天基傳輸網絡和天地一體化信息網絡發展現狀與問題思考

孫晨華

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

天基傳輸網絡和天地一體化信息網絡發展現狀與問題思考

孫晨華

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

近年來，太空(或稱為天基)和網絡空間成為全球新一輪競爭熱點。隨著我國天地一體化信息網絡工程被列為重大專項，行業內對以天基為重點的天地一體化信息網絡的關注度達到新高。天基傳輸網絡因其天然的天地一體化特征、信息的承載平臺等特征，成為天地一體化信息網絡的重要抓手。給出了立足天基傳輸網絡，發展天地一體化信息網絡的相關問題和下一步研究重點及建議思路，可為后續研究工作開展提供參考。

天基傳輸網絡；天地一體化信息網絡；天基信息網絡；天基接入網；天基骨干網

0 引言

目前，搶占空天信息競爭制高點、發展相關新興產業成為發達國家的又一次戰略機遇。我國經濟、政治和軍事處于復雜國際環境中距世界舞臺中心最近時期?？傮w上看，天基信息系統建設成就突出，但沒有完全擺脫技術追趕和試驗應用型發展狀態，系統仍立足本土服務，天地融合技術水平、服務能力、產業鏈發展與發達國家相比差距較大，與國家“一帶一路”戰略和大國地位不協調。因此，找準、彌補天基信息系統的薄弱環節，發展天地一體化信息網絡，提高天地一體服務能力，實現信息系統伴隨“一帶一路”走出去戰略十分必要[1]。天地一體化信息網絡工程重大專項正是在此背景下提出。

地面信息網絡和天基信息網絡經過多年發展，從天地一體化角度來看，基礎和不足并存。如何在摸清基礎、找準不足的情況下進行天地一體化信息網絡創新、優化設計是關鍵問題。摸清基礎方面，重點對現有天基傳輸網絡的天地一體化特征進行分析理解，對天地一體化信息網絡概念內涵及與天基傳輸網絡的關系進行分析理解；找準不足方面，重點是準確地識別尚未突破的關鍵技術。

1 天基傳輸網絡的天地一體化特征

1.1 天基傳輸網絡

通常想到的天基傳輸網絡是衛星通信網絡，廣義上，天基傳輸網絡包括衛星通信[2]、衛星中繼[3]和遙感類衛星的星-地傳輸網絡[4]。衛星通信網絡指地球上的無線電通信站之間利用人造衛星作為中繼站而構成的通信網絡(也稱衛星通信系統)，是天基傳輸網絡的核心組成，稱為網絡更強調點對多點、多點對多點能力。衛星中繼網絡是航天器與地面終端站之間利用人造衛星作為中繼站進行測控和數傳信息傳輸的網絡。獲取類衛星星-地傳輸鏈路指衛星與地面接收站之間的傳輸鏈路。

1.2 天基傳輸網絡的天地一體化特征

衛星通信網絡、衛星中繼網絡和獲取類衛星星-地傳輸網絡從不同側面呈現出天地一體化特征。

1.2.1 衛星通信網絡的泛星多專網特征

泛星多專網指應用專網不依賴某顆特定衛星，同一個網絡可依托不同衛星構建，是目前衛星通信領域規模最大、最常用且用戶最多的一類網絡，廣播電視網絡、VSAT網可基于多個衛星的C、Ku等頻段、透明轉發器構建[5]。采用彎管轉發方式，網絡由位于陸、海、空各類地表用戶的終端和站型構建。除頻段、功率外，網絡多址方式、協議和信令等核心體制與衛星無關，且這類網絡均可實現與地面固定網、移動網的互聯互通，具有典型的天地一體化特征。

1.2.2 衛星通信網絡的多星一網特征

這類網絡主要指全球服務衛星通信網，通過地面互聯的關口站將工作于多顆衛星上的用戶構成全球一網，典型的有INMARSAT[6]、INTELSAT[7]、美軍軍事寬帶和窄帶衛星通信系統。INMARSAT空間段有5顆以上衛星，全球部署多個關口站，系統無論有多少用戶，只有一張網絡。INTELSAT空間段有50多顆衛星，地面同樣具有全球通聯一張網絡。INMARSAT和INTELSAT有所不同，前者多顆衛星采用相同技術體制(同一代系統)，全球一個一級網絡控制中心，是實實在在一張網；后者采用多家公司、不同體制VAST網，通過互聯和服務集成為一張運營網。美軍寬帶和窄帶衛星通信系統空間段均有多顆衛星，星間無傳輸鏈路，通過位于全球的九大電信港，實現全球用戶的隨遇接入和互連互通，如圖1所示。

