閔士權(quán)

（1 中國衛(wèi)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(shè)我國天基綜合信息網(wǎng)（Space-based Integrated Information Network）的設(shè)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(wǎng)提供了一定的理論基礎(chǔ)。目前，我國已初步建立和形成了衛(wèi)星通信、衛(wèi)星對地觀測、衛(wèi)星導(dǎo)航定位三大衛(wèi)星應(yīng)用系列，為建立我國天基綜合信息網(wǎng)提供了一定的技術(shù)基礎(chǔ)。我國構(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（簡稱數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星）系統(tǒng)，已實現(xiàn)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(fā)射和相關(guān)試驗，多次成功地通過數(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。我國臨近空間飛行器的研究和應(yīng)用已取得了初步成績。因此，我國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)是國家信息網(wǎng)和國防信息網(wǎng)的重要組成部分，在整個信息網(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)我國國家戰(zhàn)略發(fā)展和經(jīng)濟全球化發(fā)展的需要，適應(yīng)我國國防信息化建設(shè)和軍事保障能力的需要，我國衛(wèi)星應(yīng)用體系的發(fā)展目標應(yīng)是構(gòu)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(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)的概念和國外的研究情況，主要提出了我國天基綜合信息網(wǎng)的體系架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)特點、協(xié)議結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)，以及我國現(xiàn)階段可研究和建設(shè)的天基綜合信息網(wǎng)的設(shè)計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），國際上尚無明確的定義。通常的說法是［2-4］：天基綜合信息網(wǎng)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(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、傳輸、處理、融合和分發(fā)能力，具備高度的自主運行和管理能力。

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)：主要擔負信息的收集任務(wù)，包括偵察、預(yù)警、氣象、資源、地形測繪、空間目標監(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)：主要擔負信息傳輸、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及相應(yīng)的軟件和數(shù)據(jù)庫、專門的數(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)的各種移動或靜止載體提供導(dǎo)航、定位和授時服務(wù)。

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

（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)星的計算機系統(tǒng)構(gòu)成的天基管理中心共同組成，可分別獨立或聯(lián)合完成網(wǎng)絡(luò)星座的運行監(jiān)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(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個特征。

（1）各種信息系統(tǒng)綜合。衛(wèi)星固定通信、衛(wèi)星移動通信、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)星對地觀測、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型綜合。

（2）網(wǎng)絡(luò)化統(tǒng)攬全系統(tǒng)。將“煙囪式”分散或獨立的各種信息系統(tǒng)以“網(wǎng)絡(luò)化”方式綜合起來，實現(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 國外天基綜合信息網(wǎng)研發(fā)概況

國外從事天基綜合信息網(wǎng)研究和建設(shè)的主要有美國和歐洲，代表性項目是美國的“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（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（其中防護系列還有遠地點在北極地區(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，美國從2003年起實施了空間互聯(lián)網(wǎng)計劃，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（見圖1、圖2）。

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

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

圖3 美國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)點構(gòu)成星座，各衛(wèi)星之間用光學(xué)或無線電鏈路互聯(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)，主要為對地觀測衛(wèi)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(dǎo)航定位信息。

（4）對地觀測衛(wèi)星星座：擬選用“全球環(huán)境與安全監(jiān)測系統(tǒng)”（GMES）。當對地觀測衛(wèi)星飛行在其遙感站視區(qū)以外時，可通過GEO 衛(wèi)星將其獲取的遙感信息實時中繼到遙感站；還可通過GEO 衛(wèi)星把對地觀測衛(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（HAPS）系列：HAPS系列與NGSO星座通過星臺鏈路互通信息，接受NGSO衛(wèi)星服務(wù)；通過臺機鏈路向無人機（UAV）轉(zhuǎn)發(fā)NGSO衛(wèi)星信息，為UAV 服務(wù)；通過臺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；通過臺地鏈路直接向熱點地區(qū)提供專項通信服務(wù)；通過臺地鏈路直接向相關(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系列通過機臺鏈路互傳信息，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)；對地觀測衛(wèi)星地面網(wǎng)站；通信衛(wèi)星關(guān)口站等。

ISICOM 潛在的用戶群：個人用戶；集體用戶；專業(yè)用戶和中小型組織／企業(yè)用戶；公共機構(gòu)和大型企業(yè)用戶；電信運營商和業(yè)務(wù)提供商。

