对中国建设天空地一体化信息网络的几点认识

D:\MAG\2016-08-129/VOL22\F8.VFT——7PPS/P顾学迈/GUXuemai1赵康/ZHAOKanglian2贾敏/JIAMin1张乃通/ZHANGNaitong1（1.哈尔滨工业大学，黑龙江哈尔滨150080；2.南京大学，江苏南京210093）（1.HarbinInstituteofTechnology,Harbin150080,China;2.NanjingUniversity,Nanjing210093,China）收稿时间：2016-05-12网络出版时间：2016-06-30基金项目：中国工程院重大咨询研究项目（2016-ZD-07）DOI：10.3969/j.issn.1009-6868.2016.04.001网络出版地址：对中国建设天对中国建设天、、空空、、地一体化信息网络地一体化信息网络的几点认识的几点认识ConstructionofSpace/Sky/TerrestrialIntegratedInformationConstructionofSpace/Sky/TerrestrialIntegratedInformationNetworkinChinaNetworkinChina认为陆地信息系统已无法满足信息化社会及国防信息化广域覆盖与多类信息融合共享的需求，建立空间信息基础设施是未来信息网络的发展需求。针对中国建设天、空、地一体化信息网络的原因、网络架构、技术难点、演示验证等，提出了中国建立天、空、地一体化信息网络探索性的认识，以及对其实施过程中于陆地信息设施不同的技术难点的看法。天、空、地一体化；信息网络；天基宽带互联网Theterrestrialinformationsystemisunabletofullymeettherequirementforwidecoverageandmulti-classinformationfusionofinformation-basedsocietyandnationaldefense，andtheestablishmentofspaceinformationinfrastructureisthedevelopmentneedsofthefutureinformationnetwork.Inthispaper,aimingatthereasons,networkarchitecture,technicaldifficultiesanddemonstrationoftheconstructionofspace/sky/terrestrialintegratedinformationnetworkinChina,weproposesomeconsiderationsabouttheconstructionofnetworkandsomeviewsabouttechnicaldifficultieswhicharedifferentfromlandinformationfacilities.space/sky/terrestrialintegration;informationnetwork;space-basedbroadbandinternet中图分类号：TN929.5文献标志码：A文章编号：1009-6868(2016)04-0002-007摘要：关键词：Abstract:Keywords:专题顾学迈等对中国建设天、空、地一体化信息网络的几点认识ZTETECHNOLOGYJOURNAL中兴通讯技术022016年8月第22卷第4期Aug.2016Vol.22No.4第三次工业革命使人类进入信息时代，信息已成为当前社会经济发展的核心驱动力。传统的陆地信息设施与传输体制已满足不了纷繁复杂的信息需求，必须利用空间高度传输处理信息的优势。空间信息传输相比于陆地信息传输，在覆盖面积、接入速度、效率、实时性、精度等方面都具有明显的优势，我们必须充分利用空间信息传输的这些优势，建设天、空、地一体化的信息网络，满足日益纷杂的信息需求[1-5]。1空间信息传输的基本概念1.1空间的定义空间按离地球高度可分为两类：•离地球表面3.6×104km的静止轨道（GEO）卫星，又称卫星、太空、外层空间、天基，我们简称为“天基”。•离与月球以远的太阳系行星空间，即离地球大于约3.84×105km，最远到海王星（曾定为到冥王星）的空间，称为深空。1.2空间信息传输条件（1）传输性能由于空间通信系统具有传输距离长、多普勒频移大、信道衰落大等特点，空间信息传输的传输损耗、时延、误码率、传输速率等性能与传输距离密切相关[6]。空间信息传输的链路性能与误码率性能分别如表1和表2所示。由表1和表2可知，随着通信端与地球距离的增大，其传输损耗与传输时延显著增大，下行链路速率与误码率也显著增大。由此可见，空间通信的技术难度是发展空间信息传输的主要挑战。（2）传输环境空间信息传输的传输环境，大体可分为以下几个部分：•火星以近，经大气层一站到达；•火星以远，经大气层→被测星1D:\MAG\2016-08-129/VOL22\F8.VFT——7PPS/P专题顾学迈等ZTETECHNOLOGYJOURNAL对中国建设天、空、地一体化信息网络的几点认识032016年8月第22卷第4期Aug.2016Vol.22No.4中兴通讯技术行程空间→被测星、复杂时空环境、复杂空间环境（空间粒子、温度场、电磁场、重力场、真空等）。由此可见，天基、深空都属于空间范畴，但它们的性能差别还是很大的；月球、火星是属于深空范畴，但不能代表整个深空。因此，我们认为当前天基、深空应先分别研究，而月球、火星作为天基系统的延伸研究，探索合为一体研究的可行性[7]。1.3业务（任务）种类对于天、空、地一体化的信息网络的业务种类，多种行业提出了多类业务需求，可大概概括为两类：（1）以整个地球为视点，对陆地、海洋、大气层与生物间的相互作用进行系统综合观察，观测、认识地球，与地球和谐共处；对远程、空中、海洋等目标监测、探测、测绘、监视。