主要包括以下3个方面。

① 软定义与定制化的平衡

卫星通信网络的“软定义”是指利用可编程设备构建网络。相对于采用专用硬件构建的功能固化的卫星通信网络，在卫星发射后，软定义的卫星通信网络在波形、波束大小和指向、编码调制和多址方式、报文处理策略等均可按需配置。然而，软定义将引入额外的工程代价，包括功能增加/变化/升级引入的代价以及星载设备采取可靠性防护措施引入的代价等。例如，基于通用中央处理器（Central Processing Unit,CPU）实现的星载软定义交换相对于定制化的硬处理交换，在同等功耗开销的条件下，总吞吐量可以有数量级差距[29]。在系统设计迭代过程中，如果软定义对于系统效能的贡献不足以抵消工程代价与可靠性风险时，定制化的技术方案反而会占据优势。同时，如果出现新的低功耗星载软定义交换方式，全硬件定制化的技术方案又有可能处于劣势。工程方案设计是一个长期且不断迭代的过程，特别是软定义工程技术的持续创新往往受制于系统设计者对于代价和收益的评估和权衡，同时还会受到服务场景和潜在需求的变化、成本（费用、时间、智力资源投入）和风险等因素的影响。

② 成本、性能与可靠性的平衡

在轨使用现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array,FPGA）、CPU、图形处理单元（Graphics Processing Unit,GPU）、数字信号处理器（Digtial Signal Processor,DSP）等各类可编程器件、各类易失/非易失性存储器件、大规模相控阵天线组件等，可为实现卫星通信网络按需服务提供基础条件，但这些新器件、新设计的使用也给航天系统可靠性保障和成本控制带来新的挑战，需要通过工程技术创新来平衡高性能、高可靠性和低成本之间的矛盾。

以半导体器件为例，先进制程的工业级半导体器件成本低、性能高，但在轨使用时其可靠性容易受到空间辐照引起的单粒子翻转、单粒子闩锁和总剂量效应等影响。为减少这些影响，一般需要提高元器件的空间环境适应等级。传统提高设备在轨可靠性的办法大多依赖提高元器件的等级和冗余备份设计。但随着人们对轨道辐照环境与目标器件翻转截面等辐照敏感性参数认识的不断加深，新的工程技术方法可以通过建立从器件到系统的在轨失效模型，开展系统级优化设计，在满足系统可用性与合理裕度的前提下，有效延长卫星寿命、降低成本、提高性能。

③ 系统能力的数字化验证

一是基于软定义网络架构与星载可编程设备，在按需服务卫星通信网络中可以产生和获得大量的运行数据。丰富的历史运行数据是实现网络模拟、训练、验证、预测和控制的基础，能够辅助生成优化的网络管控及资源配置策略。

二是利用数字孪生技术与先进算法模型，可以辅助网络运营商适应复杂和快速多变的用户需求，实现包括规划、建设、监控、优化和运维等在内的网络全生命周期的数字化保障。

三是以软定义的卫星通信网络切片能力为基础，可按需划分与业务系统并行且相互隔离的测试切片，构建多个在轨创新试验验证系统。在轨创新试验验证系统可以直接调用卫星与地面运控设施实体资源，完整复现被测技术在工程化部署后的实际工况，提供权威的在轨验证数据，从而加快未来天地融合卫星通信网络新体制、新技术、新设备和新应用的研发进程。