基于分布式星群的空間信息網絡體系架構與關鍵技術

王敬超+于全

摘要：提出分布式星群網絡的概念，即利用共軌控制、組網協同技術，整合空間鄰近且獨立分布的衛星資源，在同步軌道上將多顆小衛星整合等效為一顆大衛星，實現服務能力的增強。并提出基于分布式星群的空間信息網絡體系架構，通過多星共軌、星間高速互聯、分布式自主協同、資源虛擬化等關鍵技術，可以實現空間系統服務能力增強，多星合成覆蓋，在軌智能自愈，為構建未來穩定可靠的空間信息網絡提供借鑒。

關鍵詞：分布式星群；空間信息網絡；體系架構

中圖分類號：TN929.5 文獻標志碼：A 文章編號：1009-6868 （2016） 04-0009-005

空間信息網絡是以空間平臺（如地球同步軌道（GEO）、地球非同步軌道（NGEO）、低軌道衛星，高空平臺（HAPS，臨近空間無人機或飛艇等））為載體，通過一體化組網互聯，支持實時采集、傳輸和處理海量數據，實現體系化信息服務應用的網絡基礎設施。由于其獨特的空間位置優勢，與地面網絡相比，空間信息網絡在對地觀測、應急通信、航天測控、航空運輸和國家戰略利益拓展等方面都有著不可替代的作用，已逐漸成為國家戰略利益的高邊疆[1]。

近年來，全球相關機構和組織已投入大量的人力和物力開展空間信息網絡相關技術研究及實驗驗證，包括美國國家航空航天局（NASA）的空間傳感網、歐洲的哥白尼計劃、美國國家衛生基金會（NSF）的國家生態觀測網絡以及中國自然科學基金空間信息網絡重大研究計劃和“十三五”規劃中的天地一體化信息網絡[1-4]等。從空間信息網絡基礎設施、全球建站受限等不同角度，對于中國空間信息網絡已經基本形成 “骨干網+接入網”的體系架構共識[1]， [5-8]，其中骨干網由實現全球保障的高軌衛星組成，接入網則包含了各類低軌衛星及各類空基平臺。

針對骨干節點頻率軌位匱乏，衛星平臺承載能力弱等問題，我們提出了分布式星群網絡的概念，即利用共軌控制、組網協同技術，整合空間鄰近且獨立分布的衛星資源，在同步軌道上將多顆小衛星整合等效為一顆大衛星，實現服務能力的增強。文章在深入分析分布式星群的應用需求、全球研究現狀的基礎上，給出基于分布式星群的空間信息網絡體系架構，并對其中的關鍵技術進行梳理，為后續有關技術發展提供借鑒。

1 分布式星群網絡應用需求

（1）構建分布式星群是緩解空間資源約束的重要手段

地球同步軌道以其獨特的空間位置，可以在地面站和衛星之間建立穩定長期的鏈路，可對同一地區進行連續通信或觀測，是通信、氣象等衛星的首選軌道位置。自1963年第一顆地球同步軌道衛星發射以來，地球同步軌道衛星的數量不斷增加。截至2015年12月，在國際電信聯盟登記在案[9]的同步軌道衛星有490余顆，同步軌道衛星的軌位資源越來越緊張，中國所能使用的軌道位置與美、俄等國家相去甚遠。此外，C、Ku等頻率資源使用殆盡，在中國上空東經70～130°范圍內，使用C頻段的衛星就有60余顆，Ku頻段70余顆。衛星通信頻段向Ka、Q/V、W等高頻段逐步擴展，衛星全球頻率協調難度日益增加。

同時，隨著平臺技術和測控技術的進步，衛星測定軌和軌位保持精度逐步提升，多星共軌技術從20世紀90年代開始得到廣泛應用。以精確共軌技術為基礎的分布式星群網絡為緩解中國匱乏的空間頻率軌位資源提供了新思路。

（2）構建分布式星群是實現空間信息骨干節點的重要基礎

目前，中國同步軌道衛星以東方紅四號平臺為主，其有效載荷承載能力在700 kg左右，提供約8 000 W的功率，而在民用空間基礎設施規劃中，未來10～20年將發射大量的對地觀測等各類衛星。隨著信息獲取技術的提升，這些衛星所要求的傳輸帶寬也越來越大，單顆東四平臺同步軌道衛星已經難以滿足空間信息網絡骨干節點的吞吐量、處理能力等需求，必須采用有效手段解決骨干節點能力需求與衛星平臺承載能力之間的矛盾。分布式星群通過采用多顆衛星等效為一顆大衛星提升服務能力為解決該問題提供了有效的技術途徑。

