我國天基綜合信息網構想

閔士權

（1 中國衛星通信集團有限公司，北京 100094）（2 航天恒星科技有限公司，北京 100086）

1 引言

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綜合信息網（Space-based Integrated Information Network）的設想，并在此后進行了專項研究，取得了顯著成果，為建立我國天基綜合信息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、衛星對地觀測、衛星導航定位三大衛星應用系列，為建立我國天基綜合信息網提供了一定的技術基礎。我國構建天基綜合信息網核心網絡的跟蹤與數據中繼衛星（簡稱數據中繼衛星）系統，已實現了中、低軌道用戶航天器準全球覆蓋［1］。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，為天基綜合信息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，我國已初步具備了研究和建設天基綜合信息網的條件。

天基綜合信息網是國家信息網和國防信息網的重要組成部分，在整個信息網中將起到太空骨干網和接入網的雙重作用。為了適應我國國家戰略發展和經濟全球化發展的需要，適應我國國防信息化建設和軍事保障能力的需要，我國衛星應用體系的發展目標應是構建一個為我所有、為我所用的空天地一體化全球全時無縫覆蓋的信息網絡，即天基綜合信息網。

本文介紹了天基綜合信息網的概念和國外的研究情況，主要提出了我國天基綜合信息網的體系架構、網絡特點、協議結構和關鍵技術，以及我國現階段可研究和建設的天基綜合信息網的設計思想和空間層的組成與功能的設想。

2 天基綜合信息網概念及發展

2．1 天基綜合信息網的定義、組成和特征

天基綜合信息網又叫空間綜合信息網（Space Integrated Information Network），國際上尚無明確的定義。通常的說法是［2-4］：天基綜合信息網是通過星間、星地鏈路連接在一起的不同軌道、種類、性能的飛行器及相應地面設施和應用系統，按照空間信息資源的最大有效利用原則所組成的空天地一體化綜合信息網。該網絡具有智能化信息獲取、存儲、傳輸、處理、融合和分發能力，具備高度的自主運行和管理能力。

天基綜合信息網主要由信息獲取、信息傳輸、信息處理、導航定位、航天測控和網絡管理等系統組成，具體如下［2-4］。

（1）信息獲取系統：主要擔負信息的收集任務，包括偵察、預警、氣象、資源、地形測繪、空間目標監視等衛星（包括臨近空間層飛行器等）和相應地面系統。

（2）信息傳輸系統：主要擔負信息傳輸、分發和中繼任務，包括通信衛星（含廣播衛星、數據中繼衛星、臨近空間層飛行器）、各種用戶終端和地面系統。

（3）信息處理系統：主要完成衛星獲取數據的預處理、二次處理及信息融合和綜合分析等任務，包括各衛星裝載的高性能信息處理機及相應的軟件和數據庫、專門的數據處理衛星和地面處理與應用系統。

（4）導航定位系統：由不同軌道的多顆導航衛星和相應地面系統組成，為從地面到太空包括衛星在內的各種移動或靜止載體提供導航、定位和授時服務。

（5）航天測控系統：主要由地面測控站、數據中繼衛星和被測飛行器的測控單元組成，負責全網整個空間層從單星、星座到全網的測控管理。

（6）網絡管理系統：由地面管理中心和由數據中繼衛星或信息處理衛星的計算機系統構成的天基管理中心共同組成，可分別獨立或聯合完成網絡星座的運行監測、指揮與控制，以及信息交換的管理與控制功能。

天基綜合信息網，顧名思義，是以航天器為主體、綜合多種系統和業務的信息網絡，它有如下3個特征。

（1）各種信息系統綜合。衛星固定通信、衛星移動通信、衛星直接廣播三大衛星通信系統綜合；衛星通信、衛星對地觀測、衛星導航定位三大衛星應用系統綜合；空間通信、臨近空間通信、地面通信三大通信領域綜合；人與人之間通信、人與物之間信息傳遞、物與物之間信息傳遞三大通信類型綜合。

（2）網絡化統攬全系統。將“煙囪式”分散或獨立的各種信息系統以“網絡化”方式綜合起來，實現相互支持、互聯互通和資源共享，充分發揮航天信息化建設的應用效益。

（3）天基網為主體。各種系統組成的網絡，其主體是以各種飛行器為節點的空間信息網絡，其核心是衛星通信網絡。

2．2 國外天基綜合信息網研發概況

國外從事天基綜合信息網研究和建設的主要有美國和歐洲，代表性項目是美國的“轉型通信體系”（Transformational Communications Architecture，TCA）和歐洲的“面向全球通信的綜合空間基礎設施”（Integrated Space Infrastructure for Global Communications，ISICOM）。

2．2．1 轉型通信體系［5］

美國現有三大軍事衛星通信系列，即窄帶（Narrowband）衛星通信系列、防護（Protected）衛星通信系列和寬帶（Wideband）衛星通信系列。這三大系列都已發展成由多顆地球靜止軌道（GEO）衛星（其中防護系列還有遠地點在北極地區的大橢圓軌道衛星）組成的全球覆蓋的星座系列（見圖1）。為了改變三大系列“煙囪式”現狀，促使“網絡式”發展，美國從2003年起實施了空間互聯網計劃，即發展用激光互聯的轉型通信衛星（TSAT）GEO衛星星座，通過星間鏈路和星地鏈路使其與三大衛星通信系列之間能相互支持、互聯互通和資源共享（見圖1、圖2）。

