我國天地一體化綜合信息網絡構想

●　文|中國衛(wèi)通集團有限公司　航天恒星科技有限公司　閔士權

●　文|中國空間技術研究院國際業(yè)務部　陳建軍　張軼男北京空間科技信息研究所　鄭永杰

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我國天地一體化綜合信息網絡構想

●文|中國衛(wèi)通集團有限公司航天恒星科技有限公司閔士權

一、引言

天基信息網絡也叫天基信息系統(tǒng)，它是彼此獨立或相關的衛(wèi)星通信系統(tǒng)、衛(wèi)星遙感系統(tǒng)、衛(wèi)星導航系統(tǒng)、載人航天系統(tǒng)、空間物理探測系統(tǒng)、空間天文觀測系統(tǒng)、月球和行星深空探測系統(tǒng)以及多種功能的臨近空間飛行器系統(tǒng)等各種空間信息系統(tǒng)的總稱。

天基信息網絡中衛(wèi)星通信系統(tǒng)、衛(wèi)星遙感系統(tǒng)和衛(wèi)星導航系統(tǒng)統(tǒng)稱為衛(wèi)星應用系統(tǒng)。天地一體化信息網絡通常就是指這三大應用系統(tǒng)形成的網絡。

天地一體化信息網絡的天地一體化含義通常有兩種：一種是單個天基網（如衛(wèi)星通信網）與地基網（如地面通信網）通過信息或業(yè)務融合、設備綜合或網絡互聯(lián)互通方式構成的天地一體化信息網絡；另一種是單個天基網（如衛(wèi)星通信網）自身的空間段（如通信衛(wèi)星）與地面段（如各種通信地球站組成的應用系統(tǒng)）通過星地鏈路構成的天地一體化信息網絡。我們可稱前者為大天地一體化信息網絡，后者為小天地一體化信息網絡。

天地一體化信息網絡的信息網絡含義通常也有兩種：一種是廣義天地一體化信息網絡，它至少包含通信、遙感、導航三大天地一體化信息網絡中任意二種，且其間有一定程度綜合或融合；另一種是窄義天地一體化信息網絡，它只是通信、遙感、導航三大天地一體化信息網絡中任一種信息網絡。

本文提出構造的我國天地一體化綜合信息網絡其一體化包含了大天地一體化和小天地一體化，其信息網絡包含了廣義信息網絡和窄義信息網絡。具體地講其縱向網絡包含了通信、遙感、導航三大網絡各自的大天地一體化和小天地一體化，其橫向網絡包含了通信、遙感、導航三大網絡空間段的綜合和用戶段的綜合，因此，稱為天地一體化綜合信息網絡或天地一體化綜合信息網。

二、我國天地一體化綜合信息網絡設計思想

1．設計目標

本文提出的我國天地一體化綜合信息網絡是構造一個由我國自主管控的全球覆蓋的天地一體化綜合信息網絡。此網絡要實現如下目標：

1）天地一體化通信信息網絡實現目標：任何人（Anyone）在任何時間（Anytime）任何地點（Anywhere）可與任何人（Anyone）進行任何業(yè)務（Anything）通信。

2）天地一體化遙感信息網絡實現目標：任何人（Anyone）在任何時間（Anytime）任何地點（Anywhere）可及時獲取何時（When）何地（Where）何種目標（What object)發(fā)生何種變化（What change）的信息。

3）天地一體化導航信息網絡實現目標：任何人（Anyone）在任何時間（Anytime）任何地點（Anywhere）可獲取自己和相關人所在地點（Where）和時間（When）信息。

4）天地一體化通信、遙感、導航綜合信息網絡實現總目標：任何人在任何時間任何地點：①可與任何人進行任何業(yè)務通信；②可及時獲取何時何地何種目標發(fā)生何種變化的信息；③可獲取自己和相關人所在地點和時間信息。

2.設計思路

依據上述設計目標其設計思路如下：

1）采用GEO和NGEO組成的通信衛(wèi)星星座、遙感衛(wèi)星星座和導航衛(wèi)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組成天基信息網絡，并與以互聯(lián)網為代表的各種地面信息網組成的地基信息網絡通過信息或業(yè)務融合、設備綜合和網絡互聯(lián)互通等多種方式組成一個全球覆蓋天地一體化綜合信息網絡。

