我国空间信息网发展探讨*

常 青，李显旭，何善宝

（1北京航空航天大学 北京 100191 2中国空间技术研究院 北京 100094）

引 言

2000年11月，中华人民共和国国务院新闻办公室首次发布《中国的航天》白皮书[1]，文中指出“航天技术已成为当今世界高技术群中对现代社会最具影响的高技术之一，不断发展和应用航天技术已成为世界各国现代化建设的重要内容”。航天事业作为我国国家发展战略的重要组成部分，一直受到政府高度、持续的关注。我国航天事业从1956年创建以来，通过不断的自力更生、自主创新，在一些重要领域已跻身世界先进行列。

在此白皮书的远期发展目标中首次明确提出“按照国家整体规划，建成多种功能和多种轨道的、由多种卫星系统组成的空间基础设施；建成天地协调配套的卫星地面应用系统，形成完整、连续、长期稳定运行的天地一体化网络系统”。两个建成明确了天地一体化网络系统的组成形式，即天基网络系统和地基网络系统的融合。在2006年[2]和2011年[3]发布的《中国的航天》白皮书中继续强调“超前部署前沿技术研究”，“统筹建设空间基础设施”。航天技术领域的网络化建设是当今世界网络化发展的必然趋势。我国正经历从单星、单星座的空间系统建设向全面组网的空间系统建设的转型时期，且已拥有了多功能、多种类的卫星系统及航天器，这为我国开展网络系统建设提供了重要的基础保障。

本文介绍了空间信息网的概念及国内外研究现状；分析了空间信息网的主要特征；提出了利用北斗系统的GEO卫星作为骨干网兼作接入网，IGSO和MEO卫星作为接入网兼作骨干网，通过与数据中继卫星、通信卫星等系统的融合，构成覆盖全球的空间信息网的天基骨干网的设想；明确了我国天基骨干网建设面临的问题及关键技术，为进一步开展空间信息网的专项研究奠定基础。

1 空间信息网概念

国际上对于空间信息网络并没有明确定义。目前我国学术界谈论较多的有以下三种空间网络。

①天地一体化航天互联网

2006年沈荣骏院士提出天地一体化航天互联网的构想[4]，指出我国天地一体化航天互联网建设的总体目标：建成一个综合性的星间、星地及地面互联互通的网络系统，凡与航天器有关的数据接收、传输分发、运行控制等资源均应一并予以有机整合，服务不再局限于一种卫星，也不再对应于一类用户，而是向多种用户提供多种类型的信息，实现信息共享和统筹建设。沈荣骏院士构想的航天互联网可分为空间段和地面段两部分，通过天地链路连接成一个一体化的互联网络，主要强调对航天系统资源的整合。

②空间信息网

2013年自然基金委发布了关于“空间信息网络基础理论与关键技术重大研究计划项目指南”的重大专项课题[5]。指南中定义“空间信息网络是以空间平台（如同步卫星或中、低轨道卫星、平流层气球和有人或无人驾驶飞机等）为载体，实时获取、传输和处理空间信息的网络系统”。网络侧重在天基层面，强调飞行器、航天器及卫星等天基信息载体的整合。

③空间综合信息网

2013年闵士权总工程师提出了我国天基综合信息网构想[6]。他指出，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：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。该网络通过整合不同的卫星系统，以卫星通信网为核心实现统揽全球的信息传递功能。

上述三种对于空间信息网的描述各有侧重，本文所述空间信息网是上述概念的进一步延伸，将网络中的元素进一步泛化，即空间信息网是由空间平台载体构成核心网和接入网，与其相应的地面设施、管理系统等构成运维管控网，以地面传感器网、空间载体、深空探测器等利用空间平台载体进行信息获取、传递、交互的子网和节点构成应用网，由此构成了我国空、天、地、海一体化的全球全时无缝覆盖的信息获取、传输和处理的网络。