ISICOM 對各類用戶提供的業(yè)務(wù)：廣播服務(wù)、公眾信息服務(wù)、應(yīng)急服務(wù)、遠程醫(yī)療和遠程教育服務(wù)、互聯(lián)網(wǎng)接入、語音和數(shù)據(jù)服務(wù)、導(dǎo)航服務(wù)、固定和移動的寬帶服務(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)負責傳輸、處理和分發(fā)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(qū)的各種海、陸、空用戶終端的信息；負責傳輸、處理和分發(fā)來自地面的各種測控與數(shù)據(jù)傳輸管理網(wǎng)站的信息；還承擔天基綜合信息網(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)的航天器也稱為用戶航天器；各種對地觀測衛(wèi)星獲取相關(guān)觀測數(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，當其視區(qū)內(nèi)無地面站時，通過數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)；專用處理衛(wèi)星將對地觀測衛(wèi)星通過星間鏈路發(fā)來的原始數(shù)據(jù)進行處理，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，當其視區(qū)內(nèi)無地面站時，通過數(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數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星中轉(zhuǎn)與其地面站進行雙向通信和數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的飛行器也稱為用戶飛行器。作為對地觀測任務(wù)飛行器使用時，可將獲取的觀測數(shù)據(jù)直接向其地面用戶站發(fā)送，或者通過通信衛(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，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：它組成時空基準系統(tǒng)，為天基綜合信息網(wǎng)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(dǎo)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(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(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：它包括以對地觀測為主的航天器（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。在對地觀測任務(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。

（2）通信衛(wèi)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(lián)網(wǎng)使用的數(shù)據(jù)采集終端，根據(jù)不同的應(yīng)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(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)的各類機／彈／車／船載及手持衛(wèi)星接收機。

（4）各種測控與數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)站：包括通信衛(wèi)星用的測控通信與數(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控與數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)站。它們的任務(wù)是對在軌運行的飛行器實施測控、數(shù)據(jù)傳輸和管理。其基本功能相同：①直接或者通過通信衛(wèi)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(guān)地球站進行雙向數(shù)據(jù)傳輸。此外，還有導(dǎo)航衛(wèi)星星座的測控管理站，主要用于對它們管轄的衛(wèi)星進行測控和管理。

（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］：可通過接收空間、臨近空間各遙感飛行器直接發(fā)送和通過數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的原始數(shù)據(jù)，以及接收來自各用戶站傳送來的原始數(shù)據(jù)，并將這些原始數(shù)據(jù)進行處理、融合和解譯，生成各級各類產(chǎn)品、綜合信息和知識，通過地面網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)接脩艉蜎Q策部門；還可將處理和融合后的綜合信息和知識上行發(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。該中心還負責對相關(guān)衛(wèi)星和地面設(shè)備進行統(tǒng)一協(xié)調(diào)管理，包括飛行器的測控管理、業(yè)務(wù)管理、運行管理和用戶的服務(wù)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(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）進行測控指揮、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，負責整個網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)管理中心：負責天基綜合信息網(wǎng)全網(wǎng)的規(guī)劃、建設(shè)、運行、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

天基綜合信息網(wǎng)是一個規(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)定運行、快速重構(gòu)、具有可擴展性，能夠支持用戶和其他子網(wǎng)動態(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，相應(yīng)的通信時延較地面網(wǎng)絡(luò)明顯長得多，如GEO 與地面的傳輸時延約為250ms，對網(wǎng)絡(luò)控制和網(wǎng)絡(luò)傳輸效率帶來極大的挑戰(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。由于無線信號在長距離傳播中往往要穿過多個不同的區(qū)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(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，要針對無線通信鏈路的特點，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)拓撲結(jié)構(gòu)時變性：天基綜合信息網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點是各種飛行器，其空間位置不固定，網(wǎng)內(nèi)各節(jié)點之間的信息鏈路也不固定，因此網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是動態(tài)變化的。飛行器有兩類：一類是航天器，運行穩(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)測性；另一類是臨近空間飛行器，機動性較強，運動軌跡不穩(wěn)定，相互之間的通信鏈路會出現(xiàn)不可預(yù)測的中斷。因此，天基綜合信息網(wǎng)是一種移動性網(wǎng)絡(luò)，具有較大的拓撲結(jié)構(gòu)時變性。