圖1 美國軍事通信衛星系列Fig．1 Military communications satellites in the United States

圖2 美國TSAT 軍事通信衛星星座用戶群Fig．2 Users of the United States TSAT military communications satellite constellation

美國“轉型通信體系”（TCA）空間段建設包含3個部分：①美國國防部（DoD）的TSAT GEO 衛星星座；②美國情報部（IC）的GEO 衛星星座；③美國國家航空航天局（NASA）的“跟蹤與數據中繼衛星系統后續”（TDRSS-C）計劃衛星星座。三大星座通過自身的星間互聯和星座間的星間互聯，形成空間信息傳輸核心網（見圖3），應該說是一種天基綜合信息網。此項目在2001年提出，2003年開始實施，由于遇到資金、進度、技術、組織協調和項目監管等種種困難，最后于2009年被迫中止。

圖3 美國TCA 軍事衛星通信體系Fig．3 The United States TCA military satellite communications system

2．2．2 “面向全球通信的綜合空間基礎設施”［6］

歐洲衛星通信綜合倡議（Integral Satcom Initiative，ISI）組織正在研究開發名為“面向全球通信的綜合空間基礎設施”（ISICOM），即天基綜合全球通信網。圖4為該天基網系統架構示意圖，圖中各組成部分簡介如下。

圖4 歐洲ISICOM 架構示意Fig．4 European ISICOM architecture

（1）地球靜止軌道（GEO）／地球同步軌道（GSO）星座：圖4 中頂層為GEO／GSO 弧線，通常由3顆等間距GEO 衛星節點構成星座，3顆衛星之間用光學鏈路互聯互通，覆蓋全球。GEO 星座是空間層的骨干網，并兼作接入網。

（2）非地球同步軌道（NGSO）星座：圖4中次層為NGSO弧線，由多顆NGSO衛星節點構成星座，各衛星之間用光學或無線電鏈路互聯互通，覆蓋全球。NGSO星座是空間層的接入網，并兼作骨干網。

（3）導航／定位衛星星座：擬用“伽利略”（Galileo）導航系統，主要為對地觀測衛星、各種地球站和各種用戶站（車輛、汽車、無人機、高空平臺等運動物體）提供時間、位置等導航定位信息。

（4）對地觀測衛星星座：擬選用“全球環境與安全監測系統”（GMES）。當對地觀測衛星飛行在其遙感站視區以外時，可通過GEO 衛星將其獲取的遙感信息實時中繼到遙感站；還可通過GEO 衛星把對地觀測衛星系統中央站經處理和融合后的綜合信息轉發廣播給各用戶站。

（5）高空平臺（HAPS）系列：HAPS系列與NGSO星座通過星臺鏈路互通信息，接受NGSO衛星服務；通過臺機鏈路向無人機（UAV）轉發NGSO衛星信息，為UAV 服務；通過臺地鏈路與提供快速應急通信服務的自組織（Ad Hoc）網絡互傳信息；通過臺地鏈路直接向熱點地區提供專項通信服務；通過臺地鏈路直接向相關地區提供廣播和寬帶通信接入業務。

（6）UAV 系列：UAV 系列與HAPS系列通過機臺鏈路互傳信息，接受HAPS服務。

（7）地面設施：用作物聯網通信的衛星傳感器網絡（SSN）；進行干擾管理等任務的協同波束成形（CBF）分布式天線系統；對地觀測衛星地面網站；通信衛星關口站等。

ISICOM 潛在的用戶群：個人用戶；集體用戶；專業用戶和中小型組織／企業用戶；公共機構和大型企業用戶；電信運營商和業務提供商。

ISICOM 對各類用戶提供的業務：廣播服務、公眾信息服務、應急服務、遠程醫療和遠程教育服務、互聯網接入、語音和數據服務、導航服務、固定和移動的寬帶服務，以及物聯網服務等。

3 天基綜合信息網體系架構

按照天基綜合信息網概念，我國天基綜合信息網體系架構構想如圖5所示。它可分為空間層（含臨近空間層）和地面層（含低空層）兩部分，兩者通過星地鏈路統一形成全球覆蓋的空天地一體化的天基綜合信息網。

圖5 天基綜合信息網體系架構Fig．5 Architecture of space-based integrated information network

3．1 空間層

（1）空間層通信網：它是空間層的骨干網和接入網，是由GEO和非地球靜止軌道（NGEO）通信衛星（含數據中繼衛星）星座組成的全球全時覆蓋的通信網。其中：GEO通信衛星星座主要作為骨干網，兼作接入網；NGEO衛星星座作為接入網，也可兼作骨干網。此外，NGEO 衛星星座可以是中地球軌道（MEO）和低地球軌道（LEO）雙層衛星星座，也可以是單層MEO星座或LEO星座。該網絡負責傳輸、處理和分發來自空間層各種用戶航天器、臨近空間層各種用戶飛行器和分布在全球不同地區的各種海、陸、空用戶終端的信息；負責傳輸、處理和分發來自地面的各種測控與數據傳輸管理網站的信息；還承擔天基綜合信息網網管系統的相關管理職能。空間層通信網是天基綜合信息網的核心基礎結構。

