孫晨華

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

天基傳輸網(wǎng)絡(luò)和天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)發(fā)展現(xiàn)狀與問題思考

孫晨華

(中國電子科技集團(tuán)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(wǎng)絡(luò)空間成為全球新一輪競爭熱點(diǎn)。隨著我國天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)工程被列為重大專項(xiàng)，行業(yè)內(nèi)對以天基為重點(diǎn)的天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的關(guān)注度達(dá)到新高。天基傳輸網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)的重要抓手。給出了立足天基傳輸網(wǎng)絡(luò)，發(fā)展天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)問題和下一步研究重點(diǎn)及建議思路，可為后續(xù)研究工作開展提供參考。

天基傳輸網(wǎng)絡(luò)；天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)；天基信息網(wǎng)絡(luò)；天基接入網(wǎng)；天基骨干網(wǎng)

0 引言

目前，搶占空天信息競爭制高點(diǎn)、發(fā)展相關(guān)新興產(chǎn)業(yè)成為發(fā)達(dá)國家的又一次戰(zhàn)略機(jī)遇。我國經(jīng)濟(jì)、政治和軍事處于復(fù)雜國際環(huán)境中距世界舞臺中心最近時期?？傮w上看，天基信息系統(tǒng)建設(shè)成就突出，但沒有完全擺脫技術(shù)追趕和試驗(yàn)應(yīng)用型發(fā)展?fàn)顟B(tài)，系統(tǒng)仍立足本土服務(wù)，天地融合技術(shù)水平、服務(wù)能力、產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展與發(fā)達(dá)國家相比差距較大，與國家“一帶一路”戰(zhàn)略和大國地位不協(xié)調(diào)。因此，找準(zhǔn)、彌補(bǔ)天基信息系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，發(fā)展天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)，提高天地一體服務(wù)能力，實(shí)現(xiàn)信息系統(tǒng)伴隨“一帶一路”走出去戰(zhàn)略十分必要[1]。天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)工程重大專項(xiàng)正是在此背景下提出。

地面信息網(wǎng)絡(luò)和天基信息網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過多年發(fā)展，從天地一體化角度來看，基礎(chǔ)和不足并存。如何在摸清基礎(chǔ)、找準(zhǔn)不足的情況下進(jìn)行天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新、優(yōu)化設(shè)計(jì)是關(guān)鍵問題。摸清基礎(chǔ)方面，重點(diǎn)對現(xiàn)有天基傳輸網(wǎng)絡(luò)的天地一體化特征進(jìn)行分析理解，對天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)概念內(nèi)涵及與天基傳輸網(wǎng)絡(luò)的關(guān)系進(jìn)行分析理解；找準(zhǔn)不足方面，重點(diǎn)是準(zhǔn)確地識別尚未突破的關(guān)鍵技術(shù)。

1 天基傳輸網(wǎng)絡(luò)的天地一體化特征

1.1 天基傳輸網(wǎng)絡(luò)

通常想到的天基傳輸網(wǎng)絡(luò)是衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)，廣義上，天基傳輸網(wǎng)絡(luò)包括衛(wèi)星通信[2]、衛(wèi)星中繼[3]和遙感類衛(wèi)星的星-地傳輸網(wǎng)絡(luò)[4]。衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)指地球上的無線電通信站之間利用人造衛(wèi)星作為中繼站而構(gòu)成的通信網(wǎng)絡(luò)(也稱衛(wèi)星通信系統(tǒng))，是天基傳輸網(wǎng)絡(luò)的核心組成，稱為網(wǎng)絡(luò)更強(qiáng)調(diào)點(diǎn)對多點(diǎn)、多點(diǎn)對多點(diǎn)能力。衛(wèi)星中繼網(wǎng)絡(luò)是航天器與地面終端站之間利用人造衛(wèi)星作為中繼站進(jìn)行測控和數(shù)傳信息傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)。獲取類衛(wèi)星星-地傳輸鏈路指衛(wèi)星與地面接收站之間的傳輸鏈路。

