天基物联网：基本概念、体系架构及发展趋势*

李 凯，李 峰，杨伟铭

(军事科学院系统工程研究院，北京 100171)

0 引 言

物联网是在互联网基础上延伸和扩展的网络，它利用多种传感设备对物理世界进行感知与识别，通过信息网络传输感知数据，并对其进行计算、处理和分析，实现人与人、人与物、物与物之间的信息交互，达到对物理世界管理、控制与决策的目的[1-2]。自1999年物联网的概念提出至今，已过去了20多年的时间[3]。伴随这些年来信息通信、计算机、传感器等技术的发展，物联网已经逐步从概念走向实践与应用。美国、欧盟、日本、韩国等发达国家和地区均高度重视物联网技术的发展与应用，展开了持续深入的研究[4-10]。我国在2010年就将物联网写入政府工作报告[11]，从战略角度布局其研发与应用[12-14]。在5G、大数据、人工智能等技术的支撑下，物联网或将成为新一次信息产业革命的代表，并对社会发展产生深远影响。

天基信息网络是地面信息网络向太空的延伸和扩展，它是随着航天技术、通信技术和网络技术的发展而成长起来的[15]。天基信息网络以卫星通信技术为基础，与地面信息网络相比，具有覆盖范围广、抗毁能力强等优势，可以接入地面通信无法或难以接入的终端用户，且能够在自然灾害等恶劣环境下继续发挥作用[15-18]。卫星轨道和频段属于稀缺资源，争夺激烈[15,19]，世界各航天强国均大力发展各自的天基信息网络。美国对天基信息网络的研究较早[20-24]，欧盟、俄罗斯等也开展了相应的研究。我国1999年就召开了天基综合信息网络研讨会，2016年实施天地一体化信息网络重大工程[25]，2020年将卫星互联网列入“新基建”范围[26]，有望加速天基信息网络的建设。

将天基信息网络与物联网的概念进行结合，就形成天基物联网的概念。天基物联网利用天基信息网络和各种传感器将地球上的人、物等连接起来进行信息交互，并通过对信息的分析处理实现对物理世界的管理、控制和决策。与传统的物联网相比，天基物联网具有诸多优势，如覆盖范围更广，能够实现天空地海的三维空间立体覆盖；能够感知和连接地面网络无法到达的地方，如沙漠、海洋、偏远山村等；感知节点部署在太空，因此具有更强的抗毁能力。天基物联网具备天基信息网络的所有优势，并带有物联网连接万物的特征，这使得天基物联网能够实现全球感知、全球物联、全球应用等功能。进入21世纪，自然灾害监测、卫星资源抢夺、偏远地区物联感知等现实需求都为天基物联网建设提供了必要条件。天基物联网将能够在自然资源、交通运输、生态环境、国防军事等多个领域发挥作用。例如，天基物联网通过天基传感器能够感知大区域范围的自然环境要素，服务于自然资源监测；通过天基传输网络为交通运输领域建立天地一体、全球覆盖的交通运输信息化基础通信信息网络；在森林、湿地、鸟群等场景中布设相应的传感器，并通过天基网络进行信息传输处理，对自然生态环境进行监测；在国防军事中用于全球侦察监视与预警等，服务于国家战略安全。

当前已有文章对天基物联网发展现状、关键技术进行了综述：文献[27]讨论了天基物联网系统的主要任务应用程序，分析了其关键任务应用和部署问题；文献[28]认为，开放性问题、新挑战和创新技术已成为天基物联网的研究重点，并分析了当前物联网标准化框架将对天基物联网系统的适用性。本文则着眼于天基物联网的实际建设应用和未来发展趋势，在概述天基物联网发展现状的基础上，介绍了天基物联网的基本概念和体系架构，分析了天基物联网未来的技术发展趋势，可为天基物联网的论证与实施提供参考，同时更具有实际应用价值。

1 天基物联网发展现状

目前在学术界和产业界对于天基物联网还未形成明确的概念，但是天基通信、遥感、导航等网络的建设已经取得了很大进展，有些系统已经或基本建设完成。基于天基信息网络，美国等国家也开展了数据采集、监测、管理、控制等应用，这些应用都属于天基物联网的范畴；同时也出现了一些以天基物联网为建设目标的星座计划。