（2）空間層航天器：它包括不同軌道各種業務和應用的衛星、飛船、空間站、深空探測器等航天器。其中：使用數據中繼衛星轉發數據的航天器也稱為用戶航天器；各種對地觀測衛星獲取相關觀測數據（可以是原始數據，也可以是經其處理后的有用信息）后，直接向其視區內的地面站發送（原始數據發給遙感信息綜合與管理中心處理，有用信息發給用戶站使用），或者，當其視區內無地面站時，通過數據中繼衛星轉發；專用處理衛星將對地觀測衛星通過星間鏈路發來的原始數據進行處理，其中的有用信息可直接向其視區內的地面站發送，或者，當其視區內無地面站時，通過數據中繼衛星轉發；載人飛船和空間站可直接或通過數據中繼衛星中轉與其地面站進行雙向通信和數據傳輸；其他航天器的工作方式類似于上述方式。

（3）臨近空間層飛行器：它包括飛艇、浮空氣球、高空無人機和高超音速飛行器（HCV）等各種飛行器，其中，使用數據中繼衛星轉發數據的飛行器也稱為用戶飛行器。作為對地觀測任務飛行器使用時，可將獲取的觀測數據直接向其地面用戶站發送，或者通過通信衛星轉發給地面相關用戶站；作為通信中繼任務飛行器使用時，可提供其覆蓋區內各用戶站之間的雙向通信和數據傳遞，或通過通信衛星中轉與其覆蓋區外用戶站的雙向通信和數據傳遞。此外，臨近空間飛行器群還可組成接入網，為地面層用戶終端提供信息中繼服務。

（4）導航衛星星座：它組成時空基準系統，為天基綜合信息網提供時間和空間坐標基準。該基準可為各類航天器、臨近空間飛行器、導彈等飛行器提供精確的時間、位置和速度信息，為各類地面站（如遙感信息綜合與管理中心、地面測控與數據管理網站、關口站、固定與便攜用戶站等）提供精確的時間和位置信息，也可為機載終端、船載終端、車載終端、手持終端等移動終端提供導航定位信息。

3．2 地面層

（1）航天器（不包括通信衛星和導航衛星）地面用戶站和臨近空間層飛行器地面用戶站：它包括以對地觀測為主的航天器（不包括通信衛星和導航衛星）用的各種地面用戶站和臨近空間層飛行器用的各種地面用戶站。在對地觀測任務中，上述兩種用戶站的基本功能相同。各用戶站可以根據需要直接接收有關飛行器發回的遙感原始數據，并將其發送到遙感信息綜合與管理中心進行處理，也可以直接接收有關飛行器發回的經其處理后的有用信息來使用。如有必要，還可以直接控制飛行器向用戶站發送原始數據，并在用戶站設置自己部門所需的遙感信息處理設備，將直接接收到的原始數據在本地生成有用信息。用戶站也可在地面網絡或從數據中繼衛星轉播的遙感信息綜合與管理中心的信息中獲得自己所需要的綜合信息與知識。

（2）通信衛星地面用戶站：即本文所說的地面層用戶站，包括低空層各種機載用戶站。整個地面層用戶站（也稱為用戶終端）包括機載終端、船載終端、車載終端、手持終端、便攜終端和固定終端等多種。另外，還包括供物聯網使用的數據采集終端，根據不同的應用場景，可分為微小終端、固定終端、移動終端、手持終端、拋撒終端等。

（3）導航衛星用戶站：即天、空、地各種導航終端，具體包括航空、航天、船舶、氣象、減災、林業等行業的各類機／彈／車／船載及手持衛星接收機。

（4）各種測控與數據傳輸網站：包括通信衛星用的測控通信與數據中繼網站，空間層航天器用的各種航天器測控與數據傳輸網站，以及臨近空間層飛行器用的各種飛行器測控與數據傳輸網站。它們的任務是對在軌運行的飛行器實施測控、數據傳輸和管理。其基本功能相同：①直接或者通過通信衛星中繼對飛行器進行遙測、遙控、跟蹤測軌（或定位）和管理；②通過飛行器與相關地球站進行雙向數據傳輸。此外，還有導航衛星星座的測控管理站，主要用于對它們管轄的衛星進行測控和管理。

（5）各地關口站：提供衛星通信網絡與地面互聯網／公眾電話交換網（PSTN）／公眾地面移動通信網（PLMN）等網絡之間的接口，使其用戶能夠呼叫全球各地的地面網絡用戶。

