◎中國航天系統科學與工程研究院 余杰 范承

當前，世界網絡空間安全競爭日益激烈，網絡空間已成為各國謀求發(fā)展的新賽場、維護國家安全的新領域?？臻g信息網絡是將人類活動拓展至空間、遠海乃至深空的以支持未來全空間軍事與民用使命為目的的大型網絡信息基礎設施和戰(zhàn)略性基礎設施，將在氣象、海洋、測繪、地球資源探測、空間科學研究、國計民生、產業(yè)帶動、國防安全等諸多領域中發(fā)揮關鍵作用，已成為當今全球科技和產業(yè)發(fā)展的熱點。美國、歐洲等航天大國均較早布局，并對相應的技術研究和實際應用投入巨大，希望搶占發(fā)展先機，全方位掌握空間信息網絡建設主動權。

一、制定發(fā)展計劃，搶占戰(zhàn)略制高點

（一）美國NASA-JPL——“星際互聯網”（IPN）計劃

1998年，N A S A噴氣推進實驗室J PL實驗室啟動的“星際互聯網”（IPN）計劃，根據深空探索的需求提出來的網絡概念，研究地球以外使用互聯網實現端到端通信的方案，通過深空行星網絡、過渡軌道器網絡、地球網絡等之間的互連，旨在為深空任務提供數據傳遞通信服務及探測器和深空軌道器的導航服務。2000年，JPL開展“下一代空間互聯網”（NGSI）的項目研究，下設4個工作組，分別研究動態(tài)利用空間鏈路、多協議標簽交換協議、移動IP和安全問題。

（二）美國NASA-SCaN——“集成空間通信架構”計劃

2006年，NASA空間通信和導航中心（SCaN）提出 “集成空間通信架構”計劃，希望將已存在現有近地、空間、深空等三個網絡整合成一個完整網絡，建立詳細、完整的高水平空間通信和導航系統網絡架構，采用統一的測控服務、業(yè)務計劃、業(yè)務調度、服務責任和報告、網絡調度、網絡監(jiān)測、網絡資源管理，形成一個統一的有機整體。

（三）美國DoD——“轉型衛(wèi)星通信系統”（TSAT）計劃

2004年，美國國防部提出“轉型衛(wèi)星通信系統”（TSAT）計劃，計劃采用“天網地網”的架構，在太空建立類似地面的Internet網絡，打造可以連接現有多個系統的空間骨干網絡，其中天基網絡由5顆部署IPv6、星載路由等互聯網技術的同步軌道衛(wèi)星通過星間鏈路構成，地面接入美軍的全球信息柵格（GIG），把太空、空中、陸地、海洋的網絡整合為一體化，為地面用戶、空中及太空武器平臺的信息傳輸提供太空路由，從根本上改善美軍的通信能力。

（四）歐洲ISI——“一體化衛(wèi)星通信系統”（ISICOM）計劃

2007年底至2008年初，歐洲衛(wèi)星通信領域發(fā)起成立的ISI（Integral Satcom Initiative）技術聯盟組織提出先進的歐洲衛(wèi)星通信系統構想。 ISICOM計劃設計成為一個基于IP，結合微波和光鏈路，把地面部門和空中部分一起構成一個完備整體的大容量空間通信網絡，該網絡將由下一代先進的衛(wèi)星平臺構成，這些衛(wèi)星具有非常高速率的通信連接包括星間鏈路，提供必要的全球覆蓋和天地連接。

二、研究關鍵技術，探索應用發(fā)展模式

（一）空間網絡結構方面

空間信息網絡具有規(guī)模龐大、結構復雜、網絡伸縮性強，用戶動態(tài)接入，網絡拓撲結構不斷變化等特點，設計一個科學、合理的網絡體系結構十分重要。從衛(wèi)星網絡的發(fā)展現狀來看，目前國外衛(wèi)星網絡主要存在兩種網絡結構形態(tài)：星間自組對等網絡和星間“骨干—接入”網絡。