圖1 國外典型衛星通信網絡

1.2.3 衛星通信網絡的天地成網特征

這類系統主要有2類：衛星位于同步軌道的系統和低軌星座系統。典型特征是衛星之間通過星間鏈路構成天網，地面各用戶之間構成地網。同步軌道的典型系統是美軍的AEHF系統[8]，該系統通過星間鏈路構成天網，其目的是安全抗毀，不依賴于任何地面關口站，可實現近全球范圍內任何用戶間的隨時通，從目前發展看，這類系統因受星上載荷處理能力限制，用戶容量較小。低軌星座的典型系統是銥星系統，有60～80顆位于800 km左右軌道的衛星通過星間鏈路構成網絡，地面用戶之間通過衛星節點構成地面應用網絡。

1.2.4 衛星通信網絡的單星、單網特征

主要有個人移動通信系統和大容量寬帶衛星通信系統2類，這類系統通常星上采用多波束天線，用戶鏈路透明鉸鏈轉發至饋電鏈路，成千上萬甚至上百萬用戶與地面關口站構成一張應用網絡，不同部門用戶的網絡通過虛擬子網設置實現信息隔離。

1.2.5 遙感衛星的星-地鏈路/地-地網絡特征

遙感類衛星將星上傳感器獲得的數據按照可視窗口，直接傳送到地面接收站，多個接收站數據則通過地面網絡傳送到數據中心，因此具有星-地鏈路/地-地網絡的天地一體化特征。

1.2.6 中繼衛星的星-星-地鏈路/地-地網絡特征

中繼衛星為航天器(也稱用戶星)提供測控和數據中繼傳輸服務。航天器獲得的數據經與中繼星之間的鏈路、中繼星與地面終端站之間的鏈路傳送至地面終端站后，再通過地面網絡傳送到各數據中心，系統具有明顯的天地一體化特征。

2 天地一體化信息網絡與天基傳輸網絡

2.1 天地一體化信息網絡思想

長期以來，天地一體化信息網絡作為一種思想從信息系統頂層角度被提出并滲透到各系統實施中。

2.1.1 美軍提出的全球信息柵格(GIG)是天地一體化信息網絡思想的典型體現

美軍基于網絡中心戰及軍事轉型需要，于2000年提出GIG項目，利用天基骨干網、地面國防信息基礎設施，把預警探測、情報、指揮控制、后勤保障和作戰單元融合在一起，強調天空地一體、統一服務，使任何士兵、武器單元都能及時獲取戰場信息，最終實現基于天地一體化信息的全譜優勢。

2.1.2 美國各天基信息體系的獨立發展中融合了天地一體化信息網絡思路

2004年，美國制定了一體化對地觀測系統(IEOS)計劃，提出天地一體化整體框架，構建了空間偵察監視體系。美國GPS系統作為一個高精度、全天候、全球性的導航定位系統，在不同行業實現了天地一體化信息融合應用。此外，美軍持續發展以WGS、AEHF和MUOS為主的軍事衛星通信體系，在全球范圍內為戰場指揮官及作戰單元提供到GIG的隨遇接入能力。

2.1.3 我國信息系統建設逐步融合天地一體化思路

我國近年提出了構建天空地一體化信息網絡的目標，各衛星工程建設過程中，不僅重視衛星技術和發展，也關注地面應用、運控系統的技術發展和應用效能，注重與地面網絡和信息系統的融合應用。

2.2 天地一體化信息網絡相關定義

隨著天地一體化信息網絡思路的滲透，天基信息系統的關注度日益提高，行業內提出了多種天地一體化信息網絡相關定義。

2.2.1 天地一體化信息網絡

定義1：天地一體化信息網絡是由多顆不同軌道、不同種類和不同性能的衛星形成星座覆蓋全球，通過星間、星地鏈路將地面、海上、空中和深空中的用戶、飛行器以及各種通信平臺密集聯合，以IP為信息承載方式、采用智能高速星上處理、交換和路由技術，面向光學、紅外多光譜等信息，按照信息資源最大有效綜合利用原則，進行信息準確獲取、快速處理和高效傳輸的一體化高速寬帶大容量信息網絡，即天基、空基和陸基一體化綜合網絡。

