我國(guó)天基綜合信息網(wǎng)構(gòu)想

閔士權(quán)

（1 中國(guó)衛(wèi)星通信集團(tuán)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(jì)末，我國(guó)就有科研院校提出了研究和建設(shè)我國(guó)天基綜合信息網(wǎng)（Space-based Integrated Information Network）的設(shè)想，并在此后進(jìn)行了專(zhuān)項(xiàng)研究，取得了顯著成果，為建立我國(guó)天基綜合信息網(wǎng)提供了一定的理論基礎(chǔ)。目前，我國(guó)已初步建立和形成了衛(wèi)星通信、衛(wèi)星對(duì)地觀測(cè)、衛(wèi)星導(dǎo)航定位三大衛(wèi)星應(yīng)用系列，為建立我國(guó)天基綜合信息網(wǎng)提供了一定的技術(shù)基礎(chǔ)。我國(guó)構(gòu)建天基綜合信息網(wǎng)核心網(wǎng)絡(luò)的跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星（簡(jiǎn)稱(chēng)數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星）系統(tǒng)，已實(shí)現(xiàn)了中、低軌道用戶航天器準(zhǔn)全球覆蓋［1］。我國(guó)載人航天工程已完成了多艘載人飛船和一座空間實(shí)驗(yàn)室的發(fā)射和相關(guān)試驗(yàn)，多次成功地通過(guò)數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星傳遞信息，為天基綜合信息網(wǎng)的建設(shè)提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。我國(guó)臨近空間飛行器的研究和應(yīng)用已取得了初步成績(jī)。因此，我國(guó)已初步具備了研究和建設(shè)天基綜合信息網(wǎng)的條件。

天基綜合信息網(wǎng)是國(guó)家信息網(wǎng)和國(guó)防信息網(wǎng)的重要組成部分，在整個(gè)信息網(wǎng)中將起到太空骨干網(wǎng)和接入網(wǎng)的雙重作用。為了適應(yīng)我國(guó)國(guó)家戰(zhàn)略發(fā)展和經(jīng)濟(jì)全球化發(fā)展的需要，適應(yīng)我國(guó)國(guó)防信息化建設(shè)和軍事保障能力的需要，我國(guó)衛(wèi)星應(yīng)用體系的發(fā)展目標(biāo)應(yīng)是構(gòu)建一個(gè)為我所有、為我所用的空天地一體化全球全時(shí)無(wú)縫覆蓋的信息網(wǎng)絡(luò)，即天基綜合信息網(wǎng)。

本文介紹了天基綜合信息網(wǎng)的概念和國(guó)外的研究情況，主要提出了我國(guó)天基綜合信息網(wǎng)的體系架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)、協(xié)議結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)，以及我國(guó)現(xiàn)階段可研究和建設(shè)的天基綜合信息網(wǎng)的設(shè)計(jì)思想和空間層的組成與功能的設(shè)想。

2 天基綜合信息網(wǎng)概念及發(fā)展

2．1 天基綜合信息網(wǎng)的定義、組成和特征

天基綜合信息網(wǎng)又叫空間綜合信息網(wǎng)（Space Integrated Information Network），國(guó)際上尚無(wú)明確的定義。通常的說(shuō)法是［2-4］：天基綜合信息網(wǎng)是通過(guò)星間、星地鏈路連接在一起的不同軌道、種類(lèi)、性能的飛行器及相應(yīng)地面設(shè)施和應(yīng)用系統(tǒng)，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(wǎng)。該網(wǎng)絡(luò)具有智能化信息獲取、存儲(chǔ)、傳輸、處理、融合和分發(fā)能力，具備高度的自主運(yùn)行和管理能力。

天基綜合信息網(wǎng)主要由信息獲取、信息傳輸、信息處理、導(dǎo)航定位、航天測(cè)控和網(wǎng)絡(luò)管理等系統(tǒng)組成，具體如下［2-4］。

（1）信息獲取系統(tǒng)：主要擔(dān)負(fù)信息的收集任務(wù)，包括偵察、預(yù)警、氣象、資源、地形測(cè)繪、空間目標(biāo)監(jiān)視等衛(wèi)星（包括臨近空間層飛行器等）和相應(yīng)地面系統(tǒng)。

（2）信息傳輸系統(tǒng)：主要擔(dān)負(fù)信息傳輸、分發(fā)和中繼任務(wù)，包括通信衛(wèi)星（含廣播衛(wèi)星、數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星、臨近空間層飛行器）、各種用戶終端和地面系統(tǒng)。

（3）信息處理系統(tǒng)：主要完成衛(wèi)星獲取數(shù)據(jù)的預(yù)處理、二次處理及信息融合和綜合分析等任務(wù)，包括各衛(wèi)星裝載的高性能信息處理機(jī)及相應(yīng)的軟件和數(shù)據(jù)庫(kù)、專(zhuān)門(mén)的數(shù)據(jù)處理衛(wèi)星和地面處理與應(yīng)用系統(tǒng)。

（4）導(dǎo)航定位系統(tǒng)：由不同軌道的多顆導(dǎo)航衛(wèi)星和相應(yīng)地面系統(tǒng)組成，為從地面到太空包括衛(wèi)星在內(nèi)的各種移動(dòng)或靜止載體提供導(dǎo)航、定位和授時(shí)服務(wù)。

（5）航天測(cè)控系統(tǒng)：主要由地面測(cè)控站、數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星和被測(cè)飛行器的測(cè)控單元組成，負(fù)責(zé)全網(wǎng)整個(gè)空間層從單星、星座到全網(wǎng)的測(cè)控管理。

（6）網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)：由地面管理中心和由數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星或信息處理衛(wèi)星的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成的天基管理中心共同組成，可分別獨(dú)立或聯(lián)合完成網(wǎng)絡(luò)星座的運(yùn)行監(jiān)測(cè)、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(wǎng)，顧名思義，是以航天器為主體、綜合多種系統(tǒng)和業(yè)務(wù)的信息網(wǎng)絡(luò)，它有如下3個(gè)特征。

（1）各種信息系統(tǒng)綜合。衛(wèi)星固定通信、衛(wèi)星移動(dòng)通信、衛(wèi)星直接廣播三大衛(wèi)星通信系統(tǒng)綜合；衛(wèi)星通信、衛(wèi)星對(duì)地觀測(cè)、衛(wèi)星導(dǎo)航定位三大衛(wèi)星應(yīng)用系統(tǒng)綜合；空間通信、臨近空間通信、地面通信三大通信領(lǐng)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(lèi)型綜合。

（2）網(wǎng)絡(luò)化統(tǒng)攬全系統(tǒng)。將“煙囪式”分散或獨(dú)立的各種信息系統(tǒng)以“網(wǎng)絡(luò)化”方式綜合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)相互支持、互聯(lián)互通和資源共享，充分發(fā)揮航天信息化建設(shè)的應(yīng)用效益。

（3）天基網(wǎng)為主體。各種系統(tǒng)組成的網(wǎng)絡(luò)，其主體是以各種飛行器為節(jié)點(diǎn)的空間信息網(wǎng)絡(luò)，其核心是衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)。