美国在本世纪初就提出并逐步实施了星间互联网(Interplanetary Internet,IPN)[20,29]、下一代太空互联网(Next Generation Space Internet,NGSI)[21]等卫星通信系统项目，对卫星组网、通信协议体系等天基信息网络的关键技术展开研究。随着火箭回收和小卫星等技术的发展，卫星制作、发射与运行的成本大幅下降，商业公司开始参与大规模低轨卫星通信系统的研究与建设，如美国One Web、SpaceX等商业公司均提出自己的卫星互联网计划并进入了建设阶段。欧盟和俄罗斯也发展了各自的卫星通信网络计划。我国已经在轨运行了天通系列等高轨卫星移动通信系统，但是低轨卫星通信系统部署相对较慢。近几年，航天科技、航天科工等集团分别提出建立“鸿雁”“虹云”等卫星互联网星座项目并开展实施。随着卫星互联网列入我国新型基础设施建设等政策支持，我国即将迎来卫星通信星座的加速部署与发展。

在卫星传感器领域，美国早期提出了传感网(Sensor Web)[30-31]、智能地球观测卫星(Intelligent Earth Observing Satellite，IEOS)[32]等项目，对卫星传感器的集成应用和信息融合处理开展研究。美国Planet Labs、EarthNow、欧盟的空中客车等商业公司均开展构建对地观测的卫星星座，其中Planet Labs已经能够提供全球地球影像的每日更新能力。我国2010年启动了国家重大专项高分辨率对地观测系统，现在已经基本建成了全球对地观测网络，下一步重点将转向应用。随着中国商业航天领域的逐步开放，商业公司也开展了对地观测卫星星座的筹划，如深圳企业发起了“灵鹊”遥感星座计划，欲实现半天覆盖全球的目标。

在卫星导航领域，美国20世纪70年代就建成了GPS并投入使用。欧盟、俄罗斯、中国近些年来也分别建立了各自的全球定位系统，即“伽利略”(Galileo)、格洛纳斯(Glonass)、“北斗”。依托强大的综合国力，我国最新一代的“北斗”导航定位系统建设迅速，2020年已完成最后一颗卫星的发射部署。我国还开展了基于“北斗”的变电设施监控等应用，取得了良好效果。此类应用也属于卫星导航在天基物联网领域的应用探索。

作为卫星应用的三大领域，通信、导航、遥感的融合与一体化发展是未来必然的发展趋势，也是天基物联网建设的基础。美国提出了全球信息栅格(Global Information Grid，GIG)[33-34]，用于综合集成美军在全球部署的传感器、计算机、武器平台，建立信息化作战的空间信息网络。该项目已经具备了天基物联网的部分特征。2018年，美国国防高等研究计划局开展了“黑杰克(Black Jack)”卫星星座项目[35]。“黑杰克”计划与以往项目的不同之处在于其战略目标是设计出一种通用化的卫星平台，可同时携带两到三种不同载荷，不必再单独为通信、导航、遥感等载荷各自设计平台[36]。我国在2000年明确了建设天地一体化网络系统的发展目标，并在2016年实施了天地一体化信息网络重大工程，这些研究仍以卫星通信网络建设为主，对于遥感、导航等卫星，主要从接入卫星通信网络的角度进行了探讨。2006年沈荣骏院士[37]提出天地一体化航天互联网的概念，从航天测控的角度出发，将各种卫星传感器连接为一张网络，但是缺少对卫星通信的考虑。李德仁院士[38-40]提出了空天地一体化对地观测网络、互联网+天基信息服务系统、对地观测脑等构想，通过采集、传输和处理海量数据，实现通信、遥感和导航一体化的天基信息实时服务[41-43]。

当前天基物联网的实践主要是以天基通信网络为基础，通过在地面上布设传感器终端，如定位终端、数据采集终端、海洋环境监测仪器等实现物联网应用，美国的Orbcomm系统[44]、ARGO系统[45]等均属于此类应用。航天科工集团提出的天基物联网卫星星座计划“行云工程”也属于此类应用。笔者认为，完整的天基物联网将不仅提供地面传感器的另一种接入方式，还将实现各类天基传感器的集成与应用，构建天地一体化的信息获取、传输与应用系统。

