天地一体化信息网对水利卫星通信发展影响的分析

刘庆涛，庞 镭，杨 非，严宇红

（1. 水利部水利信息中心，北京 100053；2. 首都经济贸易大学，北京 100070）



天地一体化信息网对水利卫星通信发展影响的分析

刘庆涛1，庞 镭2，杨 非1，严宇红1

（1. 水利部水利信息中心，北京 100053；2. 首都经济贸易大学，北京 100070）

摘 要：天地一体化信息网作为我国重大战略需求和发展路线，是提升信息化水平的重要手段，我国正加速天地一体化信息网的实施布局。从水利卫星通信发展的内在需求，分析在结构体系、业务组网方式、运行维护管理业务等方面，天地一体化信息网将对水利卫星通信产生影响，指出创新、融合、统一是水利卫星通信及水利信息化的发展趋势。

关键词：天地一体化信息网；水利卫星通信；水利信息化；发展趋势

0　引言

2015年是卫星年，发生了以下卫星“大事件”：8月，北斗系统第 18，19 颗导航卫星首次实现星间链路建立，标志着我国成功验证了全球导航卫星星座自主运行核心技术；9月，第 20 颗北斗导航卫星发射，首次搭载了氢原子钟，同月，我国发射首颗Ka 通信技术试验星；11月，40 nm 高精度北斗导航定位芯片正式发布，航天恒星发布了 Anovo 2.0 卫星通信产品，国产 VSAT 系统首次采用国际标准，同月，“老挝一号”通信卫星发射升空，开创了中国航天“天地一体化 + 商业运营”的国际合作新模式。这些看似各自相对独立的卫星产业事件，其实是紧密联系在一起的，反映出我国卫星导航、遥感、通信等领域的“黄金期”已经到来，我国天基系统的基础实力正在显著提高，通过采用网络通信技术实现各种卫星系统之间的互连互通，构建星际互联网，将使各种卫星系统的效能实现本质的提升。谷歌，SpaceX，One Web 也相继宣布投资建设近轨道卫星，用于向全球提供卫星互联网服务，“天地一体化+商业运营”已成为国内外运营商都在争夺的新阵地。

种种迹象表明，星际组网、天地一体化通信网络的实现已进入倒计时，信息网络正在从地面、空间分割走向一体化［1］。未来天地一体化通信网的实现势必会对当前的水利卫星通信网发展带来巨大的影响甚至是变革。

1　水利卫星通信网的局限性

水利卫星通信网作为保障防汛抗旱指挥调度应急通信的重要手段，自 2009年进行卫星转发器更替及主站改造升级后，经过 6年的发展，新一代水利卫星网已初具规模，已入网运行近 600 个卫星小站，在 2014年云南鲁甸地震灾区发挥了重要的作用。尽管新一代的水利卫星网具有 DVB-S2、Ku + C 双星双波段技术体制，但点对点的垂直服务模式决定了其在技术性能、综合保障能力方面仍存在局限性，为此以水利卫星通信网在云南鲁甸地震灾区实战中的体现为例，分析卫星专网体制本身的局限性。

鲁甸地震发生后，水利部信息中心迅速启动应急预案，派出技术人员携带多种卫星终端设备本抵达堰塞湖现场，为小站开通寻址，直至与水利部防汛指挥中心建立通信联系，时间已过 24 h。而地震发生后第一时间，“高分二号”卫星等多颗遥感卫星灾区就已经向指挥部传递了灾区第一手资料。水利卫星应急通信建立的时间一定程度上取决于抵达目的地的时间，而灾区如果处在边远山区、道路损毁严重等进入环境条件恶劣地区，通联时间很难得以保证。当水利卫星应急队伍还在“路上”时，灾区信息已遥感至“云端”。

