◎中國航天系統(tǒng)科學(xué)與工程研究院 余杰 范承

當前，世界網(wǎng)絡(luò)空間安全競爭日益激烈，網(wǎng)絡(luò)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(lǐng)域?？臻g信息網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)信息基礎(chǔ)設(shè)施和戰(zhàn)略性基礎(chǔ)設(shè)施，將在氣象、海洋、測繪、地球資源探測、空間科學(xué)研究、國計民生、產(chǎn)業(yè)帶動、國防安全等諸多領(lǐng)域中發(fā)揮關(guān)鍵作用，已成為當今全球科技和產(chǎn)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(yīng)的技術(shù)研究和實際應(yīng)用投入巨大，希望搶占發(fā)展先機，全方位掌握空間信息網(wǎng)絡(luò)建設(shè)主動權(quán)。

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(lián)網(wǎng)”（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(lián)網(wǎng)”（IPN）計劃，根據(jù)深空探索的需求提出來的網(wǎng)絡(luò)概念，研究地球以外使用互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)端到端通信的方案，通過深空行星網(wǎng)絡(luò)、過渡軌道器網(wǎng)絡(luò)、地球網(wǎng)絡(luò)等之間的互連，旨在為深空任務(wù)提供數(shù)據(jù)傳遞通信服務(wù)及探測器和深空軌道器的導(dǎo)航服務(wù)。2000年，JPL開展“下一代空間互聯(lián)網(wǎng)”（NGSI）的項目研究，下設(shè)4個工作組，分別研究動態(tài)利用空間鏈路、多協(xié)議標簽交換協(xié)議、移動IP和安全問題。

（二）美國NASA-SCaN——“集成空間通信架構(gòu)”計劃

2006年，NASA空間通信和導(dǎo)航中心（SCaN）提出 “集成空間通信架構(gòu)”計劃，希望將已存在現(xiàn)有近地、空間、深空等三個網(wǎng)絡(luò)整合成一個完整網(wǎng)絡(luò)，建立詳細、完整的高水平空間通信和導(dǎo)航系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，采用統(tǒng)一的測控服務(wù)、業(yè)務(wù)計劃、業(yè)務(wù)調(diào)度、服務(wù)責(zé)任和報告、網(wǎng)絡(luò)調(diào)度、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測、網(wǎng)絡(luò)資源管理，形成一個統(tǒng)一的有機整體。

（三）美國DoD——“轉(zhuǎn)型衛(wèi)星通信系統(tǒng)”（TSAT）計劃

2004年，美國國防部提出“轉(zhuǎn)型衛(wèi)星通信系統(tǒng)”（TSAT）計劃，計劃采用“天網(wǎng)地網(wǎng)”的架構(gòu)，在太空建立類似地面的Internet網(wǎng)絡(luò)，打造可以連接現(xiàn)有多個系統(tǒng)的空間骨干網(wǎng)絡(luò)，其中天基網(wǎng)絡(luò)由5顆部署IPv6、星載路由等互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的同步軌道衛(wèi)星通過星間鏈路構(gòu)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(wǎng)絡(luò)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(tǒng)”（ISICOM）計劃

2007年底至2008年初，歐洲衛(wèi)星通信領(lǐng)域發(fā)起成立的ISI（Integral Satcom Initiative）技術(shù)聯(lián)盟組織提出先進的歐洲衛(wèi)星通信系統(tǒng)構(gòu)想。 ISICOM計劃設(shè)計成為一個基于IP，結(jié)合微波和光鏈路，把地面部門和空中部分一起構(gòu)成一個完備整體的大容量空間通信網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)將由下一代先進的衛(wèi)星平臺構(gòu)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(guān)鍵技術(shù)，探索應(yīng)用發(fā)展模式

（一）空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方面

空間信息網(wǎng)絡(luò)具有規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、網(wǎng)絡(luò)伸縮性強，用戶動態(tài)接入，網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)不斷變化等特點，設(shè)計一個科學(xué)、合理的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)十分重要。從衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展現(xiàn)狀來看，目前國外衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)主要存在兩種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形態(tài)：星間自組對等網(wǎng)絡(luò)和星間“骨干—接入”網(wǎng)絡(luò)。

星間自組對等網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)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(shù)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(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對稱，系統(tǒng)具有自洽性。典型的系統(tǒng)有美國的低軌道“銥”（Iridium）衛(wèi)星通信系統(tǒng)和靜止軌道的軍事星（Milstar）通信系統(tǒng)等，這種網(wǎng)絡(luò)特點是采用星間組網(wǎng)的方式構(gòu)成獨立網(wǎng)絡(luò)，整個系統(tǒng)可以不依賴地面網(wǎng)絡(luò)獨立運行，通過星間鏈路可實現(xiàn)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(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)。分別布設(shè)雙層網(wǎng)絡(luò)組成，天基骨干網(wǎng)絡(luò)由布設(shè)在地球同步軌道（GEO）衛(wèi)星作為若干骨干節(jié)點聯(lián)網(wǎng)而成，骨干節(jié)點具備寬帶接入、數(shù)據(jù)中繼、路由交換、信息存儲、處理融合等功能；天基接入網(wǎng)有布設(shè)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?wù)需求，形成覆蓋全球（包括兩極地區(qū)）、隨遇接入、按需服務(wù)的接入網(wǎng)絡(luò)。典型的系統(tǒng)有美軍轉(zhuǎn)型通信衛(wèi)星TSAT系統(tǒng)，由5顆GEO衛(wèi)星組成，星間通過激光鏈路組成10Gbps的骨干網(wǎng)絡(luò)，與其它目標或子網(wǎng)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(wǎng)絡(luò)，如圖2所示。