2 天基物联网基本概念与体系架构

2.1 基本概念

结合物联网的定义和国内外对天基物联网的研究现状，本文给出天基物联网的定义如下：天基物联网是指以天基通信网络为信息传输的主要方式，按照天地一体化信息网络的标准通信协议，利用天基传感器和地面通信网络不便于连接的其他传感器等信息感知装置获取物体信息，并通过多种网络接入技术，将物与物、人与物、人与人连接起来，进行信息交换与通信，以实现对物体的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理等功能的一种能互联互通互操作的信息网络。天基物联网是天基信息系统的一种应用模式，它将物联网向天基领域延伸。

2.2 体系架构

天基物联网的整体架构可以分为技术体系架构和系统体系架构。技术体系架构从天基物联网的数据处理流程分层级构建，主要包括感知、传输、处理和应用四层。从物理空间和功能组成上分解天基物联网的系统体系架构，主要分为空间段、地面段和用户段。

2.2.1 技术体系架构

考虑到天基信息传输与处理的特殊性，参考传统地面物联网技术体系架构，笔者认为将天基物联网的技术体系架构分为四层比较合理，四个层级分别为信息感知层、网络通信层、数据管理层和应用服务层。此外，标准规范体系和信息安全体系贯穿于天基物联网的信息感知、传输、处理与应用全流程中。天基物联网技术体系架构如图1所示。

图1 天基物联网技术体系架构

2.2.1.1 信息感知层

信息感知层是天基物联网与天地一体化信息网络在技术体系架构上最明显的区别，天地一体化信息网络技术体系架构设计中通常不包含该层。天基物联网的信息感知层用于获取物理世界中物体的几何、物理属性和物体状态的变化等信息，这些信息数据的形式包括各种几何物理量、编码标识、图形图像、音频视频等。信息感知层主要由各种传感器节点、信息采集终端和传感器网络构成，其中传感器节点包括天基传感器，如分布于不同轨道高度的遥感、电子侦察、预警探测、气象等卫星的有效载荷；还包括地面、空中、海面、水下等广泛分布于地球表面附近的各种信息采集设备，如射频识别技术(Radio Frequency Identification Devices，RFID)、全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)定位导航终端、激光扫描仪、摄像头等。这些设备由于远离市区等原因不便接入地面通信网络，只能通过卫星通信的手段进行信息传输。需要注意的是，多数天基传感器可独立采集物体信息，如各类遥感卫星，而有些天基传感器本身并不具备感知功能，需要配合终端设备才可实现感知功能。例如，定位导航卫星必须配合定位终端才可进行定位，因此定位导航卫星与定位终端共同构成了天基物联网信息感知层的位置感知模块。除了天基和地球表面附近的传感器，临近空间的开发利用近些年来也逐渐受到重视，此处布设的传感器若通过通信卫星进行信息传输，也可纳入天基物联网的信息感知设备中来。

天基、地面、海面、临近空间等全球范围内传感器节点和信息采集终端可按照应用需求将某一类别的传感器进行组网，形成同源传感器网络，如将数千个海面浮标组网构成海洋监测网；也可将不同类别的传感器进行组网，由此形成多源异构的传感器网络，如综合利用不同轨道高度、不同分辨率的遥感卫星、临近空间飞艇、有人机、无人机、地面图像采集车辆、摄像头等传感器构建从宏观到微观的对地侦察监视网络。

2.2.1.2 网络通信层

天基物联网网络通信层建设应主要依托于天地一体化信息网络重大工程的建设。根据当前天地一体化信息网络提出的体系架构，由天基骨干网和天基接入网共同构成天基物联网的网络通信层。天基接入网是天基物联网的网关，由分布于低轨的全球移动通信卫星星座构成。天基接入网应具备两方面的功能:一方面是将天基物联网信息感知层获取的数据接入网络通信层并传输至天基骨干网或天基接入网的其他节点，以便于数据的处理，最终再经过天基接入网将处理过的数据下发至应用终端；另一方面是接入天、空、地、海等全球范围内多层次海量用户的各种业务订单和服务需求，将订单和需求经天基接入网和天基骨干网传输给信息感知层，驱动信息感知层按需获取指定数据。