1.2 天基傳輸網(wǎng)絡(luò)的天地一體化特征

衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星中繼網(wǎng)絡(luò)和獲取類衛(wèi)星星-地傳輸網(wǎng)絡(luò)從不同側(cè)面呈現(xiàn)出天地一體化特征。

1.2.1 衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的泛星多專網(wǎng)特征

泛星多專網(wǎng)指應(yīng)用專網(wǎng)不依賴某顆特定衛(wèi)星，同一個網(wǎng)絡(luò)可依托不同衛(wèi)星構(gòu)建，是目前衛(wèi)星通信領(lǐng)域規(guī)模最大、最常用且用戶最多的一類網(wǎng)絡(luò)，廣播電視網(wǎng)絡(luò)、VSAT網(wǎng)可基于多個衛(wèi)星的C、Ku等頻段、透明轉(zhuǎn)發(fā)器構(gòu)建[5]。采用彎管轉(zhuǎn)發(fā)方式，網(wǎng)絡(luò)由位于陸、海、空各類地表用戶的終端和站型構(gòu)建。除頻段、功率外，網(wǎng)絡(luò)多址方式、協(xié)議和信令等核心體制與衛(wèi)星無關(guān)，且這類網(wǎng)絡(luò)均可實(shí)現(xiàn)與地面固定網(wǎng)、移動網(wǎng)的互聯(lián)互通，具有典型的天地一體化特征。

1.2.2 衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的多星一網(wǎng)特征

這類網(wǎng)絡(luò)主要指全球服務(wù)衛(wèi)星通信網(wǎng)，通過地面互聯(lián)的關(guān)口站將工作于多顆衛(wèi)星上的用戶構(gòu)成全球一網(wǎng)，典型的有INMARSAT[6]、INTELSAT[7]、美軍軍事寬帶和窄帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)。INMARSAT空間段有5顆以上衛(wèi)星，全球部署多個關(guān)口站，系統(tǒng)無論有多少用戶，只有一張網(wǎng)絡(luò)。INTELSAT空間段有50多顆衛(wèi)星，地面同樣具有全球通聯(lián)一張網(wǎng)絡(luò)。INMARSAT和INTELSAT有所不同，前者多顆衛(wèi)星采用相同技術(shù)體制(同一代系統(tǒng))，全球一個一級網(wǎng)絡(luò)控制中心，是實(shí)實(shí)在在一張網(wǎng)；后者采用多家公司、不同體制VAST網(wǎng)，通過互聯(lián)和服務(wù)集成為一張運(yùn)營網(wǎng)。美軍寬帶和窄帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)空間段均有多顆衛(wèi)星，星間無傳輸鏈路，通過位于全球的九大電信港，實(shí)現(xiàn)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(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)

1.2.3 衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的天地成網(wǎng)特征

這類系統(tǒng)主要有2類：衛(wèi)星位于同步軌道的系統(tǒng)和低軌星座系統(tǒng)。典型特征是衛(wèi)星之間通過星間鏈路構(gòu)成天網(wǎng)，地面各用戶之間構(gòu)成地網(wǎng)。同步軌道的典型系統(tǒng)是美軍的AEHF系統(tǒng)[8]，該系統(tǒng)通過星間鏈路構(gòu)成天網(wǎng)，其目的是安全抗毀，不依賴于任何地面關(guān)口站，可實(shí)現(xiàn)近全球范圍內(nèi)任何用戶間的隨時通，從目前發(fā)展看，這類系統(tǒng)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(tǒng)是銥星系統(tǒng)，有60～80顆位于800 km左右軌道的衛(wèi)星通過星間鏈路構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，地面用戶之間通過衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)構(gòu)成地面應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)。