2．2 國(guó)外天基綜合信息網(wǎng)研發(fā)概況

國(guó)外從事天基綜合信息網(wǎng)研究和建設(shè)的主要有美國(guó)和歐洲，代表性項(xiàng)目是美國(guó)的“轉(zhuǎn)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(chǔ)設(shè)施”（Integrated Space Infrastructure for Global Communications，ISICOM）。

2．2．1 轉(zhuǎn)型通信體系［5］

美國(guó)現(xiàn)有三大軍事衛(wèi)星通信系列，即窄帶（Narrowband）衛(wèi)星通信系列、防護(hù)（Protected）衛(wèi)星通信系列和寬帶（Wideband）衛(wèi)星通信系列。這三大系列都已發(fā)展成由多顆地球靜止軌道（GEO）衛(wèi)星（其中防護(hù)系列還有遠(yuǎn)地點(diǎn)在北極地區(qū)的大橢圓軌道衛(wèi)星）組成的全球覆蓋的星座系列（見(jiàn)圖1）。為了改變?nèi)笙盗小盁焽枋健爆F(xiàn)狀，促使“網(wǎng)絡(luò)式”發(fā)展，美國(guó)從2003年起實(shí)施了空間互聯(lián)網(wǎng)計(jì)劃，即發(fā)展用激光互聯(lián)的轉(zhuǎn)型通信衛(wèi)星（TSAT）GEO衛(wèi)星星座，通過(guò)星間鏈路和星地鏈路使其與三大衛(wèi)星通信系列之間能相互支持、互聯(lián)互通和資源共享（見(jiàn)圖1、圖2）。

圖1 美國(guó)軍事通信衛(wèi)星系列Fig．1 Military communications satellites in the United States

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

美國(guó)“轉(zhuǎn)型通信體系”（TCA）空間段建設(shè)包含3個(gè)部分：①美國(guó)國(guó)防部（DoD）的TSAT GEO 衛(wèi)星星座；②美國(guó)情報(bào)部（IC）的GEO 衛(wèi)星星座；③美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）的“跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)后續(xù)”（TDRSS-C）計(jì)劃衛(wèi)星星座。三大星座通過(guò)自身的星間互聯(lián)和星座間的星間互聯(lián)，形成空間信息傳輸核心網(wǎng)（見(jiàn)圖3），應(yīng)該說(shuō)是一種天基綜合信息網(wǎng)。此項(xiàng)目在2001年提出，2003年開(kāi)始實(shí)施，由于遇到資金、進(jìn)度、技術(shù)、組織協(xié)調(diào)和項(xiàng)目監(jiān)管等種種困難，最后于2009年被迫中止。

圖3 美國(guó)TCA 軍事衛(wèi)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(chǔ)設(shè)施”［6］

歐洲衛(wèi)星通信綜合倡議（Integral Satcom Initiative，ISI）組織正在研究開(kāi)發(fā)名為“面向全球通信的綜合空間基礎(chǔ)設(shè)施”（ISICOM），即天基綜合全球通信網(wǎng)。圖4為該天基網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)示意圖，圖中各組成部分簡(jiǎn)介如下。

圖4 歐洲ISICOM 架構(gòu)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(wèi)星節(jié)點(diǎn)構(gòu)成星座，3顆衛(wèi)星之間用光學(xué)鏈路互聯(lián)互通，覆蓋全球。GEO 星座是空間層的骨干網(wǎng)，并兼作接入網(wǎng)。

（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(wèi)星節(jié)點(diǎn)構(gòu)成星座，各衛(wèi)星之間用光學(xué)或無(wú)線電鏈路互聯(lián)互通，覆蓋全球。NGSO星座是空間層的接入網(wǎng)，并兼作骨干網(wǎng)。

（3）導(dǎo)航／定位衛(wèi)星星座：擬用“伽利略”（Galileo）導(dǎo)航系統(tǒng)，主要為對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星、各種地球站和各種用戶站（車(chē)輛、汽車(chē)、無(wú)人機(jī)、高空平臺(tái)等運(yùn)動(dòng)物體）提供時(shí)間、位置等導(dǎo)航定位信息。

（4）對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星星座：擬選用“全球環(huán)境與安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”（GMES）。當(dāng)對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星飛行在其遙感站視區(qū)以外時(shí)，可通過(guò)GEO 衛(wèi)星將其獲取的遙感信息實(shí)時(shí)中繼到遙感站；還可通過(guò)GEO 衛(wèi)星把對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星系統(tǒng)中央站經(jīng)處理和融合后的綜合信息轉(zhuǎn)發(fā)廣播給各用戶站。

（5）高空平臺(tái)（HAPS）系列：HAPS系列與NGSO星座通過(guò)星臺(tái)鏈路互通信息，接受NGSO衛(wèi)星服務(wù)；通過(guò)臺(tái)機(jī)鏈路向無(wú)人機(jī)（UAV）轉(zhuǎn)發(fā)NGSO衛(wèi)星信息，為UAV 服務(wù)；通過(guò)臺(tái)地鏈路與提供快速應(yīng)急通信服務(wù)的自組織（Ad Hoc）網(wǎng)絡(luò)互傳信息；通過(guò)臺(tái)地鏈路直接向熱點(diǎn)地區(qū)提供專(zhuān)項(xiàng)通信服務(wù)；通過(guò)臺(tái)地鏈路直接向相關(guān)地區(qū)提供廣播和寬帶通信接入業(yè)務(wù)。

（6）UAV 系列：UAV 系列與HAPS系列通過(guò)機(jī)臺(tái)鏈路互傳信息，接受HAPS服務(wù)。

（7）地面設(shè)施：用作物聯(lián)網(wǎng)通信的衛(wèi)星傳感器網(wǎng)絡(luò)（SSN）；進(jìn)行干擾管理等任務(wù)的協(xié)同波束成形（CBF）分布式天線系統(tǒng)；對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星地面網(wǎng)站；通信衛(wèi)星關(guān)口站等。

ISICOM 潛在的用戶群：個(gè)人用戶；集體用戶；專(zhuān)業(yè)用戶和中小型組織／企業(yè)用戶；公共機(jī)構(gòu)和大型企業(yè)用戶；電信運(yùn)營(yíng)商和業(yè)務(wù)提供商。

ISICOM 對(duì)各類(lèi)用戶提供的業(yè)務(wù)：廣播服務(wù)、公眾信息服務(wù)、應(yīng)急服務(wù)、遠(yuǎn)程醫(yī)療和遠(yuǎn)程教育服務(wù)、互聯(lián)網(wǎng)接入、語(yǔ)音和數(shù)據(jù)服務(wù)、導(dǎo)航服務(wù)、固定和移動(dòng)的寬帶服務(wù)，以及物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)等。

3 天基綜合信息網(wǎng)體系架構(gòu)

按照天基綜合信息網(wǎng)概念，我國(guó)天基綜合信息網(wǎng)體系架構(gòu)構(gòu)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(guò)星地鏈路統(tǒng)一形成全球覆蓋的空天地一體化的天基綜合信息網(wǎng)。

