我國天地一體化信息網絡構想（四）

閔士權

（1.中國衛通集團有限公司，北京　100094；2.航天恒星科技有限公司，北京　100086）

我國天地一體化信息網絡構想（四）

閔士權1，2

（1.中國衛通集團有限公司，北京100094；2.航天恒星科技有限公司，北京100086）

本文闡述了天地一體化信息網絡概念，明確了我國天地一體化通信、遙感、導航信息網絡設計目標是任何人在任何時間任何地點：可與任何人進行任何業務通信或與相關物體進行相關信息聯系；可及時獲取何時何地何種目標發生何種變化的信息；可獲取自己和相關人所在地點和時間信息。提出了實現此目標的方案構想

天地一體化信息網絡；天基綜合信息網；互聯網+天基網

（接9月刊）

此外，系統根據不同用戶、不同變化為用戶提供最需要的數據。例如監測森林火險時多光譜數據顯然比全色影像更重要，戰場打擊效果的評估則相反。此外，系統也可以根據地面測控與通信設施或授權用戶的指令改變數據提供的策略。

此智能化衛星遙感網絡的主要特點有：數據在軌處理，可實現實時分發各類用戶需求的增值數據產品；事件驅動的機制使用戶可實時獲取全球任何地區多角度、多分辨率、多波段數據；低軌星座采用的衛星是小衛星，系統擴展性強，新型傳感器、數據處理設備能夠即插即用。

5　我國天地一體化衛星導航網絡

衛星導航系統作為高精度的空間位置和時間基準，能夠直接為地球表面和近地空間的廣大用戶提供全天時、全天候、高精度的定位、導航和授時服務。本文的天地一體化導航信息網絡的設計目標，除了任何人在任何時間任何地點可獲取自己所在地點和時間信息外，還要求可獲取相關人的地點和時間信息。

當今信息化時代，人們不再滿足于知道“現在我在哪兒”，還需要知道“現在別人在哪兒”，很多時候還要告訴別人“現在我在哪兒”，“我這兒發生了什么”。這就是位置報告業務（PRS），所謂的位置報告就是將自己的位置信息和周圍環境狀況報告給與之相關的第三方。它被廣泛地應用于搶險救災、應急救援、交通運輸、農業漁業、國防軍事等諸多領域。這個要求一般地說不是全球現有四大衛星導航系統（美國的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐洲的GALILEO和中國的北斗）依靠自身原有設計方案能解決，而是要修改設計，甚至要依靠衛星通信系統協同工作才能解決。

根據北斗衛星導航系統建設總體規劃，2012年左右，北斗衛星導航系統首先具備覆蓋亞太地區的定位、導航和授時以及短報文通信服務能力；2020年左右，建成覆蓋全球的北斗衛星導航系統。

按照計劃建成現提供使用的北斗衛星導航系統是覆蓋亞太地區的區域性覆蓋系統。它采用無線電導航衛星業務（RNSS）與無線電測定衛星業務（RDSS）集成體制，既能像GPS，GLONASS，GALILEO系統一樣，為用戶提供衛星無線電導航和授時服務，又具有位置報告及短報文通信功能。也就是說它已具備了本文要求的導航、定位、授時和位置報告多種功能，只是尚未實現全球覆蓋。

據有關資料，2020年計劃建成的全球覆蓋的北斗衛星導航系統將提供全球范圍內的RNSS服務，在我國及周邊地區提供RDSS、位置報告/短報文通信、星基增強、功率增強等服務［18］。為了實現在全球地區也能提供RDSS服務，該系統專家利用北斗衛星導航系統全球覆蓋、星座組網互聯互通的特點，正在進行實現全球地區提供位置報告和報文通信的可行性方案研究［20］。

系統由空間段、地面段和用戶段三部分組成?？臻g段由5顆地球靜止軌道衛星和30顆非靜止軌道衛星（包括27顆MEO衛星和3顆IGSO衛星）組成（見圖7），相關衛星間設有星間鏈路。地面段由主控站、注入站、監測站和建設中的地基增強系統等組成。用戶段由各類北斗用戶終端組成，北斗用戶機具有兼容GPS，GLONASS，GALILEO的功能。

圖7　北斗衛星導航系統空間段星座示意圖

目前，北斗全球衛星導航系統研制工作正在按計劃開展，通過采用優化衛星星座、星間鏈路、自主運行管理、高精度測量、高精度原子鐘等技術，將使系統提供的服務精度、可用性、完好性和服務覆蓋范圍等功能和性能指標在區域覆蓋衛星導航系統基礎上進一步提高，正在向全球衛星導航系統邁進。