2）在國外不設地球站的情況下可實現：國內測控站實時測控網內全球運行的各種飛行器；國內遙感站實時接收網內全球運行的各種遙感衛(wèi)星發(fā)送的信息；國內關口站直接管理網內在全球活動的各種用戶終端之間的通信。

3）充分利用國內外現有和正在研發(fā)的與本項目相關的各種科技研究成果，特別是近年來，國內相關院校和企事業(yè)單位進行廣泛研究所取得成果。此外，應盡可能與我國各種規(guī)劃中建設的相關項目進行互動、銜接和融合。

4）先簡后繁，循序漸進，分步實施。先地面仿真試驗，后天上運行試驗，逐步過渡到應用。系統(tǒng)要有可擴展性，后續(xù)系統(tǒng)要與前系統(tǒng)兼容。

3．設計準則

依據上述設計目標和設計思路，我國天地一體化綜合信息網絡的設計準則如下：

1）全球化：即服務區(qū)實現全球全時全氣候覆蓋地面層（含海、陸、空）各種用戶地球站（用戶終端）、臨近空間層各種用戶飛行器、空間層各種用戶航天器三層用戶。

2）網絡化：各種飛行器和各種地球站主要依靠星間鏈路、星地鏈路和國內地面線路組成天基綜合信息網絡。

3）智能化：為應對龐大和復雜的天基網絡，全網運行和管理必須具備高度的自主運行和管理能力。

4）標準化：統(tǒng)一的標準和規(guī)范是天地一體化綜合信息網絡各系統(tǒng)實現互聯(lián)互通和資源共享的前提和條件。

三、我國天地一體化衛(wèi)星通信網絡[1~5]

1．天地一體化全球覆蓋衛(wèi)星通信網絡類型

（1）天地一體化“天星地網”式網絡

當前，國外全球覆蓋的天地一體化衛(wèi)星通信網絡主要是采用“天星地網”的方式來構造，各種衛(wèi)星之間的互聯(lián)互通主要在地面網絡完成。如靜止軌道的國際通信衛(wèi)星（Intelsat）和國際海事衛(wèi)星（Inmarsat）通信網絡，低軌道的美國的全球星（Globalstar）衛(wèi)星通信網絡和軌道通信（Orbcomm）衛(wèi)星通信網絡。

（2）天地一體化“天網地站”式網絡

國外全球覆蓋的天地一體化衛(wèi)星通信網絡中，也有采用“天網地站”式網絡。在這種網絡中，每顆衛(wèi)星都是一個具有星上處理能力的網絡交換器或者路由器，且存在星間鏈路。此星間鏈路具備網絡路由能力，空間段在星間鏈路的協(xié)助下具備網絡層功能。這種網絡特點是不需要在本地關口站或者地面網絡支持下，通過星間鏈路可實現不同衛(wèi)星覆蓋區(qū)各個用戶終端之間通信。這種系統(tǒng)如美國的靜止軌道的軍事星（Milstar）通信系統(tǒng)和低軌道的銥（Iridium）衛(wèi)星通信系統(tǒng)。

2．空間段

實現任何人在任何時間任何地點可與任何人進行任何業(yè)務通信設計目標的空間段方案有多種。本方案采用“天網地站”一體化方案，且天網由雙層網絡組成。它分別由靜止軌道（GEO）通信衛(wèi)星星座(包括3~4顆等間隔分布的衛(wèi)星)和低軌道（LEO）通信衛(wèi)星星座(包括數十顆衛(wèi)星)組成。兩層不同高度的星座共同組成一個立體交叉、優(yōu)勢互補、互聯(lián)互通的雙層星座網絡，見圖1（圖中未畫星間鏈路）。圖中為了便于討論，假設低軌道星座采用極地圓軌道星座。在此網絡中，GEO衛(wèi)星既作為骨干網網絡交換節(jié)點，也作為用戶接入點；LEO衛(wèi)星主要作為具有交換功能的用戶接入點。骨干網衛(wèi)星對接入網衛(wèi)星承擔系統(tǒng)的路由并實施動態(tài)管理。這種星座優(yōu)點可利用國內測控和管理站通過GEO衛(wèi)星全球全時監(jiān)控和管理LEO衛(wèi)星星座所有衛(wèi)星，無需國外設站。