另一方面，空間信息網絡骨干節點承載了大量業務的匯聚、處理、交換任務，其可靠性直接影響整個空間信息網絡服務的可用性。采用分布式星群網絡構建其核心節點，在單個衛星出現故障時通過重組調度不會影響骨干節點的全部功能，從而可以實現系統在空間復雜環境下的高可靠性。

（3）構建分布式星群是提升空間資源效益的有效途徑

隨著航天技術的發展，中國衛星種類和功能日臻完善，在通信、導航、廣播、氣象、地理信息、國防等領域得到了廣泛的使用，發揮了巨大作用。與此同時，衛星系統之間自成體系、條塊分割的局面也日漸形成，不同用戶部門分別建設獨立的衛星地面站，衛星系統之間的信息無法及時共享和綜合利用，嚴重制約了空間信息的時效性及空間系統綜合效益的提升，空間信息一體融合與在軌高效處理成為未來的發展趨勢。

構建基于多星協同的分布式星群網絡，實現各類衛星系統之間資源和信息的統一管理、互聯互通和綜合利用，為天基信息的獲取、處理、存儲、傳輸與分發提供統一的基礎平臺，可極大提高空間信息系統的建設效益，降低建設成本。

2 相關空間系統研究現狀

日新月異的電子和信息技術對傳統大型航天器提出了更多挑戰，長研制周期和長壽命要求使得大型航天器研制成本高昂、技術固化，處理能力和快速響應能力遠落后于地面系統。為降低大型航天器研制和部署風險，美、歐等國家或地區的組織陸續開展了分布式空間信息系統的研究，最為典型的有美國F6計劃和天基群組（星簇）等計劃。

2.1 F6計劃

F6全稱為通過信息交換連接的“未來、快速、靈活、分離模塊、自由飛行航天器”，是2007年美國國防高級研究計劃局（DARPA）啟動的演示驗證項目[10-11]。

如圖1所示，F6計劃的項目構想是圍繞任務需求，把一個航天器的任務載荷、能源、通信、導航、計算處理等功能單元優化分解為多個模塊，每個分離模塊從本質上說仍然是一顆衛星，攜帶與航天任務相關的不同功能或資源，采用物理分離、星群自由飛行、無線信息交換和無線能量交換方式，功能協同，資源共享，構成一顆虛擬大衛星來完成特定的任務。F6中提出的構想與分布式星群的區別在于分布式星群中的組成衛星是獨立全功能的，可以協作實現某一功能也可獨立擔負某項任務。

2.2 天基群組計劃

美國2007年公布的天基群組計劃重點用于提升同步軌道衛星的及時響應能力。天基群組中的每個衛星具有自己特定的任務，各衛星的功能不同，大型單個衛星的功能在多個衛星中進行分解，在天基群組內部具有專門提供服務的衛星以及完成某種特定任務的衛星。圖2所示為部署在地球同步軌道上的天基群組，主要包括路由衛星、服務衛星和任務衛星3部分。其中路由衛星為群組提供天地鏈路等核心服務，在軌服務衛星為任務衛星和系統重構提供支持保障，路由衛星和服務衛星共同組成天基群組的基礎設施，保障任務衛星執行指定任務。

與F6計劃面向低軌的無中心分離式結構有所區別，天基群組重點面向同步軌道，且群組以路由衛星為核心，實現空間資源的整合。天基群組的體系結構設計具有以下特點：每顆子衛星僅完成一項任務；部署多個路由衛星形成全球網絡；軌道機動，星簇重構，從而可以降低單顆衛星系統的復雜程度、發射和研制成本；新技術能夠快速在系統中應用；對故障具有較高的冗余度，能夠根據任務快速響應，重構系統功能。

