我国天基综合信息网构想

闵士权

（1 中国卫星通信集团有限公司，北京 100094）（2 航天恒星科技有限公司，北京 100086）

1 引言

早在20世纪末，我国就有科研院校提出了研究和建设我国天基综合信息网（Space-based Integrated Information Network）的设想，并在此后进行了专项研究，取得了显著成果，为建立我国天基综合信息网提供了一定的理论基础。目前，我国已初步建立和形成了卫星通信、卫星对地观测、卫星导航定位三大卫星应用系列，为建立我国天基综合信息网提供了一定的技术基础。我国构建天基综合信息网核心网络的跟踪与数据中继卫星（简称数据中继卫星）系统，已实现了中、低轨道用户航天器准全球覆盖［1］。我国载人航天工程已完成了多艘载人飞船和一座空间实验室的发射和相关试验，多次成功地通过数据中继卫星传递信息，为天基综合信息网的建设提供了宝贵经验。我国临近空间飞行器的研究和应用已取得了初步成绩。因此，我国已初步具备了研究和建设天基综合信息网的条件。

天基综合信息网是国家信息网和国防信息网的重要组成部分，在整个信息网中将起到太空骨干网和接入网的双重作用。为了适应我国国家战略发展和经济全球化发展的需要，适应我国国防信息化建设和军事保障能力的需要，我国卫星应用体系的发展目标应是构建一个为我所有、为我所用的空天地一体化全球全时无缝覆盖的信息网络，即天基综合信息网。

本文介绍了天基综合信息网的概念和国外的研究情况，主要提出了我国天基综合信息网的体系架构、网络特点、协议结构和关键技术，以及我国现阶段可研究和建设的天基综合信息网的设计思想和空间层的组成与功能的设想。

2 天基综合信息网概念及发展

2．1 天基综合信息网的定义、组成和特征

天基综合信息网又叫空间综合信息网（Space Integrated Information Network），国际上尚无明确的定义。通常的说法是［2-4］：天基综合信息网是通过星间、星地链路连接在一起的不同轨道、种类、性能的飞行器及相应地面设施和应用系统，按照空间信息资源的最大有效利用原则所组成的空天地一体化综合信息网。该网络具有智能化信息获取、存储、传输、处理、融合和分发能力，具备高度的自主运行和管理能力。

天基综合信息网主要由信息获取、信息传输、信息处理、导航定位、航天测控和网络管理等系统组成，具体如下［2-4］。

（1）信息获取系统：主要担负信息的收集任务，包括侦察、预警、气象、资源、地形测绘、空间目标监视等卫星（包括临近空间层飞行器等）和相应地面系统。

（2）信息传输系统：主要担负信息传输、分发和中继任务，包括通信卫星（含广播卫星、数据中继卫星、临近空间层飞行器）、各种用户终端和地面系统。

（3）信息处理系统：主要完成卫星获取数据的预处理、二次处理及信息融合和综合分析等任务，包括各卫星装载的高性能信息处理机及相应的软件和数据库、专门的数据处理卫星和地面处理与应用系统。

（4）导航定位系统：由不同轨道的多颗导航卫星和相应地面系统组成，为从地面到太空包括卫星在内的各种移动或静止载体提供导航、定位和授时服务。

（5）航天测控系统：主要由地面测控站、数据中继卫星和被测飞行器的测控单元组成，负责全网整个空间层从单星、星座到全网的测控管理。

（6）网络管理系统：由地面管理中心和由数据中继卫星或信息处理卫星的计算机系统构成的天基管理中心共同组成，可分别独立或联合完成网络星座的运行监测、指挥与控制，以及信息交换的管理与控制功能。

天基综合信息网，顾名思义，是以航天器为主体、综合多种系统和业务的信息网络，它有如下3个特征。

（1）各种信息系统综合。卫星固定通信、卫星移动通信、卫星直接广播三大卫星通信系统综合；卫星通信、卫星对地观测、卫星导航定位三大卫星应用系统综合；空间通信、临近空间通信、地面通信三大通信领域综合；人与人之间通信、人与物之间信息传递、物与物之间信息传递三大通信类型综合。

（2）网络化统揽全系统。将“烟囱式”分散或独立的各种信息系统以“网络化”方式综合起来，实现相互支持、互联互通和资源共享，充分发挥航天信息化建设的应用效益。

（3）天基网为主体。各种系统组成的网络，其主体是以各种飞行器为节点的空间信息网络，其核心是卫星通信网络。

2．2 国外天基综合信息网研发概况

国外从事天基综合信息网研究和建设的主要有美国和欧洲，代表性项目是美国的“转型通信体系”（Transformational Communications Architecture，TCA）和欧洲的“面向全球通信的综合空间基础设施”（Integrated Space Infrastructure for Global Communications，ISICOM）。