圖1　GEO／LEO雙層星座網絡示意圖

（1）靜止軌道星座

靜止軌道衛(wèi)星星座由沿地球赤道上空等間距分布的3~4顆靜止軌道衛(wèi)星組成，衛(wèi)星間設有星間鏈路。該星座作全球覆蓋低軌通信衛(wèi)星星座的骨干網，兼作空間段用戶航天器、臨近空間飛行器和地面層海陸空用戶終端接入網。在地面段相應設施配合下該星座承擔如下任務：

1）作全球覆蓋的跟蹤與數據中繼衛(wèi)星星座，對全球中低軌道航天器和臨近空間飛行器進行跟蹤、測控，并提供數據傳輸、處理和分發(fā)服務。

2）作全球覆蓋的寬帶多媒體衛(wèi)星星座，對全球特定地區(qū)（常態(tài)覆蓋）和突發(fā)事件地區(qū)（機動覆蓋）提供寬帶多媒體通信業(yè)務。

3）作全球覆蓋的應急通信等相關信息廣播系統(tǒng)。

4）作全球導航衛(wèi)星增強系統(tǒng)的天基傳輸系統(tǒng)星座，承擔我國北斗衛(wèi)星導航增強系統(tǒng)生成的完好信息和誤差修正信息向全球傳輸和分發(fā)任務。

5）通過星間鏈路對低軌通信衛(wèi)星星座實施通信業(yè)務管理。

6）視需要還可考慮通過星間鏈路對低軌通信衛(wèi)星星座進行測控服務。

由上述眾多業(yè)務可以看出，此星座衛(wèi)星將發(fā)揮天基信息港（空間信息港）作用。為實施上述眾多業(yè)務，如單顆靜止軌道大平臺難以承載多用途有效載荷，可分裝于2顆或多顆衛(wèi)星（組成衛(wèi)星簇）上，并在同一軌道位置運行。

（2）低軌道星座

為了便于討論，假設本天地一體化信息網的低軌道星座類似于極地圓軌道銥星星座，各衛(wèi)星之間設有星間鏈路，覆蓋全球（含南北兩極）。在國內地球站管理下，地球上任意兩地用戶終端可不通過國外地面關口站和地面網絡中轉直接通過星間鏈路進行通信。此低軌星座承擔移動寬帶多媒體業(yè)務的雙向傳輸，并與地面移動通信3G、4G或5G業(yè)務融合。低軌星座按一定的方法將星座分組，每個組按一定的選取法從其中選取一顆衛(wèi)星為組長，它既管理組內衛(wèi)星，又與靜止軌道衛(wèi)星聯(lián)系接受其管理。

3．用戶段

用戶段包括空間用戶和地面用戶。

（1）空間用戶

空間層用戶航天器至少有下述四類空間層航天器可作為本天地一體化通信網絡的用戶航天器。

1）凡是軌道位置在我國內地球站視距以外需測控監(jiān)視的靜止軌道航天器。

2）凡是飛行在我國內地球站視距以外有數據實時傳輸要求的非靜止軌道航天器。

3）凡是飛行在我國內地球站視距以外需全時監(jiān)視的各種軌道航天器。

4）凡是飛行在我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。

這些用戶航天器包括不同軌道和用途的單星、星座和編隊飛行的小衛(wèi)星子網，以及載人飛船、空間站等有人航天器。

臨近空間層用戶飛行器：凡是空間位置在我國內地球站視距以外需測控、數據傳輸、全時監(jiān)視和事件應急處理任一種要求的各種臨近空間飛行器都是本天地一體化通信網絡的用戶飛行器。

（2）地面用戶

各種用戶站（亦稱用戶終端）有機載終端、船載終端、車載終端、手持終端、便攜終端和固定終端等多種。還有供物聯(lián)網用的數據采集終端，有微小終端、固定終端、移動終端、手持終端、拋撒終端等。