1.2.4 衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的單星、單網(wǎng)特征

主要有個人移動通信系統(tǒng)和大容量寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)2類，這類系統(tǒng)通常星上采用多波束天線，用戶鏈路透明鉸鏈轉(zhuǎn)發(fā)至饋電鏈路，成千上萬甚至上百萬用戶與地面關(guān)口站構(gòu)成一張應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)，不同部門用戶的網(wǎng)絡(luò)通過虛擬子網(wǎng)設(shè)置實(shí)現(xiàn)信息隔離。

1.2.5 遙感衛(wèi)星的星-地鏈路/地-地網(wǎng)絡(luò)特征

遙感類衛(wèi)星將星上傳感器獲得的數(shù)據(jù)按照可視窗口，直接傳送到地面接收站，多個接收站數(shù)據(jù)則通過地面網(wǎng)絡(luò)傳送到數(shù)據(jù)中心，因此具有星-地鏈路/地-地網(wǎng)絡(luò)的天地一體化特征。

1.2.6 中繼衛(wèi)星的星-星-地鏈路/地-地網(wǎng)絡(luò)特征

中繼衛(wèi)星為航天器(也稱用戶星)提供測控和數(shù)據(jù)中繼傳輸服務(wù)。航天器獲得的數(shù)據(jù)經(jīng)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(wǎng)絡(luò)傳送到各數(shù)據(jù)中心，系統(tǒng)具有明顯的天地一體化特征。

2 天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)與天基傳輸網(wǎng)絡(luò)

2.1 天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)思想

長期以來，天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)作為一種思想從信息系統(tǒng)頂層角度被提出并滲透到各系統(tǒng)實(shí)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(wǎng)絡(luò)思想的典型體現(xiàn)

美軍基于網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)及軍事轉(zhuǎn)型需要，于2000年提出GIG項(xiàng)目，利用天基骨干網(wǎng)、地面國防信息基礎(chǔ)設(shè)施，把預(yù)警探測、情報(bào)、指揮控制、后勤保障和作戰(zhàn)單元融合在一起，強(qiáng)調(diào)天空地一體、統(tǒng)一服務(wù)，使任何士兵、武器單元都能及時獲取戰(zhàn)場信息，最終實(shí)現(xiàn)基于天地一體化信息的全譜優(yōu)勢。

2.1.2 美國各天基信息體系的獨(dú)立發(fā)展中融合了天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)思路

2004年，美國制定了一體化對地觀測系統(tǒng)(IEOS)計(jì)劃，提出天地一體化整體框架，構(gòu)建了空間偵察監(jiān)視體系。美國GPS系統(tǒng)作為一個高精度、全天候、全球性的導(dǎo)航定位系統(tǒng)，在不同行業(yè)實(shí)現(xiàn)了天地一體化信息融合應(yīng)用。此外，美軍持續(xù)發(fā)展以WGS、AEHF和MUOS為主的軍事衛(wèi)星通信體系，在全球范圍內(nèi)為戰(zhàn)場指揮官及作戰(zhàn)單元提供到GIG的隨遇接入能力。

2.1.3 我國信息系統(tǒng)建設(shè)逐步融合天地一體化思路

我國近年提出了構(gòu)建天空地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)，各衛(wèi)星工程建設(shè)過程中，不僅重視衛(wèi)星技術(shù)和發(fā)展，也關(guān)注地面應(yīng)用、運(yùn)控系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用效能，注重與地面網(wǎng)絡(luò)和信息系統(tǒng)的融合應(yīng)用。

2.2 天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)相關(guān)定義

隨著天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)思路的滲透，天基信息系統(tǒng)的關(guān)注度日益提高，行業(yè)內(nèi)提出了多種天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)相關(guān)定義。

2.2.1 天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)

定義1：天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)是由多顆不同軌道、不同種類和不同性能的衛(wèi)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(lián)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(shù)，面向光學(xué)、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(jìn)行信息準(zhǔn)確獲取、快速處理和高效傳輸?shù)囊惑w化高速寬帶大容量信息網(wǎng)絡(luò)，即天基、空基和陸基一體化綜合網(wǎng)絡(luò)。