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

3．1 空間層

（1）空間層通信網(wǎng)：它是空間層的骨干網(wǎng)和接入網(wǎng)，是由GEO和非地球靜止軌道（NGEO）通信衛(wèi)星（含數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星）星座組成的全球全時(shí)覆蓋的通信網(wǎng)。其中：GEO通信衛(wèi)星星座主要作為骨干網(wǎng)，兼作接入網(wǎng)；NGEO衛(wèi)星星座作為接入網(wǎng)，也可兼作骨干網(wǎng)。此外，NGEO 衛(wèi)星星座可以是中地球軌道（MEO）和低地球軌道（LEO）雙層衛(wèi)星星座，也可以是單層MEO星座或LEO星座。該網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)傳輸、處理和分發(fā)來(lái)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(qū)的各種海、陸、空用戶終端的信息；負(fù)責(zé)傳輸、處理和分發(fā)來(lái)自地面的各種測(cè)控與數(shù)據(jù)傳輸管理網(wǎng)站的信息；還承擔(dān)天基綜合信息網(wǎng)網(wǎng)管系統(tǒng)的相關(guān)管理職能。空間層通信網(wǎng)是天基綜合信息網(wǎng)的核心基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。

（2）空間層航天器：它包括不同軌道各種業(yè)務(wù)和應(yīng)用的衛(wèi)星、飛船、空間站、深空探測(cè)器等航天器。其中：使用數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的航天器也稱(chēng)為用戶航天器；各種對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星獲取相關(guān)觀測(cè)數(shù)據(jù)（可以是原始數(shù)據(jù)，也可以是經(jīng)其處理后的有用信息）后，直接向其視區(qū)內(nèi)的地面站發(fā)送（原始數(shù)據(jù)發(fā)給遙感信息綜合與管理中心處理，有用信息發(fā)給用戶站使用），或者，當(dāng)其視區(qū)內(nèi)無(wú)地面站時(shí)，通過(guò)數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)；專(zhuān)用處理衛(wèi)星將對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星通過(guò)星間鏈路發(fā)來(lái)的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，其中的有用信息可直接向其視區(qū)內(nèi)的地面站發(fā)送，或者，當(dāng)其視區(qū)內(nèi)無(wú)地面站時(shí)，通過(guò)數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)；載人飛船和空間站可直接或通過(guò)數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星中轉(zhuǎn)與其地面站進(jìn)行雙向通信和數(shù)據(jù)傳輸；其他航天器的工作方式類(lèi)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(wú)人機(jī)和高超音速飛行器（HCV）等各種飛行器，其中，使用數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的飛行器也稱(chēng)為用戶飛行器。作為對(duì)地觀測(cè)任務(wù)飛行器使用時(shí)，可將獲取的觀測(cè)數(shù)據(jù)直接向其地面用戶站發(fā)送，或者通過(guò)通信衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)給地面相關(guān)用戶站；作為通信中繼任務(wù)飛行器使用時(shí)，可提供其覆蓋區(qū)內(nèi)各用戶站之間的雙向通信和數(shù)據(jù)傳遞，或通過(guò)通信衛(wèi)星中轉(zhuǎn)與其覆蓋區(qū)外用戶站的雙向通信和數(shù)據(jù)傳遞。此外，臨近空間飛行器群還可組成接入網(wǎng)，為地面層用戶終端提供信息中繼服務(wù)。

（4）導(dǎo)航衛(wèi)星星座：它組成時(shí)空基準(zhǔn)系統(tǒng)，為天基綜合信息網(wǎng)提供時(shí)間和空間坐標(biāo)基準(zhǔn)。該基準(zhǔn)可為各類(lèi)航天器、臨近空間飛行器、導(dǎo)彈等飛行器提供精確的時(shí)間、位置和速度信息，為各類(lèi)地面站（如遙感信息綜合與管理中心、地面測(cè)控與數(shù)據(jù)管理網(wǎng)站、關(guān)口站、固定與便攜用戶站等）提供精確的時(shí)間和位置信息，也可為機(jī)載終端、船載終端、車(chē)載終端、手持終端等移動(dòng)終端提供導(dǎo)航定位信息。

3．2 地面層

（1）航天器（不包括通信衛(wèi)星和導(dǎo)航衛(wèi)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(duì)地觀測(cè)為主的航天器（不包括通信衛(wèi)星和導(dǎo)航衛(wèi)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(duì)地觀測(cè)任務(wù)中，上述兩種用戶站的基本功能相同。各用戶站可以根據(jù)需要直接接收有關(guān)飛行器發(fā)回的遙感原始數(shù)據(jù)，并將其發(fā)送到遙感信息綜合與管理中心進(jìn)行處理，也可以直接接收有關(guān)飛行器發(fā)回的經(jīng)其處理后的有用信息來(lái)使用。如有必要，還可以直接控制飛行器向用戶站發(fā)送原始數(shù)據(jù)，并在用戶站設(shè)置自己部門(mén)所需的遙感信息處理設(shè)備，將直接接收到的原始數(shù)據(jù)在本地生成有用信息。用戶站也可在地面網(wǎng)絡(luò)或從數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星轉(zhuǎn)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(shí)。

（2）通信衛(wèi)星地面用戶站：即本文所說(shuō)的地面層用戶站，包括低空層各種機(jī)載用戶站。整個(gè)地面層用戶站（也稱(chēng)為用戶終端）包括機(jī)載終端、船載終端、車(chē)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(lián)網(wǎng)使用的數(shù)據(jù)采集終端，根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，可分為微小終端、固定終端、移動(dòng)終端、手持終端、拋撒終端等。

（3）導(dǎo)航衛(wèi)星用戶站：即天、空、地各種導(dǎo)航終端，具體包括航空、航天、船舶、氣象、減災(zāi)、林業(yè)等行業(yè)的各類(lèi)機(jī)／彈／車(chē)／船載及手持衛(wèi)星接收機(jī)。

（4）各種測(cè)控與數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)站：包括通信衛(wèi)星用的測(cè)控通信與數(shù)據(jù)中繼網(wǎng)站，空間層航天器用的各種航天器測(cè)控與數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)站，以及臨近空間層飛行器用的各種飛行器測(cè)控與數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)站。它們的任務(wù)是對(duì)在軌運(yùn)行的飛行器實(shí)施測(cè)控、數(shù)據(jù)傳輸和管理。其基本功能相同：①直接或者通過(guò)通信衛(wèi)星中繼對(duì)飛行器進(jìn)行遙測(cè)、遙控、跟蹤測(cè)軌（或定位）和管理；②通過(guò)飛行器與相關(guān)地球站進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳輸。此外，還有導(dǎo)航衛(wèi)星星座的測(cè)控管理站，主要用于對(duì)它們管轄的衛(wèi)星進(jìn)行測(cè)控和管理。