在空间信息网中最重要的是核心网建设，使网络从地基向地基辅助天基和天基自主的运控管理模式转变，实现天基自主化、智能化的信息感知和传输处理及分发功能。

2 国内外空间信息网发展

2.1 国外空间信息网发展

2014年6月6日，美国航天局宣布通过“激光通信科学光学载荷（OPALS）”试验[7]，利用激光束将一段37秒的名为“你好，世界”的高清视频从国际空间站回传至地面，与传统技术需要至少10分钟下载不同，试验仅10秒钟就完成传输任务，昭示着“太空宽带”这样一个新的时代的到来。美国是空间网络发展最全面、形式最多样、天基组网水平最高的国家，其实施的空间网络系统计划包括IPN计划[8，9]、OMNI计划[10，11]、TSAT计划[12]、SCaN计划[13]等。

1998年启动的行星际互联网计划IPN（Interplanetary Internet）提出了将地面网络技术拓展到空间应用的思想，提出了容延网DTN（Delay Tolerant Network）[14]的网络架构，即在协议栈中增加Bundle层[15，16]，使路由从“存储-转发”方式转变为“存储-携带-转发”方式，以解决网络不能在任意时刻都存在端到端链路的通信问题。行星际互联网概念图如图1所示。

图1 行星际互联网概念图Fig.1 Concept of Interplanetary Internet

2000年美国开始实施OMNI试验计划[17]（Operating Mission as Nodes on the Internet），其体系架构如图2所示。该项目研究利用地面商用P协议实现空间通信方案，进行了“航天飞机上的通信与导航演示验证”CANDOS（The Communications and Navigation Demonstration on Shuttle）。

图2 OMNI网络架构Fig.2 Network Architecture of OMNI

2002年美国政府设立了TCA（Transformational Communications Architecture）项目[18]，使美国全球作战人员通过信息网络实现互联，提供前所未有的传输容量、可访问性、可靠性和不受干扰、窃听及核影响的通信服务，并保证提供给用户天基的“任意时间、任意地点”的宽带骨干网络。TCA设想的全球信息栅格格局由宽带全球卫星通信系统（WGS）、移动用户目标系统（MUOS）、先进极高频系统（AEHF，又名军事卫星Ⅲ）、先进极地系统和转型通信卫星系统（TSAT）[19]组成，其通信体系如图3所示。TCA项目设想将美国各卫星系统有效协同以达到“网络化”联合作战的目的，改变目前“烟囱式”的任务和系统格局，促进系统间信息共享、利用及挖掘。

图3 美国TCA军事卫星通信体系Fig.3 American Military Satellite Communication System of TCA

TSAT（Transformational Satellite Communication System）系统是整个TCA进程的第一步，网络架构如图4所示。它利用5颗卫星构建天地激光通信系统，通过星间链路和星地链路实现美国三大独立军事卫星通信系列（窄带卫星通信系列、防护卫星通信系列和宽带卫星通信系列）相互支持、相互联通和资源共享，实现类似地面Internet的服务，系统采用基于IP的网络协议体系，系统设计的吞吐量达到10～40Gb/s。

图4 TSAT网络架构Fig.4 Network Architecture of TSAT

2006年NASA决定由其下属机构——空间通信与导航办公室SCaN（Space Communications and Navigation）负责，对其拥有的空间通信及定位的相关资产和基础设施进行统一管理和系统集成，实现一个高度集成的网络结构，并提出将光通信技术和先进的网络技术作为下一代通信和导航的主导技术。该项目通过一个统一的、集成化的网络，为位于整个太阳系内的空间飞行任务提供通信与导航服务，包括数据收发、跟踪、定位和授时。SCaN项目整合了近地网络[20]NEN（the Near Earth Network）、空间网络[21]SN（the Space Network）和深空网络[22]DSN（the Deep Space Network），网络通信体系如图5所示。

图5 SCaN集成化网络通信体系Fig.5 SCaN Notional Integrated Communication Architecture

2.2 我国空间信息网发展

目前我国仍无法实现全球建立卫星测控站，这使得执行航天任务的卫星只能在地面观测站上空时才能将数据回传至控制中心，一般需要几个小时甚至更长时间。为了提高各类卫星的使用效益和应急能力，为保证资源卫星、环境卫星等卫星数据的实时下传，以及为飞船等航天器提供数据中继和测控服务，我国于2008年4月25日发射了“天链一号01”地球同步轨道卫星，如图6所示，意味着中国也开始拥有天基数据“中转站”。