圖1 “銥”星網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

（二）空間激光通信方面

空間激光通信技術(shù)以其高速率、小體積、輕質(zhì)量以及高安全性收到國外主要航天國家的高度關(guān)注。國外近幾年美、歐、日等在面臨傳輸巨量數(shù)據(jù)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(shù)的研發(fā)與驗證，預(yù)計2020年前后得到廣泛的軍事應(yīng)用，有效彌補傳統(tǒng)微波通信技術(shù)在傳輸速率、抗干擾方面能力的不足，為未來空間海量數(shù)據(jù)的傳輸尋求解決方案。

圖2 TSAT系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

美國已經(jīng)開展了一系列項目對激光通信技術(shù)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(xué)光學(xué)載荷”、“激光通信中繼驗證”、“深空光通信系統(tǒng)”、“美國光通信和傳感演示”等一系列項目，對激光通信技術(shù)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(shù)據(jù)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(xiàn)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(shè)的全球首個自由空間光通信網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)解決方案，比傳統(tǒng)的射頻解決方案速度更快、成本更低。

歐洲激光通信技術(shù)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(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)先進激光技術(shù)轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)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(shù)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(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星”正式列入其中，計劃于2019年發(fā)射“激光數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星”（GEO），將當前數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)的微波鏈路替換為激光鏈路，預(yù)計通信速率2.5Gbps，通信波長1064nm，采用DPSK相干調(diào)制解調(diào)，其LEO終端重量35kg，光學(xué)孔徑100mm，GEO終端重量50kg，光學(xué)孔徑200mm，平均功耗100W。

（三）空間網(wǎng)絡(luò)協(xié)議方面

空間信息網(wǎng)絡(luò)是一種適應(yīng)多種平臺、多種速率、多種協(xié)議的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其協(xié)議體系也必須具有支持異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)、數(shù)據(jù)匯聚分發(fā)能力。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議必須適應(yīng)其特殊性。目前國外主流的空間網(wǎng)絡(luò)協(xié)議包括CCSDS協(xié)議、DTN協(xié)議、TCP/IP協(xié)議等三類。

CCSDS協(xié)議體系。1982年1月，由全球主要航天組織機構(gòu)聯(lián)合成立空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會（CCSDS），一直致力于研究天地各通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的統(tǒng)一與推廣，負責(zé)開發(fā)適合航天測控和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的各種通信協(xié)議和數(shù)據(jù)處理規(guī)范，以適應(yīng)航天器復(fù)雜化。其制定的協(xié)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(yīng)用于國際空間項目中。

DTN協(xié)議體系。2003年，美國噴氣推進實驗室提出時延零容忍網(wǎng)絡(luò)（DTN），之后英特網(wǎng)研究任務(wù)組（IRTF）在星際網(wǎng)絡(luò)研究組（IPNRG）的基礎(chǔ)上組建了延遲/中斷容忍網(wǎng)絡(luò)研究組（DTNRG）對DTN進行了研究，與2007年提出了DTN體系結(jié)構(gòu)和包裹協(xié)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(shù)在空間網(wǎng)絡(luò)中的性能，并促進DTN技術(shù)在空間網(wǎng)絡(luò)中發(fā)展。

TCP/IP協(xié)議體系。空間互聯(lián)網(wǎng)TCP/IP協(xié)議涉及的最基本最重要的目標就是充分利用現(xiàn)存網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)“網(wǎng)際互聯(lián)”。2000年，美國NASA-JPL實驗室在下一代空間互聯(lián)網(wǎng)（NGSI）的項目研究中，考慮到保護已有的投資及國際聯(lián)網(wǎng)，對現(xiàn)有的多協(xié)議標簽交換協(xié)議、移動IP進行了適合空間任務(wù)的擴展，提出了一套基于CCSDS的空間互聯(lián)網(wǎng)有關(guān)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(wǎng)絡(luò)、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(shù)用于空間通信的可行性，將商用Internet延伸到航天器，實現(xiàn)地面最終用戶到航天器的全IP連接。

（四）空間網(wǎng)絡(luò)安全方面

由于空間信息網(wǎng)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(wǎng)絡(luò)安全的重要性不言而喻，已經(jīng)逐漸引起國外各國的關(guān)注。