星間自組對等網絡。系統中的每個衛(wèi)星節(jié)點與臨近衛(wèi)星節(jié)點均存在同樣條數的星間鏈路，每個衛(wèi)星節(jié)點均具有接入、處理、路由、分發(fā)功能，每個衛(wèi)星節(jié)點的功能相同，網絡結構對稱，系統具有自洽性。典型的系統有美國的低軌道“銥”（Iridium）衛(wèi)星通信系統和靜止軌道的軍事星（Milstar）通信系統等，這種網絡特點是采用星間組網的方式構成獨立網絡，整個系統可以不依賴地面網絡獨立運行，通過星間鏈路可實現不同衛(wèi)星覆蓋區(qū)各個用戶端之間通信。每顆星都有一個星上處理能力的網絡交換器或者路由器，且存在星間鏈路，如圖1所示。

星間“骨干—接入”網絡。分別布設雙層網絡組成，天基骨干網絡由布設在地球同步軌道（GEO）衛(wèi)星作為若干骨干節(jié)點聯網而成，骨干節(jié)點具備寬帶接入、數據中繼、路由交換、信息存儲、處理融合等功能；天基接入網有布設在高軌或低軌的若干接入節(jié)點所組成，滿足陸?？仗斓榷鄬哟魏Ａ坑脩舻慕尤敕招枨?，形成覆蓋全球（包括兩極地區(qū)）、隨遇接入、按需服務的接入網絡。典型的系統有美軍轉型通信衛(wèi)星TSAT系統，由5顆GEO衛(wèi)星組成，星間通過激光鏈路組成10Gbps的骨干網絡，與其它目標或子網通過電路交換或分組交換的方式接入，屬于典型的主干—接入網絡，如圖2所示。

圖1 “銥”星網絡結構

（二）空間激光通信方面

空間激光通信技術以其高速率、小體積、輕質量以及高安全性收到國外主要航天國家的高度關注。國外近幾年美、歐、日等在面臨傳輸巨量數據需求的情況下，開展了大量空間激光通信試驗，加速空間激光通信技術的研發(fā)與驗證，預計2020年前后得到廣泛的軍事應用，有效彌補傳統微波通信技術在傳輸速率、抗干擾方面能力的不足，為未來空間海量數據的傳輸尋求解決方案。

圖2 TSAT系統網絡結構

美國已經開展了一系列項目對激光通信技術進行試驗。NASA近年來開展了“月球激光通信演示驗證”、“激光通信科學光學載荷”、“激光通信中繼驗證”、“深空光通信系統”、“美國光通信和傳感演示”等一系列項目，對激光通信技術進行試驗，并取得了大量成果。2017年11月，NASA成功發(fā)射兩個創(chuàng)新型1.5U立方體衛(wèi)星，驗證未來小型衛(wèi)星的數據高速光傳輸與小衛(wèi)星間的近距離操作能力，在微小衛(wèi)星上搭載激光通信終端實現衛(wèi)星間及衛(wèi)星對地的激光通信。2018年3月，美國BridgeSat公司宣布正式啟用其建設的全球首個自由空間光通信網絡運營中心，旨在為低地球軌道（LEO）衛(wèi)星、地球同步軌道（GEO）衛(wèi)星以及高空無人機（UAV）提供基于激光的下行鏈路和地面網絡解決方案，比傳統的射頻解決方案速度更快、成本更低。

歐洲激光通信技術正穩(wěn)步推進。2016年1月，歐洲發(fā)射了首顆EDRS-A衛(wèi)星（GEO），ESA對外公布了第一張使用歐洲數據中繼系統先進激光技術轉發(fā)的哨兵1號衛(wèi)星圖像，哨兵1A衛(wèi)星（LEO，飛行速度28000km/小時）通過激光以600Mbps速率向EDRS-A高軌衛(wèi)星傳送了圖像。

日本“光數據中繼衛(wèi)星”邁向新臺階。2014年5月，日本LEO激光通信終端 SOTA搭載先進空間光通信技術衛(wèi)星（SOCRATES）發(fā)射入軌，并在8月至11月間成功開展了低軌衛(wèi)星對地激光通信試驗。2015年1月，日本公布了新版國家航天開發(fā)基本計劃，把“激光數據中繼衛(wèi)星”正式列入其中，計劃于2019年發(fā)射“激光數據中繼衛(wèi)星”（GEO），將當前數據中繼系統的微波鏈路替換為激光鏈路，預計通信速率2.5Gbps，通信波長1064nm，采用DPSK相干調制解調，其LEO終端重量35kg，光學孔徑100mm，GEO終端重量50kg，光學孔徑200mm，平均功耗100W。