天基骨干网为部署在地球同步轨道的若干个高轨卫星组成，仅需要3颗卫星即可对地球表面绝大部分地区(南、北极除外)实现覆盖，可再增加倾斜地球同步轨道卫星进一步覆盖南、北极地区。天基骨干网的各个节点为了发挥骨干节点的作用，应具有强大的数据接入、中继、交换、存储、处理、融合等功能，但是受到卫星平台和制作工艺的限制，单颗卫星可能无法同时具备多种功能，可利用多颗卫星组成星簇，以综合发挥骨干节点的作用。与单独利用低轨卫星星座构架的网络通信层相比，增加天基骨干网的一个优势在于不靠境外设站的情况下即可实现全球的实时监控、数据传输以及对整个天基信息网络的管理。为实现天基物联网空间信息在天基骨干网和天基接入网之间的传输，需要设计相应的传输机制。其中，天基骨干网之间可采用激光通信实现高速、大容量传输，速率可达5 Gb/s；天基接入网通常建立Ka等频段星间微波通信链路，速率达十至数百Mb/s。同时，为实现不同轨道之间卫星的通信，还需要建立星间通信协议，如国际空间系统咨询委员会(Consultative Committee for Space Data System，CCSDS)、异步传输模式(Asynchronous Transfer Mode，ATM)、时延容忍网络(Delay Tolerant Network，DTN)等适用于空间信息网络的协议。

2.2.1.3 数据管理层

天基物联网的数据管理层对信息感知层获取的数据进行整合汇聚、组织管理、存储检索、分析挖掘等处理操作。天基物联网感知末端获取的数据具有数据海量、多维动态、多源异构等特点，这对其数据管理带来了挑战。天基物联网的感知数据产生于感知末端，而感知末端又广泛分布于从地球表面附近到太空的大范围物理空间环境中，因此天基物联网数据管理层也分为三个层面，分别为部署于地面的数据处理站网、部署于地球同步轨道的天基信息港、部署于传感器和其他感知终端的边缘计算节点。

地面数据处理站网主要包括地面卫星接收站、卫星测控站和天基物联网感知数据运维与处理中心。地面卫星接收站负责接收天基传感器直接传输或经网络通信层传输的数据，卫星测控站对天基传感器的在轨运行状态进行跟踪、测量、计算、预报和控制。感知数据运维与处理中心是地面数据处理站网的核心，负责天基物联网所有感知数据的整合汇聚、组织管理、存储检索、分析挖掘、运行维护。

天基信息港是天地一体化信息网络建设过程中提出的概念，可以将其视为地面数据运维与处理中心的空间形态。建立天基信息港可使天基物联网的感知数据在天基层面直接进行处理，能够提供更加稳定可靠的连接，同时避免大数据量下传的容量过载和时延过长问题，满足高时敏、多样化、体系化的应用需求。天基信息港仍是由网络传输层的天基骨干网作为物理承载平台，即其实体是地球同步轨道上的多个星簇共同组成的“虚拟大卫星”，卫星之间以激光或微波通信的方式进行联通。

边缘计算节点部署于天基物联网的各种传感器和感知终端。在传统地面物联网体系结构中，边缘计算已经得到广泛认可并被认为是物联网的核心技术之一。在天基物联网中，边缘计算的重要性和价值将进一步凸显。首先，天基物联网中数据传输距离比地面物联网大几个量级，无论是将数据卸载至天基信息港还是地面数据处理中心，都会带来较大的传输时延，无法满足实时性较强的任务需求，如战时对重点军事目标的实时监控和变化监测。其次，数量巨大的原始数据，尤其是成像侦察和视频侦察等卫星获取的影像和视频原始数据上传至数据处理中心需要占用大量的带宽，挤压了本来就有限的星间数据传输链路资源，同时制造了巨大的计算压力。在天基物联网的传感器和感知终端形成边缘计算能力，将有效解决以上问题，通过将计算和存储能力“下沉”到网络边缘可直接处理后将有用的结果信息传输至用户，如智能遥感卫星在轨实时处理卫星影像并直接将处理结果传输至境内地面站，这种星上实时处理方法在提升传输时效的同时改善了传输链路的承载能力。

2.2.1.4 应用服务层

天基物联网的应用服务层面向天、空、地、海的各类用户提供服务。这些应用可分为两类应用模式。一类是主动式服务。这类服务主要应用于平时，各类天基传感器和信息采集终端各司其职，按照正常的工作模式感知数据，经网络通信层传输和数据管理层处理后，将处理结果下发至用户，满足用户需求，比较典型的应用案例如海洋环境监测、全球地图测绘等。另一类是任务驱动式服务，这类服务更多的应用于急时、战时。首先由用户提出需求，将需求上传至数据管理层，在数据管理层进行任务规划，再向各天基传感器和信息采集终端发送任务指令，驱动感知层按需获取特定信息。感知层获取信息后再经过传输和处理，最终反馈给用户，满足用户需求，比较典型的应用案例如重要军事目标的实时侦察监视、抗震救灾等。