四、我國天地一體化衛(wèi)星遙感網絡

1. 對天地一體化智能衛(wèi)星遙感要求[6-11]

天地一體化衛(wèi)星遙感網絡設計目標是任何人在任何時間任何地點可及時獲取何時何地何種目標發(fā)生何種變化的信息。實現這一目標的衛(wèi)星遙感網絡空間段是智能化遙感衛(wèi)星（Intelligent Earth Observing Satellites，IEOS）星座，由此星座與相應地面應用系統(tǒng)組成天地一體化智能衛(wèi)星遙感網絡。近年來它是天地一體化遙感網絡研究的熱點。

（1）功能要求

為實現天地一體化遙感網絡設計目標，對智能化衛(wèi)星遙感網絡要求如下：信源多樣化，應包含可見光、紅外、高光譜和微波等多種信源；遙感信息的獲取實現全球化、全時化、實時化；遙感信息加工與處理實現自動化、定量化、實時化；遙感信息管理和分發(fā)網格化；遙感信息服務靈性化和大眾化；信息服務（在導航、通信支持下）終端多樣化，應包括地面、空中和太空中多種終端，其中地面包括車載、船載等移動終端，還包括手機、掌上寶、便攜機、臺式機、電視機等個人和家用終端。

（2）產品要求

不同應用領域的用戶對遙感信息有不同需求，但目前提供給用戶的數據產品都為單純的影像數據，不能滿足不同用戶需求。

按時效性分，可以將遙感的用戶分為實時用戶、準實時用戶和離線用戶。實時用戶最關注數據的實效性，如在軍事應用中，需要每半小時對戰(zhàn)場現狀和打擊效果作出估價；在臺風監(jiān)測中，需要每小時對其預測路徑做出修正。準實時用戶，如各類災害應急系統(tǒng)，需要在盡可能短的時間內了解災害的范圍、影響大小；如精細農業(yè)應用，每間隔1～3 天農民需要獲知作物的長勢，病蟲害情況。離線用戶，如土地利用、土地覆蓋變化、地圖測繪等用戶只需獲取各個季度、年份的影像即可滿足需求。

按用戶的專業(yè)性分，可以分為專業(yè)用戶和非專業(yè)用戶。專業(yè)用戶一般有專業(yè)知識，可以利用專業(yè)知識對影像產品自己進行后續(xù)的處理，獲得所需的信息，如地質找礦、地圖制圖等。非專業(yè)用戶一般缺少遙感專業(yè)知識，他們所感興趣并非影像本身，而是通過影像獲得有關信息，如環(huán)境保護部門可以直接獲取河流的污染、空氣質量等情況。

從以上對遙感用戶的分類可以看出，越來越多的遙感用戶需要的不再是單純的遙感影像，而是基于影像的增值數據產品；并要求將產品直接分發(fā)給不同類型的用戶，以使各類用戶在終端像選擇電視節(jié)目一樣通過簡單的操作獲取所需的數據。

2．天地一體化智能衛(wèi)星遙感網絡[6-11]

天地一體化智能衛(wèi)星遙感網絡體系架構如圖2所示，圖中高軌衛(wèi)星即是本文的靜止衛(wèi)星。

智能化遙感衛(wèi)星網絡空間段采用雙層衛(wèi)星網絡結構,網中所有衛(wèi)星通過星間鏈路進行聯(lián)系，協(xié)同工作。第一層由全球覆蓋的低軌遙感衛(wèi)星群組成，這些衛(wèi)星軌道高度一般在300km 以上。它們被分成多個小組，同一個小組的衛(wèi)星搭載不同的傳感器協(xié)同工作。每一個小組有一顆衛(wèi)星稱為組長，負責同其他小組組長和第二層靜止衛(wèi)星（即圖中高軌衛(wèi)星）通過星間鏈路進行聯(lián)系，管理協(xié)同小組中的其他衛(wèi)星。小組長作用相當于局域網的服務器，負責同外部網絡通信并管理本局域網。