（6）遙感信息綜合與管理中心［7］：可通過接收空間、臨近空間各遙感飛行器直接發送和通過數據中繼衛星轉發的原始數據，以及接收來自各用戶站傳送來的原始數據，并將這些原始數據進行處理、融合和解譯，生成各級各類產品、綜合信息和知識，通過地面網絡傳輸到用戶和決策部門；還可將處理和融合后的綜合信息和知識上行發送到數據中繼衛星，再轉發廣播給各用戶站使用。該中心還負責對相關衛星和地面設備進行統一協調管理，包括飛行器的測控管理、業務管理、運行管理和用戶的服務管理等。

（7）測控管理中心：負責對分布在各地的所有測控通信與數據中繼網站（包括通信衛星星座、空間層航天器、臨近空間層飛行器和導航衛星星座使用的）進行測控指揮、協調和管理。

（8）網絡管控中心：與空間層骨干網衛星相關管理功能結合，負責整個網絡的運行和管理控制，具有配置管理、性能管理、資源管理、用戶管理、故障管理和計費管理等各種功能。

（9）天基綜合信息網管理中心：負責天基綜合信息網全網的規劃、建設、運行、管理等指揮和協調工作。

（10）地面公用通信網：天基綜合信息網通過各地關口站與全球各種地面公用通信網互聯互通，構成天基與地基一體化全球綜合信息網。

4 天基綜合信息網網絡協議

4．1 天基綜合信息網網絡特點

天基綜合信息網是一個規模龐大、結構復雜的空天地一體化網絡，要求網絡能夠穩定運行、快速重構、具有可擴展性，能夠支持用戶和其他子網動態接入和退出，因此，網絡協議必須適應其特殊性。天基綜合信息網的特殊性主要表現在以下幾方面［8］。

（1）時延大：天基綜合信息網所處的環境包括從地面到3．6萬千米的大氣外層空間，其通信組網范圍橫跨平流層、中間層、電離層和逃逸層。由于天基綜合信息網涵蓋范圍大，通信距離遠，相應的通信時延較地面網絡明顯長得多，如GEO 與地面的傳輸時延約為250ms，對網絡控制和網絡傳輸效率帶來極大的挑戰。

（2）傳輸環境差：星間／星地通信鏈路一般采用激光或微波通信。由于無線信號在長距離傳播中往往要穿過多個不同的區域，各種氣象條件和大氣層會對激光、微波信號帶來較大的干擾，導致天基綜合信息網中信息傳輸的誤碼率較高，甚至出現網絡故障。因此，要針對無線通信鏈路的特點，采取必要的網絡信息傳輸可靠性和安全性措施。

（3）網絡拓撲結構時變性：天基綜合信息網的網絡節點是各種飛行器，其空間位置不固定，網內各節點之間的信息鏈路也不固定，因此網絡結構是動態變化的。飛行器有兩類：一類是航天器，運行穩定，具有自己特定的軌道，相互之間的通信鏈路具有可預測性；另一類是臨近空間飛行器，機動性較強，運動軌跡不穩定，相互之間的通信鏈路會出現不可預測的中斷。因此，天基綜合信息網是一種移動性網絡，具有較大的拓撲結構時變性。

（4）通信鏈路頻繁連通／中斷：由于天基綜合信息網的網絡節點是分布在不同軌道上高速運動的各種飛行器，而且執行不同任務的飛行器運動速度也不盡相同，因此，網內各節點之間的信息鏈路會頻繁地出現連通／中斷現象，從而使天基綜合信息網中的通信鏈路無法采用保持持續連接的工作方式，還要具備通信中斷后的自動接續能力。

（5）信息傳送帶寬多樣性：網絡結構的動態變化和通信鏈路的頻繁連接／中斷，使網絡在不同時間可用的網絡帶寬與服務質量是變化的，而且各種飛行器信息傳送對帶寬的需求也不盡相同，甚至相差懸殊，因此，要針對這樣的網絡運行環境采取必要的措施。

（6）通信鏈路的雙向不對稱性：在天基綜合信息網中，由于需要傳送信息的主體是各類對地觀測衛星的觀測數據信息，因此通信鏈路中的信息流量是雙向不對稱的。例如：前向鏈路（地面終端站經數據中繼衛星至用戶航天器）與返向鏈路（用戶航天器經數據中繼衛星至地面終端站）傳輸的業務類型和速率就有差別，其中主要差別是返向鏈路用戶航天器特有的對地觀測高速數據流，這就導致前向與返向通信鏈路的雙向不對稱性。

（7）網絡拓撲結構異構性：天基綜合信息網由各類航天器和臨近空間飛行器及其相應的地面系統組成。由于它們的用途和功能不同，其系統結構、體制和對外接口不會都相同，因此天基綜合信息網必然是一個異構網絡，這種異構性體現在所采用的通信手段、通信體制和數據格式等方面。

（8）網絡可擴展性：天基綜合信息網的建設是一個長期的發展過程，需要分步、分階段實施，在不同時期可能會采用不同的新技術，這就要求在天基綜合信息網設計階段就要考慮可擴展性和開放性，使其既能滿足當前組成部分的應用需求，又能符合未來應用的長期需求，避免重復建設和增加不必要的投資。

（9）安全性和可靠性要求高：天基綜合信息網的特點決定了必須保證高可靠性和高安全性。由于空間信息傳輸的暴露性，與傳統地面網絡相比，更容易遭受敵方的竊聽、毀壞和攻擊，因此在協議設計中必須進行相關的安全協議和安全解決方案設計。