定義2：(工信部電子科技委網(wǎng)絡(luò)與通信專業(yè)組)天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)是以地面網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，以空間網(wǎng)絡(luò)為延伸，覆蓋太空、空中、陸地和海洋等自然空間，為天基、空基、陸基和海基等各類用戶的活動提供信息保障的基礎(chǔ)設(shè)施[9]。

定義3：(天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)重大工程)天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)是維護(hù)和拓展國家核心安全利益，實(shí)現(xiàn)全球互聯(lián)互通的重大信息基礎(chǔ)設(shè)施，是以天基網(wǎng)絡(luò)為主體，地面網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，可支持陸、海、空、天各類用戶隨遇接入、按需服務(wù)的信息網(wǎng)絡(luò)[10]。

2.2.2 天基信息網(wǎng)絡(luò)

天基信息網(wǎng)絡(luò)(自然科學(xué)基金)是以天基平臺(同步或中、低軌道衛(wèi)星和空間站等)或空基平臺(如平流層氣球、有人或無人飛機(jī)等)為載體，實(shí)時獲取、傳輸和處理空間信息的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[11]。

空間信息網(wǎng)絡(luò)(某專業(yè)組)是以航天器為載體進(jìn)行信息獲取、傳輸和處理的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)；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(wèi)星、星座及相應(yīng)地面基礎(chǔ)設(shè)施所組成的網(wǎng)絡(luò)，以及由其所支持的指揮、控制、通信與其他各種應(yīng)用系統(tǒng)的集合。

2.2.3 定義內(nèi)涵的理解及與天基傳輸網(wǎng)絡(luò)的關(guān)系

天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)有廣義和狹義2種理解。廣義上講，是天空地各類信息系統(tǒng)的集合；狹義上講，是基于天基和地基傳輸網(wǎng)絡(luò)，集成各類信息服務(wù)能力的系統(tǒng)，包括天基傳輸網(wǎng)絡(luò)、地面?zhèn)鬏斁W(wǎng)絡(luò)和柵格化服務(wù)網(wǎng)絡(luò)。天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)重大工程應(yīng)是基于狹義的天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)(如2.2.1節(jié)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(wǎng)絡(luò)是狹義的天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)。

天基信息網(wǎng)絡(luò)是包含了天基信息獲取、天基傳輸及天基時空基準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)在內(nèi)的所有天基網(wǎng)絡(luò)的綜合，天基傳輸網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)組成

3 天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)研究重點(diǎn)

3.1 頂層設(shè)計(jì)

天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)是以天基傳輸網(wǎng)絡(luò)、地面?zhèn)鬏斁W(wǎng)絡(luò)和天基信息服務(wù)為核心構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，地面?zhèn)鬏斁W(wǎng)絡(luò)相對成熟，因此研究重點(diǎn)是天基傳輸網(wǎng)絡(luò)和天基信息服務(wù)能力構(gòu)建等內(nèi)容。頂層設(shè)計(jì)方面重點(diǎn)包括系統(tǒng)架構(gòu)、階段性指標(biāo)體系等研究內(nèi)容。

3.1.1 以全球覆蓋天基傳輸網(wǎng)絡(luò)為核心的天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

目前，已有多種從不同角度提出的天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，如圖3、圖4和圖5所示。

圖3 天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)-Ⅰ

圖3是沈榮駿院士提出的構(gòu)建綜合星間、星地及地面互聯(lián)互通網(wǎng)絡(luò)的我國天地一體化航天互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)想[12]，有機(jī)整合與航天器有關(guān)的數(shù)據(jù)接收、傳輸分發(fā)和運(yùn)行控制等資源，向多種用戶提供多類信息，實(shí)現(xiàn)信息共享和統(tǒng)籌建設(shè)。該架構(gòu)可理解為航天器子網(wǎng)+地面接入網(wǎng)+空間接入網(wǎng)+主干網(wǎng)架構(gòu)，是從航天測控網(wǎng)角度提出的，未涵蓋用戶量較大的衛(wèi)星通信和地面通信網(wǎng)絡(luò)及用戶。