2．2．1 转型通信体系［5］

美国现有三大军事卫星通信系列，即窄带（Narrowband）卫星通信系列、防护（Protected）卫星通信系列和宽带（Wideband）卫星通信系列。这三大系列都已发展成由多颗地球静止轨道（GEO）卫星（其中防护系列还有远地点在北极地区的大椭圆轨道卫星）组成的全球覆盖的星座系列（见图1）。为了改变三大系列“烟囱式”现状，促使“网络式”发展，美国从2003年起实施了空间互联网计划，即发展用激光互联的转型通信卫星（TSAT）GEO卫星星座，通过星间链路和星地链路使其与三大卫星通信系列之间能相互支持、互联互通和资源共享（见图1、图2）。

图1 美国军事通信卫星系列Fig．1 Military communications satellites in the United States

图2 美国TSAT 军事通信卫星星座用户群Fig．2 Users of the United States TSAT military communications satellite constellation

美国“转型通信体系”（TCA）空间段建设包含3个部分：①美国国防部（DoD）的TSAT GEO 卫星星座；②美国情报部（IC）的GEO 卫星星座；③美国国家航空航天局（NASA）的“跟踪与数据中继卫星系统后续”（TDRSS-C）计划卫星星座。三大星座通过自身的星间互联和星座间的星间互联，形成空间信息传输核心网（见图3），应该说是一种天基综合信息网。此项目在2001年提出，2003年开始实施，由于遇到资金、进度、技术、组织协调和项目监管等种种困难，最后于2009年被迫中止。

图3 美国TCA 军事卫星通信体系Fig．3 The United States TCA military satellite communications system

2．2．2 “面向全球通信的综合空间基础设施”［6］

欧洲卫星通信综合倡议（Integral Satcom Initiative，ISI）组织正在研究开发名为“面向全球通信的综合空间基础设施”（ISICOM），即天基综合全球通信网。图4为该天基网系统架构示意图，图中各组成部分简介如下。

图4 欧洲ISICOM 架构示意Fig．4 European ISICOM architecture

（1）地球静止轨道（GEO）／地球同步轨道（GSO）星座：图4 中顶层为GEO／GSO 弧线，通常由3颗等间距GEO 卫星节点构成星座，3颗卫星之间用光学链路互联互通，覆盖全球。GEO 星座是空间层的骨干网，并兼作接入网。

（2）非地球同步轨道（NGSO）星座：图4中次层为NGSO弧线，由多颗NGSO卫星节点构成星座，各卫星之间用光学或无线电链路互联互通，覆盖全球。NGSO星座是空间层的接入网，并兼作骨干网。

（3）导航／定位卫星星座：拟用“伽利略”（Galileo）导航系统，主要为对地观测卫星、各种地球站和各种用户站（车辆、汽车、无人机、高空平台等运动物体）提供时间、位置等导航定位信息。

（4）对地观测卫星星座：拟选用“全球环境与安全监测系统”（GMES）。当对地观测卫星飞行在其遥感站视区以外时，可通过GEO 卫星将其获取的遥感信息实时中继到遥感站；还可通过GEO 卫星把对地观测卫星系统中央站经处理和融合后的综合信息转发广播给各用户站。

（5）高空平台（HAPS）系列：HAPS系列与NGSO星座通过星台链路互通信息，接受NGSO卫星服务；通过台机链路向无人机（UAV）转发NGSO卫星信息，为UAV 服务；通过台地链路与提供快速应急通信服务的自组织（Ad Hoc）网络互传信息；通过台地链路直接向热点地区提供专项通信服务；通过台地链路直接向相关地区提供广播和宽带通信接入业务。

（6）UAV 系列：UAV 系列与HAPS系列通过机台链路互传信息，接受HAPS服务。

（7）地面设施：用作物联网通信的卫星传感器网络（SSN）；进行干扰管理等任务的协同波束成形（CBF）分布式天线系统；对地观测卫星地面网站；通信卫星关口站等。

ISICOM 潜在的用户群：个人用户；集体用户；专业用户和中小型组织／企业用户；公共机构和大型企业用户；电信运营商和业务提供商。

ISICOM 对各类用户提供的业务：广播服务、公众信息服务、应急服务、远程医疗和远程教育服务、互联网接入、语音和数据服务、导航服务、固定和移动的宽带服务，以及物联网服务等。

3 天基综合信息网体系架构

按照天基综合信息网概念，我国天基综合信息网体系架构构想如图5所示。它可分为空间层（含临近空间层）和地面层（含低空层）两部分，两者通过星地链路统一形成全球覆盖的空天地一体化的天基综合信息网。

图5 天基综合信息网体系架构Fig．5 Architecture of space-based integrated information network

3．1 空间层

（1）空间层通信网：它是空间层的骨干网和接入网，是由GEO和非地球静止轨道（NGEO）通信卫星（含数据中继卫星）星座组成的全球全时覆盖的通信网。其中：GEO通信卫星星座主要作为骨干网，兼作接入网；NGEO卫星星座作为接入网，也可兼作骨干网。此外，NGEO 卫星星座可以是中地球轨道（MEO）和低地球轨道（LEO）双层卫星星座，也可以是单层MEO星座或LEO星座。该网络负责传输、处理和分发来自空间层各种用户航天器、临近空间层各种用户飞行器和分布在全球不同地区的各种海、陆、空用户终端的信息；负责传输、处理和分发来自地面的各种测控与数据传输管理网站的信息；还承担天基综合信息网网管系统的相关管理职能。空间层通信网是天基综合信息网的核心基础结构。

