空间信息网发展态势及关键技术

王大鹏 赵培 刘立祥 （中国科学院软件研究所天基综合信息系统重点实验室）



空间信息网发展态势及关键技术

王大鹏 赵培 刘立祥 （中国科学院软件研究所天基综合信息系统重点实验室）

资助项目：国家自然科学基金No.91438207、No.91438102；中国科学院国防科技创新基金项目CXJJ-15S128

空间信息网凭借卫星得“天”独厚的优势，对广域空间信息资源进行一体化组织与处理，是具有按需服务能力的空间信息基础设施。空间信息网是由不同轨道上不同种类、不同性能的卫星或星座系统以及相应的地面设施，按照信息资源的最大有效综合利用原则，通过星地、星间链路构成的天地一体化综合网络系统，能够集信息获取、信息分发、信息处理于一体，以最小的代价获取尽可能广泛、实时的信息，并快捷地发送到各终端，已经成为军民信息应用领域不可缺少的重要系统。

空间信息网综合了军民两用的多种航天系统，包括遥感监测、导航定位、通信广播、气象等应用。传统的各类卫星应用系统分离的控制中心通过网络信息技术从单一平台转移到综合信息网络上，能够实现陆海空天信息融合共享，实现不同信息获取和应用组织的跨域信息互通互操作，并最终实现信息在军事和民用领域全天时、全天候、全方位的无缝支持。

1　空间信息网应用需求

广域信息感知需求

空间信息系统中的遥感卫星、测绘卫星、气象卫星等为大时空广度、多谱段的信息获取提供了技术手段，多颗遥感卫星组网可实现对指定区域的连续探测。通过分散的传感器信息集成，预警卫星系统可以在弹道导弹的助推段发现目标，提供预警信息，扩展了地面雷达和预警机的预警范围，为反导作战赢得宝贵的准备时间。测绘卫星、气象卫星可以提供战场的详细信息，缩短了信息获取时间，为作战决策提供有力的支持。

通信和指挥控制需求

与地面通信网相比，天基信息系统不受地域、地形的影响，能够完成快速组网，短时间内可实现全球范围内的终端用户接入，为灾害救援、联合作战、远洋编队等任务提供广域通信支持。空间信息网在卫星通信中能够实现大容量交换、广域的系统覆盖和实时系统响应，具备无缝的互联、互通、互操作和高强度安全防护能力。基于实时高效、前沿到达的通信手段，能够减少指挥层级实现扁平化的快速决策和响应，实现跨领域、跨地域的联合行动。

信息融合需求

为实现信息的实时提取和高效分发利用，空间信息网利用星载信息处理技术，可以直接从遥感图像信息中提取有效信息并下传给用户，不仅大幅度降低了数传信道压力，还能显著提高信息产品的时效性。基于空间多源信息获取平台，利用空间信息处理技术对信息进行自动化融合处理，能够极大提高信息获取的准确性、目标提取的实时性和信息分发的目的性。

信息综合应用需求

为发挥空间信息网的综合优势，满足综合应用需求，逐步组建对地观测卫星网络，提高信息获取能力；建立全球卫星导航定位系统，增强精度、抗干扰能力；使各类空间信息网设施互联互操作，满足综合应用的效能要求。空间信息网的综合应用能够及时协调并组织天空地武装力量，精确、快速地获取战场态势，协同调配我方的战斗力，掌握未来战场的主动权。

2　空间信息网发展态势

空间信息网的发展经历了“单星系统-单层卫星系统-多层卫星系统”三个发展阶段，目前正向“异构多功能卫星系统”，即空间信息网发展演进。空间信息网的本质是实现了空间卫星系统的网络化和一体化，将系统中的各个节点通过星间链路、星地链路有效地组织起来，提高系统的灵活性、机动性和智能化。因此，通信网络化、卫星智能化、深空通信等成为未来空间信息网发展的热点方向。