2.2.1.5 标准规范体系

标准规范体系是构建天基物联网的保障，是推进天基物联网成体系建设的基本依据。天基物联网是一个由多种设备、多维网络、多领域应用构建的庞大网络，为了实现物、人、网之间的互联互通，需要用统一的接口、协议、编码、标识、共享和运行机制进行指导。具体来说，天基物联网的标准规范体系包括体系架构规范、通用标识规范、编码规范、网络协议规范、通信接口规范、数据采集规范、数据传输规范、数据共享规范、安全防护规范等系列通用基础规范，以及数据采集汇聚规范、云端接入规范、数据交换与共享规范、跨网融合与拓展应用规范、军民兼容天基物联网应用规范等系统应用及拓展规范等。

2.2.1.6 信息安全体系

信息安全体系是天基物联网实现安全可靠运行的关键支撑。与地面物联网相比，天基物联网的网络节点分布广泛，网络结构复杂且动态变化，传输链路距离长且信道呈现高度的开放性特征，这些因素都使得天基物联网容易受到外部的干扰和恶意攻击，面临巨大的安全风险。目前针对天基信息网络，我国还未形成完善的安全保障体系和信息安全体系。传统的安全防护机制难以适应天基物联网复杂的体系架构和攻击技术的快速变化，也无法抵御未知漏洞和隐蔽后门的未知网络攻击。天基物联网的信息安全体系设计应当紧密结合当前天地一体化信息网络中安全防护的技术设计，如基于拟态防御等新的安全防护机制增强天基物联网的安全可靠运行能力。

2.2.2 系统体系架构

根据天基物联网的技术体系架构，可将天基物联网的系统体系架构从物理空间和功能组成上分为空间段、地面段和用户段。天基物联网的系统体系架构如图2所示。

图2 天基物联网系统体系架构

2.2.2.1 空间段

天基物联网的空间段是物理表现形式上与传统物联网最明显的区别。空间段分布了位于大气层外不同轨道平面和高度的通信、导航、遥感等卫星以及位于大气层内邻近空间的飞艇等。这些卫星和飞艇上搭载了各类传感器和通信、路由等设备，形成互联互通的空间网络。天基物联网的空间段从物理空间上可进一步细分为地球同步轨道段、中低卫星轨道段和临近空间段。

地球同步轨道段卫星主要有天基骨干网的节点卫星星簇、气象卫星、低分辨率对地观测卫星等。这类卫星的共同特点是覆盖范围广，如3颗静止轨道通信卫星可覆盖全球大部分地区，1颗静止轨道气象卫星即可实现对中国所有国土区域的覆盖。地球同步轨道段的卫星集合中，天基骨干网的节点卫星星簇发挥重要作用，一方面作为信息的中继传输通道，另一方面承担天基信息港的作用，是空间数据处理的中心。

中低卫星轨道段是各类卫星分布最多的区域，绝大部分通信、导航、遥感类卫星均部署在这一区域。中低轨道的遥感、侦察等卫星是天基物联网感知信息的主要获取手段，每天采集着海量的感知数据。导航卫星配合定位导航终端提供位置、授时和短报文类的感知信息。通信卫星构成了天基感知信息的接入网络，海量的感知数据通过接入网络可传输至天基物联网的任一节点进行下一步的处理。

虽然卫星平台能够有效解决远离地面网络的感知终端数据接入问题，但是即使低轨卫星仍距离地面有较高的高度，因此在地面和低轨卫星之间可考虑再增加一层数据传输网络，对特定的区域进一步增强。临近空间由于其独特的空间环境，便于飞行器长时间驻留，甚至可达一年之久，可部署为距离地面仅几十公里的地球静止轨道卫星。这种特性对于通信传输来讲，可以极大程度地降低传输时延和链路损耗；对于遥感对地观测而言，可以以极高分辨率(厘米级)对特定目标定点持续观测，如在边境线附近对敌对国家的边境活动进行监视。临近空间的飞艇等平台同时还具有成本低廉、灵活部署、抗毁能力强等优势，具有较大的发展潜力。