（2）空间层航天器：它包括不同轨道各种业务和应用的卫星、飞船、空间站、深空探测器等航天器。其中：使用数据中继卫星转发数据的航天器也称为用户航天器；各种对地观测卫星获取相关观测数据（可以是原始数据，也可以是经其处理后的有用信息）后，直接向其视区内的地面站发送（原始数据发给遥感信息综合与管理中心处理，有用信息发给用户站使用），或者，当其视区内无地面站时，通过数据中继卫星转发；专用处理卫星将对地观测卫星通过星间链路发来的原始数据进行处理，其中的有用信息可直接向其视区内的地面站发送，或者，当其视区内无地面站时，通过数据中继卫星转发；载人飞船和空间站可直接或通过数据中继卫星中转与其地面站进行双向通信和数据传输；其他航天器的工作方式类似于上述方式。

（3）临近空间层飞行器：它包括飞艇、浮空气球、高空无人机和高超音速飞行器（HCV）等各种飞行器，其中，使用数据中继卫星转发数据的飞行器也称为用户飞行器。作为对地观测任务飞行器使用时，可将获取的观测数据直接向其地面用户站发送，或者通过通信卫星转发给地面相关用户站；作为通信中继任务飞行器使用时，可提供其覆盖区内各用户站之间的双向通信和数据传递，或通过通信卫星中转与其覆盖区外用户站的双向通信和数据传递。此外，临近空间飞行器群还可组成接入网，为地面层用户终端提供信息中继服务。

（4）导航卫星星座：它组成时空基准系统，为天基综合信息网提供时间和空间坐标基准。该基准可为各类航天器、临近空间飞行器、导弹等飞行器提供精确的时间、位置和速度信息，为各类地面站（如遥感信息综合与管理中心、地面测控与数据管理网站、关口站、固定与便携用户站等）提供精确的时间和位置信息，也可为机载终端、船载终端、车载终端、手持终端等移动终端提供导航定位信息。

3．2 地面层

（1）航天器（不包括通信卫星和导航卫星）地面用户站和临近空间层飞行器地面用户站：它包括以对地观测为主的航天器（不包括通信卫星和导航卫星）用的各种地面用户站和临近空间层飞行器用的各种地面用户站。在对地观测任务中，上述两种用户站的基本功能相同。各用户站可以根据需要直接接收有关飞行器发回的遥感原始数据，并将其发送到遥感信息综合与管理中心进行处理，也可以直接接收有关飞行器发回的经其处理后的有用信息来使用。如有必要，还可以直接控制飞行器向用户站发送原始数据，并在用户站设置自己部门所需的遥感信息处理设备，将直接接收到的原始数据在本地生成有用信息。用户站也可在地面网络或从数据中继卫星转播的遥感信息综合与管理中心的信息中获得自己所需要的综合信息与知识。

（2）通信卫星地面用户站：即本文所说的地面层用户站，包括低空层各种机载用户站。整个地面层用户站（也称为用户终端）包括机载终端、船载终端、车载终端、手持终端、便携终端和固定终端等多种。另外，还包括供物联网使用的数据采集终端，根据不同的应用场景，可分为微小终端、固定终端、移动终端、手持终端、拋撒终端等。

（3）导航卫星用户站：即天、空、地各种导航终端，具体包括航空、航天、船舶、气象、减灾、林业等行业的各类机／弹／车／船载及手持卫星接收机。

（4）各种测控与数据传输网站：包括通信卫星用的测控通信与数据中继网站，空间层航天器用的各种航天器测控与数据传输网站，以及临近空间层飞行器用的各种飞行器测控与数据传输网站。它们的任务是对在轨运行的飞行器实施测控、数据传输和管理。其基本功能相同：①直接或者通过通信卫星中继对飞行器进行遥测、遥控、跟踪测轨（或定位）和管理；②通过飞行器与相关地球站进行双向数据传输。此外，还有导航卫星星座的测控管理站，主要用于对它们管辖的卫星进行测控和管理。

（5）各地关口站：提供卫星通信网络与地面互联网／公众电话交换网（PSTN）／公众地面移动通信网（PLMN）等网络之间的接口，使其用户能够呼叫全球各地的地面网络用户。

（6）遥感信息综合与管理中心［7］：可通过接收空间、临近空间各遥感飞行器直接发送和通过数据中继卫星转发的原始数据，以及接收来自各用户站传送来的原始数据，并将这些原始数据进行处理、融合和解译，生成各级各类产品、综合信息和知识，通过地面网络传输到用户和决策部门；还可将处理和融合后的综合信息和知识上行发送到数据中继卫星，再转发广播给各用户站使用。该中心还负责对相关卫星和地面设备进行统一协调管理，包括飞行器的测控管理、业务管理、运行管理和用户的服务管理等。

（7）测控管理中心：负责对分布在各地的所有测控通信与数据中继网站（包括通信卫星星座、空间层航天器、临近空间层飞行器和导航卫星星座使用的）进行测控指挥、协调和管理。