2.3 其他相關空間計劃

在單個衛星系統中，美軍轉型衛星通信系統（TSAT）以其先進的技術理念、高昂的研制成本備受關注[12]。TSAT計劃最大特點是擴展天基交換和傳輸帶寬，希望達到與地面光纜相當的傳輸能力；借鑒地面IP技術，由直接支持海、陸、空用戶向支持天基用戶擴展，使得天基傳輸與分發網絡擴展為空間信息系統；利用5顆獨立組網、全球覆蓋的衛星，TSAT可提供強大的、抗干擾的全球保密通信，作為太空路由器獨立運行，對實現空間信息網絡起著關鍵作用。TSAT使用無線激光星間鏈路在太空建立起高速骨干通信網，星間傳輸速率達到20 Gbit/s，星地傳輸速率達到10 Gbit/s，并且支持衛星之間全連通的無線激光拓撲。

2007年3月，波音公司及其合作伙伴首次成功演示了TSAT無線激光通信系統的性能，分別以2.5、10和40 Gbit/s的數據速率完成了通信和捕獲、跟蹤和瞄準（ATP）性能試驗。由于經費等原因，TSAT計劃已被暫時擱置，但是其全球化組網、構建空間信息網絡的理念并沒有消失。

3 基于分布式星群的空間信息網絡體系架構構想

3.1 定義組成

基于分布式星群的空間信息網絡采用多星共軌組合、超高速空間組網、分布式協同處理等機制，構建具有多種功能和用途的一體化綜合信息網絡，可實現空間網絡一體化的信息傳輸、管理與共享，具備自適應、自組織、柔性可重構及抗毀能力。星群節點由各類不同功能的衛星組成，可作為天基骨干網節點與其它平臺進行數據交互，實現信息的中繼與高速回傳。在部分衛星故障時，通過在軌快速自愈和與新入軌衛星快速重構的辦法，使得信息處理和網絡功能得以快速恢復。以下簡稱為分布式星群網絡。

空間段包括各種類型的航天器，主要有多星共軌的分布式星群，具備星間和星地鏈路的骨干通信衛星，嫦娥、螢火等深空探測飛行器，對地觀測飛行器，以及空間站等。臨近空間段包括各類具備衛星鏈路的飛行器，主要有編隊飛行的無人機群、平流層飛艇等升空平臺、干線民航客機、大型運輸機等。地面段包括各類終端、接入站點和各類與航天活動相關的地面設施，主要有車載、機載、船載、手持等衛星通信或數據采集分發終端，各類衛星固定接收站，衛星測控系統、運控系統，以及其他與航天活動相關的網絡或設施?；诜植际叫侨旱目臻g信息網絡組成示意如圖3所示。

3.2 體系結構

隨著地面以數據為核心的新型業務以及分組交換網絡的迅猛發展，分層化、可擴展的網絡框架得到了廣泛應用和成功驗證。結合衛星應用特點并借鑒地面網絡經驗，基于分布式星群的空間信息網絡可分為骨干網、接入網與運維網3部分。

分布式星群網絡骨干網節點定位于同步軌道，由星群內部路由、交換、信息處理、信息存儲、邊緣等節點以及獨立的單個交換、路由、邊緣節點型航天器組成。邊緣節點可為接入網中節點或終端提供骨干網接入服務。星群內部骨干節點衛星通過激光鏈路互聯互通，星群間骨干節點可直接通過激光或微波星間鏈路通信，實現網狀互聯，有效載荷采用分布式、可重構設計思想，采用多顆衛星協同工作，共同完成骨干節點衛星的功能，星群內部各個節點功能可以按需重構，全面提升空間信息網的系統能力。

分布式星群網絡接入網由接入用戶終端和接入信息系統節點組成，接入用戶終端指深空探測航天器、對地觀測航天器等各類天基平臺，大型運輸和無人機群等空基平臺以及地面寬帶用戶等接入骨干網的終端；接入信息系統節點指承擔相應信息系統接入骨干網的節點，如承擔骨干網與地面互聯網連接的地面關口站、骨干網與航空個人通信網互聯的大型民航客機等。

運維網指包含運控管理系統和地面測控系統等，承擔分布式星群網絡天基節點正常運行，網絡資源管理調度等功能。整個分布式星群網絡支持分級式的運控管理，可以由運控管理中心統一管控，也可以由各運控管理子站分別負責個別衛星資源的管控。