定義2：(工信部電子科技委網絡與通信專業組)天地一體化信息網絡是以地面網絡為基礎，以空間網絡為延伸，覆蓋太空、空中、陸地和海洋等自然空間，為天基、空基、陸基和?；雀黝愑脩舻幕顒犹峁┬畔⒈Ｕ系幕A設施[9]。

定義3：(天地一體化信息網絡重大工程)天地一體化信息網絡是維護和拓展國家核心安全利益，實現全球互聯互通的重大信息基礎設施，是以天基網絡為主體，地面網絡為基礎，可支持陸、海、空、天各類用戶隨遇接入、按需服務的信息網絡[10]。

2.2.2 天基信息網絡

天基信息網絡(自然科學基金)是以天基平臺(同步或中、低軌道衛星和空間站等)或空基平臺(如平流層氣球、有人或無人飛機等)為載體，實時獲取、傳輸和處理空間信息的網絡系統[11]。

空間信息網絡(某專業組)是以航天器為載體進行信息獲取、傳輸和處理的網絡系統；是通過星間、星地鏈路連接在一起的不同軌道、種類、特征的衛星、星座及相應地面基礎設施所組成的網絡，以及由其所支持的指揮、控制、通信與其他各種應用系統的集合。

2.2.3 定義內涵的理解及與天基傳輸網絡的關系

天地一體化信息網絡有廣義和狹義2種理解。廣義上講，是天空地各類信息系統的集合；狹義上講，是基于天基和地基傳輸網絡，集成各類信息服務能力的系統，包括天基傳輸網絡、地面傳輸網絡和柵格化服務網絡。天地一體化信息網絡重大工程應是基于狹義的天地一體化信息網絡(如2.2.1節的定義3所界定)開展。本文后面所提到的天地一體化信息網絡是狹義的天地一體化信息網絡。

天基信息網絡是包含了天基信息獲取、天基傳輸及天基時空基準網絡在內的所有天基網絡的綜合，天基傳輸網絡是其重要組成部分，如圖2所示。

圖2 天地一體化/天基信息網絡組成

3 天地一體化信息網絡研究重點

3.1 頂層設計

天地一體化信息網絡是以天基傳輸網絡、地面傳輸網絡和天基信息服務為核心構成的網絡，地面傳輸網絡相對成熟，因此研究重點是天基傳輸網絡和天基信息服務能力構建等內容。頂層設計方面重點包括系統架構、階段性指標體系等研究內容。

3.1.1 以全球覆蓋天基傳輸網絡為核心的天地一體化信息網絡架構

目前，已有多種從不同角度提出的天地一體化信息網絡架構，如圖3、圖4和圖5所示。

圖3 天地一體化信息網絡架構-Ⅰ

圖3是沈榮駿院士提出的構建綜合星間、星地及地面互聯互通網絡的我國天地一體化航天互聯網構想[12]，有機整合與航天器有關的數據接收、傳輸分發和運行控制等資源，向多種用戶提供多類信息，實現信息共享和統籌建設。該架構可理解為航天器子網+地面接入網+空間接入網+主干網架構，是從航天測控網角度提出的，未涵蓋用戶量較大的衛星通信和地面通信網絡及用戶。

圖4是本研究團隊從通信網絡角度提出的包括高軌、低軌通信星座(可延伸到外太空)、地面固定通信網、機動通信網以及統一服務、各類應用和用戶的天地一體化信息網絡架構。強調了服務、應用的天地深度融合，可能對航天測控網、遙感獲取類衛星用戶的特殊性體現不夠[13]。