圖4是本研究團(tuán)隊(duì)從通信網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)、機(jī)動通信網(wǎng)以及統(tǒng)一服務(wù)、各類應(yīng)用和用戶的天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。強(qiáng)調(diào)了服務(wù)、應(yīng)用的天地深度融合，可能對航天測控網(wǎng)、遙感獲取類衛(wèi)星用戶的特殊性體現(xiàn)不夠[13]。

圖4 天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)-Ⅱ

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

圖5 天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)-Ⅲ

天基骨干網(wǎng)由天基骨干節(jié)點(diǎn)通過星間鏈路互聯(lián)而成，地面骨干網(wǎng)由地基節(jié)點(diǎn)通過光纖鏈路互聯(lián)而成；天基接入網(wǎng)由滿足移動、固定應(yīng)用的多種軌道節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，不同天基接入網(wǎng)服務(wù)的用戶群可通過天基或地基骨干節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)互通。該架構(gòu)仍有多個方面需深入研究：① 天基網(wǎng)絡(luò)覆蓋距離遠(yuǎn)，較多應(yīng)用可實(shí)現(xiàn)用戶間一跳可達(dá)通信，是否需要經(jīng)過天基骨干網(wǎng)轉(zhuǎn)接或何種情況下需要通過骨干網(wǎng)轉(zhuǎn)接需進(jìn)一步研究；② 天基骨干網(wǎng)要實(shí)現(xiàn)與地面骨干網(wǎng)可比擬的能力，需要強(qiáng)大的星上處理和信息交換能力，根據(jù)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(gòu)構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)，天地雙骨干是能力不平衡的，而接入網(wǎng)的相當(dāng)一部分用戶也無法經(jīng)過天基骨干網(wǎng)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)。

3.1.2 階段性指標(biāo)體系研究

天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的能力和技術(shù)狀態(tài)不是一成不變，而是不斷發(fā)展。尤其是與衛(wèi)星平臺相關(guān)的能力指標(biāo)，因衛(wèi)星(例如同步軌道)研制周期較長，能力更新較慢，其能力指標(biāo)需階段性、漸進(jìn)性提升。天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)體系不易細(xì)化的原因還包括：量化需求的提出、可能的技術(shù)能力評估等均受多方面限制；諸如骨干節(jié)點(diǎn)數(shù)量、各節(jié)點(diǎn)波束配置、境外衛(wèi)星覆蓋區(qū)的容量設(shè)計(jì)、同時工作的用戶數(shù)、業(yè)務(wù)模型、支持的任務(wù)模型以及不同場景下的抗干擾能力等指標(biāo)的提出和確定受到技術(shù)水平和需求兩方面制約，需持續(xù)、深入開展深化和量化研究。

3.1.3 組網(wǎng)及協(xié)議技術(shù)