分布式星群網絡的骨干網、接入網以及運維網通過各種有線和無線鏈路構成一個有機的整體，為空間信息的融合、共享等方面提供傳輸網絡基礎。

3.3 協議體系

分布式星群網絡結構復雜，需要適應深空、臨近空間、近地、海面、陸地等多種接入環境，其拓撲、規模、容量、通聯關系等均動態可變。穩定高效、擴展性強的網絡協議體系是確保分布式星群網絡服務質量的關鍵。

針對接入環境的特點，分布式星群網絡物理層和數據鏈路層協議可基本上劃分為星間和星地兩大類。可具體根據接入信道，細分為無線類和激光類協議。

目前，航天系統高層協議中常用的有基于空間數據系統咨詢委員會（CCSDS）和基于IP兩類空間通信協議體系。CCSDS類協議專為空間通信設計，充分考慮了空間資源約束和空間環境特性，應用較為成熟，協議效率較高，協議體系較為完善。然而CCSDS類協議開發、測試與維護成本相對IP類協議較高，且無法直接與地面基于IP協議的網絡進行互操作，對動態路由支持能力較弱。IP over CCSDS可在CCSDS協議框架下提供IP數據報文傳遞服務，然而無法克服CCSDS協議自身不足?；贗P類的協議組網靈活性高，與地面現有系統的兼容性好，可以擴展性強，但與CCSDS類協議相比，對星上處理能力要求較高，我們協議效率相對較低。

充分考慮開發成本、協議效率、互操作性及未來網絡發展趨勢，構建以IP為基礎、兼容面向鏈路應用的分布式星群網絡協議模型在滿足組網靈活性的基礎上可以提供更高的擴展能力，我們建議的協議模型如圖4所示。

4 關鍵技術

4.1 體系結構設計與優化

分布式星群網絡是涉及多軌道、多功能、多種應用方向、多類服務對象和異構網絡互聯的復雜系統，存在激光、毫米波、微波等多種傳輸鏈路以及全光電路、射頻（RF）電路、IP分組等多種交換體制，其拓撲、規模、容量、通聯關系等均動態可變，需要適應深空、臨近空間、近地、海面、陸地等多種接入環境。如何實現網絡結構自組織，網絡狀態自調節，網絡傳輸自適應，提升星群網絡服務能力，需要結合技術發展現狀，開展體系結構專題研究和攻關。

4.2 網絡協議設計與優化

分布式星群網絡由提供不同業務功能的應用服務節點和網絡節點構成，星群網絡傳輸鏈路速率高，時延變化范圍大，通斷頻繁及通聯關系動態可變，星群用戶接入集中，突發業務量大，需要在綜合空間實現、成本與風險等約束條件下，開展與分布式星群網絡構型相適應的高速傳輸、可靠路由、接入控制等協議研究，提升星群網絡資源利用率及業務支持能力；充分考慮地面網絡技術發展趨勢以及與地面通信網絡互聯互通性，開展面向不同業務的空間網絡協議設計，通過仿真和樣機驗證等手段，設計出適合中國空間信息網絡發展的網絡協議體系，滿足各類用戶體驗需求。

4.3 可信網絡管理技術

分布式星群面臨多尺度、多資源、異構性的復雜服務需求，如何獲取有效而充分的星群資源，需要解決網絡管理體系架構設計，網絡資源優化利用和服務資源協調管理的問題，實現網絡效能最大化和應用滿意度最大化。針對分布式星群網絡管理體系架構和服務資源優化問題，可基于面向服務的框架體系（SOA），采用基于企業服務總線（ESB）的服務資源發現、挖掘、注冊和管理方法，通過信息傳輸、格式轉換、服務資源接口標準化、資源協同調度等技術方法，實現異構服務的重復高效運用，并采用復雜事件處理技術（CEP），采用模式匹配、事件序列分解、復雜語義檢測、關鍵序列標定等方法，實現實時事件流分析和服務資源匹配優化。針對星群網絡多維資源優化問題，可面向分布式資源管理，采用凸優化、魯棒性優化和多目標優化理論，從多尺度下優化網絡資源，包括帶寬、功率、波束、路由和轉發器等資源，最大化網絡容量，提高網絡的服務效能。