（8）网络管控中心：与空间层骨干网卫星相关管理功能结合，负责整个网络的运行和管理控制，具有配置管理、性能管理、资源管理、用户管理、故障管理和计费管理等各种功能。

（9）天基综合信息网管理中心：负责天基综合信息网全网的规划、建设、运行、管理等指挥和协调工作。

（10）地面公用通信网：天基综合信息网通过各地关口站与全球各种地面公用通信网互联互通，构成天基与地基一体化全球综合信息网。

4 天基综合信息网网络协议

4．1 天基综合信息网网络特点

天基综合信息网是一个规模庞大、结构复杂的空天地一体化网络，要求网络能够稳定运行、快速重构、具有可扩展性，能够支持用户和其他子网动态接入和退出，因此，网络协议必须适应其特殊性。天基综合信息网的特殊性主要表现在以下几方面［8］。

（1）时延大：天基综合信息网所处的环境包括从地面到3．6万千米的大气外层空间，其通信组网范围横跨平流层、中间层、电离层和逃逸层。由于天基综合信息网涵盖范围大，通信距离远，相应的通信时延较地面网络明显长得多，如GEO 与地面的传输时延约为250ms，对网络控制和网络传输效率带来极大的挑战。

（2）传输环境差：星间／星地通信链路一般采用激光或微波通信。由于无线信号在长距离传播中往往要穿过多个不同的区域，各种气象条件和大气层会对激光、微波信号带来较大的干扰，导致天基综合信息网中信息传输的误码率较高，甚至出现网络故障。因此，要针对无线通信链路的特点，采取必要的网络信息传输可靠性和安全性措施。

（3）网络拓扑结构时变性：天基综合信息网的网络节点是各种飞行器，其空间位置不固定，网内各节点之间的信息链路也不固定，因此网络结构是动态变化的。飞行器有两类：一类是航天器，运行稳定，具有自己特定的轨道，相互之间的通信链路具有可预测性；另一类是临近空间飞行器，机动性较强，运动轨迹不稳定，相互之间的通信链路会出现不可预测的中断。因此，天基综合信息网是一种移动性网络，具有较大的拓扑结构时变性。

（4）通信链路频繁连通／中断：由于天基综合信息网的网络节点是分布在不同轨道上高速运动的各种飞行器，而且执行不同任务的飞行器运动速度也不尽相同，因此，网内各节点之间的信息链路会频繁地出现连通／中断现象，从而使天基综合信息网中的通信链路无法采用保持持续连接的工作方式，还要具备通信中断后的自动接续能力。

（5）信息传送带宽多样性：网络结构的动态变化和通信链路的频繁连接／中断，使网络在不同时间可用的网络带宽与服务质量是变化的，而且各种飞行器信息传送对带宽的需求也不尽相同，甚至相差悬殊，因此，要针对这样的网络运行环境采取必要的措施。

（6）通信链路的双向不对称性：在天基综合信息网中，由于需要传送信息的主体是各类对地观测卫星的观测数据信息，因此通信链路中的信息流量是双向不对称的。例如：前向链路（地面终端站经数据中继卫星至用户航天器）与返向链路（用户航天器经数据中继卫星至地面终端站）传输的业务类型和速率就有差别，其中主要差别是返向链路用户航天器特有的对地观测高速数据流，这就导致前向与返向通信链路的双向不对称性。

（7）网络拓扑结构异构性：天基综合信息网由各类航天器和临近空间飞行器及其相应的地面系统组成。由于它们的用途和功能不同，其系统结构、体制和对外接口不会都相同，因此天基综合信息网必然是一个异构网络，这种异构性体现在所采用的通信手段、通信体制和数据格式等方面。

（8）网络可扩展性：天基综合信息网的建设是一个长期的发展过程，需要分步、分阶段实施，在不同时期可能会采用不同的新技术，这就要求在天基综合信息网设计阶段就要考虑可扩展性和开放性，使其既能满足当前组成部分的应用需求，又能符合未来应用的长期需求，避免重复建设和增加不必要的投资。

（9）安全性和可靠性要求高：天基综合信息网的特点决定了必须保证高可靠性和高安全性。由于空间信息传输的暴露性，与传统地面网络相比，更容易遭受敌方的窃听、毁坏和攻击，因此在协议设计中必须进行相关的安全协议和安全解决方案设计。

4．2 天基综合信息网协议结构

针对上述天基综合信息网的特点，目前在航天任务中研究和使用的协议主要包括两类［8］：一是基于国际上空间数据系统咨询委员会（CCSDS）的互联网传输协议；二是基于地面IP 协议标准的空间IP协议。对于天基综合信息网，普遍的设计思想是将地面互联网向空间延伸，使天基综合信息网变成空间互联网，最后与地面互联网互联成空天地一体化互联网。

CCSDS借鉴开放系统互连参考模型（OSI-RM）的分层思想，提出了—套空间通信协议族，用于空间网络通信［9］。空间通信协议体系结构自下而上包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层，其中，每一层又包括若干个可供组合的协议。空间通信协议参考模型如图6所示。