第二層由靜止衛(wèi)星組成。由于第一層所有衛(wèi)星不可能同時為全球范圍的用戶提供服務，需要第二層衛(wèi)星與第一層衛(wèi)星小組長、用戶以及地面系統(tǒng)操作中心和數據處理中心通過星間鏈路和星地鏈路進行聯(lián)系，實施數據傳輸和測控管理。

通常狀況下，系統(tǒng)的每顆低軌衛(wèi)星利用各自搭載的傳感器和在軌數據處理設備獨立工作，在沒有檢測到數據變化的情況下不將數據傳送給靜止衛(wèi)星、用戶或地面測控與通信設施。一旦某顆衛(wèi)星檢測到變化（例如火災），衛(wèi)星自動調整角度和姿態(tài)，獲取地物變化情況，同時，該衛(wèi)星通知同小組的其他衛(wèi)星，其他衛(wèi)星同樣自動調整獲取數據。這樣就可以獲取變化前后的多角度、多傳感器、多分辨率和多光譜數據。這些數據整合后由小組長根據不同的變化類型傳給靜止衛(wèi)星，靜止衛(wèi)星進行壓縮等后處理，然后通過星地鏈路，再傳送到用戶終端。同時，靜止衛(wèi)星還具備對數據的分析和解譯能力，為用戶提供增值數據產品，例如可以將預測災害后的5天火災蔓延的情況一并提供給用戶。

此外，系統(tǒng)根據不同用戶、不同變化為用戶提供最需要的數據。例如監(jiān)測森林火險時多光譜數據顯然比全色影像更重要，戰(zhàn)場打擊效果的評估則相反。此外，系統(tǒng)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(wèi)星遙感網絡的主要特點有：數據在軌處理，可實現實時分發(fā)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(qū)多角度、多分辨率、多波段數據；低軌星座采用的衛(wèi)星是小衛(wèi)星，系統(tǒng)擴展性強，新型傳感器、數據處理設備能夠即插即用。

五、我國天地一體化衛(wèi)星導航網絡

衛(wèi)星導航系統(tǒng)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(fā)生了什么”。這就是位置報告業(yè)務（Position Reporting Service，PRS），所謂的位置報告就是將自己的位置信息和周圍環(huán)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(yè)漁業(yè)、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(wèi)星導航系統(tǒng)（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(wèi)星通信系統(tǒng)協(xié)同工作才能解決。

根據北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)建設總體規(guī)劃，2012年左右，北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)首先具備覆蓋亞太地區(qū)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(wèi)星導航系統(tǒng)。

按照計劃建成現提供使用的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)是覆蓋亞太地區(qū)的區(qū)域性覆蓋系統(tǒng)。它采用無線電導航衛(wèi)星業(yè)務（RNSS）與無線電測定衛(wèi)星業(yè)務（RDSS）集成體制，既能像GPS、GLONASS、GALILEO系統(tǒng)一樣，為用戶提供衛(wèi)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(wèi)星導航系統(tǒng)將提供全球范圍內的RNSS服務，在我國及周邊地區(qū)提供RDSS、位置報告/短報文通信、星基增強、功率增強等服務[12]。為了實現在全球地區(qū)也能提供RDSS服務，該系統(tǒng)專家利用北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)全球覆蓋、星座組網互聯(lián)互通的特點，正在進行實現全球地區(qū)提供位置報告和報文通信的可行性方案研究[13]。

系統(tǒng)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(wèi)星和30顆非靜止軌道衛(wèi)星（包括27顆MEO衛(wèi)星和3顆IGSO衛(wèi)星）組成，相關衛(wèi)星間設有星間鏈路。地面段由主控站、注入站、監(jiān)測站和建設中的地基增強系統(tǒng)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。

目前，北斗全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)研制工作正在按計劃開展，通過采用優(yōu)化衛(wèi)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(tǒng)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(qū)域覆蓋衛(wèi)星導航系統(tǒng)基礎上進一步提高，正在向全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)邁進。