4．2 天基綜合信息網協議結構

針對上述天基綜合信息網的特點，目前在航天任務中研究和使用的協議主要包括兩類［8］：一是基于國際上空間數據系統咨詢委員會（CCSDS）的互聯網傳輸協議；二是基于地面IP 協議標準的空間IP協議。對于天基綜合信息網，普遍的設計思想是將地面互聯網向空間延伸，使天基綜合信息網變成空間互聯網，最后與地面互聯網互聯成空天地一體化互聯網。

CCSDS借鑒開放系統互連參考模型（OSI-RM）的分層思想，提出了—套空間通信協議族，用于空間網絡通信［9］。空間通信協議體系結構自下而上包括物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層和應用層，其中，每一層又包括若干個可供組合的協議。空間通信協議參考模型如圖6所示。

圖6 CCSDS空間通信協議參考模型Fig．6 Reference model of CCSDS space communication protocol

圖6中，遙測（TM）和遙控（TC）鏈路協議適用于常規航天器的數據系統，實現的碼速率中等，業務相對簡單；高級在軌系統（AOS）協議，適用于大型航天器和載人航天器，實現的碼速率范圍寬，業務種類多，而且具有網絡接入能力，可與地面互聯網互聯實現空間多媒體通信。

圖6中，近距離空間鏈路協議（PSLP）是點對點的通信協議（有些資料將其簡寫為Prox-1），是CCSDS為了適應航天器之間近距離通信的需求，在已有的遙測、遙控、AOS的基礎上開發的一個新體系。例如，它可用于載人空間站（或空間實驗室）與載人飛船（或貨運飛船）之間的交會對接，以及火星探測中火星軌道器與火星著陸器之間的釋放與交互對接。此協議是一個跨層協議，包含物理層和數據鏈路層，是CCSDS擴展業務的一個重要方面。

圖6中，空間通信協議規范（SCPS）包括：SCPS網絡協議（SCPS-NP）、SCPS安全協議（SCPS-SP）、SCPS 傳 輸 協 議（SCPS-TP）和SCPS 文 件 協 議（SCPS-FP）。SCPS協議基于互聯網傳輸控制協議（TCP）／IP，并針對空間任務的特定需求，對TCP／IP進行了修改和擴展，解決了傳統TCP 用于衛星網絡時產生的擁塞控制、流量控制機制不適用問題，可支持文件、圖像等空間數據通信。這是空間通信協議與地面互聯網協議融合成功的嘗試。

可以預見，未來天基綜合信息網的網絡協議將是CCSDS空間通信協議與地面互聯網協議高度融合的空天地一體化的協議，并會在天基綜合信息網的研究、建設、應用和發展中不斷改進和完善。

5 天基綜合信息網關鍵技術

經初步分析，天基綜合信息網關鍵技術如下［8，10］。

（1）組網結構技術：天基綜合信息網是以通信衛星星座為核心，利用現代通信和網絡技術，將位于地面（海、陸、空）、臨近空間和空間中的多種移動節點連接在一起的一種新型空間通信網絡，具有網絡尺度大、時延長、拓撲動態、節點間關系復雜及網絡業務種類繁多等特點，這些特點使天基綜合信息網的組網結構設計不同于地面網絡，要針對衛星星座的特點及應用需求，開展面向天基綜合信息網衛星星座組網結構設計的研究，其重點是考慮面向衛星節點的星座設計和星間鏈路設計。

（2）網絡協議技術：地面互聯網技術，已成為地面通信網絡的發展方向。其技術已向空間通信延伸，在CCSDS空間通信協議中已融合了相關協議，進一步的研究方向是使天基綜合信息網的網絡協議成為CCSDS空間通信協議與地面互聯網協議高度融合的空天地一體化協議。

（3）服務質量（QoS）路由技術：天基綜合信息網以天基作為轉發路由平臺，可以大大提高網絡傳輸效率，從而為用戶提供具有一定QoS要求的應用業務。為了保障這類業務在網絡中傳輸，要研發和設計具有QoS保障能力的天基路由協議和算法。在天基綜合信息網中，衛星節點的持續運動使現有的網絡路由技術難以直接用于衛星網絡，須要建立專門針對天基綜合信息網的新的動態路由協議體系。

（4）網絡管理技術：要使天基綜合信息網這樣一個高度復雜、動態和異構的網絡能夠高效、可靠運行，必須對其進行有效的管理。該網絡獨有的特性，使其不能依靠完全集中或完全分布式的管理，也不能依靠標準的分層體系進行管理。因此，必須建立一種新型的網絡管理模型，實現網絡的空天地一體、可靠有效運行，該模型具備一定自主運行和抗毀自愈能力的管理模式。

（5）網絡安全防護技術：天基綜合信息網是一個龐大的系統。系統越龐大，接入越方便、越開放，就越容易被攻擊，加之空間層及天地間通信鏈路的暴露特性，使其更容易被攻擊。因此，在系統建設時，必須重視安全保密與防護，研究和采取安全抗毀措施、安全方案和安全協議，提高系統和網絡的生存能力。