（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)點是分布在不同軌道上高速運動的各種飛行器，而且執(zhí)行不同任務(wù)的飛行器運動速度也不盡相同，因此，網(wǎng)內(nèi)各節(jié)點之間的信息鏈路會頻繁地出現(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(wǎng)絡(luò)運行環(huán)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(wǎng)中，由于需要傳送信息的主體是各類對地觀測衛(wèi)星的觀測數(shù)據(jù)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(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(shù)據(jù)流，這就導(dǎo)致前向與返向通信鏈路的雙向不對稱性。

（7）網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)異構(gòu)性：天基綜合信息網(wǎng)由各類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)、體制和對外接口不會都相同，因此天基綜合信息網(wǎng)必然是一個異構(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)可擴展性：天基綜合信息網(wǎng)的建設(shè)是一個長期的發(fā)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(shù)，這就要求在天基綜合信息網(wǎng)設(shè)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(yīng)用需求，又能符合未來應(yīng)用的長期需求，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、毀壞和攻擊，因此在協(xié)議設(shè)計中必須進行相關(guān)的安全協(xié)議和安全解決方案設(shè)計。

4．2 天基綜合信息網(wǎng)協(xié)議結(jié)構(gòu)

針對上述天基綜合信息網(wǎng)的特點，目前在航天任務(wù)中研究和使用的協(xié)議主要包括兩類［8］：一是基于國際上空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會（CCSDS）的互聯(lián)網(wǎng)傳輸協(xié)議；二是基于地面IP 協(xié)議標準的空間IP協(xié)議。對于天基綜合信息網(wǎng)，普遍的設(shè)計思想是將地面互聯(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］?？臻g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可供組合的協(xié)議。空間通信協(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（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)，實現(xiàn)的碼速率中等，業(yè)務(wù)相對簡單；高級在軌系統(tǒng)（AOS）協(xié)議，適用于大型航天器和載人航天器，實現(xiàn)的碼速率范圍寬，業(yè)務(wù)種類多，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）是點對點的通信協(xié)議（有些資料將其簡寫為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、遙控、AOS的基礎(chǔ)上開發(fā)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(xié)議是一個跨層協(xié)議，包含物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，是CCSDS擴展業(yè)務(wù)的一個重要方面。

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，并針對空間任務(wù)的特定需求，對TCP／IP進行了修改和擴展，解決了傳統(tǒng)TCP 用于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)時產(chǎn)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(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，未來天基綜合信息網(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節(jié)點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、時延長、拓撲動態(tài)、節(jié)點間關(guān)系復(fù)雜及網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)種類繁多等特點，這些特點使天基綜合信息網(wǎng)的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計不同于地面網(wǎng)絡(luò)，要針對衛(wèi)星星座的特點及應(yīng)用需求，開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)計的研究，其重點是考慮面向衛(wèi)星節(jié)點的星座設(shè)計和星間鏈路設(shè)計。

（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，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)。為了保障這類業(yè)務(wù)在網(wǎng)絡(luò)中傳輸，要研發(fā)和設(shè)計具有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)點的持續(xù)運動使現(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)，須要建立專門針對天基綜合信息網(wǎng)的新的動態(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)這樣一個高度復(fù)雜、動態(tài)和異構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)能夠高效、可靠運行，必須對其進行有效的管理。該網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)管理模型，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)安全防護技術(shù)：天基綜合信息網(wǎng)是一個龐大的系統(tǒng)。系統(tǒng)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(tǒng)建設(shè)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(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，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(tǒng)的信息安全性，是星間傳輸鏈路的發(fā)展方向。低耗功、長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、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)是自主地實施信息接收、存儲、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)、移動無線接入、星上處理資源受限和網(wǎng)絡(luò)拓撲動態(tài)等特點，使得地面成熟的IP／MPLS技術(shù)和多用戶接入技術(shù)無法有效應(yīng)用于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。此外，天基綜合信息網(wǎng)星地鏈路的時延大，誤碼率比地面高，數(shù)據(jù)傳輸有實時性要求，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)點的關(guān)鍵技術(shù)。

6 我國天基綜合信息網(wǎng)的設(shè)計思想

我國天基綜合信息網(wǎng)的設(shè)計思想如下。

（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(guān)地面設(shè)施，通過星間鏈路、星地鏈路和地面線路互聯(lián)互通，組成一個空天地一體化的全球綜合信息網(wǎng)絡(luò)。

（2）在國外不設(shè)地球站的情況下實現(xiàn)：國內(nèi)測控站測控我國全球運行的衛(wèi)星；國內(nèi)遙感站實時接收我國全球遙感衛(wèi)星發(fā)送的信息；國內(nèi)關(guān)口站管理我國授權(quán)的全球用戶終端之間的互通信息。