图6 CCSDS空间通信协议参考模型Fig．6 Reference model of CCSDS space communication protocol

图6中，遥测（TM）和遥控（TC）链路协议适用于常规航天器的数据系统，实现的码速率中等，业务相对简单；高级在轨系统（AOS）协议，适用于大型航天器和载人航天器，实现的码速率范围宽，业务种类多，而且具有网络接入能力，可与地面互联网互联实现空间多媒体通信。

图6中，近距离空间链路协议（PSLP）是点对点的通信协议（有些资料将其简写为Prox-1），是CCSDS为了适应航天器之间近距离通信的需求，在已有的遥测、遥控、AOS的基础上开发的一个新体系。例如，它可用于载人空间站（或空间实验室）与载人飞船（或货运飞船）之间的交会对接，以及火星探测中火星轨道器与火星着陆器之间的释放与交互对接。此协议是一个跨层协议，包含物理层和数据链路层，是CCSDS扩展业务的一个重要方面。

图6中，空间通信协议规范（SCPS）包括：SCPS网络协议（SCPS-NP）、SCPS安全协议（SCPS-SP）、SCPS 传 输 协 议（SCPS-TP）和SCPS 文 件 协 议（SCPS-FP）。SCPS协议基于互联网传输控制协议（TCP）／IP，并针对空间任务的特定需求，对TCP／IP进行了修改和扩展，解决了传统TCP 用于卫星网络时产生的拥塞控制、流量控制机制不适用问题，可支持文件、图像等空间数据通信。这是空间通信协议与地面互联网协议融合成功的尝试。

可以预见，未来天基综合信息网的网络协议将是CCSDS空间通信协议与地面互联网协议高度融合的空天地一体化的协议，并会在天基综合信息网的研究、建设、应用和发展中不断改进和完善。

5 天基综合信息网关键技术

经初步分析，天基综合信息网关键技术如下［8，10］。

（1）组网结构技术：天基综合信息网是以通信卫星星座为核心，利用现代通信和网络技术，将位于地面（海、陆、空）、临近空间和空间中的多种移动节点连接在一起的一种新型空间通信网络，具有网络尺度大、时延长、拓扑动态、节点间关系复杂及网络业务种类繁多等特点，这些特点使天基综合信息网的组网结构设计不同于地面网络，要针对卫星星座的特点及应用需求，开展面向天基综合信息网卫星星座组网结构设计的研究，其重点是考虑面向卫星节点的星座设计和星间链路设计。

（2）网络协议技术：地面互联网技术，已成为地面通信网络的发展方向。其技术已向空间通信延伸，在CCSDS空间通信协议中已融合了相关协议，进一步的研究方向是使天基综合信息网的网络协议成为CCSDS空间通信协议与地面互联网协议高度融合的空天地一体化协议。

（3）服务质量（QoS）路由技术：天基综合信息网以天基作为转发路由平台，可以大大提高网络传输效率，从而为用户提供具有一定QoS要求的应用业务。为了保障这类业务在网络中传输，要研发和设计具有QoS保障能力的天基路由协议和算法。在天基综合信息网中，卫星节点的持续运动使现有的网络路由技术难以直接用于卫星网络，须要建立专门针对天基综合信息网的新的动态路由协议体系。

（4）网络管理技术：要使天基综合信息网这样一个高度复杂、动态和异构的网络能够高效、可靠运行，必须对其进行有效的管理。该网络独有的特性，使其不能依靠完全集中或完全分布式的管理，也不能依靠标准的分层体系进行管理。因此，必须建立一种新型的网络管理模型，实现网络的空天地一体、可靠有效运行，该模型具备一定自主运行和抗毁自愈能力的管理模式。

（5）网络安全防护技术：天基综合信息网是一个庞大的系统。系统越庞大，接入越方便、越开放，就越容易被攻击，加之空间层及天地间通信链路的暴露特性，使其更容易被攻击。因此，在系统建设时，必须重视安全保密与防护，研究和采取安全抗毁措施、安全方案和安全协议，提高系统和网络的生存能力。

（6）卫星光通信技术：卫星光通信具有通信带宽宽、数据传输速率高、天线口径小、终端功耗低、体积小和质量小的显著优势，同时，还具有良好的抗干扰和抗截获性能，能显著提高通信系统的信息安全性，是星间传输链路的发展方向。低耗功、长寿命的高功率激光源技术，以及波束宽度极窄的光波束瞄准、捕获和跟踪技术等，都是光通信传输的关键技术。

（7）星载处理交换技术：星载处理和路由交换系统的任务是自主地实施信息接收、存储、处理和分发，是天基综合信息网中骨干网和接入网组网卫星的关键设备。目前，地面网络中IP／多协议标签交换（MPLS）技术以及各种多用户接入技术已经很成熟，但卫星具有多波束天线收发、移动无线接入、星上处理资源受限和网络拓扑动态等特点，使得地面成熟的IP／MPLS技术和多用户接入技术无法有效应用于卫星网络。此外，天基综合信息网星地链路的时延大，误码率比地面高，数据传输有实时性要求，星载设备必须满足一定的空间环境使用要求，更加大了研制难度。因此，星载处理和路由交换技术是空间通信网络节点的关键技术。