空间组网通信

2001年美军提出军事转型计划，支持美国大陆和政府网络间的通信。相互连接以后，以前区域性的网络可连接到空间信息网实现全球互联，支持用户、处理中心和存档中心间的信息交换。随着空间路由技术的发展，美国开展了“思科低轨卫星路由器”（CLEO）研究计划。该计划的目标是在低轨卫星上搭载互联网协议（IP）路由器，实现IP数据包在空间的路由和交换。2004年11月-2005年3月，美国航空航天局（NASA）对星载路由器分别进行了4次星地之间的IP路由测试，测试证明在低轨卫星上搭载IP路由器是可行的。但同时也存在IP路由服务时间非常短、星地时钟同步校对时间长等问题。

美国国防部于2006年开展“太空互联网路由”（IRIS）计划。在地球同步卫星空间环境下，测试评估星载IP路由器的工作性能以及对IP业务传输与路由的影响。卫星发射成功后将构建以星上IP路由器为交换核心的IRIS网络，为美军提供话音、视频和数据通信服务，并实现互联网分组业务的“一跳”转发。

2006年，美国NASA启动了执行期到2025年的“空间通信与导航网络”（SCaN）项目，以支持太阳系空间飞行器的通信与导航为目标，开发基于网络的空间通信与导航系统，构建统一的网络体系结构与通信协议，满足太空探索任务高速数据传输的需求，支持月球与火星载人探测的通信与导航任务，保障现有空间飞行器的数据传输、飞行器的定位与跟踪等，该网络包括近地网络、空间网络和深空网络。

NASA综合网络体系结构

为满足未来空间任务的需求，美国NASA规划了一个具有综合网络管理和标准业务接口的综合体系结构，包括如微波组阵、光通信和新导航能力等新技术，并计划在将来能够实现空间网络互联。该综合网络具有向用户提供所有SCaN资源来支持其任务的能力，同时也能实现资源的优化应用，高效地满足NASA任务的总需求。2012年初，NASA在“国际空间站”进行了一体化通信试验床项目的搭载试验，在利用软件无线电技术搭建的验证平台上对SCaN一体化通信进行软硬件配置试验，在一体化通信终端上实现了“跟踪与数据中继卫星系统”（TDRSS）、“全球定位系统”（GPS）和近地网络在K/S/L多个频段上的互联和一体化通信。

星载高速信息处理

星载信息处理载荷通过智能处理技术能够从遥感图像信息中提取有效信息直接下传给用户。目前，世界上发达国家已经将星载信息处理载荷应用于多种类型的业务卫星，使空间信息获取系统不仅能获取数据，并能对数据进行聚集和系统化处理，变成用户容易接受的形式，形成用户可直接利用的信息。美国计划大力发展星上信息“融合”技术、神经网络技术、图像压/扩技术等，经星上处理后的信息，可供用户实时采用。

深空探测组网

20世纪末美国国防高级研究计划局（DARPA）资助NASA喷气推进实验室（JPL）进行名为“行星际互联网”（IPN）的研究计划，该计划比“思科低轨卫星路由器”等研究计划涵盖的范畴更大，将应用于火星等其他行星的科学研究上。系统构成包括行星网、行星际扩展网、行星际骨干网三部分。美国国防高级研究计划局基于IPN的体系结构，结合地面移动网络、AdHoc网络、传感器网络等受限网络的特征，提出了容延迟网络（DTN）。DTN可以处理具有间歇式连接和大传输延迟特性的网络互联问题和异构网络互联问题。其相关组件主要由消息转发机制、节点与端点机制、命名与寻址机制、路由与转发机制、安全机制、服务质量保障机制和汇聚层适配器组成，相关协议在开放式系统互联（OSI）层次模型中处于传输层之上，应用层之下。