天地一體化組網(wǎng)協(xié)議研究受到高度關(guān)注，地面網(wǎng)絡(luò)協(xié)議主要涉及互聯(lián)網(wǎng)和移動網(wǎng)協(xié)議，目前已有成熟應(yīng)用的協(xié)議體系，也有一些新的協(xié)議正在研究。因此，天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)工程需關(guān)注的是與天基組網(wǎng)相關(guān)的協(xié)議，即站在天基的角度研究天基組網(wǎng)和天地組網(wǎng)協(xié)議。目前，已提出了針對同步軌道應(yīng)用的CCSDS/DTN/IP融合增強(qiáng)協(xié)議體系[14]，面向航天器基本采用CCSDS協(xié)議，高動態(tài)情況下采用DTN協(xié)議[15]，面向廣大陸、海、空用戶(也統(tǒng)稱地表用戶)，采用IP增強(qiáng)協(xié)議實(shí)現(xiàn)寬帶組網(wǎng)應(yīng)用，采用專用協(xié)議或地面移動網(wǎng)增強(qiáng)協(xié)議實(shí)現(xiàn)窄帶移動系統(tǒng)應(yīng)用，這些協(xié)議在天基傳輸網(wǎng)絡(luò)(尤其是衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò))中的產(chǎn)品研制中已廣泛實(shí)現(xiàn)。最近提出了基于內(nèi)容的協(xié)議(CCN)[16]，但是否適合天基網(wǎng)絡(luò)、適合何種天基網(wǎng)絡(luò)需進(jìn)一步研究。對于低軌星座，由于載荷受到處理能力限制且衛(wèi)星相對運(yùn)動，其組網(wǎng)協(xié)議需進(jìn)一步研究。組網(wǎng)方面，目前基于SDN[17]的思路從某種角度來講更適合天基網(wǎng)絡(luò)，可以將復(fù)雜的控制面由地面關(guān)口站等節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)，降低星上處理壓力。

3.2 載荷技術(shù)

載荷技術(shù)主要包括射頻天線技術(shù)、星間數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)和超大容量星載路由交換技術(shù)等[18]。

3.2.1 高速數(shù)據(jù)傳輸、超大容量星載交換

星間、星地高速數(shù)據(jù)傳輸和超大容量交換是骨干組網(wǎng)的核心。目前，星間激光鏈路相關(guān)的載荷技術(shù)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(tǒng)的Ku、Ka頻段所支持的帶寬已不能滿足骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)到地面關(guān)口站數(shù)十Gbps的高速傳輸需求。星上交換方面，經(jīng)過多年發(fā)展，已具備一定的處理能力，但從未來發(fā)展看，天地雙骨干方式要求天基骨干節(jié)點(diǎn)需達(dá)到上T的交換能力[19]。

3.2.2 星上高性能計(jì)算技術(shù)

星上高性能計(jì)算處理能力是實(shí)現(xiàn)天基組網(wǎng)、減少對地面依賴的必要條件。近來，美國計(jì)算機(jī)協(xié)會《通信》雜志以及IEEE刊發(fā)了多篇有關(guān)空間計(jì)算的文獻(xiàn)[20]，認(rèn)為當(dāng)前大部分衛(wèi)星星上處理能力較弱，數(shù)據(jù)處理和分析主要依賴地面節(jié)點(diǎn)(主要是地面數(shù)據(jù)處理中心)。隨著在軌處理技術(shù)的發(fā)展和組網(wǎng)技術(shù)的突破，在軌衛(wèi)星獨(dú)立完成數(shù)據(jù)處理和傳輸成為可能，這種情況下，多種不同衛(wèi)星可通過空間直接組網(wǎng)，各類終端和衛(wèi)星可構(gòu)成復(fù)雜的分布式網(wǎng)絡(luò)，不經(jīng)地面轉(zhuǎn)接就可實(shí)現(xiàn)信息交互。如果星上處理能力不能支持星上直接生成產(chǎn)品，包括獲取類衛(wèi)星、通信類衛(wèi)星、中繼類衛(wèi)星基于天基組網(wǎng)的必要性就大打折扣，因?yàn)樵谶@種情況下，獲取類衛(wèi)星獲取的信息直接或經(jīng)中繼衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)到地面，地面數(shù)據(jù)中心處理后形成產(chǎn)品再經(jīng)衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)和地面網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分發(fā)是合理的，而獲取類衛(wèi)星獲取的信息即使通過天基通信衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)發(fā)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(tǒng)及產(chǎn)品技術(shù)