（5）各地關(guān)口站：提供衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)與地面互聯(lián)網(wǎng)／公眾電話交換網(wǎng)（PSTN）／公眾地面移動(dòng)通信網(wǎng)（PLMN）等網(wǎng)絡(luò)之間的接口，使其用戶能夠呼叫全球各地的地面網(wǎng)絡(luò)用戶。

（6）遙感信息綜合與管理中心［7］：可通過(guò)接收空間、臨近空間各遙感飛行器直接發(fā)送和通過(guò)數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的原始數(shù)據(jù)，以及接收來(lái)自各用戶站傳送來(lái)的原始數(shù)據(jù)，并將這些原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、融合和解譯，生成各級(jí)各類(lèi)產(chǎn)品、綜合信息和知識(shí)，通過(guò)地面網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)接脩艉蜎Q策部門(mén)；還可將處理和融合后的綜合信息和知識(shí)上行發(fā)送到數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星，再轉(zhuǎn)發(fā)廣播給各用戶站使用。該中心還負(fù)責(zé)對(duì)相關(guān)衛(wèi)星和地面設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一協(xié)調(diào)管理，包括飛行器的測(cè)控管理、業(yè)務(wù)管理、運(yùn)行管理和用戶的服務(wù)管理等。

（7）測(cè)控管理中心：負(fù)責(zé)對(duì)分布在各地的所有測(cè)控通信與數(shù)據(jù)中繼網(wǎng)站（包括通信衛(wèi)星星座、空間層航天器、臨近空間層飛行器和導(dǎo)航衛(wèi)星星座使用的）進(jìn)行測(cè)控指揮、協(xié)調(diào)和管理。

（8）網(wǎng)絡(luò)管控中心：與空間層骨干網(wǎng)衛(wèi)星相關(guān)管理功能結(jié)合，負(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)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(jì)費(fèi)管理等各種功能。

（9）天基綜合信息網(wǎng)管理中心：負(fù)責(zé)天基綜合信息網(wǎng)全網(wǎng)的規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)行、管理等指揮和協(xié)調(diào)工作。

（10）地面公用通信網(wǎng)：天基綜合信息網(wǎng)通過(guò)各地關(guān)口站與全球各種地面公用通信網(wǎng)互聯(lián)互通，構(gòu)成天基與地基一體化全球綜合信息網(wǎng)。

4 天基綜合信息網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

4．1 天基綜合信息網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)

天基綜合信息網(wǎng)是一個(gè)規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的空天地一體化網(wǎng)絡(luò)，要求網(wǎng)絡(luò)能夠穩(wěn)定運(yùn)行、快速重構(gòu)、具有可擴(kuò)展性，能夠支持用戶和其他子網(wǎng)動(dòng)態(tài)接入和退出，因此，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議必須適應(yīng)其特殊性。天基綜合信息網(wǎng)的特殊性主要表現(xiàn)在以下幾方面［8］。

（1）時(shí)延大：天基綜合信息網(wǎng)所處的環(huán)境包括從地面到3．6萬(wàn)千米的大氣外層空間，其通信組網(wǎng)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(wǎng)涵蓋范圍大，通信距離遠(yuǎn)，相應(yīng)的通信時(shí)延較地面網(wǎng)絡(luò)明顯長(zhǎng)得多，如GEO 與地面的傳輸時(shí)延約為250ms，對(duì)網(wǎng)絡(luò)控制和網(wǎng)絡(luò)傳輸效率帶來(lái)極大的挑戰(zhàn)。

（2）傳輸環(huán)境差：星間／星地通信鏈路一般采用激光或微波通信。由于無(wú)線信號(hào)在長(zhǎng)距離傳播中往往要穿過(guò)多個(gè)不同的區(qū)域，各種氣象條件和大氣層會(huì)對(duì)激光、微波信號(hào)帶來(lái)較大的干擾，導(dǎo)致天基綜合信息網(wǎng)中信息傳輸?shù)恼`碼率較高，甚至出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障。因此，要針對(duì)無(wú)線通信鏈路的特點(diǎn)，采取必要的網(wǎng)絡(luò)信息傳輸可靠性和安全性措施。

（3）網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)變性：天基綜合信息網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是各種飛行器，其空間位置不固定，網(wǎng)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)之間的信息鏈路也不固定，因此網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是動(dòng)態(tài)變化的。飛行器有兩類(lèi)：一類(lèi)是航天器，運(yùn)行穩(wěn)定，具有自己特定的軌道，相互之間的通信鏈路具有可預(yù)測(cè)性；另一類(lèi)是臨近空間飛行器，機(jī)動(dòng)性較強(qiáng)，運(yùn)動(dòng)軌跡不穩(wěn)定，相互之間的通信鏈路會(huì)出現(xiàn)不可預(yù)測(cè)的中斷。因此，天基綜合信息網(wǎng)是一種移動(dòng)性網(wǎng)絡(luò)，具有較大的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)變性。

（4）通信鏈路頻繁連通／中斷：由于天基綜合信息網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是分布在不同軌道上高速運(yùn)動(dòng)的各種飛行器，而且執(zhí)行不同任務(wù)的飛行器運(yùn)動(dòng)速度也不盡相同，因此，網(wǎng)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)之間的信息鏈路會(huì)頻繁地出現(xiàn)連通／中斷現(xiàn)象，從而使天基綜合信息網(wǎng)中的通信鏈路無(wú)法采用保持持續(xù)連接的工作方式，還要具備通信中斷后的自動(dòng)接續(xù)能力。

（5）信息傳送帶寬多樣性：網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化和通信鏈路的頻繁連接／中斷，使網(wǎng)絡(luò)在不同時(shí)間可用的網(wǎng)絡(luò)帶寬與服務(wù)質(zhì)量是變化的，而且各種飛行器信息傳送對(duì)帶寬的需求也不盡相同，甚至相差懸殊，因此，要針對(duì)這樣的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行環(huán)境采取必要的措施。

（6）通信鏈路的雙向不對(duì)稱(chēng)性：在天基綜合信息網(wǎng)中，由于需要傳送信息的主體是各類(lèi)對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星的觀測(cè)數(shù)據(jù)信息，因此通信鏈路中的信息流量是雙向不對(duì)稱(chēng)的。例如：前向鏈路（地面終端站經(jīng)數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星至用戶航天器）與返向鏈路（用戶航天器經(jīng)數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星至地面終端站）傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)類(lèi)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(duì)地觀測(cè)高速數(shù)據(jù)流，這就導(dǎo)致前向與返向通信鏈路的雙向不對(duì)稱(chēng)性。

（7）網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)異構(gòu)性：天基綜合信息網(wǎng)由各類(lèi)航天器和臨近空間飛行器及其相應(yīng)的地面系統(tǒng)組成。由于它們的用途和功能不同，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、體制和對(duì)外接口不會(huì)都相同，因此天基綜合信息網(wǎng)必然是一個(gè)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，這種異構(gòu)性體現(xiàn)在所采用的通信手段、通信體制和數(shù)據(jù)格式等方面。