根據(jù)上述設(shè)計思想，我國天基綜合信息網(wǎng)的設(shè)計準則可概括為實現(xiàn)“四化”，即實現(xiàn)全球化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化和標準化。

（1）全球化：即服務(wù)區(qū)實現(xiàn)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(wǎng)絡(luò)化：各飛行器和地球站主要依靠星間鏈路、國內(nèi)星地鏈路和地面線路組成天基綜合信息網(wǎng)絡(luò)。通過網(wǎng)絡(luò)化，實現(xiàn)相關(guān)系統(tǒng)的資源共享，充分發(fā)揮航天應(yīng)用效益，促進航天資源整合優(yōu)化。也只有網(wǎng)絡(luò)化，才能實現(xiàn)第2個設(shè)計思想。

（3）智能化：為應(yīng)對龐大和復(fù)雜的天基網(wǎng)絡(luò)，全網(wǎng)必須具備高度的自主運行和管理能力。網(wǎng)絡(luò)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(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于地面設(shè)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(guān)設(shè)備自動執(zhí)行。

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

7 我國天基綜合信息網(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立體交叉、優(yōu)勢互補的多層星座網(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，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(wǎng)衛(wèi)星對接入網(wǎng)衛(wèi)星實施動態(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；作為實現(xiàn)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(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。因為初期的天基綜合信息網(wǎng)業(yè)務(wù)需求量不大，又屬于試驗性質(zhì)，不宜太復(fù)雜，所以GEO／MEO／LEO 暫不考慮。MEO是中軌道高度，既沒有GEO 對地靜止的優(yōu)點，又沒有LEO因距地面近而傳輸損耗小的明顯優(yōu)點，因此，至今世界上還沒有一個MEO 通信衛(wèi)星星座被應(yīng)用，而有多個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 星座類型選擇：LEO 星座拓撲結(jié)構(gòu)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(yīng)用案例有“銥”移動通信衛(wèi)星星座，后者的有“全球星”移動通信衛(wèi)星星座。本方案暫不確定使用哪個方案。

（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)實性出發(fā)，我國的衛(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)在我國自主控制的區(qū)域內(nèi)。因此，只有通過衛(wèi)星中繼網(wǎng)方案，才能解決依托我國自主控制區(qū)域內(nèi)的少數(shù)關(guān)口站實現(xiàn)全球通信的問題；同樣，在國外不設(shè)測控站、只依靠國內(nèi)測控站的情況下，也只有通過衛(wèi)星中繼網(wǎng)的星間鏈路，才能實現(xiàn)視距以外GEO 衛(wèi)星的測控。由此可見，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 類星間鏈路（圖9中未畫）：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 星座拓撲結(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(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，對全球特定地區(qū)和熱點地區(qū)的用戶站提供動態(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)航定位接收機廣播“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航增強系統(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)，通過星間鏈路對作為全球覆蓋空間層接入網(wǎng)的LEO 通信衛(wèi)星星座實施管理。

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圖10。需要說明的是，在圖10（a）中，同時覆蓋的點波束數(shù)量不多，如最多可能為20 個（具體多少視需要和設(shè)計時再確定）。這些波束指向可變，主要用于覆蓋特定地區(qū)和熱點地區(qū)。

依據(jù)我國國土分布情況，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（見圖11）。其中：51．5°E軌道位置衛(wèi)星可用我國西部地區(qū)測控站進行測控與管理；163．5°E 軌道位置衛(wèi)星可用我國東部地區(qū)測控站進行測控與管理。另外，80°W 軌道位置衛(wèi)星已超出國土內(nèi)測控站的視區(qū)，在國外不設(shè)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(qū)測控站，通過該站與51．5°E衛(wèi)星的星地鏈路以及51．5°E 衛(wèi)星與80°W 衛(wèi)星的星間鏈路來測控與管理；②利用東部地區(qū)測控站，通過該站與163．5°E衛(wèi)星的星地鏈路以及163．5°E 衛(wèi)星與80°W 衛(wèi)星的星間鏈路來測控與管理。在國外不設(shè)通信饋電站的情況下，80°W 軌道位置衛(wèi)星的饋電鏈路信號傳輸路徑類似于測控信號傳輸路徑。

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)探測與技術(shù)試驗衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星、地球資源衛(wèi)星、海洋觀測與監(jiān)視衛(wèi)星、環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測衛(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：一類是不需要數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的；另一類是需要數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的，稱為數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星的用戶航天器。