6 我国天基综合信息网的设计思想

我国天基综合信息网的设计思想如下。

（1）采用GEO 和NGEO 的通信卫星星座和导航卫星星座，实施全球全时覆盖空间层各种航天器、临近空间层各种飞行器、地面层各种用户终端和相关地面设施，通过星间链路、星地链路和地面线路互联互通，组成一个空天地一体化的全球综合信息网络。

（2）在国外不设地球站的情况下实现：国内测控站测控我国全球运行的卫星；国内遥感站实时接收我国全球遥感卫星发送的信息；国内关口站管理我国授权的全球用户终端之间的互通信息。

根据上述设计思想，我国天基综合信息网的设计准则可概括为实现“四化”，即实现全球化、网络化、智能化和标准化。

（1）全球化：即服务区实现全球全时全气候无缝覆盖地面层（含海、陆、空）用户地球站、临近空间层飞行器和空间层航天器三层用户。

（2）网络化：各飞行器和地球站主要依靠星间链路、国内星地链路和地面线路组成天基综合信息网络。通过网络化，实现相关系统的资源共享，充分发挥航天应用效益，促进航天资源整合优化。也只有网络化，才能实现第2个设计思想。

（3）智能化：为应对庞大和复杂的天基网络，全网必须具备高度的自主运行和管理能力。网络的自主管理目标，是在没有或很少依赖于管理员的情况下，在一定的工作时间内，具备自行完成管理任务的能力。网络管理的部分功能可不依赖于地面设备，而由星上自主管理；部分功能可不依赖于人工操作，而由相关设备自动执行。

（4）标准化：统一的标准和规范，是天基综合信息网各系统实现互联互通和资源共享的前提和条件。采用统一、先进、有发展前途的标准和规范，将有利于发挥航天应用效益，促进航天资源整合优化。研究、制定和应用标准，将贯穿于研究和建立天基综合信息网的全过程。

7 我国天基综合信息网空间层构想

7．1 空间层通信网

它是空间层的骨干网和接入网（见图5），分别由GEO通信卫星星座（包括若干颗等间隔分布的卫星）和NGEO通信卫星星座（包括数十颗LEO 卫星）组成。两层不同高度的星座共同组成一个立体交叉、优势互补的多层星座网络。在该网络中，GEO 卫星既作为网络交换节点，也作为用户接入点；LEO 卫星主要作为具有交换功能的用户接入点。骨干网卫星对接入网卫星实施动态管理［11-16］。

7．1．1 星座覆盖和链路选择

（1）星座覆盖层数选择：作为MEO 和LEO 用户航天器的数据中继卫星星座，GEO（或GSO）星座最合适；作为实现全球（含南北两极）无缝覆盖的星座，MEO／LEO 星座最合适。因此，本天基综合信息网至少应由GEO 星座和MEO／LEO 星座两层不同高度、覆盖全球的卫星星座组成。

（2）星座轨道类型选择：由于GEO卫星将作为数据中继卫星，不可或缺，因此有GEO／MEO／LEO、GEO／MEO、GEO／LEO 三种组合可供选择。因为初期的天基综合信息网业务需求量不大，又属于试验性质，不宜太复杂，所以GEO／MEO／LEO 暂不考虑。MEO是中轨道高度，既没有GEO 对地静止的优点，又没有LEO因距地面近而传输损耗小的明显优点，因此，至今世界上还没有一个MEO 通信卫星星座被应用，而有多个LEO通信卫星星座已投入使用，因此宜选GEO／LEO双层星座。

（3）LEO 星座类型选择：LEO 星座拓扑结构有极轨圆轨道星座和倾斜圆轨道（又称Walker delta）星座两种（见图7）。两者各有特点，前者的应用案例有“铱”移动通信卫星星座，后者的有“全球星”移动通信卫星星座。本方案暂不确定使用哪个方案。

（4）星间互联方式选择：星座内各卫星之间互联成网方式有两种。一种是卫星之间互联以卫星中继的星间链路构成网络，称为卫星中继网，如“铱”卫星星座网络；另一种是卫星之间互联以地球站中继的星地链路构成网络，称为地球站中继网，如“全球星”卫星星座网络。从安全和现实性出发，我国的卫星通信系统不可能在全球布设足够数量、有一定位置要求的地面关口站，只能将关口站布设在我国自主控制的区域内。因此，只有通过卫星中继网方案，才能解决依托我国自主控制区域内的少数关口站实现全球通信的问题；同样，在国外不设测控站、只依靠国内测控站的情况下，也只有通过卫星中继网的星间链路，才能实现视距以外GEO 卫星的测控。由此可见，本方案只能采用由星间链路构成网络的卫星中继网方案。星座覆盖和链路选择逻辑关系如图8所示。GEO／LEO双层星座网络示意见图9。在基于GEO／LEO双层星座的卫星网络中，主要有3 类星间链路（图9中未画）：①GEO 卫星之间的层内星间链路；②LEO卫星之间的层内星间链路；③GEO卫星和LEO卫星间的层间星间链路。