2.2.2.2 地面段

天基物联网的地面段主要包括分布于地面或距离地表较近的信息采集设备及其他传感器、地面部署的数据传输网络以及地面数据处理站网。

天基物联网地面段的设备或传感器因各种原因需要通过天基网络进行接入和数据传输。这些设备或传感器有空中飞行的民航客机、海上航行的舰船搭载的传感设备、海面上的浮标、野外战场中布设的环境传感器等。这些地面或地表附近的信息采集设备和传感器与空间段中的天基传感器共同构成了天基物联网的立体感知网络。

天基物联网主要的信息传输手段是天基通信网络，但是地面部署的数据传输网络，如4G/5G移动通信网络、互联网、专用局域网等信息传输方式也是必不可少的，也将参与天基物联网的建设与应用。例如，地面传感器网络不同节点之间的通信，地面数据处理站网之间的通信，数据处理完成至应用终端之间的通信，均需要地面数据传输网络的支持。

地面数据处理站网的组成及功能在技术体系架构一节中已经阐述，此处不再重复。

2.2.2.3 用户端

天基物联网的用户段广泛分布于天、空、地、海的各个角落，是天基物联网的用户终端，可满足不同种类用户接入天基物联网的需求，并通过终端向用户提供天基物联网的各种服务。

天基用户包括各类航天飞行器和临近空间飞行器中搭载的用户终端。航天飞行器在空中的正常运行和任务执行均需要天基物联网提供功能支撑，如各种卫星的测控工作需要天基物联网传送指令；立体测绘卫星上的成像传感器载荷也需要天基导航卫星提供高精度的三维位置坐标，用于辅助传感器确定成像结果的精确地面坐标。

空中用户主要包括各种航空飞行器，如民航客机、军用飞机、无人机等飞行器以及这些飞行器上搭载的乘客、设备等均需要通过天基物联网获取通信服务。在科学实验中鸟类等空中飞行的生物身上带有的传感器，其数据通过卫星物联网进行传输，此时这些生物也成为了天基物联网的用户。

地面用户是天基物联网占比最大、数量最多的用户集体。第一类天基物联网的用户是不便于通过地面网络接入的用户，如位于荒漠、山区、丛林、野外的旅客、居民、士兵等用户。第二类天基物联网的用户是政府部门、行业用户等，如国土资源部门需要利用天基物联网对国土资源进行周期性的测绘，气象部门需要利用天基物联网对气候变化情况进行及时的监测，军队需要利用天基物联网对作战区域或重点目标进行实时的侦察监视。

海洋是天基物联网应用的重要场景，世界上约80%的面积被海洋覆盖，而在海洋上的信息传输基本只能依靠卫星通信实现。各类舰船等海上运载工具搭载的设备和乘客均是天基物联网的用户。海面上的浮标、海岛上的灯塔等也可通过天基物联网实现信息的传输。随着水下通信技术的发展，未来海下的潜艇、鱼类等搭载的传感器也可逐步接入天基物联网，成为天基物联网的用户群体。

3 天基物联网发展趋势

3.1 天基信息感知能力更加全面、精确、及时

随着感知手段的丰富，未来天基物联网的信息感知能力将更加全面，分布于地面、地下、海面、水下、空中、太空等全球范围内的传感器将具备从宏观到局部、从局部到细节的感知能力，并在几何、光谱、时间、辐射等方面具备越来越高的分辨能力。

感知结果的精确是后续处理和应用的前提，天基物联网的服务要求数据源能够越来越精确。随着各种传感技术和硬件水平的提高，未来各种传感器感知到的温度、湿度等环境参数及时空位置信息等将更加精确。

及时的感知信息获取能力是保障天基物联网提供实时或准实时应用的基础，而当前遥感卫星数据感知能力距离实时应用还具有较大差距，面对应急事件时，遥感卫星经常会因为距离较远而无能为力。除了发射越来越多的卫星以提高传感器的重访能力，未来天基物联网建设还需要重点研究卫星的资源调度和任务规划，以更加及时地获取感知数据。

3.2 天基信息传输能力更加安全、高速、通畅

信息传输的安全防护能力对于天基物联网的可靠运行至关重要。天基信息网络本身具有体系结构复杂、通信信道开放、网络拓扑动态等特点，面临比地面网络更加严峻的安全防护风险与挑战。为了满足天基物联网国防军事等领域对信息安全的应用需求，未来需要突破天基信息传输的安全防护关键技术，提供能够有效抵御基于未知漏洞和隐蔽后门的网络攻击安全防护体系。