1.2与其他卫星专网功能上相互孤立，业务上不能互补

在灾区应急保障中，终端卫星小站能够通过水利卫星专网实现语音、视频传输业务，现场视频效果是远超遥感卫星的图片信息，使现场情况更加直观。但随着各领域卫星专网终端设备陆续抵达堰塞湖现场，水利卫星小站的呼通率急剧下降。在这次堰塞湖处置中，除了水利卫星系统，还有来自中央、省、市级电视台的卫星专网，水文水位监测卫星系统，武警水电部队卫星系统等十多种几十套卫星设备，各系统（除水位监测系统）的主要功能相同，都是提供语音、视频传输业务，只是服务对象及传输目的地不同而已。尽管各行业卫星专网固定的组网模式在行业内起到了重要的信息支撑作用，但站在国家卫星事业发展的角度上，卫星通信专网是卫星事业发展初期，用户需要量低、基础设施少、使用费用高的特定时期的产物。行业间卫星专网系统重复建设现象也较严重，尤其在灾区的应急通信保障中，现场电磁情况异常复杂，极易发生相互干扰。

1.3专网功能单一，缺少综合保障能力

鲁甸灾区堰塞湖处置过程的应急通信保障任务中，水利卫星专网系统担负的是建立现场指挥部与各方的语音、视频传输业务通信保障任务，而堰塞湖现场水位监测是由地方的水位监测系统完成的。在堰塞湖现场环境突变，需要紧急撤离时，出现了因天黑能见度差、路滑坡陡、几乎迷路的情况，本用于通信保障的卫星终端因体量大、需固定建联的弱点，无法达成与各方的联系，这突显了水利卫星终端功能的单一性、局限性，以及综合保障能力的缺乏。此时，如果兼备北斗导航系统功能，能自动将工作人员当前具体位置及相关信息实时传回，监控中心便能在地图上动态显示监控终端设备及工作人员的具体位置，从而基于电子地图实现对工作人员的动态和可视化路线的规划，起到全方位综合保障作用。

现有的各通信系统由于通信体制多样，致使各类通信网均有显著的封闭性，相互间互联互通实现比较困难，制约了现有通信资源效能的发挥，成为应急通信的瓶颈［2］。这些问题，也普遍存在于水利通信网中，制约着水利信息化的发展，但随着天地一体化通信网的实现将得到根本性的解决。

2　天地一体化通信网的影响

天地一体化通信网是通过各种功能卫星星间、星地链路，将地面、海上、空中和深空的用户和飞行器及各种通信平台密集联合的，比如，地面和卫星之间可以根据应用需求建立链路，实现实时数据的传输［3］。天地一体化通信网会对水利卫星通信网在结构体系、业务组网方式、运行维护管理业务等方面产生影响。

特别是当面对沙漠的那种一望无际的广袤浩瀚，那种日升月恒的壮美，对雕塑体量大小的考虑就成为了一个首先要认真对待的问题。而更难以把握的是雕塑本身与场域的扩散与围合之气氛，需要呈现怎样的状态？对这些问题我们尚无经验，须在实践中完善。

2.1结构体系的改变

2.1.1空间段

当前的水利卫星通信网以 2 颗通信卫星为空间中继；天地一体化通信网空间段是由不同轨道、性能的各种卫星组成的天基星座，不仅具有通信功能，还有遥感、导航、定位等多种功能。

2.1.2地面段

水利卫星通信网地面段是以固定、车载、便携卫星站等卫星终端，相互独立存在的；天地一体化通信网地面段则是庞大、复杂的通信终端物联网，不仅包括通信卫星终端、遥感、导航等各类卫星终端，还包括有线、短波等各类通信网终端，各类终端通过物联网平台实现统一调度、互通交互。