4.4 高速激光組網技術

針對分布式星群群內高速激光傳輸的特點，需要探索全光交換機制在分布式星群高速激光組網中的應用，構建基于波長路由的分布式全光突發交換機制，并研究分布式路由算法，開展弱光信號條件下全光3R再生和格式透明、偏振不敏感、多鏈路同步切換全光波長變換相關理論問題的研究，開展數學仿真和原理性驗證實驗，攻關分布式動態可重構光交換的物理實現關鍵技術。另外，還需開展傳統光學天線理論、微波多波束天線和智能天線理論的交叉學科研究，從理論上研究并解決激光光波單向性與分布式星群網絡準全向傳輸要求間矛盾的問題，運用多種光通信新技術進行綜合創新，推動單鏈路、點對點衛星激光信息傳輸技術，向動態多鏈路集群通信體制發展。

4.5 寬帶高速接入技術

針對星群網絡具有時空跨度、高動態拓撲和開發空間復雜干擾的特征，其高速接入和寬帶傳輸面臨鏈路傳輸速率與時變信道，動態資源與突發業務需求，網絡編碼容量與時變拓撲結構之間的動態適配等巨大技術挑戰。通過研究空間高動態寬帶接入傳輸中的時變信道大范圍速率自適應傳輸，時變資源接入系統的時滯反饋控制，時變傳輸矩陣的自適應網絡糾錯編碼等問題，提高空間信息傳輸的效率和可靠性，空間數據和信息從源到用戶的網絡通信傳輸服務的能力。

4.6 資源虛擬化及虛擬總線技術

為了將多顆小衛星等效為一顆大衛星，實現資源的靈活調度以及與任務的高度匹配，滿足分布式星群快速重構應用需求，可圍繞空間信息網絡節點類型多樣，能力差異大，技術體制不一，在軌硬件升級難度大等問題，通過開展各類空間信息網絡節點資源（如天線、功率、頻率、計算、存儲等）虛擬化研究，在網絡層與應用層之間增加虛擬管理層，構建屏蔽底層硬件差異全網統一的資源控制管理模型，做到根據不同任務構建虛擬網絡，實現資源共享和協同，提高物理網絡資源的利用率，實現業務應用靈活、功能可重構，提升網絡的服務能力，實現網絡可編程，相互隔離，增強網絡擴展性和安全性。通過資源虛擬化技術，可將分布式星群骨干節點與任務星群的概念統一。

4.7 仿真驗證及評估技術

分布式星群網絡組成單元及相互通聯關系動態復雜，涉及的關鍵技術和服務對象眾多，需要依托OPNET、NS2及STK平臺，構建完善的仿真系統，建立不同衛星通信體制模型、不同網系的網絡模型庫，開展鏈路層、網絡層、系統層等不同層面的仿真，對關鍵算法和系統的整體性能指標、互聯互通能力、資源利用率、運行狀態等進行能力和運行情況仿真，對網絡的互通率、組網形式、網絡管理方式等進行驗證，為不同任務類型的通信體制的選取、性能指標的設計提供支撐。并針對不同任務類型，合理選取效能評估方法和評價指標，構建面向多任務的系統總體效能評價體系，與網絡體系結構設計形成反饋迭代優化。

4.8 其他關鍵技術

分布式星群網絡是一個開放的復雜系統，系統中的核心節點在空間上暴露在外，容易受到非法用戶的惡意攻擊，因此必須開展安全機制和安全協議研究，提高系統和網絡的抗擾、抗毀能力。此外，隨著數據傳輸速率的提高和波束成型等技術的使用，對天基網絡節點的測距精度和同步精度提出了更高的要求，有必要進行高精度的毫米波或激光測距算法和全網定時同步算法研究；為提高核心節點的信號處理、傳輸和交換能力，還需要同步開展低復雜度信號處理技術和星載高速信號處理元器件研制等。

5 結束語

針對中國發展空間信息網絡空間頻率軌位資源匱乏、衛星平臺能力較弱、空間系統高可靠性要求等現狀與需求，深入分析了分布式星群的應用需求，提出了基于分布式星群的空間信息網絡體系架構，通過多星共軌、星間協同、資源虛擬化等技術，實現空間系統服務能力的增強以及與任務的高度匹配，可為中國未來空間信息網絡研制建設提供借鑒。

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