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2023-06-26 理论教育版权反馈

【摘要】：1.系统体系结构天地一体化信息网络采用“天网地网”架构，即以地面网络为依托，以天基网络为拓展，主要由天基骨干网、天基接入网、地基节点网组成，并与地面互联网、移动通信网融合互联，图10.59给出了天地一体化信息网络系统体系结构。

天地一体化信息网络是以地面网络为依托、天基网络为拓展，采用统一的技术架构、统一的技术体制、统一的标准规范，由天基骨干网、天基接入网、地基节点网、地面互联网、移动通信网等多种异构网络互联融合而成的，具有多样化业务承载、异构网络互联、全域资源管理等特点。天地一体化信息网络作为国家重要的信息基础设施，对于国土安全、应急救灾、交通运输、经济发展等多个领域有着重大战略意义。

天基信息网络也叫天基信息系统，它是彼此独立或相关的卫星通信系统、卫星遥感系统、卫星导航系统、载人航天系统、空间物理探测系统、空间天文观测系统、月球和行星深空探测系统以及多种功能的临近空间飞行器系统等各种空间信息系统的总称。天基信息网络中的卫星通信系统、卫星遥感系统和卫星导航系统统称为卫星应用系统，天地一体化信息网络通常就是指这三大应用系统形成的网络。

天基网络与地面网络相比，具有高、远和广域覆盖的突出特点，对于实现海上、空中以及地面系统难以覆盖的边远地区通信有其明显优势，成为通信保障和商业应用的一个重要发展领域。然而，由于人类大部分活动仍是以地面为主进行的，因此基于各类卫星的系统和应用发展始终离不开天地一体化的基本要求。天地一体化信息网络的发展方向就是通过天基网络与地面网络的融合建设，实现地球近地空间中陆、海、空、天各类用户与应用系统之间信息的高效传输与共享应用。

1.系统体系结构

天地一体化信息网络采用“天网地网”架构，即以地面网络为依托，以天基网络为拓展，主要由天基骨干网、天基接入网、地基节点网组成，并与地面互联网、移动通信网融合互联，图10.59给出了天地一体化信息网络系统体系结构。

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图10.59　天地一体化信息网络系统体系结构

天基骨干网由布设在地球同步轨道的多个天基骨干节点组成，主要实现骨干互联、骨干接入、宽带接入、网络管控等功能。

天基接入网由布设在低轨和临近空间的若干天基接入节点组成，主要实现移动通信、宽带接入、安全通信、天基物联网等功能。

地基节点网由布设在国土范围内的多个地基骨干节点组成，主要实现天地互联、地网互联、运维管控、应用服务等功能。

天基骨干网、天基接入网、地基节点网、地面互联网、移动通信网之间通过标准的网间接口（NNI）实现互联，各自独立运行、联合运用，通过用户网络接口（UNI）提供服务。

按照“网络一体化、功能服务化、应用定制化”思路，采用资源虚拟化、软件定义网络等技术，从逻辑上将天地一体化信息网络划分为网络传输、网络服务、应用系统3 个层次。同时，立足提高体系安全防御及快速响应能力，突出安全防护、运维管理的一体化保障支撑作用，形成如图10.60所示的“三层两域”技术体系结构。

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图10.60　天地一体化信息网络技术体系结构

（1）网络传输层

在统一的网络协议体系下，采用“分域自治、跨域互联”机制，确保各自独立运行和自主演化的天基骨干网、天基接入网、地基节点网等子网协同完成一体化网络路由、端到端信息传输，实现大时空尺度联合组网应用。

（2）网络服务层

在统一的云平台框架下，按照“资源虚拟、云端汇聚”机制，实现天基分布式信息资源向地面信息港聚合，并以多中心形式联合提供网络与通信、定位导航授时增强、遥感与地理信息等服务，形成功能分布、逻辑一体的服务体系。

（3）应用系统层

面向天地一体化信息网络各领域应用，将网络传输、网络服务等功能向用户端延伸，通过网络分域隔离、跨域安全控制等途径，动态构建面向不同应用系统、具有不同安全等级的业务承载网，并与本地应用组合集成，构建满足不同需求的应用系统。

（4）安全防护

按照“弹性体系、内生安全”思路，强化物理安全和网络安全一体化设计，从体系结构层面建立弹性可扩展的网络体系，同时形成适应高动态网络特性，并能覆盖网络、服务、应用多层次的网络安全防护体系。