（8）網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展性：天基綜合信息網(wǎng)的建設(shè)是一個(gè)長(zhǎng)期的發(fā)展過(guò)程，需要分步、分階段實(shí)施，在不同時(shí)期可能會(huì)采用不同的新技術(shù)，這就要求在天基綜合信息網(wǎng)設(shè)計(jì)階段就要考慮可擴(kuò)展性和開(kāi)放性，使其既能滿足當(dāng)前組成部分的應(yīng)用需求，又能符合未來(lái)應(yīng)用的長(zhǎng)期需求，避免重復(fù)建設(shè)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(wǎng)的特點(diǎn)決定了必須保證高可靠性和高安全性。由于空間信息傳輸?shù)谋┞缎裕c傳統(tǒng)地面網(wǎng)絡(luò)相比，更容易遭受敵方的竊聽(tīng)、毀壞和攻擊，因此在協(xié)議設(shè)計(jì)中必須進(jìn)行相關(guān)的安全協(xié)議和安全解決方案設(shè)計(jì)。

4．2 天基綜合信息網(wǎng)協(xié)議結(jié)構(gòu)

針對(duì)上述天基綜合信息網(wǎng)的特點(diǎn)，目前在航天任務(wù)中研究和使用的協(xié)議主要包括兩類(lèi)［8］：一是基于國(guó)際上空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(huì)（CCSDS）的互聯(lián)網(wǎng)傳輸協(xié)議；二是基于地面IP 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的空間IP協(xié)議。對(duì)于天基綜合信息網(wǎng)，普遍的設(shè)計(jì)思想是將地面互聯(lián)網(wǎng)向空間延伸，使天基綜合信息網(wǎng)變成空間互聯(lián)網(wǎng)，最后與地面互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)成空天地一體化互聯(lián)網(wǎng)。

CCSDS借鑒開(kāi)放系統(tǒng)互連參考模型（OSI-RM）的分層思想，提出了—套空間通信協(xié)議族，用于空間網(wǎng)絡(luò)通信［9］。空間通信協(xié)議體系結(jié)構(gòu)自下而上包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層，其中，每一層又包括若干個(gè)可供組合的協(xié)議?？臻g通信協(xié)議參考模型如圖6所示。

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

圖6中，遙測(cè)（TM）和遙控（TC）鏈路協(xié)議適用于常規(guī)航天器的數(shù)據(jù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)的碼速率中等，業(yè)務(wù)相對(duì)簡(jiǎn)單；高級(jí)在軌系統(tǒng)（AOS）協(xié)議，適用于大型航天器和載人航天器，實(shí)現(xiàn)的碼速率范圍寬，業(yè)務(wù)種類(lèi)多，而且具有網(wǎng)絡(luò)接入能力，可與地面互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)實(shí)現(xiàn)空間多媒體通信。

圖6中，近距離空間鏈路協(xié)議（PSLP）是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信協(xié)議（有些資料將其簡(jiǎn)寫(xiě)為Prox-1），是CCSDS為了適應(yīng)航天器之間近距離通信的需求，在已有的遙測(cè)、遙控、AOS的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的一個(gè)新體系。例如，它可用于載人空間站（或空間實(shí)驗(yàn)室）與載人飛船（或貨運(yùn)飛船）之間的交會(huì)對(duì)接，以及火星探測(cè)中火星軌道器與火星著陸器之間的釋放與交互對(duì)接。此協(xié)議是一個(gè)跨層協(xié)議，包含物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，是CCSDS擴(kuò)展業(yè)務(wù)的一個(gè)重要方面。

圖6中，空間通信協(xié)議規(guī)范（SCPS）包括：SCPS網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（SCPS-NP）、SCPS安全協(xié)議（SCPS-SP）、SCPS 傳 輸 協(xié) 議（SCPS-TP）和SCPS 文 件 協(xié) 議（SCPS-FP）。SCPS協(xié)議基于互聯(lián)網(wǎng)傳輸控制協(xié)議（TCP）／IP，并針對(duì)空間任務(wù)的特定需求，對(duì)TCP／IP進(jìn)行了修改和擴(kuò)展，解決了傳統(tǒng)TCP 用于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)時(shí)產(chǎn)生的擁塞控制、流量控制機(jī)制不適用問(wèn)題，可支持文件、圖像等空間數(shù)據(jù)通信。這是空間通信協(xié)議與地面互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議融合成功的嘗試。

可以預(yù)見(jiàn)，未來(lái)天基綜合信息網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議將是CCSDS空間通信協(xié)議與地面互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議高度融合的空天地一體化的協(xié)議，并會(huì)在天基綜合信息網(wǎng)的研究、建設(shè)、應(yīng)用和發(fā)展中不斷改進(jìn)和完善。

5 天基綜合信息網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

經(jīng)初步分析，天基綜合信息網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)如下［8，10］。

（1）組網(wǎng)結(jié)構(gòu)技術(shù)：天基綜合信息網(wǎng)是以通信衛(wèi)星星座為核心，利用現(xiàn)代通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將位于地面（海、陸、空）、臨近空間和空間中的多種移動(dòng)節(jié)點(diǎn)連接在一起的一種新型空間通信網(wǎng)絡(luò)，具有網(wǎng)絡(luò)尺度大、時(shí)延長(zhǎng)、拓?fù)鋭?dòng)態(tài)、節(jié)點(diǎn)間關(guān)系復(fù)雜及網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)種類(lèi)繁多等特點(diǎn)，這些特點(diǎn)使天基綜合信息網(wǎng)的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不同于地面網(wǎng)絡(luò)，要針對(duì)衛(wèi)星星座的特點(diǎn)及應(yīng)用需求，開(kāi)展面向天基綜合信息網(wǎng)衛(wèi)星星座組網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究，其重點(diǎn)是考慮面向衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的星座設(shè)計(jì)和星間鏈路設(shè)計(jì)。

（2）網(wǎng)絡(luò)協(xié)議技術(shù)：地面互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，已成為地面通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展方向。其技術(shù)已向空間通信延伸，在CCSDS空間通信協(xié)議中已融合了相關(guān)協(xié)議，進(jìn)一步的研究方向是使天基綜合信息網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議成為CCSDS空間通信協(xié)議與地面互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議高度融合的空天地一體化協(xié)議。

（3）服務(wù)質(zhì)量（QoS）路由技術(shù)：天基綜合信息網(wǎng)以天基作為轉(zhuǎn)發(fā)路由平臺(tái)，可以大大提高網(wǎng)絡(luò)傳輸效率，從而為用戶提供具有一定QoS要求的應(yīng)用業(yè)務(wù)。為了保障這類(lèi)業(yè)務(wù)在網(wǎng)絡(luò)中傳輸，要研發(fā)和設(shè)計(jì)具有QoS保障能力的天基路由協(xié)議和算法。在天基綜合信息網(wǎng)中，衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的持續(xù)運(yùn)動(dòng)使現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)難以直接用于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，須要建立專(zhuān)門(mén)針對(duì)天基綜合信息網(wǎng)的新的動(dòng)態(tài)路由協(xié)議體系。