2011年7月11日发射的“天链一号02星”与“01卫星”组网运行，并在天宫一号和神州八号、神州九号的交会对接任务中发挥了重要作用。2012年7月25日“天链一号03卫星”发射升空并与“01星”和“02星”构成全轨道覆盖的网络，图7为天链一号三星组网示意图。

天链一号卫星的运营极大地提高了我国大型航天任务跟踪测控的需要，使我国初步具备了天基数据传输能力和对航天器天基测控服务能力，也使得天链一号卫星系统成为我国空间信息网天基核心网的重要组成部分。

目前我国关于空间信息网领域的体系设计和技术研究仍处于探讨和起步阶段，组网技术水平相对较低，形式相对单一，能力也相对不足。

图6 天链一号01卫星Fig.6 Satellite of Tianlian I-01

3 空间信息网的特点

空间信息网是一个规模庞大、结构复杂的天空地一体化网络，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，能够高效地与地面网络进行互连互通。因此，网络协议必须适应空间信息网的特殊性。空间信息网主要特点[4，6，23]如下：

图7 天链一号卫星三星组网示意图Fig.7 Illustration of Tianlian I Satellite Networking

①大尺度：空间信息网的通信组网范围是从地球表面延伸至临近空间直到深空的三维空间。

②网络拓扑结构时变性：网络节点是地面（移动）用户和各类飞行器，其空间位置不固定，网内节点间链路也不固定，通信链路频繁连通/中断。

③信息传送带宽多样性：网络时变特性使得网络的带宽与服务质量随之变化，同时各类飞行器、航天任务等对带宽的需求不尽相同。

④网络异构性：空间信息网中包含的各类系统的用途和功能不同，其系统结构、通信体制和对外接口不会都相同，因此该网络必然是一个异构网络。

⑤网络可扩展性：空间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技术，因此在网络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。

⑥安全性和可靠性要求高：由于信息传输的暴露性，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 基于北斗的空间信息网

4.1 北斗在空间信息网中的定位与优势

截至2020年，北斗全球卫星导航系统将建设成为由24颗MEO和3颗GEO、3颗IGSO卫星构成的双层全球覆盖的卫星星座，系统示意图如图8所示。为了支持导航系统的自主定轨与时间同步、自主运行等系统增强功能，北斗系统建立了星间链路。星间链路的建设是北斗导航系统现代化的一个重要标志，使其在功能和性能上都得到大幅度的提升。北斗系统作为我国具备覆盖全球能力的重要的空间基础设施，和中继卫星系统、通信卫星系统等系统一样，是空间信息网极为重要的组成部分。2014年8月10日，在哈尔滨召开的首届“空间光通信技术及应用学术研讨会”上，曹桂兴研究员提出空间组网势在必行，我国应利用多颗GEO卫星提供至少100Gb/s的骨干网通信能力，提供例如国家间高速骨干网通信服务。笔者设想利用北斗系统的GEO卫星和中继卫星、GEO通信卫星共同承担建设我国空间高速骨干网的重要任务。

图8 北斗卫星导航系统示意图Fig.8 Beidou Navigation Satellite System

4.1.1 北斗系统的定位

北斗全球卫星导航系统不但拥有与天链一号系统覆盖范围相当的GEO卫星，而且还拥有全球覆盖能力的MEO卫星星座，在提供位置服务的同时可以担当起通信的功能，在良好的通信和导航集成的一体化网络服务架构的支撑下，可以实现基于星地、星间链路高速宽带网络的导航与通信一体化导航技术的目标。若卫星上搭载高速宽带通信设备，必将大幅提高其数据中继能力，使其向下可支持气象、海洋、陆地观测等任务高动态、宽带实时传输，向上可支持深空探测、载人航天的超远程、大时延可靠传输。