六、我國天地一體化衛(wèi)星通信、遙感、導航三網綜合

1．天地一體化衛(wèi)星通信、遙感、導航三網空間段綜合

由前面分析結果得知，衛(wèi)星通信與衛(wèi)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(lián)；對GEO和LEO軌道覆蓋特性要求基本相同，如圖3所示。基于此特性可以研究進行衛(wèi)星平臺綜合。

圖3　通信與遙感空間段信息網絡示意圖

（1）通信靜止衛(wèi)星與遙感靜止衛(wèi)星平臺綜合

通信與遙感空間段信息網絡對GEO衛(wèi)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(wèi)星就有可能做到同軌道位置或同平臺。在GEO衛(wèi)星平臺可能情況下盡量做到這兩種功能衛(wèi)星共用衛(wèi)星平臺，即一星雙用，一個平臺裝通信和遙感兩種有效載荷。

（2）通信低軌衛(wèi)星與遙感低軌衛(wèi)星平臺綜合

通信與遙感LEO衛(wèi)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(wèi)星或部分衛(wèi)星采用相同星座，甚至全部衛(wèi)星或部分衛(wèi)星共用衛(wèi)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(wèi)星星座已有類似的例子，美國下一代Iridium衛(wèi)星移動通系統(tǒng)除了提高其移動通信性能外，還計劃搭載屬衛(wèi)星遙感業(yè)務的雷達測高儀、寬帶輻射計、成像儀等傳感器。

（3）通信衛(wèi)星星座協(xié)同導航衛(wèi)星星座構造星基增強系統(tǒng)

國外GPS等一些衛(wèi)星導航系統(tǒng)通過GEO或LEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)已建立了或正在建立星基增強系統(tǒng)，以提高導航定位精度和增強衛(wèi)星完好性預報能力。本天基網絡的衛(wèi)星通信網絡中的LEO星座和GEO星座都可以作為北斗導航衛(wèi)星系統(tǒng)的星基增強系統(tǒng)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(wèi)星系統(tǒng)進行性能增強的方案設想[14]。

（4）通信衛(wèi)星星座協(xié)同導航衛(wèi)星星座構造星基位置報告系統(tǒng)

國外GPS等一些衛(wèi)星導航系統(tǒng)通過GEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)（如Inmarsat衛(wèi)星通信系統(tǒng)）或LEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)(如Iridium衛(wèi)星通信系統(tǒng))已建立了或正在建立星基位置報告系統(tǒng)，視需要也可考慮利用本天基網絡的衛(wèi)星通信網絡中的LEO星座和GEO星座及其用戶終端協(xié)同構造北斗導航衛(wèi)星系統(tǒng)的位置報告系統(tǒng)[15]。

2．天地一體化衛(wèi)星通信、遙感、導航三網用戶段綜合

用戶終端的發(fā)展方向應是小型化、寬帶化、智能化和綜合化。除了發(fā)展通信用戶、遙感用戶和導航用戶各種專業(yè)用戶終端外，還可發(fā)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(wèi)星通信／地面通信、衛(wèi)星導航定位／地面基站定位）、多業(yè)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(wèi)星通信、衛(wèi)星遙感和衛(wèi)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(tǒng)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：①可與任何人進行任何業(yè)務通信；②可及時獲取何時何地何種目標發(fā)生何種變化的信息；③可獲取自己和相關人所在地點和時間信息。

七、我國天地一體化天基與地基信息網絡

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(wèi)星通信網與地面通信網。衛(wèi)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(fā)展方向，其典型綜合示例如圖4所示。國際電聯(lián)（ITU）對移動衛(wèi)星通信業(yè)務與地面移動通信業(yè)務IMT—2000（International Mobile Telecommunication-2000）的綜合，根據衛(wèi)星系統(tǒng)與地面系統(tǒng)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(yè)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(tǒng)綜合。

圖4　衛(wèi)星通信網與地面通信網綜合示意圖

衛(wèi)星通信網與地面通信網綜合，促使天地一體化通信網發(fā)展。隨著衛(wèi)星固定業(yè)務、衛(wèi)星移動業(yè)務、衛(wèi)星廣播業(yè)務三種業(yè)務融合，地面電信網、互聯(lián)網和有線電視網三網融合，各種衛(wèi)星通信網與各種地面通信網互聯(lián)互通，各個國家之間通信網互聯(lián)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(wèi)星系統(tǒng)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(tǒng)，又可以在不同系統(tǒng)間互聯(lián)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(yè)務的全球綜合通信網。