（6）衛星光通信技術：衛星光通信具有通信帶寬寬、數據傳輸速率高、天線口徑小、終端功耗低、體積小和質量小的顯著優勢，同時，還具有良好的抗干擾和抗截獲性能，能顯著提高通信系統的信息安全性，是星間傳輸鏈路的發展方向。低耗功、長壽命的高功率激光源技術，以及波束寬度極窄的光波束瞄準、捕獲和跟蹤技術等，都是光通信傳輸的關鍵技術。

（7）星載處理交換技術：星載處理和路由交換系統的任務是自主地實施信息接收、存儲、處理和分發，是天基綜合信息網中骨干網和接入網組網衛星的關鍵設備。目前，地面網絡中IP／多協議標簽交換（MPLS）技術以及各種多用戶接入技術已經很成熟，但衛星具有多波束天線收發、移動無線接入、星上處理資源受限和網絡拓撲動態等特點，使得地面成熟的IP／MPLS技術和多用戶接入技術無法有效應用于衛星網絡。此外，天基綜合信息網星地鏈路的時延大，誤碼率比地面高，數據傳輸有實時性要求，星載設備必須滿足一定的空間環境使用要求，更加大了研制難度。因此，星載處理和路由交換技術是空間通信網絡節點的關鍵技術。

6 我國天基綜合信息網的設計思想

我國天基綜合信息網的設計思想如下。

（1）采用GEO 和NGEO 的通信衛星星座和導航衛星星座，實施全球全時覆蓋空間層各種航天器、臨近空間層各種飛行器、地面層各種用戶終端和相關地面設施，通過星間鏈路、星地鏈路和地面線路互聯互通，組成一個空天地一體化的全球綜合信息網絡。

（2）在國外不設地球站的情況下實現：國內測控站測控我國全球運行的衛星；國內遙感站實時接收我國全球遙感衛星發送的信息；國內關口站管理我國授權的全球用戶終端之間的互通信息。

根據上述設計思想，我國天基綜合信息網的設計準則可概括為實現“四化”，即實現全球化、網絡化、智能化和標準化。

（1）全球化：即服務區實現全球全時全氣候無縫覆蓋地面層（含海、陸、空）用戶地球站、臨近空間層飛行器和空間層航天器三層用戶。

（2）網絡化：各飛行器和地球站主要依靠星間鏈路、國內星地鏈路和地面線路組成天基綜合信息網絡。通過網絡化，實現相關系統的資源共享，充分發揮航天應用效益，促進航天資源整合優化。也只有網絡化，才能實現第2個設計思想。

（3）智能化：為應對龐大和復雜的天基網絡，全網必須具備高度的自主運行和管理能力。網絡的自主管理目標，是在沒有或很少依賴于管理員的情況下，在一定的工作時間內，具備自行完成管理任務的能力。網絡管理的部分功能可不依賴于地面設備，而由星上自主管理；部分功能可不依賴于人工操作，而由相關設備自動執行。

（4）標準化：統一的標準和規范，是天基綜合信息網各系統實現互聯互通和資源共享的前提和條件。采用統一、先進、有發展前途的標準和規范，將有利于發揮航天應用效益，促進航天資源整合優化。研究、制定和應用標準，將貫穿于研究和建立天基綜合信息網的全過程。

7 我國天基綜合信息網空間層構想

7．1 空間層通信網

它是空間層的骨干網和接入網（見圖5），分別由GEO通信衛星星座（包括若干顆等間隔分布的衛星）和NGEO通信衛星星座（包括數十顆LEO 衛星）組成。兩層不同高度的星座共同組成一個立體交叉、優勢互補的多層星座網絡。在該網絡中，GEO 衛星既作為網絡交換節點，也作為用戶接入點；LEO 衛星主要作為具有交換功能的用戶接入點。骨干網衛星對接入網衛星實施動態管理［11-16］。

7．1．1 星座覆蓋和鏈路選擇

（1）星座覆蓋層數選擇：作為MEO 和LEO 用戶航天器的數據中繼衛星星座，GEO（或GSO）星座最合適；作為實現全球（含南北兩極）無縫覆蓋的星座，MEO／LEO 星座最合適。因此，本天基綜合信息網至少應由GEO 星座和MEO／LEO 星座兩層不同高度、覆蓋全球的衛星星座組成。

（2）星座軌道類型選擇：由于GEO衛星將作為數據中繼衛星，不可或缺，因此有GEO／MEO／LEO、GEO／MEO、GEO／LEO 三種組合可供選擇。因為初期的天基綜合信息網業務需求量不大，又屬于試驗性質，不宜太復雜，所以GEO／MEO／LEO 暫不考慮。MEO是中軌道高度，既沒有GEO 對地靜止的優點，又沒有LEO因距地面近而傳輸損耗小的明顯優點，因此，至今世界上還沒有一個MEO 通信衛星星座被應用，而有多個LEO通信衛星星座已投入使用，因此宜選GEO／LEO雙層星座。