隨著重大軍事任務(wù)對航天系統(tǒng)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(wǎng)絡(luò)攻擊，阻礙地面用戶訪問軌道資產(chǎn)。目前，美國空軍太空和導(dǎo)彈系統(tǒng)中心與專注于航天系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)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(xué)院等部門相繼披露物理層技術(shù)在衛(wèi)星通信和組網(wǎng)領(lǐng)域的最新研究進展。物理層安全技術(shù)具有實現(xiàn)復(fù)雜度低、保密性強且能夠兼容現(xiàn)有衛(wèi)星微波通信系統(tǒng)等特點，將進一步增強美軍衛(wèi)星通信系統(tǒng)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(lǐng)域的研究主要涉及三個方面：衛(wèi)星點波束技術(shù)、人造噪聲設(shè)計技術(shù)和物理層認證技術(shù)。

三、未來發(fā)展趨勢

（一）空間業(yè)務(wù)從傳統(tǒng)封閉思維向互聯(lián)網(wǎng)思維轉(zhuǎn)變

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

（二）網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)從“天星地網(wǎng)”向“天網(wǎng)地網(wǎng)”轉(zhuǎn)變

傳統(tǒng)的“天星地網(wǎng)”系統(tǒng)靈活度有限，網(wǎng)絡(luò)資源、通信速率都受限，已經(jīng)不適應(yīng)現(xiàn)代衛(wèi)星通信需求。借鑒互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，基于空間組網(wǎng)的方式，采用“天網(wǎng)地網(wǎng)”的結(jié)構(gòu)，采用“雙主干”的結(jié)構(gòu)，通過空間主干網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)各類衛(wèi)星系統(tǒng)的接入，通過地面主干網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)空間與地面網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通，通過統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)天地網(wǎng)絡(luò)的有效融合。

（三）傳輸手段從傳統(tǒng)低速率微波向高速率激光轉(zhuǎn)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(wǎng)絡(luò)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(shè)空間信息高速公路不可替代的手段，也是當前國際信息領(lǐng)域的前沿科學(xué)技術(shù)。尤其是高軌星地激光通信技術(shù)，技術(shù)難度極大，是當前各國競相開發(fā)的熱點。

（四）網(wǎng)絡(luò)協(xié)議從傳統(tǒng)空間協(xié)議向地面IP協(xié)議轉(zhuǎn)變

地面通信網(wǎng)絡(luò)和管理控制實體都廣泛采用IP協(xié)議實現(xiàn)互聯(lián)互通，衛(wèi)星通信實現(xiàn)基于IP協(xié)議的星上交換具有很大的優(yōu)點?；诘孛鍵P協(xié)議標準的空間信息網(wǎng)絡(luò)協(xié)議應(yīng)用可以使商用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與地面互聯(lián)網(wǎng)直接互操作。空間IP協(xié)議與地面互聯(lián)網(wǎng)有更大的相似性，組網(wǎng)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(wǎng)絡(luò)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(lǐng)域從中高軌道、大衛(wèi)星向低軌道、微小衛(wèi)星轉(zhuǎn)變

相較于地基和傳統(tǒng)的中高軌衛(wèi)星，低軌衛(wèi)星組網(wǎng)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(shù)標配。相較于銥星時代，這次低軌衛(wèi)星的復(fù)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(lián)網(wǎng)介入和大數(shù)據(jù)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(tǒng)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(wǎng)絡(luò)大國”向“網(wǎng)絡(luò)強國”邁進的過程中，國外空間信息網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展提供了很多寶貴借鑒經(jīng)驗。雖然我國在空間信息網(wǎng)絡(luò)方面已經(jīng)開展了相關(guān)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(wǎng)絡(luò)主權(quán)和數(shù)據(jù)主權(quán)，縮短與國際先進國家的差距，中國航天十二院錢學(xué)森智庫創(chuàng)新性地提出建設(shè)中國自主可控的空間信息網(wǎng)絡(luò)——“星融網(wǎng)”的構(gòu)想，已經(jīng)引起了社會各界廣泛關(guān)注，具有非常重大的現(xiàn)實指導(dǎo)意義?！靶侨诰W(wǎng)”旨在以天基網(wǎng)絡(luò)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(lián)互通的綜合性網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，有機整合數(shù)據(jù)接收、傳輸分發(fā)、運行控制等資源。

空間信息網(wǎng)絡(luò)建設(shè)涉及多學(xué)科、多種領(lǐng)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(fù)雜的大型系統(tǒng)工程。從實現(xiàn)步驟上,建議實施“三個統(tǒng)籌”戰(zhàn)略。

一是統(tǒng)籌通導(dǎo)遙各類衛(wèi)星資源，形成高效的一體化衛(wèi)星綜合服務(wù)能力。建設(shè)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(gòu)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)體系，通過星間鏈路將通信、導(dǎo)航、遙感等各類功能融合為一體，提供全面的、健壯的、經(jīng)濟有效的、更高量級數(shù)據(jù)速率的天基服務(wù)。

二是統(tǒng)籌軍民商各種星座資源，實現(xiàn)空間資源的統(tǒng)一高效管理。整合各方星座資源，對所有衛(wèi)星統(tǒng)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(tǒng)一編目管理，實現(xiàn)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(tǒng)一管理、高效共享和綜合利用。

三是統(tǒng)籌天空地各層網(wǎng)絡(luò)資源，實現(xiàn)時空復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)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(lián)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(shù)，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。