6 我國天地一體化衛星通信、遙感、導航三網綜合

6.1天地一體化衛星通信、遙感、導航三網空間段綜合

由前面分析結果得知，衛星通信與衛星遙感空間段信息網絡有相似性：都由GEO和LEO雙重星座組成；各星之間通過星間鏈路互聯；對GEO和LEO軌道覆蓋特性要求基本相同，如圖8所示，基于此特性可以研究進行衛星平臺綜合。

圖8　通信與遙感空間段信息網絡示意圖

6.1.1通信靜止衛星與遙感靜止衛星平臺綜合

通信與遙感空間段信息網絡對GEO衛星要求的數量和軌道位置基本相同，因此，通過精心設計通信與遙感GEO衛星就有可能做到同軌道位置或同平臺。在GEO衛星平臺可能情況下盡量做到這兩種功能衛星共用衛星平臺，即一星雙用，一個平臺裝通信和遙感兩種有效載荷。

6.1.2通信低軌衛星與遙感低軌衛星平臺綜合

通信與遙感LEO衛星星座對地覆蓋要求都是全球無縫覆蓋（含南北兩極），因此，通過精心設計有可能做到這兩種功能全部衛星或部分衛星采用相同星座，甚至全部衛星或部分衛星共用衛星平臺，做到一個平臺裝通信和遙感兩種有效載荷。

國外LEO衛星星座已有類似的例子，美國下一代Iridium衛星移動通系統除了提高其移動通信性能外，還計劃搭載屬衛星遙感業務的雷達測高儀、寬帶輻射計、成像儀等傳感器。國內有關單位研究報告也提出了LEO衛星星座中一個衛星平臺裝通信和遙感等有效載荷方案［22］。

6.1.3通信衛星星座協同導航衛星星座構造星基增強系統

國外GPS等一些衛星導航系統通過GEO或LEO衛星通信系統已建立了或正在建立星基增強系統，以提高導航定位精度和增強衛星完好性預報能力。本天基網絡的衛星通信網絡中的LEO星座和GEO星座都可以作為北斗導航衛星系統的星基增強系統空間資源。我國已有學者提出了采用LEO星座和GEO星座對北斗導航衛星系統進行性能增強的方案設想［23］。

6.1.4通信衛星星座協同導航衛星星座構造星基位置報告系統

國外GPS等一些衛星導航系統通過GEO衛星通信系統（如Inmarsat衛星通信系統）或LEO衛星通信系統（如Iridium衛星通信系統）已建立了或正在建立星基位置報告系統，視需要也可考慮利用本天基網絡的衛星通信網絡中的LEO星座和GEO星座及其用戶終端協同構造北斗導航衛星系統的位置報告系統，國內有關學者對此問題進行了研究［24］。

6.2天地一體化衛星通信、遙感、導航三網用戶段綜合

用戶終端的發展方向是小型化、寬帶化、智能化和綜合化。除了發展通信用戶、遙感用戶和導航用戶各種專業用戶終端外，還可發展三網融合天地一體化的綜合應用用戶終端。后者應是多模式（衛星通信/地面通信、衛星導航定位/地面基站定位）、多業務（數據/話音/視頻/寬帶多媒體/因特網）、多功能（通信/導航定位授時和位置報告/遙感產品收視）一體化終端。還需說明，此綜合應用用戶終端所提供的信息不僅包含了天基網的衛星通信、衛星遙感和衛星導航諸網絡的信息，還要盡可能包含本文后面所講的地基網的通信、遙感和導航各系統或網絡的信息。

使用三網融合天地一體化綜合應用用戶終端的任何人在任何時間任何地點可實現：可與任何人進行任何業務通信或與相關物體進行相關信息聯系；可及時獲取何時何地何種目標發生何種變化的信息；可獲取自己和相關人所在地點和時間信息。

7 我國天地一體化天基與地基信息網絡

7.1天地一體化天基與地基通信網絡

天地一體化天基與地基通信網絡即天地一體化衛星通信網與地面通信網。衛星通信網與地面通信網一體化即為彼此綜合或融合，它是通信網的重要發展方向，其典型綜合示例如圖9所示。國際電聯（ITU）對移動衛星通信業務與地面移動通信業務IMT-2000的綜合，根據衛星系統與地面系統之間實現綜合的程度不同，把綜合劃分為五個層次：第一層為地理綜合；第二層為業務綜合；第三層為網絡綜合；第四層為設備綜合；第五層為系統綜合。