（3）LEO 星座類型選擇：LEO 星座拓撲結構有極軌圓軌道星座和傾斜圓軌道（又稱Walker delta）星座兩種（見圖7）。兩者各有特點，前者的應用案例有“銥”移動通信衛星星座，后者的有“全球星”移動通信衛星星座。本方案暫不確定使用哪個方案。

（4）星間互聯方式選擇：星座內各衛星之間互聯成網方式有兩種。一種是衛星之間互聯以衛星中繼的星間鏈路構成網絡，稱為衛星中繼網，如“銥”衛星星座網絡；另一種是衛星之間互聯以地球站中繼的星地鏈路構成網絡，稱為地球站中繼網，如“全球星”衛星星座網絡。從安全和現實性出發，我國的衛星通信系統不可能在全球布設足夠數量、有一定位置要求的地面關口站，只能將關口站布設在我國自主控制的區域內。因此，只有通過衛星中繼網方案，才能解決依托我國自主控制區域內的少數關口站實現全球通信的問題；同樣，在國外不設測控站、只依靠國內測控站的情況下，也只有通過衛星中繼網的星間鏈路，才能實現視距以外GEO 衛星的測控。由此可見，本方案只能采用由星間鏈路構成網絡的衛星中繼網方案。星座覆蓋和鏈路選擇邏輯關系如圖8所示。GEO／LEO雙層星座網絡示意見圖9。在基于GEO／LEO雙層星座的衛星網絡中，主要有3 類星間鏈路（圖9中未畫）：①GEO 衛星之間的層內星間鏈路；②LEO衛星之間的層內星間鏈路；③GEO衛星和LEO衛星間的層間星間鏈路。

圖7 LEO 星座拓撲結構示意Fig．7 Topology of LEO constellation

圖8 星座覆蓋和鏈路選擇邏輯關系示意Fig．8 Logical relations between constellation covering and link choice

圖9 GEO／LEO 雙層星座網絡示意Fig．9 GEO／LEO two layer constellation network

7．1．2 GEO 衛星星座

GEO衛星星座由沿地球赤道上空等間距分布的3～4顆GEO衛星組成。該星座可作為全球覆蓋LEO通信衛星星座的骨干網，兼作空間層航天器、臨近空間飛行器和地面層（海、陸、空）用戶終端的接入網。在地面段相應設施配合下，主要承擔如下任務。

（1）作為全球覆蓋的數據中繼衛星星座，對全球低、中、高軌道用戶航天器和臨近空間用戶飛行器進行跟蹤、測控，并提供數據傳輸、處理和分發業務。

（2）作為全球覆蓋的寬帶多媒體衛星星座，對全球特定地區和熱點地區的用戶站提供動態接入寬帶多媒體通信業務。

（3）根據需要，可作為全球導航衛星增強系統的天基廣播系統星座，向全球“北斗”衛星導航定位接收機廣播“北斗”衛星導航增強系統生成的完好信息和誤差修正信息。

（4）作為全球覆蓋的空間層骨干網，通過星間鏈路對作為全球覆蓋空間層接入網的LEO 通信衛星星座實施管理。

GEO 衛星星座單顆衛星有效載荷的功能和性能見表1。

表1 GEO 星座單顆衛星有效載荷的功能和性能Table 1 Payload functions and performances of GEO constellation satellite

GEO 衛星星座的寬帶多媒體通信系統用戶鏈路衛星多點波束覆蓋和導航廣播系統用戶鏈路衛星全球波束覆蓋的示意見圖10。需要說明的是，在圖10（a）中，同時覆蓋的點波束數量不多，如最多可能為20 個（具體多少視需要和設計時再確定）。這些波束指向可變，主要用于覆蓋特定地區和熱點地區。

依據我國國土分布情況，全球覆蓋3 顆GEO衛星宜分布在印度洋、太平洋和大西洋上空相應軌道位置，例如依次為51．5°E、163．5°E 和80°W（見圖11）。其中：51．5°E軌道位置衛星可用我國西部地區測控站進行測控與管理；163．5°E 軌道位置衛星可用我國東部地區測控站進行測控與管理。另外，80°W 軌道位置衛星已超出國土內測控站的視區，在國外不設站的情況下，可用下述途徑進行測控與管理：①利用西部地區測控站，通過該站與51．5°E衛星的星地鏈路以及51．5°E 衛星與80°W 衛星的星間鏈路來測控與管理；②利用東部地區測控站，通過該站與163．5°E衛星的星地鏈路以及163．5°E 衛星與80°W 衛星的星間鏈路來測控與管理。在國外不設通信饋電站的情況下，80°W 軌道位置衛星的饋電鏈路信號傳輸路徑類似于測控信號傳輸路徑。

圖10 GEO 衛星雙功能用戶波束覆蓋示意Fig．10 Two functionality user beam covering of GEO satellite

圖11 全球覆蓋3顆GEO 衛星軌道位置分布示意Fig．11 Orbital locations of three GEO satellites for global covering