2．天地一體化天基與地基遙感網絡[16]

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5，圖5是天、空、地一體化的地球空間信息智能傳感器網絡（Geoinfo-Sensor-Web，GSW）。智能傳感器是具有信息處理、環(huán)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(huán)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(fā)送裝置集于一體，稱作無線網絡傳感器節(jié)點。節(jié)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(xié)同式骨干網絡包括5層感知網絡平臺：①太空平臺，由遙感衛(wèi)星和衛(wèi)星地面接收站組成，衛(wèi)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；②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；③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(tài)傳感器；④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(tài)傳感器；⑤地基平臺，由CORS（ContinuouslyOperating Reference Stations)網與各種專業(yè)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(lián)、互通、共享互操作，向用戶提供“所要即所得”的服務。

圖5　地球空間信息智能傳感器網絡架構[16]

3．天地一體化天基與地基導航網絡

（1）導航系統(tǒng)

按導航信息獲取原理有天文導航、衛(wèi)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(tǒng)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(tǒng)，主要用于飛機和艦船的導航。

為了作戰(zhàn)需要，有集導航、通信與識別功能于一體（C3I）的綜合導航系統(tǒng)；為了優(yōu)勢互補，有集慣性導航和衛(wèi)星導航組合一體的組合導航系統(tǒng)；還有采用衛(wèi)星導航、慣性導航、地基導航的航空綜合導航系統(tǒng)。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(tǒng)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(xù)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(tǒng)的發(fā)展方向。

（2）定位系統(tǒng)

無線電定位系統(tǒng)按照覆蓋范圍大小主要有三種方式：衛(wèi)星定位系統(tǒng)；地面移動通信基站定位系統(tǒng)；無線局域網定位系統(tǒng)。后者主要有四種：ZigBee定位、WiFi定位、UWB定位、CSS定位。移動定位系統(tǒng)可以用來對人員、事件和物品進行定位，以滿足移動執(zhí)法、移動辦公、運輸業(yè)、物流業(yè)、旅游業(yè)、國土資源調查等行業(yè)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(wèi)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(wèi)星定位模塊將自己的位置信號發(fā)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。后者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。

（3）國家綜合定位導航授時體系

我國正在規(guī)劃建設定位導航授時（Positioning Navigation and Timing，PNT）體系，此體系由北斗衛(wèi)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(tǒng)或設備組成。該體系是以北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)為核心，各種定位導航授時系統(tǒng)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(tǒng)一的時間、空間、位置基準服務的國家信息基礎設施。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。

4．地面互聯(lián)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(lián)網的融合，其中互聯(lián)網是核心。三網融合技術的發(fā)展是三網融合的基本推動力量。首先是數字技術的迅速發(fā)展和全面采用，使話音、圖像和數據信號都可以通過統(tǒng)一編碼進行傳輸和交換；其次是光通信技術的發(fā)展，為綜合傳送各種業(yè)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(xié)議的普遍采用，使得以IP為基礎的業(yè)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(lián)網為基礎三大網絡融合[17]。

地面互聯(lián)網的發(fā)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(guī)劃將天基網和地面互聯(lián)網統(tǒng)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(qū)別，如 .earth或 .mar等，以區(qū)分網站所在的星球。可見，整個天地一體化信息網絡的建立將是未來空間信息網的發(fā)展方向。

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(yè)務信息可以合成統(tǒng)一信息流，航天信息系統(tǒng)由封閉的點對點模式轉變?yōu)殚_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。空間信息網與地面公用互聯(lián)網可以連結為全球一體化的可以供全球公用的立體網絡。這也正是我國學者正在熱議的“地面互聯(lián)網＋天基網”。簡稱為“互聯(lián)網＋天基網”。