（5）运维管理

在统一的运维管理框架下，采用“分级管理、跨域联合”机制，集成综合测控、网络管理、服务管理、运维支撑手段，通过跨域联合管理，生成全网统一运行态势，支持实现全网资源跨域联合调度，为用户提供一体化运维服务。

2.关键技术

（1）组网与网络协议

天地一体化组网协议研究受到高度关注，地面网络协议主要涉及互联网和移动网协议，目前已有成熟应用的协议体系，也有一些新的协议正在研究。因此，天地一体化信息网络工程需关注的是与天基组网相关的协议，即站在天基的角度研究天基组网和天地组网协议。

目前，已提出了针对同步轨道应用的CCSDS/DTN/IP 融合增强协议体系，面向航天器基本采用CCSDS 协议，高动态情况下采用DTN 协议，面向广大陆、海、空用户（也统称地表用户），采用IP 增强协议实现宽带组网应用，采用专用协议或地面移动网增强协议实现窄带移动系统应用，这些协议在天基传输网络（尤其是卫星通信网络）的产品研制中已广泛实现。

最近提出了基于内容的协议（CCN），但是否适合天基网络、适合何种天基网络需进一步研究。对于低轨星座，由于载荷受到处理能力限制且卫星相对运动，其组网协议需进一步研究。组网方面，基于SDN 的思路从某种角度来讲更适合天基网络，可以将复杂的控制面由地面关口站等节点实现，降低星上处理压力。

（2）天地融合移动接入

天地一体化信息网络包含多种接入方式，包括固定接入和移动接入，其中移动接入又可分为卫星接入和地面移动基站接入。卫星接入具有广域覆盖的优势，适用于偏远地区以及海上和空中用户的接入，地面移动基站在人口密集地区和室内等具有优势，实现不同无线接入方式的天地融合将是天地一体化信息网络的重要特点和发展趋势。

1）安全保密

针对天地一体化信息网络面临的安全威胁，从通信、网络、应用三个层面，研究天地一体化网络的安全体系结构、安全策略，服务于天地一体化网络重大工程建设。其安全体系结构分为网络与通信传输安全、区域边界安全、应用环境安全、统一密码管理中心和统一安全管理中心。

2）运维管控

采用控制平面与业务平面分离的技术体制，通过分类分级的方式实现对天地一体化信息网络的运维管控，主要包括天基骨干管控中心、天基接入管控中心、天地一体管控中心、地基骨干管控中心、地面网络管控中心等。

3）载荷技术

载荷技术主要包括射频天线技术、星间数据传输技术和超大容量星载路由交换技术等。

星间、星地高速数据传输和超大容量交换是骨干组网的核心。目前，星间激光链路相关的载荷技术还未完全成熟，星地高速激光链路可用度、可用性也正处于研究过程中，传统的Ku、Ka频段所支持的带宽已不能满足骨干网节点到地面关口站数十吉比特每秒的高速传输需求。星上交换方面，经过多年发展，已具备一定的处理能力，但从未来发展看，天地双骨干方式要求天基骨干节点需达到上太比特每秒的交换能力。

星上高性能计算处理能力是实现天基组网、减少对地面依赖的必要条件。当前大部分卫星星上处理能力较弱，数据处理和分析主要依赖地面节点（主要是地面数据处理中心），随着在轨处理技术的发展和组网技术的突破，在轨卫星独立完成数据处理和传输成为可能，这种情况下，多种不同卫星可通过空间直接组网，各类终端和卫星可构成复杂的分布式网络，不经地面转接就可实现信息交互。

天地一体化信息网络以解决天基薄弱环节为重点，并不意味着只解决天基相关问题，地面系统及产品是天基系统不可或缺的组成。在各项卫星工程中通常设置卫星系统、应用系统、运控系统、火箭系统、测控系统和发射场系统等六大系统，其中四大系统为地面系统，对系统应用发挥长期效能的是地面应用和运控系统。在星上处理能力不足以达到与地面信息处理与计算能力相当的很长一段时期内，地面系统及相关产品的能力直接影响着天地一体化信息网络应用水平及效能。

地面系统主要包括应用系统和运控系统。应用系统包括关口站和数据服务中心、各类用户终端；运控系统包括网络控制中心和测控中心等；产品包括芯片、终端、射频、天线、服务软件和数据等。关口站的处理能力不仅要求越来越高，而且要达到运营级，既要求高可靠又要求好的用户体验。

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