图7 LEO 星座拓扑结构示意Fig．7 Topology of LEO constellation

图8 星座覆盖和链路选择逻辑关系示意Fig．8 Logical relations between constellation covering and link choice

图9 GEO／LEO 双层星座网络示意Fig．9 GEO／LEO two layer constellation network

7．1．2 GEO 卫星星座

GEO卫星星座由沿地球赤道上空等间距分布的3～4颗GEO卫星组成。该星座可作为全球覆盖LEO通信卫星星座的骨干网，兼作空间层航天器、临近空间飞行器和地面层（海、陆、空）用户终端的接入网。在地面段相应设施配合下，主要承担如下任务。

（1）作为全球覆盖的数据中继卫星星座，对全球低、中、高轨道用户航天器和临近空间用户飞行器进行跟踪、测控，并提供数据传输、处理和分发业务。

（2）作为全球覆盖的宽带多媒体卫星星座，对全球特定地区和热点地区的用户站提供动态接入宽带多媒体通信业务。

（3）根据需要，可作为全球导航卫星增强系统的天基广播系统星座，向全球“北斗”卫星导航定位接收机广播“北斗”卫星导航增强系统生成的完好信息和误差修正信息。

（4）作为全球覆盖的空间层骨干网，通过星间链路对作为全球覆盖空间层接入网的LEO 通信卫星星座实施管理。

GEO 卫星星座单颗卫星有效载荷的功能和性能见表1。

表1 GEO 星座单颗卫星有效载荷的功能和性能Table 1 Payload functions and performances of GEO constellation satellite

GEO 卫星星座的宽带多媒体通信系统用户链路卫星多点波束覆盖和导航广播系统用户链路卫星全球波束覆盖的示意见图10。需要说明的是，在图10（a）中，同时覆盖的点波束数量不多，如最多可能为20 个（具体多少视需要和设计时再确定）。这些波束指向可变，主要用于覆盖特定地区和热点地区。

依据我国国土分布情况，全球覆盖3 颗GEO卫星宜分布在印度洋、太平洋和大西洋上空相应轨道位置，例如依次为51．5°E、163．5°E 和80°W（见图11）。其中：51．5°E轨道位置卫星可用我国西部地区测控站进行测控与管理；163．5°E 轨道位置卫星可用我国东部地区测控站进行测控与管理。另外，80°W 轨道位置卫星已超出国土内测控站的视区，在国外不设站的情况下，可用下述途径进行测控与管理：①利用西部地区测控站，通过该站与51．5°E卫星的星地链路以及51．5°E 卫星与80°W 卫星的星间链路来测控与管理；②利用东部地区测控站，通过该站与163．5°E卫星的星地链路以及163．5°E 卫星与80°W 卫星的星间链路来测控与管理。在国外不设通信馈电站的情况下，80°W 轨道位置卫星的馈电链路信号传输路径类似于测控信号传输路径。

图10 GEO 卫星双功能用户波束覆盖示意Fig．10 Two functionality user beam covering of GEO satellite

图11 全球覆盖3颗GEO 卫星轨道位置分布示意Fig．11 Orbital locations of three GEO satellites for global covering

7．1．3 LEO 卫星星座

为了便于讨论，假设本天基综合信息网的LEO卫星星座采用极轨圆轨道，其相关参数示例如表2［17］和表3所示，其波束覆盖示意如图12［18］所示。

表2 极轨圆轨道星座轨道参数Table 2 Orbital parameters of polar circular orbit constellation

表3 极轨圆轨道星座有效载荷的功能和性能Table 3 Payload functions and performances of polar circular orbit constellation

图12 极轨圆轨道星座波束覆盖示意图Fig．12 Beam covering of polar circular orbit constellation

7．2 空间层航天器

空间层航天器包括载人飞船、空间站和各种用途的卫星及其星座。其中，卫星有科学探测与技术试验卫星、气象卫星、地球资源卫星、海洋观测与监视卫星、环境与灾害监测卫星、导弹预警卫星和电子侦察卫星等。上述航天器可分为两类：一类是不需要数据中继卫星转发数据的；另一类是需要数据中继卫星转发数据的，称为数据中继卫星的用户航天器。

一般来说，凡是轨道位置在国内地球站视距以外的GEO 航天器，其测控和数据传输都可由国内地球站通过数据中继卫星中转实施；同样，凡是在国内地球站视距以外有数据实时传输要求的NGEO航天器，其数据实时传输都可通过数据中继卫星中转到国内地球站实施；此外，凡是在国内地球站视距以外有事件应急处理要求的各种轨道航天器，其应急处理都可由国内地球站通过数据中继卫星中转实施。也就是说，以上三大类航天器都是天基综合信息网数据中继卫星的用户航天器。

7．3 临近空间层飞行器

临近空间是指距地20～100km 高度的空域，处于现有飞机的最高飞行高度和卫星的最低轨道高度之间。临近空间飞行器是指能够飞行在临近空间执行特定任务的飞行器，与其视距外地球站进行测控和数据传输时，可以依靠数据中继卫星进行测控和数据中继。