還需指出，本文提出的天地一體化綜合信息網絡包含了天基信息網絡與地基信息網絡的一體化，此天地一體化綜合信息網絡實質也是我國“互聯(lián)網＋天基網”，或稱“互聯(lián)網＋天基信息系統(tǒng)” 一種構想。此構想的架構示例如圖6所示。

圖6　“地面互聯(lián)網＋天基網”系統(tǒng)架構示例

八、結論

建立我國自主管控全球覆蓋的天地一體化綜合信息網絡是適應經濟全球化發(fā)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(fā)展利益需要；是實現航天應用技術持續(xù)發(fā)展和創(chuàng)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(wèi)星通信系統(tǒng)、衛(wèi)星遙感系統(tǒng)、衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)、其他航天器系統(tǒng)，相關的臨近空間飛行器系統(tǒng)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綜合信息網絡，這是航天應用技術發(fā)展的必然和創(chuàng)新，將是我國航天技術發(fā)展的又一個里程碑。

天地一體化綜合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（亦稱天基綜合信息網）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(wèi)星通信、衛(wèi)星遙感、衛(wèi)星導航三大衛(wèi)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(wèi)星系統(tǒng)，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(fā)射和相關試驗，多次成功地通過數據中繼衛(wèi)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綜合信息網絡的試驗網絡條件。

為適應我國國家戰(zhàn)略發(fā)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(fā)展趨勢，促進信息共享和資源綜合利用，充分發(fā)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綜合信息網絡的研究和建設工作。

參考文獻

[1]閔士權.天基綜合信息網探討[J].國際太空，2013.8.

[2]閔士權.我國天地一體化全球信息網構想[C].天地一體化信息網絡高峰論壇論文集，2013.9.

[3]閔士權.我國天基綜合信息網構想[J].航天器工程，2013.22(5).

[4]閔士權.我國空天地綜合信息網構想[C].首屆空間科學與技術發(fā)展及應用學術大會論文集，2014.8

[5]閔士權.衛(wèi)星通信系統(tǒng)工程設計與應用[M].電子工業(yè)出版社，2015.5

[6]李德仁.論天地一體化的大測繪——地球空間信息學[J]. 測繪科學，2004.6.

[7]李德仁,沈欣.論智能化對地觀測系統(tǒng)[J].測繪科學，Vol30(4)，2005.8.

[8]李德仁.論空天地一體化對地觀測網絡[J].地球信息科學學報，2012.14(4).

[9]Guoqing Zhou Architecture of Future Intelligent Earth Observing Satellites (FIEOS) in 2010 and Beyond［J］.Technical Report2001.6.1–2001.11.31 Submitted to National Aeronautics and Space Administration

[10]Guoqing Zhou and Menas Kafatos. Future Intelligent Earth Observing Satellites ［J］. Pecora 15／Land Satellite Information IV／ISPRS Commission I／FIEOS 2002 Conference Proceeding .

[11]Guoqing Zhou, Oktay Baysal, Concept design of future intelligent Earth observing satellites. http://www.researchgate.net/ publication/259300566.

[12]王平.北斗全球導航系統(tǒng)新特點[C]. 中國宇航學會衛(wèi)星應用專業(yè)委員會2015導航專業(yè)學術交流會.

[13]贠敏，葛榜軍.北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)及應用[J].衛(wèi)星應用，2012(5).

[14]錢成，趙陸文，李廣俠.星基位置報告業(yè)務研究進展[C].中國通信學會衛(wèi)星通信委員會第六屆衛(wèi)星通信產業(yè)發(fā)展研討會.2015.6

[15]呂子平.應用導向、創(chuàng)新驅動、衛(wèi)星通信導航遙感應用進入融合發(fā)展階段[C].2014中國衛(wèi)星應用產業(yè)論壇.

[16]劉經南.GNSS連續(xù)運行參考站網的下一代發(fā)展方向——地基地球空間信息智能傳感網絡[J].武漢大學學報·信息科學版，Vol36(3)，2011.3.

[17]譚維熾，顧瑩琦.空間數據系統(tǒng)[M].中國科學技術出版社，2008.

●文|中國空間技術研究院國際業(yè)務部陳建軍張軼男
北京空間科技信息研究所鄭永杰