容延迟网络协议体系

信息系统战术应用

卫星信息实时应用于战术目的的需求日益凸显。为解决前线基层作战人员无法实时按需获取战区情报的问题，美国国防高级研究计划局于2012年3月12日提出了“提高军事作战效能的空间系统”（SeeMe）项目发展构想，该项目实质上是以低成本为最高优先级，通过创新卫星研制模式、创新图像获取和处理技术、创新发射部署模式，设计能够按需满足战术需求的小卫星星座系统。实现从地面用户直接向卫星提出成像请求到接收图像数据不超过90min。

在空间信息的综合利用方面，美国针对如何从大数据中自动化、智能化地识别最有价值的信息，并进行分析处理，帮助指战员更好地做出决策，美国国防高级研究计划局在2010年后推出了多个项目，如“洞察”（Insight）火星着陆器等。项目针对情报、侦察和监视（ISR）系统中各类图像和非图像数据，研究自动化的形象推理功能，辅助情报分析人员更快地发现攻击威胁等有价值的情报，其目标是实现综合作战视图、增强时敏战场作战保障。该项目2013年进入了第二阶段，进一步增强综合、分析、集成多源信息能力。

3　空间信息网关键技术

空间信息网组网及传输技术

空间信息网以卫星网络作为骨干，联合深空网络、临近空间网络、地面网络共同构成，包括各个轨道层面和深空执行不同任务的卫星及航天系统。这种高度综合性的网络打破了异构系统间数据共享的壁垒，能够有效地综合利用各种资源（包括轨道资源、载荷资源、通信资源等），不仅可以提供一体化的侦察、导航、指挥通信等服务，也可以为随遇接入、广播通信、气象预报、应急救援等提供全域、全时的支持。

空间信息网是一个稀疏网络，卫星节点之间空间距离大，信息传输时延超出了传统网络传输控制协议的适应范围，星地网络的上下行链路传输带宽不对称，不同的卫星应用系统中星间网络具有异构特性，需要针对大时间/空间尺度、异质异构、链路不对称等特点，设计天地一体化网络协议，实现星地网络、近地空间、行星际网络的组网和互联。

空间信息网组成示意图

以基于IP的空间组网体系架构，形成一体化空间信息网络协议体系，达到资源高效利用、协调利用和优化利用的目的。研制即插即用的IP业务接入控制技术，定制卫星IP业务服务质量（QoS）保证机制，根据军事应用的特殊需求，设计适合于宽带卫星网络的QoS保证机制。通过传输控制协议（TCP）增强技术，针对空间网络链路和传输特点，研制基于速率的传输控制方法，并通过点到点的错误恢复机制提升传输可靠性。将其与地面信息传输协议进行融合，达到针对空间、无线、有线网络的分段有效控制，实现信息高效可靠传输。开展基于IP协议的星地一体演示验证工作，将IP交换设备送入太空，重视卫星终端和协议标准化，循序渐进推进基于IP协议的宽带卫星通信网络建设。

通过空间信息网一体化组网需求和技术特点的分析，可以提出面向两级空间网络的网络结构，网络协议采用一体化的实现架构满足两级网络的组网和通信传输需要，协议栈架构模型如下图所示。

空间信息网协议体系

以跟踪与数据中继卫星、宽带卫星为核心构建空间高速骨干网络，以遥感信息获取、气象环境监测等专用卫星系统构成空间信息接入网络。在骨干网和接入网内部采用基于国际空间数据系统咨询委员会（CCSDS）定义的空间通信协议标准体系，研究适用于星座组网和星间信息转发的传输控制协议、动态路由协议、接入和管理协议等核心软件。空间骨干网与接入网的系统互联方面，重点解决异构系统信息一体化传输问题，采用基于高级在轨系统（AOS）的空间数据链路协议、星间/星地一体化的路由算法，实现信息高效转发，直接支持地面及近地空间用户的信息实时应用需求。