天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)以解決天基薄弱環(huán)節(jié)為重點(diǎn)，并不意味著只解決天基相關(guān)問題，地面系統(tǒng)及產(chǎn)品是天基系統(tǒng)不可或缺的組成。在各項(xiàng)衛(wèi)星工程中通常設(shè)置衛(wèi)星系統(tǒng)、應(yīng)用系統(tǒng)、運(yùn)控系統(tǒng)、火箭系統(tǒng)、測控系統(tǒng)和發(fā)射場系統(tǒng)等六大系統(tǒng)，其中四大系統(tǒng)為地面系統(tǒng)，對系統(tǒng)應(yīng)用發(fā)揮長期效能的是地面應(yīng)用和運(yùn)控系統(tǒng)。

在星上處理能力不足以達(dá)到與地面信息處理與計(jì)算能力相當(dāng)?shù)暮荛L一段時期內(nèi)，地面系統(tǒng)及相關(guān)產(chǎn)品的能力直接影響著天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用水平及效能。據(jù)有關(guān)資料報(bào)道，2015年全球航天業(yè)支出(可理解為市場情況)為：衛(wèi)星服務(wù)1 274億美元，地面設(shè)備1 059億美元，衛(wèi)星制造166億美元，發(fā)射行業(yè)54億美元，政府項(xiàng)目800億美元，而其中商業(yè)通信和民用/軍用通信占比分別為37%和14%，地球觀測服務(wù)14%，導(dǎo)航7%，研發(fā)12%，軍事監(jiān)控8%，科學(xué)研究5%，氣象3%，可見通信服務(wù)占50%，而地面系統(tǒng)站比40%以上。因此，在天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)工程實(shí)施過程中，應(yīng)把地面系統(tǒng)建設(shè)及產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化作為重點(diǎn)。

地面系統(tǒng)主要包括應(yīng)用系統(tǒng)和運(yùn)控系統(tǒng)。應(yīng)用系統(tǒng)包括關(guān)口站和數(shù)據(jù)服務(wù)中心、各類用戶終端；運(yùn)控系統(tǒng)包括網(wǎng)絡(luò)控制中心和測控中心等；產(chǎn)品包括芯片、終端、射頻、天線、服務(wù)軟件和數(shù)據(jù)等。關(guān)口站的處理能力不僅要求越來越高，而且要達(dá)到運(yùn)營級，既要求高可靠又要求好的用戶體驗(yàn)。目前，我國衛(wèi)星通信領(lǐng)域的軍品幾乎全部實(shí)現(xiàn)自主可控，民商用領(lǐng)域則是國外產(chǎn)品占據(jù)主要市場，要提升全產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)袌龈偁幜?，產(chǎn)品必須達(dá)到技術(shù)新、成本低、可靠性高、用戶體驗(yàn)好等要求，從目前發(fā)展看，仍需在細(xì)節(jié)上進(jìn)行深化、優(yōu)化。

4 結(jié)束語

天地一體化是信息系統(tǒng)頂層設(shè)計(jì)的重要指導(dǎo)思想之一，天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)重大工程的實(shí)施，必將信息系統(tǒng)頂層設(shè)計(jì)、天地融合設(shè)計(jì)推向新高度，將實(shí)現(xiàn)我國信息系統(tǒng)服務(wù)能力的跨越式提升。本文深入剖析了天基傳輸網(wǎng)絡(luò)、天基信息網(wǎng)絡(luò)以及天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的概念與內(nèi)涵，并對其特征進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上給出了天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的研究現(xiàn)狀以及后續(xù)重點(diǎn)和關(guān)鍵問題，可為后續(xù)研究提供參考。

[1] 柴 勇.構(gòu)建天基“一帶一路”衛(wèi)星廣播通信綜合服務(wù)系統(tǒng)[J].衛(wèi)星應(yīng)用,2015(8):22-26.

[2] 杜 青,夏克文,喬延華.衛(wèi)星通信發(fā)展動態(tài)[J].無線通信技術(shù),2010(3):24-28.