天基信息传输距离远，时间延迟长，这是天基物联网的特性，也是其应用的短板问题，研究天基信息的高速传输技术对于提升天基物联网的实时服务与保障能力具有重要意义。激光通信是当前星间链路较多采用的一种通信方式，它具有高速率、网络化、多用途等特点，其中高速率是其主要的应用目标与发展方向。当前激光通信的速率已经达到约6 Gb/s；美国提出了在卫星和地面间利用激光进行通信的方案，速率有望达到10 Gb/s；未来激光通信将向着40 Gb/s甚至更高的速率发展。

天基信息高速传输是保障信息快速到达处理节点或应用节点的必要条件，却不是充分条件。天基信息传输的通道还需要尽可能地通畅，这要求信息的传输距离应尽可能缩短，信息在不同节点之间传递或不同方式之间转换的时间窗口应尽可能大，直至具备全天时的传输能力。要实现天基信息的通畅传输需要从天基卫星星座的结构设计、卫星星间链路的拓扑结构、卫星资源调度和任务规划等方面展开深入研究。

3.3 天基信息处理能力更加自主、高效、准确

当前天基信息数据处理通常在地面数据中心进行，虽然主要的数学运算已经基本被高性能计算机取代，但是整个数据处理流程离不开人工的辅助作业。天基物联网的数据处理将遍布于各种感知末端、信息传输节点、天基信息港和地面数据处理中心等处，这要求天基物联网具备无人值守的自主数据处理能力。边缘计算在感知终端的广泛应用、数据处理算法性能的提升、GPU等硬件的迭代升级都将推动天基信息数据处理更加快速和高效。大数据分析能够从海量的天基物联网感知数据中挖据出有效信息，人工智能技术能够从大规模训练样本中找到准确的模式识别方法，这些技术应用于天基物联网将能够提升数据处理的准确性。

3.4 天基信息服务能力更加实时、泛在、智能

信息服务的实时性对于用户体验而言具有重要意义，小至日常生活中的语音通话，大至战场上的态势感知，对时效都有着严苛的要求。天基信息及时的感知能力、高速和通畅的传输能力、高效的处理能力，所要实现的目的只有一个，即让天基信息的服务更加实时。天基信息服务领域广泛，几乎涵盖了国家和社会领域的方方面面。借鉴5G技术网络切片的思想，可面向不同应用将天基物联网划分不同的应用子网，提供大连接、增强型宽带、低时延等不同种类服务，使天基物联网服务能力更加泛在化。智能时代的到来还要求天基物联网的服务具备智能化特征，天基信息服务的智能化表现在其应用模式从产品驱动转向任务驱动，即天基信息服务因任务需求的产生，其产品只是为应用服务而存在，由此还能解决星地资源配置不合理、应急响应效率低等问题。

3.5 天空地海一体化融合发展

天基物联网以天基信息网络为主要信息传输方式，下一步将融合地面、空中的通信网络，构建天地一体化的物联网，此时天基物联网与传统物联网将实现有机结合，并成为一体。伴随着地下、水下通信基础设施建设和技术的突破，未来天基物联网可进一步融合地下、水下的通信网络及相应的传感设备，实现物联网天空地海一体化的融合发展，使物联网真正做到全球范围内“无死角”的实时感知。天空地海一体化物联网建设需要突破多种异构网络在体系架构、技术体制、标准协议等方面的融合。

4 结束语

在“新基建”频频在国家层面被提及且写进了《2020年国务院政府工作报告》等多个官方文件的今天，天基物联网作为物联网、卫星互联网、数据中心、人工智能等多个已明确的新型基础设施建设领域的综合应用，发展正当其时。天基物联网的建成能够提升我国在自然资源调查、应急抢险救灾、国防军事应用等多领域的服务保障能力，同时也是展现强大综合国力、形成战略威慑的有效支撑。本文在前人研究基础上，以系统工程思维，进一步从技术和系统两个层面提出了其体系结构，分析其发展趋势，在天基物联网的建设实施中更具有实际应用价值。我国火箭运载技术、卫星发射能力日臻成熟，天基物联网建设已经具备基本条件，但是当前仍然面临一定的技术挑战，存在卫星部署成本较高、频谱资源相对紧缺等问题。作为战略性的新型基础设施，天基物联网的建设可以充分发挥我国的体制优势，建议下一步应集中力量攻克技术难题，并深入研究论证天基物联网的具体部署和实施方案。