骨干网星间网络协议栈是面向同构系统的星座内部信息网。系统内各卫星需要根据任务进行信息的交互和协同，是面向应用的信息网络，主要研究基于特定任务协同的网络协议。采用基于“空间通信协议标准”（SCPS）的协议栈，具备传输控制、路由、星间链路通信等较完善的协议能力。

空间接入网的接入互联协议是面向异构网络交互的数据通信网。异构系统间，低轨用户卫星可以借助中高轨骨干卫星的通信链路转发业务数据或完成工程测控。信息传输协议栈采用通用化的链路通信协议，与骨干星座链路互联互通，完成信息在不同链路或系统中的帧格式转换，并通过具体协议设计提高网络寻址和链路成帧效率，兼容地面网络的星地一体化路由，完成面向信息转发的数据通信任务。

空间信息网安全技术

为了保证空间信息系统中信息获取、传输、存储、处理、融合及分发过程的安全性功能，需要针对星间网络的特征和空间信息系统的特点，设计实现高强度加密认证等安全协议技术，使星间组网通信能够得到安全控制和可靠保障，并延伸保证与其他信息系统互联和信息共享的安全可控。探索有效的安全体系构建、安全策略实施及安全/性能综合评估验证分析方法，满足天地一体化信息网络的资源约束、效率代价约束等要求。

分析空间网络保密性、可靠性和实时性需求，充分利用卫星的远程传输优势和宽带卫星链路的广播特性，设计加密、认证与编码过程相融合的基于信息属性的空间数据安全传输机制，保证空间数据在传输过程中始终处于安全可控状态，并能够结合空间信息网络环境特点和任务需求进行基于信息属性的安全传输优化，有效提升空间数据传输安全性和时效性。

针对具有周期星历和网络拓扑变化的卫星网络环境，围绕空间组网安全需求，研究支持空间网络环境的入网鉴权技术，入网鉴权协议以哈希和异或运算为主，运算量小，能够抵抗冒充、篡改、重放等常见攻击，并能针对空间网络环境的周期星历和移动终端移动规律，有效降低协议的计算复杂度和平均传输延迟。

空间信息网安全协议层次

空间信息处理技术

在有限的资源条件下，获取高性能、高效率的数据处理计算机实现，为星上数据处理提供稳定可靠的运行环境，是星上高性能计算技术的主要研究内容。采用现场可编程门阵列（FPGA）实现算法加速，提高处理能力。早期的算法加速多采用DSP技术，近年来，国际先进的航天工程多采用FPGA实现其算法加速，可以实现大量片内并行的简单单元计算器，以并行计算体系结构提高整体计算能力，非常适合图像信息处理。

在轨功能重构技术是指能够对FPGA等可编程逻辑器件进行功能的重新配置，器件功能重配置后，新的逻辑功能就可正常使用的技术。这样，该系统中就形成了最灵活的动态重构平台，在系统软件的管理下，这一硬件平台能够非常高效地支持在轨功能重构。可重注入和加速部件用于实现算法加速功能，提高单个处理节点的处理能力；实现加速部件的动态功能更新，以支持不同的应用；支持软件重注入功能。

4　总结

由于空间环境的特殊性、资源的动态性以及计算能力的约束，如何保证空间信息网在约束环境下的高性能信息传输和处理是进行空间网络体系结构设计的难点，要面向空间网络任务需求开展自感知、自调整、自防护、自优化的智能的空间信息网体系结构研究。设计并完善空间信息网络协议体系，集成空间上分布、异构的各种卫星资源，实现跨卫星平台、天地一体的高性能网络联合，为用户提供一体化的信息传输、处理、分发服务。通过确保信息可用性、完整性、机密性和可管理性，引入保护、检测和反应能力，实现保护信息内容和空间网络系统的安全防护目的。利用虚拟化、分布式计算等技术，突破传统卫星单独计算的局限性，将分布式计算技术融入到卫星网络系统当中，提升卫星网络计算的性能，提高卫星处理能力。

祁首冰/本文编辑

Development Trend and Key Technologies of Space Information Network