[3] 翟政安.下一代數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)展思考[J].飛行器測控學(xué)報(bào),2016,35(2):89-97.

[4] 高衛(wèi)斌,冉承其.遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)發(fā)展分析[J].中國空間科學(xué)技術(shù),2005 (6):1-3.

[5] 武秀廣.VSAT衛(wèi)星通信系統(tǒng)綜述[J].數(shù)字通信世界,2014(6):41-43.

[6] 張忠強(qiáng).Inmarsat海事衛(wèi)星通信的發(fā)展[J].中國新通信,2013(15):27-29.

[7] 閔士權(quán).我國天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)構(gòu)想(二)[J].數(shù)字通信世界,2016(7):1-3.

[8] 方志英.2015年美國軍用衛(wèi)星通信發(fā)展新動向[J].衛(wèi)星與網(wǎng)絡(luò),2015(10):50-51.

[9] 吳建平,姜會林,丁 瑩,等.天地一體化網(wǎng)絡(luò)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢研究[R].工業(yè)和信息化部電子科技委研究報(bào)告,2012:1-10.

[10] 吳曼青,周 彬.天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)工程立項(xiàng)建議書(初稿)[R].中國電子科學(xué)研究院,2015:1-10.

[11] “空間信息網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)”重大研究計(jì)劃項(xiàng)目指南[R].國家自然科學(xué)基金委,2014:2-15.

[12] 沈榮駿.我國天地一體化航天互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)想[J].中國工程科學(xué),2006,8(10):19-29.

[13] 孫晨華,王金海.天、空、地一體化信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展思考[C]∥“天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)”高峰論壇論文集,2013:195-199.

[14] 邱金蕙.IP OVER CCSDS協(xié)議網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)[J].無線電工程,2015,45(4):16-19.

[15] 于相聲,孫晨華.一種適用于空間容延遲網(wǎng)絡(luò)的路由算法[J].無線電工程,2015,45(3):1-3.

[16] 杜亞博,王艷培.CCN基于內(nèi)容的緩存策略[J].無線電工程,2014,45(5):9-12.

[17] 邵延峰,賈 哲.軟件定義網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)研究[J].無線電工程,2016,46(4):13-17.

[18] NASA Space Communications and Navigation Architecture Recommendations for 2005-2030[R].NASA,2006:1-50.

[19] CUEVAS E G,TANG Z.Preliminary Results of a Technology Demonstration of the Internet Routing in Space Capability over a Geostationary Communications Satellite[C]∥IEEE Military Communications Conference,2010:1 959-1 964.

[20] LOVELLY T M,BRYAN D.A Framework to Analyze Processor Architectures for Next-generation On-board Space Computing[C]∥IEEE Aerospace Conference,2014:1-10.

孫晨華 女，(1964—)，研究員，中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所副總工程師，中國電子科技集團(tuán)公司首席專家。長期從事衛(wèi)星通信系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)和新技術(shù)研發(fā)、新裝備研制，在衛(wèi)星通信系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)、體制研究和工程設(shè)計(jì)等方面具有豐富經(jīng)驗(yàn)。多年來，主持或承擔(dān)了多個國家及軍隊(duì)重點(diǎn)項(xiàng)目研制，涵蓋FDMA、CDMA和TDMA等多種體制的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，主持完成了我國第一個MF-TDMA衛(wèi)星通信系統(tǒng)研制，填補(bǔ)了國內(nèi)空白。曾獲國家科技進(jìn)步獎二等獎2項(xiàng)，軍隊(duì)科技進(jìn)步獎一等獎1項(xiàng)，國防科技進(jìn)步獎一等獎2項(xiàng)、三等獎1項(xiàng)。

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(wǎng)絡(luò)和天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)發(fā)展現(xiàn)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(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(“863”計(jì)劃)基金資助項(xiàng)目(2015AA015701)。

TN927

A

1003-3106(2017)01-0001-06