根据任务用途，临近空间飞行器可分为临近空间信息平台和临近空间运输平台；根据飞行方式和原理，可分为轻于空气的飞行器（LTA）和重于空气的飞行器（HTA）。前者主要为平流层飞艇、平流层高空气球和平流层半可控浮空器；后者主要为太阳能平流层飞艇、平流层无人机和高超音速飞行器等。

临近空间飞行器在抢险救灾和军事应用上前景广阔，其特点决定了在情报收集、情报传输、快速反应等方面具有重要的军事应用价值。它将作为军用航空器和军用航天器的有效补充，成为未来联合作战中一支新的重要力量，可作为通信中继平台、对地观测平台、预警平台、电子侦察与干扰平台、区域导航平台、武器作战平台、装备兵力投送平台、卫星有效载荷和空间武器的试验台等。

7．4 空间层时空基准

空间层时空基准拟用我国“北斗”卫星导航系统的星座。“北斗”卫星导航系统是我国自主建设、独立运行、与其他卫星导航系统兼容共用的全球卫星导航系统，在1994年启动试验系统建设，已于2012年12月正式提供区域服务，计划到2020年左右建成覆盖全球的卫星导航系统，为全球用户提供定位、导航、授时服务。“北斗”卫星导航系统除了通过星地链路为本系统的地面层（海、陆、空）多种用户机提供服务外，根据需要，还可通过星间链路为空间层航天器和临近空间层飞行器提供定位、授时服务，此外，还可通过星弹链路为各种导弹提供定位、授时服务。

“北斗”卫星导航系统的星座（见图13）由5 颗GEO 卫 星 和30 颗NGEO 卫 星 组 成。其 中，30 颗NGEO 卫星由3颗倾斜地球同步轨道（IGSO）卫星和27颗中圆地球轨道卫星组成。该系统采用L 频段，提供开放和授权两种服务方式。开放服务是在服务区免费提供定位、测速和授时服务；授权服务是向授权用户提供更安全的定位、测速、授时和通信服务，以及系统完好性信息，其中，通信服务每次可提供120个汉字的短报文服务。

图13 “北斗”卫星导航系统星座示意Fig．13 Beidou satellite navigation system constellation

8 结束语

本文依据国情，提出了建设我国天基综合信息网的构想。此构想采用双层（GEO 和LEO）通信卫星星座和导航卫星星座，可实现全球全时覆盖空间层航天器、临近空间层飞行器、地面层各种用户终端，利用星间链路、星地链路和地面线路组成一个空天地一体化的全球信息网络。将相关的卫星通信系统、卫星对地观测系统、卫星导航定位系统和其他航天器系统，相关的临近空间各种飞行器系统，以及相关的地面设施，通过星间链路、星地链路和地面线路进行综合，组成一个空天地一体化的天基综合信息网，这是航天应用技术发展的必然和创新，将是我国航天技术发展的又一个里程碑。

我国的理论研究和技术基础，已经初步具备了建立天基综合信息网的条件。为适应国家战略发展、经济建设、国防建设和军事保障能力的实际需求，结合航天技术快速发展趋势，促进信息共享和资源综合利用，充分发挥航天信息化建设的应用效益，应尽快开展我国天基综合信息网的研究和建设工作，建议国家相关部门组织人员开展我国天基综合信息网的可行性研究。

（References）

［1］王家胜．中国数据中继卫星系统及其应用拓展［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］闵士权．天基综合信息网初探［C］／／中国通信学会第九届卫星通信学术年会论文集．北京：中国通信学会，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］刘品雄，葛之江，张连台．天地一体化遥感信息应用网络体系的发展［J］．航天返回与遥感，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．天基测控网与天基综合信息网相关技术述评［J］．电讯技术，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］王明远，郭建恩，于兰绅，等．空间对地观测技术导论［M］．北京：军事谊文出版社，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］沈荣骏．我国天地一体化航天互联网构想［J］．中国工程科学，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］谭维炽，顾莹琦．空间数据系统［M］．北京：中国科学技术出版社，2004

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

［10］张军．天基移动通信网络［M］．北京：国防工业出版业，2011

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

［11］杨海明．空天信息网络自主管理技术的研究［D］．沈阳：沈阳理工大学，2008

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

［12］姜月秋，冯永新，刘治国，等．基于卫星综合信息网的网络管理模型［J］．东北大学学报（自然科学版），2003，24（1）：15-18

Jiang Yueqiu，Feng 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］王莹，胡修林，胡伟圣，等．基于GEO／LEO 卫星通信网的路由策略研究［J］．计算机工程与应用，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］杨力，杨校春，潘成胜．一种GEO／LEO 双层卫星网络路由算法及仿真研究［J］．宇航学报，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 两层星座的卫星组网结构分析［J］．火力与指挥控制，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］龙飞．卫星网络鲁棒QoS路由技术研究［M］．北京：国防工业出版业，2010

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

［17］石东海．基于NEMO 的军事卫星星座通信网络体系结构与关键技术研究［D］．长沙：国防科学技术大学，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，侯庆国．变革中的卫星移动通信系统［C］／／第十届中国卫星通信广播电视技术国际研讨会会刊．北京：中国卫星通信广播电视用户协会，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）