圖4 天地一體化信息網絡架構-Ⅱ

圖5給出了天地一體化信息網路重大工程課題組提出的天地雙骨干網+天基接入網架構。

圖5 天地一體化信息網絡架構-Ⅲ

天基骨干網由天基骨干節點通過星間鏈路互聯而成，地面骨干網由地基節點通過光纖鏈路互聯而成；天基接入網由滿足移動、固定應用的多種軌道節點構成，不同天基接入網服務的用戶群可通過天基或地基骨干節點實現互通。該架構仍有多個方面需深入研究：① 天基網絡覆蓋距離遠，較多應用可實現用戶間一跳可達通信，是否需要經過天基骨干網轉接或何種情況下需要通過骨干網轉接需進一步研究；② 天基骨干網要實現與地面骨干網可比擬的能力，需要強大的星上處理和信息交換能力，根據目前星上處理能力情況，仍需走很長的路。因此，按照這類架構構建的網絡，天地雙骨干是能力不平衡的，而接入網的相當一部分用戶也無法經過天基骨干網實現互聯。

3.1.2 階段性指標體系研究

天地一體化信息網絡的能力和技術狀態不是一成不變，而是不斷發展。尤其是與衛星平臺相關的能力指標，因衛星(例如同步軌道)研制周期較長，能力更新較慢，其能力指標需階段性、漸進性提升。天地一體化信息網絡指標體系不易細化的原因還包括：量化需求的提出、可能的技術能力評估等均受多方面限制；諸如骨干節點數量、各節點波束配置、境外衛星覆蓋區的容量設計、同時工作的用戶數、業務模型、支持的任務模型以及不同場景下的抗干擾能力等指標的提出和確定受到技術水平和需求兩方面制約，需持續、深入開展深化和量化研究。

3.1.3 組網及協議技術

天地一體化組網協議研究受到高度關注，地面網絡協議主要涉及互聯網和移動網協議，目前已有成熟應用的協議體系，也有一些新的協議正在研究。因此，天地一體化信息網絡工程需關注的是與天基組網相關的協議，即站在天基的角度研究天基組網和天地組網協議。目前，已提出了針對同步軌道應用的CCSDS/DTN/IP融合增強協議體系[14]，面向航天器基本采用CCSDS協議，高動態情況下采用DTN協議[15]，面向廣大陸、海、空用戶(也統稱地表用戶)，采用IP增強協議實現寬帶組網應用，采用專用協議或地面移動網增強協議實現窄帶移動系統應用，這些協議在天基傳輸網絡(尤其是衛星通信網絡)中的產品研制中已廣泛實現。最近提出了基于內容的協議(CCN)[16]，但是否適合天基網絡、適合何種天基網絡需進一步研究。對于低軌星座，由于載荷受到處理能力限制且衛星相對運動，其組網協議需進一步研究。組網方面，目前基于SDN[17]的思路從某種角度來講更適合天基網絡，可以將復雜的控制面由地面關口站等節點實現，降低星上處理壓力。

3.2 載荷技術

載荷技術主要包括射頻天線技術、星間數據傳輸技術和超大容量星載路由交換技術等[18]。

3.2.1 高速數據傳輸、超大容量星載交換

星間、星地高速數據傳輸和超大容量交換是骨干組網的核心。目前，星間激光鏈路相關的載荷技術還未完全成熟，星地高速激光鏈路可用度、可用性也正處于研究過程中，傳統的Ku、Ka頻段所支持的帶寬已不能滿足骨干網節點到地面關口站數十Gbps的高速傳輸需求。星上交換方面，經過多年發展，已具備一定的處理能力，但從未來發展看，天地雙骨干方式要求天基骨干節點需達到上T的交換能力[19]。

3.2.2 星上高性能計算技術

星上高性能計算處理能力是實現天基組網、減少對地面依賴的必要條件。近來，美國計算機協會《通信》雜志以及IEEE刊發了多篇有關空間計算的文獻[20]，認為當前大部分衛星星上處理能力較弱，數據處理和分析主要依賴地面節點(主要是地面數據處理中心)。隨著在軌處理技術的發展和組網技術的突破，在軌衛星獨立完成數據處理和傳輸成為可能，這種情況下，多種不同衛星可通過空間直接組網，各類終端和衛星可構成復雜的分布式網絡，不經地面轉接就可實現信息交互。如果星上處理能力不能支持星上直接生成產品，包括獲取類衛星、通信類衛星、中繼類衛星基于天基組網的必要性就大打折扣，因為在這種情況下，獲取類衛星獲取的信息直接或經中繼衛星轉發到地面，地面數據中心處理后形成產品再經衛星通信網絡和地面網絡進行分發是合理的，而獲取類衛星獲取的信息即使通過天基通信衛星節點發送給各類用戶，信息也是不可用的，也是不合理的。