（三）空間網絡協議方面

空間信息網絡是一種適應多種平臺、多種速率、多種協議的復雜網絡系統，其協議體系也必須具有支持異構網絡互聯、數據匯聚分發(fā)能力。網絡協議必須適應其特殊性。目前國外主流的空間網絡協議包括CCSDS協議、DTN協議、TCP/IP協議等三類。

CCSDS協議體系。1982年1月，由全球主要航天組織機構聯合成立空間數據系統咨詢委員會（CCSDS），一直致力于研究天地各通信網絡協議的統一與推廣，負責開發(fā)適合航天測控和數據傳輸系統的各種通信協議和數據處理規(guī)范，以適應航天器復雜化。其制定的協議標準有很多已成為國際標準化組織（ISO）的正式標準，被廣泛應用于國際空間項目中。

DTN協議體系。2003年，美國噴氣推進實驗室提出時延零容忍網絡（DTN），之后英特網研究任務組（IRTF）在星際網絡研究組（IPNRG）的基礎上組建了延遲/中斷容忍網絡研究組（DTNRG）對DTN進行了研究，與2007年提出了DTN體系結構和包裹協議（BP）。2008年以來，NASA啟動了太空DTN發(fā)展計劃，進行了一系列的DTN飛行驗證試驗，測試DTN技術在空間網絡中的性能，并促進DTN技術在空間網絡中發(fā)展。

TCP/IP協議體系?？臻g互聯網TCP/IP協議涉及的最基本最重要的目標就是充分利用現存網絡實現“網際互聯”。2000年，美國NASA-JPL實驗室在下一代空間互聯網（NGSI）的項目研究中，考慮到保護已有的投資及國際聯網，對現有的多協議標簽交換協議、移動IP進行了適合空間任務的擴展，提出了一套基于CCSDS的空間互聯網有關建議。2002年，美國NASA-GSFC開展了（0perating Mission as Nodes on the Internet，OMNI）的研究項目，OMNI利用IP網絡、中繼衛(wèi)星（TDRSS）開展了地面試驗，并在航天飛機上進行了飛機搭載試驗，以驗證將Internet通信技術用于空間通信的可行性，將商用Internet延伸到航天器，實現地面最終用戶到航天器的全IP連接。

（四）空間網絡安全方面

由于空間信息網中空、天節(jié)點的暴露性及無線通信方式使通信信號易受到敵方的攻擊和摧毀，空間信息網絡安全的重要性不言而喻，已經逐漸引起國外各國的關注。

隨著重大軍事任務對航天系統的依賴越來越強，美國高層意識到對衛(wèi)星的主要威脅不是某種直接的動能攻擊，而是對衛(wèi)星信號和鏈路進行干擾或網絡攻擊，阻礙地面用戶訪問軌道資產。目前，美國空軍太空和導彈系統中心與專注于航天系統網絡安全的“創(chuàng)新飛行”公司（Innof light）簽約，為了測試商業(yè)衛(wèi)星上搭載的有效載荷的安全性。

同時，近期美國空軍研究實驗室、空軍學院等部門相繼披露物理層技術在衛(wèi)星通信和組網領域的最新研究進展。物理層安全技術具有實現復雜度低、保密性強且能夠兼容現有衛(wèi)星微波通信系統等特點，將進一步增強美軍衛(wèi)星通信系統的安全，擴大美軍戰(zhàn)場上的不對稱優(yōu)勢。美軍在物理層安全領域的研究主要涉及三個方面：衛(wèi)星點波束技術、人造噪聲設計技術和物理層認證技術。

三、未來發(fā)展趨勢

（一）空間業(yè)務從傳統封閉思維向互聯網思維轉變

隨著航天任務的快速發(fā)展，當前及未來的航天活動將愈來愈復雜特別是星間鏈路的出現，以往點對點傳輸方式獨存的局面將不復存在，航天器與航天器互聯成為航天活動的發(fā)展趨勢和必然要求。研究將互聯網擴展到空間、建立天地一體化航天互聯網勢在必行。

（二）網絡結構從“天星地網”向“天網地網”轉變

傳統的“天星地網”系統靈活度有限，網絡資源、通信速率都受限，已經不適應現代衛(wèi)星通信需求。借鑒互聯網技術，基于空間組網的方式，采用“天網地網”的結構，采用“雙主干”的結構，通過空間主干網絡實現各類衛(wèi)星系統的接入，通過地面主干網絡實現空間與地面網絡的互聯互通，通過統一的網絡體系結構，實現天地網絡的有效融合。