2.2业务组网方式的改变

水利卫星网是水利行业内“点对点”垂直保障组网模式，与其他通信网相互独立，无业务交集，业务模式如图 1 所示。

图1　水利卫星网业务模式

天地一体化通信网采用“网对网”综合星际云服务保障组织模式，将天基卫星网络和包括水利卫星专网等各行业专网在内的地面物联网进行有机结合，业务模式如图 2 所示。应急保障中，不论是空间段还是地面段获取的灾区信息都可以汇聚到应急指挥中心，实现资源共享、统一调度，地面任意用户可以按需调用，能让地面物联网最大化辅助卫星网络的工作，使通信保障更完善。

图2　天地一体化通信网业务模式

2.3运行维护管理业务的改变

现有的水利卫星通信网是政府投资建设的，租用星上资源，地面主站系统及小站由政府管理运行维护，运维采用外包服务的方式，运维人员以掌握专网结构组成，主站及小站设备性能、运行指标、故障处理等维护技术为主；未来的天地一体化通信网不仅是技术手段的提升，而且是多层面的遥感、通信、导航综合应用，是跨领域资源共享与信息综合服务［4］，将采用统一的公网运营商管理模式，面向网内所有用户提供服务，普通用户不需要自建主站系统，可直接免费或付费使用服务。这种商业化的公网运营模式，打破了行业卫星专网因自建主站，而需要投入高额建设管理经费的传统模式。因此，未来的水利卫星通信系统作为天地一体化通信网的子系统，由运营商提供运维服务的模式也将成为可能。运维单位也将因各综合通信组织的需要，由技术型向综合业务管理、各网系组织协调的业务型转变。

3　水利卫星通信发展趋势的分析

尽管天地一体化信息系统实现之路，还面临研究天基信息处理、空间信息融合、天地系统的交互、地面系统互联互通、天地一体化信息系统与仿真、安全防护等系统应用效能提升的瓶颈问题，但在政策引导下［5］，激光、量子通信等新技术不断涌现，这些技术壁垒终究会被攻克。水利卫星通信网应制定适应未来科技发展的顶层设计、总体规划，主动推陈出新，走创新、融合、统一的发展之路。

3.1创新

1）应用上的创新。为满足用户对未来应急网络综合性服务保障的需求，创新发展思维，开展多网协同、集成服务的应用研究，构建水利卫星综合应用体系；为满足未来激增的用户对卫星网提出的容量、速率向更高量级的发展需求，开展 Ka 频段宽带卫星通信系统等应用。

2）技术上的创新。未来一体化网络对技术人员提出的不仅仅是掌握最新技术能力的要求，面对庞杂的网系结构，更是要具备较强的组织协调能力，因此不能满足目前技术服务外包的现状，要培养专业化的在职人员队伍，以创新和应用项目为契机，组织新技术研究、学习，甚至选派技术骨干参与相关国家重大课题项目科研活动。

3.2融合

未来的一体化网络，是一个星际、天地融合的庞大且复杂的综合网络，注定今后 10年甚至更长时间的一个重要发展主题就是“融合”。水利卫星网应开展以下 2 方面的融合：

1）行业间融合。2015年11月16日，水利部与交通运输部在北京召开座谈会，进一步深化 2 部合作［6］。2 部都有各自的信息系统，而交通运输部的北斗导航系统在民用领域的应用是国家示范工程，2 部应该以此为契机，展开在卫星网络上的资源整合和共享，率先展开行业间卫星网络的交流、合作。

2）新技术与系统融合。要开展与国内在空天地科技领域处于领先水平的中国航天科工、中国航天科技、中国电子科技等集团在卫星领域的合作，加强物联网、云计算、大数据等新技术与水利卫星通信的业务融合，例如利用北斗导航系统在定位、授时、短报文功能上的特点，扩大北斗终端设备应用范围，开展公网未覆盖区域的水文测报、地下水监测等方面的技术应用合作。