一般來說，凡是軌道位置在國內(nèi)地球站視距以外的GEO 航天器，其測控和數(shù)據(jù)傳輸都可由國內(nèi)地球站通過數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星中轉(zhuǎn)實施；同樣，凡是在國內(nèi)地球站視距以外有數(shù)據(jù)實時傳輸要求的NGEO航天器，其數(shù)據(jù)實時傳輸都可通過數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星中轉(zhuǎn)到國內(nèi)地球站實施；此外，凡是在國內(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)急處理都可由國內(nèi)地球站通過數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星中轉(zhuǎn)實施。也就是說，以上三大類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行測控和數(shù)據(jù)傳輸時，可以依靠數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星進行測控和數(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和臨近空間運輸平臺；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(zāi)和軍事應(yīng)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(yīng)等方面具有重要的軍事應(yīng)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(lián)合作戰(zhàn)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(yù)警平臺、電子偵察與干擾平臺、區(qū)域?qū)Ш狡脚_、武器作戰(zhàn)平臺、裝備兵力投送平臺、衛(wèi)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(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的星座?！氨倍贰毙l(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國自主建設(shè)、獨立運行、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年啟動試驗系統(tǒng)建設(shè)，已于2012年12月正式提供區(qū)域服務(wù)，計劃到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、授時服務(wù)。“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)除了通過星地鏈路為本系統(tǒng)的地面層（海、陸、空）多種用戶機提供服務(wù)外，根據(jù)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(wù)，此外，還可通過星彈鏈路為各種導(dǎo)彈提供定位、授時服務(wù)。

“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的星座（見圖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，提供開放和授權(quán)兩種服務(wù)方式。開放服務(wù)是在服務(wù)區(qū)免費提供定位、測速和授時服務(wù)；授權(quán)服務(wù)是向授權(quán)用戶提供更安全的定位、測速、授時和通信服務(wù)，以及系統(tǒng)完好性信息，其中，通信服務(wù)每次可提供120個漢字的短報文服務(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

本文依據(jù)國情，提出了建設(shè)我國天基綜合信息網(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，可實現(xiàn)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(wǎng)絡(luò)。將相關(guān)的衛(wèi)星通信系統(tǒng)、衛(wèi)星對地觀測系統(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(wǎng)，這是航天應(yīng)用技術(shù)發(fā)展的必然和創(chuàng)新，將是我國航天技術(shù)發(fā)展的又一個里程碑。

我國的理論研究和技術(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)國家戰(zhàn)略發(fā)展、經(jīng)濟建設(shè)、國防建設(shè)和軍事保障能力的實際需求，結(jié)合航天技術(shù)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(shè)的應(yīng)用效益，應(yīng)盡快開展我國天基綜合信息網(wǎng)的研究和建設(shè)工作，建議國家相關(guān)部門組織人員開展我國天基綜合信息網(wǎng)的可行性研究。

（References）

［1］王家勝．中國數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)及其應(yīng)用拓展［J］．航天器工程，2013，22（1）：1-6

Wang Jiasheng．China’s data relay satellite system and its application prospect［J］．Spacecraft Engineering，2013，22（1）：1-6（in Chinese）

［2］閔士權(quán)．天基綜合信息網(wǎng)初探［C］／／中國通信學(xué)會第九屆衛(wèi)星通信學(xué)術(shù)年會論文集．北京：中國通信學(xué)會，2013：20-29

Min Shiquan．Preliminary study for space-based integrated information network［C］／／Proceedings of the 9th Satellite Communications Conference of China Institute of Communications．Beijing：China Institute of Communications，2013：20-29（in Chinese）

［3］劉品雄，葛之江，張連臺．天地一體化遙感信息應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)體系的發(fā)展［J］．航天返回與遙感，2001，22（1）：63-66

Liu Pinxiong，Ge Zhijiang，Zhang Liantai．Development of space-Earth integration network for remote sensing［J］．Spacecraft Recovery ＆Remote Sensing，2001，22（1）：63-66（in Chinese）

［4］沈自成．天基測控網(wǎng)與天基綜合信息網(wǎng)相關(guān)技術(shù)述評［J］．電訊技術(shù)，2002，42（1）：117-123

Shen Zicheng．Review of related techniques of spacebased TT＆C network and space-based information network［J］．Telecommunication Engineering，2002，42（1）：117-123（in Chinese）