3.3 地面系統及產品技術

天地一體化信息網絡以解決天基薄弱環節為重點，并不意味著只解決天基相關問題，地面系統及產品是天基系統不可或缺的組成。在各項衛星工程中通常設置衛星系統、應用系統、運控系統、火箭系統、測控系統和發射場系統等六大系統，其中四大系統為地面系統，對系統應用發揮長期效能的是地面應用和運控系統。

在星上處理能力不足以達到與地面信息處理與計算能力相當的很長一段時期內，地面系統及相關產品的能力直接影響著天地一體化信息網絡應用水平及效能。據有關資料報道，2015年全球航天業支出(可理解為市場情況)為：衛星服務1 274億美元，地面設備1 059億美元，衛星制造166億美元，發射行業54億美元，政府項目800億美元，而其中商業通信和民用/軍用通信占比分別為37%和14%，地球觀測服務14%，導航7%，研發12%，軍事監控8%，科學研究5%，氣象3%，可見通信服務占50%，而地面系統站比40%以上。因此，在天地一體化信息網絡工程實施過程中，應把地面系統建設及產品產業化作為重點。

地面系統主要包括應用系統和運控系統。應用系統包括關口站和數據服務中心、各類用戶終端；運控系統包括網絡控制中心和測控中心等；產品包括芯片、終端、射頻、天線、服務軟件和數據等。關口站的處理能力不僅要求越來越高，而且要達到運營級，既要求高可靠又要求好的用戶體驗。目前，我國衛星通信領域的軍品幾乎全部實現自主可控，民商用領域則是國外產品占據主要市場，要提升全產業鏈市場競爭力，產品必須達到技術新、成本低、可靠性高、用戶體驗好等要求，從目前發展看，仍需在細節上進行深化、優化。

4 結束語

天地一體化是信息系統頂層設計的重要指導思想之一，天地一體化信息網絡重大工程的實施，必將信息系統頂層設計、天地融合設計推向新高度，將實現我國信息系統服務能力的跨越式提升。本文深入剖析了天基傳輸網絡、天基信息網絡以及天地一體化信息網絡的概念與內涵，并對其特征進行了分析，在此基礎上給出了天地一體化信息網絡的研究現狀以及后續重點和關鍵問題，可為后續研究提供參考。

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孫晨華 女，(1964—)，研究員，中國電子科技集團公司第五十四研究所副總工程師，中國電子科技集團公司首席專家。長期從事衛星通信系統總體設計和新技術研發、新裝備研制，在衛星通信系統總體設計、體制研究和工程設計等方面具有豐富經驗。多年來，主持或承擔了多個國家及軍隊重點項目研制，涵蓋FDMA、CDMA和TDMA等多種體制的衛星通信系統，主持完成了我國第一個MF-TDMA衛星通信系統研制，填補了國內空白。曾獲國家科技進步獎二等獎2項，軍隊科技進步獎一等獎1項，國防科技進步獎一等獎2項、三等獎1項。

Research Status and Problems for Space-based Transmission Network and Space-ground Integrated Information Network

SUN Chen-hua

(The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

In recent years,space and network space has become the hot spots of the global completion.With the space-ground integrated network engineering listed in the national key projects,the focus on space-ground integrated information network has reached a new height.Because of the natural features of space-ground integration and information bearing,the space-based transmission network becomes an important starting point of space-ground integrated information network.This paper proposes the related problems,research emphases and recommendation of the next step for development of space-ground integrated information network based on spaced-based transmission network,which provides reference to subsequent research.

space-based transmission network; space-ground integrated information network; space-based information network; spaced-based access network; spaced-based backbone network

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.01.01

孫晨華.天基傳輸網絡和天地一體化信息網絡發展現狀與問題思考[J].無線電工程,2017,47(1):1-6.

2016-11-09

國家高技術研究發展計劃(“863”計劃)基金資助項目(2015AA015701)。

TN927

A

1003-3106(2017)01-0001-06