圖9　衛星通信網與地面通信網綜合示意圖

衛星通信網與地面通信網綜合，促使天地一體化通信網發展。隨著衛星固定業務、衛星移動業務、衛星廣播業務三種業務融合，地面電信網、互聯網和有線電視網三網融合，各種衛星通信網與各種地面通信網互聯互通，各個國家之間通信網互聯互通，未來的通信網，將是一個包括地下的光纜，地面的微波中繼和蜂窩移動通信，低軌道、中軌道以及靜止軌道的通信衛星系統組成的服務于全球的綜合通信網。它們之間既可以單獨組成通信系統，又可以在不同系統間互聯互通，最后構成全球無縫覆蓋的天地一體化的海、陸、空、天共用的能夠提供各種帶寬和多種業務的全球綜合通信網。

7.2天地一體化天基與地基遙感網絡［25］

包含天、空、地的各種平臺和各種遙感傳感器資源的融合構想示例見圖10，此圖是天、空、地一體化的地球空間信息智能傳感器網絡（GSW）。智能傳感器是具有信息處理、環境適應和自我修復功能的傳感器，可采集、處理、交換信息，并自動恢復受環境影響而降低了的感知性能。智能傳感器一般與微處理器和無線發送裝置集于一體，稱作無線網絡傳感器節點。節點一般置于觀測對象的附近，或與觀測對象直接接觸，甚至埋于感興趣觀測對象當中。

GSW的天、空、地協同式骨干網絡包括5層感知網絡平臺：太空平臺，由遙感衛星和衛星地面接收站組成，衛星含各種光學、微波、紅外的對地影像獲取傳感器或重力、磁力、大氣、電離層的傳感器；高空平臺，由平流層氣球組成，含所需的光學、微波、紅外等傳感器載荷和定位及通信裝置；中空平臺，由載人航空攝影測量和航空大地測量設備組成，含通信裝置和時空、姿態傳感器；低空平臺，由無人機裝載的攝影測量、工程測量和大地測量設備組成，也含通信設備和時空、姿態傳感器；地基平臺，由CORS（Continuously Operating Reference Stations）網與各種專業的智能傳感網以及地面地理域情智能傳感網組成，近地或就地感知地理域情信息，它是地球空間信息智能傳感網的地基基礎設施。上述每一種傳感網絡平臺都有自己的智能化數據處理中心，這些處理中心實現互聯、互通、共享互操作，向用戶提供“所要即所得”的服務。

圖10　地球空間信息智能傳感器網絡架構［25］

7.3天地一體化天基與地基導航網絡

7.3.1導航系統

按導航信息獲取原理有天文導航、衛星導航、無線電導航、慣性導航等多種方式。其中，無線電導航系統按有效作用距離的遠近又可分為進場著陸（著艦）、近程、中程、遠程、超遠程等系統，主要用于飛機和艦船的導航。

為了作戰需要，有集導航、通信與識別功能于一體（C3I）的綜合導航系統；為了優勢互補，有集慣性導航和衛星導航組合一體的組合導航系統；還有采用衛星導航、慣性導航、地基導航的航空綜合導航系統。后者通過綜合利用多種導航傳感器的信息，進行相互補充、校準和信息綜合處理，提高導航精度，擴展覆蓋范圍，提高系統可用性、可靠性，為從航路到精密進近的全部飛行階段提供連續的高精度導航服務，支持基于性能的靈活飛行，是機載導航系統的發展方向。

7.3.2定位系統

無線電定位系統按照覆蓋范圍大小主要有三種方式：衛星定位系統，地面移動通信基站定位系統，無線局域網定位系統。后者主要有四種：ZigBee定位、Wi-Fi定位、UWB定位、CSS定位。移動定位系統可以用來對人員、事件和物品進行定位，以滿足移動執法、移動辦公、運輸業、物流業、旅游業、國土資源調查等行業的定位需求。

移動定位是指通過特定的定位技術來獲取移動手機或終端用戶的位置信息（經緯度坐標），在電子地圖上標出被定位對象位置的技術或服務。定位技術有兩種，一種是基于導航衛星的定位，一種是基于地面移動通信網基站的定位。前者的定位是利用手機上的導航衛星定位模塊將自己的位置信號發送到定位后臺來實現移動手機定位的；后者的定位則是利用地面移動通信基站對手機的距離測算來確定手機位置的，精度很大程度依賴于基站的分布及覆蓋范圍的大小，定位精度比前者低。