7．1．3 LEO 衛星星座

為了便于討論，假設本天基綜合信息網的LEO衛星星座采用極軌圓軌道，其相關參數示例如表2［17］和表3所示，其波束覆蓋示意如圖12［18］所示。

表2 極軌圓軌道星座軌道參數Table 2 Orbital parameters of polar circular orbit constellation

表3 極軌圓軌道星座有效載荷的功能和性能Table 3 Payload functions and performances of polar circular orbit constellation

圖12 極軌圓軌道星座波束覆蓋示意圖Fig．12 Beam covering of polar circular orbit constellation

7．2 空間層航天器

空間層航天器包括載人飛船、空間站和各種用途的衛星及其星座。其中，衛星有科學探測與技術試驗衛星、氣象衛星、地球資源衛星、海洋觀測與監視衛星、環境與災害監測衛星、導彈預警衛星和電子偵察衛星等。上述航天器可分為兩類：一類是不需要數據中繼衛星轉發數據的；另一類是需要數據中繼衛星轉發數據的，稱為數據中繼衛星的用戶航天器。

一般來說，凡是軌道位置在國內地球站視距以外的GEO 航天器，其測控和數據傳輸都可由國內地球站通過數據中繼衛星中轉實施；同樣，凡是在國內地球站視距以外有數據實時傳輸要求的NGEO航天器，其數據實時傳輸都可通過數據中繼衛星中轉到國內地球站實施；此外，凡是在國內地球站視距以外有事件應急處理要求的各種軌道航天器，其應急處理都可由國內地球站通過數據中繼衛星中轉實施。也就是說，以上三大類航天器都是天基綜合信息網數據中繼衛星的用戶航天器。

7．3 臨近空間層飛行器

臨近空間是指距地20～100km 高度的空域，處于現有飛機的最高飛行高度和衛星的最低軌道高度之間。臨近空間飛行器是指能夠飛行在臨近空間執行特定任務的飛行器，與其視距外地球站進行測控和數據傳輸時，可以依靠數據中繼衛星進行測控和數據中繼。

根據任務用途，臨近空間飛行器可分為臨近空間信息平臺和臨近空間運輸平臺；根據飛行方式和原理，可分為輕于空氣的飛行器（LTA）和重于空氣的飛行器（HTA）。前者主要為平流層飛艇、平流層高空氣球和平流層半可控浮空器；后者主要為太陽能平流層飛艇、平流層無人機和高超音速飛行器等。

臨近空間飛行器在搶險救災和軍事應用上前景廣闊，其特點決定了在情報收集、情報傳輸、快速反應等方面具有重要的軍事應用價值。它將作為軍用航空器和軍用航天器的有效補充，成為未來聯合作戰中一支新的重要力量，可作為通信中繼平臺、對地觀測平臺、預警平臺、電子偵察與干擾平臺、區域導航平臺、武器作戰平臺、裝備兵力投送平臺、衛星有效載荷和空間武器的試驗臺等。

7．4 空間層時空基準

空間層時空基準擬用我國“北斗”衛星導航系統的星座。“北斗”衛星導航系統是我國自主建設、獨立運行、與其他衛星導航系統兼容共用的全球衛星導航系統，在1994年啟動試驗系統建設，已于2012年12月正式提供區域服務，計劃到2020年左右建成覆蓋全球的衛星導航系統，為全球用戶提供定位、導航、授時服務。“北斗”衛星導航系統除了通過星地鏈路為本系統的地面層（海、陸、空）多種用戶機提供服務外，根據需要，還可通過星間鏈路為空間層航天器和臨近空間層飛行器提供定位、授時服務，此外，還可通過星彈鏈路為各種導彈提供定位、授時服務。

“北斗”衛星導航系統的星座（見圖13）由5 顆GEO 衛 星 和30 顆NGEO 衛 星 組 成。其 中，30 顆NGEO 衛星由3顆傾斜地球同步軌道（IGSO）衛星和27顆中圓地球軌道衛星組成。該系統采用L 頻段，提供開放和授權兩種服務方式。開放服務是在服務區免費提供定位、測速和授時服務；授權服務是向授權用戶提供更安全的定位、測速、授時和通信服務，以及系統完好性信息，其中，通信服務每次可提供120個漢字的短報文服務。

圖13 “北斗”衛星導航系統星座示意Fig．13 Beidou satellite navigation system constellation

8 結束語

本文依據國情，提出了建設我國天基綜合信息網的構想。此構想采用雙層（GEO 和LEO）通信衛星星座和導航衛星星座，可實現全球全時覆蓋空間層航天器、臨近空間層飛行器、地面層各種用戶終端，利用星間鏈路、星地鏈路和地面線路組成一個空天地一體化的全球信息網絡。將相關的衛星通信系統、衛星對地觀測系統、衛星導航定位系統和其他航天器系統，相關的臨近空間各種飛行器系統，以及相關的地面設施，通過星間鏈路、星地鏈路和地面線路進行綜合，組成一個空天地一體化的天基綜合信息網，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。

我國的理論研究和技術基礎，已經初步具備了建立天基綜合信息網的條件。為適應國家戰略發展、經濟建設、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，應盡快開展我國天基綜合信息網的研究和建設工作，建議國家相關部門組織人員開展我國天基綜合信息網的可行性研究。

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