北斗系统的GEO卫星通过与数据中继卫星（如天链一号）、通信卫星等系统的GEO卫星的融合，组成空间信息网的核心网并兼作接入网；北斗系统的IGSO和MEO卫星组成空间信息网的接入网并兼作核心网，由此可构建出空间信息网的核心网及接入网，提供向上和向下的网络、导航和授时等服务；通过合理的网络设计、先进的通信体制，提高网络对不同质量要求数据的处理、分发和服务响应能力，从而极大拓展我国对重大自然灾害、救援、应急事件响应的支撑和决策能力。

4.1.2 北斗系统的优势

①全球覆盖优势

我国自主研发的北斗卫星导航系统将在2020年实现对全球用户的无源导航定位服务，届时北斗卫星导航系统将实现全球覆盖，成为我国第一个实现全球覆盖的MEO卫星星座系统。利用现有的MEO星座实现全球覆盖的网络接入，比重新建设LEO星座更具实际可行性。

②系统复杂度优势

GEO卫星跟踪容易，但通信时延大，对用户终端的EIRP和天线增益都有很高要求，且存在两极盲区；LEO系统大大缩减了传输时延，但单星覆盖时间过短，全球覆盖需要卫星数多，系统设计和网络管理复杂。北斗系统中的MEO星座性能介于二者之间。相对GEO系统来说，传输时延更小，且接收终端研制难度与LEO系统大体相当；相对于LEO系统来说，其覆盖全球的卫星数较少，系统设计和管理复杂度低。国际上已有成功设计MEO卫星通信系统的先例，如Odyssey系统、ICO系统等。

③网络接入优势

终端若接入卫星网络应尽量与卫星长时间建链，以避免不停切换链路带来的代价和开销，降低地面控制中心对网络管理的复杂操作。MEO星座对地可见时间长达100分钟以上，而LEO仅可见十几分钟，若以LEO为接入网，由于LEO每颗卫星覆盖范围快速变化，在用户不动的条件下，可近似看成提供服务的基站在快速运动，呈现出小区跨越用户现象。为了保证用户持续通信，地面控制中心对网络的管理需要更为复杂的操作。

④星间链路优势

卫星通信系统一般有两种，一种是卫星与信关站互连仅实现透明转发，没有星间链路和星上处理能力，数据的处理、交换和管理完全交由地面控制中心站完成，这种方式需要地面系统可以全球布站，以保证与卫星的连接；另一种则是卫星具备星上处理能力，并配有星间链路，通过星载路由算法保证分组数据的准确投递，这种方式避免了全球布站问题。由于我国目前尚不具备全球布站能力，因此北斗系统在设计之初就考虑了星载处理能力和星间链路功能，这使得在我国目前无法全球布站的限制下，提供卫星通信服务成为可能。

4.2 北斗天基核心网面临的问题>

北斗系统作为一个导航系统，需要满足导航服务需求，其星座结构具有针对性设计，其建链约束需满足以自主导航为目的的星间测距和时间同步要求等。在此基础上利用北斗作为天基核心网实现网络通信功能将面临如下问题：

①导航星座星间拓扑结构设计：在满足导航服务需求的前提下，仍存在多种可选的拓扑结构，因此需要针对空间信息网的通信服务需求合理设计网络拓扑，在保证工程实现的基础上提高网络运行效率。

②星间通信能力的提升：目前星间链路仅为保证导航服务，设计的通信速率低。为保证核心网的带宽需求，应采用如空间光通信技术、V频段通信技术、网络编码技术、涡旋电磁波等先进的技术手段大幅提高星间通信速率。

③高效星载处理技术：为了核心网的高速高效运行，核心网节点必须具备快速交换能力，因此必须提高星载设备处理能力，设计合理的星载交换技术，实现快速高效的点对点数据交换。

4.3 空间网技术发展建议

4.3.1 亟待突破的关键问题

①多系统融合问题

空间信息网络是由单星系统、多星星座系统、各类航空航天器及地面终端等等组成的复杂网络，各系统相对封闭，为了实现统一互连的网络形式，首先必须解决系统间物理层互连问题。