7.3.3國家綜合定位導航授時體系

我國正在規劃建設定位導航授時（PNT）體系，圖11是它的架構圖。此體系由北斗衛星導航、各類地基無線電導航、慣性導航、含X射線脈沖星導航的天文導航、重力/磁力導航等系統或設備組成。該體系是以北斗衛星導航系統為核心，各種定位導航授時系統或設備相互融合備份、增強補充，面向海、陸、空、天各類用戶提供統一的時間、空間、位置基準服務的國家信息基礎設施［18］。應該說，它是本文定義的一種典型的大天地一體化導航信息網絡。

圖11　我國正在規劃建設的定位導航授時（PNT）體系架構圖［27］

7.4 地面互聯網+天基網

地面信息網三網融合是指廣播電視網、電信網與互聯網的融合，其中互聯網是核心，三網融合技術的發展是三網融合的基本推動力量。首先是數字技術的迅速發展和全面采用，使話音、圖像和數據信號都可以通過統一編碼進行傳輸和交換；其次是光通信技術的發展，為綜合傳送各種業務信息提供了必要的帶寬和傳輸質量；最后最重要的是TCP/IP協議的普遍采用，使得以IP為基礎的業務都能在不同的網上實現互通。于是，形成了以寬帶IP網絡即互聯網為基礎三大網絡融合［28］。

地面互聯網的發展給天基網的研究注入了新思想，目前，國際上的航天專家們正在規劃將天基網和地面互聯網統一組織成一個全方位立體結構的宇宙大網絡，今后有可能要在Internet域名后加注用戶所在星球以示區別，如.earth或.mar等，以區分網站所在的星球?？梢姡麄€天地一體化信息網絡的建立將是未來空間信息網的發展方向［29］。

新的信息傳輸體系中，航天器公用平臺測控信息與有效載荷業務信息可以合成統一信息流，航天信息系統由封閉的點對點模式轉變為開放的網絡模式，每一個航天器只是空間網絡中的一個結點，每一個地球站只是地面網絡中的一個結點?？臻g信息網與地面公用互聯網可以連結為全球一體化的可以供全球公用的立體網絡［29］，這也正是我國學者正在熱議的“地面互聯網+天基網”，簡稱為“互聯網+天基網”。

還需指出，本文提出的天地一體化信息網絡包含了天基信息網絡與地基信息網絡的一體化，此天地一體化信息網絡實質也是我國“互聯網+天基網”，或稱“互聯網+天基信息系統”一種構想。此構想的架構示例如圖12所示。

圖12　“地面互聯網+天基網”系統架構示例

8 結束語

建立我國自主管控全球覆蓋軍民共用的天地一體化信息網絡是適應經濟全球化發展的需要，是實現國防信息現代化的需要，是維護國家安全和發展利益需要，是實現航天應用技術持續發展和創新需要，是實現航天大國邁向航天強國的需要，是實現民族復興中國夢的需要。

將相關的衛星通信系統、衛星遙感系統、衛星導航定位系統、其他航天器系統，相關的臨近空間飛行器系統以及相關地面設施，通過星間鏈路、星地鏈路和地面線路組成天基網，并與地基網綜合或融合成為一個天地一體化信息網絡，這是航天應用技術發展的必然和創新，將是我國航天技術發展的又一個里程碑。

天地一體化信息網絡的核心是天基網，其技術關鍵也主要集中在天基網。早在20世紀末，我國就有科研院校提出了研究和建設我國天基網（也稱天基綜合信息網）的設想，并在此后進行了一系列專項研究，取得了顯著成果，為建立我國天基網提供了一定的理論基礎。目前，我國已初步建立和形成了衛星通信、衛星遙感、衛星導航三大衛星應用系列，為建立我國天基網提供了一定的技術基礎。我國構建天基網核心網絡的跟蹤與數據中繼衛星系統，已實現了中、低軌道用戶航天器準全球覆蓋。我國載人航天工程已完成了多艘載人飛船和一座空間實驗室的發射和相關試驗，多次成功地通過數據中繼衛星傳遞信息，為天基網的建設提供了寶貴經驗。我國臨近空間飛行器的研究和應用已取得了初步成績。因此，我國的理論研究和技術基礎已經初步具備了研究和建立天地一體化信息網絡的試驗網絡條件。

為適應我國國家戰略發展需要、國防建設和軍事保障能力的實際需求，結合航天技術快速發展趨勢，促進信息共享和資源綜合利用，充分發揮航天信息化建設的應用效益，應盡快開展我國天地一體化信息網絡的研究和建設工作。（全文完）

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