3.3统一

未来的地面物联网是各类通信网络如卫星网、电话网、移动网、互联网进行安全可靠的信息交互和共享，网与网之间、数以百万计的各类终端设备之间能否互联互通得以实现的关键。因此，统一的技术体制、接口标准，对物联网的实现至关重要。要在水利行业内深入开展水利卫星通信系统与其他水利通信网融合的顶层设计和技术体系建设，统一协议标准，构建综合集成的网络信息体系，建立起一套能够实现不同通信系统的集中接入、统一调度、互通交互的物联网系统。

4　结语

随着国内遥感、北斗导航、通信卫星等天基基础设施迎来前所未有的高增速长态势，天地一体化信息网将在政策引导下，新技术推动下，得以实现。通过分析，现有水利卫星通信网将在内在需求推动下，顺应信息时代的发展，转变现有的组织结构、应用管理模式，改拥有为使用，独享为共享，构建渠道与平台［7］，走创新、融合、统一的发展之路，全面提升水利通信网的综合保障、应急处置能力，推动水利卫星事业的可持续发展。值得注意的是，目前，水利卫星通信网在多网融合之路已经迈出第一步，实现了水利卫星网和地面语音交换网的互联互通，正在研究开展与武警水电部队在应急通信领域的合作。

参考文献：

［1］ 杨学山.“天地一体化信息网络”研究工作稳步推进 ［EB/ OL］. （2013-12-25） ［2016-04-02］. http://cyyw.cena.com.cn/ 2013-12-26/content_206900. htm.

［2］ 李飞龙，李志强，李毅. 天地一体化应急信息网及多址方式研究［J］. 数字通信世界，2013 （5）: 45-48.

［3］ 刘立祥. 天地一体化网络［EB/OL］. ［2016-04-02］.http:// blog. sciencenet.cn/blog-528739-929456. html.

［4］ 国家发改委. 关于印发国家民用空间基础设施中长期发展规划（2015—2025年）的通知（发改高技［2015］ 2429号）［EB/OL］.［2016-04-02］.http://bgt.ndrc.gov.cn/zcfb/201510/ t20151029_756380. html.

［5］ 新华网. 十八届五中全会通过的十三五规划中有关“互联网+”、“完善信息基础设施建设，并推动与其他行业快速融合”的论述［EB/OL］. ［2016-04-02］. http://news. xinhuanet.com/tech/2015-11/02/c_128382375. htm.

［6］ 水利部网站.《水利部 交通运输部深化部门合作 推进水利交通事业持续健康发展》［EB/OL］. ［2016-04-02］. http:// www.mwr.gov.cn/slzx/slyw/201511/t20151117_725825.html.

［7］ 顾行发. 民用空间基础设施建设需求及应用解决方案——以遥感为例［EB/OL］. （2015-11-12） ［2016-04-02］. http:// www.ccpitecc.com/article.asp？id=6419.

Analyses IGASIN impact for Development of Water Conservancy Satellite Communications

LIU Qingtao1，PANG Lei2，YANG Fei1，YANG Yuhong1
（1. Water Resources Information Center，the Ministry of Water Resources，Beijing 100053，China；2. Capital University of Economics and Business，Beijing 100070，China）

Abstract:As a major strategic need and development of the route，“Integrated Ground-Air-Space Information Network” （IGASIN） is an important means to enhance the level of informatization. Our country is accelerating the implementation arrangement of IGASIN now. This paper analyzes IGASIN how to influence water conservancy satellites’communications from the structural system，business network mode，operation maintenance and management business in the future，based on the internal demands of water conservancy satellites’communication development，and points out that innovation，integration and unification are not only the developement trends of the water conservancy satellite communications but also the trends of water conservancy informatization.

Key words:IGASIN；water conservancy satellite communications；water resources informatization；development tendency

中图分类号：TN927；TV39

文献标识码：A

文章编号：1674-9405（2016）03-0026-04

DOI:10.19364/j.1674-9405.2016.03.006

收稿日期：2016-04-13

作者简介：刘庆涛（1976-），男，吉林松原人，高级工程师，主要从事水利信息化、通信运行维护工作。