（4）網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)：要使天基綜合信息網(wǎng)這樣一個(gè)高度復(fù)雜、動(dòng)態(tài)和異構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)能夠高效、可靠運(yùn)行，必須對(duì)其進(jìn)行有效的管理。該網(wǎng)絡(luò)獨(dú)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(biāo)準(zhǔn)的分層體系進(jìn)行管理。因此，必須建立一種新型的網(wǎng)絡(luò)管理模型，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的空天地一體、可靠有效運(yùn)行，該模型具備一定自主運(yùn)行和抗毀自愈能力的管理模式。

（5）網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)技術(shù)：天基綜合信息網(wǎng)是一個(gè)龐大的系統(tǒng)。系統(tǒng)越龐大，接入越方便、越開(kāi)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(tǒng)建設(shè)時(shí)，必須重視安全保密與防護(hù)，研究和采取安全抗毀措施、安全方案和安全協(xié)議，提高系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)的生存能力。

（6）衛(wèi)星光通信技術(shù)：衛(wèi)星光通信具有通信帶寬寬、數(shù)據(jù)傳輸速率高、天線口徑小、終端功耗低、體積小和質(zhì)量小的顯著優(yōu)勢(shì)，同時(shí)，還具有良好的抗干擾和抗截獲性能，能顯著提高通信系統(tǒng)的信息安全性，是星間傳輸鏈路的發(fā)展方向。低耗功、長(zhǎng)壽命的高功率激光源技術(shù)，以及波束寬度極窄的光波束瞄準(zhǔn)、捕獲和跟蹤技術(shù)等，都是光通信傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)。

（7）星載處理交換技術(shù)：星載處理和路由交換系統(tǒng)的任務(wù)是自主地實(shí)施信息接收、存儲(chǔ)、處理和分發(fā)，是天基綜合信息網(wǎng)中骨干網(wǎng)和接入網(wǎng)組網(wǎng)衛(wèi)星的關(guān)鍵設(shè)備。目前，地面網(wǎng)絡(luò)中IP／多協(xié)議標(biāo)簽交換（MPLS）技術(shù)以及各種多用戶接入技術(shù)已經(jīng)很成熟，但衛(wèi)星具有多波束天線收發(fā)、移動(dòng)無(wú)線接入、星上處理資源受限和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)等特點(diǎn)，使得地面成熟的IP／MPLS技術(shù)和多用戶接入技術(shù)無(wú)法有效應(yīng)用于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。此外，天基綜合信息網(wǎng)星地鏈路的時(shí)延大，誤碼率比地面高，數(shù)據(jù)傳輸有實(shí)時(shí)性要求，星載設(shè)備必須滿足一定的空間環(huán)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(shù)是空間通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的關(guān)鍵技術(shù)。

6 我國(guó)天基綜合信息網(wǎng)的設(shè)計(jì)思想

我國(guó)天基綜合信息網(wǎng)的設(shè)計(jì)思想如下。

（1）采用GEO 和NGEO 的通信衛(wèi)星星座和導(dǎo)航衛(wèi)星星座，實(shí)施全球全時(shí)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(guān)地面設(shè)施，通過(guò)星間鏈路、星地鏈路和地面線路互聯(lián)互通，組成一個(gè)空天地一體化的全球綜合信息網(wǎng)絡(luò)。

（2）在國(guó)外不設(shè)地球站的情況下實(shí)現(xiàn)：國(guó)內(nèi)測(cè)控站測(cè)控我國(guó)全球運(yùn)行的衛(wèi)星；國(guó)內(nèi)遙感站實(shí)時(shí)接收我國(guó)全球遙感衛(wèi)星發(fā)送的信息；國(guó)內(nèi)關(guān)口站管理我國(guó)授權(quán)的全球用戶終端之間的互通信息。

根據(jù)上述設(shè)計(jì)思想，我國(guó)天基綜合信息網(wǎng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則可概括為實(shí)現(xiàn)“四化”，即實(shí)現(xiàn)全球化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化和標(biāo)準(zhǔn)化。

（1）全球化：即服務(wù)區(qū)實(shí)現(xiàn)全球全時(shí)全氣候無(wú)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(wǎng)絡(luò)化：各飛行器和地球站主要依靠星間鏈路、國(guó)內(nèi)星地鏈路和地面線路組成天基綜合信息網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)化，實(shí)現(xiàn)相關(guān)系統(tǒng)的資源共享，充分發(fā)揮航天應(yīng)用效益，促進(jìn)航天資源整合優(yōu)化。也只有網(wǎng)絡(luò)化，才能實(shí)現(xiàn)第2個(gè)設(shè)計(jì)思想。

（3）智能化：為應(yīng)對(duì)龐大和復(fù)雜的天基網(wǎng)絡(luò)，全網(wǎng)必須具備高度的自主運(yùn)行和管理能力。網(wǎng)絡(luò)的自主管理目標(biāo)，是在沒(méi)有或很少依賴(lài)于管理員的情況下，在一定的工作時(shí)間內(nèi)，具備自行完成管理任務(wù)的能力。網(wǎng)絡(luò)管理的部分功能可不依賴(lài)于地面設(shè)備，而由星上自主管理；部分功能可不依賴(lài)于人工操作，而由相關(guān)設(shè)備自動(dòng)執(zhí)行。

（4）標(biāo)準(zhǔn)化：統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，是天基綜合信息網(wǎng)各系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通和資源共享的前提和條件。采用統(tǒng)一、先進(jìn)、有發(fā)展前途的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，將有利于發(fā)揮航天應(yīng)用效益，促進(jìn)航天資源整合優(yōu)化。研究、制定和應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，將貫穿于研究和建立天基綜合信息網(wǎng)的全過(guò)程。

7 我國(guó)天基綜合信息網(wǎng)空間層構(gòu)想

7．1 空間層通信網(wǎng)

它是空間層的骨干網(wǎng)和接入網(wǎng)（見(jiàn)圖5），分別由GEO通信衛(wèi)星星座（包括若干顆等間隔分布的衛(wèi)星）和NGEO通信衛(wèi)星星座（包括數(shù)十顆LEO 衛(wèi)星）組成。兩層不同高度的星座共同組成一個(gè)立體交叉、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的多層星座網(wǎng)絡(luò)。在該網(wǎng)絡(luò)中，GEO 衛(wèi)星既作為網(wǎng)絡(luò)交換節(jié)點(diǎn)，也作為用戶接入點(diǎn)；LEO 衛(wèi)星主要作為具有交換功能的用戶接入點(diǎn)。骨干網(wǎng)衛(wèi)星對(duì)接入網(wǎng)衛(wèi)星實(shí)施動(dòng)態(tài)管理［11-16］。

7．1．1 星座覆蓋和鏈路選擇

（1）星座覆蓋層數(shù)選擇：作為MEO 和LEO 用戶航天器的數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星星座，GEO（或GSO）星座最合適；作為實(shí)現(xiàn)全球（含南北兩極）無(wú)縫覆蓋的星座，MEO／LEO 星座最合適。因此，本天基綜合信息網(wǎng)至少應(yīng)由GEO 星座和MEO／LEO 星座兩層不同高度、覆蓋全球的衛(wèi)星星座組成。