这些信息的获取是要通过应用卫星系统的感知（我们统称为对地观测应用卫星系统）。（2）应急增强，快速响应。这些信息的获取可用入网灵活，可多次使用的飞机、飞艇等组成的高空平台及由微小卫星组网完成。1.4对空间信息设施的技术要求为解决陆地信息传输的瓶颈，建立空间信息传输系统势在必行，其设施的技术要求主要有3点：广域覆盖，信息共享，适应多种行业、多类业务的需求。2在轨应用卫星（航天器）简况2.1在轨卫星数及其分布截至2015年，全球在轨应用卫星数及其分布情况如下：（1）当前在轨卫星1311颗，通信、导航与对地观测合计占87%。（2）军、民、商卫星的比例分配为29%、26%、45%；通信卫星中商业卫星占74%，占在轨卫星的40%。（3）呈现“一超多强”格局，美、俄、欧、中居前列（“十二五”期间在轨卫星数为：美国445颗，俄罗斯146颗，欧洲131颗，中国129颗，日本47颗，印度23颗，其他国家或地区123颗）。2.2在轨应用卫星系统存在的问题虽然近几十年来卫星通信技术得到了长足的发展，在轨卫星数呈逐年增多的趋势，但对于建设天、空、地一体化的信息网络仍然存在很多亟待解决的问题，主要表现为以下几个方面：（1）为了满足获取信息的准确度，基本采用低轨制来“量身定制”开发，能够实现独立使用，标准化程度低，彼此相互独立，并呈现出“烟囱林立”的景象。（2）不具备中继传输链路，只能在过顶时才能获取信息，不能满足广域覆盖需求。（3）信息遵循先落地后共享的模式，获取的共享信息有时延，很难实行在全球建立地面站，获取共享信息受限。3天基信息网络天基宽带互联网的发展思路，如图1所示。为满足广阔的覆盖范围，▼表1空间信息传输的链路特性GEO月球→地球火星→地球海王星→地球距离/106km0.0360.36~0.4159.6~401.34304.9~4694.1传输损耗/dB183.5（GEO轨道→地球）20.7~21.0364.4~80.9101.6~102.3时延256ms1.21~3.5s3.3~22.3min239.2~260.8minGEO：静止轨道▼表2空间信息传输的上下行链路速率比与误码率GEO：静止轨道上下行链路速率比误码率天基通信1∶10010-4~10-6深空通信1∶100010-4陆地互连网1∶1不大于10-4GEO：静止轨道LEO：低轨道MEO：中轨道▲图1天基宽带互联网发展思路▶精度和用途受限▶应用卫星系统很多，而GEO资源有限▶提高应用卫星系统的轨道高度→利用静止轨道▶利用多颗高/中/低轨卫星节点构成单层星座或低/中轨双层星座，作为接入层▶增加管理层，可通过添加空间设施模拟天基虚拟任务中心，作为整个天基部分的信息处理分发中心天基宽带互联网对扩展覆盖有好处无法满足所有应用卫星系统和地面特殊用户同时接入需具备一定的信息处理分发能力，能够协同多系统卫星节点间的异构互联、规划星间传输路由GEO/MEO/LEO（接入/管理）GEO（骨干传输）应用系统1应用系统n……地面特殊用户i……2D:\MAG\2016-08-129/VOL22\F8.VFT——7PPS/P中兴通讯技术042016年8月第22卷第4期Aug.2016Vol.22No.4提高应用卫星系统的轨道高度，我们需要在骨干传输层主要利用GEO。由于GEO卫星资源受限，无法满足所有应用卫星系统和地面特殊用户的同时接入，使对地探测、侦察、监视精度大大下降，我们就需要在骨干传输层下方，利用多颗高/中/低轨卫星节点构成单层星座或低/中轨双层星座，作为接入层。另外，我们还需要增加管理层，通过添加空间设施模拟天基虚拟任务中心，作为整个天基部分的信息处理分发中心。3.1解决问题的途径应用卫星系统由于基本上采用低轨（特别是遥感卫星与侦查卫星）及量身定制而使空间信息不能满足技术要求，我们若采用GEO/同步轨道（GSO）卫星为应用卫星系统星座，仍不能满足探测、测试精度要求；同时GEO轨道资源有限，满足不了多种用户、多类业务的需求。为此，既考虑利用空间静止轨道资源，又保有应用卫星系统的现有功能，我们可以采用：以中继卫星在GEO/GSO组网形成骨干层；骨干层辅以非同步轨道的中轨道（MEO）/低轨道（LEO）星座共同组成接入层、管理层，这两层联合构成天基互联网，如图2所示。（1）骨干层的功能•空间信息网的核心，需具备全球覆盖、结构稳定、宽带承载、接入便捷，以及支持多类型业务和异构网互联等能力。•骨干层中继卫星通过星间链路与星地链路、通过网关和地面互联网互联，形成天地一体的传输网。（2）接入、管理层的功能•接入层的功能为：GEO/GSO及非GEO的MEO/LEO均可独立或联合地构成接入管理层星座，可将其看成是一个数传网。其任务是管理部分确定的网络拓扑结构，建立用于业务数据传输的网络物理链路，完成高实时业务数据端到端的快速运输，以及非实时业务数据的处理、产品生成，并提供产品信息的共享服务、分布式运行。•管理的功能为：解决网络（拓扑）管理、网络物理链路建立和网络数据传输的问题。骨干层与接入、管理层共同组成天基宽带互联网。可见，天基感知层获取的信息有两条传输通道：对于满足广域覆盖与信息共享要求的信息，可以经过一条从感知层经过天基互联网到地面的通道；另一条是应用卫星感知到的，专用信息直接到地的通道（即保留了原应用卫星系统的功能）。3.2天、空、地一体化信息网络架构一体化的天、空、地信息网络，基本组成如下：（1）以天基宽带互联网为核心，应用卫星系统（天基感知系统）为源端，组成天基信息网络。为满足未来空间应用体系的相关要求，应用卫星系统应梳理成若干性质的“应用子网”，实现可以用网、全面用网、高效用网的目标。（2）应急增强、快速响应由微小卫星分布组网及高空平台实现，与应用卫星系统共同组成天基感知网。（3）从空间地理角度看，海上平台是地基部分，但从信息传输角度看，