（三）傳輸手段從傳統低速率微波向高速率激光轉變

采用光作為傳輸媒介的通信方式又以其抗干擾、抗截獲能力強、保密性好以及輕同時小型等突出優(yōu)勢，成為天地一體化信息網絡遠距離提高傳輸速率的重要手段。衛(wèi)星激光通信具有通信容量大、傳輸距離遠、保密性好等優(yōu)點，是建設空間信息高速公路不可替代的手段，也是當前國際信息領域的前沿科學技術。尤其是高軌星地激光通信技術，技術難度極大，是當前各國競相開發(fā)的熱點。

（四）網絡協議從傳統空間協議向地面IP協議轉變

地面通信網絡和管理控制實體都廣泛采用IP協議實現互聯互通，衛(wèi)星通信實現基于IP協議的星上交換具有很大的優(yōu)點。基于地面IP協議標準的空間信息網絡協議應用可以使商用網絡設備與地面互聯網直接互操作。空間IP協議與地面互聯網有更大的相似性，組網靈活性更優(yōu)越、強大，支持動態(tài)路由和移動接入，降低成本等?？紤]到未來網絡發(fā)展前景，目前將研究方向和重點放在IP上較為廣泛。

（五）研究領域從中高軌道、大衛(wèi)星向低軌道、微小衛(wèi)星轉變

相較于地基和傳統的中高軌衛(wèi)星，低軌衛(wèi)星組網有覆蓋廣、低時延、可靠性高等特點，被部分航天創(chuàng)業(yè)者視為5G通信的技術標配。相較于銥星時代，這次低軌衛(wèi)星的復興顯得水到渠成。SpaceX等商業(yè)航天企業(yè)的崛起，大幅度降低了衛(wèi)星研制發(fā)射的成本，而衛(wèi)星通信資費降低又催生無時無刻的互聯網介入和大數據需求，這都使得通信界重提低軌星座。選擇低軌道、微小衛(wèi)星而不是傳統的中高軌道、大衛(wèi)星，既能有效縮減發(fā)射路程和發(fā)射載荷，也能縮減造星成本。

四、我國未來發(fā)展建議

“它山之石，可以攻玉”。在中國從“網絡大國”向“網絡強國”邁進的過程中，國外空間信息網絡的發(fā)展提供了很多寶貴借鑒經驗。雖然我國在空間信息網絡方面已經開展了相關研究，但是和國際發(fā)達國家相比還有一定差距。為了維護國家網絡主權和數據主權，縮短與國際先進國家的差距，中國航天十二院錢學森智庫創(chuàng)新性地提出建設中國自主可控的空間信息網絡——“星融網”的構想，已經引起了社會各界廣泛關注，具有非常重大的現實指導意義?！靶侨诰W”旨在以天基網絡為主干，以軍民融合、天地一體、自主可控、機動靈活為特征，建成一個星間、星地及地面互聯互通的綜合性網絡系統，有機整合數據接收、傳輸分發(fā)、運行控制等資源。

空間信息網絡建設涉及多學科、多種領域，不是一種簡單的操作方法的疊加，而是從理論研究到具體實施的綜合和交織，是一個十分復雜的大型系統工程。從實現步驟上,建議實施“三個統籌”戰(zhàn)略。

一是統籌通導遙各類衛(wèi)星資源，形成高效的一體化衛(wèi)星綜合服務能力。建設具有多功能、軌道互補、智能性高、自主運行、便于擴展的新型綜合性異構衛(wèi)星網絡體系，通過星間鏈路將通信、導航、遙感等各類功能融合為一體，提供全面的、健壯的、經濟有效的、更高量級數據速率的天基服務。

二是統籌軍民商各種星座資源，實現空間資源的統一高效管理。整合各方星座資源，對所有衛(wèi)星統一進行探測、跟蹤和識別，對空間目標的軌道特性、幾何特性和物理特性進行統一編目管理，實現對所管理對象的頻率軌道資源全面監(jiān)視，促進空間資源的統一管理、高效共享和綜合利用。

三是統籌天空地各層網絡資源，實現時空復雜網絡的一體化綜合處理和最大有效利用。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，按照信息資源的最大有效綜合利用原則，進行信息準確獲取、快速處理和高效傳輸。