（2）星座軌道類(lèi)型選擇：由于GEO衛(wèi)星將作為數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星，不可或缺，因此有GEO／MEO／LEO、GEO／MEO、GEO／LEO 三種組合可供選擇。因?yàn)槌跗诘奶旎C合信息網(wǎng)業(yè)務(wù)需求量不大，又屬于試驗(yàn)性質(zhì)，不宜太復(fù)雜，所以GEO／MEO／LEO 暫不考慮。MEO是中軌道高度，既沒(méi)有GEO 對(duì)地靜止的優(yōu)點(diǎn)，又沒(méi)有LEO因距地面近而傳輸損耗小的明顯優(yōu)點(diǎn)，因此，至今世界上還沒(méi)有一個(gè)MEO 通信衛(wèi)星星座被應(yīng)用，而有多個(gè)LEO通信衛(wèi)星星座已投入使用，因此宜選GEO／LEO雙層星座。

（3）LEO 星座類(lèi)型選擇：LEO 星座拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有極軌圓軌道星座和傾斜圓軌道（又稱(chēng)Walker delta）星座兩種（見(jiàn)圖7）。兩者各有特點(diǎn)，前者的應(yīng)用案例有“銥”移動(dòng)通信衛(wèi)星星座，后者的有“全球星”移動(dòng)通信衛(wèi)星星座。本方案暫不確定使用哪個(gè)方案。

（4）星間互聯(lián)方式選擇：星座內(nèi)各衛(wèi)星之間互聯(lián)成網(wǎng)方式有兩種。一種是衛(wèi)星之間互聯(lián)以衛(wèi)星中繼的星間鏈路構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，稱(chēng)為衛(wèi)星中繼網(wǎng)，如“銥”衛(wèi)星星座網(wǎng)絡(luò)；另一種是衛(wèi)星之間互聯(lián)以地球站中繼的星地鏈路構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，稱(chēng)為地球站中繼網(wǎng)，如“全球星”衛(wèi)星星座網(wǎng)絡(luò)。從安全和現(xiàn)實(shí)性出發(fā)，我國(guó)的衛(wèi)星通信系統(tǒng)不可能在全球布設(shè)足夠數(shù)量、有一定位置要求的地面關(guān)口站，只能將關(guān)口站布設(shè)在我國(guó)自主控制的區(qū)域內(nèi)。因此，只有通過(guò)衛(wèi)星中繼網(wǎng)方案，才能解決依托我國(guó)自主控制區(qū)域內(nèi)的少數(shù)關(guān)口站實(shí)現(xiàn)全球通信的問(wèn)題；同樣，在國(guó)外不設(shè)測(cè)控站、只依靠國(guó)內(nèi)測(cè)控站的情況下，也只有通過(guò)衛(wèi)星中繼網(wǎng)的星間鏈路，才能實(shí)現(xiàn)視距以外GEO 衛(wèi)星的測(cè)控。由此可見(jiàn)，本方案只能采用由星間鏈路構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)的衛(wèi)星中繼網(wǎng)方案。星座覆蓋和鏈路選擇邏輯關(guān)系如圖8所示。GEO／LEO雙層星座網(wǎng)絡(luò)示意見(jiàn)圖9。在基于GEO／LEO雙層星座的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中，主要有3 類(lèi)星間鏈路（圖9中未畫(huà)）：①GEO 衛(wèi)星之間的層內(nèi)星間鏈路；②LEO衛(wèi)星之間的層內(nèi)星間鏈路；③GEO衛(wèi)星和LEO衛(wèi)星間的層間星間鏈路。

圖7 LEO 星座拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意Fig．7 Topology of LEO constellation

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

圖9 GEO／LEO 雙層星座網(wǎng)絡(luò)示意Fig．9 GEO／LEO two layer constellation network

7．1．2 GEO 衛(wèi)星星座

GEO衛(wèi)星星座由沿地球赤道上空等間距分布的3～4顆GEO衛(wèi)星組成。該星座可作為全球覆蓋LEO通信衛(wèi)星星座的骨干網(wǎng)，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(wǎng)。在地面段相應(yīng)設(shè)施配合下，主要承擔(dān)如下任務(wù)。

（1）作為全球覆蓋的數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星星座，對(duì)全球低、中、高軌道用戶航天器和臨近空間用戶飛行器進(jìn)行跟蹤、測(cè)控，并提供數(shù)據(jù)傳輸、處理和分發(fā)業(yè)務(wù)。

（2）作為全球覆蓋的寬帶多媒體衛(wèi)星星座，對(duì)全球特定地區(qū)和熱點(diǎn)地區(qū)的用戶站提供動(dòng)態(tài)接入寬帶多媒體通信業(yè)務(wù)。

（3）根據(jù)需要，可作為全球?qū)Ш叫l(wèi)星增強(qiáng)系統(tǒng)的天基廣播系統(tǒng)星座，向全球“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航定位接收機(jī)廣播“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)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(wǎng)，通過(guò)星間鏈路對(duì)作為全球覆蓋空間層接入網(wǎng)的LEO 通信衛(wèi)星星座實(shí)施管理。

GEO 衛(wèi)星星座單顆衛(wèi)星有效載荷的功能和性能見(jiàn)表1。

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

GEO 衛(wèi)星星座的寬帶多媒體通信系統(tǒng)用戶鏈路衛(wèi)星多點(diǎn)波束覆蓋和導(dǎo)航廣播系統(tǒng)用戶鏈路衛(wèi)星全球波束覆蓋的示意見(jiàn)圖10。需要說(shuō)明的是，在圖10（a）中，同時(shí)覆蓋的點(diǎn)波束數(shù)量不多，如最多可能為20 個(gè)（具體多少視需要和設(shè)計(jì)時(shí)再確定）。這些波束指向可變，主要用于覆蓋特定地區(qū)和熱點(diǎn)地區(qū)。

依據(jù)我國(guó)國(guó)土分布情況，全球覆蓋3 顆GEO衛(wèi)星宜分布在印度洋、太平洋和大西洋上空相應(yīng)軌道位置，例如依次為51．5°E、163．5°E 和80°W（見(jiàn)圖11）。其中：51．5°E軌道位置衛(wèi)星可用我國(guó)西部地區(qū)測(cè)控站進(jìn)行測(cè)控與管理；163．5°E 軌道位置衛(wèi)星可用我國(guó)東部地區(qū)測(cè)控站進(jìn)行測(cè)控與管理。另外，80°W 軌道位置衛(wèi)星已超出國(guó)土內(nèi)測(cè)控站的視區(qū)，在國(guó)外不設(shè)站的情況下，可用下述途徑進(jìn)行測(cè)控與管理：①利用西部地區(qū)測(cè)控站，通過(guò)該站與51．5°E衛(wèi)星的星地鏈路以及51．5°E 衛(wèi)星與80°W 衛(wèi)星的星間鏈路來(lái)測(cè)控與管理；②利用東部地區(qū)測(cè)控站，通過(guò)該站與163．5°E衛(wèi)星的星地鏈路以及163．5°E 衛(wèi)星與80°W 衛(wèi)星的星間鏈路來(lái)測(cè)控與管理。在國(guó)外不設(shè)通信饋電站的情況下，80°W 軌道位置衛(wèi)星的饋電鏈路信號(hào)傳輸路徑類(lèi)似于測(cè)控信號(hào)傳輸路徑。