［5］Tarleton R，Shively S，Armstrong B，et al．Transformational communications architecture for the Department of Defense，Intelligence Community and NASA，AIAA-2006-5424［R］．Washington D．C．：AIAA，2006

［6］ISI．ISICOM overview document-draft version 1［R／OL］．（2009-04-10）［2012-01-28］．http：／／www．isi-initiative．org／

［7］王明遠，郭建恩，于蘭紳，等．空間對地觀測技術(shù)導(dǎo)論［M］．北京：軍事誼文出版社，2002

Wang Mingyuan，Guo Jianen，Yu Lanshen，et al．Instruction of Earth observations technology from space［M］．Beijing：Military Publishing House of Friendship and Literature，2002（in Chinese）

［8］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）：19-30

Shen Rongjun．Some thoughts of Chinese integrated space-ground network system［J］．Engineering Science，2006，8（10）：19-30（in Chinese）

［9］譚維熾，顧瑩琦．空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)［M］．北京：中國科學(xué)技術(shù)出版社，2004

Tan Weichi，Gu Yingqi．Space data system［M］．Beijing：China Science and Technology Press，2004（in Chinese）

［10］張軍．天基移動通信網(wǎng)絡(luò)［M］．北京：國防工業(yè)出版業(yè)，2011

Zhang Jun．Space-based mobile communications network［M］．Beijing：National Defense Industry Press，2011（in Chinese）

［11］楊海明．空天信息網(wǎng)絡(luò)自主管理技術(shù)的研究［D］．沈陽：沈陽理工大學(xué)，2008

Yang Haiming．Analysis on autonomic management technology for space-air integrated information network［D］．Shenyang：Shenyang Ligong University，2008

［12］姜月秋，馮永新，劉治國，等．基于衛(wèi)星綜合信息網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)管理模型［J］．東北大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2003，24（1）：15-18

Jiang Yueqiu，F(xiàn)eng Yongxin，Liu Zhiguo，et al．The model of network management for satellite information network［J］．Journal of Northeastern University（Natural Science），2003，24（1）：15-18（in Chinese）

［13］王瑩，胡修林，胡偉圣，等．基于GEO／LEO 衛(wèi)星通信網(wǎng)的路由策略研究［J］．計算機工程與應(yīng)用，2007，43（34）：153-155

Wang Ying，Hu Xiulin，Hu Weisheng，et al．Research on routing strategies of satellite communication networks based on GEO／LEO constellations［J］．Computer Engineering and Applications，2007，43（34）：153-155 （in Chinese）

［14］楊力，楊校春，潘成勝．一種GEO／LEO 雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由算法及仿真研究［J］．宇航學(xué)報，2012，33（10）：1445-1452

Yang Li，Yang Xiaochun，Pan Chengsheng．A GEO／LEO double-layered satellite network routing algorithm and its simulation［J］．Journal of Astronautics，2012，33（10）：1445-1452（in Chinese）

［15］何俊，易先清．基于GEO／LEO 兩層星座的衛(wèi)星組網(wǎng)結(jié)構(gòu)分析［J］．火力與指揮控制，2009，34（3）：47-54

He Jun，Yi Xianqing．Analysis of satellite network architecture based on GEO／LEO constellation［J］．Fire Control ＆Command Control，2009，34（3）：47-54（in Chinese）

［16］龍飛．衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)魯棒QoS路由技術(shù)研究［M］．北京：國防工業(yè)出版業(yè)，2010

Long Fei．Robust QoS routing technology analysis for satellite network ［M］．Beijing：National Defense Industry Press，2010（in Chinese）

［17］石東海．基于NEMO 的軍事衛(wèi)星星座通信網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)研究［D］．長沙：國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2006

Shi Donghai．Architecture and key technology analysis for military satellite constellation communication network based on NEMO［D］．Changsha：National University of Defense Technology，2006（in Chinese）

［18］汪宏武，侯慶國．變革中的衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)［C］／／第十屆中國衛(wèi)星通信廣播電視技術(shù)國際研討會會刊．北京：中國衛(wèi)星通信廣播電視用戶協(xié)會，2013：63-69

Wang Hongwu，Hou Qingguo．Satellite mobile communication system in revolution［C］／／Proceedings of the 10th China Satellite Communication，Broadcast and Television Technology Conference． Beijing：China Users Association for Satellite Communication，Broadcast ＆Television，2013：63-69（in Chinese）