②兼容的协议体系

目前各类航天任务采用的协议不同，若由构建的空间信息网统一提供服务，需要考虑到协议之间的兼容问题，并通过稳步的协议过度，逐步实现统一的导航通信一体化的协议标准。

③星间路由技术

空间信息网络是由多层次多类型的卫星系统组成，一些数据在网络中的传输需要多跳的投递，不仅在某个卫星系统内多跳传输，甚至在不同系统间进行多跳投递，因此需要设计合理、简洁而高效的星间路由算法。

4.3.2 值得研究和应用的前沿技术

①空间光通信技术

空间光通信是利用光作为信息载体，相比微波通信，其具有频带宽、潜在传输速率高、保密性好、终端体积小重量轻功耗低等优势[24]。NASA首席科学家David J.Israel也指出[25]“激光通信和容延网将是未来空间通信最核心的技术”。空间光通信除了构建星地、星间双向高速通信链路外，深空双向光通信也正在快速发展。另外，基于可见光的空间光通信、激光通信测距一体化、光域处理交换技术、微波空间光传输技术等都是目前研究的热点。

②容延网

容延网主要用于解决链路断续连接、网络时延多变、高误比特率、链路不对称下的通信问题，主要通过在网络协议栈中增加BP层（Bundle Protocol）提供端到端的网络服务。NASA在2013年11月通过“月地激光通信试验LLCD（Lunar Laser Communication Demonstration）”首次在激光链路上实现DTN协议数据包的传输[26]。CCSDS组织从2012年开始致力于在航天领域将BP协议标准化，2014年7月已经发布CCSDSBP协议标准红皮书[27]第三版（即标准草稿）。我们可以考虑跟踪和研究CCSDS标准，并合理地应用在我国空间信息网的设计中。

③网络编码

网络编码的雏形[28]是Raymond等人在1999年提出的，2000年Ahlswede等人[29]将此概念推广并证明通过合并信息流可以使所有节点同时达到“最大流-最小割”定理[30]描述的多播传输速率上界。网络编码在提高无线网络吞吐量、增加网络可靠性、减少重传次数、提升网络安全等方面都有明显优势。网络编码在空间信息网中的应用仍处于起步阶段，是一个值得探索的研究方向。

④涡旋电磁波（OAM光学）

Allen等人在其1992年的工作中指出[31]光学涡旋OV（Optical Vortices）光束包含螺旋型相位因子，具有全新自由度——轨道角动量OAM（Orbital Angular Momentum）。与仅有两个态的自旋角动量不同，OAM拥有无限个本征态，从理论上说单光子的OAM可以承载无穷多比特信息。将OAM引入光通信后，使其成为除了波长、时隙和偏振等自由度以外的又一新的自由度，并成为Tbit光通信的重要技术。我国科技部于2014年4月启动了“基于光子轨道角动量（OAM）的新型通信体制基础研究”的973项目[32]。由于涡旋现象是波的一种固有形态特征，除了发展高速光通信外，还可以在微波领域挖掘电磁波的涡旋特征，发现新的自由度，实现微波通信速率质的飞跃。

5 结束语

由于空间信息网络是一个规模巨大、时空跨度大、异质异构的复杂网络，因此其顶层架构、网络模型、通信体制、网络协议设计、网络管理、安全机制、网络性能分析等都面临巨大挑战。本文提出了基于北斗构建我国空间信息网核心网的设想，分析了其潜在优势和面临的问题。考虑到空间信息网的建设是一个长期工程，不妨先将研究重点放在激光与微波混合通信体制和基于容延网的网络设计，开展和部署我国空间信息网络核心网建设，使其带动相关技术、配套产品及应用系统的发展，并积极推进前沿技术的研究和应用，逐步完成我国空间信息网的建设目标。我国已经初步具备了多轨道、多功能、多种类的航天系统，这也为我国进行空间信息网建设提供了必要的基础。

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