圖10 GEO 衛(wèi)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(wèi)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(wèi)星星座

為了便于討論，假設(shè)本天基綜合信息網(wǎng)的LEO衛(wèi)星星座采用極軌圓軌道，其相關(guān)參數(shù)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(shù)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(wèi)星及其星座。其中，衛(wèi)星有科學(xué)探測(cè)與技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星、地球資源衛(wèi)星、海洋觀測(cè)與監(jiān)視衛(wèi)星、環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測(cè)衛(wèi)星、導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星和電子偵察衛(wèi)星等。上述航天器可分為兩類(lèi)：一類(lèi)是不需要數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的；另一類(lèi)是需要數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的，稱(chēng)為數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星的用戶航天器。

一般來(lái)說(shuō)，凡是軌道位置在國(guó)內(nèi)地球站視距以外的GEO 航天器，其測(cè)控和數(shù)據(jù)傳輸都可由國(guó)內(nèi)地球站通過(guò)數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星中轉(zhuǎn)實(shí)施；同樣，凡是在國(guó)內(nèi)地球站視距以外有數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸要求的NGEO航天器，其數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸都可通過(guò)數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星中轉(zhuǎn)到國(guó)內(nèi)地球站實(shí)施；此外，凡是在國(guó)內(nèi)地球站視距以外有事件應(yīng)急處理要求的各種軌道航天器，其應(yīng)急處理都可由國(guó)內(nèi)地球站通過(guò)數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星中轉(zhuǎn)實(shí)施。也就是說(shuō)，以上三大類(lèi)航天器都是天基綜合信息網(wǎng)數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)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(xiàn)有飛機(jī)的最高飛行高度和衛(wèi)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(zhí)行特定任務(wù)的飛行器，與其視距外地球站進(jìn)行測(cè)控和數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，可以依靠數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星進(jìn)行測(cè)控和數(shù)據(jù)中繼。

根據(jù)任務(wù)用途，臨近空間飛行器可分為臨近空間信息平臺(tái)和臨近空間運(yùn)輸平臺(tái)；根據(jù)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(yáng)能平流層飛艇、平流層無(wú)人機(jī)和高超音速飛行器等。

臨近空間飛行器在搶險(xiǎn)救災(zāi)和軍事應(yīng)用上前景廣闊，其特點(diǎn)決定了在情報(bào)收集、情報(bào)傳輸、快速反應(yīng)等方面具有重要的軍事應(yīng)用價(jià)值。它將作為軍用航空器和軍用航天器的有效補(bǔ)充，成為未來(lái)聯(lián)合作戰(zhàn)中一支新的重要力量，可作為通信中繼平臺(tái)、對(duì)地觀測(cè)平臺(tái)、預(yù)警平臺(tái)、電子偵察與干擾平臺(tái)、區(qū)域?qū)Ш狡脚_(tái)、武器作戰(zhàn)平臺(tái)、裝備兵力投送平臺(tái)、衛(wèi)星有效載荷和空間武器的試驗(yàn)臺(tái)等。

7．4 空間層時(shí)空基準(zhǔn)

空間層時(shí)空基準(zhǔn)擬用我國(guó)“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的星座?！氨倍贰毙l(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國(guó)自主建設(shè)、獨(dú)立運(yùn)行、與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容共用的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，在1994年啟動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)建設(shè)，已于2012年12月正式提供區(qū)域服務(wù)，計(jì)劃到2020年左右建成覆蓋全球的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，為全球用戶提供定位、導(dǎo)航、授時(shí)服務(wù)。“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)除了通過(guò)星地鏈路為本系統(tǒng)的地面層（海、陸、空）多種用戶機(jī)提供服務(wù)外，根據(jù)需要，還可通過(guò)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(shí)服務(wù)，此外，還可通過(guò)星彈鏈路為各種導(dǎo)彈提供定位、授時(shí)服務(wù)。

“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的星座（見(jiàn)圖13）由5 顆GEO 衛(wèi) 星 和30 顆NGEO 衛(wèi) 星 組 成。其 中，30 顆NGEO 衛(wèi)星由3顆傾斜地球同步軌道（IGSO）衛(wèi)星和27顆中圓地球軌道衛(wèi)星組成。該系統(tǒng)采用L 頻段，提供開(kāi)放和授權(quán)兩種服務(wù)方式。開(kāi)放服務(wù)是在服務(wù)區(qū)免費(fèi)提供定位、測(cè)速和授時(shí)服務(wù)；授權(quán)服務(wù)是向授權(quán)用戶提供更安全的定位、測(cè)速、授時(shí)和通信服務(wù)，以及系統(tǒng)完好性信息，其中，通信服務(wù)每次可提供120個(gè)漢字的短報(bào)文服務(wù)。

圖13 “北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)星座示意Fig．13 Beidou satellite navigation system constellation

8 結(jié)束語(yǔ)

本文依據(jù)國(guó)情，提出了建設(shè)我國(guó)天基綜合信息網(wǎng)的構(gòu)想。此構(gòu)想采用雙層（GEO 和LEO）通信衛(wèi)星星座和導(dǎo)航衛(wèi)星星座，可實(shí)現(xiàn)全球全時(shí)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(gè)空天地一體化的全球信息網(wǎng)絡(luò)。將相關(guān)的衛(wèi)星通信系統(tǒng)、衛(wèi)星對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)、衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)和其他航天器系統(tǒng)，相關(guān)的臨近空間各種飛行器系統(tǒng)，以及相關(guān)的地面設(shè)施，通過(guò)星間鏈路、星地鏈路和地面線路進(jìn)行綜合，組成一個(gè)空天地一體化的天基綜合信息網(wǎng)，這是航天應(yīng)用技術(shù)發(fā)展的必然和創(chuàng)新，將是我國(guó)航天技術(shù)發(fā)展的又一個(gè)里程碑。

我國(guó)的理論研究和技術(shù)基礎(chǔ)，已經(jīng)初步具備了建立天基綜合信息網(wǎng)的條件。為適應(yīng)國(guó)家戰(zhàn)略發(fā)展、經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國(guó)防建設(shè)和軍事保障能力的實(shí)際需求，結(jié)合航天技術(shù)快速發(fā)展趨勢(shì)，促進(jìn)信息共享和資源綜合利用，充分發(fā)揮航天信息化建設(shè)的應(yīng)用效益，應(yīng)盡快開(kāi)展我國(guó)天基綜合信息網(wǎng)的研究和建設(shè)工作，建議國(guó)家相關(guān)部門(mén)組織人員開(kāi)展我國(guó)天基綜合信息網(wǎng)的可行性研究。

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